Автор: Джексон Р. Рис Дж. Урри Л. Кейн М. Вассерман С. Минорски П.
Теги: биологические науки в целом общая биология биология
ISBN: 978-5-907203-88-4
Год: 2021
Текст
ЛНОЦВЕТНОЕ ИЗДАНИЕ
CAMPBELL
БИОЛОГИЯ
ДЖЕЙН Б. РИС • ЛИЗА А. УРРИ • МАЙКЛ Л. КЕЙН
СТИВЕН А. ВАССЕРМАН * ПИТЕР В. МИНОРСКИ
РОБЕРТ Б. ДЖЕКСОН
Химия жизни
Клетка
Генетика
Tenth Edition
CAMPBELL
BIOLOGY
Jane B. Reece
Berkeley, California
Lisa A. Urry
Mills College, Oakland, California
Michael L. Cain
Bowdoin College, Brunswick, Maine
Steven A. Wasserman
University of California, San Diego
Peter V. Minorsky
Mercy College, Dobbs Ferry, New York
Robert B. Jackson
Stanford University, Stanford, California
PEARSON
Boston Columbus Indianapolis New York San Francisco Upper Saddle River
Amsterdam Cape Town Dubai London Madrid Milan Munich Paris Montreal Toronto
Delhi Mexico City Sao Paulo Sydney Hong Kong Seoul Singapore Taipei Tokyo
CAMPBELL
БИОЛОГИЯ
Джейн Б. Рис
Беркли, Калифорния
Лиза А. Урри
Миллс-колледж, Окленд, Калифорния
Майкл Л. Кейн
Боудин-колледж, Брунсвик, Мэн
Стивен А. Вассерман
Калифорнийский университет, Сан-Диего
Питер В. Минорски
Мерси-колледж, Доббс-Ферри, Нью-Йорк
Роберт Б. Джексон
Стэнфордскйи университет, Калифорния
том
Химия жизни
Клетка
Генетика
Р|дидлв<1пикд
Москва • Санкт-Петербург
2021
ББК 28.0
Р54
УДК 57
ООО “Диалектика”
Перевод с английского к.б.н. О.В. Аверчевой (глава 10), Ph. D К.А. Андреева (главы 3 и 7),
М.Д. Барановской (глава 15, приложения), Е.Д. Зотовой (глава 6), Ю.Д. Кондратенко (глава 17),
И.А. Лаврентьевой (приложение А), А.А Латановой (глава 18), к.б.н. М.Ю. Мазиной (главы 14,18,20 и 21),
Н.М. Маркиной (глава 12), к.б.н. Д.М. Мартыновой (приложение А), к.б.н. М.Ю. Мышкиной (глава 4),
А.С. Натровой (глава 8), А.П. Парнес (глава 13), М.М. Половицкой (главы 1, 9, 11, приложения Б-Г),
М.П. Рафаевой (глава 16), А.П. Рюминой (глава 13), М.К. Саитходжаевой (об авторах),
к.б.н. М.Н. Тутукиной (глава 2), О.С. Форсовой (глава 5).
Под редакцией П.В. Волошиной (об авторах, глава 1, интервью, приложения Б-Г, глоссарий),
С.Б. Ястребовой (главы 2-5), А.А. Лукьяновой (главы 6-12),
к.б.н. Д.М. Мартыновой (приложение А), к.х.н. Н.Р. Онищенко (главы 13-21)
По общим вопросам обращайтесь в издательство “Диалектика” по адресам:
info.dialektika@gmail.com, http://www.dialektika.com
Рис, Дж., Урри, Л., Кейн, М., Вассерман, С., Минорски, П., Джексон, Р.
Р54 Биология Campbell в трех томах, том 1. Химия жизни. Клетка. Генетика. Пер. с англ.— СПб:
“Диалектика”, 2021. — 672 с.: ил. — Парал. тит. англ.
ISBN 978-5-907203-88-4 (рус., том 1)
ISBN 978-5-907365-32-2 (рус., многотом.)
ББК 28.0
Все права защищены.
Никакая часть настоящего издания ни в каких целях не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы
то ни было средствами, будь то электронные или механические, включая фотокопирование и запись на магнитный носитель, если
на это нет письменного разрешения издательства Pearson Education, Inc.
Copyright © 2021 by Dialektika Computer Publishing, Ltd.
Authorized Russian translation of the English edition of Campbell Biology, 10th Edition (ISBN 978-0-321-77565-8) © 2014, 2011, 2008
Pearson Education, Inc.
This translation is published and sold by permission of Pearson Education Inc., which owns or controls all rights to publish and sell the same.
All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical,
including photocopying, recording, or by any information storage or retrieval system, without the prior written permission of the copyright
owner and the Publisher.
Научно-популярное издание
Джейн Б. Рис, Лиза А. Урри, Майкл Л. Кейн, Стивен А. Вассерман,
Питер В. Минорски, Роберт Б. Джексон
Биология Campbell, том 1
Химия жизни. Клетка. Генетика
Подписано в печать 12.03.2021. Формат 84x108/16.
Усл. печ. л. 70,56. Уч.-изд. л. 83,12.
Тираж 1000 экз. Заказ № 3242.
Отпечатано в АО “Первая Образцовая типография"
Филиал “Чеховский Печатный Двор”
142300, Московская область, г. Чехов, ул. Полиграфистов, д. 1
Сайт: www.chpd.ru, E-mail: sales@chpd.ru, тел. 8 (499) 270-73-59
ISBN 978-5-907203-88-4 (рус.) © ООО “Диалектика”, 2021, перевод,
оформление, макетирование
ISBN 978-0-321-77565-8 (англ.) © 2014, 2011, 2008 Pearson Education, Inc.
Оглавление
Об авторах...............................12
Глава 1. Эволюция, основные темы биологии
и методы научного исследования...........18
Химия жизни
53
3
Глава 2. Химический контекст жизни.....55
Глава 3. Вода и жизнь....................76
Глава 4. Углерод и молекулярное разнообразие
в живой природе...................93
Глава 5. Структура и функции больших
биологических молекул............106
2
Клетка 139
Глава 6. Экскурсия по клетке........141
Глава 7. Структура и функции
клеточных мембран...................180
Глава 8. Общее представление о метаболизме ..203
Глава 9. Эволюция, основные темы биологии
и методы научного исследования......231
Глава 10. Фотосинтез................259
Глава 11. Клеточная коммуникация....288
Глава 12. Клеточный цикл............314
Генетика 339
Глава 13. Потомки получают гены
от родителей путем наследования
хромосом..............................341
Глава 14. Мендель и идея гена...............360
Глава 15. Хромосомная теория наследования ...393
Глава 16. Молекулярные основы
наследственности......................419
Глава 17. Экспрессия генов: от гена к белку.445
Глава 18. Регуляция экспрессии генов........479
Глава 19. Вирусы............................519
Глава 20. ДНК-инструменты и биотехнология...538
Глава 21. Геномы и их эволюция..............575
Приложение А. Ответы........................608
Приложение Б. Сравнение светового
и электронного микроскопов ....657
Приложение В. Классификация форм жизни.658
Приложение Г. Графики.................659
Предметный указатель..................664
Содержание
Об авторах....................................12
Джейн Б. Рис 12
Лиза А. Урри 12
Майкл Л. Кейн 12
Стивен А. Вассерман 13
Питер В. Минорски 13
Роберт Б. Джексон 13
Нил А. Кэмпбел 14
Благодарности авторов 14
Рецензенты 16
От издательства 17
Глава 1. Эволюция, основные темы биологии
и методы научного исследования..............18
Познавая жизнь 18
1.1. Изучая жизнь, мы выявляем ее основные
признаки 21
Идея: на каждом уровне организации
биологических систем возникают
новые свойства 22
Идея: процесс жизни включает в себя
экспрессию и передачу генетической
информации 23
Идея: передача и превращение энергии
и вещества — неотъемлемые свойства жизни 26
Идея: взаимодействия — это важный аспект
биологических систем, от экосистемного до
молекулярного уровня 27
Эволюция — ключевая концепция биологии 29
1.2. Эволюция — причина единства
и разнообразия жизни 30
Классификация разнообразия жизни 30
Чарлз Дарвин и теория естественного отбора 33
Древо Жизни 34
1.3. Исследуя природу, ученые проводят наблюдения
и формулируют и проверяют гипотезы 37
Проведение наблюдений 37
Постановка и проверка гипотез 38
Гибкость научного процесса 39
Пример научного исследования: изучение
окраски шерсти в популяциях оленьих
хомячков 41
Экспериментальные переменные и контроль 43
Научные теории 43
1.4. Совмещение разнообразных подходов и точек
зрения обогащает науку 44
Стоя на плечах гигантов 44
Наука, технология и общество 46
Ценность различных точек зрения в науке 47
Химия жизни
53
Глава 2. Химический контекст жизни........55
Связь химии с биологией 55
2.1. Вещество состоит из химических элементов
в чистом виде и их сочетаний, называемых
соединениями 56
Элементы и соединения 56
Модельное исследование: эволюция устойчивости
к токсичным элементам 57
2.2. Свойства элемента зависят от строения
его атомов 57
Элементарные частицы 58
Порядковый номер атома и атомная масса 58
Изотопы 59
Энергетические уровни электронов 60
Распределение электронов и химические
свойства 63
Орбитали электрона 63
2.3 Строение и функции молекул зависят
от химических связей между атомами 65
Ковалентные связи 65
Ионные связи 67
Слабые химические связи 69
Пространственная структура и функции
молекул 70
2.4. Химические реакции создают и разрывают
химические связи 71
Глава 3. Вода и жизнь...........................76
Универсальная молекула всего живого 76
3.1. Полярные ковалентные связи в молекуле воды
ведут к возникновению водородных связей 77
3.2. Четыре эмерджентных свойства воды
обеспечивают существование жизни на Земле 78
Когезия (сцепление) молекул воды 78
Теплоемкость воды 78
Температура и теплота 78
Вода и лед 81
Вода — растворитель, обеспечивающий жизнь 82
Возможна ли жизнь за пределами Земли? 84
3.3. Кислотно-щелочные условия среды сильно
влияют на живые организмы 85
Кислоты и основания 85
Водородный показатель (pH) 86
Буферные растворы 87
Закисление океанов — угроза качеству воды 88
Глава 4. Углерод и молекулярное разно-
образие в живой природе.....................93
Углерод — основа жизни 93
4.1. Органическая химия — наука, изучающая
соединения углерода 94
Органические молекулы и зарождение
жизни на Земле 94
4.2. Атомы углерода могут образовывать
разнообразные соединения, связываясь
с четырьмя другими атомами 95
Образование связей с атомом углерода 95
Молекулярное разнообразие за счет
вариации в углеродном скелете 98
4.3. Ряд химических групп определяет функции
молекул 101
Наиболее важные для жизни химические
группы 101
АТФ — важный источник энергии
для процессов в клетках 101
Химические элементы жизни: резюме 103
Глава 5. Структура и функции больших
биологических молекул......................106
Молекулы жизни 106
5.1. Макромолекулы — полимеры, построенные из
мономеров 107
Синтез и распад полимеров 107
Многообразие полимеров 107
5.2. Углеводы служат в качестве топлива
и строительных материалов 108
Сахара 108
Полисахариды 109
5.3. Липиды — группа разнообразных
гидрофобных молекул 113
Жиры 114
Фосфолипиды 116
Стероиды 117
5.4. Структурное разнообразие белков
обуславливает широкий спектр их функций 117
Мономеры белков — аминокислоты 118
Полипептиды (полимеры аминокислот) 119
Структура и функции белков 119
5.5. Нуклеиновые кислоты хранят и передают
наследственную информацию, а также
помогают ей проявиться 128
Роль нуклеиновых кислот 128
Компоненты нуклеиновых кислот 129
Полимеры нуклеотидов 129
Структура молекул ДНК и РНК 130
5.6. Геномика и протеомика перевели биологические
исследования и их прикладное значение
на новый уровень 132
ДНК и белки как измерительные ленты
эволюции 132
Клетка 139
Глава 6. Экскурсия по клетке...141
6.1. Биологи используют микроскопы
и биохимические методы для изучения клеток 142
Микроскопия 142
Фракционирование клеток 145
6.2. Эукариотические клетки имеют внутренние
мембраны, которые разделяют функциональные
процессы 146
Сравнение прокариотических
и эукариотических клеток 146
Панорамный вид эукариотической клетки 149
6.3. Генетические инструкции эукариотической
клетки хранятся в ядре и исполняются
рибосомами 150
Ядро: информационный центр 150
Рибосомы: белковые фабрики 154
6.4. Эндомембранная система клетки регулирует
транспорт белков и осуществляет
метаболические функции 154
Эндоплазматический ретикулум:
биосинтетическая фабрика 155
Аппарат Гольджи: центр приема и отправки 156
Лизосомы: пищеварительные пузырьки 158
Вакуоли: компартменты различного
содержания 159
Эндомембранная система: повторение
пройденного 160
6.5. Митохондрии и хлоропласты конвертируют
энергию из одной формы в другую 161
Эволюционное происхождение митохондрий
и хлоропластов 161
Митохондрии: преобразование химической
энергии 162
Хлоропласты: поглощение световой энергии 162
Пероксисомы: окисление 164
6.6. Цитоскелет — это сеть волокон, организующая
клеточную структуру и процессы в клетке 165
Функции цитоскелета: поддержание формы
и подвижность 165
Компоненты цитоскелета 166
6.7. Внеклеточный матрикс и межклеточные
контакты помогают скоординировать
клеточные процессы 171
Клеточные стенки растений 171
Внеклеточный матрикс (ВКМ) животной
клетки 172
Клеточные контакты 173
Клетка — единица организации жизни, которая
больше, чем просто сумма ее составных частей 174
Глава 7. Структура и функции клеточных
мембран......................................180
На границе жизни 180
7.1. Клеточная мембрана — это жидкая мозаика
из липидов и белков 181
“Текучесть” мембран 182
Эволюционное многообразие мембранных
липидов 183
Мембранные белки и их функции 183
Роль гликокаликса в межклеточных
взаимодействиях 186
Асимметричность мембраны 186
7.2. Структура мембраны обуславливает
избирательную проницаемость 186
Проницаемость липидного бислоя 187
Транспортные белки 187
7.3. Пассивный транспорт — это диффузия вещества
через мембрану, осуществляемая без энергозатрат 188
Влияние осмоса на водный баланс 189
Облегченная диффузия: пассивный транспорт,
ускоренный белками 191
7.4. При активном транспорте для перемещения
веществ против градиента концентрации
используется энергия 193
Активный транспорт невозможен
без затраты энергии 193
Ионные насосы и мембранный потенциал 195
Котранспорт: сопряженный транспорт
нескольких веществ посредством одного белка 196
7.5. Перемещение крупных частиц через мембрану
осуществляется с помощью экзо- и эндоцитоза 197
Содержание 7
Экзоцитоз 197
Эндоцитоз 197
Глава 8. Общее представление о метаболизме ..203
Энергия жизни 203
8.1. Метаболизм живых организмов трансформирует
материю и энергию согласно законам
термодинамики 204
Химия жизни в метаболических путях 204
Формы энергии 204
Законы преобразования энергии 206
Второй закон термодинамики 206
Порядок и хаос в биологии 207
8.2. Изменение свободной энергии реакции
говорит нам о том, может ли реакция протекать
самопроизвольно 208
Изменение свободной энергии, AG 208
Свободная энергия, стабильность
и равновесие 209
Свободная энергия и метаболизм 209
Равновесие и метаболизм 211
8.3. Молекулы АТФ приводят в действие клеточные
процессы путем сопряжения экзергонических
и эндергонических реакций 212
Структура и гидролиз молекулы АТФ 213
Как гидролиз АТФ способствует
осуществлению работы 214
Регенерация АТФ 214
8.4. Ферменты ускоряют метаболические реакции
путем снижения энергетических барьеров 216
Энергетический барьер активации 216
Как ферменты ускоряют реакции 218
Субстратная специфичность ферментов 218
Катализ в активном центре фермента 220
Влияние локальных условий на активность
ферментов 221
Эволюция ферментов 224
8.5. Регуляция активности ферментов помогает
контролировать метаболизм 225
Аллостерическая регуляция ферментов 225
Локализация ферментов в клетке 227
Уровень 1: усвоение знаний 229
Уровень 2: применение знаний 230
Уровень 3: обобщение и анализ 230
Глава 9. Эволюция, основные темы биологии
и методы научного исследования.......231
Энергия жизни 231
9.1. Катаболические пути ведут к образованию
энергии за счет окисления органических
субстратов 232
Катаболические пути и производство АТФ 232
Окислительно-восстановительные реакции 233
Этапы клеточного дыхания: введение 237
9.2. В гликолизе химическая энергия запасается
при окислении глюкозы до пирувата 238
9.3. За окислением пирувата следует цикл
трикарбоновых кислот, которым завершается
окисление органических соединений, идущее
с высвобождением энергии 239
Окисление пирувата до ацетил-СоА 239
Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) 239
9.4. В процессе окислительного фосфорилирования
хемиосмос сопрягает перенос электронов
с синтезом АТФ 243
Путь переноса электронов 243
Хемиосмос — механизм сопряжения энергии 244
Расчет количества АТФ, получаемого
в результате клеточного дыхания 247
9.5. Брожение и анаэробное дыхание позволяют
клеткам синтезировать АТФ при отсутствии
кислорода 250
Типы брожения 250
Сравнение брожения, анаэробного
и аэробного дыхания 251
Эволюционное значение гликолиза 252
9.6. Гликолиз и цикл трикарбоновых кислот
объединяют множество метаболических путей 253
Универсальность катаболизма 253
Биосинтез (анаболические пути) 254
Регуляция клеточного дыхания
механизмами обратной связи 254
Глава 10. Фотосинтез........................259
Процесс, питающий биосферу 259
10.1. Фотосинтез преобразует световую энергию
в химическую энергию пищи 261
Хлоропласты: центры, где происходит
фотосинтез у растений 261
Фотосинтез — окислительно-
восстановительный процесс 263
Две стадии фотосинтеза: краткий обзор 263
10.2. Световые реакции переводят световую
энергию в химическую энергию АТФ и НАДФН 265
Природа света 265
Фотосинтетические пигменты — рецепторы
света 266
Возбуждение хлорофилла светом 268
Фотосистема: реакционный центр
со светособирающими комплексами 268
Линейный (нециклический) транспорт
электронов 270
Циклический транспорт электронов 272
Хемиосмос — механизм синтеза АТФ
в хлоропластах и митохондриях 273
10.3. В цикле Кальвина химическая энергия АТФ
и НАДФН используется для превращения
СО, в сахара 275
10.4. В жарком и засушливом климате
сформировались альтернативные механизмы
фиксации углерода 277
Фотодыхание — пережиток эволюции? Т11
С4-растения 278
САМ-растения 279
Значение фотосинтеза (обобщение) 284
Глава 11. Клеточная коммуникация............288
Клеточные сигналы 288
11.1. Внешние сигналы преобразуются
в клеточные ответы 289
Эволюция клеточной сигнализации 289
Локальная и дистантная передача сигнала 290
Три стадии передачи сигнала
(общие сведения) 292
11.2. Рецепция: сигнальная молекула связывается
с рецепторным белком, вызывая изменение
его конформации 293
Рецепторы на плазматической мембране 293
Внутриклеточные рецепторы 297
8 Содержание
11.3. Трансдукция: каскады молекулярных
взаимодействий передают сигналы
от рецепторов к молекулам-мишеням в клетке 298
Пути трансдукции сигнала 298
Фосфорилирование и дефосфорили-
рование белков 298
Мелкие молекулы и ионы как вторичные
посредники 299
Ионы кальция и инозитолтрифосфат (ИФ3) 301
11.4. Ответ: клеточная сигнализация ведет к регуляции
транскрипции или процессов, происходящих
в цитоплазме 303
Ядерные и цитоплазматические ответы 303
Регуляция ответа 304
11.5. Апоптоз объединяет множество сигнальных
путей 308
Апоптоз у червя Caenorhabditis elegans 309
Апоптотические каскады и запускающие их
сигналы 309
Глава 12. Клеточный цикл.....................314
Основные роли клеточного деления 314
12.1. Клеточное деление чаще всего приводит
к возникновению двух идентичных дочерних
клеток 315
Клеточная организация генетического
материала 315
Распределение хромосом во время деления
эукариотической клетки 316
12.2. Митотическая фаза чередуется в клеточном
цикле с интерфазой 317
Фазы клеточного цикла 318
Веретено деления: детальный анализ 318
Цитокинез: детальный анализ 323
Бинарное деление бактерий 324
Эволюция митоза 325
12.3. Клеточный цикл эукариот регулируется
молекулярной контрольной системой 325
Система контроля клеточного цикла 326
Потеря контроля клеточного цикла
в раковых клетках 331
Генетика 339
Глава 13. Потомки получают гены от родителей
путем наследования хромосом................341
Вариации на тему 341
13.1. Потомки получают гены от родителей путем
наследования хромосом 342
Наследование генов 342
Сравнение бесполого и полового размножения 342
13.2. Оплодотворение и мейоз чередуются в циклах
полового размножения 343
Наборы хромосом в клетках человека 343
Что происходит с набором хромосом
в течение жизненного цикла человека 345
Разнообразие циклов полового размножения 346
13.3. Мейоз уменьшает число наборов хромосом
с диплоидного до гаплоидного 347
Стадии мейоза 347
Кроссинговер и конъюгация хромосом
во время профазы I 348
Сравнение митоза и мейоза 351
13.4. Наследственная изменчивость, возникающая
в результате полового размножения,
способствует эволюции 354
Истоки наследственной изменчивости
среди потомков 354
Эволюционное значение наследственной
изменчивости в популяциях 356
Глава 14. Мендель и идея гена...............360
Гены вытягивают из колоды 360
14.1. Мендель использовал научный подход,
чтобы выявить два закона наследования 361
Экспериментальный и количественный
подход Менделя 361
Закон расщепления 363
Закон независимого наследования признаков 368
14.2. Законами Менделя управляет теория
вероятностей 370
Правила умножения и сложения
вероятностей, применимые
к моногибридному скрещиванию 370
Решение сложных генетических задач
с использованием правил вероятности 371
14.3. Принципы наследования часто оказываются
сложнее тех, которые предсказывает
генетика Менделя 372
Применение генетики Менделя
для одиночного гена 373
Использование генетики Менделя
для двух или более генов 375
Природа и воспитание: воздействие
окружающей среды на фенотип 377
Виды наследственности и изменчивости
в генетике Менделя 378
14.4. Многие признаки у человека наследуются
согласно законам Менделя 378
Анализ родословных 380
Рецессивные наследственные заболевания 381
Доминантные наследственные заболевания 384
Мультифакторные заболевания 385
Генетическое тестирование и консультирование385
Глава 15. Хромосомная теория наследования ....393
Расположение генов на хромосомах 393
15.1. Морган показал, что менделевское
наследование физически обусловлено
поведением хромосом (научное исследование) 395
Выбор экспериментального объекта 395
Обнаружение параллелизма между пове-
дением аллелей и поведением пар хромосом 396
15.2. Гены, сцепленные с полом, наследуются
особым образом 397
Хромосомные основы пола 397
Наследование Х-сцепленных генов 399
Инактивация Х-хромосомы у самок
млекопитающих 400
15.3. Сцепленные гены, как правило, наследуются
совместно, поскольку они расположены
рядом друг с другом на одной хромосоме 401
Как сцепление влияет на наследование 401
Генетическая рекомбинация и сцепление 403
Содержание 9
Определение расстояния между генами
при помощи данных по рекомбинации
(научное исследование) 407
15.4. Изменение числа хромосом и их структуры
вызывает генетические расстройства 409
Аномальное число хромосом 409
Изменения в структуре хромосом 410
Заболевания человека, связанные
с хромосомными перестройками 411
15.5. Некоторые типы наследования
не подчиняются законам Менделя 413
Геномный импринтинг 413
Наследование генов органелл 414
Глава 16. Молекулярные основы
наследственности...........................419
Жизнь: инструкция по эксплуатации 419
16.1. ДНК — это генетический материал 420
Поиск генетического материала
(научное исследование) 420
Построение модели структуры ДНК
(научное исследование) 424
16.2. При репликации и репарации ДНК
множество белков работает совместно 427
Основной принцип: комплементарное
спаривание азотистых оснований
с матричной цепью 427
Репликация ДНК: детальный анализ 429
Обнаружение ошибок и репарация ДНК 435
Эволюционное значение изменений ДНК 436
Репликация концов молекулы ДНК 437
16.3. Хромосома содержит молекулу ДНК,
упакованную вместе с белками 438
Глава 17. Экспрессия генов: от гена к белку.445
Поток генетической информации 445
17.1. Гены определяют структуру белков
посредством транскрипции и трансляции 446
Данные исследований нарушений
метаболизма 446
Нарушения питания у нейроспоры
(научное исследование) 446
Основные принципы транскрипции
и трансляции 449
Генетический код 450
17.2. Транскрипция — ДНК-зависимый синтез
РНК (детальный анализ) 454
Молекулярные компоненты транскрипции 454
Синтез РНК-транскриптов 455
Элонгация цепи РНК 456
Терминация транскрипции 456
17.3. В клетках эукариот РНК подвергается
модификации после транскрипции 456
Изменение концов мРНК 457
Прерывистые гены и сплайсинг РНК 457
17.4. Трансляция — РНК-зависимый синтез
полипептида (детальный анализ) 460
Молекулярные компоненты трансляции 460
Синтез полипептида 463
Завершение синтеза белка и его отправка
к месту назначения 466
Синтез множества полипептидов у бактерий
и эукариот 469
17.5. Мутации в одном или нескольких нуклеотидах
могут сильно повлиять на структуру
и функции белка 470
Типы мутаций малого масштаба 472
Новые мутации и мутагенез 474
Возвращаясь к вопросу “Что такое ген?” 474
Глава 18. Регуляция экспрессии генов.........479
Дифференциальная экспрессия генов 479
18.1. Бактерии часто отвечают на изменение внешних
условий за счет регуляции транскрипции 480
Оперон: основные положения 481
Репрессируемые и индуцируемые опероны: два
типа отрицательной регуляции генов 482
Положительная регуляция генов 484
18.2. Экспрессия генов у эукариот регулируется
на многих уровнях 485
Дифференциальная экспрессия генов 485
Регуляция структуры хроматина 485
Регуляция инициации транскрипции 488
Механизмы посттранскрипционной
регуляции 494
18.3. Некодирующие РНК выполняют множество
функций в регуляции экспрессии генов 496
Воздействие микроРНК и малых
интерферирующих РНК на матричную РНК 496
Влияние нкРНК на перестройки хроматина 497
Эволюционное значение малых нкРНК 499
18.4. Программа дифференциальной экспрессии генов
приводит к формированию различных типов
клеток многоклеточного организма 499
Генетическая программа эмбрионального
развития 499
Цитоплазматические детерминанты
и индуктивные сигналы 500
Последовательное регулирование экспрессии
генов в ходе дифференцировки клеток 501
Формирование паттернов: создание
плана тела 503
18.5. В результате генетических изменений,
влияющих на контроль клеточного цикла,
развивается рак 508
Типы генов, ассоциированных с раком 508
Вмешательство в нормальные сигнальные
пути клетки 509
Многоступенчатая модель развития рака 511
Наследственная предрасположенность
и экологические факторы, способствующие
заболеванию раком 512
Роль вирусов в развитии рака 514
Глава 19. Вирусы.............................519
Жизнь взаймы 519
19.1. Вирус состоит из нуклеиновой кислоты,
окруженной белковой оболочкой 520
Открытие вирусов (научное исследование) 520
Структура вирусов 521
19.2. Вирусы реплицируются только в клетках
организма-хозяина 523
Общие черты репликативных
циклов вирусов 523
Репликативные циклы фагов 524
Репликативные циклы вирусов животных 526
Эволюция вирусов 529
10 Содержание
19.3. Вирусы, вироиды и прионы — грозные
патогены животных и растений 531
Вирусные болезни животных 531
Возникающие вирусы 532
Вирусные заболевания растений 534
Вироиды и прионы: простейшие инфекционные агенты 535
Глава 20. ДНК-инструменты и биотехнология .538
ДНК-инструментарий 20.1. Секвенирование и клонирование ДНК — 538
ценные инструменты для генной инженерии и биологических исследований 539
Секвенирование ДНК Создание нескольких копий гена 539
или другого фрагмента ДНК Использование ферментов рестрикции 542
для получения плазмиды с рекомбинантной ДНК 544
Амплификация ДНК: полимеразная цепная реакция (ПЦР) и ее использование в клонировании ДНК 546
Экспрессия клонированных эукариотических генов 548
20.2. Биологи используют ДНК-технологии
для изучения экспрессии и функциони- рования генов 549
Анализ экспрессии генов 550
Определение функции гена 554
20.3. Клонированные организмы и стволовые
клетки могут быть использованы для фундаментальных исследований и других приложений 556
Клонирование растений: одноклеточные культуры Клонирование животных: 556
ядерная трансплантация 557
Стволовые клетки животных 560
20.4. Прикладные ДНК-технологии во многих
отношениях влияют на нашу жизнь 563
Применение в медицине Судебные доказательства и генетические 563
профили 567
Очистка окружающей среды 568
Применение в сельском хозяйстве 569
Безопасность и этические вопросы, поднимаемые ДНК-технологиями 570
Количество генов 584
Плотность генов и некодирующая ДНК 585
21.4. Геномы многоклеточных эукариот содержат
множество некодирующих последовательностей
ДНК и мультигенных семейств 585
Транспозоны и родственные
последовательности 586
Другие ДНК-повторы, включая тандемные
повторы 588
Гены и мультигенные семейства 589
21.5. Дупликации, рекомбинации и мутационные
изменения ДНК способствуют эволюции
генома 590
Дупликации целых наборов хромосом 590
Изменения структуры хромосом 591
Дупликация и дивергенция участков ДНК
генного размера 592
Перестановки частей генов: дупликация
и перетасовка экзонов 594
Как мобильные элементы вносят вклад в
эволюцию генома 597
21.6. Сравнение геномных последовательностей
дает ключи к пониманию процессов
эволюции и развития 598
Сравнивая геномы 598
Широко распространенная
консервативность генов развития среди
животных 602
Приложение А. Ответы.......................608
Приложение Б. Сравнение светового
и электронного микроскопов ....657
Приложение В. Классификация форм жизни....658
Приложение Г. Графики.....................659
Предметный указатель......................664
Глава 21. Геномы и их эволюция..............575
Читая листья древа жизни 575
21.1. Проект “Геном человека” стал стимулом для
развития более быстрых и дешевых технологий
секвенирования 576
21.2. Ученые используют биоинформатику для анализа
геномов и их функций 578
Централизованные ресурсы для анализа
геномных последовательностей 578
Идентификация белок-кодирующих генов
и определение их функции 579
Представление о генах и экспрессии генов на
системном уровне 580
21.3. Геномы различаются по размеру, числу генов
и плотности их расположения 583
Размер генома 583
Содержание 11
Об авторах
Вклад коллектива авторов книги Биология Campbell — нагляд-
ное свидетельство их профессиональных знаний в биологии и
педагогических навыков, накопленных за годы работы в каче-
стве преподавателей различных вузов. Стиль совместной рабо-
ты команды свидетельствует о целостности и последовательно-
сти Десятого издания
Джейн Б. Рис
Джейн Рис давно сотрудни-
чает с Нилом Кэмпбеллом,
она принимала участие в ка-
ждом издании книги Биоло-
гия Campbell. Ранее Джейн
преподавала биологию в
Колледже округа Миддлсекс
и в местном Колледже Ку-
инсборо. Она получила
степень бакалавра по био-
логии в Гарвардском университете, степень маги-
стра естественных наук в области микробиологии
в Университете имени Рутгерса и докторскую сте-
пень в области бактериологии в Калифорнийском
Университете, Беркли. Исследования Джейн в ка-
честве докторанта Калифорнийского университе-
та в Беркли и научного сотрудника Стэнфордского
университета сосредоточены на теме генетической
рекомбинации в бактериях. Помимо работы над
изданием Биология Campbell, она является одним
из автором книг Campbell Biology in Focus, Campbell
Biology: Concepts & Connections, Campbell Essential
Biology и The World o f the Cell.
Айза А. Урри
Лиза Урри — профессор био-
логии и заведующая кафед-
рой биологии в колледже
Миллс в Окленде, штат Ка-
лифорния, а также консуль-
тант в Калифорнийском
Университете, Беркли. Пос-
ле окончания Университета
Тафтса по двум специаль-
ностям: биология и французский язык, Лиза по-
лучила степень доктора в области молекулярной
биологии и биологии развития в Массачусетском
Технологическом Институте в рамках совмест-
ной программы Массачусетского Технологическо-
го Института и Вудс-Холского Института Океа-
нографии. Она опубликовала ряд научных работ,
большинство которых посвящено экспрессии ге-
нов во время эмбрионального и личиночного раз-
вития у морских ежей. Лиза преподавала разные
курсы — от вводного курса по биологии до биоло-
гии развития и семинаров для студентов послед-
них курсов. В рамках своей миссии углубленного
понимания эволюции Лиза преподает непро-
фильный предмет под названием “Эволюция для
будущих президентов” и является членом Кон-
сультативного совета преподавателей для сайта
“Понимание эволюции”, разработанного Музеем
палеонтологии Калифорнийского Университета.
Лиза является приверженцем расширения воз-
можностей вовлечения женщин и национальных
меньшинств в науку. Лиза также является одним
из автором издания Campbell Biology in Focus.
Майкл А. Кейн
Майкл Кейн — эколог и био-
лог-эволюционист; в нас-
тоящее время занимает-
ся писательской деятельно-
стью на постоянной основе.
Майкл окончил Колледж
Боудена по двум специаль-
ностям: биология и мате-
матика, получил степень
магистра в Университете
Брауна и степень доктора экологии и эволюцион-
ной биологии в Корнельском университете. В ка-
честве преподавателя Государственного универси-
тета Нью-Мексико и Технологического института
Роуза-Халмена он преподавал различные курсы,
включая курс вводной биологии, экологии, эво-
люции, ботаники и биологии охраны природы.
Майкл является автором многочисленных науч-
ных работ, посвященных поведению, связанному
с добычей пищи у насекомых и растений, рассеи-
ванию семян на большие расстояния и видообра-
зованию у сверчков. Кроме работы над издания-
ми Биология Campbell и Campbell Biology in Focus,
Майкл является ведущим автором учебника по
экологии.
Стивен А. Вассерман
Стив Вассерман — профес-
сор биологии Калифорний-
ского Университета, Сан-
Диего. Он получил степень
бакалавра по биологии в
Гарвардском университете
и докторскую степень по
биологии в Массачусетском
Технологическом Институ-
те. Благодаря своим иссле-
дованиям, посвященным
регуляторным механизмам путей обмена у пло-
довой мушки дрозофилы, Стив внес свой вклад
в область биологии развития, воспроизводства и
иммунитета. Он работал преподавателем в Уни-
верситете Техасского Юго-западного медицин-
ского центра и в Калифорнийском Университете,
Сан-Диего, где преподавал генетику, эволюцию и
физиологию студентам магистратуры, аспиран-
там и студентам-медикам. В настоящее время он
преподает вводный курс биологии. Он также был
научным руководителем более десятка докторан-
тов и более 50 начинающих ученых — студентов
и учеников старшей средней школы. Как выдаю-
щийся ученый, Стив был удостоен наград от Бла-
готворительного фонда Марки и Фонда Дэвида и
Люсиль Пакард. В 2007 году он получил звание
Заслуженного преподавателя Калифорнийско-
го Университета, Сан-Диего. Стив также явля-
ется одним из автором издания Campbell Biology
in Focus.
Питер В. Минорски
Питер Минорски — про-
фессор биологии в Коллед-
же Мерси, штат Нью-Йорк,
где он преподает вводный
курс биологии, а также курс
эволюции, экологии и бота-
ники. Он защитил степень
бакалавра по биологии в
Колледже Вассар и доктор-
скую степень в области фи-
зиологии растений в Корнельском университете.
Он также является автором научных статей для
журнала Plant Physiology (Физиология растений).
После окончания докторантуры в Висконсин-
ском Университете в Мэдисоне Питер преподавал
в Кеньонском колледже, Колледже Юнион, Уни-
верситете Западного Коннектикута и в Колледже
Вассар. В своих научных исследованиях его инте-
ресует чувствительность растений к изменениям
окружающей среды. В 2008 году Питер получил
премию за выдающиеся достижения в преподава-
нии в Колледже Мерси. Питер также является од-
ним из автором издания Campbell Biology in Focus.
Роберт Б. Джексон
Роб Джексон — профес-
сор (имени Дугласа) в об-
ласти окружающей среды
и энергетики Кафедры эн-
вироники Стэнфордско-
го университета. Роб полу-
чил степень бакалавра по
химической инженерии в
Университете Райса, а так-
же степени магистра по
экологии и статистике, и степень доктора эколо-
гии в Университете штата Юта. Во время работы
в качестве профессора биологии в Университете
Дьюка, Роб руководил программой Университе-
та по экологии и был вице-президентом по науке
Экологического общества Америки. Он получил
множество наград, в том числе премию Прези-
дента “Ранняя карьера в области науки и техни-
ки” от Национального научного фонда. Роб явля-
ется членом Экологического общества Америки
и Американского геофизического союза. Он так-
же является автором популярных произведений,
опубликовал популярную книгу об окружающей
Об авторах 13
среде The Earth Remains Forever (Земля остается
навсегда) и две книги стихов для детей: Animal
Mischief (Шалости животных) и Weekend Mischief
(Шалости во время уикенда). Роб также являет-
ся одним из автором издания Campbell Biology
in Focus,
Нил А. Кэмпбел
Нил Кэмпбелл (1946-2004)
объединил в себе черты
пытливого ученого-иссле-
дователя и опытного и за-
ботливого преподавателя.
Он получил степень маги-
стра по зоологии в Кали-
форнийском университете
в Лос-Анджелесе и доктор-
скую степень по биологии растений в Калифор-
нийском Университете, Риверсайд, где был удосто-
ен премии “Выдающийся выпускник” в 2001 году.
Нил опубликовал множество научных статей о
растениях пустыни, прибрежных растениях и
о том, как распускаются листья таких чувствитель-
ных растений, как мимоза и других стручковых
растений. На протяжении 30 лет он преподавал
вводный курс биологии в различных вузах, вклю-
чая Корнельский университет, Колледж Помона и
Колледж Сан-Бернардино Валлей, где он получил
свою первую премию “Выдающийся профессор”
в 1986 году. Нил был приглашенным преподава-
телем кафедры ботаники и растениеводства Кали-
форнийского университета, Риверсайд.
Благодарности авторов
Авторы желают выразить благодарность миро-
вому сообществу преподавателей, исследователей,
студентов и издателей, которые внесли свой вклад
в очередное издание книги Биология Campbell. Как
авторы, мы помним, что перед нами стояла слож-
ная задача: постоянное обновление быстро раз-
вивающегося предмета наших исследований. Мы
благодарны многим ученым, которые оказывали
содействие в составлении этого учебника, обсуж-
дали с нами свои исследования, отвечали на кон-
кретные вопросы, касающиеся сферы их научных
интересов, а также обменивались идеями относи-
тельно подготовки специалистов в области биоло-
гии. Мы выражаем особую благодарность специ-
алистам, перечисленным ниже в алфавитном
порядке: Моника Абедин, Джон Арчибальд, Крис
Остин, Кристиан Аксельсен, Джейми Баском,
Этан Бьер, Барбара Боуман, Даниэль Бойс, Жан
Дезе, Эми Доббертин, Ира Гринбаум, Кен Галанич,
Роберт Геббель, Эрин Айриш, Дункан Иршик, Аза-
рия Караманлидис, Патрик Килинг, Никос Кирпи-
дес, Тери Лиглер, Джин Ликенс, Том Оуэнс, Кевин
Петерсон, Майкл Поллок, Эми Раппапорт, Эндрю
Роджер, Эндрю Рот, Эндрю Шафнер, Томас Шнай-
дер, Аластер Симпсон, Дуг Солтис, Памела Сол-
тис, Анна Танукос, Элизабет Уэйд, Филипп Заморе
и Кристин Зардеки. Кроме того, биологи, перечис-
ленные разделе “Рецензенты” предоставили свои
подробные рецензии, которые помогли нам сде-
лать учебник научно достоверным и повысить его
педагогическую эффективность. Мы благодарим
Марти Тейлор за ее большой вклад в составлении
точного, понятного и последовательного учебни-
ка; мы также выражаем благодарность Каролин
Ветцель, Рут Баскерк, Джоан Шарп, Дженнифер
Йех и Шарлин д’Аванцо за их вклад в составление
упражнений для развития научных навыков.
Также благодарим других преподавателей и сту-
дентов со всего мира, которые связывались с авто-
рами напрямую и вносили полезные предложения.
Только мы несем ответственность за возможные
ошибки, но преданность своей работе наших кон-
сультантов, рецензентов и других партнеров по пе-
реписке дает нам уверенность в том, что этот учеб-
ник является точным и эффективным. Интервью
с известными учеными является отличительной
чертой данного учебника с момента его создания,
и проведение таких интервью стало одним из ве-
личайших удовольствий при создании нового из-
дания книги. В начале трех разделов этого издания
мы с гордостью включили интервью с Венки Рама-
кришна, Хайфан Лин и Чарльзом Ротими.
Ценность учебника в качестве инструмента
обучения значительно повышается за счет до-
полнительных материалов, которые были созда-
ны для преподавателей и студентов. Мы отдаем
себе отчет, что авторы этих материалов в основ-
ном пишут небольшие по объему книги. Мы це-
ним упорный труд и творчество всех авторов. Мы
также выражаем благодарность Кэтлин Фицпа-
трик и Николь Танбридж (презентации лекций в
PowerPoint); Скотту Мейснеру, Роберту Баторски,
Таре Терли Стоулиг, Лизе Флик и Брайан Джен-
нингс (выбор вопросов); Эду Залиско, Мелиссе
Фирке, Ребекке Орр и Диане Йокинен (блок те-
стов); Натали Бронштейн, Линде Логдберг, Мэтт
Макардл, Риа Мерфи, Крису Ромеро и Энди Стал-
лу (модули динамического исследования); а также
14 Об авторах
Эйлин Грегори, Ребекке Орр и Елене Правосудо-
вой (адаптивные проверочные задания).
Данная книга — это результат необычайно
тесного сотрудничества коллектива ученых и ко-
манды издателей.
Коллектив редакции Pearson Education вновь
продемонстрировал непревзойденный талант, це-
леустремленность и педагогические знания. Глав-
ные отличительные особенности стиля руковод-
ства нашего старшего рецензента издательства
Джоша Фроста — это сообразительность, интел-
лект и рассудительность. Ясность и эффектив-
ность каждой страницы во многом обязаны на-
шим замечательным контрольным редакторам
Пэт Бернер и Бет Виникофф, которые работали с
первоклассной командой редакторов-разработчи-
ков — Мэри Энн Мюррей, Джон Бернер, Мэтт Ли,
Хилар Чисм и Эндрю Речер (компания Precision
Graphics). Наш непревзойденный заведующий ре-
дакцией Джинни Симион Джатсон, исполнитель-
ный директор по разработке Дебора Гейл, помощ-
ник редактора Кэтрин Харрисон-Адкок и главный
редактор Бет Уилбур были незаменимы в продви-
жении проекта в правильном направлении. Мы
также хотим поблагодарить Робин Гейдена за ор-
ганизацию ежегодных конференций по биоло-
гии и поддержание контактов с мировым сообще-
ством биологов.
У вас бы не было этого прекрасного учебника,
если бы не работа производственного коллектива:
директора по производству Эрина Грегга; ответ-
ственного редактора Майкла Рано; руководителя
проекта Шеннона Тозье; старшего фоторедактора
Донны Калал; бильд-редактора Морина Шпуле-
ра; выпускающего редактора Джоанны Динсмор;
корректора Пита Шанкса; руководителей проек-
та по правам доступа к учебнику Алисон Брукнер
и Джо Кроскап; менеджера по правам доступа к
учебнику Тима Николса; старшего редактора про-
екта Эмили Буш, специалиста по разбивке тек-
ста на страницы Донны Хили, а также других со-
трудников компании S4Carlisle: арт-менеджера
Кристины Сеймур, художника Энтрю Речера, а
также сотрудников компания Precision Graphics:
дизайн-менеджера Мэрилин Перри; специали-
ста по художественному оформлению/дизайну
Келли Мерфи; оформителя текста Тани Хасега-
ва; дизайнера обложки Иво Риезебос и закупщи-
ка из сферы производства Джеффри Сарджента.
Мы также благодарим тех, кто работал над прило-
жениями к учебнику: Сьюзан Берге, Брейди Гол-
ден, Джейн Брендедж, Фил Миннитте, Кэтрин
Харрисон-Адкок, Кэти Кук, Мелани Филд, Крис
Лэнген, Пит Шэнкс, Джон Гаммет.
За создание замечательного пакета электрон-
ных материалов, сопровождающих учебник, мы
благодарим Таню Млавер (директор по разработ-
ке контента для MasteringBiology, Сару Дженсен,
Ж. Зане Барлоу, доктора Ли Энн, Кэролайн Росс,
Тейлор Мерк и Брин Бучанан, а также директора
по разработке материалов Лорен Фогель и дирек-
тора коммуникативной стратегии Стейси Треко.
За важный вклад в маркетинг учебника мы бла-
годарим Кристи Леско, Лорен Харп, Скотта Даста-
на, Крис Хесс, Джейн Кэмпбелл, Джессику Перри
и Дженнифер Омиллер. За поддержку меропри-
ятий по освоению рынка мы благодарим Ми-
шель Кадден. Мы благодарны президенту Pearson
Science Полу Кори за его энтузиазм, поощрение и
поддержку.
Группа сбыта компании Pearson, которая пред-
ставляет этот учебник в университетском городке,
является важным связующим звеном с пользова-
телями учебника. Они рассказывают нам, что вам
нравится и не нравится в учебнике, рассказывают
об особенностях учебника, а также обеспечивают
оперативное обслуживание. Мы благодарим их за
их упорный труд и высокий профессионализм. Дэ-
вид Тейсен, национальный директор по ключевым
рынкам, каждый год неустанно навещает бесчис-
ленное количество преподавателей, предоставляя
нам значительную редакторскую поддержку. За
представление нашего учебника международной
аудитории мы благодарим наших международ-
ных партнеров по продажам и маркетингу. Все они
являются надежными союзниками в подготовке
специалистов-биологов.
Наконец, мы хотели бы поблагодарить членов
наших семей и друзей за их поддержку и терпение
на протяжении всего этого длительного проекта.
Особая благодарность Полу, Дэну, Мэри, Армель,
и Шону (Джейн Б. Рис); Лиллиан Альбертини
Урри и Россу, Лили и Алексу (Лиза А. Урри); Де-
бре и Ханне (Майкл Л. Кейн); Гарри, Эльге, Ааро-
не, Софи, Ною и Габриэле (Стивен А. Вассерман);
Натали (Питер В. Минорски); а также Салли, Уил-
лу, Дэвиду и Роберту (Роберт Б. Джексон). И, как
всегда, мы благодарим Рошель, Эллисон, Джейсо-
на, Маккея и Гаса.
Джейн Б. Рис, Лиза А. Урри, Майкл Л. Кейн,
Стивен А. Вассерман, Питер В. Минорски,
Роберт Б. Джексон
Об авторах 15
Рецензенты
1. Джон Олкок (John Alcock), Arizona State University
2. Родни Олрич (Rodney Allrich), Purdue University
3. Тери Балсер (Teri Balser), University of Wisconsin,
Madison
4. Дейвид Бос (David Bos), Purdue University
5. Скотт Боулинг (Scott Bowling), Auburn University
6. Беверли браун (Beverly Brown), Nazareth College
7. Уоррен Барггрен (Warren Burggren), University of
North Texas
8. Дейл Бернсайд (Dale Burnside), Lenoir-Rhyne
University
9. Майкл Кариво (Mickael Cariveau), Mount Olive
College
10. Джун Чои (Jung Choi), Georgia Institute of Tech-
nology
И. Стив Кристенсен (Steve Christensen), Brigham
Young University
12. Регги Кобб (Reggie Cobb), Nashville Community Col-
lege
13. LLIoH Коулман (Sean Coleman), University of the
Ozarks
14. Дебора Дардис (Deborah Dardis), Southeastern Lou-
isiana University
15. Мелисса Дэдмонд (Melissa Deadmond), Truckee
Meadows Community College
16. Жан Дезе (Jean DeSaix), University of North Caroli-
na, Chapel Hill
17. Джейсон Дуглас (Jason Douglas), Angelina College
18. Анна Эдлунд (Anna Edlund), Lafayette College
19. Курт Эллиотт (Kurt Elliott), North West Vista College
20. Роб Эрдман (Rob Erdman), Florida Gulf Coast College
21. Дейл Эрскин (Dale Erskine), Lebanon Valley College
22. Маргарет Фолсом (Margaret Folsom), Methodist Col-
lege
23. Роберт Фаулер (Robert Fowler), San Jose State Uni-
versity
24. Ким Фредерикс (Kim Fredericks), Viterbo University
25. Крейг Гатто (Craig Gatto), Illinois State University
26. Кристен Дженет (Kristen Genet), Anoka Ramsey
Community College
27. Фил Гибсон (Phil Gibson), University of Oklahoma
28. Эрик Джиллок (Eric Gillock), Fort Hayes State Uni-
versity
29. Эдвин Гинес-Кандалерия (Edwin Gines-Candelaria),
Miami Dade College
30. Эйлин Грегори (Eileen Gregory), Rollins College
31. Брэдли Григгс (Bradley Griggs), Piedmont Technical
College
32. Эдвард Груберг (Edward Gruberg), Temple University
33. Карла Гатридж (Carla Guthridge), Cameron Uni-
versity
34. Карла Хаас (Carla Haas), Pennsylvania State Uni-
versity
35. Прайс Пит Хаддикс (Pryce Pete Haddix), Auburn
University
36. Хизер Халлен-Адамс (Heather Hallen-Adams), Uni-
versity of Nebraska, Lincoln
37. Моника Холл-Вудз (Monica Hall-Woods), St. Charles
Community College
38. Билл Гамильтон (Bill Hamilton), Washington & Lee
University
39. Деннис Хэни (Dennis Haney), Furman University
40. Джин Хардвик (Jean Hardwick), Ithaca College
41. Люк Хармон (Luke Harmon), University of Idaho
42. Крис Хейнс (Chris Haynes), Shelton State Communi-
ty College
43. Джин Хейтц (Jean Heitz), University of Wisconsin,
Madison
44. Алберт Эррера (Albert Herrera), University of South-
ern California
45. Крис Хесс (Chris Hess), Butler University
46. Кендра Хилл (Kendra Hill), San Diego State Uni-
versity
47. Лора Хьюстон (Laura Houston), Northeast Lakeview
College
48. Гарри Итагаки (Harry Itagaki), Kenyon College
49. Кати Джейкобсон (Kathy Jacobson), Grinnell College
50. Ройсин Джонсон (Roishene Johnson), Bossier Parish
Community College
51. Тэ-Хуэ Kao (The-Hui Kao), Pennsylvania State Uni-
versity
52. Джуди Кауфман (Judy Kaufman), Monroe Communi-
ty College
53. Томас Келлер (Thomas Keller), Florida State Uni-
versity
54. Джанис Неппер (Janice Knepper), Villanova Uni-
versity
55. Чарльз Найт (Charles Knight), California Polytechnic
State University
56. Джейкод Кране (Jacob Krans), Western New England
University
57. Барб Кимерли (Barb Kuemerle), Case Western Re-
serve University
58. Яни Льюис (Jani Lewis), State University of New York
59. Нэнси Магилл (Nancy Magill), Indiana University
60. Чарльз Мэллери (Charles Mallery), University of
Miami
61. Марк Мелони (Mark Maloney), University of South
Mississippi
62. Дарси Медика (Darcy Medica), Pennsylvania State
University
63. Майк Мейган (Mike Meighan), University of Califor-
nia, Berkeley
64. Ян Майкселл (Jan Mikesell), Gettysburg College
65. Capa Милтон (Sarah Milton), Florida Atlantic Uni-
versity
16 Об авторах
66. Линда Мур (Linda Moore), Georgia Military College
67. Карен Нил (Karen Neal), Reynolds University
68. Росс Нем (Ross Nehm), Ohio State University
69. Эрик Нилсен (Eric Nielsen), University of Michigan
70. Гретхен Норт (Gretchen North), Occidental College
71. Маргарет Олни (Margaret Olney), St. Martin’s College
72. Ребекка Opp (Rebecca Orr), Spring Creek College
73. Мэтт Палмтег (Matt Palmtag), Florida Gulf Coast
University
74. Эрик Питерс (Eric Peters), Chicago State University
75. Ларри Питерсон (Larry Peterson), University of
Guelph
76. Деб Пирес (Deb Pires), University of California, Los
Angeles
77. Крайма Погге (Crima Pogge), San Francisco Commu-
nity College
78. Майкл Поллок (Michael Pollock), Mount Royal Uni-
versity
79. Джейсон Портер (Jason Porter), University of the Sci-
ences, Philadelphia
80. Елена Правосудова (Elena Pravosudova), University
of Nevada, Reno
81. Эйлин Престон (Eileen Preston), Tarrant Community
College Northwest
82. Пушпа Рамакришна (Pushpa Ramakrishna), Chan-
dler-Gilbert Community College
83. Дейвид Рэнделл (David Randall), City University
Hong Kong
84. Роберт Ривиз (Robert Reavis), Glendale Community
College
85. Тодд Римкас (Todd Rimkus), Marymount University
86. Джон Райнхарт (John Rinehart), Eastern Oregon Uni-
versity
87. Дайан Робинс (Diane Robins), University of Michigan
88. Деб Poycc (Deb Roess), Colorado State University
89. Сюзанн Роджерс (Suzanne Rogers), Seton Hill Uni-
versity
90. Гленн-Питер Сатре (Glenn-Peter Saetre), University
of Oslo
91. Сэнга Саха (Sanga Saha), Harold Washington College
92. Кэтлин Сендман (Kathleen Sandman), Ohio State
University
93. Эндрю Шаффнер (Andrew Schaffner), Cal Poly San
Luis Obispo
94. Дуэйн Сирз (Duane Sears), University of California,
Santa Barbara
95. Джоан Шарп (Joan Sharp), Simon Fraser University
96. Эрик Шоуз (Eric Shows), Jones County Junior College
97. Джон Скиллман (John Skillman), California State
University, San Bernardino
98. Даг Солтис Doug Soltis, University of Florida, Gaines-
ville
99. Майк Толивер (Mike Toliver), Eureka College
100. Виктория Тарджен (Victoria Turgeon), Furman
University
101. Эми Волмер (Amy Volmer), Swarthmore College
102. Джеймс Вандерзее (James Wandersee), Louisiana
State University
103. Джеймс Ви (James Wee), Loyola University
104. Мюррей Вигэнд (Murray Wiegand), UniversityofWin-
nipeg
105. Кимберли Вильямс (Kimberly Williams), Kansas
State University
106. Джухай Сяо (Shuhai Xiao), Virginia Polytechnic
Institute
От издательства
Вы, читатель этой книги, — ее главный кри-
тик и комментатор. Мы ценим ваше мнение и хо-
тим знать, что мы сделали правильно, что можно
было сделать лучше и что еще вы хотели бы уви-
деть изданным нами. Нам интересно узнать и лю-
бые другие ваши замечания в наш адрес.
Мы ждем ваших комментариев и надеемся на
них. Вы можете прислать нам электронное письмо
или зайти на наш веб-сайт и оставить свои замеча-
ния там. Одним словом, любым удобным для вас
способом дайте нам знать, нравится или нет вам
эта книга, а также выскажите свое мнение о том,
как сделать наши книги более интересными для вас.
Отправляя письмо или оставляя сообщение,
не забудьте указать название книги и ее авторов,
а также ваш электронный адрес. Мы вниматель-
но ознакомимся с вашим мнением и обязательно
учтем его при отборе и подготовке к изданию сле-
дующих книг.
Наши электронные адреса:
E-mail: info. dialektika@gmail. com
WWW: http://www.dialektika.com
Об авторах 17
I
основные
методы
Эволю
Рис. 1.1. Каким образом этот одуванчик приспособлен
к условиям окружающей среды?
ца
следования
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
Изучая жизнь, мы выявляем ее
основные признаки
Эволюция — причина единства
и разнообразия жизни
Исследуя природу, ученые
проводят наблюдения и
формулируют и проверяют
гипотезы
Совмещение разнообразных
подходов и точек зрения
обогащает науку
Познавая жизнь
Одуванчик (рис. 1.1) распространяет свои семена по
воздуху. Семя — это зародыш, окруженный запасом
пищи и защитной оболочкой. Семена одуванчика име-
ют особые “парашютики”, состоящие из видоизмененных
частей цветка. Благодаря такому устройству они вместе
с ветром перелетают на новые благоприятные места для
жизни. Таким образом, одуванчики широко распростра-
няются и мы встречаем их повсюду в умеренных климати-
ческих зонах планеты.
Адаптация организма к среде обитания, такая как “па-
рашютики” одуванчика — результат эволюции. Эволю-
ция — это изменения, в ходе которых первые формы жизни
на Земле преобразуются и обретают разнообразие, которое
мы видим сегодня. Наука биология строится вокруг поня-
тия эволюция, поэтому в данной книге оно ключевое.
Хотя биологи знают немало о жизни на Земле, многое до
сих пор остается загадкой. Вы знаете, что именно привело к
тому, что у растений появились цветы? Биология — это на-
ука, которая задает вопросы о живом мире и ищет ответы
с помощью научного метода. Эти вопросы могут оказаться
± Рост и развитие. Заложенная
в генах наследственная инфор-
мация определяет особенно-
сти роста и развития организма,
такого как этот проросток дуба.
Размножение.
Живые организмы
порождают себе
подобных.
Организация. Эта фотография
подсолнуха иллюстрирует сложно
организованную структуру, харак-
терную для живых организмов.
Преобразование энергии.
Эта бабочка получает
питание в виде цветочного
нектара. В дальнейшем
химическая энергия, по-
лученная из пищи, будет
использована для полета
и других видов жизнедея-
тельности.
Регуляция. Регуляция тока крови в со-
судах ушей этого зайца позволяет ему
под держивать постоянную температуру
тела, подстраивая свой теплообмен
в соответствие с температурой воздуха.
Эволюционные адаптации. Внешний
вид этого карликового морского конька
маскирует его под кораллы, в которых
он живет. Такие адаптации вырабаты-
ваются на протяжении многих поколе-
ний, поскольку репродуктивный успех
особей тем выше, чем лучше они при-
способлены к своей среде обитания.
Рис. 1.2. Некоторые
свойства живых организмов
Возбудимость.
Венерина мухо- <
ловка стремитель-
но захлопывает
свою ловушку
в ответ на стимул
из внешней среды
в виде стрекозы,
садящейся в её
открытую "пасть".
непростыми. Как из одной крошечной клетки по-
лучается большое дерево или собака, как работа-
ет человеческий разум, и как разные формы жиз-
ни в лесу взаимодействуют друг с другом? Скорее
всего, вы задавали себе подобные вопросы, когда
оказывались на природе. Если так, то вы мыслили
как биолог, ведь биология — это в первую очередь
непрерывный поиск ответов на вопросы о приро-
де жизни.
Мы можем задаться и более основополага-
ющим вопросом: что такое жизнь по своей вну-
тренней сути? Даже ребенку очевидно, что собака
или растение — живые, а камень или машина —
нет. Однако понятие жизни не поддается просто-
му определению. Мы распознаем жизнь по тем
признакам, которые свойственны живым орга-
низмам. На рис. 1.2 показаны некоторые свойства и
процессы, которые ассоциируются с жизнью.
Даже несколько фотографий на рис. 1.2 дают не-
которое представление об удивительном много-
образии живого мира. Как же биологи разбира-
ются в этой сложно устроенной системе? В данной
ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 19
главе мы заложим основы для ответа на этот во-
прос. Первая часть главы посвящена обзору науки
биологии в целом и раскрывает несколько общих
тем. Затем мы сосредоточим внимание на фено-
мене эволюции, который лежит в основе единства
и разнообразия жизни. Далее, мы рассмотрим на-
учный метод — тот способ познания устройства
мира, которым пользуются современные ученые.
Наконец, мы обратимся к понятию научной куль-
туры и тому, как она влияет на общество.
Рис. 1.3
Изучаем уровни биологической организации
◄ 1. Биосфера
Признаки жизни на Земле можно заметить даже из космоса, например мозаику зеленых
лесов. Можно также оценить масштабы биосферы, состоящей из всех живых существ
Земли и их местообитаний, которые занимаю большую часть суши, большую часть водных
пространств, атмосферу до высот в несколько километров и даже осадочные породы
глубоко под ложем океана.
4 2. Экосистемы
► 3. Сообщества
► 4. Популяции
Множество организмов, обитающих
на определенной территории, образуют
сообщество. Сообщество экосистемы
листопадного леса включает в себя раз-
личные деревья и много других растений,
различных животных, плодовые и другие
разновидности грибов, а также огромное
разнообразие организмов—это формы
жизни, которые слишком малы, чтобы разглядеть их
без микроскопа (например, бактерии). Каждая из этих
форм жизни называется видом
Популяция состоит из всех особей одного вида,
обитающих на определенной территории.
Например, в нашем лесу есть популяция клёна
сахарного и популяция белохвостого оленя.
Таким образом, сообщество — это совокупность
популяций, населяющих определенную область
Первое приближение приводит нас в североамериканский
лес со множеством листопадных деревьев (они каждый год
теряют свои листья и выращивают новые). Листопадный
лес — это такой же пример экосистемы, как луга, пустыни
или коралловые рифы. Экосистема состоит из всех живых
существ, обитающих на определенной территории, а также
включает все компоненты внешней среды, с которыми эти
существа взаимодействуют (например, почва, вода, атмо-
сферные газы и свет).
▲ 5. Организмы
Индивидуальные живые
существа называются ор-
ганизмами. Каждый клён
в лесу или любое другое
растение является организ-
мом, также как и каждый
олень, лягушка, жук или
другое животное. Почва
кишит микроорганизмами,
в том числе бактериями
1.1. Изучая жизнь, мы выявляем
ее основные признаки
Биология рассматривает колоссальное коли-
чество различных проблем, и каждый день совер-
шаются новые волнующие открытия. Каким же
образом информацию, получаемую при изучении
широкого спектра отдельных тем, можно орга-
низовать в стройную систему? Для начала следу-
ет сосредоточиться на основополагающих идеях
▼ 6. Органы и системы органов
'50 мкм *
Клетка ^мкм,
/ 1------------’
О
Атомы
▲ 8.Клетки
Новые уровни структурной иерархии открываются нам, ког-
да мы начинаем изучать строение сложно устроенных ор-
ганизмов. Кленовый лист есть пример органа — части тела,
выполняющей определенную функцию. Другие важные ор-
ганы растения — это стебли и корни. Органы высоко-
организованных животных и растений объединяются
в системы — группы органов, нацеленных на
совместное выполнение более
сложных функций.
Органы состоят
из некоторого
количества тканей.
► 10. Молекулы
Чтобы рассмотреть ткани листа,
необходим микроскоп. Каждая
ткань — это совокупность клеток,
выполняющих определенную
функцию. Аист на этой микро-
фотографии был срезан под углом.
Фотосинтез — преобразование
энергии солнечного света в хими-
ческую энергию углеводов —
происходит в основном в губча-
той ткани внутри листа (левая сто-
рона фотографии). Напоминаю-
щая пазл "кожица" на поверхно-
сти листа называется эпидерми-
сом (правая сторона фотографии).
Устьица в эпидермисе обеспечи-
вают поступление углекислого газа
(СО2) — сырья для производства
углеводов.
В нашем последнем приближении мы
переместимся внутрь хлоропласта, чтобы
увидеть молекулярный уровень жизни.
Молекула — это химическая структура,
состоящая из двух и более элементов,
называемых атомами. На этой модели
молекулы хлорофилла, которая полу-
чена с помощью компьютерной гра-
фики, они изображены в виде шариков.
Хлорофилл — эго пигмент, придающий * * Молекула
кленовому листу зеленый цвет; он погло- • хлорофилла
щает свет в процессе фотосинтеза.
Внутри каждого хлоропласта содер-
жатся миллионы молекул хлорофилла, '
которые организованы в системы,
преобразующие энергию света
в химическую энергию питательных
веществ. Хлоропласт
► 9. Органеллы
Хлоропласты являются примером
органелл — различных функциональ-
ных компонентов клетки. На этой фоте
графин, полученной с помощью мощного
микроскопа, изображен отдельный
1 мкм
Клетка — основная структурно-функциональная
единица живых организмов. Одни организмы
состоят из одной клетки, другие — многоклеточные.
Одиночная клетка выполняет все жизненные функ-
ции сама, а в многоклеточных организмах суще-
ствует разделение труда между специализирова-
нными клетками. На фотографии вы можете увидеть
увеличенное изображение клеток листа. Диаметр
отдельной клетки составляет приблизительно
40 микрометров (мкм); около пятисот таких клеток
могут составить диаметр мелкой монеты. Как бы
ни были малы клетки, в каждой из них можно увидеть
множество зеленых структур, называемых хлоро-
пластами, которые ответственны за фотосинтез.
хлоропласт.
ОРГАНИЗАЦИЯ
биологического мышления, которые будут акту-
альны и в будущем. Далее мы рассмотрим их бо-
лее подробно и надеемся, что они послужат ори-
ентирами при чтении этой книги. Итак, пять
главных идей биологии:
• Организация
• Информация
• Энергия и вещество
• Взаимодействия
• Эволюция
Идея: на каждом уровне организации
биологических систем возникают
новые свойства
На рис. 1.3 мы видим листопадный
лес в Онтарио (Канада), представленный в се-
рии увеличений. Рассматривая эти изображения,
мы совершаем своего рода путешествие, которое
раскрывает перед нами различные уровни орга-
низации жизни. Биология охватывает все уровни,
начиная с глобального — планета в целом, и за-
канчивая микроскопическим — уровень клеток и
отдельных молекул. Перемещаясь от цифре к циф-
ре, вы пройдете через всю иерархию биологиче-
ской организации.
Такая серия наблюдений, с последовательным
переходом от общего к частному, характерна для
способа познания, который называется редукцио-
низм. Это эффективная стратегия в биологии —
сложные системы разбиваются на более простые
и удобные для изучения элементы. Например,
изучая молекулярную структуру выделенной из
клеток ДНК, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик сде-
лали заключение о химической природе наслед-
ственности. Однако несмотря на то, что в рамках
редукционизма было совершено множество важ-
ных открытий, этот подход не дает полного пред-
ставления о феномене жизни на Земле; далее мы
еще вернемся к этому вопросу.
Новые свойства
Давайте еще раз проанализируем рис. 1.3, но в
этот раз начнем с молекулярного уровня и дойдем
до уровней более высокого порядка. Это позволит
нам увидеть новые свойства, которые возникают
на следующем уровне и отсутствуют на предыду-
щем. Эти свойства называются эмерджентными,
они появляются благодаря расположению элемен-
тов и взаимодействиям между ними при услож-
нении системы. Например, в клеточных структу-
рах — хлоропластах — протекает фотосинтез, но
если мы просто смешаем в пробирке компоненты,
из которых состоит хлоропласт, то этот процесс
не пойдет. Фотосинтез, как скоординированный
процесс, требует определенного порядка распо-
ложения молекул в хлоропласте. При рассмотре-
нии в рамках редукционистского подхода изоли-
рованных компонентов живых систем упускается
часть важных свойств, возникающих на более вы-
соких уровнях организации.
Эмерджентные свойства присущи не только
живым системам. На коробке с деталями от ве-
лосипеда невозможно куда-либо поехать, но если
их собрать определенным образом — они смогут
послужить транспортом. Однако по сравнению с
подобными неживыми объектами, биологические
системы устроены значительно сложнее, что за-
трудняет изучение их новых свойств.
Для более полного понимания эмерджентных
свойств современные ученые совмещают редук-
ционизм с системной биологией — подходом,
в котором биологические системы исследуются с
помощью анализа взаимодействий между их эле-
ментами. В контексте такого подхода в качестве
системы может рассматриваться отдельная клет-
ка листа, а может — лягушка, колония муравьев,
или же экосистема пустыни. Изучая и моделируя
динамическое поведение элементов, связанных
между собой, системная биология позволяет ста-
вить принципиально новые вопросы. Например,
мы можем изучить, как влияет препарат, понижа-
ющий давление, на работу всех органов тела. Или
в более глобальном масштабе: как постепенное
повышение уровня углекислого газа в атмосфере
приводит к изменениям в экосистемах и биосфере
в целом. Системная биология — это инструмент
для изучения жизни на всех уровнях.
Структура и функция
На каждом уровне биологической организации
прослеживается связь между структурой и функ-
цией. Рассмотрим лист, показанный на рис. 1.3: его
тонкая, плоская поверхность дает возможность
хлоропластам максимально эффективно улавли-
вать свет. В общем случае анализ строения био-
логических объектов позволяет предположить,
каковы их функции, и каким образом эти функ-
ции выполняются. И наоборот, знание функции
объекта проясняет его структуру и организацию.
В животном мире можно найти множество приме-
ров взаимосвязи между строением и функциями.
22 ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
Например, анатомия крыльев колибри такова, что
они могут проворачивать плечо — поэтому коли-
бри, единственные из птиц, способные летать на-
зад или зависать в воздухе. А это, в свою очередь,
позволяет им пить тонким длинным клювом нек-
тар из цветов. Гармоничное соответствие формы и
назначения в живых структурах объясняется есте-
ственным отбором, которого мы кратко коснемся
далее в этой главе.
Клетка: основная структурная
и функциональная единица организма
Клетка — это мельчайшая единица организа-
ции жизни, способная выполнять все функции,
необходимые для жизнедеятельности. На самом
деле, все виды активности организмов основыва-
ются на функционировании клеток. Например,
движения глаз, когда вы читаете это предложе-
ние, складывается из активностей нервных и мы-
шечных клеток. И даже процессы глобального
масштаба, такие как круговорот атомов углерода,
являются следствием деятельности клеток, в том
числе фотосинтетической активности хлоропла-
стов в клетках листа.
Все клетки обладают рядом общих призна-
ков. Например, каждая клетка окружена мембра-
ной, которая регулирует перемещение веществ
между клеткой и окружающей средой. Нам из-
вестны два основных типа клеток: прокариотиче-
ские и эукариотические. Две группы одноклеточ-
ных организмов — бактерии и археи — обладают
прокариотическим типом клеток. Все остальные
формы жизни, в том числе растения и животные,
состоят из эукариотических клеток.
Эукариотическая клетка включает в себя
окруженные мембраной органоиды (органеллы)
(рис. 14).
Некоторые органоиды (например, ядро, содер-
жащее ДНК) присутствуют во всех эукариотиче-
ских клетках, тогда как другие встречаются лишь
в клетках определен-
ного типа. Например,
хлоропласты, показа-
нные на рис. 13, спе-
цифичны только для
клеток, осуществля-
ющих фотосинтез.
В отличие от эукарио-
тических, прокарио-
тические клетки не
имеют ядра и других
Прокариотическая клетка
Мембранные
органеллы
ДНК
(внутри ядра)
1 мкм
Рис. 14. Сравнение размеров и сложности организации
эукариотической и прокариотической клеток
органелл, окруженных мембраной. Еще одно раз-
личие заключается в том, что прокариотические
клетки обычно меньше эукариотических, как по-
казано на рис. 14.
ИНФОРМАЦИЯ
Идея: процесс жизни включает в себя
экспрессию и передачу генетической
информации
Генетический материал клеток со-
держится в хромосомах — структурах, состоя-
щих из ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота).
В готовящихся к делению клетках хромосомы
можно визуализировать с помощью красителя,
который, связываясь с ДНК, приобретает синий
цвет (рис. 15).
25 мкм
।----1
Рис. 15. Клетка легочной ткани тритона делится на две клетки
меньшего размера, которые в свою очередь вырастут и по-
делятся снова
Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 23
ДНК — носитель генетической информации
При клеточном делении происходит реплика-
ция (копирование) ДНК, и каждая из дочерних
клеток наследует полный набор хромосом, иден-
тичный родительскому. Хромосома состоит из од-
ной длинной молекулы ДНК, содержащей сотни
или тысячи генов, которые есть ни что иное, как
участки хромосомы. Гены передаются от родите-
лей — потомкам, и являются единицами наслед-
ственности. В них закодирована информация, не-
обходимая для клеточного синтеза всех молекул,
которые определяют тип клетки и ее функции.
Каждый из нас начал свое существование с един-
ственной клетки, содержащей ДНК наших родите-
лей. Реплицирующаяся в каждом раунде клеточно-
го деления ДНК передала свои копии триллионам
образующихся клеток нашего тела. А в то время,
как клетки росли и делились, генетическая инфор-
мация, закодированная в ДНК, направляла наше
развитие (рис. 1.6).
Ядро содержит ДНК
Оплодотворенная
яйцеклетка,
содержащая ДНК
обоих родителей
Эмбриональные
клетки, содержа-
щие копии
наследуемой ДНК
Потомок, унас-
ледовавший
черты обоих
родителей
Рис. 1.6. Наследуемая ДНК управляет развитием организма
Способность ДНК хранить информацию опре-
деляется ее молекулярной структурой. Молекула
ДНК состоит из двух длинных цепей, или нитей,
пространственно организованных в двойную спи-
раль. Каждая цепь состоит из четырех типов хи-
мических “кирпичиков”, называемых нуклеотида-
ми, их сокращенно называют А, Т, С, G (А, Т, Ц и Г)
(рис. 1.7).
Информация кодируется в молекуле ДНК
аналогично тому, как мы составляем осмыслен-
ные слова и фразы из букв алфавита. Например,
“кот” — это домашнее животное; а слова “ток” или
Клетка
а) Двойная спираль ДНК.
На рисунке показана
модель участка ДНК.
Она состоит из двух
длинных нуклеотидных
цепочек и образует
трехмерную двойную
спираль.
б) Одноцепочечная ДНК.
Эта геометрическая
и буквенная символика —
простой способ схема-
тично представить раз-
личные нуклеотиды на
коротком участке оди-
ночной цепи ДНК. Гене-
тическая информация
закодирована в специ-
фических последова-
тельностях, содержащих
различные комбинации
из четырех типов нуклео-
тидов. Их сокращенные
названия: А Т, С, G (А, Т, Ц, 0.
Рис. 1.7. ДНК: наследственный материал
“кто” состоят из тех же самых букв, но имеют со-
вершенно иные значения. Мы можем восприни-
мать нуклеотиды как четырехбуквенный алфа-
вит. Определенная последовательность четырех
букв-нуклеотидов кодирует информацию в генах.
Многие гены представляют собой план-схе-
му для производства белков, которые играют ос-
новную роль в построении и поддержании функ-
ционирования клеточных компонентов, а также
24 Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
обеспечивают протекание многих процессов. На-
пример, бактериальный ген может кодировать
особый белок (фермент), необходимый для рас-
щепления определенной молекулы сахара, тогда
как ген человека может содержать программу для
синтеза другого белка (антитела), помогающего
организму бороться с инфекцией.
Производство белков контролируется генами
не напрямую, а посредством молекулярной род-
ственницы ДНК, называемой РНК (рис. 18). После-
довательность нуклеотидов гена целиком тран-
скрибируется (переводится) в РНК, а затем тран-
слируется в цепочки из связанных “кирпичиков”
белка, называемых аминокислоты. Эти два этапа
приводят к появлению специфической молекулы
белка с уникальной структурой и функцией. Про-
цесс, в котором заключенная в гене информация
направляет производство клеточного продукта, на-
зывается экспрессией гена.
При трансляции генетической информации из
ДНК в белки все формы жизни используют уни-
версальный генетический код1: другими словами,
заданная последовательность нуклеотидов будет
интерпретироваться однозначно, вне зависимости
от того, в гене какого организма она находится.
Живые существа столь разнообразны благодаря
огромной вариативности нуклеотидных последо-
вательностей, а не различным способам чтения
генетического кода. Если сравнить различные ва-
рианты нуклеотидных последовательностей2 гена,
кодирующего общий для родственных организмов
белок, то можно получить ценную информацию
как о самом белке, так и о степени родства между
этими видами.
Помимо молекул РНК, которые переводятся
в белки (их называют матричные РНК — мРНК),
в клетке есть и другие виды РНК, также выполня-
ющие важные задачи. Уже несколько десятков лет
известно, что некоторые виды РНК являются ос-
новными компонентами молекулярного аппарата
для синтеза клеточных белков. Кроме того, в по-
следнее время открываются новые, неизвестные
ранее классы РНК, которые играют другие роли,
например, управляют работой белок-кодирую-
щих генов. Все эти молекулы РНК кодируются ге-
нами, поэтому их производство также называется
б) Кок клетки хрусталика производят белок кристаллин?
Ген кристаллина
Ген кристал- '
лина — это
участок ДНК
на хромосоме.
ДНК
(часть гена
кристаллина)
I
ТРАНСКРИПЦИЯ
мРНК
ТРАНСЛЯЦИЯ
rrillTHIIF
т|g|g|т|т|т|g|g|c|т|с|а
Используя информацию, закодированную
в последовательности нуклеотидов ДНК,
| клетка производит (транскрибирует) спе-
циальную молекулу РНК, называемую мРНК.
Клетка транслирует информацию, закоди-
рованную в последовательности мРНК, что-
бы произвести белок — цепочку связанных
друг с другом аминокислот.
Цепь
аминокислот
Цепь аминокислот прини-
мает определенную
пространственную
структуру характерную
для кристаллина. Белки
кристаллина могут затем
Белок кристаллин формировать плотный
слой и фокусировать свет,
что позволяет глазу видеть.
1 Универсальный генетический код можно рассматривать
как своего рода алфавит. — Примеч. ред.
2 Нуклеотидные последовательности называются также
сиквенсами. — Примеч. ред.
Рис. 18. Экспрессия генов: передача генной информации
ведет к образованию функционального белка
Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 25
генной экспрессией. Являясь носителем инструк-
ций по синтезу белков и РНК, и реплицируясь
при каждом клеточном делении, ДНК обеспечи-
вает надежную передачу генетической информа-
ции от поколения к поколению.
Геномика: широкомасштабный
анализ последовательностей ДНК
Полная “библиотека” генетических инструк-
ций, наследуемая организмом, называется его ге-
номом. Обычная человеческая клетка обладает
двумя сходными наборами хромосом, каждый из
которых содержит приблизительно три миллиарда
пар нуклеотидов ДНК. Если один из таких наборов
записать в виде текста, состоящего из однобуквен-
ных сокращений нуклеотидов, и использовать та-
кой же размер шрифта, как в этой книге, — он бы
заполнил страницы 700 таких учебников!
Начиная с 1990-х годов, скорость прочтения
последовательностей геномов стремительно рас-
тет благодаря технологическому прогрессу. На
данный момент известна полная нуклеотидная по-
следовательность генома человека и многих дру-
гих животных, растений, грибов, а также бактерий
и архей. Для того, чтобы разобраться в колоссаль-
ном объеме данных, получаемых в рамках проек-
тов по секвенированию (прочтению) геномов, и
пополнять реестр генов с известными функция-
ми, ученые применяют методы системной биоло-
гии на клеточном и молекулярном уровне. Вместо
того, чтобы заниматься отдельными генами, мно-
гие исследователи изучают целые наборы генов
(или других последовательностей ДНК) у одного
или нескольких видов. Это направление называ-
ется геномикой. Аналогично, протеомика — это
изучение свойств некоторого набора белков (про-
теом — полный набор белков, экспрессируемый
клеткой или группой клеток).
Развитие геномики и протеомики было бы
невозможно без введения в исследовательскую
практику трех основных инноваций. Первая из
них — это создание технологий “высокой про-
пускной способности”, которые позволяют анали-
зировать множество образцов за короткий период
времени. Вторая — это развитие биоинформати-
ки, которая использует компьютерный инстру-
ментарий для хранения, организации и анализа
огромных количеств данных, получаемых мето-
дами “высокой пропускной способности”. Третья
инновация — это формирование междисципли-
нарных исследовательских команд, куда могут
входить программисты, математики, инженеры,
химики, физики, и, конечно, биологи различных
направлений. Такие исследовательские группы
нацелены на изучение роли белков и нетрансли-
руемых РНК в жизнедеятельности клеток и целых
организмов.
ЭНЕРГИЯ И ВЕЩЕСТВО
Идея: передача и превращение
энергии и вещества — неотъемлемые
свойства жизни
Одно из фундаментальных
свойств живых организмов — использование
энергии для жизни. Движение, рост, размноже-
ние, различные типы клеточной активности — все
это является работой в физическом понимании.
Для работы требуется энергия, источник которой
в основном — это солнечный свет. Получение ее
и превращение из одной формы в другую делает
жизнь возможной. Листья растений поглощают
солнечный свет, а находящиеся внутри них моле-
кулы в процессе фотосинтеза преобразуют свето-
вую энергию в химическую энергию питательных
веществ, таких как сахара. Затем энергия пита-
тельных веществ передается от растений и других
фотосинтетических организмов (продуцентов)
консументам.3 Консументы — это такие организ-
мы (к ним относятся животные), которые питают-
ся продуцентами и другими консументами.
Когда организм использует химическую энер-
гию для совершения работы, например, для со-
кращения мышцы или деления клетки, некоторая
доля этой энергии рассеивается в окружающем
пространстве в виде тепла. В результате мы имеем
однонаправленный поток энергии через экосисте-
му, который обычно поступает в виде света и вы-
ходит в виде тепла. В противоположность этому,
химические вещества не покидают экосистему, а
циркулируют внутри нее (рис. 1.9). Вещества, по-
глощенные растениями из воздуха или почвы, мо-
гут стать частью их организма, а затем передают-
ся животным, питающимися этими растениями.
В конце концов эти химические элементы будут
возвращены в окружающую среду редуцентами
(бактерии и грибы), которые разрушают отходы
жизнедеятельности, опавшие листья и тела мерт-
вых организмов. После разложения химические
вещества вновь становятся доступны растениям,
и таким образом цикл замыкается.
3 От англ, consume — “потреблять”. — Примеч. ред.
26 ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
ЮТОК ЭНЕРГИИ
Энергия
солнечного
света
вещества
из почвы
и воздуха.
Тепловые
потери
экосистемы
Редуценты, такие
как бактерии
и грибы,
разлагают
опавшую листву
и мертвые
организмы,
возвращая
вещества в почву.
Вещества
из растений
передаются
растительноядны
м организмам.
Рис. 1.9. Поток энергии и круго-
ворот веществ. Поток энергии в
экосистемах имеет одно направ-
ление: в процессе фотосинтеза
растения превращают энергию
солнечного света в химическую
энергию (запасенную, например,
в молекулах сахаров), которая
затем используется растениями
и другими организмами для со-
вершения работы и в итоге рас-
сеивается в виде тепла. В проти-
воположность этому, химические
вещества циркулируют между ор-
ганизмами и внешней средой
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Идея: взаимодействия — это важный
аспект биологических систем,
от экосистемного до молекулярного
уровня
На любом уровне биологической
иерархии взаимодействия между компонентами
системы обеспечивают слаженную работу всех ее
частей, таким образом, чтобы они функциониро-
вали как единое целое. Это справедливо как для
компонентов экосистемы, так и для молекул клет-
ки; далее мы обсудим это на примерах.
Экосистемы: взаимодействия организма
с другими организмами и физическими
факторами среды
На уровне экосистемы каждый организм взаи-
модействует с другими. Например, акация связана
с почвенными микроорганизмами, обитающими в
ее корнях, с насекомыми, которые живут на ство-
ле, ветвях и листьях, и с животными, поедающи-
ми листья и плоды (рис. 1.10). В некоторых случаях
связи между организмами носят взаимовыгодный
характер. Примером может служить тандем мор-
ской черепахи и так называемой “рыбы-чистиль-
щика”, которая держится подле нее. Рыба-чистиль-
щик питается паразитами, которые могут нанести
вред черепахе, а взамен получает источник пищи
и защиту от хищников. В некоторых случаях один
из видов получает выгоду от взаимодействия, а
другому оно причиняет вред, например, когда лев
убивает и съедает зебру. А бывают такие взаимо-
действия, при которых оба вида оказываются в
проигрыше — например, когда два растения кон-
курируют за небольшой участок плодородной по-
чвы. Взаимосвязи между организмами способству-
ют регуляции экосистемы в целом.
Организмы также постоянно взаимодейству-
ют с физическими факторами среды. Например,
листья дерева улавливают солнечный свет, погло-
щают углекислый газ из атмосферы и выделяют
кислород (см. рис. 1.10). Окружающая среда также
видоизменяется под воздействием живущих в ней
организмов. Так, корни растения не только всасы-
вают воду и минеральные вещества из почвы, но
и разрушают каменистую породу, на которой они
растут, тем самым способствуя образованию почв.
Если же мы обратимся к глобальному масштабу,
то здесь можно отметить, что растения и другие
фотосинтетические организмы создают кислород-
ную атмосферу.
Молекулы: взаимодействия внутри организмов
При рассмотрении более низких уровней орга-
низации жизни, мы видим, что для нормального
функционирования живых организмов необходи-
мы взаимодействия между составляющими ком-
понентами, такими как органы, ткани, клетки и
молекулы.
Например, рассмотрим молекулы сахара в ва-
шей крови. После приема пищи в крови повыша-
ется уровень глюкозы (рис. 1.11). Это стимулирует
ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 27
Солнечный свет
Рис. 1.10. Взаимодействия
африканской акации
с другими организмами
и физическими факторами
Листья поглощают
углекислый газ
из воздуха и выде-
ляют кислород.
Листья поглощают энергию
солнечного света.
Листья падают на
землю и разлага-
ются почвенными
организмами,
возвращающими
минеральные
вещества в почву.
Дерево
поглощает воду
и минеральные
вещества через
корни.
Животные поедают
листья и плоды
дерева, возвращая
вещества в почву
в виде отработан-
ных продуктов.
поджелудочную железу выбрасывать в кровь ин-
сулин. Достигнув поверхности клеток печени или
мышц, инсулин запускает превращение избыт-
ка глюкозы в очень крупную молекулу запасно-
го углевода, называемую гликогеном, тем самым
снижая уровень глюкозы до оптимального для
организма значения. Оптимальный уровень глю-
козы уже не стимулирует выработку инсулина
клетками поджелудочной железы.
Помимо запасания в виде гликогена, какая-то
доля сахара также используется клетками для по-
лучения энергии. Когда вы совершаете физиче-
скую работу, ваши мышечные клетки потребляют
гораздо больше сахара.
Большинство этапов процесса утилизации
глюкозы определяются взаимодействиями меж-
ду молекулами. Как и многие клеточные процес-
сы, реакции расщепления или запасания сахаров
ускоряются (катализируются) на молекулярном
уровне под действием белков, называемых фер-
ментами. Каждый тип ферментов катализиру-
ет определенную химическую реакцию. Зачастую
эти реакции являются частью биохимического
пути, каждый этап которого катализируется од-
ним из ферментов. Как же клетка координирует
разнообразные биохимические пути превраще-
ний? Возвращаясь к нашему примеру про распре-
деление сахара, это вопрос о том, каким образом
клетка регулирует свои потребности в топливе,
используя противоположно направленные пути
расщепления и запасания сахаров? Ключ к раз-
гадке лежит в способности многих биологических
процессов к саморегуляции по принципу обрат-
ной связи.
При управлении системой по принципу обрат-
ной связи процесс регулируется продуктом, об-
разующимся в результате самого процесса. Наи-
более распространенный вариант — это отрица-
тельная обратная связь, при которой в ответ на
стимулирующий фактор происходит уменьшение/
снижение последнего. Как видно из примера с ин-
сулиновой сигнализацией (см. рис. 1.11), поглоще-
ние клетками глюкозы (ответ) снижает уровень
сахара в крови, тем самым устраняя стимул для се-
креции инсулина и, следовательно, выключая весь
процесс. Таким образом, конечный результат от-
рицательно регулирует данную деятельность.
Также есть немало биологических процессов,
которые регулируются по принципу положитель-
ной обратной связи (хотя их меньше, чем с отри-
цательной обратной связью). В этом случае конеч-
ный продукт ускоряет собственное образование.
Примером может служить свертывание крови в
ответ на повреждение кровеносного сосуда. При
этом в месте ранения начинают скапливаться
(агрегировать) клетки крови, называемые тром-
28 ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
СТИМУЛ: высокий уровень
глюкозы в крови
Инсулин-продуцирующие
клетки поджелудочной
железы
Клетки печени
и мышц
ОТВЕТ: клетки печени
и мышц поглощают
глюкозу
Рис. 1.11. Регуляция посредством обратной связи. Организм
человека регулирует расход и запасание глюкозы — основ-
ного клеточного топлива, получаемого с пищей. На схеме
показана отрицательная обратная связь: в ответ на высокий
уровень глюкозы в крови клетки начинают интенсивно погло-
щать это вещество, снижая уровень глюкозы, которая стиму-
лирует выработку инсулина; таким образом осуществляется
отрицательная регуляция данного процесса
боцитами. Положительная обратная связь заклю-
чается в выделении тромбоцитами химических
веществ, которые привлекают в это место новые
тромбоциты. В результате скопления этих клеток
запускается сложный процесс, который приводит
к закупорке раны сгустком крови.
Регуляция по принципу обратной связи харак-
терна для всех уровней организации жизни, от
молекулярного до биосферного. Взаимодействия
между организмами могут влиять на процессы в
масштабе экосистем, такие как рост популяции.
И, как мы увидим в дальнейшем, взаимодействия
между отдельными особями оказывают влияние
не только на непосредственных участников, но и
на эволюционные изменения в популяции с тече-
нием времени.
Эволюция — ключевая
концепция биологии
Мы уже рассмотрели четыре общие идеи био-
логии (организацию, информацию, энергию и
вещество, а также взаимодействия), теперь же
обратимся к центральной теме — эволюции. Эво-
люция — это одна из идей, которая логически
связывает все то, что мы знаем о живых организ-
мах. Ученые на основании ископаемых останков
показали, что жизнь на Земле развивалась мил-
лиарды лет и это привело к появлению огромно-
го разнообразия организмов, вымерших и ныне
живущих. Однако наряду с различиями, организ-
мам присущи и общие черты. Так, хотя морские
коньки, зайцы, колибри и жирафы внешне очень
непохожи, их скелеты организованы по единому
принципу.
Научное объяснение такого единства и много-
образия, а также адаптации организмов к их среде
обитания, заключено в теории эволюции, соглас-
но которой все организмы, ныне живущие на Зем-
ле, являются видоизмененными потомками общих
предков. Иными словами, мы можем объяснить
наличие общих черт у двух организмов, исходя
из того, что эти организмы произошли от одно-
го предка, а их различия возникли благодаря на-
коплению наследственных изменений предковых
форм. Теория эволюции и ее закономерностей, на-
шла множество различных подтверждений. В сле-
дующем разделе мы подробнее рассмотрим эту
фундаментальную теорию.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 1.1
1.
Двигаясь от молекулярного уровня по рис. 1.3, напишите се-
рию предложений, которые бы включали компоненты пре-
дыдущего (более низкого) уровня биологической органи-
зации, например: "Молекула состоит из атомов, связанных
друг с другом". Продолжите, начиная с органелл и подни-
маясь выше по биологической иерархии.
Определите основную тему (или темы) биологии, примером
которых служат: а) наличие у дикобраза острых игл; б) раз-
витие многоклеточного организма из одиночного оплодот-
воренного яйца; в) сахар, как источник энергии полета ко-
либри.
Для каждой темы, которая обсуждалась в
этом параграфе, приведите пример, не упомянутый в тексте.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 29
эволюция
1.2. Эволюция — причина
единства и разнообразия жизни
Биологи единодушны во мнении, что
эволюция — центральная тема биологии. Эволю-
ционные изменения, которые зафиксированы в па-
леонтологической летописи — это наблюдаемые
факты. Более того, эволюционные механизмы от-
ветственны за единство и разнообразие всех ви-
дов жизни на Земле. Процитируем одного из осно-
вателей современной теории эволюции Феодосия
Добжанского: “Ничто в биологии не имеет смысла,
кроме как в свете эволюции”.
Помимо иерархии, охватывающей масштаб от
уровня молекул до биосферы, биология изучает
огромное разнообразие видов, которые когда-ли-
бо существовали на Земле. Чтобы понять утверж-
дение Добжанского, нам необходимо рассмотреть,
как биологи подходят к изучению этого колоссаль-
ного разнообразия.
Классификация разнообразия жизни
Разнообразие — ключевое свойство жизни. К нас-
тоящему моменту биологи описали и дали назва-
ние около 1,8 миллионам видов. В эту цифру входят
по крайней мере 100 000 видов грибов, 290 000 ви-
дов растений, 57 000 видов позвоночных животных
и миллион видов насекомых (более половины всех
известных науке видов), не говоря уже о несметном
количестве видов одноклеточных организмов. Каж-
дый год исследователи описывают тысячи новых
видов. Оценка общего числа видов колеблется от де-
сятков до сотен миллионов. И каким бы это число
ни было в действительности, огромное разнообра-
зие жизни создает широкое поле для ее изучения.
Одна из нетривиальных задач биологии заключает-
ся в осмыслении этого разнообразия.
Группировка видов — основная идея
Человеку присуще группировать различные об-
ъекты согласно их сходству и связям друг с другом.
вид Барибал РОД Медведи СЕМЕЙСТВО Медвежьи ОТРЯД Хищные КЛАСС Млекопитающие ТИП Хордовые ЦАРСТВО Животные ДОМЕН Эукариоты
(Ursus americonus) (Ursus) (Ursidae) (Carnivora) (Mammalia) (Chordata) (Animalia) (Еикогуа)
Рис. 1.12. Классификация \
жизни. Чтобы лучше понять \
разнообразие жизни, биоло- \ ^£*^1
ги классифицируют виды в труп- \" И” •*
пы, которые затем объединяются в \ v
более крупные кластеры. В традици- \
онной, "линнеевской", системе близко- \
родственные виды относятся к одному роду,
рода объединяются в семейства и т.д. На этой
схеме приведена классификация для американ-
ского черного медведя (барибала), Ursus americonus
30 ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
Например, мы можем говорить о белках и бабоч-
ках, хотя мы понимаем, что в каждую из этих
групп входит множество различных видов. Ино-
гда мы можем объединить группы в более ши-
рокие категории, такие как грызуны (в которую
входят белки) и насекомые (куда входят бабоч-
ки). Таксономия — направление биологии, кото-
рое дает названия видам и классифицирует их пу-
тем распределения по группам в иерархической
структуре, которая основана на степени схожести
по различным характеристикам (рис. 1.12). В главе
26 вы подробнее узнаете об этой таксономической
системе. Здесь же мы рассмотрим самые крупные
единицы классификации — царства и домены.
Рис. 1.13. Три домена жизни
Бактерии — это самые разнообразные и широко распростра-
ненные прокариотические организмы, которые в настоящее
время подразделяются на несколько царств. Каждая палочко-
видная структура на этой фотографии представляет собой
одиночную бактериальную клетку.
Три домена живых организмов
Исторически сложилось так, что ученые рас-
пределили разнообразные формы жизни по ви-
дам и более крупным группам на основании тща-
тельного сравнения их строения, функций и
других видимых свойств. В последние несколько
десятилетий появление новых методов для оцен-
ки межвидового родства, таких как сравнение по-
следовательностей ДНК, привело к пересмотру ко-
личества царств живой природы и границ между
ними. По разным оценкам, существует от шести
до нескольких десятков царств. А пока споры на
уровне царств продолжаются, биологи сошлись во
мнении, что все царства живых организмов могут
быть объединены в три более крупные группы, на-
зываемые доменами. Эти три домена были назва-
ны бактериями, археями и эукариотами (рис. 1.13).
б) Домен Археи
Некоторые прокариоты, известные как археи, обитают в зонах
с экстремальными условиями, таких как соленые озера или
геотермальные источники. Домен Археи включает в себя не-
сколько царств. Каждая округлая структура на этой фотогра-
фии представляет собой одиночную клетку архей.
в) Домен Эукариоты
◄ Царство Животных
состоит из много-
клеточных эукариот,
поедающих другие
организмы.
100 мкм
▲ Царство Растений состоит
из обитающих на суше
многоклеточных эукариот,
которые питаются за счет
фотосинтеза, преобразуя
световую энергию в энер-
гию химических связей.
А Царство Грибов определяется,
На фотографии
в частности, типом питания его
членов (таких как этот мухомор),
изображены различные протисты, населяющие пруд.
В настоящее время активно ведутся дискуссии о классифи-
которые поглощают питательные
вещества из внешней среды.
кации протистов, наиболее точно отражающей их эволюци-
онные связи.
Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 31
0,1 мкм
I-------------1
Реснички на клетках
трахеи человека.
Выстилающие трахею
человека клетки покры-
ты ресничками, помо-
гающими поддержи-
вать чистоту в легких.
Реснички выметают
захваченные слизью
инородные частицы
наверх.
Рис. 1.14. Пример единства, лежащего в основе разнообразия жизни: строение ресничек эукариот. Реснички — это выросты клеток,
принимающие участие в локомоции (передвижении). Они встречаются у таких эволюционно далеких друг от друга эукариот, как че-
ловек и инфузория-туфелька (ее можно обнаружить в пруду). И хотя эти организмы мало похожи друг на друга, их реснички имеют
одинаковое общее строение, которое состоит в сложно организованной системе микротрубочек, видимой на поперечных срезах
Как отмечалось ранее, организмы, входящие в
состав двух из трех доменов — Бактерии (Bacte-
ria) и Археи (Archaea) — являются прокариотами.
А все организмы, состоящие из эукариотических
клеток, в настоящее время объединяются в домен
Эукариоты (Eukarya).4
В этот домен входят три царства многокле-
точных организмов: Растения (Plantae), Грибы
(Fungi) и Животные (Animalia). Эти три царства
отчасти можно различать по типу питания. Рас-
тения синтезируют собственные сахара и дру-
гие молекулы в процессе фотосинтеза, грибы по-
глощают растворенные питательные вещества из
среды обитания, а животные добывают пищу, по-
едая другие организмы. Животные — это, конечно
же, то царство, к которому мы с вами принадле-
жим. Но ни растения, ни животные, ни грибы не
О происхождении терминов: бактерия — от греч. “бак-
терион” — “палочка”; археи — от греч. “археос” — “древний”;
прокариоты (доядерные) — от греч. “про” — “до”, “карион” —
“ядро”; эукариоты (ядерные) — от греч. “эу” — “хорошо” “ка-
рион” — “ядро”. — Примеч. ред.
сравнятся по многочисленности и разнообразию с
одноклеточными эукариотами, которых мы назы-
ваем простейшими, или протистами. И хотя не-
которое время назад всех протистов объединяли
в одно царство, новые данные свидетельствуют о
том, что многие представители этой группы более
родственны растениям, животным или же грибам,
нежели другим протистам. В связи с этим недавно
появилась таксономическая тенденция подразде-
лять группу протистов на несколько царств.
Единство — в разнообразии
Как бы ни была разнообразна жизнь, в то же
время она являет собой удивительное едино-
образие. Ранее мы уже упоминали про общность
структуры скелета различных позвоночных жи-
вотных и универсальный язык ДНК (генетический
код). На самом деле, подобие организмов прояв-
ляется на всех уровнях биологической иерархии.
Например, оно выражается в общих чертах кле-
точной организации при сравнении даже с очень
далекими по родству организмами (рис. 1.14).
32 Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
Как же мы можем объяснить сочетание един-
ства и разнообразия жизни? Процесс эволюции, о
котором мы расскажем далее, проливает свет на
природу подобия и различий в живой природе.
Он также вводит в биологию новое важное изме-
рение — историческое время.
Чарлз Дарвин и теория
естественного отбора
История жизни, отраженная в ископаемых и
других свидетельствах, — это сага о Земле, изме-
няющейся миллиарды лет и населенной эволюци-
онирующими живыми организмами (рис. 115).
Такой эволюционный взгляд на жизнь стал объ-
ектом пристального внимания в ноябре 1859 года,
когда Чарлз Роберт Дарвин опубликовал одну из
наиболее важных и влиятельных среди когда-ли-
бо написанных книг. Труд Дарвина, под названи-
ем “О происхождении видов путем естественного
отбора” (On the Origin of Species by Means of Natu-
ral Selection), немедленно приобрел популярность
и вскоре возникло понятие “дарвинизм”, которое
означает практически то же, что и “теория эволю-
ции” (рис. 1.16).
Рис. 1.15. Раскапывая прошлое. Палеонтологи аккуратно из-
влекают из земли заднюю ногу длинношеего динозавра (Rope-
rosaurus krausei) на Мадагаскаре
В “Происхождении видов” были сформулирова-
ны два основных тезиса. Первый состоял в том, что
современные виды произошли от предков, отлича-
ющихся от ныне живущих, благодаря наследствен-
ной преемственности. Дарвин назвал этот процесс
“наследование с изменениями” (descent with modifi-
cation). В этой меткой фразе отражена двойствен-
ность жизни — ее единство и вместе с тем — раз-
нообразие. Единство заключается в родстве видов,
произошедших от общих предков, а разнообра-
зие — в изменениях, которые возникли при рас-
хождении эволюционных линий (рис. 1.17). Вторым
тезисом Дарвина было предположение о том, что
эволюционным механизмом для наследования с из-
менениями является “естественный отбор”.
Дарвин разработал свою теорию естествен-
ного отбора на основании наблюдений, которые
сами по себе были не новы и весьма очевидны.
Другие исследователи того времени описывали
лишь кусочки этой головоломки, а Дарвин уви-
дел в них целостную картину. Он отталкивался
от трех наблюдений: во-первых, особи в популя-
ции различаются по некоторым признакам, мно-
гие из которых наследуются (т.е. передаются от
родителей потомству). Во-вторых, популяция мо-
жет породить значительно больше потомства, чем
сможет выжить, чтобы оно, в свою очередь, про-
извело следующее поколение. Если особей стано-
вится больше, чем может вместить среда — кон-
куренция неизбежна. В-третьих, виды зачастую
соответствуют своим средам обитания, иными
словами, они приспособлены к ним. Так, общее
приспособление у птиц, питающихся в основном
Рис. 1.16. Чарльз Дарвин. Его революционная книга "Проис-
хождение видов" была впервые опубликована в 1859 году
ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 33
Рис. 1.17. Единство и раз-
нообразие у птиц. Эти
три птицы представляют
варианты одного плана
строения организма. На-
пример, каждая из них
обладает перьями, кры-
льями и клювом, однако
эти общие признаки вы-
соко специализирова-
ны у пернатых, ведущих
столь различный образ
жизни5
ж Красный фламинго
А Папуанский пингвин
твердыми семенами, — наличие очень крепких
сильных клювов.
Сделав выводы из этих наблюдений, Дарвин
сформулировал основные положения теории эво-
люции. Он рассудил, что особи с более подходя-
щими для данной среды обитания наследуемыми
признаками имеют больше шансов выжить и раз-
множиться, чем менее приспособленные особи.
С каждым новым поколением в популяции будет
все большая доля особей с характеристиками, ко-
торые дают преимущество. Эволюция происходит
за счет неравного репродуктивного успеха осо-
бей. В итоге это позволяет им приспосабливать-
ся к окружающей среде, в то время как сама среда
остается неизменной.
Дарвин назвал процесс эволюционной адап-
тации естественным отбором, так как природная
среда обитания “отбирает” для дальнейшей пере-
дачи отдельные признаки из всего спектра их ва-
риаций, встречающихся в популяции. Пример на
рис. 1.18, иллюстрирует способность естественного
отбора “редактировать” наследуемые вариации
окраски в популяции.
Мы видим продукты естественного отбора в
совершенной приспособленности (или адаптации)
5 Под высокой специализацией признака или органа у
живых организмов имеется ввиду то, что такой признак/
орган имеет ярко выраженное качество/качества (длинная
шея, окраска перьев, форма крыльев, малый размер тела,
характерный звук), которые позволяют им эффективно
адаптироваться к специфичным условиям окружающей сре-
ды. — Примеч. ред.
различных организмов к условиям жизни в окру-
жающей среде. Крылья летучей мыши, изображен-
ной на рис. 1.19, служат отличным примером такой
адаптации.
Древо Жизни
Посмотрите на устройство скелета крыльев ле-
тучей мыши на рис. 1.19. Эти крылья отличаются от
оперенных крыльев птиц, ведь летучая мышь —
это млекопитающее. Передние конечности лету-
чей мыши, несмотря на адаптацию к полету, ха-
рактеризуются деталями строения, такими как
кости, суставы, нервы и кровеносные сосуды, ко-
торые аналогичны любым другим конечностям
позвоночных, таким как рука человека, нога ло-
шади или плавник кита. В самом деле, все перед-
ние конечности млекопитающих — это анатоми-
ческие вариации общего плана строения. Также и
у птиц, изображенных на рис. 1.17, существуют ва-
риации конечностей на “птичью тему” лежащую
в основе всех видов. Такие примеры подобия свя-
зывают единство и разнообразие жизни с дарвино-
вской идеей наследования с изменениями. С этой
точки зрения единство анатомии конечностей у
млекопитающих — результат наследования этого
элемента от общей предковой формы, “прототи-
па”, от которого произошли все млекопитающие.
Разнообразие передних конечностей у млекопи-
тающих — результат изменений, происходивших
в ходе естественного отбора на протяжении жиз-
ни миллионов поколений при разнообразных ус-
ловиях окружающей среды. Ископаемые останки и
34 Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
О Популяция с различными
вариантами наследстве-
нных признаков
0 Ликвидация особей
с определенным
признаком
© Размножение
выживших особей
О Увеличение частоты
встречаемости при-
знака, который спо-
собствует выживанию
и репродуктивному
успеху
Рис. 118. Естественный отбор. Предположим, воображаемая популяция жуков заселила местность, где почва почернела от лесно-
го пожара. Изначально особи в популяции сильно варьировались по унаследованной окраске, от светло-серого до угольно-чер-
ного цветов. В этом случае голодной птице, которая питается этими жуками, легче всего заметить жуков, имеющих самую светлую
окраску
другие свидетельства подтверждают теорию о про-
исхождении млекопитающих от общего предка.
Дарвин предположил, что естественный от-
бор, благодаря суммированию его результатов
за огромный период времени, может привести к
тому, что от предковой формы могут произойти
два и более биологических вида. Например, такое
расхождение возможно, если одна популяция де-
лится на несколько изолированных субпопуля-
ций, обитающих в разных условиях. На изоли-
рованных “площадках” из одного вида по мере
накопления приспособлений к различным факто-
рам среды6 через много поколений может образо-
ваться множество новых видов.
“Родовое древо” четырнадцати видов галапа-
госских вьюрков на рис. 1.20 иллюстрирует извест-
ный пример такого множественного расхождения
с образованием новых видов или адаптивной ра-
диации. Дарвин отлавливал этих птиц в 1835 году
во время своего путешествия на далекий Галапа-
госский архипелаг, находящийся в 900 км от ти-
хоокеанского побережья Южной Америки. Эти
относительно молодые вулканические острова
служат домом для многих видов растений и жи-
вотных, которые не встречаются больше нигде в
мире, хотя многие галапагосские виды находятся в
очевидном родстве с материковыми видами Юж-
ной Америки. Несколько миллионов лет назад в
результате вулканической деятельности были об-
6 Примерами могут служить покровительственный окрас
перьев и форма клюва, адаптированная к конкретному виду
пищи. — Примеч. ред.
Рис. 1.19. Эволюционные адаптации. Ле-
тучие мыши — единственные млекопитаю-
щие, способные к активному полету. Между
их удлиненными пальцами натянуты перепон-
ки, образущие крылья. Дарвин предполагал, что
такие адаптации приобретаются со временем, путем есте-
ственного отбора
разованы Галапагосы. Разные виды галапагосских
вьюрков, обитающие на островах, вероятно, про-
изошли от их общего предка — вьюрка, который
каким-то образом попал на архипелаг с материка.
Прошли годы с тех пор, как Дарвин изучал гала-
пагосских вьюрков, — и другие исследователи ста-
ли дополнять и углублять знания о родственных
связях между этими видами, сначала по анатоми-
ческим и географическим данным, а совсем недав-
но — и с использованием сравнительного анализа
последовательностей ДНК (ДНК-сиквенсов).
Диаграммы эволюционных взаимоотношений,
составляемые биологами, обычно внешне напо-
минают деревья, хотя нередко они ветвятся в одну
сторону, как на рис. 1.20. Представление происхож-
дения видов в форме древоподобных диаграмм
(или дендрограмм) следует из природы их род-
ства: каждая особь имеет свою генеалогию в виде
фамильного древа, а каждый вид представляет со-
бой одну веточку на Древе Жизни, уходящем кор-
ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 35
ОБЩИЙ
ПРЕДОК
Зеленый славковый вьюрок
Certhidea oiivacea
Серый славковый вьюрок
Certhidea fusca
Остроклювый земляной вьюрок
Geospiza difficiiis
Толстоклювый древесный вьюрок
Platyspiza crassirostris
Мангровый древесный вьюрок
Coctospiza heliobates
Дятловый древесный вьюрок
Cactospiza pallida
Большой древесный вьюрок
Camarhynchus pauper
Каждая точка ветвления
представляет общего предка
для тех эволюционных линий,
которые берут здесь начало,
а также для их потомков
(показаны справа).
Попугайный древесный вьюрок *
Camarhynchus psittacula
Малый древесный вьюрок
Camarhynchus parvulus
- £
ф g
Рис. 1.20. Видоизменение потомства: > g
адаптивная радиация вьюрков на Галопа- £ В
госских островах. Это эволюционное дре- 2 ф
во отражает современную модель проис- S g
хождения галапагосских вьюрков. Обратите g ф
внимание на различную форму клюва, соот-
ветствующую различным источникам пищи на
разных островах. Например, среди птиц, питающих-
ф
Большой кактусовый
земляной вьюрок
Geospiza conirostris
Кактусовый земляной вьюрок
Geospiza scandens
Малый земляной вьюрок
Geospiza fuliginosa
Средний земляной вьюрок
Geospiza fortis
ся семенами, более толстый и тяжелый клюв лучше подходит
для раскалывания крупных семян с твердой оболочкой, в то время
как с помощью облегченного клюва удобнее подбирать с земли
мелкие семена травянистых растений
Большой земляной вьюрок
Geospiza magnirostris
нями в глубь времен через все более древние пред-
ковые виды. У таких близкородственных видов,
как галапагосские вьюрки, общий предок находит-
ся в относительно недавней точке ветвления ден-
дрограммы. Однако через гораздо более древне-
го общего предка галапагосские вьюрки связаны
с воробьями, ястребами, пингвинами и другими
птицами. В свою очередь, птицы, млекопитающие
и другие позвоночные имеют еще более древне-
го общего предка. Если проследить родство форм
жизни, двигаясь дальше к корням Древа, мы до-
стигнем ранних прокариот, населявших Землю бо-
лее 3,5 миллиардов лет назад. Крупицы их насле-
дия до сих пор существуют в нас с вами, в наших
собственных клетках: например, универсальный
генетический код. Таким образом, все живые фор-
мы нашей планеты связаны общей эволюционной
историей.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 1.2
1.
2.
3.
Чем почтовый адрес похож на таксономическую систему в
биологии?
Объясните, почему "редактирование" — это подходящая
метафора для описания того, как естественный отбор дей-
ствует на наследуемые в популяции варианты признаков.
| Три домена живых организмов, о кото-
рых вы узнали в данном разделе, могут быть представле-
ны в виде древоподобной диаграммы с тремя основными
А ЧТО, ЕСЛИ?
36 Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
ветвями и тремя ветвями второго порядка, на которые рас-
ходится домен Эукариоты — это царства Растений, Грибов
и Животных. Но что, если родство между царствами Гри-
бов и Животных более близко, чем между каждым из этих
царств и Растениями (как убедительно свидетельствуют не-
давние данные)? Нарисуйте простое дерево, отображаю-
щее предполагаемые связи между этими тремя царствами
Эукариот.
Ответы см. в Приложении А.
1.3. Исследуя природу,
ученые проводят наблюдения
и формулируют и проверяют
гипотезы
Наука — это путь познания, особый подход к
изучению мира вокруг нас. Как явление она про-
исходит из присущей человеку любознательности
относительно природы самого себя, других форм
жизни, нашей планеты и вселенной. Английское
слово science происходит от латинского глагола
“знать”. Стремление к пониманию — это одно из
базовых побуждений человека.
В центре науки находится исследование — по-
иск знаний о природных явлениях и их объясне-
ние. Универсальной формулы для успешного на-
учного исследования нет, не существует также и
единственного научного метода, которому неу-
коснительно должны следовать ученые. Как и лю-
бой поиск, наука содержит элементы побуждения
к действию, приключения и удачи, сопровождае-
мых тщательным планированием, рассуждением,
творческим подходом, терпением и упорством в
преодолении неудач. Столь различные составля-
ющие исследования делают науку значительно ме-
нее структурированной, чем полагает большин-
ство людей. Впрочем, можно выделить несколько
черт, отличающих науку от других способов опи-
сывать и объяснять природные явления.
Процесс исследования состоит из проведе-
ния наблюдений, создания логичного, проверя-
емого объяснения этих наблюдений (гипотеза),
и далее — его проверки. Этот процесс все время
повторяется: данные новых наблюдений могут
подтолкнуть исследователя к пересмотру исход-
ной гипотезы или выдвижению новой, которая,
в свою очередь, потребует дальнейшей провер-
ки. Двигаясь по этой спирали, ученые все ближе
и ближе подходят к наилучшему пониманию за-
конов природы.
Проведение наблюдений
В ходе своей работы ученые описывают при-
родные структуры и процессы так точно, насколь-
ко это возможно, опираясь на наблюдение и анализ
данных. Наблюдение — это сбор информации, ко-
торый может осуществляться как непосредственно
органами чувств, так и при помощи специального
оборудования, например, микроскопов, термоме-
тров и весов, которые служат “продолжением” на-
ших органов чувств. Наблюдая, можно получить
ценную информацию о мире природы. Например,
множество детальных наблюдений сформировало
наше понимание структуры клетки, другие же на-
блюдения пополняют базы данных геномов разных
видов, а также генов, экспрессия которых изменя-
ется при раке и других заболеваниях.
Зарегистрированные результаты наблюде-
ний называются данными. Иными словами, дан-
ные — это единицы информации, на которых
основывается научное исследование. Слово “дан-
ные” у многих ассоциируется с числами. Однако
некоторые данные имеют качественный характер
и часто представляют собой зафиксированные
описания, а не их численные измерения. Напри-
мер, Джейн Гудолл провела десятилетия, записы-
вая свои наблюдения за поведением шимпанзе в
джунглях Танзании (рис. 1.21). Помимо этих каче-
ственных данных, она обогатила науку о поведе-
нии животных множеством данных количествен-
ных, таких как частота и продолжительность
Рис. 1.21. Джейн Гудолл изучает поведение шимпанзе. Гудолл
записывала свои наблюдения в полевых журналах, часто за-
рисовывая поведение животных
Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 37
определенных моделей поведения у различных
членов групп шимпанзе в различных ситуациях.
Количественные данные — это обычно числен-
ные измерения, организованные в виде таблиц и
графиков. Ученые анализируют данные с помо-
щью методов статистики (это раздел математи-
ки), чтобы понять, значимы ли их результаты или
же они обусловлены случайными колебаниями
(флуктуациями). (Обратите внимание, что все ре-
зультаты, представленные в этой книге при про-
верке методами статистики были расценены как
значимые.)
Сбор наблюдений и анализ их результатов мо-
гут привести к важным заключениям, основан-
ным на логическом методе, который называет-
ся индуктивным рассуждением. В рамках этого
подхода происходит обобщение множества от-
дельных научных наблюдений. “Солнце всегда
встает на востоке” — пример такого заключения,
так же, как и утверждение: “Все организмы состо-
ят из клеток”. Тщательные наблюдения и анализ
данных, наряду с обобщениями, получаемыми
методом индукции, лежат в основе нашего пони-
мания природы.
Постановка и проверка гипотез
Человеку присуще врожденное любопытство,
заставляющее нас задаваться вопросами о приро-
де явлений в окружающем нас мире. Например:
в чем причины того или иного поведения шим-
панзе, которое Гудолл наблюдала в разных ситу-
ациях? Что заставляет корни растений обыч-
но расти вниз, а не вверх? Научные исследования
обычно включают выдвижение и дальнейшую
проверку возможных объяснений рассматривае-
мых явлений, т.е. гипотез.
В науке гипотеза — это предположение о не-
ком четко поставленном вопросе. Другими слова-
ми, это утверждение, которое нужно проверить.
Обычно оно основано на имеющихся данных и
исходит из индуктивного анализа — обобще-
ния ряда наблюдений. Научная гипотеза являет-
ся источником предсказаний, которые могут под-
тверждаться дальнейшими наблюдениями или
экспериментами. Эксперимент — это научный
опыт, который проводится в контролируемых ус-
ловиях.
Все мы наблюдаем, задаем вопросы и выдвига-
ем гипотезы для решения повседневных проблем.
Допустим, что ваш фонарик сломался, в то вре-
мя как вы находитесь в лесу в палатке — это на-
блюдение. Вопрос очевиден: почему он не работа-
ет? Жизненный опыт подсказывает две разумные
гипотезы:
1) у фонарика села батарейка
или
2) в нем перегорела лампочка.
Каждая из этих альтернативных гипотез по-
зволяет сделать какие-то предсказания, которые
вы можете проверить с помощью простого экспе-
римента. Например, гипотеза о севших батарей-
ках позволяет предположить, что смена батаре-
ек исправит положение. На рис. 122 показана схема
такого “исследования в походных условиях”. По-
добное прояснение положения вещей путем си-
стематических проб и ошибок — это и есть метод,
основанный на постановке гипотез.
Иногда, в силу каких-либо причин, провести
эксперимент нет возможности, но в таком случае
вы можете проверить гипотезу, используя наблю-
дения. Представим, что у вас нет запасной лампоч-
ки или батареек. Как же вы сможете установить,
какая из гипотез является наиболее вероятной?
Например, вы можете осмотреть лампочку: вы-
глядит ли она перегоревшей? Вы также можете
проверить срок годности батарейки. Эксперимен-
ты — это мощные инструменты для проверки ги-
потез, но если эксперимент невозможен, зачастую
можно использовать и другие методы.
Наблюдение: фонарик не работает
Вопрос: почему фонарик не работает?
Гипотеза #1:
села батарейка.
4
Предсказание: замена
батарейки решит проблему.
4
Проверка предсказания:
замена батарейки.
4
Результат:
фонарик не работает.
Гипотеза отвергнута.
Гипотеза #2:
перегорела лампочка
4
Предсказание: замена
лампочки решит проблему
4
Проверка предсказания:
замена лампочки.
4
Результат:
фонарик работает.
Гипотеза подтверждена
Рис. 1.22. Упрощенный взгляд на научное исследование. На
этой блок-схеме представлен мыслительный процесс, назы-
ваемый научным методом. Здесь он используется для про-
верки гипотез в походных условиях
38 ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
Дедуктивное рассуждение
Метод логического рассуждения, называе-
мый дедукцией, также строится в науке на работе
с гипотезами. 14 в то время как индукция подра-
зумевает формирование общего вывода на осно-
ве ряда частных наблюдений, дедукция идет в об-
ратном направлении: от общего — к частному."
Если наше исходное предположение истинно, мы
можем перенести общие выводы на частные слу-
чаи. В научных исследованиях дедуктивные вы-
воды обычно имеют форму предсказаний, кото-
рые будут верны, если верна начальная гипотеза/
Затем мы проверяем гипотезу, проводя экспери-
менты или наблюдения, и сравниваем получен-
ные результаты с предсказанием. Такая дедуктив-
ная проверка сводится к формуле “если ..., то".
Например, в нашем случае с фонариком это вы-
глядит так: “если гипотеза о севших батарейках
верна, то при замене батарейки фонарик должен
заработать”.
Пример с фонариком демонстрирует два дру-
гих ключевых момента применения гипотез в на-
уке. Во-первых, начальные наблюдения могут по-
родить много нулевых гипотез. В идеале нужно
спланировать эксперимент так, чтобы сразу про-
верить все возможные объяснения. Например,
одной из множества гипотез, почему фонарик не
работает, является одновременная неисправность
лампочки и батарейки, и вы можете придумать
эксперимент для проверки этого.
Во-вторых, мы принципиально не можем до-
казать, что гипотеза верна. Эксперимент, по-
казанный на рис. 1.22, говорит лишь о том, что
перегоревшая лампочка — это наиболее правдо-
подобное объяснение. Результат лишь поддержи-
вает гипотезу, но не доказывает ее абсолютную
истинность. Возможно, старая лампочка была
вставлена неправильно, так, что не обеспечива-
лась нужная плотность контакта, новая же лам-
почка была завинчена до конца. Мы можем вновь
попытаться проверить истинность гипотезы о
перегоревшей лампочке, вынув ее и плотно за-
крутив. Если она не заработает, это будет новым
подтверждением исходной гипотезы, но не ее до-
Индукция (от лат. inductio) и дедукция (от лат. deductio)
оба происходят от латинского корня duco — “вести”, при
этом приставка in указывает на соединение, a de — на разъе-
динение. — Примеч. ред.
я В статистическом анализе начальная гипотеза называ-
ется нулевой. — Примеч. ред.
казательством. Например, лампочка могла быть
бракованной, а не перегоревшей. Различные спо-
собы проверки гипотезы ведут к появлению но-
вых данных, подтверждающих ее правильность.
Но даже бесконечное число таких экспериментов
не избавит нас от некоторой тени сомнения.
Вопросы, но которые можно и нельзя ответить
с помощью научного метода
Научный метод — это мощный инструмент
познания природы, однако с его помощью мож-
но ответить не на все вопросы. Научная гипотеза
всегда должна быть проверяема, т.е. потенциально
должны существовать какие-то наблюдения или
эксперименты, которые могут ее либо подтвер-
дить, либо опровергнуть. Например, гипотеза о
том, что севшие батарейки являются единствен-
ной причиной неисправности фонарика может
быть (и была) проверена путем замены старых ба-
тареек на новые.
Не все гипотезы соответствуют критериям на-
учности: так, вы не сможете проверить гипотезу
о невидимом лагерном приведении, решившем
поразвлечься с вашим фонариком. Наука рабо-
тает только с естественными, проверяемыми ги-
потезами относительно природных явлений, и не
может подтвердить или опровергнуть гипотезу о
привидении. Также она бессильна и в рассужде-
ниях о том, являются ли добрые или злые духи,
эльфы или феи причиной грозы, радуги, болез-
ней или исцелений. Подобные сверхъестествен-
ные объяснения лежат за пределами науки просто
потому, что они принципиально не проверяемы.
По той же причине наука не имеет дела с религи-
озными вопросами, которые были и остаются во-
просами иррациональной веры. Наука и религия
не исключают друг друга и не вступают в проти-
воречие, поскольку они нацелены на различные
предметы.
Гибкость научного процесса
Пример с фонариком на рис. 1.22 отображает иде-
ализированный процесс исследования, который
можно назвать научным методом. Его элементы
используются во многих научных статьях, но ред-
ко они столь структурированы. Очень немногие
исследования строго придерживаются предписы-
ваемого научным методом алгоритма, о котором
пишут в учебниках; значительно чаще он приме-
няется задним числом уже после завершения экс-
перимента или исследования. Например, ученый
ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 39
может начать продумывать какой-то эксперимент,
однако вынужден вернуться назад, осознав необ-
ходимость проведения дополнительных наблю-
дений. В иных случаях запутанная сеть наблюде-
ний просто не дает возможности для нормальной
постановки вопросов, пока другие исследования
не осветят проблему с иного ракурса. Так, Дарвин
собирал экземпляры галапагосских вьюрков. Но
только по прошествии многих лет, когда биологи,
наконец, сформулировали вопрос о происхожде-
нии этих птиц, идея естественного отбора начала
выкристаллизовываться. Наука куда более непред-
сказуема и увлекательна, чем бездумное следова-
ние пятиступенчатому алгоритму.
Более реалистичная модель научного процесса
изображена на рис. 1.23. В центре научной деятель-
ности находится формулировка и проверка гипо-
тез. Это наиболее фундаментальный аспект науки,
благодаря которому научные объяснения явлений
природы весьма надежны. Однако наука — это
больше, чем просто проверка гипотез. Выбор ги-
потез для проверки, интерпретация и оценка ре-
зультатов, а также принятие решения о наиболее
перспективной гипотезе для дальнейшей работы
определяется также и тремя другими аспектами.
Во-первых, правильно сформулированные во-
просы, новые гипотезы и удачные планы экспери-
ментов не начинают фонтанировать из воздуха;
Разработка технологий М
Реакция на потребности
общества
Обеспечение информационной
базы для политических решений
Решение повседневных проблем
Удовлетворение любознательности
Накопление знаний J
Анализ результатов теста
Данные могут...
• подтвердить гипотезу
• опровергнуть гипотезу
• вдохновить на пересмотр старой
или формулировку новой гипотезы
• побудить к пересмотру <
исходных предпосылок
Рис. 1.23. Научный процесс: более ре-
алистичная модель. В действительности
научный процесс нелинеен, а скорее
цикличен: ему присущи такие черты, как
возвращение в исходную точку, повторе-
ние и взаимодействие между разными
составляющими. Представленная здесь
схема основана на модели "Как ра-
ботает наука" с вебсайта “Under-
standing science"
Проверка идей
Формулировка гипотез
Предсказание результатов
Проведение экспериментов
и/или наблюдений
Оценка результатов
Наблюдение природы
Постановка вопросов
Обмен данными и идеями
Поиск вдохновения
Изучение научной
литературы
Обратная связь 1
и рецензирование
Оценка воспроизводимости
экспериментов и наблюдений
Дискуссии с коллегами
Научные публикации
• Генерация новых идей
и вопросов А
• Построение теории^®
|Ч\\ъ\МСОок^
40 Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
их инициируют и питают различные начинания,
связанные с исследованиями и открытиями
(верхний круг на рис. 1.23). Во-вторых, проверка ги-
потезы не происходит в социальном вакууме; об-
щественные оценки и обратная связь играют важ-
ную роль (правый нижний круг). Коммуникации
внутри научного сообщества влияют на то, какие
именно гипотезы будут проверяться и каким спо-
собом, они также ведут к возникновению новых
интерпретаций существующих данных, обеспечи-
вают независимую оценку дизайна эксперимен-
та и многое другое. Наконец, научный процесс
неразрывно связан с жизнью общества в целом
(левый нижний круг). Нужды общества (напри-
мер, желание понять процесс изменения клима-
та) могут вызвать всплеск новых гипотез и ис-
следований. И, наоборот, надежно обоснованные
гипотезы могут позволить внедрить важные тех-
нологические инновации или поддержать опре-
деленную политику, что, в свою очередь, может
инициировать новые научные вопросы. Несмо-
тря на то, что проверка гипотез и интерпретация
данных лежат в самом сердце науки, они остаются
лишь частью научного процесса.
Пример научного исследования:
изучение окраски шерсти
в популяциях оленьих хомячков
После того как мы назвали основные состав-
ляющие научного исследования — проведение
наблюдений, формулировка и проверка гипо-
тез — вы должны научится распознавать их в на-
стоящем научном исследовании.
Исследование начинается с ряда наблюдений и
индуктивных обобщений. Например: окрас шерсти
у животных в природе очень разнообразен, иногда
даже среди представителей одного вида. Чем это
может быть вызвано? Наглядным примером здесь
могут служить две популяции оленьих хомячков,
которые, хоть и относятся к одному виду (Реготу-
scus polionotus), однако по-разному окрашены, а их
ареалы обитания различны (рис. 1.24).
Береговая популяция оленьих хомячков оби-
тает рядом с побережьем Флориды, среди бело-
снежных песчаных дюн с редкими вкраплениями
береговых трав. Другая, внутриконтинентальная,
популяция хомячков обитает дальше от побе-
режья, на темных и более плодородных почвах.
растительностью песчаных дюнах, рас-
положенных вдоль побережья, имеют
светлую окраску, которая позволяет им
сливаться с окружающей средой.
Рис. 1.24. Различия в окраске береговой и вну-
триматериковой популяций оленьих хомячков
Peromyscus polionotus
в тридцати километрах вглубь материка,
шерсть на спине тёмная, она маскирует
их под тёмный цвет земли в месте их
обитания.
ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 41
Одного взгляда на фотографии на
рис. 1.24 достаточно, чтобы понять,
▼ Рис. 1.25
Изыскание
что окраска хомячков идеально
соответствует среде их обитания.
Естественные враги этих грызу-
нов, такие как ястребы, совы, лисы
и койоты, полагаются при поиске
добычи на зрение. Поэтому нату-
ралист Фрэнсис Бертоди Самнер
(Francis Bertody Sumner), изучав-
ший эти две популяции хомячков
в 1920-х годах, выдвинул логичную
гипотезу о том, что окрас шерсти
оленьих хомячков (так называе-
мая “покровительственная” окра-
ска) развился как адаптация к сре-
де обитания, которая помогает
этим грызунам избегать нападений
хищников.
Несмотря на кажущуюся оче-
видность, гипотеза о покровитель-
ственной окраске нуждалась в про-
верке. В 2010 году Хопи Хокстра
(Hopi Hoekstra) из Гарвардского
университета приехала с группой
студентов во Флориду, чтобы про-
верить предположение о том, что
хомячки с окраской шерсти, не со-
ответствующей окружающей их
среде, чаще становятся жертвами
хищников, чем нативные9 особи
с покровительственной окраской.
Ниже, в рубрике “Изыскания”,
представлены результаты этого по-
влияет ли покровительственная окраска двух популяций оленьих хо-
мячков на успех охоты хищников?
Эксперимент. Хопи Хокстра и ее сотрудники решили проверить гипотезу о том,
что окраска береговой и внутриконтинентальной популяций оленьих хомячков
(Peromyscus po'fonofus) защищает их от хищников. Исследователи покрасили модели
хомячков в светлый и темный цвета, соответствующие окраске шерсти представите-
лей двух популяций, а затем разместили модели в их местообитаниях. На следующее
утро они подсчитали количество поврежденных или исчезнувших моделей.
Результаты. Для каждой территории обитания исследователи рассчитали процент
атакованных моделей, которые обладали покровительственной окраской и моде-
лей, у которых ее не было. Для обеих экспериментальных площадок было выявлено,
что модели, которые не соответствовали по цвету своему окружению, в большей сте-
пени подвергались атакам хищников, чем замаскированные.
Береговой ареал
С покровитель- Без покровитель-
ственной окраской ственной окраски
(контроль) (опыт)
Внутриматериковый ареал
Светлые модели Тёмные модели
Без покровитель- С покровитель-
ственной окраски ственной окраской
(опыт) (контроль)
Выводы. Результаты эксперимента согласуются с изначальной гипотезой: модели хо-
мячков с покровительственной окраской становились жертвами охоты реже, чем мо-
дели, не имеющие маскировки. Таким образом, данный эксперимент подтверждает
гипотезу о покровительственной окраске.
Источник: S. N. Vignieri, J. G. Larson, and Н. Е. Hoekstra, The selective advantage of crypsis in mice,
Evolution 64:2153-2158 (2010).
левого эксперимента.
Исследователи сделали из пла-
стилина сотни одинаковых моде-
лей хомячков и окрасили часть из
них в светлые, а часть — в темные
цвета, подобно окраске береговых и внутриконти-
нентальных хомячков. Затем они разместили рав-
ные количества моделей в случайном порядке в
обеих средах обитания и оставили их на ночь. Мо-
дели хомячков с покровительственной окраской
использовались в качестве контрольной группы
(например, модели светлоокрашенных хомячков,
размещенных на побережье), а модели хомяч-
ков с окраской, не соответствующей данной среде
АНАЛИЗ ДАННЫХ
9 Нативный (от лат. nativus — “врожденный”; употребля-
ется в значении “естественный”. — Примеч. ред.
Столбцы диаграммы отображают процент атакованных моделей
соответствующего цвета. Допустим, что но каждой площадке было атаковано по
100 моделей. Сколько светлых моделей было атаковано на берегу? Сколько темных
моделей? Ответьте но тот же вопрос для внутриконтинентольного ареала.
обитания, являлись экспериментальной группой
(на побережье это были темноокрашенные моде-
ли). На следующее утро исследователи зафиксиро-
вали и подсчитали следы нападений хищников на
модели. Эти следы варьировали от укусов и вмя-
тин на одних моделях — до полного исчезнове-
ния других. Судя по форме и количеству укусов
и следов на обеих экспериментальных площадках
было установлено, что активность хищников-мле-
копитающих (таких как лисы и койоты) и хищни-
ков-птиц (совы, цапли и ястребы) была примерно
одинакова.
42 ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
Для каждой экспериментальной площадки
(среды обитания) исследователи рассчитали ча-
стоту нападений на модели с различным типом
окраски. Результаты были убедительны: модели
с покровительственной окраской реже подвер-
гались нападениям, чем те, которые были лише-
ны маскировки, причем как в прибрежной зоне
(где менее заметны светлые хомячки), так и во
внутриматериковой (где менее заметны тем-
ные особи). Таким образом, данные эксперимен-
та подтвердили гипотезу о покровительственной
окраске.
Экспериментальные переменные
и контроль
В начале этого параграфа мы определили экс-
перимент как научный опыт (или тест), проводи-
мый в контролируемых условиях. Если говорить
более конкретно, то эксперимент подразумева-
ет, что одним из факторов системы манипулиру-
ют (в то время как остальные факторы остают-
ся постоянными), чтобы понять, какие эффекты
вызывает его изменение. Факторы, которыми мы
манипулируем, и эффекты, которые мы измеря-
ем, — это разные типы экспериментальных пе-
ременных, т.е. параметры, изменяющиеся в ходе
эксперимента.
Эксперимент с покровительственной окраской
у оленьих хомячков, описанный выше на рис. 1.25,
является примером контролируемого экспери-
мента, т.е. такого опыта, в котором эксперимен-
тальная группа (в данном случае — это хомячки,
лишенные покровительственной окраски) срав-
нивается с контрольной группой (хомячки с по-
кровительственной окраской, в естественных ус-
ловиях населяющие данный ареал). В идеале,
экспериментальная и контрольная группы долж-
ны различаться лишь по одному параметру, кото-
рый и проверяется в ходе эксперимента — в нашем
случае, это влияние окраски хомячка на поведе-
ние хищников. В данном примере окрас хомяч-
ка — это фактор, которым манипулируют ученые;
такой фактор называется независимой перемен-
ной. В свою очередь, частота нападений хищников
является здесь зависимой переменной — а имен-
но тем фактором, который измерялся в ходе экспе-
римента. Без контрольной группы исследователи
не смогли бы отсечь возможность влияния на ча-
стоту атак хищников других факторов, например,
различия в числе хищников или в температуре
воздуха для исследуемых ареалов. При правиль-
ной организации эксперимента окраска остается
единственным фактором, который может отве-
чать за низкую частоту нападений на хомячков с
покровительственной окраской в их естественной
среде обитания.
Распространено заблуждение, что в контро-
лируемом эксперименте ученые осуществляют
контроль за экспериментальной средой, стро-
го обеспечивая постоянство всех ее факторов, за
исключением проверяемой переменной. Но это
невозможно не только в полевом эксперименте,
но и в управляемых лабораторных условиях. Как
правило, исследователи “контролируют” нежела-
тельные переменные за счет нейтрализации их
влияния, а не с помощью управления параметра-
ми среды.
Научные теории
В повседневной жизни мы часто называем
словом “теория” непроверенное предположение.
“Это всего лишь теория!” — отмахиваемся мы.
Однако в науке этот термин имеет другое значе-
ние. Что же такое научная теория и чем она отли-
чается от гипотезы или умозрительного предпо-
ложения?
Во-первых, научная теория охватывает гораз-
до более широкий круг явлений, чем гипотеза.
Вот пример гипотезы: “Окраска шерсти, соответ-
ствующая окружающей среде, — это адаптация,
которая защищает хомячков от хищников”. А это
теория: “Эволюционные адаптации появляются в
результате естественного отбора”. Данная теория
гласит, что естественный отбор является эволю-
ционным механизмом, который лежит в основе
бесчисленного множества адаптаций, и окраска
шерсти у оленьих хомячков — лишь частный слу-
чай этого механизма.
Во-вторых, теория — это достаточно общее
утверждение, способное породить множество но-
вых, частных гипотез, которые могут быть прове-
рены. Например, два исследователя из Принстон-
ского университета, Питер и Розмари Грант (Peter
and Rosemary Grant) в рамках теории естествен-
ного отбора решили проверить частную гипоте-
зу о том, что клювы у галапагосских вьюрков эво-
люционировали в ответ на смену типа доступной
пищи. (Результаты их эксперимента подтвердили
эту гипотезу.)
Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 43
И в-третьих, теория опирается на гораздо бо-
лее широкую доказательную базу, нежели любая
гипотеза. Так, теория естественного отбора имеет
огромное число свидетельств в свою пользу, и их с
каждым днем становится все больше. При этом до
сих пор не обнаружено ни одного научного фак-
та, опровергающего эту теорию. Она столь же ос-
новательна, как теория гравитации или теория
вращения Земли вокруг Солнца. С помощью та-
ких фундаментальных теорий можно объяснить
огромное число наблюдений, а они, в свою оче-
редь, опираются на колоссальную доказательную
базу. По сути, развитие теорий продолжается че-
рез проверку частных гипотез, которые являются
их следствием.
Но несмотря на огромное число доказательств,
поддерживающих широко принятые теории, по-
следние могут быть изменены или даже отвергну-
ты, если результаты новых исследований не будут
им соответствовать. Например, теория биоразно-
образия, согласно которой бактерии и археи от-
носятся к царству прокариот, пошатнулась, ког-
да новые методы позволили проверить гипотезы
о наличии взаимосвязей между организмами, ле-
жащие в основе этой теории. Если в науке и есть
“истина”, то она в лучшем случае условна и зави-
сит от того, какие доказательства получены к на-
стоящему моменту.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 1.3
1.
2.
3.
4.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Проведите границу между индуктивным и дедуктивным рас-
суждением.
Что является независимой переменной в эксперименте с
покровительственной окраской у оленьих хомячков, а что —
зависимой? Ответ объясните.
Почему естественный отбор называют теорией?
| В пустынях на юго-западе США почвы в ос-
новном песчаные, изредка перемежающиеся обширными
участками с черной скалистой породой, которая образо-
валась в результате выхода потоков лавы 1,7 миллиона лет
назад. Мыши встречаются и в песчаных, и в каменистых об-
ластях, также как и совы — их естественные враги. Что вы
можете предположить об окрасе шерсти у этих двух по-
пуляций мышей? Ответ объясните. Как бы вы использовали
эту экосистему для последующей проверки гипотезы о по-
кровительственной окраске?
Ответы см. в Приложении А.
1.4. Совмещение разнообразных
подходов и точек зрения
обогащает науку
Кинематограф часто рисует образ ученого-
одиночки, заточившего себя в четырех стенах
лаборатории. В действительности же наука —
весьма социальная деятельность. Большинство
ученых работают группами, в которые нередко
входят аспиранты и студенты. Чтобы преуспеть в
науке, нужно уметь находить общий язык с людь-
ми. Результаты исследований не имеют смысла,
пока они не станут известны научному сообще-
ству через семинары, публикации и веб-сайты.
Стоя на плечах гигантов
Великий ученый Исаак Ньютон однажды ска-
зал: “Объяснение всех явлений природы — слиш-
ком сложная задача и для одного человека, и для
целого поколения. Поэтому гораздо лучше сде-
лать малое, но верно, а остальное оставить тем,
кто придет после нас...” Каждый, кто становится
ученым и стремится познать устройство природы,
черпает очень многое из сокровищницы знаний,
накопленных его предшественниками. И действи-
тельно, в эксперименте Хопи Хокстры существен-
ная часть заимствована из работы другого иссле-
дователя, Д. У. Кауфмана (D. W. Kaufman), которая
выполнена на 40 лет раньше. Далее, во врезке
“Развиваем исследовательские навыки”, вы може-
те узнать об эксперименте Кауфмана и потрени-
роваться в интерпретации результатов.
Научные данные постоянно перепроверяют-
ся новыми наблюдениями и экспериментами. Уче-
ные, работающие над одной проблемой, часто
проверяют заключения друг друга, воспроизводя
эксперименты или пытаясь подтвердить результа-
ты наблюдений. Если же результаты не могут быть
воспроизведены другими исследователями, то это
свидетельствует о недостатках в полученных за-
ключениях и о необходимости их пересмотра. Та-
ким образом, наука проверяет сама себя. Честность
и соответствие высоким профессиональным стан-
дартам в представлении результатов совершенно
необходимы для функционирования науки. В ко-
нечном итоге, надежность экспериментальных дан-
ных позволяет оценить перспективность дальней-
ших исследований в том или ином направлении.
Нередко одним и тем же научным вопросом
занимаются несколько ученых. Некоторые уче-
ные считают это своеобразной азартной игрой и
44 Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Щнтерпроъация д&рс аполЬчатыс дгаиралгж
Насколько велико влияние покровительственной окраски на
ловлю оленьих хомячков совами в лунные и безлунные ночи?
Д.У. Кауфман изучал влияние покровительственной окраски
жертв на успех охоты. Он проверял гипотезу о том, что степень
контрастности между окраской оленьих хомячков и цветом
окружающей среды влияет на успех ночной охоты сов. Он так-
же предположил, что на степень контрастности окраса влияет
количество лунного света. В упражнении вы сможете проанали-
зировать данные этого исследования.
Проведение эксперимента. Пары оленьих хомячков {Peromyscus
polionotus) с различным окрасом, светло-коричневым и тем-
но-коричневым, одновременно выпускали в вольер, в котором
находилась голодная сова. Исследователи фиксировали цвет
первого пойманного совой оленьего хомячка. Если сова не пой-
мала ни одного хомячка за 15 минут, результат считался нулевым.
Такие испытания проводились многократно в вольерах с темной
или светлой почвой (покрытием). Кроме того, в каждом испыта-
нии фиксировали наличие или отсутствие лунного света.
Полученные экспериментальные данные.
Полнолуние Безлунная
ночь
А: Светлая почва
ночь
В: Тёмная почва
Анализ данных
1. Убедитесь, что вы понимаете устройство столбчатых диа-
грамм (гистограмм). На диаграмме А показаны данные для
светлого покрытия, а на диаграмме Б—для темного, в осталь-
ном же эти графики одинаковы.
а) На этих диаграммах отражено более одной неза-
висимой переменной. Какие переменные являются
независимыми,
т.е. изменяются в
эксперименте?
б) На каких осях
отложены эти пе-
ременные?
2. а) Какая перемен-
ная является за-
висимой, т.е. варьируется в ответ на изменения независи-
мых переменных? На какой оси она отложена?
б) Сколько темноокрашенных хомячков было поймано в во-
льере со светлым покрытием в лунные ночи?
в) Сколько темных хомячков было поймано на темном покры-
тии в лунные ночи?
г) На каком покрытии у темного хомячка больше шансов из-
бежать поимки хищником в лунную ночь? Объясните свой
ответ.
3. а) В каком случае у темноокрашенного хомячка больше шан-
сов выжить на темном покрытии: в лунную или в безлунную
ночь?
б) А у светлого хомячка на светлом покрытии? Объясните.
4. а) При каких условиях у темно-коричневого хомячка наиболь-
шие шансы выжить?
б) А у светло-коричневого?
5. а) При какой комбинации значений независимых переменных
достигается наибольший успех охоты в вольерах со свет-
лым покрытием?
б) Какая комбинация значений независимых переменных
приводит к наибольшему успеху охоты в вольерах с темным
покрытием?
в) Как соотносятся ваши ответы на вопросы пунктов а) и б),
если в них есть какая-то закономерность?
6. В каких условиях хомячки, вне зависимости от их окраски, яв-
ляются наиболее уязвимыми?
7. Объединив данные обеих диаграмм, оцените общее коли-
чество пойманных хомячков при наличии и отсутствии лунно-
го света. Какой из этих вариантов условий благоприятствует
охоте сов на хомячков? Объясните свой ответ.
Источник: D. W. Kaufman, Adaptive coloration in Peromyscus polion-
otus: Experimental selection by owls, Journal of Mammalogy 55:271-
283(1974).
соревнуются, в надежде первыми сделать важное
открытие или провести ключевой эксперимент, в
то время как другие предпочитают сотрудничать с
коллегами, работающими над той же проблемой.
Сотрудничество становится более продуктив-
ным, если несколько исследовательских групп ра-
ботают с одним объектом. В таких случаях широ-
ко используются модельные организмы — виды,
которые легко выращиваются в лабораторных ус-
ловиях и хорошо подходят для изучения интересу-
ющего вопроса. Поскольку все виды эволюционно
родственны друг другу, такой организм может слу-
жить моделью для понимания различных биоло-
гических аспектов у других видов, а также их бо-
лезней. Например, генетические исследования на
плодовой мушке Drosophila melanogaster раскрыли
ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 45
нам многие факты о работе генов у других видов, в
том числе и у человека. Другими популярными мо-
дельными организмами являются капустное рас-
тение арабидопсис (Arabidopsis thaliana), почвен-
ный червь Caenorhabditis elegans, рыбка Danio rerio,
домовая мышь Mus musculus и кишечная палочка
Escherichia coli. При прочтении этой книги обрати-
те внимание, какой вклад вносит в науку изучение
этих и других модельных организмов.
Биологи могут подходить к интересующей их
проблеме с разных сторон и на разных уровнях.
Некоторые изучают целые экосистемы, в то вре-
мя как другие исследуют природные явления на
уровне организма или клетки. В каждом из раз-
делов этой книги биологические вопросы рассма-
триваются на каком-либо из этих уровней. При
этом любую проблему можно рассмотреть с раз-
личных позиций, и такие исследования допол-
няют друг друга. Например, в ходе работы Хопи
Хокстры была открыта по крайней мере одна гене-
тическая мутация, ответственная за цветовые раз-
личия между береговыми и внутриматериковыми
оленьими хомячками. С лабораторией Хопи со-
трудничают специалисты из различных областей
биологии, сопряженных с тем или иным биологи-
ческим уровнем. Это позволило установить связи
между эволюционными адаптациями, которыми
занималась Хопи, и их молекулярными механизма-
ми, обусловленными последовательностью ДНК.
Наиболее полное понимание изучаемого во-
проса достигается, когда он комплексно рассма-
тривается на разных биологических уровнях.
Вы можете развить этот навык на материалах
этой книги. Удобный пример для подобного ана-
лиза — серповидно-клеточная анемия — хоро-
шо изученное генетическое заболевание, часто
встречающееся среди коренных жителей Афри-
ки, их потомков, уехавших жить в другие страны,
а также среди населения иных тропических и эк-
ваториальных регионов планеты. Феномен сер-
повидно-клеточной анемии рассматривается в
нескольких разделах этой книги, и каждый раз мы
обращаемся к нему на новом уровне. Кроме того,
мы создали ряд иллюстрированных схем, которые
устанавливают взаимосвязи между разными те-
матиками книги. В них также содержатся вопро-
сы, отвечая на которые, вы сможете провести та-
кой анализ самостоятельно. Мы надеемся, что эти
обобщающие схемы помогут вам создать целост-
ную картину и получить больше удовольствия от
изучения биологии.
Наука, технология и общество
Научное сообщество представляет собой часть
большого социума, и взаимосвязи между наукой и
обществом прояснятся, если мы добавим в рис. 123
сферу технологий. Хотя наука и технология ино-
гда идут схожими исследовательскими путями,
их цели различны. Наука стремится к пониманию
природных явлений, тогда как технология приме-
няет полученные знания в прикладных целях. Био-
логи и другие ученые обычно говорят об “открыти-
ях”, а инженеры и технологи — об “изобретениях”.
Но поскольку ученые используют новые техноло-
гии для проведения своих исследований, то сферы
науки и технологий взаимозависимы.
Потенциально сочетание науки и технологии
может оказать значительное влияние на обще-
ство. Иногда самый полезный практический выход
дают результаты фундаментальных исследований,
полученных на основе совершенно непредвиден-
ных наблюдений. Например, открытие Уотсоном и
Криком 60 лет назад структуры ДНК и последую-
щие достижения в области молекулярной биоло-
гии привели к разработке методик по манипуля-
ции генетическим материалом и, как следствие, к
трансформации таких прикладных областей, как
медицина, агрономия и криминалистика (рис. 125).
Возможно, Уотсон и Крик и представляли, что их
открытие будет в дальнейшем иметь какое-то при-
кладное значение, но вряд ли они догадывались, в
каком масштабе.
Направление развития технологий в меньшей
степени зависит от любознательности, которая
движет фундаментальную науку, и в большей —
от насущных потребностей человека и совре-
менной ему социальной среды. Споры в техно-
логической сфере связаны скорее с вопросом
“Должны ли мы это делать?” а не с “Можем ли мы
это сделать?” Развитие технологий нередко ста-
вит нас перед трудным выбором. Например, в
каких случаях допустимо применять ДНК-тех-
нологии, чтобы установить, есть ли гены на-
следственных заболеваний у конкретных людей?
Должна ли такая проверка всегда проводиться
на добровольной основе или при каких-то усло-
виях генетические тесты должны быть прину-
дительными? Должны ли страховые компании и
работодатели получать доступ к этой информа-
ции, также как они получают доступ к другим
данным о здоровье человека? Такие вопросы ста-
новятся все более злободневными по мере того,
46 ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
Рис. 1.25. ДНК-технологии и криминалистика. В 2011 году кри-
миналистический анализ образцов ДНК, собранных на ме-
сте преступления, позволил освободить из тюрьмы Майкла
Мортона после того, как он провел там почти 25 лет за пре-
ступление, которого не совершал, — жестокое убийство сво-
ей жены. Анализ ДНК указал на причастность к преступлению
другого человека, ранее уже обвинявшегося в еще одном
убийстве. На фотографии Мортон обнимает своих родителей
после своего оправдания. Подробнее о применении анали-
за ДНК в криминалистике можно узнать из главы 20
как секвенирование индивидуальных геномов
становится быстрее и дешевле.
Этические проблемы, возникающие на основе
подобных вопросов, играют не меньшее значение
для политики, экономики и культурных ценностей,
чем для науки и технологии. Все граждане — а не
только профессиональные ученые — должны быть
в курсе, как работает наука, чтобы учитывать по-
тенциальные выгоды и риски от применения техно-
логий. Взаимодействие между наукой, технологией
и обществом повышает значимость и практиче-
скую пользу любого биологического исследования.
Ценность различных точек зрения
в науке
Наиболее значительные и повлиявшие на раз-
витие общества технологические новшества по-
явились в населенных пунктах, находящихся на
пересечении торговых путей. Здесь различные
культуры влияли друг на друга и зарождались но-
вые идеи. Например, появление этой книги ста-
ло возможным благодаря тому, что давным-дав-
но, около 1440 года, Иоганн Гутенберг в Германии
изобрел книгопечатание и проложил дорогу к зна-
ниям всем слоям общества. В свою очередь, созда-
ние печатного станка явилось следствием того, что
в Китае были изобретены бумага и чернила. Бума-
га пришла торговыми путями из Китая в Багдад,
где в ходе развития технологий стало возможным
ее массовое производство. Далее эта технология
попала в Европу, также как и китайские водяные
чернила, на основе которых Гутенберг создал мас-
ляные чернила. Таким образом, книгопечатание
стало плодом слияния различных культур, как и
многие другие важные изобретения.
Также происходит и с научным познанием. Чем
больше людей с различными подходами и точками
зрения занимаются научными исследованиями,
тем более полным и целостным становится науч-
ное знание. Но насколько разнообразна “популя-
ция” ученых, если рассматривать ее “признаки” —
пол, расу, национальность и т.д.?
Научное сообщество отражает культурные
установки и нормы поведения окружающего со-
циума. Поэтому неудивительно, что до недавнего
времени попытки женщин и некоторых социаль-
ных меньшинств стать профессиональными уче-
ными не приветствовались во многих странах. За
последние 50 лет отношение к выбору профессии
довольно сильно изменилось, что привело к уве-
личению доли женщин в биологии и в некоторых
других науках. Сейчас женщины составляют около
половины студентов и аспирантов биологических
специальностей. Однако на высших уровнях на-
учной иерархии скорость таких изменений мала:
как женщины, так и многие расовые и этнические
группы все еще недостаточно полно представлены
там во многих областях науки. Как следствие, этот
недостаток разнообразия тормозит научный про-
гресс. Ведь чем больше мнений услышано в ходе
дискуссий, тем более здоровым, полезным и про-
дуктивным получится научный обмен. Авторы
этой книги приглашают всех учащихся вступить
в биологическое сообщество, и желают вам полу-
чать радость и удовлетворение от изучения этой
увлекательной области науки.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 1.4
1.
2.
УСТАНОВИТЕ ВЗАИМОСВЯЗИ
Чем наука отличается от технологии?
I Одна из форм гена, связан-
ного с серповидно-клеточной анемией, чаще встречает-
ся у коренного населения Африки, проживающего на юге
от Сахары, чем у их потомков, проживающих в США. Такая
форма (аллель) гена обеспечивает некоторую защиту от
малярии — серьезного заболевания, широко распростра-
ненного на юге Африки. Опишите эволюционный процесс,
который бы объяснил такое распределение частот это-
го аллеля среди людей, населяющих два данных региона
(см. раздел 1.2).
Ответы см в Приложении А.
Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 47
1 Обзор главы
РАЗДЕЛ 1.1. ИЗУЧАЯ ЖИЗНЬ, МЫ ВЫЯВЛЯЕМ ЕЕ
ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ
Организация: “На каждом уровне организации
биологических систем возникают новые свойства”
Иерархия жизни включает следую-
щие уровни: биосфера > экосис-
тема > сообщество > популяция >
организм > система органов > ор-
ган > ткань > клетка > органелла >
молекула > атом. На каждом следу-
ющем уровне, начиная с атомарного,
в системе возникают новые эмерджентные
свойства, как результат взаимодействия ее компо-
нентов на более низких уровнях. Редукционизм —
это подход, при котором система разделяется на
простые составляющие, чтобы ее было легче изу-
чить. В рамках системной биологии ученые пыта-
ются моделировать динамику целых биологических
систем, изучая взаимодействия между их компо-
нентами.
• Структура и функция компонентов
биологических систем взаимосвя-
заны. Клетка — основная струк-
турно-функциональная единица
организма. Это минимальный
уровень организации материи,
на котором возможно протекание
всех процессов, свойственных жизни. Клетки быва-
ют прокариотическими и эукариотическими. Эука-
риотические клетки содержат окруженные мем-
браной органеллы, в том числе ядро, содержащее
ДНК. В прокариотических клетках мембранные
органеллы отсутствуют.
Информация: “Процесс жизни включает в себя
экспрессию и передачу генетической информации”
гут также образовываться молекулы РНК, кото-
рые не транслируются в белки, но выполняют иные
важные функции. Геномика — это широкомас-
штабный анализ последовательностей ДНК отдель-
ных видов (т.е. их геномов), а также сравнение этих
геномов между собой. Биоинформатика использу-
ет компьютерные технологии для обработки боль-
ших объемов данных секвенирования.
Энергия и вещество: “Передача и превращение
энергии и вещества — неотъемлемые свойства жизни”
ПОТОК ЭНЕРГИИ
• Поток энергии про-
ходит через экосисте-
мы. Организмы совер-
шают работу, которая
требует энергии. Про-
дуценты превраща-
ют энергию солнечного
света — в энергию хими-
ческих связей, часть кото-
рой затем передается кон-
сументам. (Остаток ее рассеивается в виде тепла).
Химические вещества постоянно циркулируют меж-
ду живыми организмами и средой.
Взаимодействия: “Взаимодействия — это важный
аспект биологических систем, от экосистемного
до молекулярного уровня”
• Организмы находятся в по-
стоянном взаимодействии
с физическими факторами
окружающей среды. Так, рас-
тения поглощают минераль-
ные вещества из почвы и
воздуха, а также используют
энергию солнечного света. Взаимодействия организ-
мов между собой (растений, животных и др.) могут
Генетическая информация зако-
дирована в нуклеотидной по-
следовательности ДНК. Именно
благодаря ДНК наследственная
информация передается от роди-
телей — потомкам. ДНК-после-
довательности, называемые гена-
ми, управляют созданием белка в
клетке. Сначала они транскрибиру-
ются в мРНК, а затем транслиру-
ются в белки. Этот процесс на-
зывается экспрессией генов.
В процессе экспрессии генов мо-
по-разному отражаться на участни-
ках этих взаимодействий.
• Регуляция по типу обратной связи
означает, что на ход процесса влия-
ет его результат (т.е. конечный про-
дукт). При отрицательной обратной
связи накопление конечного про-
дукта замедляет его дальнейшее об-
разование. При положительной об-
ратной связи конечный продукт
ускоряет собственное производство.
Регуляция по типу обратной свя-
зи широко распространена на всех
48 Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
уровнях организации жизни, от молекулярного до
экосистемного.
Эволюция — ключевая концепция биологии
• Эволюция, представляющая собой процесс пре-
образований жизни на Земле, является причиной
единства и разнообразия жиз-
ни. В рамках этого процес- ' •
са также объясняются адап-
тации организмов к их среде -***
обитания.
j Почему эволюцию считают ключевой темой био-
логии?
РАЗДЕЛ 1.2. ЭВОЛЮЦИЯ - ПРИЧИНА ЕДИНСТВА
И РАЗНООБРАЗИЯ ЖИЗНИ
• Биологи классифицируют виды с помощью систе-
матизации их во все более и более крупные груп-
пы. В домен Бактерии и домен Археи входят все
прокариотические организмы. Домен Эукариоты
включает различные группы протистов и царства
Растений, Грибов и Животных. Как бы ни была
разнообразна жизнь, она в то же время демонстри-
рует замечательное единство, на которое указывает
множество примеров подобия между самыми раз-
ными организмами.
• Дарвин предположил, что естественный отбор —
это механизм эволюционной адаптации популяций
к средам их обитания.
Популяция организмов
Наследственная
изменчивость
Факторы
внешней
среды
Перепроизводство
потомков
и конкуренция
Различия в репродуктивном успехе особей
I
Эволюция адаптаций в популяции
• Каждый вид — это веточка на пышном Древе Жиз-
ни, уходящем в глубь времен через все более древ-
ние предковые виды. Вся жизнь на Земле объедине-
на общей эволюционной историей.
] Каким образом естественный отбор мог привести
к появлению такой эволюционной адаптации, как па-
рашютико-подобные структуры для переноса семян,
изображенные на первой иллюстрации этой главы?
РАЗДЕЛ 1.3. ИССЛЕДУЯ ПРИРОДУ, УЧЕНЫЕ
ПРОВОДЯТ НАБЛЮДЕНИЯ И ФОРМУЛИРУЮТ
И ПРОВЕРЯЮТ ГИПОТЕЗЫ
• В ходе научного исследования ученые проводят на-
блюдения (собирают данные) и используют индук-
тивную логику для формулировки общих выводов,
на основе которых можно разработать проверяе-
мую гипотезу. С помощью дедуктивной логики вы-
двигаются предположения, которые могут быть ис-
пользованы для проверки гипотез. Гипотезы должны
быть принципиально проверяемы, поэтому в рамках
научного подхода невозможно ответить на вопросы
о сверхъестественных явлениях или правдивости ре-
лигиозных верований. Гипотезы можно проверить
в эксперименте, а если эксперимент невозможен —
то путем наблюдений. Ключевым аспектом научно-
го процесса является проверка идей. На этот аспект
влияют три измерения науки: исследование и откры-
тие нового; взаимодействие с научным сообществом
и обратная связь; социальные последствия и выгоды.
И, наоборот, проверка идей, в свою очередь, также
влияет на эти составляющие.
• Эксперименты с контролем — например, иссле-
дование окраски шерсти в популяции хомячков —
организованы таким образом, чтобы обнаружить
влияние некоторого параметра путем сравнения
контрольной и экспериментальной групп, различа-
ющихся только по этому параметру.
• Научные теории охватывают множество частных
случаев, на их основе строятся новые гипотезы, а в
их пользу свидетельствует обширный корпус дока-
зательств.
Й Какова роль сбора и анализа данных в процессе науч-
ного исследования?
РАЗДЕЛ 1.4. СОВМЕЩЕНИЕ РАЗНООБРАЗНЫХ
ПОДХОДОВ И ТОЧЕК ЗРЕНИЯ ОБОГАЩАЕТ HAYKY
• Наука — это социальная деятельность. Каждый
ученый в своей работе отталкивается от того, что
было сделано до него. В научном сообществе необ-
ходимо создание таких условий, при которых неза-
висимые группы ученых способны воспроизвести
экспериментальные результаты друг друга, поэто-
му в науке очень важна честность и порядочность.
Биологи подходят к одним и тем же проблемам под
разными углами и на разных уровнях, таким обра-
зом, различные подходы дополняют друг друга.
• К технологиям относятся все методы и изобре-
тения, в которых научные знания применяются к
определенной проблеме и, в конце концов, оказыва-
ют влияние на социум. Не всегда сразу очевидно, к
чему могут привести фундаментальные исследова-
ния в долгосрочной перспективе.
• Разнообразие среди научного сообщества способ-
ствует прогрессу науки.
1 Объясните, почему среди ученых важно различие в
подходах и взглядах?
Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 49
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Все организмы в университетском парке составляют
а) экосистему
6) сообщество
в) популяцию
г) таксономический домен
2. Выберите правильную последовательность уровней
организации жизни, если идти от индивидуального
организма вниз:
а) организм, мозг, система органов, нервная клетка
б) система органов, нервная ткань, мозг, нервная
клетка
в) организм, система органов, ткань, клетка, орган
г) нервная система, мозг, нервная ткань, нервная
клетка
3. Что из нижеперечисленного НЕ является наблюде-
нием или умозаключением для создания Дарвино-
вской теории естественного отбора?
а) Слабо адаптированные особи никогда не произ-
водят потомства.
6) Среди особей существует наследуемая изменчи-
вость.
в) Из-за избытка потомства существует конкурен-
ция за ограниченные ресурсы.
г) Популяция способна с течением времени адапти-
роваться к своей среде обитания.
4. Основной задачей системной биологии является:
а) анализ геномов различных видов
б) упрощение комплексных проблем с помощью
разбиения системы на более мелкие и простые
элементы
в) понимание поведения биологических систем в
целом путем изучения взаимодействий между их
частными составляющими
г) создание приборов с высокой пропускной спо-
собностью для оперативного получения биологи-
ческих данных
5. Протисты и бактерии относятся к разным доменам,
поскольку
а) протисты питаются бактериями
б) бактерии не состоят из клеток
в) протисты имеют отделенное мембраной ядро
г) протисты способны к фотосинтезу
6. Что из нижеперечисленного наилучшим образом
демонстрирует единство всех живых организмов?
а) Эмерджентные свойства
6) Наследование с изменениями
в) Структура и функции ДНК
г) Естественный отбор
7. Эксперимент с контролем — это такой экспери-
мент, который:
а) протекает достаточно медленно, позволяя учено-
му тщательно зафиксировать результаты
б) проводится с контрольной и экспериментальной
группами, исследуемыми параллельно
в) повторяется многократно, чтобы удостовериться
в точности результатов
г) проводится при постоянстве всех переменных
8. Какое из нижеследующих утверждений наиболее
точно проводит границу между научными гипоте-
зами и теориями?
а) Теории — это подтвержденные гипотезы.
б) Гипотезы — это предположения, а теории — пра-
вильные ответы.
в) Гипотезы обычно касаются узкого спектра явле-
ний, теории же имеют большую объяснительную
силу.
г) Теории — это доказанная истина, а гипотезам
зачастую противоречат экспериментальные ре-
зультаты.
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
9. Что из нижеследующего является примером каче-
ственных данных?
а) Рыба плывет по зигзагообразной траектории.
б) Содержимое желудка перемешивается каждые 20
секунд.
в) Температура снизилась с 20°С до 15°С.
г) Шесть пар зарянок вырастили в среднем по три
птенца каждая.
10. Что из нижеследующего наилучшим образом опи-
сывает логику научного исследования?
а) Если я сформулирую проверяемую гипотезу, экс-
перименты и наблюдения ее поддержат.
б) Если мой прогноз верен, то это приведет к фор-
мулировке проверяемой гипотезы.
в) Если мои наблюдения точны, они поддержат мою
гипотезу.
г) Если моя гипотеза верна, я могу ожидать кон-
кретных результатов ее проверки.
11. Нарисуйте схему биологической
иерархии, подобную изображенной на рис. 1.3, но
в качестве экосистемы возьмите коралловый риф,
в качестве организма — рыбу, в качестве органа —
желудок, а на молекулярном уровне — ДНК. На
вашей схеме должны быть отражены все уровни
иерархии.
ИЗОБРАЗИТЕ!
50 ГЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
15.
12. liHiltlllТипичная клетка прока-
риот содержит в своей ДНК 3000 генов, в то вре-
мя как клетка человека — почти 21 000 генов. Око-
ло 1000 генов присутствуют в обоих типах клеток.
На основе вашего понимания эволюции объясни-
те, каким образом столь разные организмы могут
иметь 1000 общих генов. Какие функции могут вы-
полнять эти гены?
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
13. На основании результа-
тов работы по окраске оленьих хомячков пред-
ложите новую гипотезу, с которой исследователи
могли бы работать в дальнейшем для изучения вли-
яния хищников на процесс естественного отбора.
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
14. НАПИШИТЕ ЭССЕ НА ТЕМУ “ЭВОЛЮЦИЯ"
В кратком эссе (100—150 слов) порассуждайте о
том, как, в соответствии со взглядами Дарвина, есте-
ственный отбор является одновременно причиной и
единства, и разнообразия жизни. Включите в ваши
рассуждения некоторые из наблюдений Дарвина.
ОБОБЩИ СВОИ ЗНАНИЯ
Можете ли вы разглядеть плоскохвостого геккона на
стволе дерева? Каким образом внешний вид геккона
способствует его выживанию? Опираясь на полу-
ченные в этой главе знания по эволюции, естествен-
ному отбору и генетической информации, опишите,
каким образом у этого животного могла возникнуть
такая окраска?
Ответы см. в Приложении А.
Г ЛАВА 1 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 51
химия жизни
ИНТЕРВЬЮ С
Венки Рамакришна
Венкатраман (Венки) Рамакришна ро-
дился в Индии, получил степень бака-
лавра в университете Бароды, и степень
доктора философии (PhD) в области
физики — в Университете Огайо. Когда
его научный интерес переместился в об-
ласть биологии, он провел два года в
магистратуре Университета Калифор-
нии (Сан-Диего), после чего принялся
за диссертацию в Йельском универси-
тете, где начал изучать рибосомы. Далее 12 лет он рабо-
тал в Брукхейвенской национальной лаборатории и еще
четыре года — в Университете штата Юта, а в 1999 году
переместился в научно-исследовательскую Лаборато-
Тогда я начал задумываться: а не пере-
местится ли мне в область биологии?
Я написал в несколько университетов
с вопросом, можно ли присоединиться
к их магистерским программам. При-
чина, по которой я это сделал, заключа-
лась в том, что на тот момент я совсем
не разбирался в биологии. Это привело
к тому, что я поехал в Калифорнийский
университет в Сан-Диего изучать био-
логию. Ближе к концу второго года, я
понял, что знаний в биологии мне уже достаточно
и при этом я не нуждаюсь во второй кандидатской
степени. В итоге я перешел в Йельский универси-
тет, где занялся исследованием рибосом.
рию молекулярной биологии в Кембридже (Англия).
Еще через 10 лет, в 2009 году он вместе с коллегами был
удостоен Нобелевской премии по химии за исследова-
ния структуры и функций рибосом.
— Что такое рибосома?
— Рибосома (на рисунке) — это одна из основных
биологических структур. Она представляет собой
— Расскажите, как вы переключились с физики
на биологию.
— Обучаясь в физической аспирантуре, я однажды
понял, что моя работа не увлекает меня, и это меня
И
Мы никогда
не поняли бы, как
функционируют
очень расстроило. В то
же время я часто прово-
дил время за чтением Sci-
entific American, и был
очарован взрывным раз-
витием биологии. Каждый
рибосомы, если
бы не узнали их
молекулярную
структуру .
6
месяц там описывалось
новое крупное открытие!
► Компьютерная
модель рибосомы
совокупность множества различных белков и круп-
ных молекул РНК, которые составляют две трети ее
массы и в целом играют ключевую роль в ее функ-
ционировании. Рибосома считывает информа-
цию с молекулы РНК, транскрибированной с гена,
и сшивает друг с другом аминокислоты в опреде-
ленной последовательности, при этом на выходе
получается белок. Все, что производит клетка, син-
тезируется либо непосредственно на рибосомах,
либо при участии белков, называемых ферментами
или энзимами, которые также производятся рибо-
сомами.
Рибосома — это связующее звено между генети-
ческой информацией и ее реальным проявлением
в живых организмах. Также можно отметить, что
рибосома, как объект для изучения, находится на
пересечении многих тематик биологии. И поэтому
ученые со всего мира посвятили десятилетия по-
пыткам понять, как же она работает.
— Как вы изучаете структуру рибосом?
— В каждой клетке имеется множество рибосом —
их многие тысячи в клетках, которые произво-
дят большое количество белка, таких как клетки
печени или активно растущие бактерии. На сегод-
няшний день практически все наши исследования
были выполнены на бактериальных рибосомах.
Мы выращиваем бактерии в большом биореакторе,
после чего разрушаем клетки и выделяем рибо-
сомы. Для того, чтобы определить структуру ри-
босом, мы кристаллизуем их, а затем применяем
метод рентгеноструктурного анализа. После кри-
сталлизации дифракционная картина, полученная
при прохождении рентгеновских лучей через кри-
сталл, преобразуется с помощью компьютерного
анализа в качественное изображение.
— Почему структура рибосомы помогает понять
ее функции?
— Я могу привести такую аналогию. Предполо-
жим, что несколько марсиан прилетели с визитом
на Землю. Они парят над поверхностью и видят
какие-то механизмы, передвигающиеся туда-сюда
по улицам — т.е. автомобили. Далее, если они не
знают подробностей об устройстве автомобиля,
то смогут только констатировать, что механизмы
превращают бензин в углекислый газ и воду (в со-
провождении некоторых загрязняющих веществ),
и в результате эти штуковины движутся. Но мар-
сиане не смогут объяснить, как они реально рабо-
тают. Чтобы понять это, они должны будут изучить
детали строения машины. Для этого необходимо
открыть капот, рассмотреть двигатель, соединение
его частей между собой и тому подобное.
Рибосомы можно рассматривать как своеобраз-
ные молекулярные машины. Мы бы никогда не по-
няли, как функционируют рибосомы, если бы не
изучали их молекулярную структуру. Основываясь
на знаниях о детальной структуре рибосомы, мы
можем проводить эксперименты по изучению осо-
бенностей ее работы.
Рис. 2.1 Какое средство защиты выбрасывают в воздух
эти древесные муравьи?
ТЕ
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
Химический
контекст жизни
Вещество состоит из химических
элементов в чистом виде и
их сочетаний, называемых
соединениями
Свойства элемента зависят от
строения его атомов
Строение и функции молекул
зависят от химических связей
между атомами
Химические реакции создают и
разрывают химические связи
МЫ ГЛАВЫ
Связь химии с биологией
Муравьи, как и другие животные, имеют особые приспо-
собления и механизмы, защищающие их от нападе-
ний. Лесные муравьи живут в колониях, состоящих из сотен
и тысяч особей. Каждая колония, как единое целое, име-
ет свой эффективный механизм защиты от врагов. В слу-
чае атаки муравьи выбрасывают в воздух из своих брюшек
струи муравьиной кислоты, и потенциальные захватчики
оказываются под “кислотным дождем” (рис. 2.1). Это соеди-
нение и его соли {формиаты) получили свое название бла-
годаря тому, что муравьиную кислоту выделяют многие
виды муравьев. По-латыни означает “муравей”. У не-
большого числа видов муравьев муравьиная кислота не вы-
брасывается наружу, а, предположительно, служит дезин-
фицирующим средством, защищающим их от микробных
паразитов. Ученым давно известно, что химические веще-
ства играют ключевую роль в общении насекомых, привле-
чении половых партнеров и их защите от хищников.
Исследования, проведенные на муравьях и других насе-
комых, служат хорошим примером того, насколько важна
химия для изучения жизни. В отличие от школьных пред-
метов, природа не разделена на обособленные научные
дисциплины — биологию, химию, физику и т.д.
И хотя биологи специализируются на изучении
жизни, важно учитывать, что организмы и их сре-
да обитания являются естественными системами,
которые подчиняются законам физики и химии.
Поэтому биология является мультидисциплинар-
ной наукой.
В этой главе мы рассмотрим основные хими-
ческие понятия, применимые к изучению жиз-
ни. В какой-то момент при переходе от молекул к
клеткам мы пересечем незримую грань между не-
живым и живым миром. Особое внимание будет
уделено химическим соединениям, которые со-
ставляют основу всех форм материи.
2.1. Вещество состоит
из химических элементов
в чистом виде и их сочетаний,
называемых соединениями
Организмы состоят из материи — всего, что
занимает пространство и имеет массу.1 Материя
существует в различных формах. Камни, метал-
лы, масла, газы и живые организмы — это лишь
небольшое количество примеров бесконечного
разнообразия вещества.
Элементы и соединения
Материя состоит из элементов. Элемент —
это вещество, которое не может быть разложено
на другие вещества в ходе химических реакций.
На сегодняшний момент известно 92 химических
элемента, встречающихся в природе. Примеры
таких элементов — золото, медь, углерод и кис-
лород. Каждый элемент имеет свой символ (ус-
ловное обозначение). Обычно это одна или две
первые буквы его названия. Некоторые символы
образованы от латинских или немецких назва-
ний элементов. Например, обозначение элемента
натрия — Na — происходит от латинского слова
natrium.
1 В разговорной речи часто вместо слова “масса” мы ис-
пользуем “вес”, хотя они не являются синонимами. Масса —
это количество вещества в конкретном объекте. А вес озна-
чает то, с какой силой объект с данной массой притягивается
под действием гравитации. Вес идущего по Луне космонавта
составляет примерно 1/6 веса этого же космонавта на Зем-
ле, при этом его масса остается неизменной. Однако пока мы
находимся на поверхности Земли, наш вес и масса примерно
одинаковы. Именно поэтому в повседневной речи мы часто
используем эти термины как синонимы. — Примеч. ред.
Соединение — это вещество, состоящее из
двух и более различных элементов, которые на-
ходятся в определенном соотношении. Например,
поваренная соль — это хлорид натрия (NaCl), ве-
щество, состоящее из элементов натрия (Na) и
хлора (С1) в соотношении 1:1. В чистом виде на-
трий представляет собой металл, а хлор — ядо-
витый газ. Однако в результате химического вза-
имодействия натрий и хлор образуют соединение,
которое можно употреблять в пищу. Другое сое-
динение, вода (Н2О), состоит из элементов водо-
рода (Н) и кислорода (О) в соотношении 2:1. Это
простые примеры упорядоченного вещества с
эмерджентными свойствами — соединения, ко-
торое имеет свойства, отличные от свойств эле-
ментов, входящих в его состав (рис. 2.2).
Натрий
Хлор Хлорид натрия
Рис. 2.2. Эмерджентные свойства веществ. При взаимодей-
ствии металлического натрия с ядовитым газом хлором обра-
зуется съедобное вещество — хлорид натрия, известное как
поваренная соль
Примерно 20-25% из 92 встречающихся в при-
роде химических элементов являются жизненно
необходимыми,2 т.е. нужными каждому организ-
му для поддержания здорового состояния и раз-
множения. Организмам нужны примерно одни и
те же эссенциальные элементы, хотя и с некоторы-
ми вариациями. Например, человеку необходимы
25 элементов, а растениям — всего лишь 17.
Живая материя на 96% состоит из четырех
элементов — кислорода (О), углерода (С), водо-
рода (Н) и азота (N). Большую часть оставших-
ся 4% массы организма составляют кальций (Са),
фосфор (Р), калий (К), сера (S) и другие элемен-
ты. Микроэлементы требуются организму лишь в
очень малых, или следовых, количествах. В не-
которых микроэлементах, таких как железо (Fe),
нуждаются все формы жизни; другие нужны
2 Или эссенциальными, от англ, essential — “сущност-
ный”. — Примеч. ред.
56 ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
лишь нескольким видам. Так, элемент йод (I) —
незаменимый компонент гормона, который вы-
рабатывает щитовидная железа у позвоночных
(т.е. имеющих позвоночник) животных. Для нор-
мальной работы щитовидной железы человеку
достаточно употреблять всего 0,15 миллиграм-
мов (мг) йода в сутки. Недостаток йода в рационе
приводит к тому, что щитовидная железа увели-
чивается до ненормальных размеров — образует-
ся зоб. Вероятность появления зоба можно сни-
зить, если употреблять в пищу морепродукты или
йодированную соль. Все жизненно необходимые
человеку элементы представлены в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Элементы в организме человека
Элемент Буквенное обозначение Процентное содержание относительно массы тела (включая воду)
Кислород 0 65.0%
Углерод С 18.5% . 96.3%
Водород Н 9.5%
Азот N 3.3%
Кальций Са 1.5%
Фосфор Р 1.0%
Калий К 0.4%
Сера S 0.3% • 3.7%
Натрий Na 0.2%
Хлор Cl 0.2%
Магний Mg 0.1%
АНАЛИЗ ДАННЫХ
Используя свои знания о человече-
ском теле, предположите, чем может объясняться высокое про-
центное содержание кислорода (65%)?
В природе есть элементы, ядовитые для живых
организмов. Например, мышьяк (As) может при-
вести к ряду заболеваний у человека и даже к его
смерти. В некоторых районах находятся природ-
ные месторождения мышьяка, откуда он попада-
ет в грунтовые воды. Так, в Южной Азии милли-
оны людей, сами того не зная, использовали воду,
содержащую мышьяк, и подвергались его воздей-
ствию. В настоящее время предпринимаются по-
пытки сокращения уровня мышьяка в этих питье-
вых источниках.
ЭВОЛЮЦИЯ
Модельное исследование:
эволюция устойчивости
к токсичным элементам
Некоторые виды смогли приспособи-
ться к средам обитания с повышенным содержа-
нием токсичных элементов. Пример такой адапта-
ции — растительные сообщества серпентиновых
скал. Серпентин — похожий на нефрит минерал,
содержащий повышенные концентрации хрома,
никеля и кобальта. Несмотря на то, что большин-
ство растений не могут выжить на почве, образо-
ванной серпентиновыми скалами, несколько ви-
дов все же имеют адаптации к обитанию в таких
условиях (рис. 2.3). Вероятнее всего, среди предста-
вителей предковых, “несерпентиновых” видов по-
явились растения, способные к выживанию на
серпентиновых почвах, а последующий естествен-
ный отбор привел к образованию особого набора
видов, который мы и наблюдаем в этих местах се-
годня. В настоящее время исследователи пытаются
понять, могут ли растения, которые адаптирова-
лись к серпентину, поглощать токсичные тяжелые
металлы из своего окружения, концентрировать
их и выделять в более безопасном виде.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 2.1
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Объясните, почему поварен-
ная соль имеет эмерджентные свойства (см. раздел 1.1)?
2. Является ли микроэлемент эссенциальным? Объясните
свой ответ.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Для людей железо — микроэлемент, необ-
ходимый для нормального функционирования гемоглобина.
Гемоглобин — это молекула, которая переносит кислород
в красных кровяных клетках. Какими могут быть последствия
недостатка железа в организме?
Ответы см. в Приложении А.
2.2. Свойства элемента зависят
от строения его атомов
Каждый элемент состоит из атомов определен-
ного типа, которые не похожи на атомы любого
другого элемента. Атом — это наименьшая части-
ца вещества, которая сохраняет все свойства эле-
мента. Атомы настолько малы, что в точке, стоя-
щей в конце этого предложения, их уместилось бы
около миллиона. Мы обозначаем атомы такими же
символами, как и состоящие из них элементы. На-
пример, символ С используется для обозначения
углерода как элемента и как единичного атома.
Г ЛАВА 2 Химический контекст жизни
57
о) В этой модели два электрона
представлены в виде отрица-
тельно заряженного облака.
Рис. 2.3. Растительное сообщество серпентиновых скал. Эти
растения произрастают на серпентиновой почве, содержа-
щей элементы, которые обычно токсичны для растений. На
врезках показан крупный план серпентиновой скалы и одно-
го из характерных для таких скал растений — лилии вида Ка-
лохортус тибуронский
Элементарные частицы
Хотя атом — наименьшая частица, обладаю-
щая свойствами элемента, он состоит из еще более
мелких частиц, которые называются элементар-
ными (или субатомными) частицами. Используя
столкновения атомов при сверхвысоких энерги-
ях, физики получили более ста различных типов
частиц, однако здесь мы рассмотрим только три
из них: нейтроны, протоны и электроны. Про-
тоны и электроны обладают электрическим заря-
дом. Каждый протон несет один положительный
заряд, а каждый электрон — один отрицательный.
Нейтрон, как можно догадаться по его названию,
электрически нейтрален.
Протоны и нейтроны тесно связаны друг с дру-
гом и находятся в плотной части в центре атома —
атомном ядре. Протоны придают ядру положи-
тельный заряд, а быстро движущиеся электроны
образуют вокруг ядра “облако” отрицательного
заряда. Притяжение между противоположными
зарядами удерживает электроны вблизи ядра.
На рис. 2.4 изображены две часто используемые мо-
дели атомной структуры на примере атома гелия.
Нейтроны и протоны имеют почти одинако-
вую массу, составляющую около 1,7x10 24 грам-
мов (г). Граммы и другие условные единицы изме-
рения не очень удобны для описания массы таких
маленьких объектов. Поэтому для атомов и эле-
б) В этой, более упрощенной,
модели электроны показаны
в виде двух маленьких сфер
желтого цвета на орбитали
вокруг ядра
Рис. 2.4. Упрощенная модель атомов гелия (Не). Ядро гелия
состоит из двух нейтронов (показаны коричневым) и двух про-
тонов (показаны розовым). Два электрона (показаны желтым)
находятся вне ядра. Эти модели не отражают реальный мас-
штаб; на них значительно преувеличен размер ядра по отно-
шению к электронному облаку
ментарных частиц (а также молекул) мы использу-
ем единицу измерения, называемую дальтоном —
в честь британского ученого Джона Дальтона,
который в 1800-х годах участвовал в разработке
атомной теории. (Дальтон — это аналог атомной
единицы массы (а.е.м.), такое обозначение вы мог-
ли встретить в других учебниках.) Масса нейтро-
нов и протонов близка к 1 дальтону. Так как масса
электрона составляет всего 1/2000 массы нейтрона
или протона, то их можно не учитывать при рас-
чете суммарной массы атома.
Порядковый номер атома
и атомная масса
Атомы разных элементов отличаются друг от
друга количеством содержащихся в них элементар-
ных частиц. Напротив, все атомы, принадлежащие
к одному элементу, имеют одинаковое количество
протонов в ядре. Такое число протонов уникаль-
но для каждого элемента и называется порядко-
вым номером (или атомным числом). Этот номер
обычно указывают в виде нижнего индекса слева
от символа элемента. Например, аббревиатура 2Не
говорит нам о том, что ядро атома гелия содержит
два протона. Как правило, атом электрически ней-
трален — его протоны уравновешиваются равным
числом электронов. Таким образом, порядковый
номер элемента дает нам информацию о числе про-
тонов, а также о числе электронов в электрически
нейтральном атоме.
58 ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
Чтобы определить число нейтронов в ато-
ме, нам нужно знать вторую величину — массо-
вое число. Это суммарное количество протонов
и нейтронов в ядре атома. Массовое число ука-
зано в левом верхнем углу от символа элемента.
Например, мы можем обозначить атом гелия как
,Не. А поскольку атомное число определяет чис-
ло протонов, то количество нейтронов можно
вычислить путем вычитания атомного числа из
массового числа. Таким образом, атом гелия 4Не
имеет 2 нейтрона. Для атома натрия (Na) расчет
будет выглядеть следующим образом:
Массовое = количество протонов +
/число
+ количество нейтронов =
-’Na = 23 для натрия
Атомное = количество протонов =
число _ количество электронов в ней-
трально заряженном атоме =
= 11 для натрия
Количество нейтронов =
= массовое число - атомное число =
= 23 — 11 = 12 для натрия
Простейшим атомом является водорода [Н.
Он не имеет нейтронов и состоит из одного про-
тона и одного электрона.
Поскольку вклад электронов в массу атома
ничтожно мал, практически вся его масса сосре-
доточена в ядре. А так как нейтроны и протоны
имеют массу, близкую к 1 дальтону, то массовое
число приблизительно равно общей массе атома,
которая называется атомной массой. Таким об-
разом, можно сказать, что атомная масса натрия
(ц№) равна 23 дальтонам, хотя ее точное значе-
ние -22,9898 дальтон.
Изотопы
Все атомы каждого конкретного элемента
имеют одинаковое число протонов, однако чис-
ло нейтронов у таких атомов может различаться,
при этом атомы с большим количеством нейтро-
нов имеют и большую массу. Варианты атомов од-
ного и того же элемента, содержащие различное
число нейтронов, называются изотопами. В при-
роде элементы существуют в виде смеси своих
изотопов. В качестве примера рассмотрим три
природных изотопа углерода — элемента с по-
рядковым номером 6. Наиболее распространен-
ным изотопом является углерод-12, 1^С, который
составляет около 99% углерода в природе. Изотоп
’^С имеет 6 нейтронов. Большая часть из остав-
шегося 1% углерода состоит из атомов изото-
па с 7 нейтронами. Третий, еще более редкий
изотоп ’^С, имеет 8 нейтронов. Обратите внима-
ние, что все три изотопа углерода имеют 6 прото-
нов, иначе они не относились бы к элементу угле-
род. Несмотря на то что изотопы элемента слегка
различаются по массе, в химических реакциях
они ведут себя одинаково. (Число, которое обыч-
но считается атомной массой элемента, например
12,01 дальтон для углерода, на самом деле пред-
ставляет собой среднее арифметическое атомных
масс природных изотопов данного элемента, рас-
считанное в соответствии с частотой встречаемо-
сти каждого из них.)
Изотопы 12С и 13С являются стабильными. Это
означает, что их ядра не стремятся к потере эле-
ментарных частиц — процессу, называемому рас-
падом. Однако изотоп 1 ‘С — нестабильный, т.е. ра-
диоактивный. Радиоактивный изотоп — это
изотоп, ядро которого способно к спонтанному
распаду, приводящему к освобождению элемен-
тарных частиц и энергии. В случае, если радиоак-
тивный распад приводит к изменению числа про-
тонов, атом одного элемента превращается в атом
другого. Например, в результате распада атома
углерода ИС образуется атом азота 14N. Радиоак-
тивные изотопы нашли множество полезных при-
менений в биологии.
Радиоактивные метки
Радиоактивные изотопы часто используют в
медицине для диагностики. В клетке химические
реакции, в которых участвуют радиоактивные изо-
топы, проходят аналогично реакциям с нерадио-
активными изотопами того же элемента. Поэтому
атомы радиоактивных изотопов можно включать
в состав биологически активных молекул, чтобы
затем с их помощью отслеживать путь атомов в
процессе метаболизма — совокупности всех про-
текающих в организме химических реакций. Так,
некоторые заболевания почек можно диагностиро-
вать, вводя в кровь малые дозы радиоактивно ме-
ченых веществ и анализируя количество и состав
молекулярных меток, выводимых с мочой. Радио-
активные метки также используются в комбина-
ции с такими сложными методами визуализации,
как ПЭТ-сканирование (ПЭТ означает “позитрон-
ная эмиссионная томография”); этот метод позво-
ляет отслеживать в организме рост и метаболизм
раковых опухолей (рис. 2.5).
ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
59
Рис. 2.5. ПЭТ-снимок — пример использования радиоактив-
ных изотопов в медицине. Это метод, с помощью которого
можно определить локализацию участков интенсивного про-
текания химических реакций в теле человека. Ярко-желтое
пятно указывает на область с повышенным содержанием ра-
диоактивно меченой глюкозы, что, в свою очередь, свидетель-
ствует о высокой метаболической активности — отличитель-
ной черте раковой ткани
Хотя радиоактивные изотопы очень полезны
для биологических исследований и медицины, не
стоит забывать, что распадающиеся изотопы из-
лучают радиацию, которая наносит вред живым
организмам, повреждая в их клетках структуру
молекул. Степень поражения зависит от типа и
количества радиации, поглощенной организмом.
Одна из самых серьезных экологических угроз —
это утечка радиации в результате аварий на ядер-
ных объектах. При этом дозы радиации, которые
обычно используют в диагностических целях, от-
носительно безопасны.
эволюция
Радиологическое датирование
Исследователи измеряют степень ра-
диоактивного распада в ископаемых останках для
того, чтобы датировать реликты прошедших эпох.
Такие останки предоставляют огромное количе-
ство доказательств эволюции, демонстрируя раз-
личия между древними и современными организ-
мами. Благодаря им можно многое узнать о видах,
которые уже вымерли. Окаменелости в местах
раскопок располагаются слоями, те останки, что
залегают глубже — более древние. Тем не менее
точный возраст (в годах) окаменелостей из каж-
дого слоя невозможно определить только по их
расположению. И вот тут на помощь снова прихо-
дят радиоактивные изотопы.
“Родительский” изотоп распадается до “дочер-
него” с определенной скоростью, которая выра-
жается в периоде полураспада изотопа — време-
ни, необходимом для расщепления 50% от общего
количества родительского изотопа. Каждый ра-
диоактивный изотоп имеет характерный период
полураспада, который не зависит от температу-
ры, давления и любых других воздействий окру-
жающей среды. Используя процесс, называемый
радиологическим датированием, ученые изме-
ряют процентное содержание различных изото-
пов и рассчитывают, сколько периодов полурас-
пада прошло с тех пор, как образовалась скала
или организм превратился в окаменелость. Зна-
чения периода полураспада варьируют от очень
коротких, измеряемых в секундах или днях, до
очень длительных. Например, уран-238 имеет
период полураспада 4,5 миллиарда лет! Каждый
изотоп оптимально подходит для измерения ка-
кого-то конкретного временного диапазона. Так,
уран-238 использовали для определения возрас-
та лунных скал, который составил около 4,5 мил-
лиардов лет — подобная цифра получена и при
оценке возраста Земли. В разделе “Развиваем ис-
следовательские навыки” вы можете поработать с
данными, полученными в эксперименте с исполь-
зованием углерода-14, который посвящен дати-
рованию важных ископаемых останков. (Подроб-
нее о радиологическом датировании вы узнаете
из главы 25.)
Энергетические уровни
электронов
На упрощенных моделях атома, показанных
на рис. 2.4, размер ядра относительно целого атома
сильно преувеличен. Если представить атом ге-
лия в виде футбольного стадиона, то размер его
ядра был бы сопоставим с размером лежащего в
центре поля ластика, а электроны можно было бы
сравнить с двумя маленькими мошками, летаю-
щими вокруг стадиона. Таким образом, атомы —
это по большей части пустота. Даже когда два ато-
ма приближаются друг к другу в ходе химической
реакции, расстояние между их ядрами слишком
велико для инициации взаимодействий между
ними. Из трех обсуждаемых здесь элементарных
частиц только электроны непосредственно вовле-
чены в химические реакции.
Содержащиеся в атоме электроны отличают-
ся друг от друга по энергии. Энергия — это спо-
собность системы к изменению, например, путем
совершения в ней работы. Потенциальная энер-
гия — это энергия, которой обладает вещество,
60 ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
(Упронм калиЬро6о*1ную кривую стандартною распада радиоактивною
nyomona н анализируем________________________________________________
Когда вымерли неандертальцы? Неандертальцы (Ното пеап-
derthalensis) обитали в Европе около 350 000 лет назад и, возмож-
но, в некоторых частях Евразии сосуществовали параллельно с
ранними Homo sapiens на протяжении нескольких сотен или ты-
сяч лет. Исследователи решили более точно определить степень
перекрывания времени сосуществования двух видов, установив
момент исчезновения неандертальцев. Они использовали угле-
род 14С, чтобы определить возраст останков из самого верхнего
(т.е. наиболее позднего по датировке) археологического слоя,
в котором находят кости неандертальцев. В этом задании вы
построите калибровочную кривую стандартного распада 14С,
чтобы затем с ее помощью определить возраст ископаемых
останков неандертальцев. Возраст этих останков поможет вам
приблизительно оценить последний период, когда эти два вида
могли сосуществовать на территории, где были обнаружены
► Ископаемые
останки
неандертальца
Время (периоды полураспада)
W 1.0
О
ё 0* -
8 0,8-
8 0,7-
1 °'5'
I °'4'
g 0,3-
о
| 0.2-
I о,1
о
останки.
Проведение эксперимента. Углерод-14 (14С) — это радиоактив-
ный изотоп углерода, который распадается с постоянной ско-
ростью до азота 14N. В небольших количествах 14С присутствует
в атмосфере вместе с двумя другими изотопами углерода — 13С
и 12С (соотношение всех трех — постоянно). При потреблении
растением в процессе фотосинтеза атмосферного углерода
изотопы 12С, 13С и 14С встраиваются в растение в тех же пропор-
циях, в которых они присутствуют в атмосфере. Эти пропорции
сохраняются и в тканях животного, поедающего такое расте-
ние. Пока организм жив, содержащийся в нем 14С непрерывно
распадается до ,4N и постоянно замещается атомами того же
изотопа, поступающими из окружающей среды. Когда организм
умирает, потребление новых молекул 14С прекращается, но при
этом 14С, содержащийся в его тканях, продолжает распадать-
ся (т.е. его концентрация снижается). При этом количество 12С в
мертвых тканях остается неизменным, поскольку он не подвер-
жен радиоактивному распаду. Таким образом, ученые могут
вычислить время, в течение которого происходил распад 14С в
останках, определив отношение между количествами 14С и 12С
в останках и сравнив его с отношением 14С и 12С в атмосфере
(т.е. тем, которое было в живом организме до его гибели). Затем
относительное содержание ,4С в останках, определенное как
доля от исходного атмосферного показателя, можно перевести
в годы, ведь мы знаем, что период полураспада 14С составляет
5730 лет. Другими словами, каждые 5730 лет распадается поло-
вина атомов 14С, которые есть в ископаемой кости.
Полученные экспериментальные данные. Исследователи обна-
ружили, что доля 14С в останках неандертальца по отношению к
его содержанию в атмосфере составляет примерно 0,0078 (или
в экспоненциальной форме — 7,8х 10-3). Ниже даны вопросы, ко-
торые помогут вам перевести эту величину в возраст ископаемых
останков.
Анализ данных
1. На рисунке приведена стандартная кривая распада радио-
активного изотопа. График показывает, как доля оставшегося
радиоактивного изотопа зависит от времени (до настоящего
момента), которое дано в единицах количества периодов
полураспада. Напомним, что период полураспада (или по-
лужизни) — это количество времени, которое требуется для
расщепления половины от всего содержания радиоактив-
ного изотопа в объекте. Чтобы вам было проще ориентиро-
ваться в этом графике, соотнесите каждую временную точку
с соответствующей долей изотопа. Отметьте стрелкой время,
соответствующее периоду полураспада, равному 1, и запи-
шите над ней долю атомов 14С, которая сохранится к этому
времени. Далее вычислите и запишите над каждой времен-
ной точкой графика значение относительного содержания
14С. (Сами точки можете пометить стрелками.) Преобразуйте
полученные значения в десятичные дроби и округлите макси-
мум до трех значимых символов после запятой (нули в начале
дроби значимыми не считаются). После этого запишите ка-
ждую десятичную дробь в экспоненциальном формате.
2. Напомним, что время полураспада изотопа 14С составляет
5730 лет. Для того чтобы откалибровать ось абсцисс для рас-
пада этого изотопа, соотнесите каждый период полураспа-
да с реальным временем в годах.
3. Исследователи подсчитали, что в останках неандертальца
содержится приблизительно 0,0078 часть 14С по отношению
к его исходному содержанию в атмосфере.
а) Используя числа на вашем графике, определите, сколько
периодов полураспада прошло с момента смерти данно-
го неандертальца.
б) С помощью сделанной вами по 14С калибровки оси абс-
цисс определите примерный возраст данных останков
(округлите до ближайшего тысячелетия).
в) Когда примерно, по данным настоящего исследования,
исчезли неандертальцы?
г) Исследователи в своей работе ссылались на данные о
том, что современные люди (Homo sapiens) появились на
территории, где жили последние неандертальцы, пример-
но 39-42 тысячи лет назад. Зная это, что можно предполо-
жить касательно периода сосуществования неандерталь-
цев и современных людей?
4. Датирование, основанное на углероде-14, применяется
для останков возрастом не более 75 000 лет. Более древние
ГЛАВА 2 Химический контекст жизни 61
окаменелости содержат слишком малое количество 14С,
которое невозможно определить имеющимися прибора-
ми. Но большинство динозавров вымерло 65,5 миллиона лет
назад.
а) Можно ли использовать 14С для датирования костей дино-
завров? Объясните свой ответ.
б) Радиоактивный уран-235 имеет период полураспада, рав-
ный 704 миллионов лет. Если бы он содержался в костях
динозавров, можно ли было бы использовать его для их да-
тирования? Объясните, почему?
Источник: R. Pinhasi et al., Revised age of late Neanderthal
occupation and the end of the Middle Paleolithic in the northern
Caucasus, Proceedings of the National Academy of Sciences USA
147:8611-8616 (2011). doi 10.1073/pnas. 1018938108
благодаря своему расположению или строению.
Например, вода в озере на вершине холма имеет
потенциальную энергию, благодаря высоте, на ко-
торой она находится. При открытии шлюзов вода
устремляется вниз, и высвободившаяся энергия
может быть использована для совершения рабо-
ты — например, для приведения в движение лопа-
стей турбин и генерации электричества. Посколь-
ку энергия была потрачена, то вода у подножия
холма обладает меньшей энергией, чем в водоеме
на его вершине. Материя стремится к движению
в сторону минимально возможного значения по-
тенциальной энергии: так, в нашем примере вода
падает вниз. Для восстановления исходного зна-
чения потенциальной энергии в водоеме необхо-
димо совершить работу по подъему уровня воды
против силы земного притяжения.
Электроны в атоме обладают потенциальной
энергией благодаря своей удаленности от ядра
(рис. 2.6). Отрицательно заряженные электроны
притягиваются к положительно заряженному
ядру. Для перемещения какого-либо электрона в
более удаленное от ядра положение, необходимо
совершить работу. Поэтому чем дальше от ядра
расположен электрон, тем больше его потенци-
альная энергия. В отличие от непрерывно пада-
ющего вниз потока воды, изменения потенциаль-
ной энергии электрона могут происходить только
ступенчато, со строго определенными энергети-
ческими “шагами” поэтому его можно сравнить
с мячиком на лестнице (рис. 2.6, а). Потенциальная
энергия мячика будет меняться в зависимости
от того, на какой ступеньке он находится, но при
этом он не может зависнуть между ступеньками.
Подобно этому потенциальная энергия электрона
определяется его энергетическим уровнем. Элек-
трон может находиться только на одном из энер-
гетических уровней, но не между ними.
Энергетический уровень конкретного электро-
на связан со средним расстоянием от этого элек-
трона до ядра. Электроны находятся на различных
электронных оболочках, для каждой из которых
характеризуется определенным средним расстоя-
нием до ядра и энергетическим уровнем. В упро-
щенных моделях такие оболочки могут быть изо-
бражены в виде концентрических кругов (рис. 2.6, б).
Первая оболочка расположена ближе всех к ядру, и
находящиеся на ней электроны имеют самую низ-
кую потенциальную энергию. Электроны второй
оболочки обладают более высоким уровнем энер-
гии, а третьей — еще большим. Электрон может
переходить с одной оболочки на другую, но толь-
ко при условии приобретения или потери количе-
ства энергии, равного разнице между значениями
а) Скачущий вниз по ступенькам
мячик даёт представление
об энергетических уровнях,
на которых может распола-
гаться электрон. Мячик мо-
жет остановиться только на
одной из ступенек, но не между ними. Таким же образом
электрон связан с энергетическими уровнями,
Третья оболочка
(самый высокий
энергетический уровень
в этой модели)
Вторая оболочка л
(следующий по вели- 1
чине энергетический
уровень)
Первая оболочка
(самый низкий
энергетический уровень)
Погло-
щённая
энергия
Потерянная
энергия
Атомное
ядро
б) Электрон может перемещаться с одной оболочки на другую
только в том случае, если количество приобретённой или
потерянной им энергии точно соответствует разнице в энерге-
тических уровнях двух оболочек. Стрелки в данной модели ука-
зывают на некоторые возможные ступенчатые изменения уровня
потенциальной энергии.
Рис. 2.6. Энергетические уровни электронов в атоме. Элек-
троны могут находиться только на уровнях с конкретными зна-
чениями потенциальной энергии, которые называются элек-
тронными оболочками
62 ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
потенциальной энергии его положения в старой и
новой оболочке. Когда электрон поглощает энер-
гию, он перемещается на более удаленную от ядра
оболочку. Например, энергия света3 может при-
вести к возбуждению электрона и его перемеще-
нию на более высокий энергетический уровень.
(В действительности, так выглядит первый этап
поглощения растениями энергии солнечного све-
та в ходе фотосинтеза — процесса, при котором
из углекислого газа и воды образуются питатель-
ные вещества. Вы узнаете больше о фотосинте-
зе в главе 10.) Когда электрон теряет энергию, он
“соскакивает” обратно на оболочку, расположен-
ную ближе к ядру, а потерянная им энергия, как
правило, высвобождается в окружающую среду в
виде тепла. Например, солнечный свет возбужда-
ет электроны на покрытии автомобиля, и они пе-
реходят на более высокие энергетические уровни.
Когда же электроны возвращаются н своим исход-
ным уровням, поверхность автомобиля нагревает-
ся. Эта тепловая энергия может затем передаться
как атмосфере, так и нашей руке, если мы коснем-
ся нагретой поверхности.
Распределение электронов
и химические свойства
Химические свойства атома определяются рас-
пределением электронов по его электронным обо-
лочкам. Начиная с водорода, наиболее простого
атома, каждый последующий атом можно мыс-
ленно образовать прибавлением одного прото-
на и одного электрона (вместе с соответствую-
щим числом нейтронов) к предыдущему. На рис. 2.7
изображена упрощенная версия периодической
системы химических элементов (или таблицы
Менделеева), на которой показано такое распреде-
ление электронов для первых 18 элементов — от
водорода (jH) до аргона (,8Аг). Элементы сгруп-
пированы в три ряда, или периода, номера кото-
рых соответствуют числу электронных оболочек
в атомах. Если идти по каждому ряду слева на-
право, то каждый шаг будет соответствовать по-
следовательному прибавлению электронов и про-
тонов. (Полная версия периодической системы
приведена в Приложении Б).
На первой электронной оболочке у атома водо-
рода расположен один электрон, а у гелия — два.
Как и вся материя, электроны стремятся к состо-
янию с минимально возможной потенциальной
3 Точнее, его частиц — фотонов. — Примеч. ред.
энергией. В атоме такое состояние соответству-
ет первой оболочке. Однако здесь могут поме-
ститься всего два электрона. Поэтому в первом
периоде таблицы всего два элемента — водород
и гелий. Если в атоме содержится больше двух
электронов, им приходится заполнять более уда-
ленные от ядра оболочки. Следующий по счету
элемент — литий, в его атомах по три электрона.
Два из них заполняют первую оболочку, а третий
электрон находится на второй. Вторая оболочка
может разместить максимум 8 электронов. Эле-
мент неон, стоящий в конце второго ряда, как раз
имеет на второй оболочке 8 электронов, а всего у
него их 10.
Поведение атома в химических взаимодей-
ствиях зависит в основном от числа электронов
на его внешней (последней) оболочке. Мы назы-
ваем расположенные на ней электроны валент-
ными, а ее саму — валентной оболочкой.4 На-
пример, у лития имеется только один валентный
электрон, а валентная оболочка по счету вторая.
Атомы с одинаковым количеством валентных
электронов проявляют сходные химические свой-
ства. Например, фтор (F) и хлор (О) оба имеют
по 7 валентных электронов, и оба они взаимодей-
ствуют с элементарным натрием (Na) с образова-
нием новых химических соединений. Фторид на-
трия (NaF) часто используется в качестве добавки
к зубной пасте, предотвращающей разрушение
зубов, a NaCl, как уже говорилось ранее, — это
поваренная соль (см. рис. 2.2). Атом с заполненной
валентной оболочкой химически неактивен (не-
реакционноспособен), т.е. не способен к интен-
сивному взаимодействию с другими атомами.
В правом углу периодической системы находятся
гелий, неон и аргон — это три элемента, показан-
ные на рис. 2.7, валентная оболочка которых запол-
нена полностью. Эти элементы также называют
инертными. Все остальные атомы на рис. 2.7 реак-
ционноспособны благодаря тому, что их валент-
ные оболочки заполнены не до конца.
Орбитали электрона
В начале 1900-х годов электронные оболочки
атома изображали в виде концентрических кру-
гов, показывающих предполагаемое движение
электронов вокруг ядра. Эти круги напоминали
орбиты вращения планет вокруг солнца. Изобра-
жать трехмерные электронные оболочки в виде
4 От лат. valentis — “имеющий силу, волю”. — Примеч. ред.
ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
63
двумерных круговых схем, таких как показаны
на рис. 2.7, довольно удобно, поэтому такой вари-
ант их схематичного представления используется
до сих пор. Тем не менее стоит помнить, что каж-
дый концентрический круг отражает только сред-
нее расстояние между электронами данной обо-
лочки и ядром. Поэтому круговые схемы не дают
реального представления о строении атома. На са-
мом деле, мы принципиально не способны узнать
точного положения электрона. Единственное, что
можно сделать, это описать пространство, в кото-
ром электрон проводит большую часть времени.
Трехмерная область пространства, где электрон
может быть обнаружен в 90% случаев, называется
орбиталью.
Каждая электронная оболочка содержит элек-
троны, находящиеся на данном энергетическом
уровне, которые распределены по определенному
количеству орбиталей различной формы и про-
странственной ориентации. На рис. 2.8 в качестве
примера показаны электронные орбитали атома
неона. Для сравнения рядом приведена круго-
вая схема распределения его электронов. Можно
считать, что орбиталь является составной частью
электронной оболочки. Так, первая электронная
оболочка имеет только одну орбиталь сфериче-
ской формы — 5-орбиталь (ее обозначают 1s).
Но вторая оболочка имеет уже целых 4 орбита-
ли — одну большую сферическую s-орбиталь (2s),
а также три р-орбитали гантелеобразной формы
(2р). (Третья и последующие электронные обо-
лочки также имеют s- и р-орбитали, наряду с ор-
биталями более сложной формы.)
На одной орбитали может находиться не бо-
лее двух электронов. Таким образом, первая элек-
тронная оболочка может размещать на своей s-ор-
битали всего 2 электрона. Единственный электрон
атома водорода находится на ls-орбитали, как и
2 электрона атома гелия. Четыре орбитали второй
электронной оболочки могут вместить уже целых
8 электронов — по два на каждой орбитали. Элек-
троны каждой из четырех орбиталей очень близки
Порядковый
Первая оболочка Водород О Атомная масса 2-^ Не -4,003 - номер элемента, или его атомное число \ Символ (обозначение) элемента । Диаграмма распределения электронов ч. Гелий о о
Вторая оболочка! Литий 3Li о о о Бериллий 4Ве о о о О ° Бор 5в о о о о ° о Углерод бС о о о ° о ° о Азот 7n о о о о О О ° о Кислород 8о о о о о ° О § о Фтор О о о о о О °о о о Неон i0Ne о о о о ° ° о о о о
Третья оболочка Натрий ^Na о о о о о ° П ° О О о о Магний 12Мд О о о о о S о > о о Алюминий 13А1 о о о о о ° Q °О о О о о о о Кремний О о о о о О° О о о О о о о Фосфор 15Р О о о о о о О° О о о с- о о о Сера 16$ о о о о о о о° о оо о О оо о о о Хлор 17С1 о о о о о о 0° О оо о О оо о о о о Аргон 18Аг о о о о о о оо оо оо оо о о о о
Рис. 2.7. Распределение электронов по оболочкам для первых 18 элементов таблицы Менделеева. В стандартной периодической
системе информация о каждом элементе представлена в таком же виде, как показано выше на примере гелия. В таблице даны
схемы строения атомов, где электроны показаны в виде желтых точек, а электронные оболочки — в виде концентрических кругов.
Такие схемы очень удобны для иллюстрации распределения электронов в атоме по их оболочкам, но это упрощенные модели, ко-
торые не вполне корректно отражают реальную форму атома и положение электронов. Элементы расположены в рядах в порядке
заполнения их электронных оболочек. Электрон, добавляясь к атому, занимает самый низкий из доступных энергетических уровней
Q Назовите порядковый номер магния. Сколько у него протонов и электронов? А сколько электронных оболочек и валентных
электронов?
64 ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
по уровню энергии, но движутся по разным обла-
стям атомного пространства.
Реакционная способность атома обусловлена
наличием неспаренных электронов на одной или
Атом неона имеет две о
заполненные оболочки о
(10 электронов)
о о Первая оболочка
о
о
о о * Вторая оболочка
а) Круговая схема распределения электронов. Здесь
показана схема распределения электронов для атома
неона, который в целом имеет 10 электронов. Каждый
концентрический круг представляет собой электронную
оболочку, которую можно подразделить на электронные
орбитали.
Первая
оболочка
Is-
орбиталь
б) Отдельные электронные орбитали. Каждая из показан-
ных на рисунке трёхмерных структур представляет собой
электронную орбиталь—объёмную область пространства,
в которой с наибольшей долей вероятности могут быть
обнаружены электроны конкретного атома. Любая орби-
таль может содержать максимум 2 электрона. Первая
электронная оболочка, показанная слева, имеет только
одну сферическую орбиталь (s-орбиталь), которая обо-
значается как 1s. Вторая оболочка, показанная справа,
имеет одну, более объемную, s-орбиталь (обозначается
как 2s) и три орбитали в форме гантелей — р-орбитали
(для второй оболочки это 2р). Три 2р-орбитали лежат под
прямым углом друг к другу вдоль воображаемых х-, у- и
z-осей атома. На рисунке каждая 2р-орбиталь обведена
своим цветом.
1s, 2s, и
2р-орбитали
в) Наложение (суперпозиция) электронных орбиталей.
Для того чтобы получить полную картину расположения
электронных орбиталей в атоме неона, мы наложили
Is-орбиталь первой оболочки, а также 2s и три 2р-орбитали
второй оболочки друг на друга.
Рис. 2.8. Орбитали электрона
нескольких орбиталях его валентной оболочки.
Как вы узнаете из следующего раздела, атомы вза-
имодействуют друг с другом по принципу запол-
нения их валентной оболочки, и это взаимодей-
ствие осуществляется как раз за счет неспаренных
электронов.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 2.2
1.
2.
3.
4.
Атом лития имеет 3 протона и 4 нейтрона. Каково массовое
число лития?
У атома азота 7 протонов, а его наиболее распространен-
ный изотоп имеет 7 нейтронов. Радиоактивный изотоп азота
имеет 8 нейтронов. Напишите химический символ этого ра-
диоактивного изотопа и укажите его атомное и массовое
число в виде верхнего и нижнего индексов.
Сколько электронов имеет атом фтора? А сколько элек-
тронных оболочек? Назовите его занятые электронами ор-
битали. Сколько электронов потребуется этому атому, что-
бы до конца заполнить валентную оболочку?
Посмотрите на рис. 2.7 и подумайте, что
общего у двух и более элементов, расположенных в одном
ряду? А у элементов, расположенных в одном столбце?
А ЧТО. ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
2.3. Строение и функции молекул
зависят от химических связей
между атомами
Теперь, когда мы заглянули внутрь атома,
можно подняться на одну ступеньку вверх по
иерархической “лестнице организации материи” и
узнать, как атомы соединяются друг с другом, об-
разуя молекулы и ионы. Атомы с незаполненными
валентными оболочками могут взаимодейство-
вать с некоторыми другими атомами таким обра-
зом, что валентная оболочка каждого оказывает-
ся заполненной: атомы могут переносить или же
обобществлять валентные электроны. В результа-
те таких взаимодействий атомы обычно образуют
структуры и удерживаются рядом друг с другом
за счет сил притяжения, называемых химической
связью. Существует несколько типов химиче-
ских связей. Самые сильные из них — ковалент-
ные и ионные (связи в кристаллической решетке).
Ковалентные связи
Ковалентная связь образуется за счет того, что
два атома обобществляют пару валентных элек-
тронов. Давайте, например, рассмотрим, что про-
исходит при сближении двух атомов водорода. Мы
помним, что на первой оболочке водорода нахо-
дится один электрон, а вместимость этой оболочки
Г ЛАВА 2 Химический контекст жизни
65
составляет два электрона. Когда два атома водоро-
да сближаются настолько, что расстояние между
ними достаточно для перекрывания их ls-орбита-
лей, электроны каждого из атомов становятся об-
щими (рис. 2.9). Теперь каждый атом водорода свя-
зан с двумя электронами, которых достаточно для
заполнения валентной оболочки. Два или более
атомов, соединенных ковалентными связями, об-
разуют молекулу — в данном случае молекулу во-
дорода.
О В каждом атоме
водорода единственный
электрон удерживается
на своей орбитали
за счет притяжения
к протону находящемуся
в ядре.
0 Когда два атома водо-
рода сближаются,
возникает притяжение
между электронами
одного атома и протонами
ядра другого.
О Два электрона
обобществляются
с образованием
ковалентной связи.
Так формируется
молекула водорода, Н2.
Атомы водорода (2Н)
Кислород имеет 6 электронов на второй элек-
тронной оболочке, а значит, для заполнения ва-
лентной оболочки ему требуется еще 2 электрона.
Два атома кислорода образуют молекулу путем
обобществления двух пар валентных электронов
(рис. 2.10, б). Таким образом, атомы оказываются
связанными двойной связью (0=0).
Каждый атом, который может обобществлять
свои валентные электроны, характеризуется
определенной связывающей способностью. Этот
показатель равен числу простых ковалентных
связей, которые данный атом может образовать.
Название Диаграмма Точечная Сферическая
и молекулярная распределения формула модель
формула электронов Льюиса
и структурная
формула
(а) Водород (Н2).
Два атома
водорода имеют
одну общую пару
электронов,
которая образует
одинарную связь.
Молекула
водорода (Н2)
(б) Кислород (02).
Два атома кисло-
рода имеют две
общие пары
электронов, которые
образуют двойную
связь.
Рис. 2.9. Образование ковалентной связи
На рис. 2.10, а показано несколько способов изо-
бражения молекулы водорода. Ее молекулярная
формула, Н2, отражает лишь то, что молекула со-
стоит из двух атомов водорода. Обобществлен-
ные электроны могут быть изображены с помо-
щью диаграммы распределения электронов или
точечной диаграммы Льюиса (ее еще называ-
ют электронной формулой). На такой диаграм-
ме символы элементов окружены точками, обо-
значающими валентные электроны (Н : Н). Мы
также можем использовать структурную фор-
мулу, Н-Н, где линией обозначена одинарная
(простая) связь — одна пара общих электро-
нов. Сферическая модель наиболее точно ото-
бражает реальную форму молекулы. Вы также
могли встречаться с шаростержневой моделью,
пример которой для молекулы водорода показан
на рис. 2.15.
(в) Вода (Н20).
Два атома
водорода и один
атом кислорода
соединяются
одинарными
связями, образуя
молекулу воды.
(г) Метан (СН4).
Четыре атома
водорода могут
заполнить все
валентности
одного атома
углерода с
образованием
метана.
Рис. 2.10. Образование ковалентных связей в четырех моле-
кулах. Число электронов, необходимых для заполнения ва-
лентной оболочки атома, определяет количество образуе-
мых атомом ковалентных связей. На этом рисунке показано
несколько способов обозначения ковалентных связей
66 ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
Когда все возможные связи образованы — ва-
лентная оболочка атома целиком заполнена элек-
тронами. Например, для кислорода такой показа-
тель равен двум. Такая связывающая способность
называется валентностью атома и, как правило,
равна числу неспаренных электронов, необходи-
мых для заполнения внешней (валентной) обо-
лочки. Проверьте, сможете ли вы определить ва-
лентности водорода, кислорода, азота и углерода
с помощью диаграмм распределения электронов
на рис. 2.7. Из них вы можете понять, что валент-
ность водорода равна 1, кислорода — 2, азота —
3, а углерода — 4. Правда, для элементов, распо-
ложенных в третьей строке таблицы Менделеева
(т.е. в третьем периоде), ситуация более сложная.
Например, фосфор имеет три неспаренных элек-
трона на валентной оболочке, и, следовательно,
может иметь валентность, равную 3. Тем не менее
в некоторых биологически активных молекулах
фосфор может образовать три одинарных связи
и одну двойную. Таким образом, его валентность
может быть равна 5.
Молекулы Н2 и О2 представляют собой про-
стые вещества, и не относятся к соединениям
(т.е. сложным веществам), поскольку соедине-
ние — это комбинация из двух и более различных
элементов. К последним относится вода, кото-
рая имеет молекулярную формулу Н2О. В данном
случае два атома водорода заполняют валентную
оболочку одного атома кислорода. На рис. 2.10. в по-
казана структура молекулы воды. (Вода настолько
важна для всего живого, что глава 3 целиком по-
священа ее структуре и свойствам.)
Метан, основной компонент природного газа,
имеет молекулярную формулу СН4. Для запол-
нения валентной оболочки одного атома углеро-
да требуется четыре атома водорода, валентность
каждого из которых равна 1 (рис. 2.10, г). (Многие
другие соединения углерода мы подробнее рас-
смотрим в главе 4.)
В зависимости от элемента элементов, атомы
в различной степени притягивают к себе обоб-
ществленные электроны. Сила притяжения элек-
тронов ковалентной связи конкретным атомом
называется его электроотрицательностью. Чем
больше электроотрицательность атома, тем силь-
нее он оттягивает на себя обобществленные элек-
троны. При образовании ковалентной связи меж-
ду двумя атомами одного элемента их электроны
распределены равномерно, поскольку эти атомы
обладают одинаковой электроотрицательностью.
Это можно представить в виде перетягивания
каната: в данном случае силы двух сторон будут
равны. Такая связь называется ковалентной не-
полярной связью. Например, одинарная связь в
молекуле Н2 — неполярная, так же как и двойная
связь в молекуле О2. Однако, когда атом одного
элемента связывается с более электроотрицатель-
ным атомом другого, электроны между ними бу-
дут распределяться неравномерно. Этот тип связи
называется ковалентной полярной связью. По-
лярность таких связей может быть различной и
зависит от относительной электроотрицательно-
сти двух атомов. Например, связи между атомами
водорода и кислорода в молекуле воды в большей
степени полярны (рис. 2.11).
Поскольку кислород (О) является более электроотрицательным,
чем водород (Н), общие электроны смещены ближе к атому
Это приводит
к образованию
на атоме кисло-
рода частичного
отрицательного
заряда, а на ато-
мах водорода —
частичных поло-
жительных.
Рис. 2.11. Полярные ковалентные связи в молекуле воды
Кислород — один из элементов с самой высо-
кой электроотрицательностью. Он притягивает
обобществленные электроны с гораздо большей
силой, чем водород. При образовании ковалент-
ной связи между кислородом и водородом элек-
троны проводят значительно больше времени
вблизи ядра атома кислорода, нежели у водород-
ных ядер. Поскольку электроны заряжены отри-
цательно и в молекуле воды смещены к кислороду,
этот атом имеет частичный отрицательный заряд
(такой заряд обозначается греческим символом
“дельта” со знаком минус, 6- или “дельта минус”),
а каждый атом водорода — частичный положи-
тельный заряд (6+ или “дельта плюс”). В отличие
от воды, связи в молекуле метана гораздо менее
полярны, поскольку электроотрицательности ато-
мов углерода и водорода близки.
Ионные связи
В некоторых случаях два атома настолько раз-
личны по степени притяжения валентных элек-
тронов, что более электроотрицательный атом
ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
67
фактически отрывает
электрон от другого ато-
ма. В результате обра-
зуются два противо-
положно заряженных
атома (или две части мо-
лекулы), которые назы-
вают ионами. Положи-
тельно заряженный ион
называется катионом, а
отрицательно заряжен-
ный — анионом.За счет
своего противополож-
ного заряда катионы и
0 Единственный валентный электрон атома
натрия переносится, чтобы присоединиться
к семи валентным электронам атома хлора.
0 Каждый образованный в результате этого
переноса ион имеет заполненную валентную
оболочку. Между противоположно заряженными
ионами может образоваться ионная связь.
Хлорид натрия (NaCI)
Рис. 2.12. Перенос электронов и образование ионных связей. Взаимное притяжение противопо-
ложно заряженных атомов или ионов приводит к образованию ионной связи. Ионная связь может
возникнуть между двумя противоположно заряженными ионами, даже если они образованы иным
путем, нежели перенос электронов от одного атома к другому
анионы притягиваются
друг к другу, и такое вза-
имодействие получило
название ионной связи.
Обратите внимание, что
сам по себе перенос электрона еще не означает, что
связь будет образована, но приводит к появлению
двух противоположно заряженных ионов, тем са-
мым способствуя формированию связи. Два любых
противоположно заряженных иона могут образо-
вать ионную связь.
Именно это происходит, когда атом натрия
(HNa) встречается с атомом хлора (’ С1) (рис. 2.12).
Атом натрия имеет 11 электронов, причем только
один из них находится на третьей, валентной обо-
лочке. Атом хлора имеет 17 электронов, 7 из кото-
рых — валентные. При встрече этих двух атомов
единственный валентный электрон натрия пере-
носится к атому хлора, что приводит к заполне-
нию валентных оболочек обоих атомов. (Так как у
натрия больше нет электронов на третьей оболоч-
ке, то валентной становится его вторая оболочка.)
Перенос электронов от одного атома к другому
приводит к переносу одной единицы отрицатель-
ного заряда от натрия к хлору. Суммарный элек-
трический заряд натрия, у которого теперь 11 про-
тонов и только 10 электронов, оказывается равным
1+: атом натрия стал катионом. И наоборот: атом
хлора, получив дополнительный электрон, теперь
имеет 17 протонов и 18 электронов, что приводит
к суммарному отрицательному заряду 1-: он пре-
вращается в хлорид-ион, анион.
Соединения, которые образуются с помощью
ионных связей, называются ионными соедине-
ниями или солями. Ионное соединение хлорид
натрия (NaCI) известно нам как поваренная соль
(рис. 2.13). В природе соли часто встречаются в виде
кристаллов различного размера и формы. Каж-
дый кристалл соли — это скопление огромного
количества катионов и анионов, связанных между
собой за счет электростатического притяжения
и организованных в трехмерную кристалличе-
скую решетку. В отличие от ковалентных связей,
состоящих из молекул определенного размера и
имеющих определенное число атомов, ионные со-
единения из молекул не состоят, а формулы этих
соединений, например, NaCI, отражают только
соотношение элементов в кристаллах солей. Само
по себе вещество NaCI — это не молекула.
Не все соли содержат одинаковое число катионов
и анионов. Например, в ионном соединении хлорид
магния (MgCl2) на каждый ион магния приходится
два иона хлора. Дело в
том, что магнию (i2Mg)
для заполнения валент-
ной оболочки нужно из-
бавиться от двух внеш-
Рис. 2.13. Кристалл хлорида натрия (NaCI). Ионы натрия (Na+)
и хлора (СГ) удерживаются вместе с помощью ионных свя-
зей. Формула NaCI говорит нам о том, что соотношение числа
ионов Na+ к ионам CI- в кристалле равно 1:1
68 ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
них электронов, поэтому он чаще всего становится
катионом с суммарным зарядом 2+ (Mg2+). Таким
образом, один катион магния может образовывать
ионные связи с двумя анионами хлора (СГ).
Термин ион может быть применим и к целой
молекуле, в том случае, если она имеет электриче-
ский заряд. Соль хлорид аммония (NH4C1) образо-
вана одним ионом хлора (СГ) в качестве аниона и
атомом азота, ковалентно связанного с четырьмя
атомами водорода — ионом аммония (NH4) — в
качестве катиона. Ион аммония имеет суммарный
заряд 1+, так как у него электронов на один мень-
ше, чем протонов.
На силу ионных связей влияет их окружение.
В безводном кристалле соли связи настолько силь-
ны, что, для их разрушения — например, чтобы
разделить кристалл на две части, потребуются мо-
лоток и зубило. Если же этот кристалл растворить
в воде, ионные связи станут гораздо слабее, по-
скольку каждый ион окажется частично экраниро-
ванным от других ионов за счет взаимодействия с
молекулами воды. Именно поэтому большинство
лекарств производят в виде солей: они достаточно
стабильны в сухом виде и могут легко диссоцииро-
вать (распадаться на части) в водной среде. (В сле-
дующей главе вы узнаете, за счет каких сил проис-
ходит растворение солей в воде.)
Слабые химические связи
Большинство сильных химических связей,
встречающихся в живых организмах, являются
ковалентными, за счет них связаны атомы в кле-
точных молекулах. Однако образование более
слабых связей между молекулами и внутри одной
молекулы также является неотъемлемой характе-
ристикой живой материи и вносит существенный
вклад в возникновение ее эмерджентных свойств.
Функциональная форма многих больших биоло-
гических молекул поддерживается именно за счет
энергии слабых связей. Кроме того, когда в клет-
ке происходит контакт двух молекул, слабые свя-
зи могут временно удерживать их рядом друг с
другом. Преимуществом слабых связей является
их обратимость: две молекулы могут сблизиться,
тем или иным образом провзаимодействовать, а
затем разойтись в разные стороны.
Для живых организмов важны слабые хими-
ческие связи нескольких типов. Одна из них име-
ет ионную природу, это связи между ионами рас-
творенных в воде веществ, ее мы уже рассмотрели
выше. Помимо нее, жизнь была бы невозможна без
водородных связей и связей Ван-дер-Ваальса.
Водородная связь
Водородные связи занимают центральное место
в химии жизни и заслуживают особого внимания.
Когда атом водорода образует ковалентную связь
с электроотрицательным атомом, водород приоб-
ретает частично положительный заряд. Благодаря
этому он может связываться с другим электроот-
рицательным атомом, расположенным поблизо-
сти. Такая связь получила название водородной.
В живых клетках электроотрицательными пар-
тнерами водорода обычно служат атомы кислоро-
да или азота. На рис. 2.14 проиллюстрирован про-
стейший случай образования водородной связи
между молекулами воды (Н2О) и аммиака (NH3).
Вода(Н2О)
Эта водородная связь
образуется в результа-
те взаимодействия
между частичным
положительным
зарядом атома
водорода в молекуле
воды и частичным
отрицательным
зарядом атома азота
в аммиаке
Рис. 2.14. Водородная связь
ИЗОБРАЗИ!
Нарисуйте пять молекул воды. (При этом исполь-
зуйте структурные формулы и обозначьте частичные заряды.)
Покажите, как между ними образуются водородные связи.
Вандерваальсовы взаимодействия
Молекула с неполярными ковалентными свя-
зями может также иметь положительно и отрица-
тельно заряженные участки. Электроны не всегда
распределены равномерно, и в какой-то момент
они могут случайно сконцентрироваться в той
или иной части молекулы. В результате образуют-
ся постоянно блуждающие, нестабильные участ-
ки положительных и
отрицательных за-
рядов, позволя-
щие любым ато-
мам и молекулам
удерживаться вме-
сте. Такие взаимо-
действия называются
ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
69
силами Ван-дер-Ваальса, или вандерваальсовы-
ми взаимодействиями. По отдельности эти вза-
имодействия слабые и происходят только тогда,
когда атомы и молекулы находятся на очень близ-
ком расстоянии друг от друга. Однако, когда мно-
жество таких взаимодействий происходит од-
новременно, их суммарный эффект может быть
очень заметным: например, геккон способен пол-
зать по отвесной стене именно благодаря вандер-
ваальсовым взаимодействиям! Эта способность
обусловлена анатомическими особенностями лап
геккона — наличием на пальцах множественных
микроскопических, отростков, похожих на воло-
ски, а также наличием прочных подкожных сухо-
жилий. Комбинация этих черт позволяет достиг-
нуть компромисса между максимально сильным
контактом с поверхностью стены и необходимой
жесткостью стопы. В итоге вандерваальсовы взаи-
модействия между молекулами стопы и молекула-
ми поверхности стены столь многочисленны, что,
несмотря на слабость каждой связи по отдельно-
сти, вместе они могут удерживать вес тела гекко-
на на вертикали стены. Это открытие послужило
толчком к разработке искусственного адгезивно-
го материала под названием Гекскин3: его кусочек
размером с карточку библиотечного каталога спо-
собен удерживать на стене вес свыше 300 кг!
Взаимодействия Ван-дер-Ваальса, водород-
ные, ионные связи в водных растворах и другие
слабые связи могут образовываться не только
между разными молекулами, но и между частя-
ми одной большой молекулы — например, моле-
кулы белка. Кумулятивный (совокупный) эффект
слабых связей направлен на стабилизацию трех-
мерной структуры макромолекул. (В главе 5 вы
узнаете о том, почему слабые связи важны для
биологических функций.)
Пространственная структура
и функции молекул
Каждая молекула характеризуется размером и
формой, что, в свою очередь, определяет ее функ-
ционирование в живой клетке. Молекула, состо-
ящая из двух атомов, таких как Н2 или О2, всегда
линейна, но пространственная структура мно-
гих молекул, состоящих из более чем двух атомов,
сложнее. Эта трехмерная структура определяет-
ся положением атомных орбиталей (рис. 2.15). Ког-
да атом образует ковалентные связи, то орбита-
ли его валентной оболочки перестраиваются. Для
5 Англ. Geckskin — “кожа геккона”. — Примеч. ред.
тех атомов, валентные электроны которых нахо-
дятся как на S-, так и на р-орбиталях (вернитесь к
рис. 2.8), одна s- и три р-орбитали образуют четыре
новых гибридных орбитали, по своей форме по-
хожих на одинаковые капли с основанием около
атомного ядра (рис. 2.15, а). Если мы соединим бо-
лее широкие концы этих капель прямыми линия-
ми, у нас получится пирамида с треугольным ос-
нованием — геометрическая фигура, называемая
тетраэдром.
а) Гибридизация орбиталей. Одна $- и три р-орбитали валентной
оболочки, участвующие в образовании ковалентной связи,
объединяются с образованием четырёх тетраэдрических
гибридных орбиталей. Эти орбитали направлены к четырём
вершинам воображаемого тетраэдра (обведён розовым).
Сферическая Шаро-стержневая Орбитальная модель
модель модель (гибрид, полученный
путем наложения
орбиталей на шаро-
стержневую модель)
Вода (Н2О)
Не обра-
зовавшая
связь элек-
тронная
пара
б) Молекулярные модели. На этом рисунке показаны три ос-
новных типа моделей, которые используются для представ-
ления формы молекул, на примере воды и метана. Форма
молекулы определяется расположением гибридных орби-
талей.
Рис. 2.15. Форма молекул определяется гибридными орби-
талями
В молекулах воды (Н2О) две гибридные ор-
битали валентной оболочки у атома кислорода и
атомов водорода — общие (рис. 2.15, б). Получивша-
яся молекула имеет форму, похожую на букву V, а
две входящие в ее состав ковалентные связи обра-
зуют угол 104,5° относительно друг друга.
70
ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
Молекула метана (СН4) имеет форму правиль-
ного тетраэдра, т.к. все четыре гибридных орби-
тали атома углерода объединены с орбиталями
атомов водорода (см. рис. 2.15, б). В центре молеку-
лы находится ядро атома углерода, от которого
к ядрам атомов водорода, расположенных в уг-
лах тетраэдра, радиально расходятся четыре ко-
валентные связи. Более крупные молекулы, осно-
ванные на каркасе из атомов углерода,6 к которым
относятся и биологические соединения, имеют
более сложную форму. Впрочем, зачастую форма
тетраэдра, который образован атомом углерода,
связанного с четырьмя другими атомами, повто-
ряется в крупных органических соединениях как
структурный мотив.
Пространственная структура молекулы —
очень важный фактор для биологических процес-
сов, она определяет, каким образом биомолекула
распознает сигналы, посылаемые другими моле-
кулами, и отвечает на них. Часто такие молекулы
способны к временному связыванию друг с дру-
гом за счет слабых взаимодействий — но только
в том случае, если их трехмерные структуры ком-
плементарны/ Примером подобных взаимодей-
ствий являются эффекты, вызываемые опиатами,
к которым относятся такие вещества, как героин
и морфин, производные опиума. Опиаты снимают
боль и модулируют состояние психики за счет сла-
бого связывания со специфическими рецепторны-
ми молекулами, расположенными на поверхности
клеток мозга. Но зачем же клеткам мозга нужны
рецепторы для опиатов — веществ, которые сам
организм не производит? В 1975 году с открытием
эндорфинов ответ на этот вопрос был получен. Эн-
дорфины — это вырабатываемые гипофизом сиг-
нальные молекулы, которые связываются в тканях
мозга с одноименными рецепторами. Такое связы-
вание ослабляет болевые ощущения и вызывает
эйфорию на фоне действия каких-либо стрессовых
факторов — например, при активной тренировке.
По своему строению молекулы опиатов очень по-
хожи на молекулы эндорфинов и поэтому имити-
руют их эффекты, связываясь с эндорфиновыми
рецепторами мозга (рис. 2.16). Значение простран-
ственной конфигурации молекул для биохимиче-
ских процессов мозга демонстрирует соответствие
структуры и функции, которое характерно для
биологического уровня организации материи.
6 Молекулы органических соединений. — Примеч. ред.
Комплементарны — способны состыковываться друг
с другом. — Примеч. ред.
Легенда
I Углерод Азот
Водород Сера
Кислород
Естественный эндорфин
а) Структуры молекул эндрофина и морфина. Выделенная
в рамку часть молекулы эндорфина (слева) связывается
с молекулами рецепторов на поверхности клеток-мишеней
в мозге. Выделенная в рамку часть молекулы морфина (справа)
очень похожа на нее.
б) Связывание с эндорфиновыми рецепторами. Как эндорфин,
так и морфин могут взаимодействовать рецепторами
к эндорфину расположенными на поверхности клеток мозга.
Рис. 2.16. Молекулярная мимикрия. Морфин воздействует на
восприятие боли и эмоциональное состояние человека, под-
ражая эндорфинам, выделяемым мозгом
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 2.3
1.
2.
3.
Почему структура Н-С=С-Н не имеет химического смысла?
Что удерживает атомы вместе в кристалле хлорида магния
MgCI2?
| Представьте себя в роли фармацевта-
исследователя. Зачем вам могли бы пригодиться знания о
трехмерной структуре сигнальных биомолекул?
А ЧТО,ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
2.4. Химические реакции создают
и разрывают химические связи
Процессы образования и разрыва химических
связей, приводящие к изменению состава веществ,
называются химическими реакциями. Примером
может быть реакция между водородом и кислоро-
дом, в результате которой образуется вода:
ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
71
+ ®=Q---------------►
2 Н2 + О2 ------------------j- 2 Н2О
Реагенты Реакция Продукты
реакции
В ходе этой реакции происходит разрыв ко-
валентных связей в молекулах Н2 и О2 и обра-
зование новых связей в молекуле Н2О. Записы-
вая любую химическую реакцию, мы используем
стрелки для обозначения того, что исходные ве-
щества — реагенты — превращаются в продук-
ты реакции. Коэффициенты перед химическими
формулами отражают количество молекул, кото-
рые вступают в реакцию и образуются в резуль-
тате нее. Например, коэффициент 2 перед Н2 оз-
начает, что в реакцию вступает две молекулы
водорода. Обратите внимание, что количество
атомов в составе исходных веществ должно быть
таким же, как и в составе продуктов реакции. Это
обусловлено законом сохранения материи: в ходе
реакции не происходит создания или же разруше-
ния атомов, имеет место лишь перераспределение
электронов между ними.
Важным биологическим примером того, как
химическая реакция может изменить вещество,
служит фотосинтез — процесс, протекающий в
клетках тканей зеленых растений. Люди и живот-
ные не могли бы существовать без фотосинте-
за, так как он служит для них источником пищи
и кислорода (при посредничестве растений). В це-
лом этот процесс лежит в основе практически всех
экосистем. В упрощенном виде суммарная реак-
ция фотосинтеза выглядит следующим образом:
6 СО2 + 6 Н2О -> С6Н12О6 + 6 О2
Исходными материалами для фотосинтеза яв-
ляются содержащийся в воздухе углекислый газ
(диоксид углерода СО2) и вода (Н2О), поступаю-
щая из почвы. Энергия солнечного света прони-
кает внутрь растительных клеток, где запускает
процесс превращения этих веществ в углевод, на-
зываемый глюкоза (С6Н12О6), и молекулы кисло-
рода (О2), который является побочным продук-
том, выделяемым растением в окружающую среду
(рис. 2.17). Несмотря на то, что в реальности фото-
синтез представляет собой цепочку из множества
последовательных химических реакций, на выходе
Рис. 2.17. Фотосинтез: реорганизация вещества под действи-
ем солнечной энергии. Растущее в пресных водах растение
Elodea производит сахара, используя атомы, содержащие-
ся в углекислом газе и воде. Это происходит в ходе химиче-
ского процесса, называемого фотосинтезом, который проте-
кает под действием солнечного света. Многие сахара затем
превращаются в другие молекулы, служащие пищей живым
организмам. Побочным продуктом фотосинтеза является га-
зообразный кислород (О2). Обратите внимание на кислород-
содержащие пузырьки газа, отделяющиеся от погруженных в
воду листьев
| Объясните, как элементы этой фотографии соотносятся с
реагентами и продуктами фотосинтеза, описанными в тексте.
(Вы узнаете больше о процессе фотосинтеза в главе 10)
мы все равно получим тот же состав и количество
атомов, что и в начале процесса. Просто в резуль-
тате реакций фотосинтеза с участием энергии сол-
нечного света эти атомы были реорганизованы.
Химические реакции обладают свойством об-
ратимости, т.е. продукты прямой реакции ста-
новятся исходными веществами для обратной.
Например, молекулы водорода и азота могут об-
разовывать ион аммония, который затем может
распадаться на водород и азот:
3 Н2 + N2 2 NH3
Две разнонаправленные стрелки указывают на
обратимость реакции.
Один из факторов, влияющих на скорость ре-
акции — это концентрация реагентов. Чем выше
концентрация молекул реагирующих веществ, тем
чаще они будут сталкиваться друг с другом в ре-
акционной смеси, а следовательно иметь возмож-
ность взаимодействовать и образовывать продук-
ты реакции. То же верно и для продуктов: при их
накоплении в смеси более вероятной становится
обратная реакция. В итоге прямая и обратная ре-
акции идут с одинаковой скоростью, а относитель-
72 ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
ные концентрации продуктов и реагентов пере-
стают меняться. Точка, в которой реакция идет в
обоих направлениях с одинаковой скоростью, на-
зывается химическим равновесием. Это равнове-
сие — динамическое: прямая и обратная реакции
по-прежнему идут, но концентрации реагентов и
продуктов уже не меняются. Состояние равнове-
сия вовсе не означает, что концентрации реаген-
тов и продуктов — одинаковы, а означает толь-
ко то, что их концентрации стабилизировались на
определенном уровне. В реакции с участием иона
аммония равновесие наступает в момент, когда
ион аммония распадается с той же скоростью, что
и образуется. В некоторых химических реакциях
точка равновесия может быть настолько смещена
вправо, что реакции идут фактически до конца —
т.е. до того момента, когда реагенты почти полно-
стью превращаются в продукты.
Мы еще вернемся к разбору химических реак-
ций после того, как более детально рассмотрим
различные типы молекул, играющие важную роль
для всего живого. В следующей главе мы уделим
внимание воде — веществу, которое создает среду
для протекания всех химических процессов в на-
шем организме.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 2.4
Рассмотрим реакцию между
водородом и кислородом с образованием молекулы воды,
шаростержневая модель которой показана в самом нача-
ле раздела 2.4, Посмотрите на рис. 2.10 и изобразите точеч-
ные диаграммы Льюиса, отражающие ход данной реакции.
5. Какой тип химической реакции будет идти быстрее в состо-
янии равновесия — образование продуктов из реагентов
или реагентов из продуктов?
6. Напишите уравнение, в котором продукты фотосинтеза ис-
пользуются в качестве реагентов, а реагенты — в качестве
продуктов. Добавьте энергию в качестве одного из продук-
тов. Полученное уравнение описывает процесс, протекаю-
щий в ваших клетках. Расскажите о нем. Как оно связано с
дыханием?
Ответы см. в Приложении А.
2 Обзор главы
РАЗДЕЛ 2.1. ВЕЩЕСТВО СОСТОИТ
ИЗ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЧИСТОМ ВИДЕ
И ИХ СОЧЕТАНИЙ, НАЗЫВАЕМЫХ СОЕДИНЕНИЯМИ
• Элементы невозможно химически разложить на
более мелкие частицы. Соединение (сложное веще-
ство) состоит из атомов двух или более различных
элементов в определенном соотношении. Кислород,
углерод, водород и азот составляют примерно 96%
всей живой материи.
□ Каким образом ваши пищевые потребности в йоде
или железе отличаются от потребностей в кальции и
фосфоре? .
РАЗДЕЛ 2.2. СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТА ЗАВИСЯТ
ОТ СТРОЕНИЯ ЕГО АТОМОВ
• Атом — это мельчайшая единица элемента, состоя-
щая из компонентов, показанных на рисунке.
• В электронейтральном атоме количество электро-
нов равно количеству протонов. Число протонов
определяет атомное число. Атомная масса изме-
ряется в дальтонах и примерно равна массовому
числу — сумме протонов и нейтронов. Изотопы
элемента различаются числом нейтронов и, следо-
вательно, массой. Нестабильные изотопы испуска-
ют частицы и энергию в виде радиации.
• Электроны в атоме локализованы на конкретных
электронных оболочках, причем каждая из этих
оболочек характеризуется определенным уровнем
энергии. Распределение электронов по оболочкам
обуславливает химические свойства атома. Атом с
незаполненной внешней оболочкой (ее еще называ-
ют валентной) является реакционноспособным.
• Электроны движутся по орбиталям — трехмерным
зонам определенной геометрии. Орбитали входят в
состав электронных оболочек.
Ядро
Протоны ------------
(положительный заряд)
определяют элемент
Атом
Нейтроны
(не заряжены)
определяют изотоп
ИЗОБРАЗИ!
Изобразите схемы распределения элек-
тронов для неона (wNe) и аргона (}пАг). Используя диа-
Электроны
© (отрицательный заряд)
образуют отрицательно
заряженное облако
и определяют химические
свойства
граммы, объясните, почему эти элементы химически
инертны.
ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
73
РАЗДЕЛ 2.3. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ МОЛЕКУЛ
ЗАВИСЯТ ОТ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ
АТОМАМИ
• Химические связи образуются, когда атомы взаи-
модействуют друг с другом и тем самым заполняют
свои валентные оболочки. Ковалентные связи об-
разуются в результате обобществления электрон-
ных пар.
Н-+Н-
-► Н:Н
Одинарная
ковалентная связь
:б- + -0:
-► б::б
Двойная
ковалентная связь
• Молекулы состоят из двух или более атомов, соеди-
ненных между собой ковалентными связями. Сила,
с которой атом притягивает к себе электроны кова-
лентной связи, называется его электроотрицатель-
ностью. Если молекула состоит из двух одинаковых
атомов, их электроотрицательности равны, и они
образуют ковалентную неполярную связь. В кова-
лентной полярной связи электроны смещаются в
сторону более электроотрицательного атома.
• Ион образуется, когда атом или молекула приобре-
тает или теряет электрон и становится электрически
заряженной. Ионная связь — это притяжение меж-
ду двумя противоположно заряженными ионами.
Na Cl
Атом натрия Атом хлора
В результате
переноса
электронов
образуются
ионы о
~ о
Na+ Cl-
Ион натрия Ион хлора
(катион) (анион)
• Слабые взаимодействия — основа для построения
структур больших молекул. Они помогают моле-
кулам оставаться вблизи друг друга. Водородная
связь — это притяжение между атомом водорода,
несущим частичный положительный заряд (6+), и
любым электроотрицательным атомом (6-). Ван-
дерваальсовы взаимодействия осуществляются
между участками молекул, которые временно несут
положительный или отрицательный заряд.
• Пространственная структура молекулы опреде-
ляется взаимным расположением валентных ор-
биталей ее атомов. Ковалентные связи приводят к
образованию гибридных орбиталей, отвечающих
за форму Н2О, СН4 и многих других сложных био-
логических молекул. Обычно пространственная
структура является тем признаком, по которому
одну молекулу отличают от другой.
2 Сравните неполярные ковалентные связи, полярные
ковалентные связи и образование ионов с точки зрения
обобществления электронов.
РАЗДЕЛ 2.4. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ СОЗДАЮТ
И РАЗРЫВАЮТ ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ
• В ходе химической реакции происходит превра-
щение реагентов в продукты. При этом работа-
ет принцип сохранения материи. Теоретически все
химические реакции обратимы. Если скорость пря-
мой реакции равна скорости обратной реакции, это
значит, что система достигла состояния химическо-
го равновесия.
Q Что произойдет с концентрацией продуктов реак-
ции, если мы добавим больше реагентов в систему, на-
ходящуюся в состоянии химического равновесия? Как
это повлияет на равновесие?
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. По какому критерию элемент можно отнести к “сле-
довым”?
а) Элемент необходим в очень маленьких количествах.
б) Элемент может быть использован в качестве мет-
ки для слежения за атомами в процессе обмена ве-
ществ.
в) Элемент очень редко встречается на Земле.
г) Элемент положительно влияет на состояние ор-
ганизма, но не является необходимым для его
нормального функционирования.
2. По сравнению с31Р радиоактивный изотоп 32Р имеет
а) другое атомное число
б) один дополнительный протон
в) один дополнительный электрон
г) один дополнительный нейтрон
3. Реакционная способность атома определяется
а) удаленностью внешней электронной оболочки от
ядра
б) наличием на валентной оболочке неспаренных
электронов
в) суммарной потенциальной энергией всех элек-
тронных оболочек
г) потенциальной энергией валентной оболочки
4. Какое утверждение верно для всех атомов-анионов?
а) Атом имеет больше электронов, чем протонов.
б) Атом имеет больше протонов, чем электронов.
в) Атом имеет меньше протонов, чем электроней-
тральный атом этого же элемента.
г) Атом имеет больше нейтронов, чем протонов.
5. Какое из следующих утверждений корректно описы-
вает любую химическую реакцию, достигшую равно-
весия?
а) Концентрация продуктов реакции равна концен-
трации реагентов.
6) Реакция становится необратимой.
в) Произошла остановка как прямой, так и обрат-
ной реакции.
г) Скорость прямой реакции равна скорости обрат-
ной реакции.
74 ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
6. Одна из форм представления атомов — перечисле-
ние числа его протонов, нейтронов и электронов:
например, для атома гелия — это 2/, 2п\ 2е . Какая
из нижеперечисленных формул описывает изотоп
кислорода 1НО?
а) 7/, 2и”, 9е в) 9р+, 9н°, 9е
6) 8/, 10и°, 8е" г) 10/, 8п\ 9е~
7. Атомное число серы равно 16. При реакции серы с
водородом образуются ковалентные связи. Продукт
этой реакции — сульфид водорода. Основываясь на
числе валентных электронов в атоме серы, предска-
жите молекулярную формулу этого вещества:
a) HS в) H2S
6) HS2 г) H4S
8. Расставьте коэффициенты в реакции таким обра-
зом, чтобы в ее продуктах были учтены все атомы:
С6н12о6 С2Н6О+со2
а) 2; 1 в)1;3
6) 3; 1 г) 2; 2
9. Нарисуйте точечные диаграммы Лью-
иса для каждой из приведенных ниже гипотетиче-
ских молекул, опираясь на валентность каждого
атома. Определите, какая из молекул может суще-
ствовать в реальности, т.е. каждый ее атом име-
ет заполненную валентную оболочку и корректное
число электронов в каждой связи. Учитывая число
связей, которые способен сформировать каждый
конкретный атом, объясните, почему образование
другой молекулы невозможно.
содержит тысячи рецеп-
торных клеток, улавли-
вающих половые аттрак-
танты.8 Основываясь на
сведениях, приведенных
в данной главе, предло-
жите гипотезу, которая
могла бы объяснить спо-
собность самцов шелко-
пряда обнаруживать мо-
лекулы определенного
типа при наличии в воздухе огромного количества
других молекул. Какие предположения лежат в ос-
нове вашей гипотезы? Смоделируйте эксперимент
для проверки одного из этих предположений.
ИЗОБРАЗИ!
12. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ОРГАНИЗАЦИЯ"
Однажды, ожидая свой рейс в аэропорту, Нил Кэмп-
белл случайно услышал следующее утверждение:
“Беспокоиться по поводу того, что промышленность
и сельское хозяйство загрязняют окружающую сре-
ду своими отходами, — просто паранойя и невеже-
ство. В конце концов, все эти вещества состоят из
таких же атомов, которые есть в природе”. Опираясь
на свои знания о распределении электронов, обра-
зовании химических связей и эмерджентных свой-
ствах веществ (см. раздел 1.1), напишите короткое
эссе, опровергающее это утверждение.
Н Н
н—О—С—с=о
а) Н
Н Н
Н—С —Н—С=О
б) Н
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
10.
ЭВОЛЮЦИЯ
Процентное содержание природ-
ных элементов, составляющих человеческое тело
(см. табл. 2.1), примерно совпадает с процентным
содержанием этих элементов в других организмах.
Как вы объясните такое сходство между различны-
ми организмами?
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
11. 1! М ИИ Самки бабочек тутово-
го шелкопряда (Bombyx mori) привлекают самцов
с помощью сигнальных молекул, которые распро-
страняются по воздуху. Находясь на расстоянии
нескольких сотен метров, самцы обнаружива-
ют эти молекулы и устремляются к их источнику.
Органы чувств, отвечающие за такое поведение,
представляют собой перистые антенны и показа-
ны на фотографии. Каждая нить такой антенны
Этот жук-бомбардир разбрызгивает вокруг себя го-
рячую жидкость, в которой содержатся химические
вещества-раздражители, защищающие жука от его
природных врагов. В шейных железах жука содер-
жатся два типа таких защитных веществ. Исполь-
зуя знания по химии, полученные из данной главы,
предположите, каким образом сам жук не подверга-
ется воздействию химических веществ, хранящих-
ся в его железах, и за счет чего происходит их раз-
брызгивание.
Ответы см. в Приложении А.
8 От лат. attraho — “притягивать, привлекать к себе”. —
Примеч. ред.
ГЛАВА 2 Химический контекст жизни
75
3.1.
3.2.
3.3.
Полярные ковалентные связи
в молекуле воды способствуют
возникновению водородных
связей
Четыре эмерджентных
свойства воды обеспечивают
существование жизни на Земле
Кислотно-щелочные условия
среды сильно влияют на живые
организмы
Рис. 3.1 Как место обитания лебедя-кликуна зависит
от химических свойств воды?
Универсальная молекула всего живого
Жизнь на Земле зародилась в океане. В течение трех мил-
лиардов лет она эволюционировала в нем, а затем вы-
шла на сушу. Именно наличие на планете воды делает воз-
можным существование здесь жизни в той форме, которую
мы знаем сейчас. Все известные организмы преимуществен-
но состоят из воды и обитают в тех местах, где она обяза-
тельно присутствует. На Земле вода — это биологически
Молодой лебедь следует за родителем.
активная среда; возможно, и на других планетах — тоже.
Вода покрывает три четверти поверхности нашей пла-
неты. И хотя большая ее часть — жидкая, вода присутству-
ет на Земле также в твердом (лед) и газообразном (пар)
виде. Вода — единственное химическое соединение, кото-
рое в природных условиях встречается во всех трех фазо-
вых состояниях. Еще необычнее то, что плотность льда —
ниже плотности жидкой воды, поэтому лед плавает на
поверхности водоемов, а не погружается на глубину.1
1 За счет этой химической аномалии пресноводные водоемы никог-
да не промерзают до самого дна, давая населяющим их видам возмож-
ность благополучно перезимовать. — Примеч. пер.
На рис. 3.1 можно видеть все три фазовых состо-
яния воды одновременно: горячий пар от геотер-
мальных ключей поднимается над поверхностью
частично замерзшего озера на острове Хоккайдо,
Япония. Озеро находится на пути сезонных ми-
граций лебедей-кликунов (Cygnus cygnus). Их под-
растающему молодняку необходима водная среда,
так как их ноги еще недостаточно окрепли, чтобы
в течении длительного времени удерживать вес
тела при нахождении на суше.
5 +
Водородная
связь
Рис. 3.2. Водородные связи между молекулами воды. Благо-
даря полярным ковалентным связям в молекуле воды есть
положительно и отрицательно заряженные области. Атомы
соседних молекул, несущие противоположные заряды, при-
тягиваются друг к другу, образуя водородные связи. Каждая
молекула может одновременно образовывать несколько во-
дородных связей, при этом ее партнеры постоянно меняются
Нарисуйте модель молекулы воды, укажите на
ней распределение частичных зарядов; долее изобразите
две другие молекулы воды, образующие с первой водород-
ные связи.
ИЗОБРАЗИ!
В этой главе вы узнаете о том, как структура
молекулы воды обеспечивает ее успешное взаи-
модействие с другими молекулами, в том числе
и с другими молекулами воды. Именно в молеку-
лярной структуре кроется причина уникальных
эмерджентных свойств воды, которые делают
нашу планету пригодной для жизни.
3.1. Полярные ковалентные связи
в молекуле воды ведут к возникно-
вению водородных связей
Вода настолько прочно вошла в наш повседнев-
ный быт, что мы и не задумываемся о ее уникаль-
ных свойствах. В продолжении темы эмерджент-
ных свойств, затронутой в главе 2, мы проследим
за необычным поведением воды, связанным со
структурой ее молекул и взаимодействием между
ними.
Молекулярная структура воды кажется очень
простой. Она имеет V-образную конфигурацию,
где два атома водорода связаны с атомом кисло-
рода простыми (одинарными) ковалентными свя-
зями. Кислород более электроотрицателен, чем
водород, поэтому обобществленные электроны
преимущественно смещены к атому кислорода.
Такие ковалентные связи, где электроны распре-
делены неравномерно, называются ковалентны-
ми полярными связями (см. рис. 2.11). Неравно-
мерное распределение электронов и V-образная
форма молекул придают воде свойства поляр-
ной молекулы. Это означает, что заряд распреде-
лен неравномерно по поверхности такой молеку-
лы. На каждом атоме водорода аккумулируется
частичный положительный заряд (6+), а на атоме
кислорода — частичный отрицательный (6-).
Свойства воды определяются взаимодействи-
ем между противоположно заряженными атома-
ми соседних молекул, т.е. атом водорода одной
молекулы, несущий частичный положительный за-
ряд, притягивается к атому кислорода другой мо-
лекулы, имеющему частичный отрицательный
заряд. Между этими атомами образуется водород-
ная связь, которая удерживает соседние молекулы
воды вместе (рис. 3.2). Водородные связи в жидкой
воде крайне нестабильны, так как они примерно
в 20 раз слабее ковалентных. Они постоянно раз-
рушаются и образуются заново. Время жизни та-
кой связи составляет не более одной триллионной
доли секунды, но молекулы воды постоянно обра-
зуют водородные связи с новыми партнерами, по-
этому в любой момент она оказывается соединена
с какой-то из соседних молекул. Уникальные свой-
ства воды, как вещества, проистекают именно из
способности ее молекул к образованию водород-
ных связей, за счет которых возможна организа-
ция молекул в структуры более высокого порядка."
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 3.1
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
1. ЯМ Что означает термин "элек-
троотрицательность" и какова ее роль во взаимодействии
молекул воды между собой (вспомните рис. 2.11)? *
Надмолекулярные структуры или кластеры. — При-
меч. ред.
ГЛАВА 3 Вода и жизнь 77
2. Почему маловероятно, что две соседние молекулы воды
в растворе будут расположены относительно друг друга
вот так:
/ нн \
О О
4 НН 7
к ЧТО, ЕСЛИ?
атомы кислорода и водорода имели одинаковую электро-
отрицательность?
Ответы см. в Приложении А.
3.2. Четыре эмерджентных
свойства воды обеспечивают
существование жизни на Земле
Мы рассмотрим четыре эмерджентных свой-
ства воды, которые делают Землю благоприятной
средой для развития жизни: когезионное взаимо-
действие между молекулами, теплоемкость, рас-
ширение при замерзании и способность быть рас-
творителем для множества соединений.
Когезия (сцепление) молекул воды
Молекулы воды образуют между собой водо-
родные связи, что позволяет им удерживаться
вместе на небольших расстояниях друг от друга.
Несмотря на то, что положение водородных свя-
зей постоянно меняется, молекулы воды в любой
отдельно взятый момент времени остаются сце-
пленными друг с другом. Водородные связи дела-
ют воду более структурированной, по сравнению
со многими другими жидкостями. Множество во-
дородных связей удерживают молекулы вещества
вместе. Это явление получило название когезии.3
Благодаря когезии вода с растворенными в
ней питательными веществами может двигаться
по проводящим тканям растения в направлении,
противоположном действию силы тяжести — из
корней подниматься в листья (рис. 3.3). Когда мо-
лекулы воды испаряются с поверхности листьев,
водородные связи между ними “вытягивают” на-
верх все новые молекулы, расположенные ниже.
Таким образом по всей высоте, вплоть до корней,
водопроводящие сосуды растений испытывают
натяжение. Важную роль в поддержании восхо-
дящего тока воды также играет адгезия4 — сли-
пание поверхностей веществ различной природы.
3 От лат. cohaesus — “связанный” “сцепленный”. — При-
меч. ред.
4 От лат. adhaesio — “прилипание”. — Примеч. ред.
Адгезия молекул воды к клеточным стенкам так-
же обеспечивается наличием водородных связей.
Это сцепление препятствует оттоку воды вниз
под воздействием гравитационных сил (рис. 3.3).
С когезией связана такая характеристика, как
поверхностное натяжение. Этим понятием обо-
значают меру того, насколько сложно разорвать
или растянуть поверхность жидкости. Молекулы
воды на границе жидкость-воздух упорядочены и
связаны водородными связями с нижележащими
молекулами. Это дает воде необычно высокое по-
верхностное натяжение и создает иллюзию того,
что поверхность воды покрыта прочной неви-
димой пленкой. Поверхностное натяжение воды
можно увидеть, если заполнить ей стакан до кра-
ев: поверхность жидкости будет иметь выпуклую
форму и выступать над краями стакана. Паук на
рис. 3.4 использует высокое поверхностное натяже-
ние воды, пересекая пруд без риска утонуть.
Теплоемкость воды
Вода регулирует температуру воздуха: она за-
бирает тепло, если воздух теплее ее, и отдает, если
воздух холоднее. Вода эффективна в качестве хра-
нилища энергии, так как может выделять и по-
глощать большие количества тепла при самых не-
значительных изменениях температуры. Чтобы
понять, чем обусловлено это свойство воды, обра-
тимся к понятиям температуры и теплоты.
Температура и теплота
Любой движущийся объект обладает кинети-
ческой энергией — энергией движения. Атомы и
молекулы тоже обладают этой энергией, так как
постоянно движутся, хотя и без определенного
направления. И чем быстрее движется молеку-
ла, тем больше ее кинетическая энергия. Сумма
кинетической энергии атомов и молекул веще-
ства — это его тепловая энергия. Она напрямую
связана с температурой; тем не менее это не со-
всем одно и то же. Температура, по сути, — это
мера оценки средней кинетической энергии мо-
лекул в системе, и она не зависит от объема са-
мой системы. При этом общая тепловая энергия
от размера системы зависит. Когда в чайнике на-
гревают воду, средняя скорость ее молекул воз-
растает, и термометр фиксирует повышение тем-
пературы жидкости. Общее количество тепловой
энергии воды при этом тоже растет. Тем не ме-
нее, тепловая энергия кипятка в чайнике все рав-
но будет ниже, чем, например, тепловая энергия
78
ГЛАВА 3 Вода и жизнь
Направление
тока воды
Два типа
водопроводящих
клеток
Адгезия воды к клеточным
стенкам за счёт водородных
связей компенсирует
воздействие сил гравитации,
направленных вниз.
Когезия, за счёт
водородных
связей между
молекулами воды,
поддерживает
водный столб
внутри клеток
ксилемы.
Рис. 3.3. Транспорт воды в растениях. Испарение с поверхно-
сти листьев заставляет воду подниматься от корней вверх по
системе проводящих клеток. За счет совместного действия ко-
гезии и адгезии самые крупные деревья способны поднимать
воду к своим кронам на высоту более 100 метров — а это при-
мерно четверть высоты нью-йоркского Эмпайр-стейт-билдинг
прохладной воды в бассейне, потому что бассейн
гораздо больше по объему.
Если два тела различной температуры соприка-
саются друг с другом, более теплый объект будет
отдавать тепловую энергию более холодному до
тех пор, пока их температуры не сравняются. При
этом молекулы более холодного тела начнут дви-
гаться быстрее за счет тепловой энергии тела с бо-
лее высокой температурой. Кубик льда охлаждает
чай не за счет сообщения холода жидкой воде, но
за счет того, что по мере таяния, забирает ее тепло-
вую энергию. Тепловая энергия, которая передает-
ся от одного тела к другому, называется теплотой.
Рис. 3.4. Паук ходит по воде. Высо-
кое поверхностное натяжение воды,
обусловленное водородными связя-
ми между ее молекулами, позволя-
ет пауку-рыболову (семейства
Pisauridae) свободно пе-
редвигаться на лап-
ках по поверх-
ности пруда
Далее в качестве единицы измерения теплоты
мы будем использовать калорию (кал). Одна кало-
рия — это количество теплоты, необходимое, что-
бы нагреть 1 грамм воды на 1°С. Соответственно,
1 г воды при охлаждении на 1°С выделяет 1 кал
теплоты. Одна килокалория (ккал) равна 1000 ка-
лорий: такое количество теплоты нужно, чтобы
нагреть на 1°С 1 килограмм (кг) воды. (Энерге-
тическую ценность на упаковках продуктов ча-
сто указывают в калориях, хотя на самом деле это
килокалории.) Другая часто используемая едини-
ца теплоты — джоуль (Дж). Один джоуль равен
0,239 кал; а 1 калория, в свою очередь, эквивалент-
на 4,184 Дж.
Высокая удельная теплоемкость воды
Вода стабилизирует температурные колебания,
так как обладает относительно большой удель-
ной теплоемкостью. Удельная теплоемкость веще-
ства — это количество теплоты, которое выделяет
1 г вещества при охлаждении на 1°С или поглоща-
ет при нагревании на 1°С. Нам уже известна удель-
ная теплоемкость воды, ведь выше мы определи-
ли 1 калорию как количество теплоты, нужное для
изменения температуры 1 г воды на 1°С. Таким об-
разом, ее удельная теплоемкость равна 1 калории,
деленной на грамм и на градус Цельсия, сокращен-
но 1 кал/(г -°C). Удельная теплоемкость этилового
спирта, например, составляет 0,6 кал/(г -°C). Дру-
гими словами, чтобы нагреть 1 г этанола на 1°С,
требуется всего 0,6 кал.
Из-за высокой удельной теплоемкости жидкой
воды ее температура, при поглощении некоторо-
го количества тепла, меняется гораздо медленнее,
чем у многих других веществ. Например, удельная
теплоемкость железа в 10 раз ниже, чем у воды,
поэтому о стоящую на плите металлическую ка-
стрюлю можно обжечься, даже если вода внутри
этой кастрюли едва теплая. Иными словами, одно
и то же количество тепла нагреет 1 г железа на 1°
гораздо быстрее, чем 1 г воды. Можно рассматри-
вать удельную теплоемкость вещества как устой-
чивость к воздействиям, которые влияют на его
температуру. Вода обладает высокой устойчиво-
стью к таким воздействиям, поэтому для изме-
нения температуры на заданное количество гра-
дусов ей необходимо поглотить больше теплоты,
чем большинству других жидкостей.
Высокая удельная теплоемкость воды обуслов-
лена обилием водородных связей между ее моле-
кулами. Когда вода поглощает тепловую энергию,
ГЛАВА 3 Вода и жизнь 79
часть ее расходуется на разрыв водородных свя-
зей, которые ограничивают подвижность моле-
кул. И только после разрыва этих связей скорость
молекул воды может возрасти. Обратное свой-
ство тоже имеет место: при понижении темпе-
ратуры воды будут образовываться водородные
связи, что приведет к высвобождению значитель-
ного количества энергии в виде тепла.
Как высокая теплоемкость воды влияет на воз-
можность существования жизни на Земле? По-
верхность нашей планеты в значительной степени
покрыта водой, и в светлое время суток (особен-
но летом) она поглощает и удерживает в своем
объеме большое количество солнечного тепла.
В холодные периоды (по ночам и зимой) вода ох-
лаждается, накопленное в ней тепло высвобожда-
ется в атмосферу и нагревает ее. Это свойство
воды уменьшает перепады температуры воздуха
на побережьях (рис. 3.5). Высокая удельная тепло-
емкость воды также сводит к минимуму (демп-
фирует) температурные колебания внутри само-
го мирового океана, что делает его благоприятной
средой для морских обитателей. И поскольку вода
покрывает большую часть поверхности Земли,
она демпфирует колебания температуры возду-
ха в масштабе всей планеты, удерживая эти ко-
лебания в пределах, пригодных для поддержания
жизни. Кроме того, любой живой объект состоит
преимущественно из воды, благодаря чему орга-
низмы хорошо поддерживают температурный ба-
ланс. Если бы они содержали большое количество
жидкости с низкой удельной теплоемкостью, им
было бы значительно сложнее сохранять стабиль-
ность температуры.
Испарение воды
Молекулы жидкостей удерживаются вместе
за счет притяжения друг к другу. Те из них, кото-
рые движутся со скоростью, достаточной для пре-
Санта-Барбара 2S ,|®рбэн|< .^ан-Бернардино
Лос-АнджелесУ • Риверсайд 36
(аэропорт) 24° Санта-Ана Пал*.с гс
20-25(0 ХЗ 41°
25-30 Тихий океан 22^ \
30-35 \
выше 35 Сан-Диего 20°
Рис. 3.5. Дневная температура воздуха в августе над Тихим
океаном и на побережье Южной Калифорнии
АНАЛИЗ ДАННЫХ
Объясните разброс температур, показан-
ный на данной схеме.
одоления этого притяжения, могут переходить из
жидкого в газообразную фазу (пар). Этот фазовый
переход называется испарением или парообразо-
ванием. Напоминаем, что скорость движения мо-
лекул одного и того же вещества различна, а тем-
пература соответствует средней кинетической
энергии всех этих молекул. Даже при низкой тем-
пературе всегда есть молекулы, которые двигают-
ся намного быстрее остальных и способны улету-
читься, оторвавшись от поверхности. Например,
если оставить на длительное время стакан с водой
при комнатной температуре, в какой-то момент он
опустеет, так как вся вода испарится. Если жид-
кость подогреть, то кинетическая энергия ее моле-
кул повысится и испарение пойдет быстрее.
Теплота парообразования — это количество
теплоты, необходимое, чтобы обеспечить пере-
ход 1 г жидкости в газообразное состояние. По
той же самой причине, по которой вода облада-
ет большой удельной теплоемкостью (см. рис. 3.1),
ее теплота парообразования выше, чем у боль-
шинства жидкостей. На испарение одного грамма
воды при 25°С уходит около 580 кал — это почти
в два раза больше, чем нужно для аналогичного
количества аммиака или этанола. Высокая тепло-
та парообразования — еще одно эмерджентное
свойство воды, обусловленное суммарной силой
водородных связей между ее молекулами. Чтобы
молекулы воды перешли в пар, необходимо снача-
ла разрушить эти связи (см. рис. 3.1).
Тот факт, что для испарения воды требует-
ся много энергии, оказывает влияние на многие
процессы на планете. В частности, это помога-
ет поддерживать климат на Земле относительно
стабильным: вода тропических морей поглощает
тепло от Солнца и испаряется; влажный тропиче-
ский воздух затем направляется к полюсам, при
этом он остывает, а лишний водяной пар выпада-
ет в виде осадков. На организменном уровне вы-
сокая теплота парообразования воды может яв-
ляться причиной ожогов, полученных от горячего
пара. Речь идет о случаях, когда водяной пар кон-
денсируется на поверхности кожи: при этом вы-
деляется столько тепловой энергии, что велика
вероятность травмирования кожных покровов.
Когда жидкость испаряется, ее поверхность
становится более холодной (т.е. температура
этой поверхности снижается). Такое испаритель-
ное охлаждение происходит благодаря тому, что
жидкость в первую очередь покидают наиболее
“горячие” молекулы, обладающие наибольшей
80 ГЛАВА 3 Вода и жизнь
кинетической энергией. Нечто похожее произой-
дет, если из школы уйдут все самые быстрые бе-
гуны: средняя скорость оставшихся учащихся
снизится.
Испарительное охлаждение воды обеспечива-
ет стабильность температуры в озерах и прудах,
а на организменном уровне создает механизм за-
щиты от перегрева для наземных организмов.
Например, благодаря испарению воды с поверх-
ности листьев растений их ткани листьев не пе-
регреваются на солнце, а испарение пота с кожи
человека (потоотделение) рассеивает тепловой
поток, идущий от тела, и предотвращает перегрев
при высоких температурах воздуха или при повы-
шенной физической активности. Высокая влаж-
ность в жаркий день вызывает у нас дискомфорт,
так как содержащийся в воздухе водяной пар за-
трудняет потоотделение.
Вода и лед
Вода — одно из немногих химических соеди-
нений, плотность которого в твердом состоянии
ниже, чем в жидком. Другими словами, лед не то-
нет в воде, а плавает на ее поверхности. Причи-
на этого явления, опять же, скрыта в водородных
связях. При температурах выше 4°С вода ведет
себя как все остальные жидкости: сжимается при
охлаждении и расширяется при нагревании. Ког-
да же температура воды падает до 0°С, скорость
движения ее молекул замедляется настолько, что
их водородные связи становятся стабильными.
При 0°С молекулы воды формируют кристалли-
ческую решетку, и каждая молекула образует во-
дородные связи с четырьмя своими соседями
(рис. 3.6). Эти связи удерживают молекулы на рас-
стоянии “вытянутой руки” друг от друга. Поэтому
они занимают на 10% больше объема, чем в воде
при температуре +4°С (т.е. в конкретном объе-
ме льда содержится на 10% молекул меньше, чем
в таком же объеме жидкой воды с температурой
4°С). Когда лед поглощает достаточно теплоты,
чтобы его температура поднялась выше нуля, во-
дородные связи между его молекулами начинают
разрушаться. Кристаллы разрушаются, лед тает,
и молекулы получают возможность “упаковать-
ся” плотнее. В интервале от 0°С до 4°С плотность
воды растет, достигая в итоге своего максимума.
При более высоких температурах вода расширя-
ется, так как ее молекулы начинают двигаться бы-
стрее. Даже в жидкой воде большинство молекул
соединено водородными связями, но время жиз-
ни каждой такой связи гораздо меньше, чем в
кристаллах льда: они непрерывно разрушаются и
образуются заново.
То, что лед не тонет в воде, — важный фактор
поддержания на планете условий, пригодных для
жизни. Лед формирует теплоизоляционный слой
на поверхности водоемов, что позволяет их оби-
тателям благополучно перезимовать, как показа-
но на рис. 3.6. Если бы не это, то верхний слой воды
зимой охлаждался бы до 0°С и опускался на дно
в виде льда, освобождая место нижним, более те-
плым слоям — и так до тех пор, пока вся вода в
водоеме не замерзла бы полностью. В таких ус-
ловиях жизнь была бы невозможна, потому что
даже летом и даже в океанах оттаивал бы лишь
тонкий слой льда на поверхности. Кроме того,
льды сами по себе являются средой обитания или
Рис. 3.6. Кристаллическая структура льда
и его теплоизоляционные свойства. Внутри
трехмерного кристалла льда положение
каждой молекулы зафиксировано четырьмя
водородными связями с ближайшими сосе-
дями. Из-за существенной дистанции меж-
ду молекулами плотность у льда ниже, чем
у воды. На поверхности он образует свое-
го рода защитный барьер, который не дает
водоемам замерзнуть зимой. Многие мор-
ские организмы, такие как, например, мел-
кие планктонные рачки — криль, успешно
зимуют под толщей дрейфующего льда у по-
бережья Антарктиды.
Если бы молекулы воды не
имели возможности образовывать между
собой водородные связи, что случилось бы
с естественной средой обитания криля?
А ЧТО, ЕСЛИ?
ГЛАВА 3 Вода и жизнь 81
убежищем для целого ряда животных, включая
полярных медведей и тюленей.
Ученые всерьез обеспокоены тем, что ледники
и айсберги могут исчезнуть. Глобальное потепле-
ние, вызванное повышением выбросов углекисло-
го и других парниковых газов в атмосферу, ока-
зывает выраженный эффект на ледяные массивы
Арктики и Антарктики. В Арктике средняя тем-
пература воздуха с 1961 года выросла на 1,4°. Это
привело к нарушению сезонного равновесия меж-
ду жидкой водой и льдами Северного Ледовито-
го океана. Из-за этого лед зимой начал образовы-
ваться позже, таять весной раньше и в итоге стал
покрывать все меньшие площади. Скорость, с ко-
торой сокращается площадь арктического льда и
горных ледников, ставит под угрозу существова-
ние видов, зависимых от наличия льда.
Вода — растворитель,
обеспечивающий жизнь
Если положить кубик сахара в стакан с водой
и перемешать, то через некоторое время види-
мые глазу кристаллы исчезнут, а вода приобретет
сладковатый привкус. При этом сахар окажет-
ся равномерно распределенным по всему объе-
му, образуя с водой гомогенную (т.е. однородную)
смесь — раствор. В общем случае раствором на-
зывают однородную смесь жидкости с одним или
несколькими веществами.5 Любой раствор со-
стоит как минимум из двух химических соедине-
ний — растворителя и растворенного вещества.
В описанном случае роль растворителя играет
вода, а растворенным веществом является сахар.
Раствор, в котором растворителем служит вода,
называется водным раствором.
Благодаря полярности своих молекул вода яв-
ляется “многофункциональным” растворите-
лем. Представим, например, что в воде раство-
рили ложку поваренной соли (NaCl) — вещества
с ионными связями (рис. 3.7). Ионы натрия и хло-
ра на поверхности каждой крупинки соли взаи-
модействуют с молекулами растворителя — воды.
Эти частицы образуют связи за счет противопо-
ложных зарядов. Так, отрицательно заряженные
атомы кислорода из молекул воды притягивают-
ся к положительно заряженным ионам натрия
5 Растворы — это стабильно однородные системы; даже
пропустив раствор через фильтр, вам не удастся отделить
сахар от воды. Это означает, что перемешивание происхо-
дит на уровне отдельных молекул и ионов. — Примеч. ред.
(катионам). С другой стороны, атомы водорода,
принадлежащие молекулам воды и несущие ча-
стично положительные заряды, притягиваются
к отрицательно заряженным ионам хлора (ани-
онам). В процессе растворения кристаллов соли
молекулы воды выстраиваются вокруг каждого
свободного иона в составе кристаллов и отгора-
живают его от соседних ионов. В итоге кристаллы
начинают распадаться на отдельные анионы и ка-
тионы, при этом каждая новообразованная части-
ца “одета” в сферу из молекул воды — гидратную
оболочку. По мере отщепления ионов с поверхно-
сти кристаллов вода окружает гидратными обо-
лочками все новые и новые ионы, до тех пор, пока
эти кристаллы полностью не распадаются. В ре-
зультате образуется раствор, в котором находятся
два растворенных компонента — ионы натрия и
ионы хлора. Помимо поваренной соли, вода хоро-
шо растворяет и другие ионные соединения. На-
пример, морская вода содержит огромное коли-
чество разнообразных ионов. То же самое можно
сказать и про живую клетку.
В молекуле воды
атомы кислорода,
несущие частичный
отрицательный за-
ряд, притягиваются
к ионам натрия (Na+).
Положительно
заряженные атомы
водорода притяги-
вают к себе
ионы хлора (С1~).
А ЧТО, ЕСЛИ?
Рис. 3.7. Растворение солей в воде. Каждый свободный ион
окружен сферой из молекул воды, которая называется ги-
дратной оболочкой
Что произойдет с водным раствором соли,
если нагревать его в течение длительного времени?
Веществу не обязательно иметь ионную при-
роду, чтобы быть водорастворимым. Многие ве-
щества не имеют ионного строения (например,
обсуждавшийся выше сахар), но при этом хоро-
шо растворяются в воде. Для этого молекулам
82 ГЛАВА 3 Вода и жизнь
вещества достаточно обладать полярностью. При
растворении таких веществ молекулы воды окру-
жают другие полярные молекулы, образуя с ними
водородные связи. В воде могут быть раствори-
мы даже такие крупные молекулы, как глобулы
белков, если на их поверхности имеются поляр-
ные или ионные структуры (рис. 3.8). Многие био-
логические жидкости, такие как плазма крови,
млечный сок растений, цитоплазма любых кле-
ток, насыщены водорастворимыми соединениями
(полярными и ионными), поэтому вода по праву
считается универсальным растворителем, обеспе-
чивающим жизнь на Земле.
Гидрофильные и гидрофобные вещества
Любое вещество, легко взаимодействующее
с водой, считается гидрофильным (от греч. hy-
dro — вода и philos — любовь). При этом не все
гидрофильные вещества растворимы в воде. На-
пример, некоторые молекулы в составе клеток на-
столько велики, что не способны к растворению.
Еще один пример нерастворимого, но гидрофиль-
ного вещества — волокна хлопка. Они построены
из гигантских молекул целлюлозы, каждая из ко-
торых, в свою очередь, состоит из множества ато-
мов, имеющих как частично положительные, так и
частично отрицательные заряды. Таким образом,
теоретически целлюлоза способна образовывать
водородные связи с водой и за счет этого раство-
ряться. Однако молекулу целлюлозы невозмож-
но растворить из-за ее гигантских размеров: вода
только “прилипает” к ее волокнам, но не разделя-
ет их. Поэтому хлопковое полотенце хорошо впи-
тывает воду, но не растворяется при стирке. Кро-
ме того, целлюлоза входит в состав стенок клеток
растений, проводящих воду. Ранее в этой главе
было описано, как сцепление молекул воды с эти-
ми гидрофильными клеточными стенками помо-
гает ей подниматься вверх по стеблю, преодолевая
силу тяжести.
Разумеется, существуют соединения, которые
не имеют сродства с водой. Такие вещества либо
не имеют ионного строения, либо их молекулы
неполярны, а, возможно, есть и другие причины,
из-за которых они неспособны образовывать во-
дородные связи с водой. Эти молекулы отталки-
вают от себя воду и поэтому носят название гид-
рофобных (от греч. phobos — страх). Типичный
пример гидрофобного соединения, которое мож-
но встретить в повседневной жизни — расти-
тельное масло (скорее всего, вы знаете, что оно не
Этот кислород притягивается
к положительно заря-
женным остаткам
кислот в молекуле лизоцима.
Рис. 3.8. Структура водорастворимого белка. Лизоцим —
фермент класса гидролаз, найденный в слезной жидкости
человека и обладающий антибактериальным эффектом. На
данной модели представлена молекула лизоцима (показа-
на фиолетовым), помещенная в водный раствор. Ионизиро-
ванные и полярные участки на поверхности белка вступают в
контакт с молекулами воды
смешивается с водой и с жидкостями на водной
основе, такими как уксус). Масло не растворяет-
ся в воде потому, что в его составе преобладают
неполярные химические связи — в данном слу-
чае между атомами углерода и водорода. Значе-
ния электроотрицательности у водорода и угле-
рода примерно одинаковы, поэтому их общие
электроны распределяются поровну между дву-
мя атомами. Кроме того, гидрофобные молекулы,
подобные содержащимся в масле, служат основой
клеточных мембран. (Представьте, если бы мемб-
раны клетки растворялись в воде — это была бы
катастрофа!)
Концентрация вещества в водном растворе
Большинство химических реакций организма
протекает в водных растворах. Чтобы анализиро-
вать ход таких реакций, нужно знать, сколько ато-
мов и молекул в каждом конкретном случае в них
участвует, а также суметь подсчитать концентра-
ции (количество молекул на единицу объема рас-
твора) растворенных в воде веществ.
Проводя эксперименты, мы используем по-
нятие массы, чтобы определить число участву-
ющих в реакции молекул. Прежде всего нужно
определить молекулярную массу: она равна сум-
ме масс всех атомов в молекуле. В качестве приме-
ра давайте подсчитаем молекулярную массу сто-
лового сахара (сахарозы), с формулой С12Н22ОП.
ГЛАВА 3 Вода и жизнь 83
Масса атома углерода, если округлять ее до це-
лых, составляет 12 дальтон? Атомная масса кис-
лорода — 16 дальтон, водорода — 1 дальтон. Сле-
довательно, сахароза имеет молекулярную массу
12 х 12 + 22 х 1 + 11x16 = 342 дальтон (а.е.м.). По-
скольку взвесить отдельную молекулу на весах не
представляется возможным, за единицу измере-
ния количества вещества было взято некое мно-
жество молекул — достаточно большое, чтобы с
ним было удобно работать на практике. Едини-
ца количества вещества получила название моль
(М)'; 1 моль — это 6,02 х1023 частиц. Эту вели-
чину часто называют числом Авогадро по име-
ни итальянского химика, который впервые ввел
ее в обиход. Опираясь на изначальное определе-
ние числа Авогадро (или моля) и единицы даль-
тон, можно вывести, что в 1 г вещества содер-
жится 6,02x 1023 дальтон. Таким образом, масса
1 моля столового сахара, в котором содержится
6,02 х 1023 молекул, составляет 342 г и называется
его молярной массой.
Удобство использования молей в качестве еди-
ниц измерения заключается в том, что 1 моль лю-
бого вещества содержит одно и то же число моле-
кул. Если молекулярная масса вещества А равна
342 дальтон, а вещества Б — 10 дальтон, то 342 г ве-
щества А содержат столько же молекул, сколько и
10 г вещества Б. 1 моль этилового спирта (С2Н6О)
тоже будет содержать 6,02x 1023 молекул, но его
масса составит всего 46 г, а не 342 г, как у сахарозы,
поскольку масса одной молекулы этилового спир-
та — 46 а.е.м. Представление количества веществ в
молях удобно для научной работы, в которой не-
обходимо смешивать соединения с разной молеку-
лярной массой в определенной пропорции.
Чтобы приготовить 1 литр раствора, в кото-
ром будет содержаться 1 моль молекул сахарозы,
нужно взять 342 г сахарозы и размешать ее в не-
большом количестве воды, а затем постепенно до-
бавить еще воды до объема 1 л. У нас получится
одномолярный (1М) раствор сахарозы. Моляр-
ность — число молей растворенного вещества на
1 л объема раствора — чаще всего используется
биологами в качестве единицы концентрации во-
дных растворов.
6 Эквивалентом дальтона (Da) является атомная единица
массы (а.е.м.), которая определяется как 1/12 массы изотопа
,2С. — Примеч. ред.
Эта единица также основана на измерении углеродной
модели — именно столько частиц содержится в 12 г изотопа
12С. — Примеч. ред.
эволюция
Способность воды быть универсальным рас-
творителем дополняет панораму других ее свойств,
которые мы обсуждали в этой главе. И поскольку
все эти замечательные свойства обеспечивают су-
ществование жизни на Земле, ученые рассматрива-
ют наличие воды на других планетах как один из
ключевых показателей их пригодности для живых
организмов.
Возможна ли жизнь
за пределами Земли?
Биологи, которые ищут признаки
жизни во Вселенной (астробиологи), сосредото-
чили свои поиски на тех планетах, где на поверх-
ности есть вода. На сегодняшний день астро-
биологи проанализировали условия примерно
800 планет, и на некоторых из них, судя по всему,
присутствует водяной пар. Если говорить о Сол-
нечной системе, внимание ученых долгое время
было сосредоточено на Марсе. Его полюса, как и
полюса Земли, покрыты шапками льда. Космиче-
ские зонды сделали снимки поверхности Марса.
Они свидетельствуют, что в его атмосфере при-
сутствует достаточное количество водяного пара
для образования льда. На рис. 3.9 отчетливо видны
полосы, пролегающие вдоль склонов марсианских
гор. Они хорошо заметны в периоды, когда на
Марсе “весна” и “лето”, но исчезают с приходом на
планету “зимы”. Одни ученые считают их руслами
рек, которые возникают за счет тающих леднико-
вых вод на полюсах, другие полагают, что это ско-
Рис. 3.9. Есть ли вода на Марсе? Темные линии в нижней части
фотографии свидетельствуют о наличии на планете грунто-
вых вод, поскольку проявляются лишь в течение теплого сезо-
на года. Овраги, расположенные в центре, могли стать след-
ствием эрозии горных пород под воздействием тока воды
84 ГЛАВА 3 Вода и жизнь
рее результат перемещений С02, а не воды. Буре-
ние поверхности может помочь в поисках следов
жизни на Марсе, поскольку позволит добраться
до глубоких подземных пластов, где гипотетиче-
ски могут обитать простейшие организмы. В слу-
чае, если какие-либо формы жизни будут найде-
ны, это позволит взглянуть на многие вопросы,
связанные с биологической эволюцией, под со-
вершенно иным углом.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 3.2
1. Опишите, как свойства воды помогают ей подниматься
вверх по проводящим тканям в растениях.
2. Почему при высокой влажности жара переносится тяже-
лее, чем при низкой?
3. За счет чего замерзающая вода может создавать трещины
в скалах?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Водомерки (насекомые, обитающие в
пресноводных водоемах и способные передвигаться по по-
верхности воды) на концах своих лапок имеют специальное
покрытие из гидрофобного вещества. Какое преимущество
это им дает? Что бы случилось, если бы это вещество обла-
дало гидрофильными, а не гидрофобными свойствами?
АНАЛИЗ ДАННЫХ
Концентрация регулирующего аппе-
тит гормона грелина в крови голодного человека составля-
ет 1,3х 10-1С М. Сколько молекул грелина находится в 1 л его
крови?
Ответы см. в Приложении А.
3.3. Кислотно-щелочные условия
среды сильно влияют на живые
организмы
Периодически атомы водорода в составе водо-
родных связей перемещаются от одной молекулы
воды к другой. При этом атом водорода разделя-
ется на части — электрон остается у одной моле-
кулы воды, а катион водорода (Н1) — протон с
зарядом +1 — переходит к другой молекуле воды.
Получив такой катион, молекула воды превраща-
ется в ион гидроксония (Н3О+), несущий положи-
тельный заряд +1, а отдавшая протон молекула —
в гидроксильный ион (ОН") с зарядом -1. Этот
переход показан на следующем рисунке:
2 Ион гидроксония Гидроксильный
(Н3О+) ион (ОН-)
Часто для удобства ионы гидроксония (Н3О+)
обозначают как ионы водорода (Н4), и далее в
тексте мы тоже будем так делать. Однако следует
помнить, что сам по себе ион водорода не может
существовать в свободном виде и всегда остается
связанным с молекулой воды (Н3О ').
Двойная стрелка на рисунке слева указывает
на то, что данная реакция обратима и система на-
ходится в состоянии динамического равновесия.
Это значит, что скорость диссоциации (распада)
молекул воды на ионы равна скорости образо-
вания новых молекул воды из Н' и ОН". В точке
равновесия концентрация недиссоциированных
молекул И2О намного выше, чем распавшихся на
ионы. В чистой воде диссоциирует одна молеку-
ла на 554 миллиона, при этом концентрация каж-
дого из ионов составляет 10"7 моль/л (при 25°С).
Это означает, что в одном литре чистой воды при
такой температуре находится одна десятимилли-
онная доля моля ионов гидроксония и столько же
гидроксильных ионов. (Тем не менее число этих
ионов огромно — по 60 000 триллионов каждого.)
И хотя диссоциация молекул воды — событие
достаточно редкое и обратимое, этот процесс име-
ет сильно выраженное влияние на химию жизни.
Дело в том, что ионы Н+ и ОН” весьма реакцион-
носпособны. Изменение концентрации каждого
из них может радикально повлиять на свойства
белков и других молекул в составе клетки. В чи-
стой воде концентрации Н + и ОН’ одинаковы, но
если в воду добавить определенные вещества, на-
зываемые кислотами и основаниями, то это рав-
новесие смещается. Биологи используют шкалу
pH для оценки кислотности и основности (пара-
метр, противоположный кислотности) раствора.
Далее вы узнаете о том, как именно рассчитывает-
ся значение pH и как изменения этого параметра
влияют на жизнедеятельность организмов.
Кислоты и основания
Какие факторы могут привести к смещению
баланса ионов Н+ и ОН” в водном растворе? Ког-
да кислоты растворяются в воде, часть их ионов
водорода переходит в раствор. Поэтому если к чи-
стой воде добавить кислоту, то число ионов Н ’
превысит число ОН” и раствор станет кислым.
Например, если добавить в воду соляную (хлоро-
водородную) кислоту, НС1, она диссоциирует на
ионы Н + и С1“:
НС1->Н+ + СГ
ГЛАВА 3 Вода и жизнь 85
В данном случае НС1 является источником до-
полнительных ионов водорода, которые создают в
водном растворе кислую среду.
Вещество, уменьшающее количество ионов во-
дорода в растворе, называется основанием (ще-
лочью). Некоторые основания напрямую умень-
шают количество катионов водорода в растворе,
т.е. сами связываются с Н+. Например, аммиак
(NH3) ведет себя как основание, так как неподе-
ленная пара электронов на внешней (валентной)
оболочке атома азота притягивает ион водорода
из внешней среды, образуя ион аммония (NH4+):
NH3 + H+^NH4+
Некоторые основания уменьшают количество
катионов водорода в растворе косвенными спо-
собами. Например, вещество диссоциирует с об-
разованием анионов ОН , которые связываются с
Н+ и дают молекулы воды. Так происходит в слу-
чае гидроксида натрия (NaOH). В воде он диссо-
циирует следующим образом:
NaOH —> Na++ ОН’
Раствор, в котором концентрация ОН’ выше,
чем Н+, называется основным (щелочным). Если
концентрации двух указанных типов катионов и
анионов примерно равны, раствор считается ней-
тральным.
Обратите внимание на одинарные стрелки в
уравнениях реакций с НС1 и NaOH. Они указы-
вают на то, что НС1 и NaOH при смешивании с
водой полностью диссоциируют на ионы, поэто-
му они относятся к сильным кислотам и щелочам
соответственно. Аммиак, напротив, является сла-
бым основанием, поэтому стрелки в уравнении
его реакции с водой — двойные; такие стрелки
обозначают, что реакция диссоциации обратима
и в системе одновременно присутствуют NH4+ и
NH3 в фиксированном соотношении.
Слабые кислоты в водных растворах высво-
бождают и принимают назад ионы водорода.
Характерным примером слабой кислоты может
служить угольная кислота:
Н2СО3 НСО3 + Н +
Угольная Ион Протон
кислота гидрокарбоната
Равновесие в этой системе сильно сдвинуто в
сторону обратной реакции, поскольку лишь около
1% молекул кислоты диссоциированы в каждый
конкретный момент времени. Тем не менее этого
вполне достаточно, чтобы сдвинуть баланс Н+ и
ОН ’ в водном растворе и тем самым превратить
нейтральную среду в кислую.
Водородный показатель (pH)
В чистой воде при 25°С произведение концен-
траций Н+ и ОН’ всегда неизменно и составляет
10"14 моль2/л2. Это уравнение можно представить
в таком виде:
[Н+][ОН’] = 10"14
В данном случае квадратные скобки означают
молярную концентрацию. В нейтральном растворе
при температуре 25°С, концентрации обоих ионов
одинаковы и равны: [Н+] = [ОН ] = 10 ' моль/л,
таким образом значение 1014 получается при пе-
ремножении этих концентраций гидроксид-анио-
нов и протонов, и оно постоянно. Если к раствору
добавить такое количество кислоты, что концен-
трация ионов [Н+] возрастет до 10 5 моль, тогда
концентрация [ОН ] уменьшится до 10 9 моль/л
(т.е. произведение концентраций останется тем
же — 1О’Э х 10 9 = 10"14). Постоянство соотноше-
ния концентраций Н+ и ОН’ отражает поведение
кислот и оснований в водных растворах. Кисло-
ты не только привносят в раствор ионы водоро-
да, но и являются причиной удаления гидроксиль-
ных ионов, так как Н+ стремится соединиться с
ОН с образованием молекулы воды. Добавление
в воду оснований будет иметь обратный эффект:
при увеличении концентрации гидроксил-ионов
(ОН ) будет снижаться концентрация протонов
(Н+), также за счет образования молекул воды.
А если, например, добавить в раствор столько ще-
лочи, что концентрация ОН ' станет 10 4 моль/л,
то концентрация ионов Н+ соответственно сни-
зится до 10'10 моль/л. Поэтому зная концентрацию
одного из ионов в растворе, всегда можно найти
концентрацию второго.
Поскольку простое соотношение молярных
концентраций ионов ОН и Н+ может составлять
100 триллионов и более раз, ученые разработали
более удобный способ выражения разности этих
концентраций. На шкале pH (рис. 3.10) диапазон
концентраций Н+ и ОН’ сжимается благодаря ис-
пользованию логарифмов. Водородный показатель
pH — это противоположный по знаку десятич-
ный логарифм концентрации протонов (в моль/л):
pH = -lg [Н+]
86 ГЛАВА 3 Вода и жизнь
В нейтральном водном растворе [Н+] = 10 7
моль/л, поэтому pH такого раствора:
-1g 10’7 = - (-7) = 7
Обратите внимание» что pH уменьшается, ког-
да концентрация Н4 возрастает. Кроме того, хотя
pH — показатель концентрации ионов водорода, с
его помощью можно вычислить и концентрацию
гидроксильных ионов. Например, если pH = 10, то
концентрации гидроксильных и водородных ио-
нов равны соответственно: [Н+] = 10’10 моль/л,
[ОН ] = 10“4 моль/л.
Показатель pH нейтрального водного раство-
ра при 25°С равен 7 — эта точка находится ровно
посередине шкалы. Растворы с pH ниже 7 счита-
ются кислыми; чем ниже водородный показатель,
тем раствор более кислый. Растворы, pH кото-
рых выше 7, считаются щелочными (основными).
Большинство физиологических жидкостей, таких
как кровь или слюна, имеют pH в диапазоне 6-8.
Однако есть несколько исключений: например,
сильнокислый пищеварительный сок желудка
имеет pH меньше 2.
Необходимо помнить, что при увеличении зна-
чения pH на каждую единицу концентрации ио-
нов показатели Н+ и ОН меняются десятикрат-
но. Так, кислотность раствора с pH 3 не в 2 раза
выше, чем раствор с pH 6, а в тысячу (10 х 10 х
х 10). Другими словами, при незначительных из-
менениях значения pH реальные концентрации
Н * и ОН меняются гораздо более существенно.
Буферные растворы
Для цитоплазматической жидкости большин-
ства живых клеток характерен pH, приблизитель-
но равный 7. Даже незначительные отклонения от
этого значения могут нанести клетке непоправи-
мый вред, так как протекание многих химических
реакций очень сильно зависит от концентраций
ионов водорода и гидроксила. Например, pH кро-
Н он- н
ОН' К н
н’ Н-
Кислый
раствор
Шкала pH
Нейтральная
среда
(Н+) = (ОН-)
Томатный сок
Пиво
Чёрный кофе
Кислота
в батарейках
Желудочный сок,
лимонная кислота
Уксус, вино,
кола
н н* он-
ок он-
н Н- н
Нейтральный
раствор
ОН"
он
ок н* ок
Щелочной
раствор
Нашатырный
спирт
Гидроксид магния
("молочко магнезии")
Дождевая вода
Моча
Слюна
Чистая вода
Кровь, слезная
жидкость
Морская вода
Просвет тонкой кишки
ви человека равен 7,4. Это очень слабощелочная
среда. Человек проживет не более нескольких ми-
нут, если pH его крови упадет до 7,0 или, наобо-
рот, возрастет до 7.8. Поэтому в состав крови вхо-
дит химическая система, которая поддерживает
значение pH на постоянном уровне. Если в одном
литре воды растворить 0,01 моль сильной кисло-
ты, pH раствора снизится с 7,0 до 2,0. В аналогич-
ной ситуации изменение pH плазмы крови соста-
вит всего одну десятую — с 7,4 до 7,3. Почему же
реакция воды и крови при одном и том же воз-
действии столь различна?
Дело в том, что в крови и других биоло-
гических жидкостях есть вещества, на-
зываемые буферами. Они позволяют
поддерживать относительно постоян-
ное значение pH в растворах, несмот-
ря на добавление к ним кислот или ос-
нований. Буфер — это вещество, которое
сводит к минимуму изменения [Н+] и [ОН-] в рас-
творе. Эффект достигается за счет того, что бу-
фер забирает из раствора избыток ионов водоро-
да и отдает эти ионы обратно в раствор в случае,
если образуется их недостаток. В состав большин-
ства буферных систем входят слабая кислота и со-
ответствующее ей основание, которые обратимо
взаимодействуют с ионами водорода в растворе.
Для поддержания стабильного уровня pH в
Хлорный
отбеливатель
Моющее
средство
Рис. 3.10. Школа pH и его значения для некоторых водных
растворов
крови и других биологических жидкостях функ-
ционируют различные буферные системы. Одна
ГЛАВА 3 Вода и жизнь 87
из них представляет собой угольную кислоту
(Н2СО3), которая в плазме крови образуется при
взаимодействии углекислого газа (СО2) с водой.
Как уже говорилось ранее, угольная кислота в
воде распадается на гидрокарбонат-ион (НСО3“)
и протон (Н+)8:
Н2СО3
Донор Н*
(кислота)
При повы-
шении pH
х-
При пони-
жении pH
HCOf +
Акцептор Н*
(основание)
Н+
Ион
водорода
Химическое равновесие между угольной кис-
лотой и гидрокарбонат-ионами выполняет роль
регулятора pH раствора. Реакция, изображенная
на схеме выше, смещается влево или вправо, в за-
висимости от изменений концентрации ионов во-
дорода в ходе протекающих в растворе процессов.
Если концентрация Н + в крови падает (т.е. ее pH
возрастает), более интенсивно идет прямая реак-
ция (слева направо), в результате большее коли-
чество молекул угольной кислоты диссоциирует,
и это восполняет нехватку ионов водорода. Ког-
да же концентрация Н+ в крови растет (т.е. ее pH
снижается), интенсивнее идет обратная реакция
(справа налево). При этом гидрокарбонат-ионы
НСО3~, выступающие в роли основания, связы-
ваются со свободными протонами с образовани-
ем угольной кислоты. Таким образом, гидрокар-
бонатная буферная система состоит из кислоты и
основания, находящихся в химическом равнове-
сии. Схожим образом устроены и другие буфер-
ные системы, поддерживающие физиологические
значения pH в растворах.9
Закисление океанов — угроза
качеству воды
Один из видов деятельности человека, пред-
ставляющий угрозу качеству воды, — это сжига-
ние полезных ископаемых. При их горении в ат-
мосферу выделяется ряд газов. Когда эти газы
реагируют с водой, ее pH становится более кис-
лым, и хрупкое равновесие, необходимое для под-
держания жизни на Земле, нарушается. Основной
8 Гидрокарбонат часто называют бикарбонатом. — При-
меч. ред.
9 Буферные системы могут состоять как из одного ве-
щества (как в описанном случае), так и из нескольких (на-
пример, фосфатный буфер, представляющий собой смесь
однозамещенной и двузамещенной соли фосфорной кисло-
ты). — Примеч. ред.
газ, который выбрасывается в атмосферу при го-
рении полезных ископаемых, — спектроскопия
спектроскопия углекислый газ (СО2). Около 25%
СО2, образующегося в результате деятельности
человека, поглощается водами Мирового океана.
И хотя объем этих вод огромен, ученые опасаются,
что поглощение такого значительного количества
углекислого газа причиняет вред морским экосис-
темам.
Данные последних исследований показали,
что эти опасения более, чем обоснованы. Когда
СО2 растворяется в морской воде, он реагирует
с ней с образованием угольной кислоты, которая
снижает pH океанского раствора. Этот процесс
называют закислением океана. Основываясь на
данных о концентрации СО2 в пузырьках возду-
ха, захваченных массами льда тысячи лет назад,
ученые подсчитали, что сейчас pH мирового оке-
ана примерно на 0,1 ниже, чем в любой период за
последние 420 000 лет. Последние исследования в
этой области показали, что среднее значение pH
океанической воды к концу века предположи-
тельно снизится еще на 0,3-0,5 единиц.
По мере закисления морской воды “избыточ-
ные” ионы водорода соединяются с карбонат-иона-
ми (СО32 ) с образованием ионов гидрокарбоната
(НСО3Д, таким образом, уменьшая концентрацию
карбонат-ионов (рис. 3.11). По оценкам ученых, кон-
центрация СО32 в океанических водах к 2100 году
снизится на 40%. Это большая проблема, посколь-
ку карбонат-ионы используются многими морским
организмам в процессе кальцификации — обра-
зования карбоната кальция (СаСО3). Моллюски,
ракообразные, иглокожие, а также кораллы стро-
ят себе из карбоната кальция защитные оболочки
(панцири, раковины и др.). В рубрике “Развиваем
исследовательские навыки” в можете поработать с
данными эксперимента по изучению влияния кон-
центрации карбонат-ионов в океанической воде на
кальцификацию коралловых рифов. Коралловые
рифы — это чувствительная экосистема, которая
служит убежищем для огромного количества видов
морских организмов. Их исчезновение трагически
скажется на биологическом разнообразии планеты.
Если что-то и может служить поводом для оп-
тимизма в данной ситуации, так это то, что до-
стигнут немалый прогресс в изучении подвижных
химических балансов водных экосистем, таких
как океаны, озера и реки. Дальнейший прогресс
в решении проблем с состоянием водных объ-
ектов на планете может быть достигнут только
88
Г ЛАВА 3 Вода и жизнь
усилиями компетентных людей, которые обеспо-
коены качеством окружающей среды. (Надеемся,
наши читатели к ним относятся.) Такие действия
требуют четкого понимания той важнейшей роли,
которую вода играет в создании условий для про-
должения существования жизни на Земле.
Часть диоксида
углерода (СО2)
из атмосферы
попадает в океан,
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 3.3
1.
2.
3.
4.
Раствор с pH 4 содержит в раз больше ионов
водорода (Н+) по сравнению с аналогичным объемом рас-
твора, имеющего pH 9.
Соляная кислота является сильной кислотой, которая пол-
ностью диссоциирует в воде на ионы Н+ и СГ. Каково значе-
ние pH раствора HCI с концентрацией 0,01 М?
Уксусная кислота (СН3СООН) часто играет роль буфера в
растворах, действуя подобно Н2СО3. Напишите реакцию ее
диссоциации и укажите компоненты этой реакции, которые
выступают в качестве кислоты, основания, донора и акцеп-
тора ионов Н+.
V нас есть 1 л воды и такой же объем ук-
сусной кислоты. Что произойдет со значением pH, если мы
добавим к каждой жидкости по 0,01 моль сильной кислоты?
Используйте уравнение реакции из задания 3, чтобы объяс-
нить полученный результат.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
где реагирует
с водой, образуя
угольную кислоту
(Н2СО3).
Угольная кислота
диссоциирует на
ионы водорода (Н+)
и бикарбонат-ионы
(НСО3-).
Полученные Н+
взаимодействуют
с карбонат-ионами
(СО32-), образуя
повышенную концен-
трацию НСОз".
Меньшее количество
СО32' доступно для
кальцификации —
образования
карбоната кальция
(СаСО3) морскими
организмами,
такими как кораллы
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
14н#1ерпре/Пация точечной диалражлия с линией регрессии
Как концентрация карбонат-ионов в морской воде влияет на
кальцификацию кораллового рифа? Ученые предполагают, что
закисление океана из-за высокого уровня диоксида углерода в
атмосфере приведет к снижению концентрации растворенных
карбонат-ионов, которые используются живыми кораллами для
построения рифов из карбоната кальция. В этом упражнении
вы проанализируете данные, полученные в ходе эксперимента
в контролируемых условиях. Этот эксперимент был посвящен
установлению зависимости между концентрацией растворенных
ионов СО32' ((СО32")) и интенсивностью процесса кальцифика-
ции, т.е. отложения карбоната кальция.
Проведение эксперимента. В аквариуме, который является
частью проекта "Биосфера-2" в пустыне Аризона, находится
коралловый риф, который по свойствам не отличается от "на-
стоящего морского". В течение нескольких лет группа исследо-
вателей замеряла скорость кальцификации в коралле и анализи-
ровала изменения этой скорости в зависимости от концентрации
растворенных карбонат-ионов.
Полученные экспериментальные данные. Экспериментальные
данные, обозначенные на графике черными точками, образуют
Рис. 3.11- Выбросы углекислого газа в атмосферу и его даль-
нейший круговорот в океане
о.........................................................
220 240 260 280
(СО32“) (мкмоль/кг морской воды)
точечную диаграмму. Красная линия, которая называется линией
регрессии, проведена как прямая, максимально соответствую-
щая одновременно всем экспериментальным точкам.
ГЛАВА 3 Вода и жизнь 89
Анализ данных
1. При работе с любым графиком сначала необходимо опреде-
лить, какие параметры представлены на его осях.
а) Своими словами объясните, что показывает ось абс-
цисс (X)? Не забудьте указать единицы измерения.
б) Что и в каких единицах показано на оси ординат (Y)?
в) Какая из двух переменных является независимой (т.е. пе-
ременной, значение которой варьировалось исследова-
телями)?
г) Какая переменная является зависимой (т.е. переменной,
которая измеряется в ходе эксперимента и зависит от из-
менений независимой переменной)? (Дополнительную ин-
формацию о диаграммах — см. в Приложении Г).
2. Опираясь на данные, представленные на графике, опишите,
какова взаимосвязь между концентрацией карбонат-ионов и
скоростью кальцификации.
3. а) Если концентрация карбонат-ионов в морской воде со-
ставляет 270 мкмоль/кг, то какова приблизительная ско-
рость кальцификации? И сколько примерно дней понадо-
бится для того, чтобы участок кораллового рифа площадью
1 м2, смог произвести 30 мМ карбоната кальция (СаСО3)?
б) Если концентрация карбонат-ионов в морской воде со-
ставляет 250 мкмоль/кг, то какова примерно скорость каль-
цификации? И сколько примерно дней понадобится для
того, чтобы участок кораллового рифа площадью 1 м2, смог
произвести 30 мМ карбоната кальция (СаСО3)?
в) Если концентрации СО32-снизится, как изменится скорость
кальцификации и как это повлияет на время роста корал-
лов?
4. а) Посмотрите на уравнения реакций рис. 3.11 и определите,
какой из этапов представленного там процесса изучается
в данном эксперименте.
б) Подтверждают ли результаты эксперимента гипотезу о том,
что увеличение концентрации углекислого газа ((СО2)) в
атмосфере замедляет рост коралловых рифов? Объясни-
те свой ответ.
Источник: С. Langdon et al., Effect of calcium carbonate saturation
state on the calcification rate of an experimental coral reef, Global
Biogeochemical Cycles 14:639-654 (2000).
Обзор главы
РАЗДЕЛ 3.1. ПОЛЯРНЫЕ КОВАЛЕНТНЫЕ
СВЯЗИ В МОЛЕКУЛЕ ВОДЫ СПОСОБСТВУЮТ
ВОЗНИКНОВЕНИЮ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ
• Молекулы воды полярны. Водородные связи меж-
ду соседними молекулами воды образуются за счет
притяжения частичного отрицательного заряда на
атоме кислорода одной молекулы — к частичному
положительному заряду на атоме водорода другой
молекулы. Такие водородные связи обеспечивают
большинство уникальных свойств воды.
ИЗОБРАЗИ!
Отметьте для себя на рисунке водород-
ную, а также полярную ковалентную связь. Является
ли водородная связь ковалентной? Почему?
РАЗДЕЛ 3.2. ЧЕТЫРЕ ЭМЕРДЖЕНТНЫХ СВОЙСТВА
ВОДЫ ОБЕСПЕЧИВАЮТ СУЩЕСТВОВАНИЕ ЖИЗНИ
НА ЗЕМЛЕ
• Молекулы воды сцеплены между собой благодаря
водородным связям. Эффект когезии (сцепления)
позволяет воде подниматься вверх по водопроводя-
щим тканям в стеблях растений. Водородные связи
также являются причиной высокого поверхностно-
го натяжения воды.
• Вода обладает высокой удельной теплоемкостью:
теплота поглощается при разрыве водородных свя-
зей и выделяется в момент их образования. Это по-
зволяет поддерживать температуру относительно
постоянной — в пределах, приемлемых для живых
организмов. Испарительное охлаждение воды ос-
новано на ее высокой теплоте парообразования.
При испарении с поверхности воды улетучиваются
молекулы с самой высокой энергией, в итоге эта по-
верхность охлаждается.
• Плотность льда меньше плотности воды, поэтому
он плавает на ее поверхности. Это позволяет жи-
вым организмам существовать в замерзших водо-
емах под ледяным покровом.
• Вода служит растворителем для многих ионов и
полярных соединений, так как ее молекулы легко
90 ГЛАВА 3 Вода и жизнь
вступают с ними во взаимодействие, образуя во-
дородные связи. Соединения, растворимые в воде,
называют гидрофильными. Гидрофобные соеди-
нения не имеют сродства к воде и не растворяют-
ся в ней. В качестве единицы измерения концен-
трации растворенного вещества используется
молярность — количество молей растворенного
вещества в 1 л раствора. Единица моль выражает
определенное количество молекул вещества. Масса
одного моля вещества в граммах равна его молеку-
лярной массе, выраженной в дальтонах.
• Эмерджентные свойства воды поддерживают жизнь
на Земле и, вероятно, также могут способствовать ее
развитию на других планетах.
Опишите, каким образом разные по растворимо-
сти вещества будут растворяться в воде. Поясните,
что такое раствор.
РАЗДЕЛ 3.3. КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНЫЕ УСЛОВИЯ
СРЕДЫ СИЛЬНО ВЛИЯЮТ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ
• Молекула воды может отдать ион водорода дру-
гой молекуле воды с образованием иона гидроксо-
ния Н301 (для простоты обозначается как Н+) и ги-
дроксид-иона ОН".
• Концентрация Н+ обычно выражается через пока-
затель pH; pH = -1g [Н+]. Буферные растворы чаще
всего состоят из пар кислота-основание, которые
обратимо связываются со свободными протонами
в растворе, поддерживая pH на постоянном уровне.
• Сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа)
повышает концентрацию углекислого газа (СО2) в
атмосфере. Часть этого газа растворяется в океане,
вызывая его закисление, которое потенциально мо-
жет иметь серьезные последствия для коралловых
рифов.
•О
Кислый
(Н+) > (ОК)
Нейтральный
(Н+) = (ОК)
Основный
(Н+)< (ОН-)
Кислоты
служат
донорами Н
в водном
растворе.
—7
Основания
служат
донорами ОН'
и акцепторами Н+
в водном растворе.
14
Объясните, как повышение концентрации СО2 ,
растворенного в воде, ведет к закислению океанов. Как
изменение pH океанической воды влияет на содержание
в ней карбонат-иона, а также на скорость кальцифи-
кации?
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Какое из перечисленных ниже веществ является ги-
дрофобным?
а) Бумага
6) Столовая соль
в) Воск
г) Сахар
2. Мы можем с уверенностью сказать, что 1 моль са-
хара-рафинада и 1 моль витамина С одинаковы по:
а) массе
6) объему
в) числу атомов
г) числу молекул
3. Измерения показывают, что показатель pH образца
озерной воды равен 4. Какова в этом образце кон-
центрация ионов водорода?
а)4,0М в)104М
б)1О’1оМ г) ЦГ'М
4. Определите концентрацию гидроксид-ионов в об-
разце воды, описанном в вопросе 3.
а)1О“|оМ в)10'7М
б)10‘‘М г) 10,ОМ
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
5. В куске пиццы содержится 500 ккал. Если бы мы со-
жгли это кусок, а все полученное тепло использова-
ли бы, чтобы нагреть 50-литровую бочку с холод-
ной водой, то приблизительно на сколько градусов
увеличилась бы температура этой емкости? (При-
мечание: 1 литр воды весит около 1 кг.)
а) 50°С в) 100°С
б) 5°С г) 10°С
ИЗОБРАЗИ!
Нарисуйте гидратную оболочку, обра-
зующуюся вокруг ионов калия и хлора при раство-
рении в воде хлорида калия (КС1). Укажите заряд
каждого из ионов, а также частичные заряды атомов.
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
7. Фермеры в сельскохозяйственных районах при-
стально следят за прогнозом погоды. Накануне
предсказанных ночных заморозков они опрыски-
вают посевы водой, чтобы защитить их от холода.
Опираясь на знания свойств воды, объясните, как
работает этот метод. Не забудьте упомянуть значе-
ние водородных связей для данного эффекта.
8. В этой главе мы гово-
рили о том, как эмерджентные свойства воды спо-
собствуют формированию окружающей среды, при-
годной для жизни. До недавнего времени ученые
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
ГЛАВА 3 Вода и жизнь 91
предполагали, что другими необходимыми услови-
ями жизни являются умеренные интервалы значе-
ний температуры, pH, атмосферного давления, со-
лености, а также низкая концентрация токсичных
веществ. Однако открытие экстремофилов — ор-
ганизмов, способных жить и размножаться в экс-
тремальных местах обитания, заставило ученых
пересмотреть свои взгляды. Экстремофилы были
обнаружены в горячих сероводородных источниках,
в толще льда, рядом с гидротермальными источни-
ками океанских глубин и даже в почвах с высоким
содержанием токсичных металлов. Почему астро-
биологи заинтересованы изучением экстремофи-
лов? Как может факт существования жизни в столь
экстремальных условиях среды повлиять на реше-
ние вопроса о возможности существования жизни
на других планетах?
9. Придумайте и опишите
эксперимент, с помощью которого можно было бы
проверить гипотезу о том, что закисление водной
среды, вызванное кислотными дождями, тор-
мозит рост элодеи — пресноводного растения
(см. рис. 2.17).
10. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ: ОРГАНИЗАЦИЯ
Возможность существования жизни обеспечивают
несколько эмерджентных свойств воды. Напиши-
те короткое эссе о том, каким образом возможно-
сти воды в качестве растворителя проистекают из
структуры ее молекул.
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
11.
Как пьют кошки? Если
собаки для питья скла-
дывают язык в форме
ложки и работают им
как черпаком, то жи-
вотные семейства ко-
шачьих используют со-
вершенно иной метод.
Ученые использовали
замедленную съемку
и показали, что, когда
кошка лакает воду или молоко, она касается поверх-
ности жидкости кончиком языка со скоростью четы-
ре раза в секунду. Следом за ее языком под действи-
ем силы инерции поднимается столбик жидкости,
который кошка втягивает ртом (как это видно на
фото). Она инстинктивно закрывает рот до того, как
сила гравитации утянет воду вниз. Опишите, каким
образом особые свойства воды позволяют кошкам
утолять жажду столь хитроумным способом и, в том
числе, какую роль в этом процессе играет молеку-
лярная структура воды.
Ответы см. в Приложении А.
92 ГЛАВА 3 Вода и жизнь
д и молекуйяе
□знсюбра<и«м
иррде
Рис. 4.1. Какие свойства углерода делают его основой
всей жизни?
4.1.
4.2.
4.3.
Органическая химия — наука,
изучающая соединения
углерода
Атомы углерода могут
образовывать разнообразные
соединения, связываясь с
четырьмя другими атомами
Ряд химических групп
определяет функции молекул
Углерод — основа жизни
Живые организмы, например, растения или золоти-
стые курносые обезьяны (рис. 4.1), состоят из хими-
ческих соединений, образованных по большей части ато-
мами углерода. Углерод попадает в биосферу благодаря
растениям и другим фотосинтезирующим организмам.
Растения используют энергию солнечного света чтобы
Углерод может связываться с четырьмя другими
атомами или группами атомов, что делает возмож-
ным формирование самых разнообразных молекул
преобразовать атмосферный углекислый газ (СО2) в орга-
нические соединения, которыми затем питаются травояд-
ные животные.
Углерод обладает уникальной способностью образовы-
вать большие, сложные и разнообразные соединения, в от-
личие от других химических элементов. Благодаря этому на
Земле появилось столь широкое разнообразие организмов.
Белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и другие молекулы,
наличие которых отличает живую материю от неживой, —
все они состоят из атомов углерода, связанных как друг с
другом, так и с атомами других элементов. Помимо угле-
рода в состав соединений, характерных для живых орга-
низмов, входят также водород (Н), кислород (О), азот (N),
сера (S) и фосфор (Р). Однако именно атомы углерода (С)
служат основой для огромного разнообразия био-
логических молекул.
Большие биомолекулы, такие как белки, будут
рассмотрены в главе 5. В этой главе мы расска-
жем о свойствах малых молекул. На их примере
мы проиллюстрируем основные принципы моле-
кулярной архитектуры и расскажем о необычай-
ной значимости углерода для жизни. Также вы уз-
наете, почему эмерджентные свойства являются
следствием особой организации материи в живых
организмах.
4.1. Органическая химия —
наука, изучающая
соединения углерода
Исторически сложилось так, что углеродсо-
держащие соединения называют органическими,
а науку, которая их изучает, — органической хи-
мией. К началу XIX века химики научились син-
тезировать простые соединения, смешивая ве-
щества при правильных лабораторных условиях.
Тем не менее искусственный синтез сложных мо-
лекул, которые есть в живых организмах, казал-
ся тогда абсолютно невозможным. Считалось, что
органические соединения могут образовываться
только в живых телах, которые обладают особой
жизненной силой, неподвластной физическим и
химическим законам.
Химики начали отказываться от этого убежде-
ния, когда научились синтезировать органические
соединения в лабораториях. В 1828 году немецкий
химик Фридрих Вёлер попробовал получить “не-
органическую” соль, цианат аммония, путем сме-
шивания ионов аммония (NH^) с ионами цианата
(CNO ). Вёлер был поражен тем фактом, что вме-
сто этого он синтезировал мочевину — органиче-
ское соединение, содержащееся в моче животных.
В течение нескольких следующих десятилетий
ученым удавалось синтезировать в лабораторных
условиях все более сложные соединения. Это под-
тверждало идею о том, что все процессы в живых
организмах происходят согласно законам физи-
ки и химии. С тех пор органической химией стали
называть науку о соединениях углерода вне зави-
симости от способа получения этих соединений.
К органическим соединениям относят как малые
молекулы — такие как метан (СН^, так и очень
большие, например белки, состоящие из тысяч
атомов.
ЭВОЛЮЦИЯ
Органические молекулы и зарождение
жизни на Земле
В 1953 году Стэнли Миллер, аспирант
Гарольда Юри в Чикагском Университете, помог
вписать абиотический (осуществляемый вне жи-
вых организмов) синтез органических соедине-
ний в контекст эволюции. Рис.4.2 иллюстрирует его
классический эксперимент. Из результатов этого
эксперимента он сделал вывод, что сложные ор-
ганические молекулы могли спонтанно образовы-
ваться в условиях, которые, как считается, суще-
ствовали на ранней Земле. Вы можете поработать
с данными аналогичного эксперимента в разделе
“Развиваем исследовательские навыки”. Эти экс-
перименты поддерживают идею о том, что орга-
нические молекулы могли быть синтезированы
абиотическим путем в зонах вулканической ак-
тивности. Возможно, это и является ранним эта-
пом зарождения жизни на Земле.
Суммарные доли основных жизненных эле-
ментов — С, Н, О, N, S и Р — практически оди-
наковы у разных организмов, что является сви-
детельством в пользу единого эволюционного
происхождения жизни на Земле. Благодаря спо-
собности углерода образовывать четыре связи
с другими атомами, даже ограниченный набор
атомных “строительных блоков” позволяет созда-
вать невероятное количество органических моле-
кул. Различия между видами организмов и разли-
чия между индивидуальными организмами среди
одного вида обусловлены вариациями в типах ор-
ганических молекул, которые в них синтезиру-
ются. В некотором смысле великое разнообразие
живых организмов на планете (также в виде ис-
копаемых останков) стало возможным благодаря
уникальным химическим свойствам углерода.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 4.1
1.
2.
Почему Вёлер был удивлен тем фактом, что он синтезировал
мочевину?
| Миллер провел контрольный эксперимент
без использования электрического разряда и не обнару-
жил в образце для анализа органических соединений Как
можно объяснить такое наблюдение?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
94 ГЛАВА 4 Углерод и молекулярное разнообразие в живой природе
Изыскание
Могут ли органические молекулы образоваться в ус-
ловиях, похожих на те, что существовали на Земле
в самом начале ее развития?
абиотическим путем на ранних стадиях развития Земли. Несмо-
тря на появление новых данных, свидетельствующих о том, что
атмосфера на Земле отличалась от “атмосферы", созданной
Миллером в своем эксперименте, более поздние эксперимен-
ты с уточненным набором химических веществ также привели к
синтезу органических молекул.
Эксперимент. В 1953 году Стэнли Миллер создал закрытую си-
стему, чтобы смоделировать условия, которые, в соответствии
с представлениями того времени, существовали на Земле на
ранних этапах ее развития. Колба с водой имитировала древ-
нее море. Воду нагревали таким образом, что она частично
испарялась и поднималась во второй, расположенный выше,
сосуд, в котором находилась "атмосфера" — смесь газов.
Электрические разряды в колбе с “атмосферой" имитировали
молнии (рис. 4.2).
0 "Атмосфера" состояла
из смеси газообразного
водорода (Н2), метана (СН4),
аммиака (NH3) и водяного
пара._______
О Водный
раствор
в имитирующей
"море"колбе
был нагрет;
водяной пор
поднимался
в сосуд с
"атмосферой".
Водяной пар —►
I
/’Атмосфера"
СН4//
Q Для имитации молний
в колбе создавали
электрические разряды.
Электрод
to
^Холодильник
Охлажденный
“дождь",
содержащий
органические
молекулы
Холодная
вода
“Море"
I из Н2О
Образец
для химического анализа
0 Пока вещества проходили
через аппарат, Миллер
периодически отбирал
образцы для анализа.
О Холодильник охлаждал
атмосферу, и в колбу
с “морем" шел “дождь"
из воды и растворённых
в ней молекул.
Результаты. Миллер обнаружил в системе набор органических
молекул, характерных для живых организмов. Среди них были
простые соединения, такие как формальдегид (СН2О) и циани-
стый водород (HCN), а также более сложные молекулы, такие
как аминокислоты и длинные цепочки из углерода и водоро-
да—углеводороды,
Выводы. Органические молекулы, представляющие собой
первый этап зарождения жизни, могли быть синтезированы
Источник: S.L. Miller A production of amino acids under possible
primitive Earth condidions. Science 117:528-529 (1953)
Если бы Миллер увеличил концентрацию NH3
в своем эксперименте, как могли бы измениться относительные
количества продуктов HCN и СН2О?
4.2. Атомы углерода могут
образовывать разнообразные
соединения, связываясь
с четырьмя другими атомами
Электронная конфигурация атома определяет
его химические свойства и, таким образом, опре-
деляет типы и количество связей, которые дан-
ный атом может образовывать с другими атома-
ми. Вспомните, что именно валентные электроны
на внешней электронной оболочке способны уча-
ствовать в образовании связи с другими атомами.
Образование связей
с атомом углерода
В атоме углерода содержится 6 электронов, при-
чем 2 из них находятся на первом электронном
уровне, а 4 — на втором. Таким образом, 4 валент-
ных электрона атома углерода находятся на уровне,
который вмещает до 8 электронов. Поэтому атом
углерода стремится заполнить валентный уро-
вень, разделяя 4 своих электрона с другими атома-
ми, чтобы в итоге на этом уровне находились все
8 электронов. Каждая пара обобществленных элек-
тронов образует ковалентную связь (см. рис. 2.10).
В органических молекулах углерод обычно обра-
зует одинарную или двойную ковалентную связь.
Каждый атом углерода играет роль своего рода
точки пересечения, относительно которой моле-
кула ветвится в четырех различных направлениях.
Такие свойства позволяют углероду образовывать
большие и сложные соединения.
Когда атом углерода образует четыре одинар-
ных ковалентных связи, относительное распо-
ложение его четырех гибридных орбиталей на-
правляет связи к вершинам углов воображаемого
тетраэдра, в центре которого расположен атом
а что, ЕСЛИ?
ГЛАВА 4 Углерод и молекулярное разнообразие в живой природе 95
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Pabonia с лшлялис и мсляриылш отношениями
Могли ли первые биологические молекулы образоваться вблизи
вулканов на Ранней Земле? В 2007 году Джеффри Бада, бывший
аспирант Стэнли Миллера, обнаружил несколько пробирок с
образцами эксперимента, проведенного Миллером в 1958 году,
которые ранее не были проанализированы. В том эксперименте
Миллер использовал газообразный сероводород (H2S) в каче-
стве одного из “атмосферных" газов. Поскольку сероводород
в большом количестве выделяется вулканами, эксперимент с
H2S был проведен для моделирования условий вблизи вулканов
на ранней Земле. В 2011 году Бада и коллеги опубликовали ре-
зультаты своего анализа этих “утерянных" образцов. В данном
упражнении вы проведете расчеты, используя молярные соот-
ношения реагентов и продуктов реакций, протекавших в экспе-
рименте с сероводородом.
Проведение эксперимента
Согласно лабораторному журналу Миллера, он использовал ту
же установку, что и в оригинальном эксперименте (см. рис. 4.2),
только смесь газообразных реагентов состояла из метана (СН4),
углекислого газа (СО2), сероводорода (H2S) и аммиака (NH3). По-
сле трех дней имитации вулканической активности в этой уста-
новке он собрал образцы жидкости, частично очистил вещества
и запечатал образцы в стерильные пробирки. В 2011 году иссле-
довательская группа Джеффри Бада, используя современные
аналитические методы, проанализировала продукты реакций в
этих пробирках на наличие в них аминокислот — элементов, из
которых построены белки.
Некоторые записи Стэнли Миллера, посвященные его экспери-
менту 1958 года с сероводородом (H2S), о также колбы, исполь-
зованные в том эксперименте
Полученные экспериментальные данные
Ниже в таблице приведены 4 из 23 аминокислот, которые были
обнаружены в образцах, взятых из эксперимента Миллера, про-
веденного в 1958 году с использованием сероводорода.
Продукт Молекулярная формула Молярное соотношение (по отношению к глицину)
Глицин c2h6no2 1,0
Серин C3HZNO3 3,0 х 10-2
Метионин c5h„no2s 1,8 х Ю 3
Аланин c3h7no2 1,1
Анализ данных
1. Моль — это количество граммов вещества, равное значе-
нию его молекулярной (или атомной) массы в дальтонах.
В 1,0 моле вещества содержится 6,02 х Ю23 его молекул (число
Авогадро, см. главу 3, раздел 3.2). В таблице приведены мо-
лярные соотношения некоторых продуктов, образовавших-
ся в эксперименте Миллера с сероводородом. Молярное
соотношение — это безразмерная величина, рассчитанная
относительно некоторого стандарта, использованного в кон-
кретном эксперименте. В данном случае стандартом являет-
ся количество молей аминокислоты глицина, которому было
присвоено значение 1,0. Например, молярное соотношение
серина составляет 3,0 х 10’2 — другими словами, на каждый
моль глицина приходится 3,0 х Ю 2 моль серина.
а) Рассчитайте молярное соотношение метионина к глицину
и объясните, что оно означает.
б) Сколько молекул содержится в одном моле глицина?
в) Сколько молекул метионина приходится на один моль гли-
цина в образце? (Вспомните, что для умножения двух чисел
с экспонентами нужно сложить степени их экспонент; если
же вам нужно разделить одно на другое, то вы вычитаете
степень знаменателя из степени числителя).
2. а) Какой аминокислоты в образце больше, чем глицина?
б) На сколько молекул этой аминокислоты в образце больше,
чем молекул в одном моле глицина?
3. Синтез продуктов реакции лимитирован количеством реа-
гентов.
а) Если к 1 литру воды в колбе (= 55,5 молей Н2О) добавить по
1 молю СО2, СН4, H2S и NH3, то сколько молей водорода,
углерода, кислорода, азота и серы окажется в этой колбе?
б) Посмотрите на приведенную в таблице молекулярную
формулу и посчитайте, сколько молей каждого элемента
потребовалось бы для получения 1 моля глицина.
в) Какое максимальное количество молей глицина могло бы
образоваться в колбе с приведенным выше соотношением
реагентов, если бы там не синтезировались другие молеку-
лы? Поясните свой ответ.
г) Предположим, что серин и метионин синтезируется от-
дельно друг от друга. Какие элементы израсходовались бы
раньше других в этом случае? Какое количество каждого
продукта можно было бы получить?
4. В более раннем эксперименте, проведенном Миллером,
среди использованных реагентов не было H2S (рис. 4.2).
Какие соединения из приведенных в таблице можно
получить в эксперименте с H2S, но нельзя получить в раннем
эксперименте?
Источник: Е. Т. Parker et al., Primordial synthesis of amines and amino
acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment, Proceedings
of the Notional Academy of Sciences USA 108:5526-5531 (2011).
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1019191108.
96 ГЛАВА 4 Углерод и молекулярное разнообразие в живой природе
углерода. Углы между каждой парой связей в мо-
лекуле метана (CEQ равны 109,5° (рис. 4.3, а), и они
будут приблизительно такими в любой группе
атомов, где атом углерода имеет 4 одинарные свя-
зи. Например, этан (С,Н6) имеет форму двух пере-
крывающихся тетраэдров (рис.4.3, б). Если молекула
содержит большее число атомов углерода, то лю-
бое их соединение с четырьмя другими атомами
имеет тетраэдрическую форму. Однако если два
атома углерода образуют двойную связь, как, на-
пример, в молекуле этилена (С2Н4), то все связи,
образуемые обоими атомами углерода, лежат в од-
ной плоскости. Таким образом, все атомы, присо-
единенные к этим двум атомам углерода, тоже бу-
дут находиться в одной плоскости (рис. 4.3, в). Очень
удобно записывать молекулы в виде структурных
формул, как будто эти молекулы двухмерные. Од-
нако стоит помнить, что молекулы трехмерны, а
форма определяет их функции.
Электронная конфигурация углерода позволя-
ет ему ковалентно связываться с большим числом
элементов. На рис. 4.4 показаны валентности угле-
рода и его наиболее частых партнеров — водоро-
да, кислорода и азота. Эти четыре элемента яв-
ляются основными компонентами органических
молекул, а их валентности лежат в основе правил
образования ковалентных связей в органической
химии — кода построения органических молекул.
Как эти правила применяются к атомам угле-
рода, которые образуют связи с атомами, отлич-
ными от водорода? Давайте рассмотрим два при-
мера — простые молекулы углекислого газа и
мочевины.
В молекуле углекислого газа (СО,) единствен-
ный атом углерода связан с двумя атомами кисло-
рода двойными ковалентными связями. Так вы-
глядит структурная формула СО,:
О = С = О
Каждая линия в структурной формуле обо-
значает пару общих электронов. Таким образом,
две двойные связи в молекуле СО, имеют такое
же количество общих электронов, как и четы-
ре одинарные связи. Такое объединение электро-
нов приводит к заполнению валентных оболочек
всех атомов в молекуле. Поскольку СО, — очень
простая молекула и в ней нет водорода, то ее ча-
сто считают неорганической, хотя она и со-
держит углерод. Какой бы мы ни считали мо-
лекулу углекислого газа — органической или
неорганической — она очень важна для живого
мира в качестве основного источника углерода
Молекула и её форма
а) Метан. Если атом
углерода образует
четыре одинарные связи
с другими атомами,
молекула имеет форму
тетраэдра.
Молекулярная
формула
Структурная
формула
сн4
Н
I
н — с — н
I
н
б) Этан. Молекула может
состоять из более чем одной
тетраэдрической группы
атомов, соединенных
одинарными связями (этан
состоит из двух таких групп).
Н Н
I I
Н— С— С--Н
I I
н н
Шаростержневая модель
(розовым показана форма молекулы)
Сферическая
модель
в) Этен (этилен). Если два атома
углерода соединены между
собой двойной связью, то все
присоединенные к ним атомы
лежат в одной плоскости —
молекула плоская.
Рис. 4.3. Формы трех простых органических молекул
ГЛАВА 4 Углерод и молекулярное разнообразие в живой природе
97
Рис. 4.4. Валентности основных элементов органических моле-
кул. Валентность — это количество ковалентных связей, которые
может образовать атом. Как правило, оно равно количеству
электронов, необходимых для заполнения валентной (внешней)
электронной оболочки (см. рис. 2.7). В верхней части рисун-
ка для каждого атома на диаграмме распределения изобра-
жены все электроны. Внизу показаны только электроны валент-
ной электронной оболочки на точечных структурах Льюиса
Нарисуйте точечные структу-
ры Льюиса для натрия, фосфора, серы и хлора (используйте
рис. 2.7J.
для всех органических молекул, содержащихся в
Углерод Углеводороды
(валентность = 4) Все молекулы, представленные на рис. 4.3
и 4.5, являются углеводородами — органи-
ческими молекулами, состоящими толь-
ко из атомов углерода и водорода. Ато-
мы водорода ковалентно присоединены к
углеродному скелету в тех местах, где есть
валентные электроны. Углеводороды — ос-
новные компоненты нефти, которую называют
ископаемым топливом, потому что она состоит из
частично разложенных останков организмов, ко-
торые жили на Земле миллионы лет назад.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
а) Длина
НН н н н
II III
н—с—с—н н— с—с—с—н
II III
НН н н н
Этан Пропан
организмах.
Мочевина CO(NH,)1 — органическое соедине-
ние, содержащееся в моче и синтезированное Вё-
лером еще в начале XIX века.
Опять же, каждый атом в этом ц
соединении образует опреде-
ленное число ковалентных свя- N N
зей. В данном случае один атом
углерода образует две одинар- Мочевина
ных и одну двойную связь.
Мочевина и углекислый газ — молекулы с од-
ним атомом углерода. Но, как показано на рис. 4.3,
атом углерода может образовывать одну или не-
сколько связей с другими атомами углерода, каж-
дый из которых тоже образует четыре связи. Та-
ким образом, атомы могут соединяться в цепочки
потенциально бесконечной длины.
Молекулярное разнообразие за счет
вариации в углеродном скелете
Цепочки из атомов углерода образуют скелет
большинства органических молекул. Эти скелеты
могут быть разной длины, могут быть прямыми
и ветвящимися, или же образовывать замкнутые
кольца (рис. 4.5). Некоторые углеродные скелеты со-
держат двойные связи, число и положение кото-
рых может быть различным в разных соединениях.
Такое разнообразие углеродных скелетов позволя-
ет создавать сложные и многообразные молекулы,
характерных для живой материи. К тому же в до-
ступных местах к углеродному скелету могут при-
соединяться атомы других элементов.
Длина углеродного скелета может варьировать.
б) Разветвление
н н н н
1111
н—с—с—с—с—н
1111
н н н н
Бутан
2-метилпропан
(обычно его называют изобутан)
Углеродные скелеты могут быть неразветвлёнными
или разветвлёнными.
в) Положение двойной связи
нннн н н н н
1 I I 1 1111
н —с=с—с—с—н н —с—с=с—с—н
II II
НН НН
1-бутен 2-бутен
В различных точках углеродного скелета могут быть двойные связи.
г) Наличие колец (циклов)
н
Циклогексан Бензол
Некоторые углеродные скелеты организованы в форме
кольца (цикла). На упрощенной структурной формуле каждого
соединения (справа) каждый угол обозначает углерод
и присоединённые к нему атомы водорода.
Рис. 4.5. Четыре типа вариаций формы углеродного скелета
98 Г ЛАВА 4 Углерод и молекулярное разнообразие в живой природе
Хотя углеводороды не являются основным со-
ставляющим веществом живых организмов, мно-
гие органические молекулы содержат участки, по-
строенные только из атомов углерода и водорода.
Например, молекулы жиров имеют длинные угле-
водородные хвосты, присоединенные к неуглево-
дородному остову (рис. 4.6). Ни нефть, ни жиры не
растворяются в воде; и те и другие являются гид-
рофобными соединениями, поскольку большин-
ство их связей — относительно неполярные связи
между атомами углерода и водорода. Еще одной
характерной особенностью углеводородов явля-
ется то, что они могут вступать в реакции, при-
водящие к выделению большого количества энер-
гии. Например, углеводороды входят в состав
автомобильного топлива, а углеводородные хво-
сты жиров используются зародышами растений
(семенами) и животными для запасания энергии.
Изомеры
Разнообразие в строении органических моле-
кул можно рассмотреть на примере изомеров —
соединений с одинаковым числом атомов каждого
элемента, но обладающих различной структурой
Рис. 4.6. Место углеводородов в структуре жиров, (о) Жиро-
вые клетки (адипоциты) млекопитающих накапливают моле-
кулы жиров в качестве запасного источника энергии. На этой
цветной микрофотографии изображена часть человеческого
адипоцита со множеством жировых капелек, каждая из кото-
рых содержит большое количество молекул жиров, (б) Моле-
кула жира состоит из небольшого неуглеводородного фраг-
мента, присоединенного к трем углеводородным хвостам,
отвечающим за гидрофобные свойства жиров. Эти хвосты мо-
гут расщепляться для высвобождения энергии. (Обозначения:
черный — углерод; серый — водород; красный — кислород.)
Как углеводородные хвосты вли-
яют на проявление гидрофобного свойство жиров? (См. раз-
дел 3.2.)
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
и, следовательно, различными свойствами. Мы
рассмотрим три типа изомеров: структурные
изомеры, цис-транс-изомеры и энантиомеры.
Структурные изомеры отличаются тем, как
атомы связаны между собой. Например, срав-
ните два соединения с пятью атомами углерода
на рис. 4.7. У них одинаковая молекулярная фор-
мула CSH[2, но они отличаются структурой угле-
родного скелета, а именно порядком ковалент-
ных связей в нем. В одном соединении он прямой,
а в другом — ветвящийся. Количество возмож-
ных изомеров значительно возрастает с увеличе-
нием размера углеродного скелета. Существует
только три формы С_Н[2 (две из которых пред-
ставлены на рис. 4.7), и целых 18 вариантов С8Н[К
и 336 319 возможных изомеров СЭОН(2. Также
структурные изомеры могут отличаться располо-
жением двойных связей.
У цис-шрднс-изомеров (раньше их называ-
ли геометрическими изомерами) атомы угле-
рода образуют связи с одними и теми же атома-
ми, а различие в их расположении обусловлено
“жесткостью” двойной связи. Одинарные связи
между атомами углерода позволяют атомам сво-
бодно вращаться вокруг оси связи, а двойные —
наоборот, предотвращают такое вращение ато-
мов. Если два атома углерода имеют двойную
связь и к каждому атому углерода присоеди-
нены два различных атома (или две различ-
ные группы атомов), то возможно образо-
вание двух разных цис-транс-изомеров.
Для примера рассмотрим простую мо-
о лекулу из двух атомов углерода с двой-
g ной связью, где к каждому атому углеро-
да присоединены атомы Н и X (рис. 4.7,6).
Если оба атома X расположены на одной
§ стороне двойной связи, то такой изомер
ф
g называется цнс-изомером, а если X на-
ходятся по разные стороны двойной свя-
зи — транс-изомером. Небольшое различие
в форме таких изомеров может значительно
повлиять на биологическую активность органи-
ческого соединения. Например, под действием
света ретиналь (вещество, которое содержится в
клетках сетчатки глаза) из цис-изомера превраща-
ется в транс-изомер, и такое превращение явля-
ется биохимической основой для нашего зрения.
Еще один пример — транс-жиры, которые будут
рассмотрены в главе 5.
Энантиомеры — это изомеры, которые явля-
ются зеркальными отражениями друг друга. Они
Г ЛАВА 4 Углерод и молекулярное разнообразие в живой природе
99
отличаются по форме из-за наличия асимметри-
ческого атома углерода, который образует свя-
зи с четырьмя различными атомами или группа-
ми атомов. (Пример — центральный атом углерода
в модели на рис. 4.7, в) Четыре группы атомов мож-
но расположить в пространстве двумя способами,
а) Структурные изомеры
2-метилбутан
Пентан
Структурные изомеры отличаются положением атомов,
образующих ковалентную связь. На рисунке представлен
пример двух изомеров с молекулярной формулой С5Н12.
б) Цис-тронс-изомеры
X X
хс=сх
н н
Н X
Хс=сх
хх чн
причем обе структуры будут зеркально симметрич-
ны. В некотором смысле энантиомеры являются
право- и леворукими версиями одной молекулы.
Подобно тому как ваша правая рука не может пра-
вильно влезть в левую перчатку, правовращающая
молекула не может влезть в то же самое простран-
ство, что и левовращающая. Как правило, биоло-
гически активным является только один вариант
изомера, поскольку только он может связываться с
определенными молекулами в организме.
Понятие энантиомера важно для фармацевти-
ческой промышленности, потому что два энантио-
мера одного лекарственного вещества могут об-
ладать различной эффективностью, как в случае с
ибупрофеном и лекарством против астмы, альбу-
теролом (рис. 4.8). То, что энантиомеры по-разному
действуют на человеческое тело, свидетельству-
ет о чувствительности живых организмов даже к
незначительным изменениям в строении молекул.
На этом примере можно еще раз увидеть, что у мо-
лекул есть эмерджентные свойства, обусловлен-
ные особенностями расположения атомов.
Цис-изомер: два заместителя
(отмечены X) расположены
на одной стороне от двойной
связи.
7ранс-изомер: два
заместителя (отмечены X)
расположены по разные
стороны двойной связи.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 4.2
Цис-транс-изомеры отличаются друг от друга расположе-
нием атомов относительно двойной связи. На этих диаграм-
мах X обозначает атом или группу атомов, присоединенных
к углероду с двойной связью.
1.
2.
3.
4.
а) Нарисуйте структурную формулу С2Н4. б) На-
рисуйте транс-изомер С2Н2О2.
Какие молекулы на рис. 4.5 являются изомерами? Опреде-
лите тип изомерии для каждой пары.
Чем химически похожи бензин и жиры?
Может ли пропан (С3Н8) образовывать изомеры? Объясните.
ИЗОБРАЗИ!
L-изомер
D-изомер
Энантиомеры различаются пространственным расположе-
нием атомов или их групп вокруг асимметрического атома
углерода. В результате молекулы являются зеркальными
отражениями друг друга, как правая и левая рука. Показа-
нные на рисунке два изомера называют L- и D-изомером —
от лат. "левый" (levo) и “правый" (dextro). Энантиомеры не
могут быть наложены друг на друга.
Ответы см. в Приложении А.
Препарат Действия Эффективный энантиомер Неэффективный । энантиомер
Ибупрофен Уменьшает воспаление и боль S-ибупрофен /?-альбутерол
Альбутерол Расслабляет мышцы бронхов (дыхательных путей), облег- чая ток воздуха через дыха- тельные пути у больных астмой /?-ибупрофен S-альбутерол
© Pearson Education. Inc.
Рис. 4.7. Три типа изомеров — соединений с одинаковой мо-
лекулярной формулой, но различными структурами
Существуют три изомера с молекулярной фор-
мулой С5Н12; нарисуйте тот из них, который не изображен на
рисунке (а)
ИЗОБРАЗИ!
Рис. 4.8. Важность энантиомеров для фармакологии. Ибупро-
фен и альбутерол — препараты, энантиомеры которых обла-
дают разными свойствами. (Здесь буквы S и R используются
для различения энантиомеров.) Ибупрофен обычно прода-
ется в виде смеси двух энантиомеров. S-форма ибупрофена
в 100 раз более эффективна, чем /?-форма. Альбутерол син-
тезируют и продают только в виде /?-формы вещества; его
S-форма нейтрализует активную /?-форму
100 ГЛАВА 4 Углерод и молекулярное разнообразие в живой природе
4.3. Ряд химических групп
определяет функции молекул
Свойства органических молекул зависят не
только от строения их углеродного скелета, но
также и от присоединенных к нему химических
групп. Мы можем рассматривать углеводороды,
простейшие органические молекулы, как осно-
ву для более сложных органических молекул. Не-
сколько химических групп могут замещать один
или более атомов водорода в молекуле углеводо-
рода. Эти группы могут напрямую участвовать в
химических реакциях или вносить свой вклад в
функции молекул косвенно, за счет влияния на их
форму. Таким образом, они придают каждой мо-
лекуле уникальные свойства.
Наиболее важные
для жизни химические группы
Рассмотрим различия между молекулами
эстрадиола (тип эстрогена) и тестостерона. Эти
вещества являются соответственно женским и
мужским половыми гормонами у человека и дру-
гих позвоночных. Они относятся к группе стеро-
идов — органических молекул с одинаковым угле-
родным скелетом в форме четырех соединенных
колец. Эстрадиол и тестостерон отличаются друг
от друга только химическими группами, которые
присоединены к этим кольцам (представлены на
рисунке в краткой форме); на рисунке отличия в
структуре молекул выделены синим цветом:
То, что эти две молекулы по-разному действу-
ют на различные мишени1 по всему телу, служит
основой для половых различий между мужскими
и женскими особями позвоночных. В данном слу-
чае химические группы очень важны, поскольку
они определяют форму молекулы и ее функции.
1 Мишенями для гормонов в организме высших живот-
ных являются рецепторы, о которых будет подробнее рас-
сказано в главах 5 и 11.
В других случаях химические группы непо-
средственно участвуют в химических реакци-
ях; такие группы называют функциональными
группами. Каждая из них обладает определен-
ными свойствами, такими как форма и заряд, ко-
торые определяют характер ее участия в тех или
иных в химических реакциях.
Существует семь химических групп, наиболее
важных для биологических процессов: гидрок-
сильная, карбонильная, карбоксильная, тиольная
(сульфгидрильная), фосфатная и метильная груп-
пы, а также аминогруппа. Все из них, кроме ме-
тильной группы, могут участвовать в химических
реакциях, и все, кроме тиольной, являются ги-
дрофильными и поэтому увеличивают раствори-
мость органических соединений в воде. Метиль-
ная группа не вступает в химические реакции,
однако часто служит узнаваемой меткой биомоле-
кул. Изучите рис. 4.9, чтобы познакомиться с этими
биологически важными группами.
АТФ — важный источник энергии
для процессов в клетках
В строке с фосфатной группой на рис. 4.9 пред-
ставлен простейший пример молекулы, содер-
жащей органический фосфат. Примером более
сложного органического фосфата может являться
аденозинтрифосфат, или АТФ. АТФ состоит из
органической молекулы аденозина, соединенной
с цепочкой из трех фосфатных групп:
ООО
II II II г-----.
1 О—Р—О—Р—О—Р—О— Аденозин
I I I ---------
О" У
—----------------
Во всех молекулах, в которых фосфаты объе-
динены в цепочки, как, например, в АТФ, один
фосфат может быть отделен в результате реакции
с водой. Ион неорганического фосфата, НОРО,2,
называется фосфат-ионом и на страницах этой
книги обозначается как Pi, а фосфатная группа
в составе органической молекулы — как Р. Если
отделяется один фосфат, АТФ становится адено-
зиндифосфатом, или АДФ. Хоть и принято го-
ворить, что АТФ запасает энергию, правильнее
считать, что АТФ обладает способностью запа-
сать потенциал для реакции с водой. В процессе
этой реакции выделяется энергия, которая затем
Г ЛАВА 4 Углерод и молекулярное разнообразие в живой природе
101
Химическая группа Свойства группы и название соединения Примеры
Гидроксильная группа (—ОН) ф Л -ОН (может быть обозна- чена как НО—) Полярно из-за наличия в ней элек- троотрицательного кислорода. Образует водородные связи с водой, способствуя растворению таких соединений, как сахара. Название соединения: спирт, алкоголь (название обычно оканчивается на -ол) Н Н u _A_A_qu Этанол — спирт, содержащийся п । । в алкогольных напитках Н Н
Карбонильная группа 0)С=0) * р 1 4 А Сахара с кето-группами называют- ся кетозами, а сахара, содержащие альдегидные группы — альдозами. ( Название соединения: кетон (кар- бонильная группа находится внутри углеродной цепочки) или альдегид (карбонильная группа находится на конце углеродной цепочки) Н О Н Н Н о н-А-с-4-н н-i-i-O А А Н Ацетон — простейший кетон Пропаналь (пропио- новый альдегид) — альдегид
Карбоксильная группа (—СООН) • 1 1 хон Ведет себя как кислота (является донором Н+), поскольку ковалентная связь между кислородом и водоро- дом сильно полярно. Названия соединений: карбоновая кислота или органическая кислота н о о н-с-с" = Д н. А Хо Уксусная кислота — Ионизированная форма придает уксусу кислый вкус карбоксильной группы (карбоксилат-ион) — содержится в клетках
Аминогруппа (— NH2) f 4Ж -N Ведёт себя как основание; может захватывать Н+ из окружающего раствора (в живых организмах — из воды). Название соединения: амин О н н н 1 / 1 С—С—N + Н+ —+N-H нох А \ н Глицин — аминокислота Ионизированная форма (обратите внимание аминогруппы — содер- на его карбоксильную группу) жится в клетках
Сульфгидрильная группа (—SH) 4 —SH (может быть обозна- чена как HS—) Две -SH-группы могут взаимодейство- вать друг с другом с образованием дисульфидного мостика, который помогает стабилизировать структуру белков. Такие сшивки в белках волос поддерживают их прямую или волнис- тую форму. В парикмахерских исполь- зуются специальные средства долго- временной укладки, которые сначала разрывают такие мостики, а потом заново сшивают их. В результате во- лосы приобретают желаемую форму. Название соединения: тиол °Ч/°н 1_1_Д_Ги си Цистеин —серосодержащая м и ин2 г>н аминО|<ислота N нх хн
Фосфатная группас —ОРО32’) о И 0 ф -О-Р-О- Создает отрицательный заряд (1 — когда находится внутри цепочки фос- фатов, 2 — когда находится на её кон- це). Присоединяясь к молекуле, сооб- щает ей свойство взаимодействовать с водой с выделением энергии. Название соединения: органический фосфат ОН ОН Н О Глицерофосфат— III II принимает участие Н—С—С— С—О—Р—О’ во многих важных III | химических реакциях ННН О в клетках
Метильная группа (—СН3) J н Присоединяясь к ДНК или к связан- ным с ней белкам, влияет на экспрес- сию генов. Меняет структуру и функ- ции женских и мужских половых гормонов. Название соединения: метилиро- ванное соединение nh2 г 5-метилцитозин — компонент ДНК, который был модифициро- । || ван путем добавления метильной XL группы N Н А
Рис. 4.9. Некоторые биологически важные химические группы
используется клеткой. Более детально вы узнаете
об этом в главе 8.
Взаимодействует
с водой
Аденозин ] ------►©! + (ЁНЭ-ГАденозин |
+ Энергия
АТФ
Неорга-
нический
фосфат
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 4.3
1.
2.
3.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Что говорит название аминокислота о структуре такой мо-
лекулы?
Какое химическое превращение происходит с молекулой
АТФ, когда она взаимодействует с водой и выделяет энер-
гию?
Представьте, что у вас есть органическая
молекула, такая как цистеин (см. рис. 4.9, пример с тиоль-
ной группой), и вы химически удаляете -NH? группу и заме-
няете ее на -СООН. Нарисуйте структурную формулу этой
молекулы и предположите, какими химическими свойства-
ми она будет обладать. Был ли центральный атом углерода
асимметрическим до изменения функциональной группы?
Становится ли он асимметрическим после?
Химические элементы жизни:
резюме
Как вы уже узнали, живая материя состоит в
основном из углерода, кислорода, водорода и азо-
та, а также небольшого количества серы и фос-
фора. Все эти элементы образуют прочные ко-
валентные связи — основу структуры сложных
органических молекул. Среди них углерод являет-
ся чемпионом по образованию ковалентных свя-
зей. Универсальность углерода делает возможным
огромное разнообразие органических молекул,
каждая из которых обладает уникальными свой-
ствами за счет строения ее углеродного скелета и
присоединенных к нему химических групп. Такое
разнообразие на молекулярном уровне обеспечи-
вает основу для огромного биоразнообразия на-
шей планеты.
Ответы см. в Приложении А.
Обзор главы
РАЗДЕЛ 4.1. ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ - НАУКА,
ИЗУЧАЮЩАЯ СОЕДИНЕНИЯ УГЛЕРОДА
• Ранее считалось, что органические соединения об-
разуются только в живых организмах, но в итоге их
смогли синтезировать в лабораторных условиях.
• Живая материя состоит в основном из углерода,
кислорода, водорода и азота. Биологическое разно-
образие — результат способности углерода форми-
ровать огромное количество молекул с определен-
ными формой и свойствами.
Как эксперименты Стэнли Миллера подтвержда-
ют идею, что даже в живых организмах физические и
химические законы определяют протекание жизненных
процессов?
РАЗДЕЛ 4.2. АТОМЫ УГЛЕРОДА МОГУТ
ОБРАЗОВЫВАТЬ РАЗНООБРАЗНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ,
СВЯЗЫВАЯСЬ С ЧЕТЫРЬМЯ ДРУГИМИ АТОМАМИ
• Имея валентность, равную 4, углерод может свя-
заться со многими другими атомами, в том числе,
с О, Н и N. Атомы углерода могут также связывать-
ся друг с другом, образуя углеродные скелеты ор-
ганических соединений. Эти скелеты различаются
по форме и длине и имеют участки для взаимодей-
ствия с атомами других элементов.
• Углеводороды состоят из атомов углерода и водо-
рода.
• Изомерами называют соединения, имеющие одина-
ковую молекулярную формулу, но разную структу-
ру и, как следствие, свойства. Существует три типа
изомеров: структурные изомеры, цис-транс-мзо-
меры и энантиомеры.
Е Вернитесь к рис. 4.9. Каким типом изомеров явля-
ются ацетон и пропаналъ? Сколько асимметрических
атомов углерода в уксусной кислоте, глицине и глицеро-
фосфате? Могут ли эти три молекулы существовать
в виде энантиомеров?
Г ЛАВА 4 Углерод и молекулярное разнообразие в живой природе 103
РАЗДЕЛ 4.3 РЯД ХИМИЧЕСКИХ ГРУПП ОПРЕДЕЛЯЕТ
ФУНКЦИИ МОЛЕКУЛ
• Химические группы, присоединенные к углерод-
ным скелетам органических молекул, участвуют в
химических реакциях (функциональные группы)
или влияют на функции молекулы, изменяя ее фор-
му (см. рис. 4.9).
• АТФ (аденозинтрифосфат) состоит из аденози-
на, к которому присоединены три остатка фосфор-
ной кислоты. АТФ может взаимодействовать с во-
дой, образуя неорганическую фосфорную кислоту
и АДФ (аденозиндифосфат). В ходе этой реакции
выделяется энергия, которая может быть использо-
вана клеткой.
5. Выберите термин, правильно описывающий связь
между этими двумя молекулами сахара:
а) структурные изомеры |_|
б) цис-транс-изомеры в) энантиомеры I н-с-он I Н. с
г) изотопы с=о н—с—он
н-с-он I I н-с-он
н н
атом в этой молекуле является
6. Определите, какой
асимметрическим:
0 ОН н н н
\\ а I б I в I г I д
'С—С—С—С—С—Н
Взаимодействует
г__________ С водой _________
(ЕмРНРг| Аденозин I ---------► Аденозин | + Энергия
АТФ
Неорга-
нический
фосфат
| Как метильная группа отличается по своим хими-
ческим свойствам от других шести важных химиче-
ских групп, показанных на рис. 4.9?
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
7. Какая реакция может привести к образованию кар-
бонильной группы?
а) Замещение -ОН в карбоксильной группе на во-
дород.
б) Присоединение тиольной группы к гидроксильной,
в) Присоединение гидроксильной группы к фосфату,
г) Замещение азота в амине на кислород.
8. У какой из молекул, показанных на рисунке к вопро-
су 5, есть асимметрический атом углерода? Какой
именно атом углерода является асимметрическим?
1. Согласно современному определению, органиче-
ская химия — это:
а) наука о соединениях, которые образуются только
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
9.
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
ИЗОБРАЗИ!
Некоторые ученые предполагают, что
в живых клетках
где-то во Вселенной жизнь может быть построе-
б) наука о соединениях углерода
в) наука о естественных (а не искусственно синте-
зированных) соединениях
г) наука об углеводородах
2. Какая функциональная группа
не присутствует в этой молекуле?
а) Карбоксильная
б) Сульфгидрильная
в) Гидроксильная
г) Аминогруппа
ИС) /О
С '"н
I I
н-с-с-он
I I
N Н
на скорее на основе кремния, чем углерода, как на
Земле. Посмотрите на диаграмму распределения
электронов для кремния на рис. 2.7 и нарисуйте для
него точечную структуру Льюиса. Какие свойства у
кремния и углерода общие, и что делает кремние-
вую жизнь более вероятной, чем, к примеру, неоно-
вую или алюминиевую?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Какая химическая группа,
наиболее вероятно, отвечает за основные свойства
молекулы? (См. раздел 3.3.)
а) Гидроксильная
б) Карбонильная
в) Аминогруппа
г) Фосфатная
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
4. У какого из представленных ниже углеводородов
есть двойная связь в углеродном скелете?
а) С,Н8 в) С2Н4
б) С,нб г) С2н2
10. В 1960-е годы беременные
женщины, которым от утренней тошноты пропи-
сывали талидомид, рожали детей с врожденными
аномалиями. Талидомид представляет собой смесь
двух энантиомеров: один снижает утреннюю тош-
ноту, а второй вызывает серьезные врожденные де-
фекты. Сейчас управление по санитарному надзору
за качеством пищевых продуктов и медикаментов
(США) одобрило это лекарство для небеременных
женщин с болезнью Хансена (проказой) или множе-
ственной миеломой — видом рака крови и костно-
го мозга, который недавно научились диагностиро-
вать. Полезный энантиомер можно синтезировать и
использовать для лечения пациентам, но после не-
НАУЧНОЕИССЛЕДОВАНИЕ
которого срока приема какого-то одного изомера в
организме больного обнаруживают как полезный,
так и вредный энантиомеры. Дайте возможное объ-
яснение присутствию вредного энантиомера.
104 Г ЛАВА 4 Углерод и молекулярное разнообразие в живой природе
11. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ОРГАНИЗАЦИЯ”
В 1918 эпидемия сонной болезни вызывала ригидный
паралич у некоторых выживших, симптомы которого
были похожи на поздние стадии болезни Паркинсона.
Годы спустя, некоторым пациентам давали L-дигидрок-
сифенилаланин (см. рисунок ниже), лекарство от болез-
ни Паркинсона. L-дигидроксифенилаланин был доста-
точно эффективен в устранении симптомов паралича,
по крайней мере, временно. Тем не менее его энантио-
мер, D-дигидроксифенилаланин, не имел никакого до-
казанного эффекта, как и в случае болезни Паркинсо-
на. В коротком эссе опишите, как эффективность одного
энантиомера и неэффективность другого раскрывает
тему связи структуры и функции.
1-дофа D-дофа
Объясните, как химическое строение атома угле-
рода может отвечать за различия между самцом и
самкой льва, которых вы видите на фото.
Ответы см. в Приложении А.
Г ЛАВА 4 Углерод и молекулярное разнообразие в живой природе 105
Рис. 5.1. Почему структура белка влияет
на его функции?
ТЕМЫ ГЛАВЫ
Структура и функции
больших биологических
мол^®^
Макромолекулы — полимеры
построенные из мономеров
Углеводы служат в качестве
топлива и строительных
материалов
Липиды — группа разнообраз-
ных гидрофобных молекул
Структурное разнообразие
белков обуславливает широкий
спектр их функций
Нуклеиновые кислоты хранят
и передают наследственную
информацию, а также помогают
ей проявиться
Геномика и протеомика переве-
ли биологические исследова-
ния и их прикладное значение
на новый уровень
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
Молекулы жизни
Жизнь на Земле невероятно богата и многообразна,
поэтому может показаться удивительным, что самые
важные крупные молекулы во всех живых организмах —
от бактерий до слонов — можно разделить всего лишь на
четыре основных класса: углеводы, липиды, белки и нук-
леиновые кислоты. В молекулярном масштабе три из них
(углеводы, белки и нуклеиновые кислоты) — огромны, по-
этому они называются макромолекулами. Например, бе-
лок может состоять из тысяч атомов, которые образуют
молекулярный колосс с массой более чем 100 000 дальтон.
Несмотря на большой размер и сложность макромолекул,
биохимики определили подробную структуру большин-
ства из них. Изображение на рис. 5.1 — это молекулярная
модель белка под названием алкоголъдегидрогеназа, разру-
шающего алкоголь в организме.
Устройство больших биологических молекул оказыва-
ет существенное влияние на их функции. Подобно воде и
простым органическим соединениям, большие биологи-
ческие молекулы обладают уникальными эмерджентны-
ми свойствами, возникающими благодаря порядку рас-
положения их атомов. В этой главе сначала мы
рассмотрим, как устроены макромолекулы. Затем
мы изучим структуру и функции всех четырех
классов больших биологических молекул: углево-
дов, липидов, белков и нуклеиновых кислот.
5.1. Макромолекулы — полимеры,
построенные из мономеров
Макромолекулы трех из четырех классов жиз-
ненно важных органических соединений — угле-
воды, белки и нуклеиновые кислоты (в общем, все
за исключением липидов) — это цепочечные мо-
лекулы, называемые полимерами (от греч. polys —
“много” и meros — “часть”). Полимер представляет
собой длинную молекулу, которая состоит из мно-
жества похожих или одинаковых строительных
блоков, соединенных ковалентными связями. Их
строение напоминает поезд, состоящий из цепи
вагонов. Каждый “блок” — это молекула меньше-
го размера, мономер (от греч. monos — “одиноч-
ный”). Некоторые мономеры могут иметь и соб-
ственные функции, отличные от функций целого
полимера.
Синтез и распад полимеров
Хотя каждый класс полимеров состоит из раз-
личных типов мономеров, химические механизмы,
с помощью которых клетки синтезируют и разру-
шают полимеры, во всех случаях очень похожи.
В клетках эти процессы происходят с помощью
ферментов — специализированных макромоле-
кул, которые ускоряют протекание химических
реакций. Мономеры соединяются с помощью ре-
акции дегидратации — две молекулы ковалентно
связываются друг с другом, при этом теряется мо-
лекулы воды (рис. 5.2, а). Когда между двумя моно-
мерами происходит реакция и образуется связь, то
каждый мономер вносит свой вклад в возникно-
вение молекулы воды. Один мономер предостав-
ляет гидроксильную группу (-ОН), второй моно-
мер — водород (-Н). Данная реакция повторяется
по мере присоединения мономеров к цепочке, в ре-
зультате чего образуется полимер.
Полимеры распадаются на мономеры путем
гидролиза — процесса, противоположного ре-
акции дегидратации (рис. 5.2, б). Гидролиз означает
“разрушение молекулы воды” (от греч. hydro —
“вода” и lysis — “разрушение”). Связь между моно-
мерами в полимере разрушается из-за добавления
молекулы воды: водород из воды присоединяется
к одному мономеру, а гидроксильная группа —
к другому. Пример гидролиза в организме челове-
ка — процесс пищеварения. Основная масса орга-
нических веществ в нашей еде содержится в виде
полимеров, которые не могут проникнуть внутрь
клеток из-за своего большого размера. Однако в
пищеварительном тракте полимеры подвергают-
ся действию различных ферментов, ускоряющих
их гидролиз, и превращаются в мономеры, кото-
рые затем всасываются в кровь и распределяются
по всем клеткам нашего организма. Далее в клет-
ке происходит реакция дегидратации, благодаря
чему из этих мономеров собираются новые поли-
меры, которые, в свою очередь, могут выполнять
нужные клетке функции.
а) Реакция дегидратации: синтез полимера
Короткий полимер
При дегидратации происходит
удаление молекулы воды
и образование новой связи.
Длинный полимер
б) Гидролиз: распад полимера
При гидролизе молекула воды
присоединяется к полимеру,
что приводит к разрыву связи
между мономерами.
Рис. 5.2. Синтез и распад полимеров
Многообразие полимеров
В клетке находятся тысячи различных мак-
ромолекул. Их набор в разных типах клеток не-
одинаков. Наследуемые различия между близки-
ми родственниками (например, между братьями
и сестрами) отражают небольшие изменения
в полимерах, особенно в ДНК и белках. Меж-
ду неродственными индивидуумами молекуляр-
ные различия выражены сильнее, а между осо-
бями разных видов — еще сильнее. В живом
мире представлено огромное многообразие ма-
кромолекул, так как возможно существование
Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 107
практически бесконечного множества вариантов
их строения.
Что служит основой для подобного многооб-
разия полимеров? Биологические макромолеку-
лы состоят только из 40-50 общих мономеров и
некоторых других, встречающихся реже. Постро-
ение огромного множества полимеров из такого
ограниченного количества мономеров аналогично
построению сотен тысяч слов из 33 букв алфави-
та. Ключевым фактором является последователь-
ность мономеров в каждой конкретной макромо-
лекуле (это похоже на последовательность букв в
слове). Однако такая аналогия не полностью опи-
сывает огромное разнообразие макромолекул.
Большинство биологических полимеров содержат
в себе намного больше мономеров, чем число букв
в самых длинных словах. Например, белки состо-
ят из 20 аминокислот, расположенных в цепях, ко-
торые, как правило, имеют длину в сотни амино-
кислот. Молекулярная логика жизни проста, но
изящна: маленькие молекулы, общие для всех ор-
ганизмов, собираются в уникальные макромоле-
кулы.
Несмотря на огромное разнообразие, биологи-
ческие макромолекулы можно разделить на четы-
ре класса в соответствии с их структурой и функ-
циями. Давайте исследуем каждый из четырех
основных классов больших биологических моле-
кул. Обратите внимание, что полимеры каждого
класса обладают эмерджентными свойствами, ко-
торых нет у их отдельных “строительных блоков”.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 5.1
1.
2.
3.
Назовите четыре основных класса больших биологических
молекул. Какой из них не состоит из полимеров?
Сколько молекул воды потребуется для полного гидролиза
полимера, состоящего из десяти мономеров?
| Если вы съели рыбу, то какие реакции
должны произойти с аминокислотными мономерами рыб-
ного белка, чтобы они превратились в новый белок в вашем
организме?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
5.2. Углеводы служат
в качестве топлива
и строительных материалов
К углеводам относятся сахаря и полимеры са-
харов. Простейшими углеводами являются моно-
сахариды, или простые сахаря. Это мономеры, из
которых строятся более сложные углеводы. Дис-
ахариды — это “двойные сахара”, состоящие из
двух моносахаридов, соединенных ковалентной
связью. Макромолекулы углеводов — это полиме-
ры, которые называют полисахаридами. Они со-
стоят из множества “строительных блоков” — мо-
носахаридов.
Сахара
Моносахариды (от греч. monos — “одиноч-
ный” и sacchar — “сахар”) обычно имеют моле-
кулярную формулу, в которую входит несколько
групп 014,0. Наиболее распространенным моно-
сахаридом является глюкоза (CtH]2O6), которая
занимает центральное место в химии жизни. На
примере структуры глюкозы можно рассмотреть
характерные особенности сахаров: в их молекулах
всегда присутствует карбонильная группа (СО) и
несколько гидроксильных групп (-ОН) (рис. 5.3).
В зависимости от расположения карбонильной
группы моносахариды разделяют на альдозы (аль-
дегидные сахара) и кетозы (кетонные сахара). На-
пример, глюкоза является альдозой, а фрукто-
за, изомер глюкозы, представляет собой кетозу.
(Большинство названий для сахаров оканчива-
ются на “-оза”). Другим критерием для классифи-
кации моносахаридов служит длина углеродной
цепи, которая может варьировать от трех до семи
атомов. Глюкоза, фруктоза и другие моносахари-
ды, имеющие шесть атомов углерода в цепи, назы-
ваются гексозами. Также распространены триозы
(трехуглеродные моносахариды) и пентозы (пя-
тиуглеродные моносахариды).
Еще одна причина разнообразия строения
простых сахаров кроется в возможных вариаци-
ях расположения их частей относительно асим-
метрических атомов углерода. (Вспомните, что
асимметрическим называют тот атом углерода, к
которому присоединены четыре различных ато-
ма или группы атомов). Например, глюкоза и га-
лактоза отличаются только расположением не-
которых частей вокруг одного асимметрического
атома углерода (на рис. 5.3 такие атомы отмечены
фиолетовым цветом). Кажущееся небольшим раз-
личие приводит к тому, что два моносахарида име-
ют различную форму, а следовательно, и различ-
ные свойства.
Хотя глюкозу удобно изображать в виде ли-
нейного углеродного каркаса, такое представле-
ние не совсем корректно. Молекулы глюкозы в
108 Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
Альдозы
(альдегидосахара)
Карбонильная группа
расположена на конце
углеродного каркаса
Кетозы
(кетосахара)
Карбонильная группа
расположена внутри
углеродного каркаса
Триозы — трёхуглеродные сахара(С3Н6О3)
Н — он
н—он
I
н
Глицеральдегид
Первичный продукт
распада глюкозы
Н
Дигидроксиацетон
Первичный продукт
распада глюкозы
Пентозы — пятиуглеродные сахара (С5Н10О5)
Y
Н-С-ОН
Н— (L-OH
I
Н—С—он
Н— <!:—он
I
н
Рибоза
Компонент РНК
Н
I
н—С—ОН
I
с=о
Н— с—он
I
н—с—он
I
н—с—он
I
Рибулоза
Промежуточный продукт
фотосинтеза
Гексозы — шестиуглеродные сахара (С6Н12О6)
I
НО—с-н
н— <!:—он
I
н—с—он
I
н—с—он
I.
но —с—н
I
но — с—н
I
н—с—он
I
Н—С—он
Глюкоза Галактоза
Источники энергии
для организмов
I
н -С—ОН
н —с—он
I
н —с—он
Фруктоза
Источник энергии
для организмов
Рис. 5.3. Структура и классификация некоторых моносаха-
ридов. Сахара различаются расположением карбонильных
групп (отмечены оранжевым цветом), длиной углеродного
каркаса и пространственным расположением функциональ-
ных групп относительно асимметрических атомов углерода
(сравните, например, отмеченные фиолетовым цветом части
глюкозы и галактозы)
водных растворах образуют кольцевые структу-
ры, как и большинство других пяти- и шестиугле-
родных моносахаридов (рис. 5.4).
Моносахариды, особенно глюкоза, являются
основными питательными веществами для кле-
ток. В процессе, известном как клеточное ды-
хание, клетки получают от молекул глюкозы
энергию, которая высвобождается во время их
разрушения в серии реакций. Простые сахаря яв-
ляются не только топливом для работы клеток:
их углеродные скелеты служат в качестве строи-
тельного материала для синтеза других типов не-
больших органических молекул, таких как амино-
кислоты и жирные кислоты. Молекулы сахаров,
которые не были использованы для этих целей,
как правило, в виде мономеров включаются в со-
став дисахаридов или полисахаридов.
Молекула дисахарида состоит из двух моно-
сахаров, соединенных гликозидной связью —
это ковалентная связь, которая образуется меж-
ду двумя моносахаридами в результате реакции
дегидратации. Например, мальтоза — это диса-
харид, который получается при связывании двух
молекул глюкозы (рис. 5.5, а). Мальтоза также из-
вестна как солодовый сахар, который использу-
ется в пивоварении. Самым распространенным
дисахаридом является сахароза (столовый сахар).
В его состав входят два мономера — глюкоза и
фруктоза (рис. 5.5, б). В растениях углеводы пере-
носятся от листьев к корням и другим нефото-
синтезирующим частям именно в виде сахарозы.
Лактоза, молочный сахар, тоже является дисаха-
ридом, но в нем молекула глюкозы связана с моле-
кулой галактозы.
Полисахариды
Полисахариды — это макромолекулы, поли-
меры, состоящие из огромного количества (от не-
скольких сотен до нескольких тысяч) моноса-
харидов, соединенных гликозидными связями.
В 1970-х годах был разработан
способ преобразования глюкозы из кукурузного сиропа в бо-
лее сладкий изомер, фруктозу. Кукурузный сироп с высоким
содержанием фруктозы — распространенный ингредиент
безалкогольных напитков и полуфабрикатов. Он представляет
собой смесь глюкозы и фруктозы. К какому типу изомеров от-
носятся глюкоза и фруктоза? (См. рис. 4.7J
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 109
а) Линейная и кольцевая формы. Химическое равновесие между линейной и кольцевой
структурами значительно смещено в сторону образования колец. Атомы углерода в
сахаре пронумерованы от 1 до 6, как показано на рисунке. Для образования кольцевой
формы глюкозы углерод 1 (обозначен малиновым цветом) связывается с кислородом,
присоединенным к углероду 5 (обозначен синим).
б) Упрощенное изображение коль-
цевой структуры. Каждый угол обоз-
начает атом углерода. Утолщённое
ребро кольца обозначает то, что
это ребро ближе к наблюдателю.
Присоединенные к кольцу функци-
ональные группы расположены
сверху или снизу относительно
плоскости кольца.
ИЗОБРАЗИ!
Рис. 5.4. Линейная и кольцевая формы глюкозы
Начните с линейной формы фруктозы (см. рис. 5.3)
и изобразите образование кольцевой формы фруктозы в две ста-
дии. Сначала пронумеруйте атомы углерода, начиная с вершины
линейной структуры. Затем нарисуйте молекулу в такой же ори-
ентации, в которой находится глюкоза, изображенная в центре
(а), присоединив 5-й атом углерода через атом кислорода ко
2-му атому углерода. Сравните число атомов углерода в кольце-
вых формах фруктозы и глюкозы.
а) Реакция дегидратации в
синтезе мальтозы. Связы-
вание двух молекул глюкозы
приводит к образованию
мальтозы. 1-4-гликозидная
связь соединяет углерод 1
первой молекулы глюкозы
с углеродом 4 второй моле-
кулы глюкозы. Соединение
мономеров глюкозы иным
способом приведёт к обра-
зованию другого дисахарида.
б) Реакция дегидратации
в синтезе сахарозы.
Сахароза — это дисаха-
рид, образованный из
глюкозы и фруктозы.
Обратите внимание, что
фруктоза образует пяти-
членное кольцо, хотя яв-
ляется гексозой, как и
глюкоза.
ИЗОБРАЗИ!
Рис. 5.5. Примеры синтеза дисахаридов
Используя рис. 5.3 и 5.4, пронумеруйте атомы углерода в каждом саха-
ре но этом рисунке. Вставьте стрелки, соединяющие углероды, чтобы показать, как
их порядковые номера согласуются с названием каждой гликозидной связи.
Некоторые полисахариды служат в качестве запа-
сающих веществ, которые в случае необходимо-
сти могут подвергаться гидролизу и обеспечить
клетки сахаром. Другие полисахариды выступают
в качестве строительного материала для структур,
защищающих клетку или целый организм. Строе-
ние и функции полисахаридов определяются тем,
какие мономеры входят в их состав, а также рас-
положением гликозидных связей.
110 ГЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
Запасные полисахариды
Растения и животные хранят сахаря в виде за-
пасных полисахаридов (рис. 5.6) и используют их по
необходимости. Многие растения запасают крах-
мал. Это состоящий из мономеров глюкозы поли-
мер, который хранится в виде гранул в клеточных
структурах — пластидах (хлоропласты — один
из видов пластид). Благодаря производству крах-
мала растения могут запасать избыток глюкозы.
Поскольку глюкоза является основным клеточ-
ным топливом, то содержащий ее звенья крах-
мал выступает в качестве хранилища энергии
(или запасного вещества). При необходимости са-
хар извлекается из этого углеводного “банка” пу-
тем гидролиза, в процессе которого разрушаются
связи между мономерами глюкозы. Большинство
животных, включая людей, имеют ферменты, с
помощью которых растительный крахмал расщеп-
ляется на мономеры глюкозы, при этом высвобо-
ждается необходимая клеткам энергия. В рационе
человека основными источниками крахмала явля-
ются картофель и различные крупы.
Большинство мономеров глюкозы в крахма-
ле соединены 1-4-гликозидными связями (угле-
род 1 с углеродом 4), подобно молекулам глюко-
зы в мальтозе (см. рис. 5.5, а). Самая простая форма
крахмала — неразветвленная, она называется
амилозой. Амилопектин — более сложная форма
крахмала — представляет собой разветвленный
полимер с 1-6-связями в точках ветвления. Обе
формы крахмала представлены на рис. 5.6, о.
Животные запасают полисахарид, который на-
зывается гликогеном. Это полимер глюкозы, по-
хожий по строению на амилопектин, но еще более
разветвленный (рис. 5.6, б). Позвоночные хранят
гликоген преимущественно в печени и мышечных
Запасающие органеллы (пластиды),
содержащие гранулы крахмала,
Амилоза (неразветвленная)
в клетке клубня картофеля
Гликоген (разветвленный)
Молекула целлюлозы (неразветвленная)
0,5 мкм
в) Целлюлоза
1 мкм
б) Гликоген
Микрофибриллы целлюлозы
в клеточной стенке растения
Клеточная
стенка
4? Микрофибрилла (пучок
примерно из 80 молекул
М целлюлозы)
50 мкм
а) Крахмал
Гранулы
гликогена
в мышечной
ткани
Водородные связи между параллельными
целлюлозными молекулами удерживают
их вместе.
Растительная
клетка,
окруженная
клеточной
стенкой /
Мономер глюкозы
Амилопектин
(в некоторых местах разветвлен)
Рис. 5.6. Полисахариды растений и животных, (а) Крахмал, содержащийся в клетках растений, (б) гликоген, содержащийся в мышеч-
ных клетках, (в) структурные волокна целлюлозы в клеточных стенках растений — все представляют собой полисахариды, состоящие
полностью из мономеров глюкозы (зеленые шестиугольники). Неразветвленные участки полимерных цепей крахмала и гликогена, как
правило, образуют спирали, так как между молекулами глюкозы есть углы связей. Существует два вида крахмала: амилоза и амило-
пектин. Целлюлоза имеет отличный от крахмала тип связи между молекулами глюкозы, поэтому она всегда неразветвленная
Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 111
клетках. Гидролиз гликогена в этих клетках выс-
вобождает глюкозу, когда потребность в ней воз-
растает. Однако это запасное топливо не может
поддерживать животное в течение долгого време-
ни. Например, у людей запасы гликогена истоща-
ются примерно за день, если они не пополнятся за
счет потребления еды. Поэтому низкоуглеводная
диета может привести к слабости и утомлению.
Структурные полисахариды
Структурные полисахариды используются как
прочные строительные материалы в организме.
Например, полисахарид целлюлоза — основной
компонент плотных стенок, которые окружают
клетки растений (рис. 5.6, в). На планете растения
производят почти 1014 кг (100 миллиардов тонн)
целлюлозы в год. Это самое распространенное ор-
ганическое вещество на Земле.
Так же, как и крахмал, целлюлоза представля-
ет собой полимер глюкозы. Однако гликозидные
связи в этих полимерах отличаются друг от дру-
га. Разница основана на том, что глюкоза может
создавать два типа кольцевых структур (рис. 5.7, а).
Когда глюкоза образует кольцо, то присоединен-
ная к углероду 1 гидроксильная группа может рас-
полагаться снизу или сверху от плоскости этого
кольца. Две кольцевые формы глюкозы называют-
ся альфа (а) и бета (Р) соответственно. (Греческие
буквы часто используют для нумерации системы
различных вариантов биологических структур,
так же, как мы используем буквы (а, б, в и т.д.) для
обозначения частей вопроса или рисунка.) В крах-
мале все мономеры глюкозы обладают «-конфигу-
рацией (рис. 5.7, б), такое расположение можно уви-
деть на рис. 5.4 и 5.5. В противоположность этому, в
целлюлозе мономеры глюкозы находятся в Р-кон-
фигурации и перевернуты “вверх ногами” относи-
тельно своих соседей (рис. 5.7, в, см. также рис. 5.6, в).
Разные гликозидные связи в крахмале и цел-
люлозе обуславливают различия в трехмерной
структуре этих полимеров. Большая часть молекул
крахмала образует спирали, тогда как молекулы
целлюлозы остаются прямыми. Целлюлоза никог-
да не разветвляется, и некоторые гидроксильные
группы в мономерах глюкозы остаются свободны-
ми для водородной связи с гидроксилами других
молекул целлюлозы, расположенных параллельно.
В стенках клеток растений параллельные молекулы
целлюлозы, скрепленные подобным образом, объ-
единяются в единицы, называемые микроволокна-
ми (см. рис. 5.6, в). Такие канатоподобные микрово-
локна представляют собой прочный строительный
материал для растений. Целлюлоза — ценное ве-
щество и для людей, из нее производят бумагу и
ткани.
Ферменты, которые расщепляют крахмал с по-
мощью гидролиза его a-связей, не способны рас-
щеплять P-связи целлюлозы из-за того, что фор-
ма этих двух молекул различна. Известно, что
лишь немногие организмы обладают ферментами
для расщепления целлюлозы. Почти все живот-
ные, включая человека, не способны ее перевари-
а) Кольцевые структуры
а- и р-глюкозы.
Эти две взаимопревра-
щаемые формы глюкозы
отличаются друг от дру-
га расположением
гидроксильной группы,
присоединённой к атому
углерода под номером 1
(отмечена синим цветом).
Н ОН
а-глюкоза
Н-С-ОН
НО—С—Н
I
Н-С-ОН
I
Н-С-ОН
I
Н-С-ОН
I
н
р-глюкоза
ОН он он он
б) Крахмал: 1 -4 связь мономеров а-глюкозы.
Все мономеры находятся в одинаковой ориентации. Сравните поло-
жения ОН-групп, отмеченных жёлтым цветом, с их положением в цел-
люлозе на рисунке (в).
в) Целлюлоза: 1-4 связь мономеров р-глюкозы.
В целлюлозе каждый мономер р-глюкозы перевёрнут "вверх ногами"
относительно соседних молекул. (Обратите внимание на отмечен-
ные жёлтым цветом -ОН-группы.)
Рис. 5.7. Строение крахмала и целлюлозы
112 Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
вать. Поступающая в наш организм с пищей цел-
люлоза проходит через пищеварительный тракт и
выводится в неизменном виде вместе с фекалиями.
На этом пути целлюлоза трется о стенки пищева-
рительного тракта и стимулирует выделение слизи,
способствующей беспрепятственному прохожде-
нию пищи через тракт. Таким образом, хотя цел-
люлоза и не является для людей питательным ве-
ществом, она составляет важную часть здорового
рациона. Большинство фруктов, овощей и цельных
зерен богаты целлюлозой. Надпись “нераствори-
мые волокна” на упаковках продуктов обычно обо-
значает целлюлозу.
Некоторые микроорганизмы могут расще-
плять целлюлозу, разрушая ее до мономеров глю-
козы. Например, к такому превращению спо-
собны прокариоты и простейшие, обитающие в
кишечнике коровы. Они расщепляют целлюлозу
сена и травы и превращают глюкозу в другие пи-
тательные вещества, необходимые корове. Подоб-
ным образом термит не способен самостоятельно
Рис. 5.8. Хитин — структурный полисахарид
расщепить целлюлозу. Однако в его кишечнике
живут простейшие существа, прокариоты, кото-
рые могут преобразовать дерево в усвояемую для
термита форму. Некоторые почвенные (и не толь-
ко) грибы также способны расщеплять целлюлозу,
таким образом помогая перерабатывать химиче-
ские элементы в экосистемах Земли.
Еще один важный структурный полисаха-
рид — хитин. Этот углевод членистоногие (насе-
комые, пауки, ракообразные и др.) используют для
создания экзоскелета (рис. 5.8). Экзоскелет пред-
ставляет собой прочный остов, окружающий мяг-
кое тело животного. Он состоит из хитина, встро-
енного в слой белков. Сначала этот остов мягок и
похож на кожу, но когда белки химически связы-
ваются друг с другом (у насекомых), или в состав
включается карбонат кальция (у крабов), экзоске-
лет твердеет. Хитин был обнаружен и у грибов, ко-
торые используют его, а не целлюлозу, в качестве
строительного материала для своих клеточных
стенок. Хитин похож на целлюлозу, так как он по-
строен на P-связях. Отличие хитина от целлюло-
зы в том, что в хитине мономер глюкозы имеет до-
полнительную азотсодержащую группу (рис. 5.8).
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 5.2
1.
2.
3.
Напишите формулу моносахарида, у которого имеется
3 углерода.
В процессе реакции дегидратации объединение двух мо-
лекул глюкозы приводит к образованию мальтозы. Формула
глюкозы С6Н12О6. Напишите формулу мальтозы.
1 После того, как корове дали антибиотики
для лечения инфекции, ветеринарный врач также дает жи-
вотному напиток “кишечная культура", который содержит
различные прокариотические организмы. Почему это не-
обходимо?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
5.3. Липиды — группа разно-
образных гидрофобных молекул
Липиды — один из классов больших биологи-
ческих молекул, в состав которых не входят насто-
ящие полимеры. К тому же чаще всего липиды не-
достаточно большие, чтобы рассматривать их как
макромолекулы. Вещества, называемые липидами,
объединяют в одну группу, поскольку они облада-
ют одной важной чертой — плохо смешиваются с
водой, если вообще смешиваются. Гидрофобные
свойства липидов обусловлены их молекуляр-
ной структурой. Липиды состоят, в основном, из
Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 113
углеводородных участков, хотя в их составе могут
встречаться и полярные связи, в образовании ко-
торых участвует атом кислорода. Липиды разно-
образны по форме и функциям. К ним относятся
воски и некоторые пигменты, но мы рассмотрим
те типы липидов, которые играют самую важную
биологическую роль: жиры, фосфолипиды и сте-
роиды.
Жиры
Хотя жиры не являются полимерами в стро-
гом смысле слова, они представляют собой боль-
шие молекулы, собранные из более мелких моле-
кул путем реакции дегидратации. Жир состоит
из двух типов небольших молекул: глицерина (по
международной номенклатуре его называют гли-
церолом) и жирных кислот (рис. 5.9, а). Глицерин —
это спирт; каждый из трех его атомов углерода
несет гидроксильную группу. Жирная кислота
н —с—он
,1
н н н н
Н I Н I Н 1 Н I н
I н I н I н I н I
н н н н н
Жирная кислота
(в данном случае пальмитиновая кислота)
Глицерин
(глицерол)
а) Одна из трех реакций дегидратации в синтезе жиров
Эфирная связь
б) Молекула жира (триацилглицерола)
Рис. 5.9. Синтез и структура жира (триацилглицерола).
"Строительные блоки" молекулы жира — это одна молекула
глицерина и три молекулы жирных кислот, (а) В процессе при-
соединения каждой молекулы жирной кислоты к глицерину
высвобождается одна молекула воды, (б) Молекула жира с
тремя жирными кислотами, две из которых идентичны. Атомы
углерода в жирных кислотах расположены зигзагообразно,
чтобы отразить реальную ориентацию четырех одинарных
связей, ответвляющихся от каждого углерода (см. рис. 4.3, а)
имеет длинный углеродный каркас, обычно от 16
до 18 углеродных атомов в цепи. На одном из кон-
цов каркаса атом углерода входит в состав карбок-
сильной группы — функциональной группы, ко-
торая дает этим молекулам название — жирная
кислота. Остальной каркас представляет собой
углеводородную цепь. Относительно неполярные
С-Н-связи в углеводородных цепях жирных кис-
лот обеспечивают жирам гидрофобность. Жиры
отделяются от воды, потому что молекулы воды
связаны друг с другом водородными связями и от-
талкивают от себя жиры. Это также служит при-
чиной того, что растительное масло (жидкий жир)
отделяется от водного уксусного раствора в бу-
тылке заправки к салату.
Жиры состоят из трех молекул жирной кис-
лоты, каждая из которых присоединена к глице-
рину с помощью эфирной связи, образованной в
ходе реакции дегидратации между гидроксильной
и карбоксильной группами. Поэтому жир, также
называемый триацилглицерин (или триацилгли-
церол), состоит из трех жирных кислот, присоеди-
ненных к одной молекуле глицерина. (Также из-
вестно другое название жира — триглицерид. Это
слово часто используют при обозначении ингре-
диентов на упаковках продуктов.) Жирные кис-
лоты в жире могут быть либо одинаковыми, либо
двух или трех различных видов как на рис. 5.9, б.
Термины насыщенные жиры и ненасыщен-
ные жиры обычно используются в контексте пи-
тания (рис. 5.10). Эти определения указывают на
структуру углеводородных цепей жирных кис-
лот. Если в такой цепи нет двойных связей между
атомами углерода, тогда к каждому атому углеро-
да присоединяется максимально возможное ко-
личество атомов водорода. Подобные структуры
называют насыщенными водородом, и поэтому
получившиеся жирные кислоты называются на-
сыщенными жирными кислотами (рис. 5.10, а). В не-
насыщенные жирных кислотах атомы углерода
имеют двойную связь, поэтому они присоединя-
ют на один атом водорода меньше, чем атом угле-
рода с одинарной связью насыщенной жирной
кислоты. В ненасыщенной жирной кислоте может
быть одна или несколько двойных связей. Почти
все двойные связи в жирных кислотах, встреча-
ющихся в природе, являются цнс-связями. Когда
такая связь появляется в углеродной цепи, то воз-
никает изгиб (рис. 5.10,6). (Чтобы вспомнить о цис-
и трйнс-двойных связях, см. рис. 4.7, в.)
114 Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
Жиры, полученные из насыщенных жирных
кислот, называются насыщенными жирами. Боль-
шинство животных жиров — насыщенные: их
углеводородные цепи — “хвосты” молекул жира —
не имеют двойных связей. Они гибкие и могут
прилегать друг к другу очень плотно, поэтому на-
сыщенные животные жиры, такие как сало и сли-
вочное масло, при комнатной температуре остают-
ся) Насыщенные жиры
При комнатной температуре молекулы
насыщенного жира — например,
жира в сливочном масле—плотно
упакованы вместе и поэтому
образуют твёрдое вещество.
Структурная формула
молекулы насыщенного
жира: каждая углеводо-
родная цепь показана
в виде зигзагообразной
линии, где в углах распо-
ложены атомы углерода
(атомы водорода
не показаны).
Объёмная модель стеари-
новой кислоты (пример
насыщенной жирной кислоты):
красным цветом отмечены
атомы кислорода, чёрным —
атомы углерода, серым —
атомы водорода
б) Ненасыщенные жиры
При комнатной температуре упаковка
молекул ненасыщенных жиров, таких
как оливковое масло, оказывается
недостаточно плотной для их затверде-
вания. Это происходит из-за того, что
углеводородные цепи ненасыщенных
жирных кислот имеют изгибы.
Структурная
формула молекулы
ненасыщенного жира
н
н-i-o-c
I ?
Объёмная модель
олеиновой кислоты —
представителя ненасы-
щенных жирных кислот
Рис. 5.10. Насыщенные и ненасыщенные жиры и жирные
кислоты
ся твердыми. В отличие от них, жиры растений и
рыб, в основном, ненасыщенные. Это значит, что
они состоят из одного или нескольких типов нена-
сыщенных жирных кислот. Растительные и рыб-
ные жиры, которые называют маслами, при ком-
натной температуре обычно находятся в жидком
состоянии. Примерами могут быть оливковое мас-
ло или масло печени трески. Изгибы углеродного
скелета, вызванные наличием цнс-двойных связей,
препятствуют сильному сближению молекул масел
друг с другом и, соответственно, их затвердеванию
при комнатной температуре. Фраза “гидрогенизи-
рованные растительные жиры” на упаковках про-
дуктов означает, что ненасыщенные жиры искус-
ственно превратили в насыщенные жиры путем
добавления водорода. Например, арахисовое мас-
ло, маргарин и многие другие продукты гидроге-
низируют для предотвращения расслоения жиров
и их превращения в масло (жидкую форму).
Рацион, богатый насыщенными жирами, явля-
ется одним из факторов, способствующих разви-
тию сердечно-сосудистого заболевания, называе-
мого атеросклерозом. При атеросклерозе внутри
стенок кровеносных сосудов образуются отложе-
ния — бляшки, что приводит к появлению утолще-
ний внутри сосудов. Такие утолщения нарушают
ток крови в сосудах и уменьшают их эластичность.
Недавние исследования показали, что в процес-
се гидрогенизации растительных масел образу-
ются не только насыщенные, но и ненасыщенные
жиры с транс-двойными связями. Такие транс-жи-
ры еще больше повышают возможность развития
атеросклероза и других сердечно-сосудистых забо-
леваний, по сравнению с обычными насыщенные
жирами (см. главу 42). Поскольку транс-жиры осо-
бенно часто содержатся в выпечке и полуфабри-
катах, Министерство сельского хозяйства США
требует размещать на упаковках продуктов ин-
формацию о содержании в них транс-жиров. Не-
которые американские города и как минимум две
европейские страны, Дания и Швейцария, даже за-
претили использование транс-жиров для приго-
товления блюд в ресторанах и кафе.
Основной функцией жиров является запаса-
ние энергии. Углеводородные цепи в составе жи-
ров похожи на молекулы бензина и в такой же
степени богаты энергией. Один грамм жира со-
держит более чем в два раза больше калорий, чем
один грамм полисахарида (например, крахмала).
Поскольку растения относительно неподвиж-
ны, они способны функционировать и с таким
ГЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 115
объемным хранилищем энергии как крахмал.
(Растительные масла в основном получают из се-
мян — наиболее компактного хранилища энер-
гетического запаса растения). Животным же не-
обходимо двигаться вместе с запасом “топлива”,
поэтому для них более целесообразно иметь бо-
лее компактные хранилища энергии — например,
жиры. У людей и других млекопитающих долго-
срочные запасы энергии хранятся в клетках жи-
ровой ткани — адипоцитах (см. рис. 4.6, а). Когда
запасенный жир расходуется, эти клетки сжима-
ются. Помимо хранения энергии, жировые тка-
ни выполняют и другие функции. Например, они
амортизируют механические воздействия на жиз-
ненно важные органы (например, почки). Кроме
того, подкожный слой жира обеспечивает тепло-
изоляцию тела. Особенно толстый жировой слой
у китов, тюленей и многих других морских млеко-
питающих — он защищает их от холодной мор-
ской воды.
Фосфолипиды
Согласно имеющейся в настоящее время ин-
формации, клетки не могут существовать без еще
одного типа липидов — фосфолипидов, основных
составляющих клеточных мембран. Их структу-
ра — классический пример того, как форма мо-
лекулы определяет свойства вещества. На рис. 5.11
видно, что фосфолипид имеет сходство с моле-
кулой жира, но в нем к глицерину присоединены
только две жирных кислоты, а не три. К третьей
гидроксильной группе глицерина добавляется
фосфатная группа, которая в клетке имеет отри-
цательный электрический заряд. Как правило, к
фосфатной группе присоединена небольшая заря-
женная или полярная молекула. Один из приме-
ров таких молекул — холин (рис. 5.11). Кроме холи-
на, существует много других молекул, способных
соединяться с фосфатом в составе фосфолипи-
дов. Разнообразие таких молекул позволяет об-
разовывать множество фосфолипидов, отличаю-
щихся друг от друга.
Два конца молекулы фосфолипида ведут себя
неодинаково по отношению к воде. Углеводород-
ные хвосты гидрофобны, вода их отталкивает. Од-
нако фосфатная группа и присоединенные к ней
небольшие молекулы образуют гидрофильную го-
ловку, имеющую сродство к воде. Когда фосфоли-
пиды добавляют в воду, они самопроизвольно со-
бираются в двухслойные структуры, называемые
бислоем, таким образом, что гидрофобные участ-
ки их молекул не соприкасаются с водой (рис. 5.11, г).
На поверхности клетки фосфолипиды обра-
зуют похожие бислои. Гидрофильные головки
молекул располагаются снаружи бислоя и нахо-
дятся в контакте с водными растворами внутри
и снаружи клетки. Гидрофобные хвосты спрята-
ны от воды внутри бислоя. Фосфолипидные слои
Рис. 5.11. Структура фосфолипида. Фосфолипид имеет гид-
СН2 -N(CHj)3
снл_____
о
I
0=Р-0-
I
о
с^-сн-сЧ’ Р"“р--Н-
о о ________
I I____________________
С = 0 с —о
а) Структурная формула
Холин
Фосфат
ИЗОБРАЗИ!
б) Объемная модель
рофильную (полярную) головку и два гидрофобных (неполяр-
ных) хвоста. В состав данного фосфолипида, называемого
фосфатидилхолином, входит молекула холина, присоединен-
ная к фосфатной группе. Здесь представлены: (а) структурная
формула, (б) пространственная модель (желтым цветом отме-
чен фосфор, синим — азот), (в) обозначение фосфолипида в
данной книге, (г) структура бислоя, образованного путем са-
мосборки фосфолипидов в водном растворе
Покажите на объемной модели гидрофильную
головку.
©Pearson Education, Inc.
-----Гидрофильная
головка
Гидрофобные
хвосты
в) Обозначение
фосфолипида
г) Фосфолипидный бислой
116 Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
образуют границу между клеткой и ее внешним
окружением; по сути, существование клеток зави-
сит от свойств фосфолипидов.
Стероиды
Стероиды — это липиды, углеродный каркас
которых состоит из четырех конденсированных
колец. Стероиды отличаются друг от друга кон-
кретными химическими группами, которые при-
соединены к группе колец. Холестерин, один из
стероидов, является ключевой молекулой в жизни
животных (рис. 5.12). Холестерин — распространен-
ный компонент мембран животных клеток, а так-
же вещество-предшественник, из которого син-
тезируются другие стероиды, например половые
гормоны позвоночных. У позвоночных холесте-
рин образуется в печени, а также попадает в ор-
ганизм с пищей. Высокий уровень холестерина в
крови может способствовать развитию атероскле-
роза. На самом деле, как насыщенные жиры, так
и транс-жиры оказывают негативное влияние на
здоровье, так как воздействуют на уровень холе-
стерина.
Рис. 5.12. Холестерин, стероид. Холестерин — молекула, на
основе которой синтезируются другие стероиды, в том числе
половые гормоны. Стероиды отличаются друг от друга хими-
ческими группами, присоединенными к их четырем конден-
сированным кольцам (отмечены желтым)
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Сравните холестерин с половыми
гормонами, показанными на рисунке в начале раздела 4.3.
Отметьте функциональные группы, общие для холестерина и
эстрадиола, о также функциональные группы, общие для хо-
лестерина и тестостерона.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 5.3
1.
2.
3.
Сравните структуру жира (триглицерида) со структурой
фосфолипида.
Почему половые гормоны человека считаются липидами?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Представьте себе, что каплю масла окру-
жает такая же мембрана, как и на поверхности клеток жи-
вотных и растений. Опишите, какую форму могла бы иметь
такая мембрана? Объясните свой ответ.
Ответы см. в Приложении А.
5.4. Структурное разнообразие
белков обуславливает широкий
спектр их функций
Почти каждый активный процесс, протекаю-
щий в живом организме, зависит от белков. Важ-
ность белков, или протеинов, подчеркивается на-
званием, которое произошло от греческого слова
proteios — “первый” или “первичный”. Белки со-
ставляют более 50% сухой массы большинства
клеток, и они вовлечены практически во все про-
цессы, происходящие в организмах. Одни белки
ускоряют химические реакции, тогда как другие
играют важную роль в защите клеток, хранении
энергии, транспорте веществ, сообщении между
клетками, а также в движении или поддержании
структуры клеток. На рис. 5.13 представлены при-
меры белков с перечисленными функциями. Все
эти функции мы подробнее рассмотрим в следу-
ющих главах.
Жизнь была бы невозможна без ферментов,
большинство из которых являются белками. Бел-
ки-ферменты регулируют обмен веществ, дей-
ствуя как катализаторы — химические агенты,
которые выборочно ускоряют химические реак-
ции, но сами в ходе этих реакций не изменяют
свою структуру. Поскольку ферменты могут мно-
гократно выполнять свои функции, эти молекулы
можно считать “рабочими лошадками”, которые
поддерживают работу клетки, осуществляя про-
цессы жизнедеятельности.
В теле человека содержатся десятки тысяч
различных белков, каждый из которых обладает
специфической структурой и функцией. На самом
деле, из всех известных молекул белки — самые
сложно устроенные. Белки выполняют огромный
ряд задач в организме, поэтому их структуры зна-
чительно различаются в зависимости от функ-
ции — каждый конкретный белок имеет уникаль-
ную трехмерную структуру.
Несмотря на такое разнообразие белков, все
они состоят из одинакового набора 20 аминокис-
лот, соединенных между собой в неразветвленные
полимеры. Связь между двумя аминокислота-
ми называется пептидной связью, поэтому поли-
мер, состоящий из аминокислот, называется по-
липептидом. Белок — это биологически активная
молекула, состоящая из одного или более поли-
пептидов, каждый из которых уложен и свернут в
специфическую трехмерную структуру.
Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 117
Белки-ферменты
Защитные белки
Функция: Выборочное ускорение химических реакций
Пример: Пищеварительные ферменты катализируют гидролиз
связей молекул в составе пищи.
Запасающие белки
Функция: Хранение аминокислот
Примеры: Казеин, белок молока, является основным источником
аминокислот для детёнышей млекопитающих. Растения содер-
жат запасающие белки в своих семенах. Овальбумин — протеин ।
яичного белка, используемый в качестве источника аминокислот
для развивающегося зародыша.
Белки-гормоны
Функция: Координация функций организма
Пример: Инсулин, гормон, выделяемый поджелудочной железой,
заставляет другие ткани поглощать глюкозу, тем самым регулируя
концентрацию сахара в крови.
Функция: Защита от заболеваний
Пример: Антитела обезвреживают вирусы и бактерии и помо-
гают уничтожить их.
Транспортные белки
Функция: Транспорт веществ
Примеры: Гемоглобин, железосодержащий белок крови позво-
ночных, переносит кислород из лёгких к другим частям организ-
ма. Другие белки переносят молекулы через мембрану, как по-
казано на рисунке.
Рецепторные белки
Функция: Ответ клетки на химические стимулы
Пример: Рецепторы, встроенные в мембрану нервной клетки,
распознают сигнальные молекулы, выделяемые другими нер-
вными клетками.
-г" -
Высокий
сахар в крови
Выделяется
инсулин
Нормальный
уровень сахара
в крови
Сигнальные
молекулы
Рецепторный
белок
Сократительные и моторные белки
Функция: Движение
Примеры: Моторные белки отвечают за волнообразные движе-
ния ресничек и жгутиков. Белки актин и миозин отвечают за со-
кращение мышц.
Структурные белки
Функция: Под держание формы клеточных структур
Примеры: Кератин — это белок волос, рогов, перьев и других
производных кожи. Насекомые и пауки используют шёлковые
волокна для создания своих коконов и паутин соответственно.
Белки коллаген и эластин создают волокнистый каркас
соединительных тканей животных.
Актин Миозин
Мышечная ткань 'ор л..г..1
du IviKivi
Рис. 5.13. Обзор функций белков
Соединительная
L
Мономеры белков — аминокислоты
Все аминокислоты имеют сходное строение.
Аминокислота — это органическая молекула, в со-
ставе которой есть как аминогруппа, так и карбок-
сильная группа (см. рис. 4.9). На рисунке изображена
общая формула аминокислоты. В “центре” молеку-
лы аминокислоты расположен асимметрический
атом углерода, который называется альфа (а) ато-
мом углерода. К нему присоединены четыре раз-
личных заместителя: аминогруппа, карбоксильная
118 Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
Боковая цепь (радикал)
| ГС | а-атом
“ углерода
н\ '/
N—С—С
HZ । ХОН
п
Амино- Карбоксильная
группа группа
группа, атом водорода и одна из нескольких воз-
можных групп, условно обозначаемая символом R.
R-группа, также называемая боковой цепью или ра-
дикалом, у каждой аминокислоты своя.
На рис. 5.14 изображены 20 аминокислот, кото-
рые клетка использует для синтеза тысяч белков.
Здесь все амино- и карбоксильные группы изобра-
жены в ионизированной форме — так же, как они
существуют при естественном уровне pH в клетке.
Физические и химические свойства боковых
цепей (групп) определяют уникальную характери-
стику каждой аминокислоты, что обуславливает ее
функцию в полипептиде. На рис. 5.14 аминокислоты
сгруппированы в соответствии со свойствами их
боковых цепей. В одну группу входят аминокисло-
ты с неполярными гидрофобными боковыми це-
пями, в другую — аминокислоты с полярными ги-
дрофильными боковыми цепями. Отрицательный
заряд ионов кислых аминокислот чаще всего обу-
словлен наличием карбоксильной группы в составе
их боковых цепей. При pH, обычном для внутрен-
ней среды клетки, карбоксильные группы находят-
ся в растворе в ионизированной форме: они дис-
социированы на ион водорода и -СОО“. В состав
боковых цепей основных аминокислот входят ами-
ногруппы, которые обычно имеют положительный
заряд. (Заметьте, что все аминокислоты обладают
карбоксильными группами и аминогруппами; тер-
мины кислые и основные в данном контексте имеют
отношение только к группам в боковых цепях.) По-
скольку кислые и основные боковые цепи облада-
ют зарядом, они тоже гидрофильны.
Полипептиды (полимеры аминокислот)
Теперь, когда мы изучили аминокислоты, да-
вайте посмотрим, как они соединяются между со-
бой при образовании полимеров (рис. 5.15). Когда две
аминокислоты располагаются таким образом, что
карбоксильная группа одной аминокислоты нахо-
дится близко к аминогруппе другой, они могут со-
единиться друг с другом при помощи реакции де-
гидратации, во время которой отделяется молекула
воды. Образовавшаяся ковалентная связь называ-
ется пептидной связью. Этот процесс многократно
повторяется, и в итоге получается полипептид —
полимер, состоящий из множества аминокислот,
соединенных пептидными связями.
Повторяющаяся последовательность атомов,
выделенная на рис. 5.15 фиолетовым, называется по-
липептидным остовом белка. Ответвления этого
остова — это различные боковые цепи (радика-
лы) аминокислот. Полипептид может иметь длину
всего в несколько аминокислот, а может содержать
и более тысячи элементов. Каждый конкретный
полипептид обладает уникальной линейной по-
следовательностью аминокислот. Обратите вни-
мание, что один из концов полипептидной цепи
имеет свободную аминогруппу, а другой конец
цепи — свободную карбоксильную группу. Таким
образом, полипептид любой длины имеет один
амино-конец (N-конец) и один карбоксильный
конец (С-конец). В каждом более-менее длинном
полипептиде боковых цепей гораздо больше, чем
концевых групп. Поэтому химическая природа та-
ких молекул определяется видом и последователь-
ностью боковых цепей. Огромное разнообразие
полипептидов в природе иллюстрирует важную
идею, озвученную ранее: клетка способна образо-
вывать много видов полимеров, объединяя огра-
ниченный набор мономеров в разнообразные по-
следовательности.
Структура и функции белков
Специфические функции белков являются
следствием их сложного трехмерного устройства,
самый простой уровень которого представляет
собой последовательность из аминокислот. Од-
ним из пионеров в определении аминокислотной
последовательности белков стал Фредерик Сен-
гер, который в конце 1940-х — начале 1950-х го-
дов изучал гормон инсулин вместе со своими кол-
легами из Кембриджского университета (Англия).
Он использовал вещества, которые разрушают по-
липептиды в определенных местах, а затем с по-
мощью химических методов определял амино-
кислотную последовательность этих небольших
фрагментов. Сенгер и его коллеги после несколь-
ких лет работы смогли полностью реконструиро-
вать аминокислотную последовательность инсу-
лина. В настоящее время все стадии, необходимые
для определения последовательности полипепти-
да, стали автоматизированы.
Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 119
С неполярными боковыми цепями, гидрофобные
Боковая группа
(радикал)
н
сн3 сн3
KN+ —С—С—О"
CH,
——I —
H3N+ —с—C—O’
H,N* —C—C—O’
3 I II
H 0
сн, сн,
CH,
I
H3N‘ —С—C—0-
НоС—<
H.N’ —С—C-
I II
H 0
н О
н о
н о
Глицин
(Gly или G)
Аланин
(А1а или А)
Валин
(Vai или V)
Лейцин
(Leu или L)
Изолейцин
(Не или I)
H3N+
сн3
S
сн2
сн2
H,N* — С— С— О-
з I II
—о-
H,N+ —С—C—O’
I II
H 0
н2с
h2n*
сн2
' \и2
—С— С— О'
Метионин
(Met или М)
Фенилаланин
(Phe или F)
Триптофан
(Тгр или W)
Пролин
(Pro или Р)
н о
Н О
н о
С полярными боковыми цепями, гидрофильные
ОН
SH
сн
Поскольку полярность цистеина
слабо выражена, его иногда относят
к неполярным аминокислотам.
NH, О
nh2 о
V
H3N* —С—С—О"
3 I II
н о
H3N+ —С—C
I в
H о
H,N’ —С—c—cr
3 I II
H 0
H3N‘
CH2
H3N* — C—C— 0"
I II
H 0
CH2
H,N* — С— С— 0"
3 I II
H 0
н о
Серин
(Ser или S)
Треонин
(Thr или Т)
Цистеин
(Cys или С)
Тирозин
(Туг или Y)
Аспарагин
(Asn или N)
Глутамин
(Gin или Q)
С электрически заряженными боковыми цепями, гидрофильные
Основные (положительно заряженные)
Кислые (отрицательно заряженные)
NH *
О- о
с'°
J Г2
c=nh2*
NH
.ch,
h3n* —C-
н о
•С“0-
сн2
сн2
H3N+ — С— С— 0‘
ся,
•с
н о
H3N+ —C
H 6
CH,
CH,__
H,N* —С—C—O’
I II
H 0
l_fr I
H,N* —С—C—O-
I II
H о
Аспарагиновая
кислота
(Asp или D)
Глутаминовая
кислота
(Glu или Е)
Лизин
(Lys или К)
Аргинин
(Arg или R)
Гистидин
(His или Н)
Рис. 5.14. Двадцать аминокислот белков. Аминокислоты здесь сгруппированы в соответствии со свойствами их боковых цепей (ра-
дикалов) и представлены в ионной форме, преобладающей при pH 7,2, соответствующем значению pH внутри клетки В скобках
приведены трех- и одно-буквенные сокращения названий аминокислот. Все аминокислоты, которые встречаются в белках, являют-
ся L-энантиомерами (см. рис. 4.7, в)
120 Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
Рис. 5.15. Образование полипептидной цепи. Пептидные свя-
зи образуются в результате реакции дегидратации, которая
соединяет карбоксильную группу одной аминокислоты с
аминогруппой другой аминокислоты. Пептидные связи обра-
зуются поочередно, начиная с аминокислоты на амино-кон-
це (N-конце). Полипептид имеет повторяющийся остов (выде-
лен фиолетовым цветом), к которому присоединены боковые
цепи аминокислот (выделены желтым и зеленым)
ИЗОБРАЗИ!
Назовите три аминокислоты в верхней части ри-
сунка, используя трех- и однобуквенные символы. Отметьте
карбоксильную группу и аминогруппу, которые будут участво-
вать в образовании новой пептидной связи.
Если мы узнали последовательность аминокис-
лот в полипептиде, то что можно понять о трехмер-
ной структуре (чаще говорят просто “структура”)
белка и его функциях? Термин полипептид — не
синоним термина белок. Даже если белок состоит
из одного полипептида, соотношение между ука-
занными понятиями такое же, как у длинной нити
пряжи и свитера, который можно связать из этой
нити. Работающий белок — это не просто поли-
пептидная цепь. Белок — это один или несколько
полипептидов, уложенных определенным образом
в молекулу уникальной формы. Существует не-
сколько уровней структурной организации белко-
вых молекул. Каждый уровень можно представить
в виде модели, как показано на рис. 5.16. Именно
аминокислотная последовательность каждого по-
липептида определяет, какую трехмерную струк-
туру будет иметь белок в условиях, типичных для
живой клетки.
После того, как клетка синтезировала поли-
пептид, цепь самопроизвольно сворачивается,
принимая ту или иную конформацию (простран-
ственную структуру), которая и определяет функ-
цию будущего белка. Этот процесс называется
фолдингом.1 Фолдинг осуществляется за счет об-
разования различных связей между частями по-
липептидной цепи, что, в свою очередь, зависит
от специфики ее аминокислотной последователь-
ности. В дальнейшем трехмерная структура под-
держивается благодаря таким связям. Одни белки
по форме напоминают шары (глобулярные белки),
а другие выглядят как длинные волокна (фибрил-
лярные белки). Даже внутри этих категорий суще-
ствует бесчисленное количество вариантов уклад-
ки полипептидных цепей.
Структура белка определяет то, как он работа-
ет. Почти в каждом случае функция белка зависит
от его способности распознавать другие молеку-
лы и связываться с ними. На рис. 5.17 представлен
особенно яркий пример тесной взаимосвязи стро-
ения и функции белка. Здесь показано точное со-
ответствие форм антитела (белок в организме) и
определенной структуры на поверхности чуже-
родного для организма агента — вируса гриппа.
Связываясь с этой структурой, антитело как бы
помечает вирус для последующего уничтожения.
В главе 43 вы узнаете больше о том, как иммун-
ная система производит антитела, идеально под-
ходящие по форме к конкретным инородным ве-
ществам. Также вы можете вернуться к главе 2 и
вспомнить о том, что природные сигнальные мо-
лекулы, называемые эндорфинами, связывают-
ся со специфическими белковыми рецепторами,
расположенными на поверхности клеток мозга
человека, вызывая тем самым чувство эйфории
и снижая болевые ощущения. Морфин, героин
и другие опиаты способны имитировать эндор-
фины, поскольку все они имеют похожую форму
и поэтому могут связываться с эндорфиновыми
рецепторами в мозге. Это взаимодействие очень
специфично и похоже на то, как ключ вставляется
в замок (см. рис. 2.16). Таким образом, функции бел-
ков — например, белкового рецептора, который
1 От англ, folding — “сворачивание”, “укладка”. — Примеч. ред.
ГЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 121
а) Ленточная диаграмма показывает,
каким образом одиночная полипеп-
тидная цепь укладывается и скручива-
ется для образования функциональ-
ного белка. (Жёлтыми линиями показаны
дисульфидные мостики, которые стаби-
лизируют конформацию белка.)
б) Объёмная модель более наглядно пока-
зывает глобулярную форму, характерную
для многих белков, а также специфичес-
кую трёхмерную структуру, уникальную
для лизоцима.
В) На данном рисунке ленточная модель
наложена на каркасную модель, ко-
торая показывает остов белка с отхо-
дящими от него боковыми цепями.
Жёлтым цветом обозначена структура
молекулы-мишени.
Рис. 5.16. Структура белка-фермента лизоцима. Присутствующий в нашем поте, слезах и слюне лизоцим — фермент, который по-
могает предотвратить инфекции, связываясь со специфическими молекулами на поверхности многих бактерий и катализируя раз-
рушение этих молекул. Желобок — это часть белка, которая распознает молекулы-мишени на стенках бактерий и связывается с
этими мишенями
Белок-антитело Белок вируса гриппа
Рис. 5.17. Связывание антитела с белком вируса гриппа. Для
создания компьютерной модели белка-антитела (слева, изо-
бражен синим и оранжевым цветами), связанного с белком
вируса гриппа (справа, изображен зеленым и желтым цвета-
ми) был использован метод рентгеновской кристаллографии.
Затем изображения поставили рядом друг с другом с помо-
щью компьютерного моделирования, и в результате оказа-
лось, что конформации двух белковых поверхностей точно
соответствуют друг другу
связывается с определенной сигнальной молеку-
лой для облегчения боли, — это эмерджентные
свойства, обусловленные их высокоспецифичны-
ми молекулярными последовательностями.
Четыре уровня структурной
организации белков
Чтобы понять, как работает белок, часто сто-
ит начать с изучения его структуры. Несмотря на
огромное разнообразие белков, для всех них ти-
пичны три уровня структурной организации —
первичной, вторичной и третичной. Четвертый
уровень, четвертичная структура, возникает, если
белок состоит из двух или более полипептидных
цепей. На рис. 5.18 описаны четыре уровня органи-
зации белковой структуры. Советуем вам внима-
тельно изучить этот рисунок перед тем, как пере-
ходить к следующим разделам.
122 ГЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
Серповидно-клеточная анемия: изменения
в первичной структуре
Даже небольшое изменение первичной струк-
туры может повлиять на форму и функции бел-
ка. Например, серповидно-клеточная анемия,
наследственное заболевание крови, возникает
вследствие замены одной аминокислоты (валина)
на другую аминокислоту (глутаминовую кислоту)
в определенном положении в первичной структу-
ре гемоглобина — белка красных кровяных кле-
ток, переносящего кислород. Нормальные красные
кровяные клетки имеют двояковогнутую форму,
но при серповидно-клеточной анемии аномаль-
ные молекулы гемоглобина склонны к слипанию
в цепи. Когда происходит такое слипание, крас-
ные кровяные клетки приобретают форму сер-
па (рис. 5.19). У больного периодически возникает
“серповидно-клеточный криз”, когда клетки непра-
вильной формы закупоривают крошечные кро-
вяные сосуды, блокируя кровоток. Это показа-
тельный пример того, как небольшое изменение в
структуре белка может существенно нарушить его
функции.
Что определяет структуру белка?
Вы уже знаете, что каждый белок обладает
специфическими функциями за счет своей уни-
кальной структуры. Но какие факторы обуславли-
вают структуру белка? Большая часть ответа нам
уже известна: трехмерная форма полипептидной
цепи с конкретной аминокислотной последова-
тельностью определяется взаимодействиями, ко-
торые создают вторичную и третичную структуру
белка. Фолдинг белка обычно происходит по мере
его синтеза во внутриклеточном пространстве, за-
полненном множеством веществ, при содействии
других белков. Однако структура белка также за-
висит от окружающих его физических и химиче-
ских условий. Изменения значений pH, концен-
трации солей, температуры или других аспектов
внешней среды могут привести к тому, что сла-
бые химические связи и взаимодействия внутри
белка будут разрушаться. Это приведет к “распу-
тыванию” белка и потере его естественной фор-
мы. Такие изменения называются денатурацией
(рис. 5.20). Потеряв свою форму, денатурированные
белки становятся биологически неактивными.
Большинство белков денатурируют, если их
поместить из водной среды в неполярный рас-
творитель, например, в эфир или хлороформ. По-
липептидная цепь разворачивается так, что ее
гидрофобные участки выставляются наружу и со-
прикасаются с молекулами растворителя. К дру-
гим денатурирующим агентам относятся химиче-
ские вещества, которые разрушают водородные
связи, ионные связи и дисульфидные мостики,
участвующие в поддержании формы белка. Также
денатурация может происходить из-за чрезмер-
ного нагрева, что приводит к разрушению слабых
взаимодействий, стабилизирующих структуру по-
липептидной цепи. Яичный белок в процессе при-
готовления становится непрозрачным из-за того,
что денатурированные белки становятся нерас-
творимыми и затвердевают. Данный пример так-
же объясняет, почему чрезмерно сильный жар
может быть смертельным: при очень высокой тем-
пературе тела белки крови денатурируют.
После того как белок в растворе денатурировал
вследствие нагрева или воздействия химических
веществ, иногда при удалении денатурирующе-
го агента он способен вернуться к своей функ-
циональной форме. (Но иногда это невозможно:
например, жареные яйца никогда не станут жид-
кими, если их положить обратно в холодильник!)
Поэтому можно сделать вывод, что информация,
необходимая для построения специфической фор-
мы белка, заложена внутри его первичной струк-
туры. Последовательность аминокислот опре-
деляет форму белка: где могут образоваться
ot-спирали, где могут существовать Р-складчатые
слои, где располагаются дисульфидные мостики,
где могут образовываться ионные связи и т.д. Но
как происходит укладка белка в клетке?
Фолдинг белка в клетке
Сейчас биохимики знают аминокислотные по-
следовательности более чем 24 миллионов белков,
при этом каждый месяц добавляется информа-
ция о первичной структуре примерно миллиона
белков и о трехмерной форме более 25 000 бел-
ков. Исследователи попытались выявить зависи-
мость трехмерной структуры белков от их ами-
нокислотных последовательностей, чтобы понять
правила фолдинга белков. Однако, к сожалению,
процесс сворачивания белка не так прост. Боль-
шинство белков на пути к стабильной форме, ве-
роятно, проходят через несколько промежуточ-
ных структур, и, глядя на конечную структуру,
нельзя понять, какими были эти промежуточные
этапы. Однако биохимикам удалось разработать
методы отслеживания структуры белка на всех
промежуточных стадиях его фолдинга.
ГЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 123
▼ рис. 5.18
Изучаег уровни структурной организации белков
а) Первичная структура
б) Вторичная структура
Линейная цепочка аминокислот
Амино-
КИСЛОТЫ
Gly ’Pro ’Thr ’Gly ’Thr ’Gly Glu ’Ser ’tys TCys
Участки, стабилизируемые водородными
связями между атомами полипептидного
остова
+H3N-^_
Амино-конец
25
20
35
His TvalJklayVarAsn^llepkla^Proper^Gly^rg vai AlaAsp LeiJ^ValTtys
р-складчатый лист
Водородная связь
40
45
J <5 -----р-тяж, который часто
* изображают в виде
плоской стрелки, на-
правленной в сторону
карбоксильного конца
* . * (здесь представлена
* г свернутой)
: • \
i <5 Водородная связь.----"
*
а Рис.5.18,б.
50
60
Ala Ala Asp Asp .Thr Пр Glu Pro Phe Ala Ser Gly Lys Thr Ser AGlu A$er
Первичная структура транстиретина
70
65
He ;Glu Var Lys Jtyr J He Gly ’Glu ValT»he’Glu Glu Glu Thr J
60
85
90
tyr Tip tys Ala Leu Gly He Ser Pro Phe His Glu His Ala Tsiu Л/al ^Val
115
110
105
100
120
Ser Tyr Pro Ser Leu Leu^Ala ма 4le ihr^lyr’Arg^ArgTProTGly ber^sp
125
Ala Vai Vai Thr *sn Pro Lys Glu
»—-Карбоксильный конец
а Рис. 5.18, a
Первичная структура белка — это последовательность аминокислот. В ка-
честве примера давайте рассмотрим транстиретин — глобулярный белок
крови, который перемещает витамин А и один из гормонов щитовидной
железы по телу. Транстиретин состоит из четырех идентичных полипептид-
ных цепей, в каждую из которых входит 127 аминокислот. На рис. 5.18, а,
представлена одна из этих цепей в развернутом виде для более деталь-
ного рассмотрения первичной структуры. Каждую из 127 позиций на цепи
занимает одна из 20 аминокислот, обозначенных здесь трехбуквенной аб-
бревиатурой.
Первичная структура напоминает порядок букв в очень длинном сло-
ве. Если бы мы предоставили дело случаю, полипептидная цепь длиной в
127 аминокислот могла бы образоваться 20127 различными способами. Од-
нако определенная первичная структура белка обусловлена не случайным
соединением аминокислот, а наследуемой генетической информацией.
Первичная структура, в свою очередь, определяет вторичную и третичную
структуры за счет химической природы остова и боковых цепей (радикалов)
аминокислот в полипептиде.
В полипептидных цепях большинства белков есть участки, которые си-
стематически сворачиваются или укладываются в определенный узор, что
обуславливает общую конформацию белка. Такие витки и складчатости.
которые объединяют под общим названием вторичная структура, являют-
ся результатом образования водородных связей между повторяющимися
составляющими полипептидного остова (но не аминокислотных боковых
цепей). Внутри остова атомы кислорода имеют частичный отрицательный
заряд, а атомы водорода, присоединенные к атомам азота, обладают
частичным положительным зарядом (см. рис. 2.14); поэтому между этими
атомами могут образовываться водородные связи. По отдельности эти во-
дородные связи слабые, но поскольку на относительно длинном участке
полипептидной цепи их так много, они способны поддерживать определен-
ную форму данной части белка рис. 5.18, б).
Одной из таких вторичных структур является альфа-спираль («-спи-
раль) — миниатюрная спираль, удерживаемая водородными связями
между каждой четвертой аминокислотой, как показано выше. Хотя каждый
полипептид транстиретина обладает только одним альфа-спиральным
участком (см. рис. 5.18, г), другие глобулярные белки имеют множествен-
ные альфа-спирали, разделенные неспиральными участками (см. струк-
туру гемоглобина на рис. 5.18, з). Некоторые фибриллярные белки, такие
как альфа-кератин—структурный белок волос, имеют альфа-спиральную
структуру на большей части своей длины.
Другой основной тип вторичной структуры — бета-складчатый лист
(р-складчатый лист). Как показано на рис. 5.18, б, в данной структуре два
или более соседних участка полипептидной цепи (так называемые р-тяжи)
соединены водородными связями между частями двух параллельных участ-
ков полипептидного остова.
На изображение вторичной структуры (ленточная диаграмма поли-
пептида транстиретина) наложена третичная структура. Вторичная струк-
тура основана на взаимодействиях между составляющими остова, а тре-
тичная структура — это форма целого полипептида, которая строится под
влиянием взаимодействий между боковыми цепями (радикалами) различ-
ных аминокислот. Один тип взаимодействия, вносящий вклад в образова-
ние третичной структуры, несколько обманчиво называется гидрофобным
▼ в) Пауки выделяют шелковые волокна, состоящие из содержащего
р-складчатые листы структурного белка, который позволяет паутине
растягиваться и затем принимать исходную форму т рис 5 в
124
в) Третичная структура
г) Четвертичная структура
Трехмерная конформация, стабилизиро-
ванная взаимодействиями
между боковыми цепями.
Объединение двух или более
полипептидов (не у всех белков)
Полипептид
транстиретина
... - а Рис. 5.18, г
взаимодействием. Во время сворачивания полипептида в функциональную
Белок
транстиретин
(четыре
идентичных
полипептида)
А Рис. 5.18, д
форму аминокислоты с гидрофобными (неполярными) боковыми цепями
обычно оказываются в кластерах внутри белкового ядра, не имея контакта
с водой. Таким образом, в реальности «гидрофобное взаимодействие» вы-
звано вытеснением неполярных веществ молекулами воды. Когда неполяр-
ные аминокислотные боковые цепи сближаются друг с другом, ван-дер-ва-
вблизи друг друга в результате укладки (фолдинга) белка. Атом серы одного
цистеина связывается с атомом серы второго, и образованный дисульфид-
ный мостик (-S-S-) скрепляет части белка (см. желтые линии на рис. 5.16, а).
Все описанные виды взаимодействий могут вносить вклад в образование
третичной структуры белка, как показано на рисунке на примере неболь-
альсовы взаимодействия помогают удерживать их в таком состоянии. При
этом водородные связи между полярными боковыми цепями и ионные связи
между положительно и отрицательно заряженными боковыми цепями так-
же способствуют стабилизации третичной структуры. Все эти взаимодей-
ствия в водной среде клетки — слабые, но их суммарный эффект помогает
создать уникальную конформацию белка.
Некоторые белки состоят из двух или большего числа полипептидных
цепей, объединенных в одну функциональную макромолекулу. Четвертич-
шого участка гипотетического белка.
Другой пример — коллаген, представляющий собой фибриллярный
белок (рис. 5.18, е). В его состав входят три идентичных спиральных поли-
пептида, переплетенных в более крупную тройную спираль. Она прида-
ет большую прочность длинным волокнам. Такая структура соответствует
функциям коллагеновых волокон как основных "поддерживающих балок"
соединительной ткани кожи, костей, сухожилий, связок и других частей
тела. (Коллаген составляет около 40% всех белков в человеческом орга-
низме).
ная структура представляет собой общую структуру белка, которая об-
разуется в результате объединения полипептидных субъединиц. Например,
на рис. 5.18, г, показан полноценный глобулярный белок транстиретин, со-
стоящий из четырех полипептидов.
р-складчатые листы формируют ядро многих глобулярных белков, как
происходит и в случае транстиретина (см. рис. 5.18, г), и преобладают в не-
которых фибриллярных белках, включая белок шелка, из которого состоит
паутина паука. Взаимодействие такого количества водородных связей де-
лает каждое волокно шелка паука прочнее стальной нити такой же массы.
Ковалентные связи, называемые дисульфидными мостиками, могут при-
давать конформации белка еще большую прочность. Дисульфидные мости-
ки образуются в тех местах, где два мономера цистеина, имеющие сульф-
гидрильные группы (-SH) в своих боковых цепях (см. рис. 4.9), оказываются
Коллаген
сн2
Водородная
nh2 х6 связь
сн2
/Сн
сн3 хсн
сн, сн
xcfT
СНо
I 2
а Рис. 5.18, е
Гемоглобин (рис. 5.18, ж) — это кислород-связывающий бе-
лок красных кровяных клеток, являющий собой еще
один пример глобулярного белка с четвертичной
структурой. Он содержит четыре полипептид-
ные субъединицы — две одного типа (а) и две
другого (р). Как а-, так и р-субъединицы состоят
преимущественно из а-спиральных вторичных
структур. Каждая субъединица имеет неполи-
пептидный компонент, называемый гемом, в ко-
тором находится связывающий кислород атом
железа.
Полипептидныи остов
Дисульфидный
мостик -----
сн2
сн2
сн2
сн2
а Рис. 5.18, ж
— Гидрофобные
взаимодействия
и Ван-дер-Ваальсовы
взаимодействия
а-субъединица
Ионная связь
р-субъединица
Гем
Железо
а Рис. 5.18,3
а-субъединица
Гемоглобин
р-субъединица
125
Первичная
структура
Вторичная Четвертичная
и третичная структура
структуры
Нормальная Нормальный
р-субъединица гемоглобин
Функция
Форма красной кровяной клетки
Молекулы нормального гемо-
глобина не агрегируют друг
с другом; каждый переносит
кислород.
Гидрофобные взаимодействия
I между молекулами серповидно-
клеточного гемоглобина при-
водят к их агрегации и образо-
ванию длинного волокна;
способность пе-
реносить КИСЛО- ч
род существен- X
Нормальные
красные кро-
вяные клетки
наполнены
отдельными
молекулами
гемоглобина.
5мкм
р-субъединица
гемоглобина
в серповидных
эритроцитах
Гемоглобин
серповидного
эритроцита
Волокна
аномального
гемоглобина
деформируют
красные
кровяные
клетки, которые
принимают
серповидную
форму.
।--------1
5мкм
Рис. 5.19. Замена одной аминокислоты в белке приво-
дит к серповидно-клеточной анемии
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Принимая во внимание химические характе-
ристики аминокислот валина и глутаминовой кислоты (см. рис. 5.14), пред-
ложите возможное объяснение существенного изменения функции белка.
происходящего при замене одной аминокислоты но другую.
Рис. 5.20. Денатурация и ренатурация белка. Высокая темпе-
ратура или различные химические воздействия вызывают де-
натурацию белка, приводя к нарушению его конформации
и, следовательно, к потере способности функционировать.
Если денатурированный белок остается в растворе, то он мо-
жет ренатурировать при восстановлении нормальных значе-
ний химических и физических параметров его окружения
Критически важными для процесса укладки
являются шаперонины,2 белковые молекулы, ко-
торые способствуют правильной укладке других
белков (рис. 5.21). Шаперонины не определяют ко-
нечную структуру полипептида. Они защищают
вновь синтезированную молекулу полипептида от
2 Их также называют белками-шаперонами, от англ, chap-
erone — “сопровождать”. — Примеч. ред.
разрушительных химических условий в цитоплаз-
матическом окружении в тот момент, когда проис-
ходит ее спонтанная укладка. Шаперонин из бак-
терии Е. coli, показанный на рис. 5.21, представляет
собой гигантский комплекс из нескольких белков,
по форме похожий на полый цилиндр. Полость
в нем обеспечивает “укрытие” для полипепти-
дов, сворачивающихся во вторичные и третичные
структуры. В результате недавних исследований
было выдвинуто предположение, что в полости
шаперонинов находится небольшое количество
воды, необходимое для создания гидрофильно-
го окружения, облегчающего процессы укладки.
Были выявлены молекулярные системы, которые
взаимодействуют с шаперонинами и проверяют,
правильно ли произошла укладка белка. Такие си-
стемы могут либо заново свернуть неправильно
уложенный белок, или пометить его для дальней-
шего разрушения.
Неправильная укладка полипептидов — при-
чина серьезных нарушений в работе клеток, ко-
торая в последнее время все чаще попадает в поле
зрения исследователей-медиков. Многие заболева-
ния, такие как кистозный фиброз, болезнь Альц-
126 Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
Рис. 5.21. Шаперонин в действии.
Слева показана модель
большого белкового комплек-
са шаперонина из бактерии Шапочка
Е. coli, полученная с помо-
щью компьютерной гра-
фики. У этого комплекса
имеется внутренняя по-
лость, которая обеспе-
чивает пространство
для правильной уклад-
ки вновь синтезированного по-
липептида. Комплекс состоит из
двух белков: один представляет
собой полый цилиндр, а второй —
шапочку, которая подходит к обо-
им концам цилиндра. Стадии ра-
боты шаперонина представлены
Полый
цилиндр^
Шаперонин
(полностью
собранный)
О Несвёрнутый
полипептид
входит в цилиндр
с одного конца.
О Присоединение шапочки
приводит к изменению
формы цилиндра, при этом
создается гидрофильное
окружение для укладки
полипептида.
О Шапочка отсое-
диняется от цили-
ндра, и происходит
освобождение
правильно свёр-
нутого белка.
на рисунке справа
геймера, Паркинсона, коровье бешенство, связаны
с накоплением неправильно уложенных белков.
Неправильно уложенные варианты белка трансти-
ретина, представленного на рис. 5.18, г, могут вли-
ять на развитие нескольких заболеваний, включая
одну из форм старческого слабоумия.
Даже когда у ученых есть образец правильно
свернутого белка, точно определить его простран-
ственную структуру не так просто, поскольку ка-
ждая молекула белка состоит из тысяч атомов.
Первая пространственная структура белка была
получена в конце 1950-х для гемоглобина и род-
ственного ему миоглобина. Метод, с помощью ко-
торого это было сделано, называется рентгенов-
ская кристаллография. С тех пор рентгеновскую
кристаллографию использовали для определения
трехмерной структуры множества других белков.
Например, Роджер Корнберг с коллегами в Стэн-
дфордском Университете использовали данный
метод для выявления структуры РНК-полимера-
зы — фермента, играющего ключевую роль в экс-
прессии генов (рис. 5.22). Другим методом анализа
структуры белков является ядерная магнитная ре-
зонансная спектроскопия (ЯМР-спектроскопия).
Для проведения ЯМР-исследования не требуется
кристаллизации белка. Еще более новый подход к
предсказанию трехмерной структуры полипепти-
дов на основе их аминокислотной последователь-
ности дает биоинформатика (см. раздел 5.6). Рент-
геновская кристаллография, ЯМР-спектроскопия
и биоинформатика дополняют друг друга в иссле-
дованиях структуры и функций белков.
Изыскание
Что трехмерная структура фермента РНК-полиме-
разы II может рассказать нам о ее функции?
Эксперимент. В 2006 году Роджеру Корнбергу была присуж-
дена Нобелевская премия по химии за использование рент-
геновской кристаллографии для определения трехмерной
структуры РНК-полимеразы II. Этот фермент связывается с
двойной спиралью ДНК и помогает синтезировать РНК. По-
сле кристаллизации комплекса из всех трех компонентов
(фермент, ДНК и РНК) Корнберг с коллегами направили на
полученный кристалл пучок рентгеновских лучей. Входящие
в состав кристалла атомы рассеивали (изгибали) рентге-
новские лучи с образованием упорядоченного рисунка,
который затем распознавал цифровой детектор. Детектор
записывал "увиденное" в виде точечного паттерна, называе-
мого рентгеновской дифракционной решеткой.
Источник Рассеянные
рентгенов-
ского излу-
чения
рентгенов-
ские лучи
Кристалл
решетка
Пучок
рентге-
новских
лучей
Рис. 5.22, а. Эксперимент Роджера Корнберга
Результаты. Используя данные о рентгеновской дифракци-
онной решетке и об аминокислотной последовательности
РНК-полимеразы, определенной химическими методами,
исследователи построили трехмерную компьютерную мо-
дель комплекса.
Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул И27
Рис. 5.22, б. Трехмерная модель
Выводы. Анализ полученной модели дал возможность пред-
положить, какие функции имеют различные участки РНК-по-
лимеразы II. Например, расположенный над ДНК участок
может работать как зажим, который удерживает нуклеино-
вые кислоты на месте. (Вы узнаете больше об РНК-полиме-
разевглаве 17.)
Источник: A. L. Gnatt et al., Structural basis of transcription;
an RNA polymerase II elongation complex at 3.3A, Science
292:1876-1882 (2001).
Какие элементы вторичной структуры бел-
А ЧТО, ЕСЛИ?
ка вы можете различить на модели, показанной на рисунке?
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 5.4
Нуклеиновые кислоты представляют собой по-
лимеры, состоящие из мономеров, называемых
нуклеотидами.
Роль нуклеиновых кислот
Два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибо-
нуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая
кислота (РНК) позволяют живым организмам
воспроизводить себя во всей полноте и точно-
сти, включая сложные структуры, от одного поко-
ления к следующему. ДНК обладает уникальным
свойством управлять собственной репликацией
(от лат. replication — “повторение”). Кроме того,
ДНК направляет синтез РНК и посредством этой
РНК контролирует синтез белка. В целом этот
процесс называется экспрессией генов (рис. 5.23).
ДНК — это генетический материал, который
организмы наследуют от своих родителей. Каждая
хромосома содержит одну длинную молекулу ДНК,
которая несет в себе несколько сотен генов или
больше. Когда клетка воспроизводит себя делени-
ем, молекулы ее ДНК копируются и передаются от
одного поколения клеток к следующему. Закоди-
рованная в структуре ДНК информация програм-
мирует все происходящие в клетке процессы. Од-
нако ДНК не вовлечена в работу клетки напрямую.
1.
2.
3.
Какие части полипептида принимают участие в образова-
нии связей, удерживающих вместе вторичную структуру?
А третичную структуру?
В данном разделе были использованы греческие буквы а и
Р для обозначения по меньшей мере трех различных струк-
турных пар. Назовите и кратко опишите их.
Как вы думаете, где в свернутом поли-
пептиде может находиться участок, богатый такими амино-
кислотами, как валин, лейцин и изолейцин? Объясните свой
О Синтез мРНК
в ядре
А ЧТО,ЕСЛИ?
мРНК
ответ.
Ответы см. в Приложении А.
9ДРО
5.5. Нуклеиновые кислоты хранят
и передают наследственную
информацию, а также помогают
ей проявиться
Если первичная структура полипептидов
определяет форму итогового белка, то что опре-
деляет саму первичную структуру? Первичную
структуру белка, т.е. аминокислотную последова-
тельность полипептида программирует ген, дис-
кретная единица наследственности. Гены — это
участки ДНК, а ДНК принадлежит к классу ве-
ществ, называемых нуклеиновыми кислотами.
Движение мРНК
в цитоплазму
через ядерную
пору
Синтез белка X
с использова-
нием закоди-
рованной ***
в мРНК
информации
Рис. 5.23. Экспрессия гена: ДНК->РНК->белок. В эукариоти-
ческой клетке находящаяся в ядре ДНК программирует об-
разование белка в цитоплазме, управляя синтезом матрич-
ной РНК (мРНК)
128 Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
Здесь можно провести аналогию со считыванием
штрих-кодов с упаковок продуктов на кассе. Ком-
пьютерная программа не может самостоятельно
распознать штрих-код» для этого нужен сканер. Так
же и ДНК не способна сама запускать биохими-
ческие реакции в клетке. Для этого нужны белки»
которые данная ДНК кодирует. Чаще всего имен-
но белки служат “аппаратным обеспечением” для
клетки. Например, белок гемоглобин содержится в
красных кровяных клетках и переносит кислород
по телу (см. рис. 5.18, ж). ДНК, кодирующая этот бе-
лок, кислород не переносит.
РНК, нуклеиновая кислота другого типа, уча-
ствует в экспрессии генов и переводит генетиче-
скую информацию ДНК на язык белков. Как она
это делает? Каждый ген в составе молекулы ДНК
управляет синтезом соответствующей данному
гену молекулы матричной РНК (мРНК). (Поми-
мо матричной, существует еще несколько типов
РНК.) Молекула мРНК взаимодействует с аппара-
том, отвечающим за синтез белков в клетке. Она
контролирует образование полипептидов, кото-
рые после приобретения вторичной и третичной
структуры становятся белками или субъединица-
ми (частями) белков. Поток генетической инфор-
мации в клетке можно представить в виде цепи
ДНК^РНК—>белок (см. рис. 5.23). Синтез белка про-
исходит на особых органоидах клетки» называемых
рибосомами. (В интервью после главы 1 Венки Ра-
макришна объясняет, как с помощью рентгенов-
ской кристаллографии была определена структура
рибосом.) В эукариотической клетке рибосомы на-
ходятся в пространстве между ядром и плазмати-
ческой мембраной (цитоплазме), но сама молекула
ДНК расположена в ядре. Матричная РНК перено-
сит генетические инструкции для создания белков
из ядра в цитоплазму. В прокариотических клетках
отсутствует ядро, но мРНК точно так же перено-
сит информацию от ДНК к рибосомам и другим
компонентам клетки, переводящим генетическую
информацию в аминокислотную последователь-
ность. В главе 18 вы узнаете о других функциях,
присущих некоторым недавно открытым молеку-
лам РНК.
Компоненты нуклеиновых кислот
Нуклеиновые кислоты — это макромолеку-
лы, существующие в форме полимеров, поэтому
их называют полинуклеотидами (рис. 5.24, а). Как
ясно из их названия, каждый полинуклеотид со-
стоит из мономеров, называемых нуклеотидами.
Нуклеотид, как правило, состоит из трех частей:
пятиуглеродный сахар (пентоза), азотсодержа-
щее (азотистое) основание и одна или несколько
фосфатных групп (рис. 5.24, б). Каждый мономер в
полинуклеотиде имеет только одну фосфатную
группу. Часть нуклеотида без фосфатной группы
называется нуклеозидом.
Чтобы построить молекулу нуклеотида, рас-
смотрим сначала азотистые основания (рис. 5.24, в).
Каждое азотистое основание состоит из одного
или двух колец, имеющих в своем составе атомы
азота. (Они называются азотистыми основани-
ями, поскольку атомы азота обладают тенденци-
ей забирать Н+ из раствора, т.е. ведут себя как
основания.) Существует два семейства азоти-
стых оснований: пиримидиновые и пуриновые.
Пиримидиновые основания имеют одно ше-
стичленное кольцо, состоящее из атомов углерода
и азота. К пиримидиновым основаниям относят-
ся цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). Пурино-
вые основания больше по размеру и имеют ше-
стичленное кольцо, соединенное с пятичленным.
К пуриновым основаниям относятся аденин (А) и
гуанин (G). Все пиримидиновые и пуриновые ос-
нования различаются между собой химическими
группами, присоединенными к их кольцам. Аде-
нин, гуанин и цитозин встречаются как в молеку-
ле ДНК, так и в РНК; тимин встречается только в
ДНК, а урацил — только в РНК.
Теперь рассмотрим сахар, который присое-
динен к азотистому основанию. Сахар, входя-
щий в состав ДНК, называется дезоксирибозой;
а в РНК — рибозой (рис. 5.24, в). Единственное раз-
личие между этими двумя сахарами заключает-
ся в отсутствии атома кислорода у второго атома
углерода в кольце дезоксирибозы. Отсюда и ее на-
звание — дезоксирибоза.3
Итак, мы с вами уже построили нуклеозид
(азотистое основание плюс сахар). Чтобы превра-
тить его в нуклеотид, нам нужно присоединить
фосфатную группу к пятому атому углерода в са-
харе (рис. 5.24, б). Теперь мы получили молекулу ну-
клеозидмонофосфата, которую чаще называют
нуклеотидом.
Полимеры нуклеотидов
Соединение нуклеотидов в полинуклеотид
происходит за счет реакции дегидратации. (Вы
изучите ее детали в главе 16). В полинуклеотиде
3 От лат. de — “удаление”, oxigeniutn — “кислород”. — При-
меч. ред.
Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 129
соседние нуклеотиды соединены друг с другом
фосфодиэфирной связью. В образовании этой
связи участвует фосфатная группа, связывающая
сахара двух нуклеотидов. Последовательное сое-
динение множества молекул сахара с фосфатны-
ми группами приводит к образованию сахарофос-
фатного остова нуклеиновой кислоты (рис. 5.24, а).
(Заметьте, что азотистые основания не входят
в остов.) Два свободных конца полимера отли-
чаются друг от друга по строению и свойствам.
На одном конце располагается фосфат, присое-
диненный к пятому атому углерода, а на другом
конце — гидроксильная группа, присоединенная
к третьему атому углерода. Эти концы соответ-
ственно называются У-концом и У-концом. Мы
можем говорить, что полинуклеотид строится
вдоль сахарофосфатного остова в направлении от
У- к З'-концу наподобие дороги с односторонним
движением. Азотистые основания прикрепляют-
ся к сахарофосфатному остову по всей его длине.
Последовательность оснований в полимере
ДНК (или мРНК) уникальна для каждого гена и
дает клетке однозначную информацию (напри-
мер, о строении тех или иных белков). Поскольку
гены имеют длину от сотен до тысяч нуклеоти-
дов, число возможных последовательностей нук-
леотидов в генах фактически безгранично. Смыс-
ловое значение гена для клетки закодировано в
его последовательности, составленной из четы-
рех оснований ДНК. Например, последователь-
ность 5'-AGGTAACTT-3' означает одно, а пос-
ледовательность 5'-CGCTTTAAC-3' — совсем
другое. (Целые гены, конечно же, намного длин-
нее.) Линейный порядок оснований в гене опреде-
ляет аминокислотную последовательность — пер-
вичную структуру белка, которая, в свою очередь,
определяет трехмерную структуру и функции
белка в клетке.
Структура молекул ДНК и РНК
Молекула ДНК состоит из двух полинуклео-
тидов, которые также называют цепями. Они за-
кручиваются вокруг воображаемой оси, образуя
двойную спираль (рис. 5.25, а). Два сахарофосфат-
ных остова проходят в противоположных друг
от друга направлениях (5'^3'). Такое расположе-
ние называется антипараллельным: его можно
сравнить с двусторонним движением на дороге.
АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ
Пиримидины
NH? О О
I 2 II II
/СН X. сн л .С. СН
НН Н
Цитозин (С)
Тимин (Т, в ДНК) Урацил (II, в РНК)
Рис. 5.24. Компоненты нуклеиновых кислот, (а) Полинуклеотид имеет саха-
рофосфатный остов с отходящими от него различными азотистыми основа-
ниями. (б) Мономер нуклеотида состоит из азотистого основания, сахара
и фосфатной группы. Заметьте, что в нумерацию углеродов в сахаре входят
штрихи ('). (в) Нуклеозид включает в себя азотистое основание (пурин или
пиримидин) и пятиуглеродный сахар (дезоксирибозу или рибозу)
а) Полинуклеотид, или нуклеиновая кислота
Пурины
II I
"'Cv‘N^'C4NH2
Аденин (А) Гуанин (G)
САХАРА
Дезоксирибоза (в ДНК) Рибоза (в РНК)
в) Компоненты нуклеозида
130 ГЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
Рис. 5.25. Структура молекул ДНК и тРНК.
(а) Молекула ДНК обычно представляет
собой двойную спираль, причем сахаро-
фосфатный остов из антипараллельных по-
линуклеотидных цепей (обозначены здесь
синими лентами) находится на внешней
стороне спирали. Водородные связи меж-
ду парами азотистых оснований удержива-
ют две цепочки вместе. На рисунке каждый
тип азотистых оснований имеет свою фор-
му. Таким образом показывается, что аде-
нин (А) может образовывать пару только с
тимином (Т), а гуанин (G) — только с цито-
зином (С). Каждая цепочка ДНК на данном
рисунке — структурный эквивалент поли-
нуклеотида, чья формула изображена на
рис. 5.24, а. (б) Молекула тРНК имеет 1_-об-
разную структуру с комплементарно спа-
ренными антипараллельными участками
РНК. В РНК А образует пару с U
а) ДНК водородной связью
б) Транспортная РНК
Сахарофосфатные остовы располагаются на внеш-
ней стороне спирали, а азотистые основания обра-
зуют пары внутри спирали. Две цепочки удержива-
ются вместе с помощью водородных связей между
спаренными основаниями (рис. 5.25, а). Большинство
молекул ДНК очень длинные и состоят из тысячи
или даже миллионов пар оснований. Одна длинная
двойная спираль ДНК в хромосоме эукариот вклю-
чает множество генов, каждый из которых пред-
ставляет собой отдельный участок молекулы.
Спаривание оснований двойной спирали про-
исходит по своим законам: только некоторые из
них совместимы друг с другом. Аденин (А) на од-
ной цепи всегда образует пару с тимином (Т) дру-
гой цепи, а гуанин (G) — с цитозином (С). Зная
последовательность оснований одной цепи двой-
ной спирали, мы можем легко определить после-
довательность нуклеотидов второй цепи. Если
участок одной цепи имеет последовательность ос-
нований 5'-AGGTCCG-3', тогда по правилам спа-
ривания оснований параллельный ему участок на
другой цепи должен иметь последовательность
3'-TCCAGGC-5'. Две цепи двойной спирали ком-
плементарны, и, зная последовательность од-
ной цепи, можно определить последовательность
нуклеотидов в другой. Эта особенность ДНК по-
зволяет создавать две идентичные копии каждой
молекулы ДНК в клетке, готовящейся к делению.
Когда происходит деление клетки, копии ДНК
переходят в дочерние клетки, делая их генетиче-
ски идентичными родительским. Таким образом,
структура ДНК обеспечивает воспроизведение и
перенос генетической информации при каждом
делении клеток.
Молекулы РНК, в отличие от молекул ДНК, су-
ществуют в виде одинарных цепочек.4 Тем не ме-
нее, между участками двух молекул РНК или даже
между двумя участками одной и той же молеку-
лы РНК могут возникать пары комплементар-
ных нуклеотидов. Спаренные основания одной
молекулы РНК позволяют ей принимать строго
определенную трехмерную форму, необходимую
для функционирования. Например, рассмотрим
транспортную РНК (тРНК), которая доставля-
ет аминокислоты к рибосоме в процессе синте-
за полипептида. Молекула тРНК содержит около
80 нуклеотидов. В местах, где комплементарные
участки молекулы проходят антипараллельно,
происходит спаривание нуклеотидов. В результа-
те тРНК принимает трехмерную форму, которая
позволяет ей выполнять необходимые функции
(рис. 5.25, б).
Обратите внимание, что в РНК аденин (А) об-
разует пару с урацилом (U); при этом тимин (Т) в
РНК не встречается. Другое отличие РНК от ДНК
состоит в том, что ДНК практически всегда суще-
ствует в виде двойной спирали, а форма молекул
РНК более разнообразна. РНК — “многоцелевые”
молекулы. Многие биологи считают, что на ран-
них этапах развития жизни РНК могла выполнять
функции, которые сейчас присущи ДНК. Воз-
можно, РНК могла служить носителем генетиче-
ской информации у ранних форм жизни (см. раз-
дел 25.1).
4 Исключение составляет РНК некоторых вирусов — она
может быть двухцепочечной. — Примеч. пер.
ГЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 131
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 5.5
ИЗОБРАЗИ!
5.
ИЗОБРАЗИ!
Рассмотрите три верхних нуклеотида на
рис. 5.24, а, и пронумеруйте все атомы углерода в сахарах,
а также укажите азотистые основания и фосфаты.
~| В двойной спирали ДНК участок одной из це-
пей имеет следующую последовательность азотистых осно-
ваний: 5'-TAGGCCT-3'. Напишите комплементарную ей по-
следовательность, укажите положение 5'- и З'-концов на ней.
Ответы см. в Приложении А.
5.6. Геномика и протеомика
перевели биологические
исследования и их прикладное
значение на новый уровень
Экспериментальные работы первой половины
двадцатого века установили роль ДНК как носите-
ля генетической информации, которая передается
от поколения к поколению и обуславливает функ-
ционирование живых клеток и организмов. После
того как в 1953 году ученые описали структуру мо-
лекулы ДНК и поняли, что линейная последова-
тельность нуклеотидов определяет последователь-
ность аминокислот в белках, биологи занялись
поиском способов “расшифровки” генов, изучая
их нуклеотидные последовательности.
В 1970-е годы начали разрабатывать первые
химические методы секвенирования5 нуклеотидов
в цепи ДНК. Но чем больше последовательностей
генов было расшифровано, тем больше вопросов
возникало. Как регулируется экспрессия генов?
Гены определенно взаимодействуют со своими
белковыми продуктами, но как? Какие функции
выполняют участки ДНК, не входящие в состав
генов (если, конечно, у них вообще есть функ-
ции)? Чтобы понять, как работают гены в живом
организме, хорошо бы иметь на руках всю после-
довательность ДНК этого организма — его геном.
В конце 1980-х годов несколько известных биоло-
гов выдвинули смелую идею, которую в те време-
на не представлялось возможным осуществить
на практике. Они предложили запустить проект,
в ходе которого был бы полностью секвенирован
геном человека — все 3 миллиарда его оснований!
Эта титаническая работа началась в 1990-м году и
успешно завершилась в начале 2000-х годов.
Проект называется “Геном человека”. Его неза-
планированное, но важное дополнительное пре-
5 Секвенирование — от лат. sequentuni, “последователь-
ность”. — Примеч. ред.
имущество заключалось в быстром снижении
цены и времени секвенирования ДНК за счет по-
явления новых методов. После завершения про-
екта, тенденция сохранилась. Стоимость секве-
нирования 1 миллиона оснований в 2001 году
превышала 5000 долларов, а в 2012 году уже сни-
зилась до 0,10 долларов. Для первого секвениро-
вания генома человека понадобилось более 10 лет,
сейчас это можно сделать всего за несколько дней.
Количество полностью секвенированных геномов
резко выросло. Огромные массивы данных, по-
лученных при этом, дали толчок к развитию био-
информатики — использованию компьютерных
программ и других вычислительных инструмен-
тов для обработки и анализа такого внушительно-
го количества данных.
Повсеместное использование разработок био-
информатики преобразовало биологию и смеж-
ные с ней области. Ученые часто решают биологи-
ческие задачи, анализируя множество генов сразу
или даже сравнивая геномы различных видов. Та-
кие исследования называются геномикой. Анализ
большого массива белков и их последовательно-
стей называется протеомикой. (Последователь-
ности белков можно определить либо с помощью
биохимических способов, либо расшифровав ко-
дирующие их последовательности ДНК.) Новые
подходы проникают во все области биологии.
Некоторые примеры использования геномики и
протеомики представлены на рис. 5.26.
Возможно, наиболее значимое влияние гено-
мики и протеомики на биологию в целом заклю-
чается в том, что они внесли огромный вклад в
наше понимание эволюции. Помимо подтвержде-
ния уже имеющихся доказательств эволюции, по-
лученных в результате изучения ископаемых и
описания современных видов, геномика помог-
ла выявить ранее неизвестные и недоступные для
изучения традиционными методами взаимоотно-
шения между различными группами организмов.
Таким образом, геномика помогла уточнить ход
эволюции живой природы.
ДНК и белки как измерительные ленты
эволюции
Мы привыкли к мысли, что общие
черты млекопитающих, такие как наличие воло-
сяного покрова и образование молока, свидетель-
ствуют об общем происхождении животных этой
группы. Поскольку ДНК несет наследственную ин-
формацию в форме генов, то последовательность
ЭВОЛЮЦИЯ
132 Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
Палеонтология
лФ'Й
о®
<ГГА
Медицина
Эволюция
Межвидовые взаимодействия
Гиппопотам
Короткоплавниковый черный дельфин
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Более 90% всех видов растений
существуют во взаимовыгодном
партнёрстве с грибами, которые
ассоциированы с корнями растений.
Секвенирование геномов и анализ
экспрессии генов в нескольких парах
растение-гриб обещают суще-
ственный прорыв в нашем
понимании подобных
взаимодействий и могут^Я
найти приложение
в сельскохозяй-
ственной практике. J||
(См. “Развиваем иссле-
довательские навыки"
в главе 31.)
Благодаря достижениям
в технологии и обработке
информации определе-
ние последовательности
нуклеотидов (секвениро-
вание) и анализ больших
наборов генов и белков
в настоящее время можно
осуществить за короткий
срок и без серьезных
финансовых затрат. Гено-
мика и протеомика в совокуп-
ности существенно расшири-
ли наше понимание биологии
во многих различных областях.
Новые методы
секвенирования ДНК
позволили расшифровать
последовательность
ничтожно малых
количеств ДНК, найден- ч д
ных в древних тканях
наших вымерших
предков, неандертальцев
(Homo neandertha/ensis).
Секвенирование генома
неандертальца позволило
нам получить представление
об их внешнем облике, а также о степени их
родства с современными людьми. См. рис. 34.49.
Основная цель эволюционной биологии — понять
взаимоотношения между видами, как живыми, так
и вымершими. Например, в результате сравнения
последовательностей геномов было обнаружено,
что наземное млекопитающее гиппопотам имеет
ближайшего общего предка с китообразными.
См. рис. 2220.
Вклад геномики и протеомики
в биологию
Выяснение генетических основ заболеваний человека, таких как рак,
помогает исследователям вести направленный поиск потенциальных
методик лечения. В настоящее время секвенирование наборов генов,
экспрессирующихся
в опухоли конкретного
человека, делает возмож- <
ным направленный под-
ход к лечению рака — 'ч?
своего рода “персона-
лизованную медицину”.
См. рис. 12.20 и рис. к
Принимая во внима-
ние приведенные здесь примеры, объясни-
те, каким образом геномные и протеомные
технологии помогают нам изучать самые раз-
нообразные вопросы биологии.
Сохранение биоразнообразия
Инструменты молекулярной генетики
и геномики все больше и больше
используются экологами для опре-
деления незаконно истребляемых
видов животных и растений.
Однажды секвенирование геном-
ной ДНК из незаконно пере-
возимых бивней слонов было
использовано для отслежива-
ния браконьеров и опре-
деления территории их
деятельности.
См. рис. 56.9.
Г Рис. 5.26
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
генов и их белковых продуктов могут многое рас-
сказать о наследственности конкретного организ-
ма. Линейные последовательности нуклеотидов в
молекулах ДНК передаются от родителей к детям и
определяют аминокислотные последовательности
белков. В результате братья и сестры имеют боль-
ше сходства в ДНК и белках, чем неродственные
представители одного и того же вида.
Учитывая наши представления об эволюции,
мы можем расширить концепцию “молекулярной
генеалогии” на взаимоотношения между вида-
ми. Можно предположить, что два вида, которые
на основе анатомических (и, возможно, пале-
онтологических) данных приходятся близкими
родственниками друг другу, также имеют наибо-
лее близкие по строению ДНК и белки. Накоплен-
ные данные показывают, что это действительно
так. Например, можно сравнить Р-полипептид-
ную цепь гемоглобина человека с соответствую-
щей молекулой другого позвоночного. Эта цепь
состоит из 146 аминокислот; ее последователь-
ность отличается у человека и гориллы всего на
1 аминокислоту, а у человека и его более дальне-
го родственника, лягушки, разница составляет
уже 67 аминокислот. В разделе “Развиваем иссле-
довательские навыки” вы сможете применить по-
добную логику при сравнении последовательно-
стей аминокислот белков еще нескольких видов.
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Днамц данных о нолипешпадных
HocAcdo^auic^bHocnisx
► Человек
Кто приходится более близким родственником человеку — ма-
кака или гиббон? Последовательности ДНК и полипептидов у
более близкородственных видов имеют больше общего друг с
другом, чем с аналогичными последовательностями менее род-
ственных видов. В этом упражнении вы проанализируете данные
об аминокислотной последовательности для р-полипептидной
цепи гемоглобина, которую часто называют просто р-глобином.
Исходя из этой информации, вам нужно будет предположить, кто
приходится человеку более близким родственником — макака
или гиббон.
Проведение эксперимента. Исследователи могут выделить ин-
тересующий полипептид из организма и затем определить его
аминокислотную последовательность. Тем не менее чаще амино-
кислотная последовательность полипептида определяется на ос-
новании информации о последовательности нуклеотидов в соот-
ветствующем гене, благо секвенированных генов уже очень много.
Полученные экспериментальные данные. В таблице, представ-
ленной ниже, в виде букв записана последовательность 146 ами-
Вид Выравнивание аминокислотных последовательностей р-глобина
Человек 1 vhltpeeksa vtalwgkvnv devggealgr llvvypwtqr ffesfgdlst
Макака 1 vhltpeekna vttlwgkvnv devggealgr lllvypwtqr ffesfgdlss
Гиббон 1 VHLTPEEKSA VTALWGKVNV DEVGGEALGR LLVVYPWTQR FFESFGDLST
Человек 51 PDAVMGNPKV kahgkkvlga fsdglahldn lkgtfatlse lhcdklhvdp
Макака 51 pdavmgnpkv kahgkkvlga fsdglnhldn lkgtfaqlse lhcdklhvdp
Гиббон 51 PDAVMGNPKV KAHGKKVLGA FSDGLAHLDN LKGTFAQLSE LHCDKLHVDP
Человек 101 enfrllgnvl vcvlahhfgk eftppvqaay qkvvagvana lahkyh
Макака 101 enfkllgnvl vcvlahhfgk eftpqvqaay qkvvagvana lahkyh
ГиббОН 101 ENFRLLGNVL VCVLAHHFGK EFTPQVQAAY QKVVAGVANA LAHKYH
нокислот в р-глобине человека, макаки и гиббона. Поскольку
полная последовательность слишком длинная, чтобы уместиться
в одну строку, ее поделили на три части. Последовательности
для трех различных видов выровнены так, чтобы вам было легко их
сравнивать. Например, вы можете видеть, что для всех трех видов
первая аминокислота — V (валин), а 146-я — Н (гистидин).
Анализ данных
1. Внимательно прочитайте последовательности аминокислот
р-глобина макаки и гиббона, букву за буквой, и обведите ами-
нокислоты, которые не совпадают с аминокислотами в ана-
логичной последовательности человека.
а) Сколько различий в последовательностях состава амино-
кислот у макаки и человека?
б) А в последовательностях гиббона и человека?
2. Подсчитайте процент совпавших с последовательностью
р-глобина человека аминокислот для обоих видов обезьян.
3. Основываясь только на этих данных, предположите, какой
из этих двух видов приходится человеку более близким род-
ственником. Поясните свой ответ.
4. Какие еще доказательства вы можете
предложить для подтверждения своей
гипотезы?
Источники: человек — http: / /www. ncbi.
nlm.nih.gov/protein/AAA21113.1;
макака-резус — http://www.ncbi.
nlm.nih.gov/protein/122634; гиб-
бон — http:I/www.ncbi.nlm.nih.gov/
protein/122616.
134 ГЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
Утверждение “чем ближе родство организмов, тем
больше похожи последовательности их ДНК” при-
менимо и для целых геномов. Геном человека на
95-98% совпадает с геномом шимпанзе, но толь-
ко на 85% совпадает с геномом эволюционно более
далекого родственника — мыши. Молекулярная
биология добавила новый “измерительный при-
бор” к существующему ряду биологических ин-
струментов оценки эволюционного родства.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 5.6
1. Каким образом полное секвенирование генома организ-
ма помогло бы ученым понять, как функционирует этот ор-
ганизм?
2. Почему можно ожидать, что два вида с очень похожими
чертами строения будут иметь столь же похожие геномы?
В ответе на этот вопрос опирайтесь на свои знания о функ-
циях ДНК.
Ответы см. в Приложении А.
Обзор главы
РАЗДЕЛ 5.1. МАКРОМОЛЕКУЛЫ - ЭТО
ПОЛИМЕРЫ, ПОСТРОЕННЫЕ ИЗ МОНОМЕРОВ
• Крупные молекулы углеводов (полисахариды), бел-
ки и нуклеиновые кислоты представляют собой по-
лимеры, состоящие из цепочки мономеров. Компо-
ненты липидов разнообразны. Мономеры образуют
более крупные молекулы с помощью реакции деги-
дратации, в результате которой происходит осво-
бождение молекулы воды. Полимеры диссоциируют
на мономеры в ходе обратного процесса — гидроли-
за. Огромное разнообразие полимеров может быть
получено из небольшого набора мономеров.
П В чем заключается принципиальная разница в стро-
ении крупных молекул углеводов, белков и нуклеиновых
кислот?
Обзор разделов 2-5 представлен в таблице.
Крупные биологические
молекулы
РАЗДЕЛ 5.2
Углеводы служат в ка-
честве топлива и стро-
ительных материалов
Сравните устрой-
ство, структуру и
функции крахмала и
целлюлозы. Какую роль
они выполняют в орга-
низме человека?
Составляющие
Мономер
моносахарида
Примеры
Функции
РАЗДЕЛ 5.3
Липиды — это группа
разнообразных гидро-
фобных молекул
В Почему липиды не
рассматриваются как
полимеры или макро-
молекулы?
Глицерин
3 жирные
кислоты
Моносахариды: глюкоза,
фруктоза
Дисахариды: лактоза,
сахароза
Полисахариды:
• Целлюлоза (растения)
• Крахмал (растения)
• Гликоген (животные)
• Хитин (животные и гри-
бы)
Триацилглицерины
(жиры или масла):
глицерин + 3 жирных кис-
лоты.
Топливо; источник углерода, ко-
торый может быть превращен в
другие молекулы или объединен
в полимеры
• Укрепление клеточных сте-
нок растений
• Запасание глюкозы для полу-
чения энергии
• Запасание глюкозы для полу-
чения энергии
• Укрепление экзоскелета и кле-
точных стенок грибов
Важный источник энергии
Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 135
Крупные биологические
молекулы
Составляющие
Примеры
Продолжение таблицы
Функции
______Головка
с неорга-
ническим
фосфатом
"^>*2 жирные
кислоты
Фосфолипиды:
глицерин+фосфатная груп-
па+2 жирных кислоты
Липидные бислои мембран
Гидрофильные
Гидрофобные
хвосты
головки
Стероидный остов
Стероиды: четыре конден-
сированных кольца с присо-
единенными химическими
группами
• Компоненты клеточных мем-
бран (холестерин)
• Сигнальные молекулы, ко-
торые перемещаются по телу
(гормоны)
РАЗДЕЛ 5.4
Структурное разно-
образие белков обу-
славливает широкий
спектр их функций
| Объясните, на чем
основано огромное раз-
нообразие белков
N—С-*С
н/ А х°н
Аминокислотный
мономер (20 видов)
• Ферменты
• Структурные белки
• Гормоны
• Рецепторные белки
• Моторные белки
• Защитные белки
• Ускоряют химические реакции
• Обеспечивают структурную
поддержку
• Управляют реакцией орга-
низма
• Принимают сигналы из вне-
клеточного пространства
• Обеспечивают движение клет-
ки и отдельных ее частей
• Защищают от заболеваний
РАЗДЕЛ 5.5
Нуклеиновые кислоты
хранят и передают на-
следственную инфор-
мацию, а также помо-
гают ей проявиться
| Какую роль выпол-
няют комплементарно
спаренные основания в
функциях нуклеиновых
кислот?
Нуклеотидный мономер
// /;
• Сахар = дезоксирибоза
• Азотистые основания - С,
G, А, Т
• Обычно двуцепочечная
РНК:
• Сахар = рибоза
• Азотистые основания =
= С, G, A, U
• Обычно одноцепочечная
Хранит наследственную инфор-
мацию
Различные функции в экспрес-
сии генов, включая перенос ин-
струкций из ДНК к рибосомам
РАЗДЕЛ 5.6. ГЕНОМИКА И ПРОТЕОМИКА ПЕРЕВЕЛИ
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ
ПРИКЛАДНОЕ ЗНАЧЕНИЕ НА НОВЫЙ УРОВЕНЬ
• Недавние технологические достижения в секвени-
ровании ДНК привели к возникновению геноми-
ки — подхода, позволяющего анализировать огром-
ные массивы данных о генах или полных геномах, и
протеомики — похожего подхода для анализа дан-
ных о последовательностях аминокислот в белках.
Биоинформатика — это использование вычисли-
тельных инструментов и компьютерных программ
для анализа этих огромных массивов данных.
• Чем более близкородственны два вида, тем более
схожи последовательности их ДНК. Данные о по-
следовательностях ДНК подтверждают модель эво-
люции, построенную по данным сравнительной
анатомии и палеонтологии.
| Рассмотрите последовательности нуклеотидов в
аналогичных генах дрозофил, рыб, мышей, людей и пред-
положите, чья ДНК по составу окажется ближе к чело-
веческой.
136 Г ЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
8. Переделайте таблицу так, чтобы организовать сле-
дующие понятия по смыслу, и добавьте подпись к
каждому столбцу и каждой строке.
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Какая из следующих категорий включает в себя все
остальные?
а) Моносахарид в) Крахмал
б) Полисахарид г) Углевод
2. Фермент амилаза может разрушить гликозидные
связи между мономерами глюкозы, только если это
а-мономеры. Что из нижеперечисленного может
расщепить амилаза?
а) Гликоген, крахмал и амилопектин
б) Гликоген и целлюлозу
в) Целлюлозу и хитин
г) Крахмал, хитин и целлюлозу
3. Что из нижеперечисленного верно для ненасыщен-
ных жиров?
а) Они чаще встречаются в организмах животных,
чем растений.
6) Они имеют двойные связи в углеродных цепоч-
ках их жирных кислот.
в) Они обычно затвердевают при комнатной темпе-
ратуре.
г) Они содержат больше атомов водорода, чем на-
сыщенные жиры с таким же количеством атомов
углерода.
4. Уровень структурной организации белка, который
при разрушении водородных связей пострадает
меньше всего — это:
а) первичный; в) третичный;
б) вторичный; г) четвертичный.
5. Ферменты, разрушающие ДНК, ускоряют гидро-
лиз ковалентных связей, соединяющих нуклеотиды.
Что произойдет с молекулами ДНК, обработанны-
ми этими ферментами?
а) Две цепочки двойной спирали разделятся.
6) Фосфодиэфирные связи полинуклеотидого осто-
ва будут разрушены.
в) Пиримидины отделятся от дезоксирибоз.
г) Все основания отделятся от дезоксирибоз.
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
6. Молекулярная формула глюкозы — С H|2Ofe. Какая
молекулярная формула будет у полимера, получен-
ного в ходе соединения 10 молекул глюкозы с помо-
щью реакций дегидратации?
а) C6(JH|2006o в) сы)н1((0о5()
б)СмН|(ИО5| г)СЫ)Н1иО51
7. Какие из следующих пар оснований могут образо-
вывать короткие участки нормальной двойной спи
рали ДНК?
a) 5'-AGCT-3' и 5'-TCGA-3' в) 5'-ATGC-3' и 5'-GCAT-3'
6) 5'-GCGC-3' и 5'-ТАТА-3' г) Все варианты верные.
Моносахариды
Жирные
кислоты
Аминокислоты
Нуклеотиды
Полипептиды
Триацилглице-
рины
Полинуклеотиды
Полисахариды
Фосфодиэфирные
связи
Пептидные связи
Гликозидные связи
Эфирные связи
Скопируйте полинуклеотидную цепь,
изображенную на рис. 5.24, а, и отметьте основания
G, Т, С и А, начиная с 5'-конца. Учитывая, что это
ИЗОБРАЗИ!
ДНК-полинуклеотид, нарисуйте комплементар-
ную ему цепь, используя те же обозначения, что и
на указанном выше рисунке. Фосфаты — кружки,
сахари — пятиугольники. Обозначьте азотистые
основания. Нарисуйте стрелочки, показывающие
5'—>3' направления для каждой цепи. Используйте
стрелки, чтобы быть уверенным, что вторая цепь
антипараллельна первой. Подсказка: после того, как
вы нарисуете первую цепь вертикально, поверни-
те листок вверх ногами; так вам будет легче нари-
совать вторую цепь в направлении от 5'- к З'-концу.
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
TOI ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
Сравнение аминокислот-
ных последовательностей может пролить свет на
расхождение родственных видов в процессе эволю-
ции. Представьте, что вы сравниваете последова-
тельности аминокислот в белках двух современных
видов. Ожидаете ли вы, что все белки будут разли-
чаться примерно в равной степени? Объясните, по-
чему вы так считаете.
11. 11LV1!UMlПредставьте, что вы на-
учный сотрудник лаборатории и занимаетесь ис-
следованием ДНК-связывающих белков. У вас есть
аминокислотные последовательности всех белков, за-
кодированных геномом для отдельного вида. Вам не-
обходимо найти белки, которые способны связываться
с ДНК. Какой тип аминокислот вы ожидаете увидеть в
ДНК-связывающих участках таких белков? Почему?
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
12. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ОРГАНИЗАЦИЯ"
Все белки, выполняющие в клетках разнообразные
функции, представляют собой полимеры, состоящие
из одного типа мономеров — аминокислот. Напиши-
те небольшое эссе (100-150 слов), в котором объяс-
няется, как структура аминокислот позволяет по-
лимеру одного типа выполнять так много функций.
13.
ОБОБЩИ СВОИ ЗНАНИЯ
Учитывая, что функция яич-
ного желтка — питание для
развивающегося цыпленка,
объясните, почему яичные
желтки содержат большое
количество жира, белка и
холестерина.
Ответы см. в Приложении А.
ГЛАВА 5 Структура и функции больших биологических молекул 137
КЛЕТКА
ИНТЕРВЬЮ С
Хайфоном Лином
Хайфан Лин родился в Китае, полу-
чил специализацию в области биохи-
мии в Университете Фудань в Шанхае,
затем степень доктора философии
(PhD) в области генетики и разви-
тия — в Корнелльском университете,
а после этого работал научным сотруд-
ником в Институте Карнеги в Вашинг-
тоне (ныне Институт науки Карнеги).
Там он начал использовать плодовую
мушку (Drosophila melanogaster) как модельный объект
для исследования фундаментальных вопросов, касаю-
щихся стволовых клеток. Затем доктор Лин в течение
— Почему вы заинтересовались
наукой?
— В детстве я любил сооружать что-
либо, поэтому я представлял себя в
будущем кораблестроителем или архи-
тектором — кем-то в этом роде. Био-
логия не привлекала меня до старших
классов школы. В какой-то момент ген-
ная инженерия стала модным трендом
в Китае, и я подумал: “Это круто! Это
конструирование жизни!” Правда, меня
больше привлекало слово “инженерия”, чем “гене-
тика”. Тем не менее люди говорили мне, что важно
иметь хорошую биохимическую базу, чтобы стать
12 лет работал преподавателем в Университете Дьюка
и параллельно развивал свои
И
Если бы мы не нача-
исследования стволовых
клеток за счет работы
с модельными объек-
тами млекопитающих
ли работу с методов
и клиническими слу-
чаями. Он является
базового клеточного
анализа на дрозофи-
лах, я не думаю, что
мы смогли бы так
быстро обнаружить
связь с раком .
одним из первооткры-
вателей РНК, взаимо-
действующих с ком-
плексом Piwi, — наход-
ки, в 2006 году про-
возглашенной журна-
лом Science “Откры-
тием года”. В том же
году доктор Лин пере-
шел в Йельский уни-
верситет, где основал
и ныне возглавляет
Йельский центр иссле-
дования стволовых
клеток.
< Срез канальца
в семеннике мыши,
показывающий
распределение
белка Piwi
(красно-
оранжевый
на данной
микро-
фотографии)
генным инженером, поэтому в колледже я стал
специализироваться в этой области. И чем больше я
узнавал о биологии, тем больше я любил ее.
— Что вы изучали в аспирантуре и будучи научным
сотрудником?
— В Корнелльском университете я размышлял
о самом первом делении клеток эмбриона. Для
меня деление оплодотворенной яйцеклетки, без
преувеличения, является первым шагом в жизни
организма. Моя работа, посвященная изучению
процесса деления клеток в контексте развития
организма, была действительно интеллектуально
полезной. Ко времени защиты диссертации я
почувствовал, что должен продолжать исследова-
ния в этой области, но необходимо включать в них
разные типы клеток, и в итоге я обратился к ство-
ловым клеткам.
— Что такое стволовые клетки?
— Стволовые клетки являются “матерями” всех кле-
ток. На основе эмбриональных стволовых клеток
происходит развитие всех тканей, полностью фор-
мирующих взрослый организм. Тканевые стволовые
клетки отвечают за рост и/или поддержание опре-
деленной ткани. Все стволовые клетки имеют уни-
кальное свойство: они способны самообновляться
(репродуцироваться) и вместе с тем — трансфор-
мироваться в более специализированные клетки.
Теоретически стволовые клетки бессмертны; они
как фонтан молодости, который бьет, никогда не
иссякая.
— Как вы изучаете стволовые клетки?
— Для изучения стволовых клеток, вы должны
четко их идентифицировать, поэтому клеточная
биология — это первый шаг. Клеточная биология
очерчивает проблему, описывает явления и обеспе-
чивает теоретическую базу для дальнейших прак-
тических исследований. Это очень важно. Затем
мы подключаем генетику; третьим же компонен-
том в моем подходе к исследованиям, как правило,
является биохимия.
— Что является наиболее интересным из ваших
открытий в области стволовых клеток?
— Используя методы генетики, мы нашли у плодо-
вой мушки Drosophila ген, который кодирует белок
под названием Piwi. Белок Piwi также присутствует
в стволовых клетках млекопитающих, из которых
образуются семенники (см. микрофотографию).
Белки Piwi связаны с одним из видов малых мо-
лекул РНК. Мы и другая группа исследователей
независимо друг от друга открыли этот класс и на-
звали их Piwi-взаимодействующие РНК (piRNAs).
Одна из замечательных особенностей работы с дро-
зофилами состоит в том, что как только вы иденти-
фицировали новые гены у мухи и установили, что
они функционируют в стволовых клетках, вы мо-
жете сразу же проверить, наблюдается ли гиперак-
тивность аналогичных генов в опухолевых тканях
человека. В этой связи оказалось, что ген Piwi че-
ловека экспрессируется минимум в шесть раз более
интенсивно при раке яичка. Мы опубликовали ста-
тью о семействе генов Piwi в 1998 году, и — это по-
разительно! — уже в 2002 году у нас были данные
об их связи с опухолевым процессом у человека.
Если бы мы не начали работу с методов базового
клеточного анализа на дрозофилах, я не думаю, что
мы смогли бы так быстро обнаружить эту связь с
раком.
Рис. 6.1. Как ваши клетки помогают вам изучать биологию?
ТЕМЫ ГЛАВЫ
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6.
6.7
Биологи используют микроскопы
и биохимические методы для
изучения клеток
Эукариотические клетки имеют
внутренние мембраны, которые
разделяют функциональные
процессы
Цитоскелет — это сеть волокон,
организующая клеточную
структуру и процессы в клетке
Эндомембранная система
клетки регулирует транспорт
белков и осуществляет
метаболические функции
Митохондрии и хлоропласты
конвертируют энергию из одной
формы в другую
Цитоскелет — это сеть волокон,
организующая клеточную
структуру и процессы в клетке
Внеклеточный матрикс и
межклеточные контакты
помогают скоординировать
клеточные процессы
Клетки настолько же важны для живых систем в биоло-
гии, как атомы — в химии. Много различных типов ва-
ших клеток работают в эту самую секунду. Например, мы-
шечные клетки сокращаются, чтобы двигать ваши глаза,
пока вы читаете это предложение. На рис. 6.1 показан отро-
сток нервной клетки (оранжевый), контактирующий с мы-
шечной клеткой (красная). Слова на этой странице перево-
дятся в сигналы, которые нервные клетки передают в ваш
мозг, где, в свою очередь, связываются с другими нервны-
ми клетками. Во время обучения вы стимулируете нерв-
ные клетки, и они образуют связи для создания воспоми-
наний и позволяют происходить этому процессу.
Все организмы состоят из клеток. В иерархии биологи-
ческой организации клетка считается наиболее простой
структурной единицей, которую можно назвать живой.
Действительно, многие формы жизни существуют в каче-
стве одноклеточных организмов. Более крупные и слож-
ные организмы, включая растения и животных, могут
быть многоклеточными и объединять в себе множество
типов клеток, неспособных прожить длительное время са-
мостоятельно. Несмотря на то, что организмы состоят из
структур с более высоким уровнем организации, например
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 141
тканей или органов, структурно-функциональной
единицей организма все равно остается клетка.
Все клетки объединены общим происхожде-
нием. В ходе длительной эволюционной истории
они претерпевали множество различных изме-
нений. Хотя две клетки могут значительно раз-
личаться между собой, они имеют общие черты.
В этой главе мы сначала рассмотрим инструмен-
ты и методы, которые помогут нам изучить столь
малые объекты, а затем совершим путешествие
по клетке и познакомимся с ее компонентами.
6.1. Биологи используют
микроскопы и биохимические
методы для изучения клеток
Доктор Хайфан Лин, интервью с которым вы
читали в предисловии к этой главе, утвержда-
ет, что изучение работы клеток зачастую являет-
ся первым шагом к удивительным биологическим
открытиям. Но как же мы будем изучать клетки,
которые обычно слишком малы, чтобы их можно
было увидеть невооруженным глазом?
Микроскопия
Изобретение инструментов, расширяющих
возможности органов чувств человека, позволи-
ло ученым открыть и начать изучать клетки. Пер-
вые микроскопы были изобретены в 1590 году и
в дальнейшем совершенствовались в XVII веке.
Роберт Гук был первым, кто увидел клеточные
стенки (это произошло в 1665 году), изучая под
микроскопом мертвые клетки коры дуба. Но для
того, чтобы увидеть живые клетки, потребова-
лись удивительно искусные линзы Антони ван
Левенгука. Только представьте себе удивление
Гука, когда он посетил изобретателя в 1674 году
и перед ним открылся мир микроорганизмов, ко-
торых Левенгук называл “мельчайшие анималь-
кули”.
Микроскопы, которыми пользовались ученые
эпохи Возрождения, такие же, как и на ваших
практических занятиях — световые. В световом
микроскопе (СМ) пучок света сначала проходит
через исследуемый объект, а затем через стеклян-
ные линзы. Линзы преломляют (изгибают) свет
таким образом, что изображение объекта увели-
чивается при проецировании на сетчатку глаза
или матрицу фотоаппарата (см. Приложение Б).
Три важных параметра микроскопии — увели-
чение, разрешение и контрастность. Увеличение —
это отношение размера получаемого изображе-
ния объекта к его реальному размеру. Световые
микроскопы позволяют эффективно увеличи-
вать изображение объекта до 1000 крат; при боль-
шем увеличении дополнительные детали будут
видны нечетко. Разрешение — это мера четкости
изображения: минимальное расстояние, на ко-
тором можно расположить две точки так, чтобы
они были различимы. Например, то, что невоо-
руженному глазу кажется одной звездой на небе,
при наблюдении через телескоп может оказаться
двойной звездой, так как телескоп имеет лучшую
разрешающую способность, чем глаз. Таким же
образом, при использовании стандартной мето-
дики, световая микроскопия не позволяет наблю-
дать объекты меньше, чем 0,2 микрометра (мкм),
или же 200 нанометров (нм), как бы велико ни
было увеличение (см. рис. 6.2). Третий параметр —
контрастность — это разница в яркости меж-
ду светлыми и темными участками изображения.
Для повышения контрастности клеточные компо-
ненты обычно окрашивают или помечают — так
они лучше различимы при наблюдении. Ниже в
рубрике “Изучаем” показаны некоторые типы ми-
кроскопии; ими удобно руководствоваться в про-
цессе чтения этого раздела.
До недавнего времени предел разрешения све-
товой микроскопии не позволял цитологам (кле-
точным биологам) изучать клеточные органел-
лы — структуры внутри эукариотической клетки,
окруженные мембраной или мембранами. Полу-
чение детального изображения данных струк-
тур потребовало изобретения нового инструмен-
та. В 1950-х годах в биологии начали применять
электронный микроскоп. Вместо того чтобы фо-
кусировать пучки света, электронный микроскоп
фокусирует пучки электронов после прохожде-
ния сквозь образец или на поверхности образца
(см. Приложение Б). Разрешение изображений, по-
лучаемых при микроскопии, обратно пропорцио-
нально длине волны света (или электронов). Дли-
на волны электронов гораздо короче длины волны
видимого света, поэтому современные электрон-
ные микроскопы теоретически могут достигать
разрешения примерно 0,002 нм. На практике же
редко получается увидеть объекты, чьи размеры
меньше, чем 2 нм в толщину. Тем не менее это в
100 раз лучше обычного светового микроскопа.
142 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
10m
1 m
0,1 m
1 CM
1 MM
100 мкм
Юмкм
1 мкм
100 Нм
10 Hm
1Hm
0,1 Hm
1 сантиметр (см) = 10 2 метра (м) = 0,4 дюйма
1 миллиметр (мм) = 10-3 м
1 микрометр (мкм) = 10"3 мм = 10-6 м
1 нанометр (нм) = 10-3 мкм = 10-9 м
Рис. 6.2. Пределы размеров клеток. Размер большинства кле-
ток составляет от 1 до 100 мкм в диаметре (желтый участок
схемы), а их компоненты еще меньше. Вирусы также имеют
размер меньше, чем 1 мкм. Обратите внимание, что шкала
слева является логарифмической, чтобы вместить весь диа-
пазон показанных размеров. Начиная с 10 м на верху схемы
и спускаясь вниз, каждое деление отражает десятикратное
уменьшение в диаметре или в длине.
Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)
особенно подходит для изучения рельефа объекта
(см. рис. 6.3, и). Электронный луч сканирует поверх-
ность образца, которая обычно покрыта тонкой
пленкой золота. Луч возбуждает электроны на по-
верхности. Затем эти вторичные электроны улав-
ливает прибор, который преобразовывает кар-
тину распределения электронов в электрический
сигнал и посылает его на монитор. В результате
можно видеть изображение поверхности объекта,
которое кажется трехмерным.
Трансмиссионный электронный микроскоп
(ТЭМ) используется для изучения внутренней
структуры клетки (рис. 6.3, к). ТЭМ направляет пу-
чок электронов через очень тонкий срез объек-
та, примерно так же, как световой микроскоп на-
правляет пучок света через объект на предметном
стекле. Для изучения образец окрашивают ато-
мами тяжелых металлов, которые прикрепляют-
ся к определенным клеточным структурам. Таким
образом увеличивается электронная плотность
одних частей объекта по отношению к другим.
Электроны, проходящие через объект, сильнее
рассеиваются в более плотных областях, а значит
меньше электронов проходит сквозь образец на
этом участке. Полученное изображение отража-
ет картину распределения электронов, прошед-
ших объект насквозь. Вместо стеклянных линз и
в СЭМ, и в ТЭМ используются электромагниты,
изменяющие траектории электронов таким обра-
зом, чтобы в конечном счете создать изображение
на мониторе для наблюдения.
Электронные микроскопы позволили полу-
чить изображения многих субклеточных струк-
тур, которые невозможно было увидеть при по-
мощи светового микроскопа. Однако у светового
микроскопа есть ряд преимуществ, особенно при
изучении живых клеток. Недостатком электрон-
ной микроскопии является то, что методы, ис-
пользуемые для приготовления образцов для ис-
следования, убивают клетки. Также подготовка
образцов для любого из видов микроскопии мо-
жет создавать артефакты — структуры, которые
видны на микрофотографиях, но на самом деле их
нет в живой клетке.
За последние несколько десятилетий свето-
вая микроскопия ожила благодаря ряду крупных
технологических прорывов (см. рис. 6.3, д-з). От-
дельные молекулы или клеточные структуры по-
мечают флуоресцентными метками, что сделало
возможным получение более детальных изобра-
жений этих структур. Кроме того, и конфокаль-
ная, и деконволюционная микроскопия позволили
получить более четкие трехмерные изображения
тканей и клеток. Наконец, целая группа новых ме-
тодов и меток, разработанных в последнее время,
позволила исследователям преодолеть разреша-
ющий барьер и увидеть субклеточные структуры
толщиной до 10-20 нм. С распространением этой
сверхразрешающей микроскопии изображения кле-
ток, которые мы получаем, кажутся нам настолько
же удивительными, как казались Гуку изображе-
ния, полученные Левенгуком 350 лет назад.
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 143
▼ рис. 6.3
Изучаем виды микроскопии
Световая микроскопия
А) Светлопольная микроскопия
(без окрашивания)
Свет проходит прямо через образец.
Если клетки не пигментированы или не
окрашены искусственно, то изображе-
ние слабо контрастно. (Первые четыре
изображения, полученные при помощи
световой микроскопии, показывают клет-
ки эпителия щеки человека; масштаб
изображений одинаковый).
Б) Светлопольная микроскопия
(с окрашиванием)
Окрашивание при помощи различных
красителей повышает контрастность.
Большая часть окрашиваний требует
предварительной фиксации клеток (для
их сохранности). Эта процедура уби-
вает их.
В) Фазово-контрастная микроскопия
Контрастность неокрашенного образца
можно усилить на основании разницы
его плотности и плотности окружающей
среды. Такой метод особенно удобен
при изучении живых непигментирован-
ных клеток.
Г) Дифференциально-интерферен-
ционно контрастная микроскопия
(Номарски)
Так же и в фазово-контрастной микро-
скопии, здесь используются оптические
приемы, чтобы акцентировать различия
в плотности. Полученное изображение
кажется почти трехмерным.
Д) Флуоресцентная микроскопия
Положение определенных молекул в
клетке можно установить, если пометить
их флуоресцентными красками или анти-
телами, а в некоторых клетках есть моле-
кулы, которые флуоресцируют сами по
себе. Флуоресцирующие вещества по-
глощают ультрафиолетовое излучение, а
испускают видимый свет. В этой флуорес-
центно-меченной клетке содержимое
ядра окрашено голубым, органеллы, ко-
торые называются митохондрии — оран-
жевым, а клеточный "скелет" — зеленым.
Е) Конфокальная микроскопия
Верхняя картинка — это стандартная
флуоресцентная микрофотография
флуоресцентно-меченной нервной тка-
ни (нервные клетки показаны зеленым,
вспомогательные клетки—оранжевым, а
10 нм
участки их наложения—желтым). Нижняя
картинка — это изображение той же тка-
ни, полученное с помощью конфокаль-
ной микроскопии. При помощи лазера
эта технология "получения оптических
срезов" отсекает находящийся не в фо-
кусе свет в образце большой толщины,
отображая на картинке единственную
плоскость флуоресценции. Посред-
ством получения четких изображений
флуоресценции в разных плоскостях,
можно получить трехмерную реконструк-
цию объекта. Обычное флуоресцентное
изображение получается размытым, по-
скольку находящийся не в фокусе свет
не исключается.
Ж) Деконволюционная микроскопия
Верхняя половина картинки — это стан-
дартная флуоресцентная микрофото-
графия белой кровяной клетки. А ниж-
няя половина — это фотография той же
самой клетки, реконструированная из
большого числа размытых изображений
разных плоскостей, каждая из которых
была обработана с помощью деконво-
люционирующих программ. В ходе этого
процесса цифровыми методами удается
убрать находящийся не в фокусе свет, а
источники сфокусированного света сде-
лать ярче, создавая более четкое трех-
мерное изображение.
3) Сверхразрешающая микроскопия
Сверху находится изображение части
нервной клетки, полученное с помощью
конфокального микроскопа с использо-
ванием флуоресцентной метки, которая
связывается с молекулами, собранными
в маленькие мешочки в клетке (везикулы).
Эти мешочки имеют диаметр всего 40 нм.
Желто-зеленые пятна расплывчаты, по-
тому что 40 нм находятся ниже 200 нм
предела стандартной световой микро-
скопии. Внизу изображена та же часть
клетки, наблюдаемая с помощью новой
сверхразрешающей техники. Исполь-
зование сложной аппаратуры позволя-
ет "подсветить" отдельные молекулы и
установить их положение. Объединение
информации о положении многих моле-
кул в разных местах позволяет преодо-
леть предел разрешения, и в результате
получаются четкие желто-зеленые точки,
которые видны на рисунке (каждая точ-
ка — это 40 нм везикула).
1нм Ю нм 50 нм
144
Микроскопы являются наиболее важными
инструментами цитологии — науки, изучающей
клеточные структуры. Однако понимание функ-
ции каждой структуры требует интеграции цито-
логии и биохимии — науки, изучающей химиче-
ские процессы, протекающие в клетке (клеточный
метаболизм).
Фракционирование клеток
Широко применяемой методикой для изуче-
ния клеточных структур и функций является
фракционирование клеток (рис. 6.4), в ходе кото-
рого происходит разрушение клеток и отделение
главных клеточных органелл и других субклеточ-
ных структур друг от друга. Прибор, с помощью
которого разделяются фракции — это центрифу-
га. В ней вращаются пробирки с растворами, со-
держащими разрушенные клетки. Для того что-
бы выделить фракции, необходимо совершить
несколько серий вращений на все более высо-
ких скоростях. При каждой конкретной скорости
центробежная сила приводит к тому, что некий
определенный набор клеточных компонентов
опускается на дно пробирки, формируя осадок.
На низких скоростях осадок состоит из компо-
нентов большего размера, а на высоких — из
меньшего.
Клеточное фракционирование позволяет ис-
следователям получить большое количество кле-
точных компонентов одного типа и изучить их
работу, что обычно невозможно сделать с целы-
ми клетками. Например, в одной из клеточных
фракций биохимические тесты показали нали-
чие ферментов, участвующих в клеточном дыха-
нии, а данные микроскопии — наличие большо-
го числа органелл, называемых митохондриями.
Вместе эти данные помогли биологам определить,
что митохондрии являются местом протекания
клеточного дыхания. Таким образом, биохимия и
цитология дополняют друг друга, а исследовате-
ли могут найти взаимосвязи между клеточными
структурами и их функциями.
▼ окончаниерис.6.3
Световая микроскопия
И) Электронная микроскопия
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Микрофотогра-
фии, полученные с помощью сканирующей электронной микро-
скопии, показывают трехмерное изображение поверхности объек-
та. Эта СЭМ микрофотография показывает покрытую ресничками
поверхность клетки трахеи (дыхательный путь). Движения ресничек
помогают частицам, попавших вместе со вдыхаемым воздухом, пе-
редвигаться в сторону глотки. Такие электронные микрофотографии
изначально получаются черно-белыми, но их часто раскрашивают,
чтобы подчеркнуть определенные структуры, как это сделано здесь
с обеими микрофотографиями (СЭМ и ТЭМ).
Здесь и далее в учебнике для обозначения вида микроскопии
используются следующие сокращения:
СМ — световая микроскопия
СЭМ — сканирующая электронная микроскопия
ТЭМ — трансмиссионная электронная микроскопия.
К) Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ)
Трансмиссионный электронный микроскоп позволяет получить изо-
бражение тонкого среза объекта. На этом рисунке мы видим срез,
проходящий через клетку трахеи и показывающий ее внутренние
структуры. Во время подготовки образца одни реснички были сре-
заны вдоль, создавая продольные срезы, а другие—ровно поперек,
создавая поперечные срезы.
’2 мкм
И 45
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 6.1
Гомогенизация
----Клетки
ткани
Центрифуги- "X
рованиепри 1000 д\
(в 1000 раз превышает х
силу гравитации)
в течение 10 мин
Супернатант
переливают
в следующую
•"] пробирку
Гомогенат
1.
2.
Чем отличаются красители, которые используют в световой
микроскопии от красителей, применяемых в электронной?
| Какой метод микроскопии вы бы исполь-
зовали для: а) изучения изменения формы живого лейкоцита
крови, б) деталей текстуры поверхности волоса?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
Осадок,
насыщенный
ядрами
и клеточными
остатками
Центрифугирование
Дифференциальное
центрифугирование
2000 g
20 мин
150000 g
Зчаса
8000 g
60 мин
Осадок, насыщенный
митохондриями
(и хлоропластами,
если клетки были J
растительными) |
Осадок, насыщенный
"микросомами" (кусоч-
ками цитоплазматической
мембраны и внутренних
мембран клетки)
Осадок,
насыщенный
рибосомами
Рис. 6.4. Метод исследований: фракционирование клеток
Применение на практике. Фракционирование (разделение)
клеток используется для разделения компонентов клетки на
основании их размера и плотности.
Описание методики. Клетки гомогенизируют (разрушают) в
блендере. Полученную смесь (гомогенат) помещают в цен-
трифугу и вращают. Супернатант (жидкую часть) переливают
в другую пробирку и центрифугируют на более высокой ско-
рости в течение большего времени. Этот процесс повторяют
несколько раз. В результате такого "дифференциального"
вращения в центрифуге получается набор осадков, в каждом
из которых содержатся разные клеточные компоненты.
Результаты. В первых экспериментах ученым приходилось
использовать микроскопию для определения, какие органел-
лы находятся в каждом из осадков, а биохимические методы
применяли для определения метаболических функций этих
органелл. Эти опыты стали основой современной методики и
позволяют современным исследователям точно знать, какую
именно клеточную фракцию необходимо собрать, чтобы вы-
делить и изучить конкретную органеллу.
6.2. Эукариотические
клетки имеют внутренние
мембраны, которые разделяют
функциональные процессы
Клетки — основные структурно-функцио-
нальные единицы любого организма — можно
разделить на два типа: прокариотические и эука-
риотические. Клетки организмов, принадлежа-
щих доменам бактерии и археи, имеют прока-
риотическое строение. Все простейшие, грибы,
животные и растения состоят из эукариотических
клеток. (Простейшие — это несистематический
термин, который используется для обозначения
группы преимущественно одноклеточных орга-
низмов.)
Сравнение прокариотических
и эукариотических клеток
Все клетки имеют ряд общих базовых черт:
все они ограничены цитоплазматической мем-
браной, выполняющей функцию избирательно-
го барьера. Внутри клеток находится полужидкая
гелеобразная субстанция — цитозоль (или гиало-
плазма), в которой располагаются все клеточные
компоненты. Во всех клетках содержатся хромо-
сомы, которые несут гены в форме ДНК (англ. —
DNA). Также во всех клетках есть рибосомы —
крошечные комплексы, которые создают белки
согласно инструкциям, записанных в генах.
Главным отличием прокариотических и эука-
риотических клеток является место расположе-
ния ДНК. В эукариотической клетке большая
часть ДНК находится в ядре — органелле, окру-
женной двумя мембранами (рис. 6.8). В прокарио-
тической клетке ДНК сконцентрирована в участ-
ке клетки, не ограниченном мембраной, который
называется нуклеоид1 (рис. 6.5).
1 От лат. nucleus — “ядро” и греч. eidos — “вид”. — При-
меч. ред.
146 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
Бактериальная
хромосома
Фимбрии: структуры, отвечающие
у некоторых прокариот за прикрепление
к поверхности
Нуклеоид: участок, в котором
расположена клеточная ДНК
(не окружен мембраной)
Цитоплазматическая мембрана:
мембрана, окружающая цитоплазму
Рибосомы: комплексы,
которые синтезируют белки
Клеточная стенка: жёсткой покрытие,
расположенное снаружи
от плазматической мембраны
Капсула: желеобразное наружное
покрытие многих прокариот
’ 0.5 мкм
б) Тонкий срез бактерии
Bacillus coagulans (ТЭМ)
а) Типичная
палочковидная
бактерия
Жгутики: органеллы,
ответственные за передвижение
некоторых бактерий
Рис. 6.5. Прокариотическая клетка. Клетка прокариот орга-
низована намного проще эукариотической: она не имеет
настоящего ядра и других ограниченных мембраной орга-
нелл. К прокариотам относятся бактерии и археи; клеточ-
ная структура обоих этих доменов в целом достаточно схожа
Слово “эукариотический” в переводе с грече-
ского означает “истинно ядерный” (от двух гре-
ческих слов ей — “истинный” “настоящий” и
кагуоп — “ядро”), а “прокариотический” означа-
ет “доядерный” (греч. pro — “до”), что указывает
на более раннее появление этих клеток в процессе
развития жизни на Земле.
Внутреннее содержимое клетки любого типа
называется цитоплазмой; в эукариотической
клетке этот термин относится только к простран-
ству между ядром и цитоплазматической мембра-
ной. В цитоплазме эукариотической клетки со-
держатся разнообразные органеллы, окруженные
мембранами и обладающие специализированной
структурой и функциями. Внутри прокариотиче-
ских клеток таких мембранных структур нет. Это
является еще одним различием между двумя ти-
пами клеток. Однако несмотря на отсутствие ор-
ганелл, прокариотическая цитоплазма все же
не представляет собой бесформенный “суп”, и,
по-видимому, разделена на отдельные участки.
Эукариотические клетки обычно гораздо боль-
ше по размеру, чем прокариотические (см. рис. 6.2.
Размер — важная черта строения клетки, отража-
ющая ее функции. Существование клеточного ме-
таболизма накладывает ряд ограничений на раз-
меры, которыми может обладать одна клетка. На
нижней границе допустимых размеров находят-
ся самые маленькие из известных бактерий — ми-
коплазмы, диаметр которых может составлять от
0,1 до 1,0 мкм. Эти клетки, вероятно, представля-
ют собой мельчайшую из возможных “упаковок”,
в которой содержится достаточно ДНК для про-
граммирования метаболизма, а также необходи-
мое количество ферментов и другого клеточного
инструментария, который требуется клетке для
поддержания жизни и воспроизведения. Типич-
ные бактерии имеют размер 1-5 мкм в диаметре,
что примерно в 10 раз превышает размер мико-
плазм. Размер эукариотических клеток обычно со-
ставляет 10-100 мкм в диаметре.
Условия, необходимые для осуществления ме-
таболизма, накладывают теоретические ограни-
чения и на верхнюю границу размера, целесо-
образного для клеток. Каждая клетка окружена
цитоплазматической мембраной, которая рабо-
тает в качестве избирательного барьера, обеспе-
чивающего прохождение достаточного количе-
ства кислорода, питательных веществ и продуктов
обмена для обслуживания всей клетки (рис. 6.6).
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 147
Через каждый квадратный микрометр мембраны
в секунду может пройти только строго определен-
ное количество конкретного вещества, и, следова-
тельно, отношение площади поверхности клетки
к ее объему является чрезвычайно важной харак-
теристикой. При увеличении клетки (или любого
другого объекта) в размере площадь поверхности
растет медленнее, чем объем. (Площадь поверхно-
сти пропорциональна линейному размеру в ква-
драте, а объем — линейному размеру в кубе.) Та-
ким образом, объекты меньшего размера имеют
большее отношение площади поверхности к объе-
му (рис.6.7). Рубрика “Развиваем исследовательские
навыки” дает вам возможность посчитать пло-
щадь поверхности и объем двух клеток: взрослой
материнской клетки дрожжей и маленькой дочер-
ней клетки, отпочковавшейся от нее.
ства клеток и длинную, узкую форму остальных,
например, нервных клеток.
Клетки больших организмов, как правило, не
обладают большими размерами, чем клетки ма-
леньких: крупные организмы просто состоят из
большего их числа (см. рис. 6.7). Достаточно высо-
кое соотношение поверхности к объему особенно
важно для клеток, которые обмениваются боль-
шим количеством вещества с окружающей сре-
дой, как это делают, например, клетки кишечни-
ка. На их поверхности могут находиться длинные
тонкие выросты, микроворсинки, которые увели-
чивают площадь поверхности клетки, не оказы-
вая сколько-нибудь значительного влияния на ее
объем.
Снаружи от клетки
Внутренне н—-----:
пространство и<1 М1<М
клетки
а) ТЭМ плазматической мембраны.
Плазматическая мембрана —
в данном случае красных кровяных
клеток — выглядит как пара тёмных
полосок, разделенных светлой полосой.
Углеводные боковые цепи
Гидрофильный
участок
Гидрофобный
участок
Гидрофильный
участок
Фосфолипид
Белки
б) Структура плазматической мембраны
© Pearson Education. Inc.
Суммарная площадь
поверхности (сумма пло-
щадей (высота х ширина)
всех сторон кубика х
х число кубиков)
Суммарный объём
(высота х ширина х
х длина х число кубиков)
Отношение площади
поверхности к объёму
(площадь поверхности /
объём)
Площадь поверхности
увеличивается, в то время
как общий объём
остается прежним
150 750
125 125
Рис. 6.6. Плазматическая мембрана. Плазматическая мем-
брана и мембраны органелл состоят из двойного слоя (бис-
лоя) фосфолипидов и различных белков, которые прикреплены
к нему или погружены в него. Гидрофобные участки фосфоли-
пидов и мембранных белков находятся внутри мембраны, тог-
да как гидрофильные части контактируют с водным раствором
с обеих сторон. Боковые цепи из углеводов могут быть прикре-
плены к белкам или липидам с наружной стороны плазматиче-
ской мембраны
Вернитесь к рис. 5.11 и опишите ха-
рактеристики фософлипидов, позволяющие им функционировать
в качестве главных компонентов цитоплазмической мембраны.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Необходимость достаточно большой поверх-
ности для обслуживания всего объема помогает
объяснить микроскопические размеры большин-
Рис. 6.7. Взаимоотношение между поверхностью и объемом.
На этой диаграмме клетки представлены в виде кубиков. Ис-
пользуя произвольные единицы длины, мы можем посчитать
площадь поверхности клетки (в квадратных единицах, или
ед2), объем (в кубических единицах, или ед3) и соотношение
площади поверхности к объему. Высокое отношение площа-
ди поверхности к объему облегчает обмен веществ между
клеткой и средой
Эволюционные взаимоотношения между про-
кариотическими и эукариотическими клетками
будут обсуждаться далее в этой главе, а прокари-
отические клетки будут подробно описаны в гла-
ве 27. Большая часть клеточных структур, кото-
рые мы будем обсуждать в этой главе, относится к
эукариотическим клеткам.
148 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
'Использование маашпаЬнон линейки для расчета оЬъема и площади поверхности клетки
Какое количество новой цитоплазмы и покрытия цитоплазмати-
ческой мембраны создается в растущей дрожжевой клетке?
Одноклеточные дрожжи Socchoromyces cerews/oe размножа-
ются путем отпочковывания новой маленькой клетки, которая
затем вырастает до полноценного размера (дрожжевые клетки
изображены на рис. 6.8). В процессе роста дочерняя клетка син-
тезирует новую цитоплазму, увеличивающую ее объем, и новую
цитоплазматическую мембрану, которая увеличивает площадь
ее поверхности. В данном упражнении используйте масштаб-
ную линейку для определения размеров зрелой родительской
дрожжевой клетки и ее почки. Затем рассчитайте объем и пло-
щадь поверхности каждой клетки. Эти расчеты используйте для
определения количества цитоплазмы и цитоплазматической
мембраны, которое необходимо синтезировать новой клетке,
чтобы вырасти до полного размера.
Проведение эксперимента. Дрожжевые клетки выращивали в
таких условиях, которые способствовали их размножению поч-
кованием. Затем клетки наблюдали и фотографировали под
дифференциальным интерференционным контрастным световым
микроскопом.
Полученные экспериментальные данные. На этой световой ми-
крофотографии видна почка дрожжевой клетки, которая готова
отделиться от зрелой родительской клетки.
Клетка-
почка
Зрелая
родительская
клетка
1 мкм
Анализ данных
1. Изучите микрофотографию дрожжевых клеток. Масштабный
отрезок под фотографией подписан как ”1 мкм". Масштаб-
ный отрезок выполняет ту же функцию, что и масштаб карты,
где, например, 1 см приравнивается к 1 км. В данном случае
отрезок изображает одну тысячную миллиметра. Используя
масштабный отрезок как единицу измерения, определите
диаметр зрелой родительской клетки и новой клетки. Начните
с измерения самого отрезка, а затем измерьте диаметр ка-
ждой клетки. Не имеет значения, какие единицы вы использу-
ете, но удобнее будет работать с миллиметрами. Разделите
каждый диаметр на длину масштабного отрезка, а затем
умножьте на значение этого отрезка, чтобы получить длину
диаметра в микрометрах.
2. Форму дрожжевой клетки можно считать приблизительно
сферической.
а) Рассчитайте объем каждой клетки, используя формулу объ-
ема сферы:
Здесь л (греческая буква "пи") — это константа, которая при-
мерно равна 3,14, d означает диаметр, а г означает радиус,
т.е. половину диаметра.
б) Как много новой цитоплазмы нужно синтезировать новой
клетке для созревания? Чтобы определить это, рассчи-
тайте разницу между объемом полноразмерной клетки и
объемом новой клетки.
3. В ходе роста новой клетки ее цитоплазматическая мембрана
должна расширяться, чтобы вместить увеличивающийся объ-
ем клетки.
а) Рассчитайте площадь поверхности каждой клетки, исполь-
зуя формулу для площади поверхности сферы.
б) Какую площадь новой цитоплазматической мембраны нуж-
но синтезировать новой клетке для созревания?
4. Когда новая клетка вырастет, во сколько раз (примерно) она
будет больше по объему и по площади поверхности, чем те-
перь?
Микрофотография, сделанная Келли Тэтчелл, с использовани-
ем дрожжевых клеток, выращенных для экспериментов, описана
в статье L. Kozubowski et al., Role of the septin ring in the asymmetric
localization of proteins at the mother-bud neck in Saccharomyces
cerevisiae, Molecular biology of the Cell 16:3455-3466 (2005).
Панорамный вид
эукариотической клетки
Помимо окружающей клетку цитоплазмати-
ческой мембраны, эукариотические клетки об-
ладают большим количеством сложно организо-
ванных внутренних мембран, разделяющих их на
компартменты — органеллы, о которых уже упо-
миналось ранее. Клеточные компартменты мо-
гут содержать различные локальные условия, что
позволяет осуществлять особые метаболические
функции, так что даже несовместимые процессы
могут идти в клетке одновременно. Цитоплазма-
тическая мембрана и мембраны органелл тоже на-
прямую участвуют в клеточном метаболизме, по-
скольку некоторые ферменты встроены прямо в
мембрану.
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 149
В основе строения большинства биологиче-
ских мембран лежит двойной слой из фосфоли-
пидов и других липидов. Различные белки могут
быть погружены в этот липидный бислой, или
же прикреплены к его поверхности (рис. 6.8). Каж-
дый тип мембраны имеет характерный набор ли-
пидов и белков, подходящих для выполнения ее
специфической функции. Например, ферменты,
встроенные в мембраны митохондрий, участвуют
в клеточном дыхании. Так как мембраны играют
чрезвычайно важную роль в устройстве клетки,
мы детально обсудим их в главе 7.
Прежде чем вы продолжите читать эту главу,
внимательно изучите рис. 6.8. Общие схемы жи-
вотной и растительной клеток познакомят вас с
различными органеллами и покажут ключевые
отличия между клетками растений и животных.
Микрофотографии дадут вам представление о
том, как выглядят клетки различных эукариоти-
ческих организмов.
А ЧТО, ЕСЛИ?
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 6.2
1. Кратко опишите строение и функции ядра, митохондрии,
хлоропласта и эндоплазматического ретикулума.
2. Представьте удлиненную клетку (напри-
мер, такую как нервная клетка), размеры которой состав-
ляют 125x1x1 условных единиц. Предположите, каким будет
отношение ее площади поверхности к объему по сравне-
нию с отношением площади поверхности к объему клеток
на рис. 6.7. Затем подсчитайте отношение и проверьте ваши
предсказания.
Ответы см в Приложении А.
6.3. Генетические инструкции
эукариотической клетки
хранятся в ядре и исполняются
рибосомами
На первой остановке нашей подроб-
ной экскурсии по эукариотической клет-
ке давайте обратим внимание на два
клеточных компонента, отвечающих за
генетический контроль клетки: ядро,
содержащее большую часть клеточной
ДНК, и рибосомы, использующие за-
кодированную в ДНК информацию для
производства белков.
Ядро: информационный центр
Ядро содержит большую часть генов эука-
риотической клетки (некоторые гены находятся в
митохондриях и хлоропластах). Обычно это наи-
более заметная органелла (голубая структура в
клетке на рисунке ниже), диаметр которой состав-
ляет в среднем 5 мкм.
Ядро окружено ядерной оболочкой (рис. 6.9), от-
деляющей его содержимое от цитоплазмы. Эта
оболочка состоит из двух мембран, каждая из ко-
торых представляет собой липидный бислой со
встроенными в него белками. Мембраны разде-
ляет расстояние шириной 20-40 нм. Ядерная обо-
лочка насквозь пронизана поровыми структура-
ми, диаметр которых составляет примерно 100 нм.
По краям каждой поры внутренняя и наружная
мембраны соединяются. Изнутри пору выстила-
ет поровый комплекс — очень сложная белковая
структура, играющая важную роль в клетке, обе-
спечивая регуляцию входа и выхода белков и РНК
так же, как и больших комплексов макромолекул.
Везде, кроме пор, ядерная сторона оболочки вы-
стлана ядерной ламиной — сетью белковых фи-
ламентов (нитевидных структур), поддерживаю-
щей форму ядра путем механического укрепления
ядерной оболочки. Также есть много свидетельств
в пользу существования ядерного матрикса — сети
белковых волокон, пронизывающих внутреннюю
часть ядра. Ядерная ламина и матрикс, вероятно,
помогают организовывать генетический материал
так, чтобы он эффективно работал. Ядерная ДНК
тоже структурирована — она организована в от-
дельные дискретные единицы, хромосомы, кото-
рые и являются носителями генетической инфор-
мации. Каждая хромосома содержит одну длинную
молекулу ДНК связанную с множеством белков.
Некоторые из этих белков помогают сворачивать
в хромосомах молекулы ДНК, тем самым умень-
шая их длину и позволяя умещаться
в ядре. Комплекс ДНК и белков,
участвующих в образовании
хромосом, называется хро-
матином. Когда клетка
не делится, окрашенный
хроматин на микро-
фотографиях кажется
рассеянной массой, и
хромосомы нельзя раз-
личить между собой,
несмотря на то, что не-
которые из них и могут су-
ществовать дискретно. Од-
нако, во время подготовки к
делению, хромосомы скручиваются
5 мкм
150 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
▼ рис. 6.8
Изучаем эукариотические клетки
Жгутик: структура,
обеспечивающая
движение; присутствует
в некоторых животных
клетках; состоит из
пучка микротрубочек,
проходящих внутри
выроста плазмати-
ческой мембраны
ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКИЙ РЕТИКУЛУМ (ЭПР): сеть
мембранных мешочков и трубочек; участвует
в мембранном синтезе и других синтетических
и метаболических процессах; имеет шероховатый
(покрытый рибосомами) и гладкий участки
Шероховатый ЭПР Гладкий ЭПР
Клеточный центр:
локация, откуда
отходят клеточные
микротрубочки;
содержит пару
центриолей
ЦИТОСКЕЛЕТ: поддержи- \
вает форму клетки; участ-Х
вует в движении клетки;
его компоненты состоят
из белка. Включает:
Микротрубочки
Промежуточные.
филаменты п
Микроворсинки:
выросты, увеличи-
вающие площадь
поверхности клетки
Пероксисома: органелла,
осуществляющая различ-
ные метаболические функ-
ции; в качестве побочного
продукта производит пере-
кись водорода, которая
затем превращается в воду
Митохондрия: органелла, где
протекает процесс клеточного
дыхания и генерируется большая
часть АТФ
Клетки человека, препарат выстилки матки
(окрашенная ТЭМ микрофотография)
Клетки дрожжей: размножение почкованием
(сверху, окрашенная СЭМ микрофотография)
и одиночная клетка (справа, окрашенная ТЭМ
микрофотография)
Ядерная оболочка: двойная
мембрана, окружающая ядро;
содержит отверстия — поры;
соединяется с ЭПР
Ядрышко: немембранная струк-
тура, вовлечённая в производство
рибосом; в ядре может быть одно
или несколько ядрышек
Хроматин: материал, состоящий
из ДНК и белков; виден в делящих-
ся клетках в качестве отдельных
сконденсированных хромосом
> ЯДРО
Плазматическая
мембрана: мембрана,
окружающая клетку
Рибосомы (маленькие
коричневые точки): ком-
плексы. которые произво-
дят белок; могут свободно
плавать в цитоплазме,
быть прикреплены к ше-
роховатому ЭПР или
к ядерной оболочке
Аппарат Гольджи: органелла,
участвующая в синтезе, модифи-
кации, сортировке и секреции
клеточных продуктов
Лизосома: пищеварительная
органелла, в которой гидро-
лизуются макромолекулы
©Pearson Education, Inc.
151
। Ядерная оболочка
ЯДРО< Ядрышко
I Хроматин
Митохондрия
Пероксисома
Плазматическая
мембрана
Клеточная стенка: наружный слой,
который поддерживает форму клетки и
защищает клетку от механических
повреждений; состоит из целлюлозы,
других полисахаридов и белка
Шероховатый
эндоплазматический
Гладкий
эндоплазматический
Клеточная стенка
соседней клетки
Микрофиломенты > ЦИТ0СКЕЛЕ1
Микротрубочки J
Хлоропласт: фотосинтетическая
органелла; переводит энергию
света в химическую энергию,
запасённую в молекулах сахара
Плазмодесмы: проходящие
через клеточные стенки
цитоплазматические каналы,
которые соединяют цитоплазму
соседних клеток
Рибосомы (маленькие коричневые точки)
Центральная вакуоль: крупная органелла зрелых
растительных клеток; её функции включают в себя
хранение, разрушение продуктов обмена и
гидролиз макромолекул; увеличение вакуоли
является главным механизмом роста у растений
Растительные клетки
Клетка
Клеточная
стенка
Хлоропласт
Митохондрия
Клетки ряски (лат SproJe/ta oiigorrhiza).
водного растения (окрашенная ТЭМ
микрофотография)
Одноклеточная зелёная
водоросль Chlamydomonas
(сверху—окрашенная СЭМ;
справа — окрашенная ТЭМ)
стенка
Ядро
1 мкм
Ядро
Ядрышко
Хроматин
Ядерная
оболочка
крупным
планом
Поровый
комплекс
Шероховатый
ЭПР
Ядерная оболочка:
Наружная мембрана
— Внутренняя мембрана
Ядерная пора
Рибосома
А Поверхность ядерной оболочки (ТЭМ).
Этот образец был приготовлен
по методике, известной как
замораживание-скалывание.
© Pearson Education, Inc.
▲ Поровые комплексы (ТЭМ).
Каждая пора окольцована
белковыми частицами.
Рис. 6.9. Ядро и его оболочка. В ядре находятся хромосомы,
которые представляют из себя скопления хроматина (ДНК и
связанные с ней белки) и одно или несколько ядрышек, уча-
ствующих в синтезе рибосом. Ядерная оболочка состоит из
двух мембран, разделенных узким пространством. Она со-
держит в себе поры и выстлана ядерной ламиной
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
А Хроматин. Этот
участок хромосомы
неделящейся клетки
показывает два уровня укладки
комплекса ДНК (голубая) и белков
(фиолетовые). Более плотная
толстая форма иногда также
собирается в длинные петли.
◄ Ядерная ламина (ТЭМ).
Сетчатая пластинка,
подстилает внутреннюю
поверхность ядерной оболочки.
Хромосомы содержат гене-
тический материал и находятся в ядре. Но как другие части
клетки получают доступ к информации, которую они несут?
(См. рис. 5.23.)
(конденсируются) все больше и больше, становясь
настолько толстыми, что могут быть различимы
под микроскопом в качестве отдельных структур.
Каждый вид эукариот имеет свое число хромосом.
Например, типичная клетка человека содержит
46 хромосом в ядре, исключением являются поло-
вые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды), в кото-
рых только по 23 хромосомы. А у плодовой мушки
в большинстве клеток содержится 8 хромосом (и 4
в половых).
Заметной структурой в неделящемся ядре яв-
ляется ядрышко, которое под электронным ми-
кроскопом выглядит как масса густо окрашен-
ных гранул и волокон, соседствующих с участком
хроматина. Здесь по инструкциям, записанным
в ДНК, происходит синтез рибосомальной РНК
или рРНК. Также в ядрышке белки, импортиро-
ванные из цитоплазмы, связываются с рРНК и об-
разуют большую и малую субъединицы рибосом.
Эти субъединицы потом выходят через ядерную
пору в цитоплазму, где объединяются в рибосому.
153
Свободные рибосомы в цитозоле
Эндоплазматический ретикулум (ЭПР)
ТЭМ, демонстрирующая ЭПР
и рибосому
Малая
субъединица
Рибосомы связанные с ЭПР
, Большая
Vх субъединица
Компьютерная модель
рибосомы
Схема рибосомы
Рис. 6.10. Рибосомы. Эта электронная микрофотография клетки поджелудочной железы демонстрирует как свободные, так и свя-
занные рибосомы. Общий план строения рибосомы показан на компьютерной модели и упрощенной схеме справа
Иногда в клетке может быть два или более ядры-
шек. Число ядрышек зависит от вида и от стадии
жизненного цикла клетки.
Как показано на рис. 5.23, ядро направляет син-
тез белка при помощи матричных РНК (мРНК) со-
гласно инструкциям, записанным в ДНК. Матрич-
ная РНК затем транспортируется в цитоплазму
через ядерные поры. Когда молекула матричной
ДНК достигает цитоплазмы, рибосомы трансли-
руют (“переводят”) генетическую инструкцию
матричной РНК в первичную структуру соответ-
ствующего полипептида (процесс транскрипции и
трансляции генетической информации подробно
описан в главе 17).
Рибосомы: белковые фабрики
Рибосомы представляют собой комплексы
рРНК и белка. Это компоненты клетки, ответ-
ственные за синтез белка (рис. 6.10) Обратите вни-
мание, что рибосомы не окружены мембраной и,
таким образом, не считаются органеллами.2 Чем
больше белка производится в клетке, тем боль-
ше в ней будет рибосом. Например, клетка подже-
лудочной железы человека, которая производит
много пищеварительных ферментов, содержит
несколько миллионов рибосом. Не удивительно,
что клетки, в которых синтез белка также идет
активно, имеют заметные ядрышки. Рибосомы
могут строить белки в двух различных областях
цитоплазмы. Свободные рибосомы постоянно на-
ходятся в цитозоле, в то время как связанные рибо-
сомы прикреплены к наружной стороне эндоплаз-
матического ретикулума или ядерной оболочки
(рис. 6.10).
2 В российской традиции считаются. — Примеч. пер.
Свободные и связанные рибосомы структур-
но идентичны, поэтому они могут выступать и в
той, и в другой роли. Большая часть белков, син-
тезированных на свободных рибосомах, функ-
ционирует в цитозоле. В качестве примера мож-
но привести ферменты, катализирующие первые
этапы расщепления сахара. Связанные рибосомы
обычно синтезируют белки, которые включаются
в мембраны, определенные органеллы, например,
лизосомы (см. рис. 6.8), или экспортируются из кле-
ток (секреции). Клетки, которые специализируют-
ся на секреции белка, например клетки поджелу-
дочной железы, зачастую содержат значительную
долю связанных рибосом (больше о структуре и
функции рибосом вы узнаете из главы 17.)
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 5.4
1.
2.
3.
Какую роль играют рибосомы в процессе выполнения гене-
тических инструкций?
Опишите молекулярный состав ядрышек и объясните их
функции.
Когда клетка начинает процесс деления,
ее хромосомы становятся короче, толще и различимыми по
отдельности в видимом свете при СМ. Объясните, что про-
исходит на молекулярном уровне.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
6.4. Эндомембранная система
клетки регулирует транспорт
белков и осуществляет
метаболические функции
Существенная часть мембранных структур,
присутствующих в эукариотической клетке, отно-
сится к эндомембранной системе. Она включает
154 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
в себя ядерную оболочку, эндоплазматический ре-
тикулум (ЭПР), аппарат Гольджи, лизосомы, раз-
личные виды везикул и вакуолей, а также плаз-
матическую мембрану. Эта система выполняет
самые разные задачи в клетке, включая синтез
белка, его перенос через мембраны внутрь орга-
нелл или же выведение из клетки, метаболизм и
транспорт жиров, а также обезвреживание ядов.
Мембраны этой системы могут быть либо непо-
средственно связаны друг с другом, либо обме-
ниваться участками в виде везикул (мембран-
ных мешочков). Несмотря на то что мембраны
взаимосвязаны, они различаются по строению и
функциям. Более того, толщина конкретной мемб-
раны, ее молекулярный состав и типы проходя-
щих в ней химических реакций непостоянны и
могут изменяться с течением времени. Мы с вами
уже обсудили строение ядерной оболочки и сей-
час сосредоточимся на эндоплазматическом рети-
кулуме и других внутренних мембранах, которые
он порождает.
Эндоплазматический ретикулум:
биосинтетическая фабрика
Эндоплазматический ретикулум (ЭПР) пред-
ставляет собой мембранную сеть, которая раз-
ветвляется настолько широко, что ее площадь
составляет более половины суммарной площа-
ди всех мембран клетки. Слово “эндоплазматиче-
ский” означает “внутри цитоплазмы”, а “ретику-
лум” — “маленькая сеть”. Эта сеть образует сотни
мембранных трубочек и мешочков, которые назы-
вают цистернами (от латинского слова cisterna —
“резервуар для воды”). Мембрана ЭПР отделяет
внутренний компартмент ЭПР (люмен, или про-
свет ЭПР) от цитозоля. И так как ЭПР соединяет-
ся непосредственно с ядерной оболочкой, то про-
странство между двумя ее мембранами соединено
с просветом ЭПР (рис.6.11).
Существует два различных, но при этом тесно
связанных между собой, типа ЭПР, которые раз-
личаются по строению и функциям: гладкий и
шероховатый ЭПР. Гладкий ЭПР назван так пото-
му, что на его наружной поверхности отсутствуют
рибосомы. Шероховатый ЭПР, наоборот, усыпан
ими, из-за чего под электронным микроскопом
выглядит неровным. Как мы уже говорили ранее,
рибосомы также могут быть прикреплены к на-
ружной стороне внешней мембраны ядерной обо-
лочки, соединенной с шероховатым ЭПР.
Рис. 6.11. Эндоплазматический ретикулум (ЭПР). Мембран-
ная система соединенных между собой трубочек и упло-
щенных мешочков — цистерн. ЭПР соединяется с ядерной
оболочкой, как это показано на схеме сверху. Мембраны
ограничивают непрерывное пространство внутри себя —
просвет ЭПР. На электронной микрофотографии (ТЭМ) можно
отличить гладкий ЭПР от шероховатого, усыпанного рибосо-
мами по всей наружной поверхности. Транспортные везикулы
(специальные пузырьки) отпочковываются от особого участ-
ка шероховатого ЭПР — переходного ЭПР, и направляются в
аппарат Гольджи или в другие места
Функции гладкого ЭПР
Гладкий ЭПР участвует в различных процессах
обмена веществ в разных типах клеток — это мо-
жет быть синтез жиров, метаболизм углеводов, обе-
звреживание ядов или хранение ионов кальция.
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 155
Ферменты гладкого ЭПР важны для синтеза
жиров, включая масла, а также новых мембранных
фосфолипидов и стероидов (в том числе половых
гормонов позвоночных и стероидных гормонов,
выделяемых надпочечниками). Клетки, которые
синтезируют и выделяют эти гормоны, напри-
мер, в семенниках и яичниках, заполнены гладким
ЭПР. Так в этих клетках выражается принцип со-
ответствия строения и функции.
Другие ферменты гладкого ЭПР помогают
обезвреживать яды и лекарственные вещества,
особенно в клетках печени. Как правило, обе-
звреживание происходит за счет добавления к мо-
лекуле ядовитого вещества гидроксильных групп,
которые делают его более растворимым и облег-
чает выведение из организма. Например, успо-
коительное фенобарбитал и другие барбитураты
преобразуются в клетках печени именно в глад-
ком ЭПР. Действительно, алкоголь, барбитураты и
некоторые другие лекарственные вещества вызы-
вают увеличение площади гладкого ЭПР и, соот-
ветственно, количества связанных с ним обезвре-
живающих ферментов. Таким образом возрастает
и скорость детоксикации. В свою очередь, это по-
вышает устойчивость к медикаментам. Поэтому в
следующий прием для достижения эффекта (на-
пример, успокоительного) потребуется большая
доза. Также поскольку некоторые из обезврежи-
вающих ферментов могут действовать на широ-
кий спектр веществ, увеличение площади гладко-
го ЭПР в ответ на одно вещество может увеличить
потребность в большей дозе и других веществ. На-
пример, злоупотребление барбитуратами может
снизить эффективность некоторых антибиотиков
и других препаратов.
Гладкий ЭПР может также запасать ионы каль-
ция. Например, в мышечных клетках его мембра-
на закачивает ионы кальция из цитозоля в люмен.
Когда нервный импульс стимулирует мышечную
клетку, ионы кальция выходят обратно цитозо-
ль через мембрану ЭПР и вызывают сокращение
мышечной клетки. В других типах клеток выход
ионов кальция из гладкого ЭПР может запускать
самые разные реакции, например выделение ве-
зикул, несущих вновь синтезированные белки.
Функции шероховатого ЭПР
Многие клетки секретируют белки, которые
производят рибосомы, присоединенные к ше-
роховатому ЭПР. Например, некоторые клетки
поджелудочной железы синтезируют в ЭПР бе-
лок инсулин и выделяют этот гормон в кровоток.
По мере того как на связанной с ЭПР рибосо-
ме растет полипептидная цепь, она протягивает-
ся в люмен через пору, образованную белковым
комплексом на мембране ЭПР. В процессе вхож-
дения в люмен новый полипептид укладывается в
свою функциональную форму. Большая часть се-
креторных белков является гликопротеинами —
белками с ковалентно присоединенными углево-
дами. Углеводы пришиваются к полипептидной
цепи в люмене при помощи ферментов, встроен-
ных в мембрану ЭПР.
После того, как секреторные белки полностью
сформировались, мембрана ЭПР не дает им сме-
шиваться с белками, которые производятся сво-
бодными рибосомами и которые останутся в
цитозоле. Затем они отделяются от ЭПР и транс-
портируются к месту назначения “завернутыми”
в мембраны везикул, которые в виде пузырьков
отпочковываются от специальной области пере-
ходного ЭПР (см. рис. 6.11). Пузырьки, которые пе-
ремещаются из одной части клетки в другую, назы-
ваются транспортными везикулами. Их судьбу
мы обсудим чуть позже.
Помимо того, что шероховатый ЭПР отвечает
за продукцию секреторных белков, он также яв-
ляется фабрикой по производству мембран для
клетки. Он локально разрастается по мере присо-
единения мембранных белков и фосфолипидов к
его собственной мембране. Те полипептиды, кото-
рым суждено стать мембранными белками, в ходе
синтеза на рибосоме встраиваются в мембрану
ЭПР и остаются там благодаря своим гидрофоб-
ным участкам. Подобно гладкому ЭПР, шерохова-
тый ЭПР также производит мембранные фосфо-
липиды: встроенные в его мембрану ферменты
собирают фосфолипиды из находящихся в цито-
плазме молекул-предшественников. По мере раз-
растания мембраны ЭПР ее новые участки могут
переноситься к другим частям эндомембранной
системы в виде транспортных везикул.
Аппарат Гольджи:
центр приема и отправки
После выхода из ЭПР многие транспортные ве-
зикулы отправляются в аппарат Гольджи. Мож-
но рассматривать его как склад для получения,
сортировки и отправки содержимого везикул.
И, в некотором смысле, небольшого производ-
ства. Здесь белки, произведенные ЭПР, модифи-
цируются и хранятся, а затем отправляются в ме-
сто назначения. Неудивительно, что сильнее всего
156 Г ЛАВА 6 Экскурсия по клетке
аппарат Гольджи развит в клетках, которые специ-
ализируются на секреции.
Аппарат Гольджи состоит из уплощенных мемб-
ранных мешочков-цистерн, выглядящих как стоп-
ка лепешек (рис. 6.12) Клетка может иметь огромное
количество (даже сотни!) таких стопок. Мембрана
каждой цистерны в стопке отделяет ее внутреннее
пространство от цитоплазмы. Везикулы, сконцен-
трированные рядом с аппаратом Гольджи, участву-
ют в обмене материалом между отделами аппарата
Гольджи и другими структурами. Стопка аппарата
Гольджи имеет четкую пространственную ориен-
тацию, в том числе и на структурном уровне: мем-
браны, находящиеся на разных сторонах стопки
цистерн, отличаются по толщине и молекулярно-
му составу. Две стороны стопки аппарата Гольджи
называются цис- и транс-отделами. Они работа-
ют как принимающий и отправляющий пункты,
соответственно. Термин “цис” означает “на той же
стороне” и обычно находится рядом с ЭПР. Транс-
портные везикулы перемещают вещества от ЭПР
к аппарату Гольджи. Везикула, которая отпочко-
вывается от ЭПР, может присоединять свою мем-
брану и содержимое к цис-отделу просто сливаясь
с мембраной аппарата Гольджи. Транс-отдел (“на
противоположной стороне”) производит везику-
лы, которые отщепляются и отправляются в дру-
гие места.
Продукты эндоплазматического ретикулума
обычно модифицируются по пути из цис-отдела в
транс-отдел. Например, углеводы синтезирован-
ных в ЭПР гликопротеинов преобразуются снача-
ла в самом ЭПР, а затем при прохождении через
аппарат Гольджи. Аппарат Гольджи убирает одни
мономеры сахаров и заменяет другие, тем самым
увеличивая разнообразие углеводов. Мембран-
ные фосфолипиды также могут подвергаться раз-
личным изменениям.
Помимо своей “отделочной” функции, аппа-
рат Гольджи производит некоторые макромолеку-
лы. Многие выделяемые клетками полисахариды
являются продуктами аппарата Гольджи. Напри-
мер, в растительных клетках в аппарате Гольджи
синтезируются пектины и некоторые другие не-
целлюлозные полисахариды, а затем вместе с цел-
люлозой они формируют клеточные стенки. Как и
секреторные белки, небелковые продукты аппара-
та Гольджи, которые затем будут секретированы,
Рис. 6.12. Аппарат Гольджи. Аппарат Гольджи состоит из стопок уплощен-
Аппарат
Гольджи
Цис-отдел
("принимающая"
сторона аппарата
Гольджи) \
О Везикулы движутся
от ЭПР к аппарату
О Везикулы также \ Гольджи.___________
переносят некоторые\
белки обратно в ЭПР \
(к месту их работы). \
ных мешочков или цистерн, которые (в отличие от цистерн ЭПР) физически
не связаны друг с другом, как вы можете увидеть на схеме. Стопка цистерн
аппарата Гольджи получает и отправляет транспортные везикулы вместе с
их содержимым. Аппарат Гольджи имеет структурную и функциональную на-
правленность: везикулы, содержащие вещества, произведенные в ЭПР, при-
соединяются к цис-отделу, а от транс-отдела везикулы отсоединяются. Мо-
дель "созревания цистерн" предполагает, что цистерны аппарата Гольджи
"созревают", продвигаясь из цис- в транс-отдел, перенося при этом белки.
Кроме того, некоторые везикулы переносят обратно фермен-
ты которые продвигались вперед вместе с движущимися
цистернами, возвращая их обратно в менее
созревшие участки, туда, где они нужны | СИ мкм t
О Везикулы сливаются,
чтобы образовать новую
цис-Гольджи цистерну.
Цистерна
©Везикулы переносят некоторые
белки в противоположном направ-
лении, в менее созревшие цистер-
ны аппарата Гольджи, туда, где эти
белки функционируют.
Транс-отдел
("отправляющая"
сторона апарата
Гольджи)
©Созревание"\^
цистерн: цистерна
аппарата Гольджи
движется
из цис-отдела
к транс-отделу.
О Везикулы обра-
зуются и уходят из
аппарата Гольджи,
перенося специ-
фические продукты
в другие места или
к плазматической
мембране для вы-
деления (секреции).
ТЭМ аппарата Гольджи
©Peorson Education, Inc.
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 157
отделяются от транс-отдела Гольджи в виде транс-
портных везикул. Затем они сольются с плазмати-
ческой мембраной.
Аппарат Гольджи синтезирует и улучшает со-
держимое везикул в несколько стадий, причем в
разных цистернах находятся уникальные груп-
пы ферментов, производящих эти преобразова-
ния. До недавнего времени биологи считали аппа-
рат Гольджи статической структурой, в которой
на разных стадиях синтеза продукты просто пе-
реносятся из одной цистерны в другую при помо-
щи везикул. Такое тоже возможно, однако иссле-
дования из некоторых лабораторий представили
понимание аппарата Гольджи как более динамич-
ной структуры. Согласно модели созревания цис-
терну цистерны аппарата Гольджи продвигаются
от цис- до транс-отдела, перенося и преобразуя
свое содержимое по мере продвижения. Детали
этой модели показаны на рис. 6.12.
Аппарат Гольджи сортирует свои продукты
в зависимости от того, в какую часть клетки они
должны попасть, а затем отправляет их в везику-
лах из транс-отдела. Для этого везикулы получают
своего рода “молекулярные этикетки”, такие как
фосфатная группа. Они помогают в процессе со-
ртировки, работая как почтовый индекс в адресе,
написанном на посылке. К тому же транспортные
везикулы, отпочковавшиеся от аппарата Гольд-
жи, содержат снаружи своих мембран молекулы,
которые узнают “места стыковки” на поверхно-
сти определенных органелл или на плазматиче-
ской мембране, что позволяет им в итоге оказать-
ся именно там, куда их отправили.
Лизосомы: пищеварительные пузырьки
Лизосомы — это мембранные пузырьки с гид-
ролитическими ферментами, которые во мно-
гих эукариотических клетках служат для перева-
ривания (гидролиза) макромолекул. Лизосомные
ферменты лучше всего работают в кислой среде,
которая и заполняет лизосомы. Если лизосома
разрушается или происходит утечка ее содержи-
мого, высвобожденные ферменты не будут про-
являть высокую активность, потому что цитозоль
имеет близкий к нейтральному pH. Однако, зна-
чительная утечка из большого количества лизо-
сом может разрушить клетку, так как вызовет са-
мопереваривание.
Гидролитические ферменты и лизосомная
мембрана производятся шероховатым ЭПР, а за-
тем переносятся в аппарат Гольджи для дальней-
шей обработки. Некоторые лизосомы, по-видимо-
му, возникают путем отпочковывания от аппарата
Гольджи (см. рис. 6.12). Но каким образом белки
внутренней поверхности лизосомной мембраны
и сами пищеварительные ферменты избегают раз-
рушения? По-видимому, пространственная струк-
тура этих белков защищает уязвимые связи от
действия ферментов.
Лизосомы осуществляют внутриклеточное пи-
щеварение в самых разных случаях. Амебы и дру-
гие одноклеточные эукариоты питаются посред-
ством заглатывания более мелких организмов или
пищевых частиц. Этот процесс, называют фаго-
цитозом (от двух греческих слов phagein — “есть”
и kytos — “сосуд”, что в данном случае подразуме-
вает клетку). Образованная таким способом пи-
щеварительная вакуоль затем сливается с лизо-
сомой, ферменты которой переваривают пищу
(рис. 6.13а, внизу). Продукты переваривания, включа-
ющие простые сахара, аминокислоты и другие мо-
номеры, проходят в цитоплазму и становятся пи-
тательными веществами для клетки. Некоторые
клетки человека также осуществляют фагоцитоз.
В их число входят макрофаги — тип белых кро-
вяных клеток, которые помогают защищать орга-
низм, заглатывая и переваривая клетки бактерий
и других “захватчиков” (рис. 6.13, а, вверху, и 6.13,6).
Лизосомы также используют свои гидролити-
ческие ферменты для обновления органического
материала самой клетки — этот процесс называ-
ется аутофагией. В ходе аутофагии поврежденная
органелла или небольшое количество цитоплаз-
мы окружается двойной мембраной (неизвест-
ной природы) и лизосома сливается с наружной
мембраной этой везикулы (рис. 6.13, б). Фермен-
ты лизосомы расщепляют окруженный матери-
ал, а полученные низкомолекулярные органиче-
ские соединения переносятся в цитоплазму для
повторного использования. С помощью лизосом
клетка постоянно обновляет себя. Клетка печени
человека, например, обновляет половину своих
макромолекул каждую неделю.
В клетках людей с наследственным болезня-
ми лизосом нет функциональных гидролитиче-
ских ферментов, которые обычно присутствуют
в этих органеллах. Лизосомы наполняются непе-
ревариваемым материалом, что начинает мешать
другим клеточным процессам. Так, при болезни
Тея-Сакса отсутствует или является неактивным
фермент, переваривающий липиды, и мозг пере-
стает нормально работать из-за их накопления в
158 Г ЛАВА 6 Экскурсия по клетке
клетках. К счастью, лизосомные болезни доста-
точно редко встречаются в популяции.
Вакуоли: компартменты различного
содержания
Вакуоли — это везикулы, которые отпочкова-
лись от ЭПР и аппарата Гольджи. Таким образом,
вакуоли являются составной частью эндомем-
бранной системы клетки. Как и другие клеточ-
ные мембраны, мембраны вакуолей избирательно
пропускают растворенные вещества, поэтому их
внутреннее содержимое отличается по составу от
цитозоля.
Вакуоли выполняют различные функции в за-
висимости от того, какой клетке они принадле-
жат. Пищеварительные вакуоли* образующиеся
при фагоцитозе, мы уже обсуждали раньше (см.
рис. 6.13, а). Многие одноклеточные эукариоты, жи-
вущие в пресной воде, имеют сократительные
вакуоли* которые откачивают излишки воды из
клетки. Таким образом они поддерживают необ-
ходимую концентрацию ионов и молекул внут-
ри клетки (см. рис. 7.13). В клетках растений и гри-
бов некоторые вакуоли содержат гидролитические
ферменты и выполняют ту же функцию, что и ли-
зосомы в клетках животных (на самом деле, неко-
торые биологи считают, что такие гидролитиче-
ские вакуоли являются разновидностью лизосом).
В клетках растений небольшие вакуоли могут за-
пасать важные органические вещества — напри-
мер, в запасающих клетках семян содержатся бел-
ки. Кроме того, вакуоли могут защищать растения
от травоядных, аккумулируя в себе ядовитые или
невкусные для животных вещества. Некоторые
вакуоли содержат пигменты — например, красные
Фрагмент —
митохондрии
Фрагмент —
пероксисомы
О Лизосома, содер-
жащая активные гид-
ролитические ферменты.
О Лизосома слива-
ется с пищевари-
тельной вакуолью.
Пищевари-
тельные
ферменты
Лизосома
Плазматическая |
мембрана
О Гидролитиче-
ские ферменты
переваривают
частички пищи.
\
Пищеварительная
вакуоль
Пищеварение
О Лизосома сливается
с везикулой, содержа-
щей поврежденные
0 Гидролитические
ферменты перевари-
вают компоненты
б) Аутофагия: лизосомы разрушают поврежденные органеллы
а) Фагоцитоз: лизосома переваривает пищу
Рис. 6.13. Лизосомы. Лизосомы перева-
ривают (гидролизуют) вещества, захва-
ченные клеткой, а также перерабатывают
внутриклеточные вещества
а) Фагоцитоз: лизосома переваривает
пищу. Вверху: у этого макрофага (тип бе-
лой кровяной клетки) крысы лизосомы
очень темные, потому что были покраше-
ны красителем, который реагирует с од-
ним из продуктов распада внутри лизо-
сом (ТЭМ). Макрофаги захватывают внутрь
себя бактерии и вирусные частицы, а за-
тем разрушают их с помощью лизосом.
Внизу: на схеме показана лизосома, сли-
вающаяся с пищеварительной вакуолью в
ходе процесса фагоцитоза в одноклеточ-
ной эукариотической клетке
б) Аутофагия: лизосомы разрушают повре-
жденные органеллы. Вверху: в цитоплазме
этой клетки крысиной печени находится
везикула, содержащая две неработоспо-
собных органеллы (ТЭМ). Эта везикула со-
льется с лизосомой в процессе аутофагии.
Внизу: на схеме показано слияние такой ве-
зикулы с лизосомой. Этот тип везикул имеет
двойную мембрану, структура которой пока
мало изучена. Наружная мембрана слива-
ется с лизосомой, а внутренняя мембрана
деградирует вместе с поврежденными ор-
ганеллами
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 159
или синие пигменты лепестков венчика цветка по-
могают привлечь насекомых-опылителей.
Зрелые растительные клетки, как правило, содер-
жат в себе крупную центральную вакуоль (рис. 6.14),
которая появляется в результате слияния более мел-
ких вакуолей. Она наполнена клеточным соком —
раствором, содержащим в себе большую часть не-
органических ионов клетки, включая хлор и калий.
Центральная вакуоль играет ключевую роль в
росте растительной клетки: она способна концент-
рировать в себе воду, позволяя клетке увеличивать-
ся с минимальными энергетическими затратами на
синтез нового цитозоля. Цитозоль же, как прави-
ло, занимает лишь тонкую прослойку между вакуо-
лью и плазматической мембраной. Таким образом,
отношение площади мембраны к объему цитозо-
ля остается достаточным, даже для крупных клеток.
Эндомембранная система:
повторение пройденного
На Рис. 6.15 обобщено все, что было сказано об
эндомембранной системе, иллюстрируя движение
потока мембранных липидов и белков через раз-
личные клеточные органеллы. По мере переме-
Рис. 6.14. Вакуоль растительной клетки. Центральная вакуоль
обычно является самым крупным компартментом раститель-
ной клетки. Остальная часть цитоплазмы обычно расположе-
на в узкой зоне между мембраной вакуоли и плазматической
мембраной (ТЭМ)
щения мембранного пузырька от ЭПР к аппарату
Гольджи и затем куда бы то ни было, его состав,
метаболические функции и содержимое изменя-
ется. Эндомембранная система — это сложная и
© Pearson Education, Inc.
Рис. 6.15. Обзорная схема: взаи-
моотношения между органелла-
ми эндомембранной системы.
Красными стрелочками показа-
ны пути миграции мембранных
пузырьков и содержащихся в них
веществ
©Ядерная оболочка соединена
с шероховатым ЭПР, который
в свою очередь соединяется
с гладким ЭПР.
О Мембраны и белки, произве-
денные ЭПР, перемещаются
в форме транспортных везикул
в сторону аппарата Гольджи.
©От аппарата Гольджи отщепля-
ются транспортные и другие
везикулы, которые дают начало
лизосомам, другим типам
специализированных везикул
и вакуолям.
О Лизосома готова О Транспортные везикулы пе-
к слиянию с другой реносят белки к плазматичес-
везикулой для пере- кой мембране для выделения
варивания. (секреции).
О Площадь поверхности плазматической
мембраны увеличивается благодаря
слиянию с везикулами. При этом из клетки
секретируются белки.
160 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
динамичная часть клетки, которая играет важную
роль в ее разделении на отдельные компартменты.
А теперь продолжим нашу экскурсию по клет-
ке и перейдем к другим органеллам, которые не
сильно связаны с эндомембранной системой, зато
играют ключевую роль во всех превращениях
энергии, происходящих внутри клетки.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 6.4
1.
2.
3.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Приведите структурные и функциональные различия между
гладким и шероховатым ЭПР.
Опишите, как транспортные везикулы включаются в эндо-
мембранную систему.
| Представьте себе белок, который должен
работать в ЭПР, но для того, чтобы правильно функциониро-
вать, сперва требует преобразования в аппарате Гольджи.
Опишите путь такого белка по клетке по мере его созрева-
ния, начиная с молекулы мРНК.
Ответы см. в Приложении А.
6.5. Митохондрии и хлоропласты
конвертируют энергию из одной
формы в другую
Живые организмы умеют преобразовывать энер-
гию, которую они получают из окружающей среды.
В эукариотических клетках специализированные
органеллы — митохондрии и хлоропласты — пре-
образуют полученную энергию в ту форму, которая
может быть использована клеткой. В митохондри-
ях осуществляется клеточное дыхание — метабо-
лический процесс, в котором кислород использует-
ся для синтеза АТФ за счет энергии, получаемой из
сахаров, жиров и других питательных веществ. Хло-
ропласты, присутствующие в клетках растений и
водорослей, — это клеточные станции для осущест-
вления фотосинтеза. В ходе этого процесса в хлоро-
пластах солнечная энергия преобразуется в энергию
химических связей: энергия, поглощенная с солнеч-
ным светом затем используется для синтеза органи-
ческих соединений — например, сахаров — из угле-
кислого газа и воды.
Помимо сходства функций, митохондрии и
хлоропласты также имеют сходное эволюцион-
ное происхождение, которое мы кратко обсудим,
прежде чем переходить к описанию их строения.
В этом разделе мы также обсудим пероксисомы —
органеллы, являющиеся основными окислитель-
ными центрами клетки. Их происхождение, так
же, как их взаимодействие с другими органеллами,
по-прежнему остается причиной споров.
эволюция
Эволюционное происхождение
митохондрий и хлоропластов
Митохондрии и хлоропласты имеют
ряд сходств с бактериями, что привело к появле-
нию эндосимбиотической теории, проиллюстри-
рованной на рис. 6.16. Эта теория утверждает, что
ранний предок эукариотической клетки поглотил
использующую кислород нефотосинтезирующую
прокариотическую клетку. Со временем погло-
щенная клетка установила взаимовыгодные отно-
шения с клеткой-хозяином и стала эндосимбион-
том (клеткой, живущей внутри другой клетки).
Действительно, клетка-хозяин и эндосимбионт
слились в единый организм: эукариотическую
клетку с митохондрией, и так в ходе эволюции в
клетке появились митохондрии. Как минимум
одна из таких клеток могла в какой-то момент за-
хватить и клетку фотосинтезирующего прокарио-
та, став предком всех эукариотических клеток, со-
держащих хлоропласты.
Ядерная
оболочка
Эндоплазматический q.D0
ретикулум /
Предок эукариотической
клетки (клетка-хозяин)
Поглощение нефото-
синтезирующего прока-
риота, использующего
кислород, который,
спустя много клеточных
поколений, станет
митохондрией.
Нефото-
синтезирующий
эукариот
Хлоропласт
По крайней
мере одна
клетка
Митохондрия
Поглощение
фотосинтезирующего
прокариота
Фотосинтезирующий
эукариот
Рис. 6.16. Эндосимбиотическая теория происхождения мито-
хондрий и хлоропластов в эукариотических клетках. Соглас-
но этой теории, предполагаемые предки митохондрий были
нефотосинтезирующими прокариотами, использующими кис-
лород, в то время как предполагаемые предки хлоропластов
были фотосинтезирующими прокариотами. Большие стрелки
показывают изменения в ходе эволюционного процесса; ма-
ленькие стрелки внутри клеток показывают процесс превра-
щения эндосимбионта в органеллу, который также происхо-
дил в течение длительного времени
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 161
Эта теория является общепринятой, и мы еще
вернемся к ее обсуждению. Эндосимбиотическая
теория объясняет многие черты строения мито-
хондрий и хлоропластов. Во-первых, митохон-
дрии и типичные хлоропласты окружены двумя
мембранами (хлоропласты также имеют внутрен-
нюю систему мембранных пузырьков), тогда как
органеллы эндомембранной системы окружены
только одной мембраной. Есть данные, что пред-
ковые прокариотические клетки, которые были
проглочены клеткой хозяина, имели две наружные
мембраны, впоследствии превратившиеся в двой-
ные мембраны митохондрий и хлоропластов.3
Во-вторых, как и у прокариот, в митохондри-
ях и хлоропластах содержатся как рибосомы, так
и множество копий кольцевых молекул ДНК, свя-
занных с их внутренними мембранами. Такие мо-
лекулы ДНК кодируют синтез ряда белков вну-
три этих органелл на рибосомах, которые также
были синтезированы и собраны внутри митохон-
дрий и хлоропластов. В-третьих, что согласуется
с их вероятным эволюционным происхождением
от прокариотических клеток, митохондрии и хло-
ропласты являются автономными (до некоторой
степени независимыми) органеллами, которые
живут и размножаются внутри клетки.
А теперь сфокусируемся на строении мито-
хондрий и хлоропластов и кратко разберем их
функции. Их роль в качестве трансформаторов
энергии мы подробно рассмотрим в главах 9 и 10.
Митохондрии: преобразование
химической энергии
Митохондрии присутствуют практически во
всех эукариотических клетках, включая клет-
ки растений, животных, грибов и большую часть
одноклеточных эукариот. Некоторые клетки со-
держат одну большую митохондрию, но чаще их
число измеряется сотнями или даже тысячами:
количество митохондрий связано с уровнем мета-
болической активности клетки. Например, клет-
ки, которые двигаются или сокращаются, содер-
жат больше митохондрий на единицу объема, чем
те, что менее активны.
3 Есть и другая точка зрения: внутренняя мембрана со-
ответствует плазматической мембране прокариотического
предка, а наружная — мембране вакуоли клетки-хозяина.
Это подтверждается различиями в липидном составе этих
мембран. Для наружной мембраны характерны липиды,
типичные для эукариот, а для внутренней — прокариотиче-
ские липиды. — Примеч. пер.
Обе мембраны митохондрии представляют со-
бой фосфолипидный бислой с уникальным набо-
ром встроенных в него белков (рис.6.17). Наружная
мембрана обычно гладкая, а внутренняя — склад-
чатая и содержит особые углубления — кристы.
Внутренняя мембрана разделяет митохондрию на
два компартмента. Первый — узкое межмембран-
ное пространство снаружи, а второй, окруженный
внутренней мембраной, — митохондриальный
матрикс. Матрикс содержит множество белков,
митохондриальную ДНК и рибосомы. Белки ма-
трикса катализируют некоторые этапы клеточ-
ного дыхания. Остальные белки, участвующие в
клеточном дыхании, включая фермент, который
синтезирует АТФ, заякорены во внутренней мем-
бране. Благодаря своему складчатому строению
кристы создают очень большую поверхность вну-
тренней мембраны, тем самым увеличивая про-
дуктивность клеточного дыхания. И это еще один
пример соответствия строения и функции!
Размер митохондрий чаще всего варьирует
в пределах от 1 до 10 мкм в длину. Покадровая
съемка живых клеток показывает, что митохон-
дрии двигаются, меняют свою форму, сливаются
и делятся надвое, что сложно было бы предполо-
жить, глядя на неподвижные структуры, которые
мы видим на электронных микрофотографиях
мертвых клеток. Такие наблюдения позволили ци-
тологам понять, что разветвленная трубчатая сеть
митохондрий, которую можно увидеть в клетке на
рис. 6.17, б, находится в подвижном состоянии.
Хлоропласты: поглощение световой
энергии
Хлоропласты содержат зеленый пигмент хло-
рофилл, ферменты и другие молекулы, которые
участвуют в фотосинтетическом производстве са-
хара. Эти линзовидные органеллы, длина которых
составляет 3-6 мкм, можно обнаружить в листьях
и других зеленых частях растений и водорослей,
(рис. 6.18 и 6.26, е).
Содержимое хлоропласта отделено от цито-
плазмы оболочкой, состоящей из двух мембран,
между которыми находится очень узкое межмем-
бранное пространство. Внутри хлоропласта нахо-
дится еще одна мембранная система, представлен-
ная уплощенными и соединенными друг с другом
пузырьками — тилакоидами. В некоторых местах
тилакоиды уложены в стопку, как блинчики; каж-
дая такая стопка называется граной. Жидкость
162 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
Митохондрия
Кристы
Матрикс
0,1 мкм
Внутренняя
мембрана
Наружная
мембрана
Свободные
рибосомы .
в митохон-
дриальном
матриксе
Межмембранное
пространство
а)
Рис. 6.17. Митохондрия, центр клеточного дыхания
а) Схема и ТЭМ микрофотография митохондрии. Внутренняя и
наружная мембрана митохондрии хорошо различимы на ри-
сунке и на электронной микрофотографии (ТЭМ). Кристы — это
складки внутренней мембраны, которые увеличивают площадь
ее поверхности. Вид в разрезе показывает два компартмента,
ограниченных мембранами: межмембранное пространство
и митохондриальный матрикс. Многочисленные дыхательные
ферменты расположены на внутренней мембране и в матрик-
се. Также в матриксе присутствуют свободные рибосомы.
Молекулы ДНК обычно циклические и связаны с внутренней ми-
тохондриальной мембраной
б) Митохондриальная сеть в одноклеточной Euglena (СМ). На
световой микрофотографии показана целая клетка однокле-
точной эукариоты (Euglena gracilis) при гораздо меньшем уве-
личении, чем в ТЭМ. Митохондриальный матрикс окрашен зе-
леным. Митохондрии формируют связную трубчатую сеть.
Ядерная ДНК окрашена красным; молекулы митохондриальной
ДНК видны как яркие желтые пятна
б)
Рис. 6.18. Хлоропласт, центр фотосинтеза
а) Схема и ТЭМ микрофотография хлоропласта. Хлоропла-
сты многих растений, так же, как показано на рисунке, имеют
форму линзы. Типичный хлоропласт имеет три компартмента:
межмембранное пространство, строму и тилакоидное про-
странство. В строме присутствуют свободные рибосомы и ко-
пии хлоропластной ДНК
б) Хлоропласты в клетке водоросли. На этой флуоресцентной
микрофотографии показана целая клетка зеленой водоросли
Spirogyra crassa, которая названа так благодаря своим спира-
левидным хлоропластом. При естественном свете хлоропла-
сты зеленые, но в ультрафиолетовом свете они флуоресцируют
красным, как показано на рисунке
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 163
снаружи от тилакоидов — строма — содержит
хлоропластную ДНК и рибосомы, а также различ-
ные ферменты. Мембраны разделяют внутреннее
пространство хлоропласта на три компартмен-
та: межмембранное пространство, строму и про-
странство внутри тилакоидов (люмен тилакоидов).
Такое разделение на компартменты позволяет хло-
ропластам превращать энергию света в энергию
химических связей в ходе фотосинтеза. (Вы узнае-
те больше о фотосинтезе в главе 10.)
Так же, как и в случае митохондрий, неподвиж-
ный и жесткий вид хлоропластов на микрофото-
графиях и схемах не отражает их динамического
поведения в живой клетке. Форма хлоропластов
может изменяться, они растут, периодически де-
лятся надвое и таким образом размножаются. Они
подвижны, и вместе с митохондриями и другими
органеллами перемещаются по клетке используя
тяжи цитоскелета — структурной сети, которую
мы обсудим в разделе 6.6.
Хлоропласты являются специализированны-
ми членами целого семейства родственных орга-
нелл растений — пластид. Один из типов пла-
стид — амилопласт — представляет бесцветную
органеллу, которая запасает крахмал (амилозу), в
частности, в корнях и клубнях. Еще одним типом
пластид является хромопласт, который содержит
пигменты, придающие фруктам и цветам оранже-
вые и желтые оттенки.
Пероксисомы: окисление
Пероксисома — это особый метаболический
компартмент, ограниченный одной мембраной
(рис. 6.19).
Рис. 6.19. Пероксисома. Пероксисомы имеют приблизитель-
но сферическую форму и обычно содержат гранулирован-
ное или кристалловидное ядро, которое считается плотным
скоплением молекул ферментов. Хлоропласты и митохон-
дрии взаимодействуют с пероксисомами при выполнении
определенных метаболических функций (ТЭМ)
Пероксисомы содержат ферменты, удаляющие
атомы водорода из различных субстратов и пере-
носящие их на кислород (OJ. При этом в качестве
побочного продукта образуется пероксид водоро-
да (Н,О,), в честь которого органелла и получила
свое название. Эти реакции выполняют множе-
ство различных функций. Некоторые пероксисо-
мы таким образом расщепляют жирные кислоты
на более мелкие молекулы, которые затем отправ-
ляются в митохондрии и используются в качестве
топлива для клеточного дыхания. Пероксисомы
в печени обезвреживают алкоголь и другие вред-
ные соединения путем переноса водорода с яда
на кислород. Образующийся в пероксисоме Н,О,
ядовит сам по себе, однако органелла также со-
держит ферменты, которые превращают Н_,О, в
воду. Это прекрасный пример того, как компарт-
ментализация играет ключевую роль для выпол-
няемой функции: образующие НЭО, ферменты и
ферменты, обезвреживающие это токсичное сое-
динение, изолированы от других клеточных ком-
понентов, которые могли бы быть повреждены.
Специализированный тип пероксисом — гли-
оксисомы — находятся в запасающих жир тканях
семян растений. Эти органеллы содержат фермен-
ты, катализирующие первые стадии превращения
жирных кислот в сахара. Проросток использует
их в качестве источников энергии и углерода до
тех пор, пока не сможет синтезировать углеводы
сам в ходе фотосинтеза.
Пероксисомы содержат ферменты, удаляющие
атомы водорода из различных субстратов и пере-
носящие их на кислород (Оэ). При этом в качестве
побочного продукта образуется пероксид водоро-
да (H,OJ, в честь которого органелла и получила
свое название. Эти реакции выполняют множе-
ство различных функций. Некоторые пероксисо-
мы таким образом расщепляют жирные кислоты
на более мелкие молекулы, которые затем отправ-
ляются в митохондрии и используются в качестве
топлива для клеточного дыхания. Пероксисомы
в печени обезвреживают алкоголь и другие вред-
ные соединения путем переноса водорода с яда
на кислород. Образующийся в пероксисоме
ядовит сам по себе, однако органелла также со-
держит ферменты, которые превращают Н.О, в
воду. Это прекрасный пример того, как компарт-
ментализация играет ключевую роль для выпол-
няемой функции: образующие Н,О, ферменты и
ферменты, обезвреживающие это токсичное со-
единение, изолированы от других клеточных ком-
понентов, которые могли бы быть повреждены.
164 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
Специализированный тип пероксисом — гли-
оксисомы — находятся в запасающих жир тканях
семян растений. Эти органеллы содержат фермен-
ты, катализирующие первые стадии превращения
жирных кислот в сахара. Проросток использует
их в качестве источников энергии и углерода до
тех пор, пока не сможет синтезировать углеводы
сам в ходе фотосинтеза.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 5.4
1.
2.
3.
Назовите две общих черты хлоропластов и митохондрий.
Учитывайте как функции, так и структуру мембран.
Есть ли митохондрии в клетках растений? Поясните.
| Ваш одноклассник утверждает, что мито-
хондрии и пластиды должны быть отнесены к эндомембран-
ной системе. Предложите свои контраргументы.
А ЧТО. ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
6.6. Цитоскелет — это сеть
волокон, организующая
клеточную структуру и процессы
в клетке
В дни, когда электронная микроскопия толь-
ко-только вошла в обиход, биологи полагали, что
органеллы эукариотической клетки просто сво-
бодно плавают в цитозоле. Однако развитие ме-
тодов как световой, так и электронной микроско-
пии позволило обнаружить цитоскелет — сеть
волокон, пронизывающих цитоплазму (рис. 6.20).
Клетки бактерий4 тоже имеют волокна, которые
состоят из белков, сходных с эукариотическими, и
формируют подобие цитоскелета. Однако в этом
разделе мы сконцентрируемся на цитоскелете
эукариот, который играет важную роль в упоря-
дочивании клеточных структур и происходящих
в них процессов. Он состоит из трех типов моле-
кулярных элементов: микротрубочек, микрофи-
ламентов и промежуточных филаментов.
Функции цитоскелета: поддержание
формы и подвижность
Самая очевидная функция цитоскелета — обе-
спечение механической опоры клетки и поддер-
жание ее формы. Это особенно важно для жи-
вотных клеток, у которых отсутствует клеточная
стенка. Невероятная прочность и упругость ци-
тоскелета в целом основаны на его архитектуре.
4 Напомним, что они являются прокариотами. — При-
меч. пер.
Аналогично каркасной палатке, цитоскелет со-
храняет устойчивость за счет баланса между про-
тиводействующими силами его структурных
элементов. И так же, как скелет помогает зафикси-
ровать положение частей тела, цитоскелет обеспе-
чивает поддержку многих органелл и даже моле-
кул цитозольных ферментов. Однако цитоскелет
более динамичен, чем скелет животных. Он мо-
жет быть быстро разобран в одной части клетки и
собран в другой, изменяя при этом ее форму.
Рис. 6.20. Цитоскелет. Как показано на этой флуоресцентной
микрофотографии, цитоскелет распределен по всей клет-
ке. Элементы цитоскелета помечены различными флуорес-
центными молекулами: зелеными для микротрубочек и крас-
но-оранжевыми для микрофиламентов. Третий компонент
цитоскелета, промежуточные филаменты, здесь не показан.
(Синим цветом помечена ДНК в ядре.)
Помимо этого, цитоскелет участвует в фор-
мировании некоторых типов клеточной подвиж-
ности. Понятие подвижности клеток включает
в себя как изменение положения клетки в про-
странстве, так и движение отдельных ее частей.
Клеточная подвижность обычно требует взаимо-
действия цитоскелета и моторных белков. Суще-
ствует множество подобных примеров: элементы
цитоскелета и моторные белки работают вместе
с молекулами плазматической мембраны, чтобы
вся клетка целиком могла передвигаться вдоль
волокон, окружающих ее. Внутри клетки везику-
лы и другие органеллы часто используют “ноги”
из моторных белков чтобы “шагать” к месту сво-
его назначения по пути, построенном из цитоске-
лета. Например, именно так везикулы, содержа-
щие молекулы нейромедиатора, перемещаются в
кончики аксонов — длинных выростов нервных
клеток, которые передают этот нейромедиатор
соседним нервным клеткам в виде химических
сигналов (рис. 6.21). Цитоскелет также управляет
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 165
плазматической мембраной, изгибая ее внутрь,
чтобы сформировать пищеварительную вакуоль
или другие везикулы.
Моторный белок Микротрубочка
(АТФ-зависимый) цитоскелета
а) Моторные белки, которые связываются с рецепторами
на везикулах, могут переносить везикулы вдоль микротру-
бочек или, в некоторых случаях, вдоль микрофиламентов
б) На этой СЭМ гигантского аксона (отростка нервной клетки)
кальмара, две везикулы, содержащие нейромедиаторы,
движутся к концу аксона
Рис. 6.21 Моторные белки и цитоскелет
Компоненты цитоскелета
А теперь давайте поближе посмотрим на три
главных типа волокон, из которых состоит цито-
скелет. Самые толстые из них — микротрубочки;
самые тонкие — микрофиламенты (также назы-
ваемые актиновыми филаментами); волокна, диа-
метр которых находится посередине, называются
промежуточными филаментами (табл. 6.1).
Микротрубочки
Все эукариотические клетки содержат микро-
трубочки — полые палочки, построенные из гло-
булярного белка тубулина. Каждый тубулин пред-
ставляет из себя димер — молекулу, состоящую
из двух субъединиц. Димер тубулина состоит из
двух немного различающихся полипептидных це-
пей: а- и Р-тубулина. Микротрубочки растут в
длину за счет присоединения димеров тубулина
и могут быть разобраны обратно. В этом случае
тубулин, из которого они были построены, мо-
жет использоваться для построения микротрубо-
чек где-нибудь в другом месте. Из-за ориентации
димеров тубулина разные концы микротрубочек
слегка отличаются. Один конец может присоеди-
нять или отсоединять димеры тубулина с гораз-
до большей скоростью, чем другой, за счет чего
сильно увеличивается и уменьшается в ходе раз-
личных клеточных процессов. (Этот конец назы-
вается “плюс-концом” — не потому, что он может
присоединять тубулин, а потому, что на этом кон-
це и скорость присоединения, и скорость отсое-
динения значительно выше.)
Микротрубочки придают клетке форму, под-
держивают ее, а также выступают в качестве пу-
тей, вдоль которых могут передвигаться осна-
щенные моторными белками органеллы. В допол-
нение к примеру на рис. 6.21, микротрубочки
направляют пузырьки из ЭПР в аппарат Гольджи
и из аппарата Гольджи к плазматической мембра-
не. Микротрубочки также участвуют в разделе-
нии хромосом во время деления клетки, что мы
обсудим в главе 12.
Центросомы и центриоли. В клетках живот-
ных микротрубочки растут из центросомы —
участка клетки, который обычно расположен
рядом с ядром. Эти микротрубочки выполня-
ют функцию балок цитоскелета, препятствую-
щих сжатию. В состав центросомы входит пара
центриолей, каждая из которых состоит из девя-
ти триплетов микротрубочек, расположенных по
кругу (рис. 6.22). В клетках животных центросома
и центриоли участвуют в сборке микротрубочек,
но в клетках многих других эукариот их нет, и по-
этому сборка микротрубочек у них организована
по-другому.
Реснички и жгутики. Микротрубочки также
образуют специализированную структуру, кото-
рая отвечает за пульсацию (мерцание) жгутиков
и ресничек — выростов, выступающих на поверх-
ности некоторых клеток. (Бактериальный жгутик,
показанный на рис. 6.5, имеет совершенно иное
строение). Эти выросты служат для передвиже-
ния многих одноклеточных эукариот; спермато-
зоиды животных, водорослей и некоторых рас-
тений также имеют жгутики. Когда реснички или
жгутики есть у клеток, которые сами по себе не
двигаются, так как являются частью ткани, то они
могут создавать ток жидкости вдоль ее поверхно-
сти. Например, ресничный эпителий трахеи уда-
ляет из легких слизь, содержащую частицы мусо-
ра (см. микрофотографии, рис. 6.3, и-к). В половых
путях женщин ресничный эпителий яйцеводов
позволяет перемещать яйцеклетку к матке.
166 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
Таблица 6.1. Строение и функции цитоскелета
Свойство Микротрубочки (полимеры тубулина) Микрофиламенты (полимеры актина) I Промежуточные филаменты
Строение Полые трубки Две скрученные между собой це- почки актина Фибриллярные белки, скрученные в тяжи
Диаметр 25 нм с просветом 15 нм 7 нм 8-12 нм
Белковые субъединицы Тубулин — димер, состоящий из а-тубулина и р-тубулина Актин Один или несколько разных белков (например, кератины)
Основные функции Поддержание формы клетки (со- противляющиеся сжатию "балки"); движение клетки (с помощью ресничек и жгутиков); движение хромосом при клеточном делении; движение органелл Поддержание формы клетки (эле- менты, сопротивляющиеся растя- жению); изменения формы клетки; мышечное сокращение; движение цитоплазмы в растительных клетках; движение клетки (амебоидное); деление животных клеток Поддержание формы клетки (эле- менты, сопротивляющиеся растяже- нию); закрепление положения ядра и некоторых других органелл; фор- мирование ядерной ламины
Флуоресцентная микро-
фотография фибробла-
стов. Фибробласты — это
наиболее часто использу-
емый в клеточной биоло-
гии тип клеток. В каждом
случае изучаемые
структуры были поме-
чены флуоресцентными
молекулами. Также была
помечена ДНК в ядрах
на первой микрофото-
графии (синим) и на тре-
тьей микрофотографии
(оранжевым)
Кератины
Фибриллярная субъединица
(скрученные вместе кератины)
Обычно на поверхности клетки расположе-
но много подвижных ресничек. Количество жгу-
тиков, наоборот, обычно ограничивается одним
или несколькими на клетку, и они длиннее ресни-
чек. К тому же, реснички и жгутики различают-
ся по характеру движения (рис. 6.23). Для жгутика
характерны волнообразные движения, подобные
движениям рыбьего хвоста. Работа ресничек, на-
против, напоминает работу весел, с чередующим-
ся рабочим и обратным ходом, подобно тому, как
гребут на соревнованиях.
Ресничка также может выступать в качестве
“антенны” клетки, принимающей сигнал. Рес-
ничка с такой функцией обычно неподвижна и
только одна на клетку. (На самом деле у позво-
ночных животных, по-видимому, такая реснич-
ка есть в каждой клетке и называется первичной
ресничкой.) Мембранные белки на ресничках та-
кого типа передают молекулярные сигналы из
окружающей среды внутрь клетки, активируя
сигнальные пути, которые могут привести к изме-
нениям в ее работе. Передача сигнала с помощью
ресничек, по-видимому, играет важную роль для
работы мозга и эмбрионального развития.
Несмотря на различия в длине, количестве на
клетку и характере движения, подвижные рес-
нички и жгутики имеют общую структуру. В со-
став каждой подвижной реснички или жгути-
ка входит группа микротрубочек, заключенных в
вырост плазматической мембраны (рис. 6.24, а). Де-
вять дуплетов микротрубочек расположены по
кругу, а еще два — в центре круга (рис. 6.24, б). Такое
расположение, обозначаемое как “9 + 2”, характер-
но практически для всех эукариотических жгути-
ков и подвижных ресничек. (Для неподвижных
ресничек характерно расположение “9 + 0”, где
две центральные микротрубочки отсутствуют.)
Пучки микротрубочек ресничек или жгутиков
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 167
0,25 мкм
I-------------
Продольный Микротрубочки Поперечный срез
срез одной другой центриоли
центриоли
Рис. 6.22. Центросома, содержащая пару центриолей. Боль-
шинство клеток животных имеют центросому — область ря-
дом с ядром, откуда отходят микротрубочки клетки. Внутри
центросомы находятся две центриоли, каждая примерно
250 нм (0,25 мкм) в диаметре. Центриоли располагаются под
прямым углом по отношению друг к другу, и каждая состоит из
девяти пучков по три микротрубочки. Голубым на рисунке по-
казаны нетубулиновые белки, соединяющие триплеты микро-
трубочек
а Сколько всего микротрубочек в центросоме? На рисун-
ке обведите и подпишите одну микротрубочку и опишите ее
структуру. Обведите и подпишите триплет
прикреплены к клетке посредством базального
тела, которое по строению очень похоже на цен-
триоль, причем здесь триплеты микротрубочек
расположены по принципу “9 + 0” (рис. 6.24, в). На
самом деле, у многих животных (включая чело-
века) базальное тельце сперматозоида попадает в
яйцеклетку в ходе оплодотворения и становится
центриолью.
Как именно ансамбль микротрубочек обе-
спечивает сгибание жгутиков и подвижных рес-
ничек? В процессе сгибания участвуют большие
Рис. 6.23. Сравнение движений жгутика и реснички
а) Движение жгутиков. Жгутик обычно совершает волноо-
бразные, змееподобные движения, которые перемещают
клетку в направлении, совпадающем с осью жгутика. При-
мер перемещения с помощью жгутика — движение человече-
ского сперматозоида (СМ)
б) Движение ресничек. Реснички совершают движения впе-
ред-назад. Быстрый рабочий ход перемещает клетку в на-
правлении, перпендикулярном оси реснички. Далее, в
процессе более медленного обратного хода, ресничка из-
гибается, наклоняясь ближе к поверхности клетки. Это прес-
новодное одноклеточное Co/pidium (окрашенная СЭМ) густо
покрыто ресничками, которые бьются со скоростью пример-
но от 40 до 60 ударов в секунду
моторные белки, называемые динеинами (пока-
заны красным на рис. 6.24, а), которые прикреплены
к каждому из внешних дуплетов микротрубочек.
Типичный динеин имеет две “ноги”, которые “хо-
дят” вдоль микротрубочки соседнего дуплета, ис-
пользуя АТФ в качестве источника энергии. Одна
нога поддерживает контакт, в то время как вторая
отсоединяется и присоединяется, шаг за шагом
продвигаясь вдоль микротрубочки (см. рис. 6.21).
Наружные дуплеты и центральные микротрубоч-
ки удерживаются вместе за счет гибких сшиваю-
щих белков (показаны голубым на рис. 6.24,6 и в), а
ходьба организована таким образом, что каждое
движение происходит только с одной стороны
круга. Если бы дуплеты не удерживались на месте,
ходьба сдвигала бы их относительно друг друга.
Вместо этого движения динеиновых ног приво-
дят к сгибанию микротрубочек и всей органеллы
в целом.
168 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
0,1 мкм
а) На продольном срезе реснички видны
микротрубочки, расположенные внутри
покрытой мембраной структуры (ТЭМ).
Микротрубочки
Триплет
/Plasma
/membrane
Плазматическая
мембрана
}—Базальное тело
Внешний дуплет
микротрубочек
Моторные белки
(динеины)
Центральная -
микротрубочка
Радиальная
спица
Сшивающие
белки между
внешними дуплетами
На поперечном срезе реснички видна
организация микротрубочек по принципу
"9 + 2" (ТЭМ). Внешние дуплеты микротрубочек
связаны вместе и с двумя центральными
микротрубочками с помощью гибких сшивающих
белков (показаны толстыми синими линиями),
включая радиальные спицы. С дуплетами также
связаны моторные белки, называемые динеинами
(показаны красным).
0,1 мкм
в) Базальное тело: девять внешних дуплетов
реснички или жгутика входят в базальное тело,
где к каждому дуплету присоединяется до-
полнительная микротрубочка, в результате
чего образуется кольцо из девяти триплетов.
Каждый триплет связан с соседним с помо-
щью нетубулиновых белков (более тонкие г, ~
синие линии на схеме). Это организация Поперечный срез через базальное тело
микротрубочек по схеме "9 + 0": две центральные
микротрубочки отсутствуют, потому что заканчиваются над базальным телом (ТЭМ).
Рис. 6.24. Строение реснички или жгутика
Перерисуйте продольный срез реснички с частей (а) и (б), отметив цветом центральную пару микротрубочек. В части
(а) покажите, где они заканчиваются, и объясните, почему их не видно на поперечном срезе базального тело в части (в)
ИЗОБРАЗИ!
Микрофиламенты (актиновые филаменты)
Микрофиламенты представляют из себя па-
лочки, не имеющие полости. Их второе назва-
ние — актиновые филаменты — связано с тем, что
они построены из молекул актина — глобуляр-
ного белка. Актиновый микрофиламент представ-
ляет собой две цепи, построенные из субъединиц
актина и закрученные относительно друг друга
(см. табл. 6.1). Помимо одиночных линейных тя-
жей, актиновые филаменты могут образовывать
структурированные сети — это происходит в том
случае, если определенные белки прикрепляют-
ся к одному тяжу и позволяют новому тяжу от-
ветвиться в этом месте. Как и микротрубочки,
микрофиламенты, по-видимому, также присут-
ствуют во всех эукариотических клетках.
В отличие от устойчивых к сжатию микро-
трубочек, структурная роль микрофиламен-
тов — сопротивляться растяжению. Трехмерная
сеть, образуемая микрофиламентами прямо под
плазматической мембраной (кортикальные ми-
крофиламенты), помогает поддерживать форму
клетки (см. рис. 6.8). Именно благодаря этой сети
наружный слой цитоплазм, называемый кортек-
сом, имеет гелеобразную консистенцию — в от-
личие от более жидкой внутренней цитоплазмы.
В некоторых типах животных клеток, например,
в клетках тонкого кишечника, всасывающих пи-
тательные вещества, пучки микрофиламентов
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 169
составляют основу микроворсинок — тонких вы-
ростов, увеличивающих площадь поверхности
клетки (рис. 6.25).
Мышечная
клетка
0,5 мкм
Микроворсинка
Плазматическая
мембрана
Актиновый —
филамент
Миозиновый—
филамент
Миозиновая
головка
! i U
?"Г~И
Микрофиламенты <<
(актиновые филаменты)
а) Миозиновые “двигатели”, участвующие в сокращении мышеч-
ной клетки. “Шагание" частей молекул миозина, которые назы-
вают головками, перемещает параллельные миозиновые и акти-
новые филаменты вдоль друг друга так, что актиновые филаменты
сближаются в центре (красные стрелки). Это укорачивает мы-
шечную клетку. Мышечное сокращение происходит при одно-
временном укорачивании множества мышечных клеток ПЭМ).
Промежуточные
филаменты
Рис. 6.25. Структурная функция микрофиламентов. Площадь
поверхности этой клетки кишечника, всасывающей пита-
тельные вещества, увеличена за счет большого числа микро-
ворсинок — выростов клетки, поддерживаемых пучками ми-
крофиламентов. Эти актиновые филаменты заякорены в сети
промежуточных филаментов (ТЭМ)
Микрофиламенты играют важную роль в кле-
точной подвижности. Тысячи актиновых фила-
ментов и более толстых филаментов, построен-
ных из белка миозина, взаимодействуют для того,
чтобы мышечная клетка сокращалась (рис. 6.26, а).
В одноклеточном простейшем, амебе, и в бе-
лых клетках нашей крови, местные сокращения,
осуществляемые актином и миозином, участву-
ют в амебоидном (ползущем) движении клеток
(рис. 6.26, б).
Клетка ползет по поверхности, отращивая (об-
разуя) клеточные выросты — псевдоподии5 — в
том направлении, куда ей нужно переместиться.
В клетках растений актин и миозин участвуют в
осуществлении цитоплазматического потока,
или циклоза, — кругового движения цитоплазмы
в клетках (рис. 6.26, в) Такое движение, особенно ха-
рактерное для крупных клеток растений, ускоряет
распространение веществ по клетке.
5 От греч. pseudes — “ложный” и pod — “нога”; по-русски
их иногда называют “ложноножки”. — Примеч. пер.
б) Амебоидное движение. Взаимодействие актиновых филаментов
с миозином приводит к сокращению клетки, толкая заднюю
часть клетки (слева) — вперёд (направо) (СМ).
в) Движение цитоплазмы в растительных клетках. Слой цитоплаз-
мы циркулирует по клетке, перемещаясь по выстилке из парал-
лельных актиновых филаментов. Миозиновые “двигатели",
связанные с органеллами в жидком цитозоле, могут управлять
потоками цитоплазмы, взаимодействуя с актином (СМ).
Рис. 6.26. Микрофиламенты и движение. Три приведенных
примера иллюстрируют, как взаимодействия между актино-
выми филаментами и моторными белками приводят клетки в
движение
170 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
Промежуточные филаменты
Промежуточные филаменты названы так
из-за своего диаметра, который больше диаме-
тра микрофиламентов, но меньше диаметра ми-
кротрубочек (см. табл. 6.1). В отличие от микро-
трубочек и микрофиламентов, которые можно
обнаружить во всех эукариотических клетках,
промежуточные филаменты характерны толь-
ко для клеток некоторых животных, включая по-
звоночных. Специализируясь на сопротивлении
растяжению (как и микрофиламенты), промежу-
точные филаменты представляют собой доволь-
но разнообразный класс элементов цитоскелета.
Каждый тип микрофиламентов построен из опре-
деленных субъединиц, принадлежащих к тому же
семейству белков, что и кератины. Микротрубоч-
ки и микрофиламенты, напротив, одинаковы по
диаметру и молекулярному составу во всех эука-
риотических клетках.
Промежуточные филаменты являются более
постоянной клеточной структурой, чем микро-
трубочки и микрофиламенты, которые склонны
разбираться и собираться где-то еще. Даже после
смерти клетки сеть из промежуточных филамен-
тов продолжает существовать; например, наруж-
ный слой нашей кожи состоит из мертвых клеток,
наполненных кератиновыми филаментами. Если
живую клетку подвергнуть химической обработ-
ке, при которой из цитоплазмы удалятся микро-
трубочки и микрофиламенты, но сохранится сеть
промежуточных филаментов, ее форма останется
неизменной. Такие эксперименты указывают на
то, что промежуточные филаменты очень проч-
ны и играют важную роль в поддержании формы
клетки и фиксации позиции определенных орга-
нелл. Так, например, ядро обычно сидит в “гнез-
де”, состоящем из промежуточных филаментов и
зафиксированном на месте ответвлениями, иду-
щими в цитоплазму. Другие промежуточные фи-
ламенты входят в состав ядерной ламины, которая
выстилает ядерную оболочку изнутри (см. рис. 6.9).
Поддерживая форму клетки, промежуточные фи-
ламенты помогают ей выполнять специфическую
функцию. Например, сеть промежуточных фила-
ментов, показанная на рис. 6.25, заякоривает мик-
рофиламенты, поддерживающие микроворсин-
ки в кишечнике. Таким образом, различные типы
промежуточных филаментов могут вместе выпол-
нять функцию постоянного каркаса клетки.
1
2.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 6.6
А ЧТО, ЕСЛИ?
Опишите общие черты движений, которые осуществляются
с помощью микротрубочек и сокращения мышц с помощью
микрофиламентов.
77- ® Мужчины, страдающие синдромом Кар-
тагенера, бесплодны из-за неподвижных сперматозоидов.
Это заболевание имеет генетические причины. Предполо-
жите, какие нарушения могли бы привести к этому заболе-
ванию.
Ответы см. в Приложении А.
6.7. Внеклеточный матрикс
и межклеточные контакты
помогают скоординировать
клеточные процессы
Исходив клетку вдоль и поперек, чтобы из-
учить ее внутренние компоненты, давайте за-
кончим нашу экскурсию и вернемся на поверх-
ность этого микроскопического мира, где тоже
есть структуры с важными функциями. Плазма-
тическая мембрана обычно рассматривается как
граница живой клетки, но большинство клеток
синтезирует различные вещества, некоторые из
которых могут затем секретироваться в межкле-
точное пространство и действовать снаружи плаз-
матической мембраны. Несмотря на то что эти
вещества и образуемые ими структуры не содер-
жатся в клетке, их изучение в контексте клеточной
биологии важно, так как они участвуют в большом
количестве внутриклеточных процессов.
Клеточные стенки растений
Клеточная стенка — это внеклеточное об-
разование растительных клеток, отличающее их
от клеток животных (см. рис. 6.5). Клеточная стен-
ка защищает растительную клетку, поддержива-
ет ее форму и препятствует поступлению излиш-
ней воды. На уровне целого растения, прочные
стенки особых клеток удерживают растение в
вертикальном положении вопреки силе тяжести.
У прокариот, грибов и некоторых одноклеточных
эукариот также есть клеточная стенка, как было
показано на рис. 6.5 и 6.6.
Клеточные стенки растений гораздо тол-
ще плазматической мембраны — их толщина ва-
рьирует от 0,1 мкм до нескольких микрометров.
Точный химический состав клеточных стенок
различается у разных видов и даже у клеток од-
ного растения, но их общая структура одинакова.
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 171
Волокна, состоящие из полисахарида целлюлозы
(см. рис. 5.6), синтезируются ферментом целлюло-
зосинтазой, выделяются во внеклеточное про-
странство и погружаются в матрикс из других
полисахаридов и белков. Такое сочетание — проч-
ные волокна, утопленные в “веществе-основании”
(матриксе), — является примером базового архи-
тектурного принципа в природе. Такой же подход
используется при создании железобетонных кон-
струкций и стекловолокна.
Молодая растительная клетка создает доста-
точно тонкую и гибкую первичную клеточную
стенку (рис. 6.27). Между первичными клеточными
стенками соседних клеток проходит срединная
пластинка — тонкий слой с высоким содержани-
ем липких полисахаридов — пектинов. Срединная
пластинка соединяет соседние клетки. (Кстати,
пектин используется в кулинарии в качестве загу-
стителей для варенья и желе.) Когда клетка стано-
вится взрослой и перестает расти, она упрочняет
свою клеточную стенку. Некоторые растительные
клетки делают это, просто выделяя упрочняющие
вещества в первичную клеточную стенку. Другие
клетки добавляют вторичную клеточную стен-
ку между плазматической мембраной и первич-
ной стенкой. Вторичная клеточная стенка, кото-
рая обычно состоит из нескольких слоев, имеет
прочный и износостойкий матрикс, который обе-
спечивает клетке защиту и поддержку. Древеси-
на, например, состоит в основном из вторичных
клеточных стенок. Клеточные стенки растений
обычно пронизаны каналами между соседними
клетками — плазмодесмами (рис. 6.27), которые мы
рассмотрим ниже.
Внеклеточный матрикс (ВКМ)
животной клетки
Несмотря на то, что в животных клетках от-
сутствует клеточная стенка, подобная стенкам
растительных клеток, у них есть сложный вне-
клеточный матрикс (ВКМ). Главными компо-
нентами ВКМ являются гликопротеины и дру-
гие углеводсодержащие соединения, выделяемые
клетками (вспомните, что гликопротеины — это
белки с ковалентно присоединенными углевода-
ми; как правило, это короткие цепочки сахаров).
Самый часто встречающийся гликопротеин в
ВКМ большинства клеток животных — это кол-
лаген, образующий прочные волокна вокруг кле-
ток (см. рис. 5.18). На коллаген приходится около
40% массы всех белков в теле человека. Волокна
Рис. 6.27. Клеточные стенки растений. На рисунке показано
несколько клеток, в каждой из которых имеется крупная ваку-
оль, ядро, а так же несколько хлоропластов и митохондрий
На трансмиссионной электронной микрофотографии вид-
ны клеточные стенки в месте соединения двух клеток. Много-
слойный барьер между клетками растений состоит из приле-
гающих друг к другу стенок, секретируемых отдельно каждой
клеткой
коллагена погружены в сеть, состоящую из выде-
ляемых клетками протеогликанов (рис.6.28).
Молекула протеогликана состоит из неболь-
шого корового6 белка с большим количеством ко-
валентно присоединенных углеводных цепочек.
Крупные протеогликановые комплексы образу-
ются в результате нековалентного присоедине-
ния сотен молекул протеогликанов к одной мо-
лекуле длинного полисахарида, как показано на
рис. 6.28. Некоторые клетки прикреплены к ВКМ с
помощью гликопротеина, называемого фиброне-
ктином. Фибронектин и другие белки ВКМ свя-
зываются с белковыми рецепторами поверхно-
сти клетки, интегринами, которые встроены в
плазматическую мембрану. Интегрины проходят
мембрану насквозь и связываются своей цито-
плазматической стороной с ассоциированными
6 Лежащего в основе; от англ, core — “ядро”. — Примеч. пер.
172 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
ВНЕКЛЕТОЧНАЯ ЖИДКОСТЬ
вещество
с интегринами,
погруженными
в плазматичес-
кую мембрану.
Коллагеновые
волокна погру-
жены в сеть
протеогликана- \
вых комплексов.
фиХ™ ииюпмзмА
Протеогликановый
комплекс состоит
из сотен молекул
протеогликана,
нековалентно
связанных с одной
длинной молекулой
полисахарида.
Углеводы
Белок
Молекула
полисахарида
Молекула
протеогликана
Протеогликановый
комплекс
Интегрины, мем-
бранные белки,
состоящие из двух
субъединиц, связыва-
ются с межклеточным
веществом (снаружи
клетки) и с белками,
к которым прикрепля-
ются микрофиламенты
(внутри клетки). Такая связь позволяет передавать
сигналы между внешним окружением клетки
и ее внутренней частью, что может приводить
к изменениям в поведении клетки.
Рис. 6.28. Межклеточное вещество животной ткани. Молекулярный состав и строение межклеточного вещества отличаются у раз-
личных типов клеток. В данном примере присутствуют три разных типа молекул межклеточного вещества: протеогликан, коллаген и
фибронектин
белками, прикрепленными к микрофиламентам
цитоскелета. Название интегрин происходит от
слова integrate — “объединять”. Интегрины нахо-
дятся в таком положении, что они передают сиг-
налы от ВКМ к цитоскелету и таким образом объ-
единяют изменения, происходящие как снаружи,
так и внутри клетки.
Текущие исследования фибронектина, дру-
гих молекул ВКМ и интегринов свидетельствуют
о важной роли ВКМ в жизни клеток. Общаясь с
клетками при помощи интегринов, ВКМ может
регулировать поведение клеток. Например, неко-
торые клетки развивающегося эмбриона мигри-
руют вдоль определенных путей, “ориентируясь”
по направлению их микрофиламентов в структу-
ре ВКМ. Исследователи также выяснили, что вне-
клеточный матрикс вокруг клетки может влиять
на работу генов в ядре. Информация о ВКМ, воз-
можно, достигает ядра в результате совместной
работы механического и химического сигнальных
путей. В механической сигнализации участву-
ют фибронектин, интегрины и микрофиламенты
цитоскелета. Изменения в цитоскелете могут, в
свою очередь, активировать химический сигналь-
ный путь внутри клетки, что приводит к измене-
нию в наборе белков, которые она синтезирует,
а, следовательно, и к изменениям в ее работе. Та-
ким образом внеклеточный матрикс определен-
ной ткани помогает согласовывать поведение всех
клеток в этой ткани. Непосредственные связи
между клетками также участвуют в этом управле-
нии, что мы обсудим далее.
Клеточные контакты
Клетки в организме животного или растения
сгруппированы в ткани, органы и системы орга-
нов. Соседние клетки часто присоединяются друг
к другу, взаимодействуют и общаются через места
непосредственного физического контакта.
Плазмодесмы в растительных клетках
Может показаться, что неживые клеточные
стенки растений должны изолировать клетки рас-
тений друг от друга. Но на самом деле, как это по-
казано на рис. 6.29, клеточные стенки пронизаны
пдазмодесмами (от греч. desma — “связь”) — ка-
налами, соединяющими клетки. Цитозоль, прохо-
дящий по плазмодесмам, соединяет внутреннюю
среду соседних клеток. Эти соединения объединя-
ют большую часть растения в одно непрерывное
живое целое. Плазматическая мембрана соседних
клеток выстилает канал каждой плазмодесмы и
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 173
таким образом все пространство растительного
организма оказывается непрерывным. Вода и рас-
творенные в ней низкомолекулярные вещества
могут свободно переходить из клетки в клетку.
Экспериментально показано, что в определенных
условиях это могут делать также некоторые белки
и молекулы РНК. Макромолекулы, переносимые
в соседние клетки, по-видимому, достигают плаз-
модесм, двигаясь вдоль волокон цитоскелета.
Клеточные стенки
Внутренняя
часть клетки
Внутренняя
часть клетки
мембраны
Рис. 6.29. Плазмодесмы между растительными клетками. Ци-
топлазма одной растительной клетки непрерывно связана с
цитоплазмой соседней через плазмодесмы, цитоплазмати-
ческие каналы, проходящие сквозь клеточные стенки (ТЭМ)
Плотные контакты, десмосомы и щелевые
контакты в животных клетках
У животных существует три главных типа
клеточных контактов: плотные контакты, дес-
мосомы и щелевые контакты (щелевые контак-
ты похожи на плазмодесмы растений, хотя поры
щелевых контактов не выстланы мембраной).
Все три типа клеточных контактов особенно ча-
сто встречаются в эпителиальной ткани, которая
выстилает наружные и внутренние поверхности
тела. На рис. 6.30 эти контакты показаны на приме-
ре слоя эпителиальных клеток.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 6.7
1.
2.
3.
По каким структурным признакам клетки растений и живот-
ных отличаются от одноклеточных эукариот?
А ЧТО. ЕСЛИ?
Если бы клеточная стенка растений и вне-
клеточное вещество животных клеток были бы непроницае-
мы, какой бы эффект это оказало на жизнь клеток?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Полипептидная цепь, которая
обеспечивает плотный контакт, изгибается, пронизывая
мембрану насквозь четыре раза; таким образом, в ее со-
став входят две внеклеточных петли, еще одна петля, и N- и
С-концевые хвосты в цитоплазме. Посмотрите на рис. 5.14.
Что вы могли бы сказать об аминокислотной последователь-
ности белка плотных контактов?
Ответы см. в Приложении А.
Клетка — единица организации
жизни, которая больше, чем просто
сумма ее составных частей
Итак, в ходе нашего путешествия по клетке мы
познакомились как с ее общей структурной орга-
низацией, так и детально рассмотрели архитек-
туру каждой органеллы; и в том и в другом слу-
чае мы получили отличную возможность увидеть
связи между строением и функциями (сейчас са-
мое время повторить строение клетки, вернув-
шись к рис. 6.8). Но даже когда мы изучаем отдель-
ные части клетки, стоит помнить, что ни одна из
этих частей не работает сама по себе. В качестве
примера клеточной интеграции проанализируй-
те микроскопический пейзаж на рис. 6.31. Большая
клетка — это макрофаг (см. рис. 6.13, а). Он помога-
ет защищать организм млекопитающих от инфек-
ции за счет того, что поглощает бактерии (мелких
клеток) в фагоцитарные везикулы. Макрофаг пе-
редвигается вдоль поверхности и достает бакте-
рии своими псевдоподиями (особенно филопо-'
днями).
Актиновые филаменты в ходе этих передвиже-
ний взаимодействуют с другими элементами ци-
тоскелета. После того, как макрофаг заглатывает
бактерии, они разрушаются лизосомами. Лизосо-
мы производятся сложной эндомембранной си-
стемой. Пищеварительные ферменты лизосом и
белки цитоскелета продуцируются рибосомами,
а синтез этих белков запрограммирован в генети-
ческих инструкциях, содержащихся в ДНК кле-
точного ядра. Все эти процессы требуют энергии,
которую поставляют митохондрии в форме АТФ.
Клеточные функции могут функционировать
только благодаря отточенной и согласованной ра-
боте всех частей клетки. Поэтому она и является
единицей живого, большей, чем просто мозаика,
сложенная из отдельных частей.
174 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
▼ Рис. 6.30
Изучаем клеточные контакты в животных тканях
Плотные контакты
В местах плотных контактов плазматические
мембраны соседних клеток очень плотно
прижаты друг к другу и связаны между собой
специальными белками (показаны фиоле-
товым). Формируя по кругу непрерывные
сшивки между клетками, плотные контакты
образуют барьер, который препятствует
проникновению внеклеточной жидкости
сквозь слой эпителиальных клеток (красная
пунктирная стрелка). Например, плотные
контакты между клетками кожи делают ее
водонепроницаемой.
Десмосомы
Десмосомы (также называемые пятнами
сцепления) функционируют как заклепки,
связывая клетки вместе в прочные пласты.
Промежуточные филаменты, состоящие из
крепких белков-кератинов, заякоривают
десмосомы в цитоплазме. Десмосомы
соединяют друг с другом мышечные клетки
в мышце. Некоторые повреждения мышц
связаны с разрывом десмосом.
Щелевые контакты
Щелевые контакты (также называемые
нексусами) формируют цитоплазматиче-
ские каналы между соседними клетками и
поэтому схожи по своей функции с плазмо-
десмами растений. Щелевые контакты со-
стоят из мембранных белков, окружающих
пору, через которую могут проходить ионы,
сахара, аминокислоты и другие небольшие
молекулы. Щелевые контакты необходимы
для взаимодействия между клетками во
многих типах тканей, таких как сердечная
мышца, и в эмбрионах животных
Рис. 6.31. Выполнение клеточных функций.
Этот макрофаг (показан коричневым) мо-
жет распознавать, захватывать и уничтожать
бактерии (показаны желтым), так как все
компоненты клетки действуют согласован-
но. Цитоскелет, лизосомы и плазматическая
мембрана — все эти клеточные компоненты
участвуют в фагоцитозе (окрашенная СЭМ)
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 175
6.1. БИОЛОГИ ИСПОЛЬЗУЮТ МИКРОСКОПЫ
И БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
КЛЕТОК
• Усовершенствование техники микроскопии — в
частности, таких параметров, как степень увеличе-
ния, разрешение и контрастность, ускорили про-
гресс в изучении структуры клетки. Световая
микроскопия (СМ) и электронная микроскопия
(ЭМ), а также другие виды микроскопии, до сих пор
остаются важными методами исследования.
• С помощью последовательного центрифугирова-
ния разрушенных клеток на различной скорости
клеточные биологи могут получить осадок, обога-
щенный теми или иными клеточными компонента-
ми. Этот процесс называется фракционированием
клеток. Более крупные компоненты клетки осаж-
даются после центрифугирования на более низкой
скорости, а более мелкие компоненты — после цен-
трифугирования на высокой скорости.
D Как микроскопия и биохимия дополняют друг дру-
га при изучении строения и функционирования клеток?
6.2. ЭУКАРИОТИЧЕСКИЕ КЛЕТКИ ИМЕЮТ
ВНУТРЕННИЕ МЕМБРАНЫ, КОТОРЫЕ РАЗДЕЛЯЮТ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ
• Все клетки окружены плазматической мембраной.
• В прокариотических клетках нет ядер и других
ограниченных мембранами органелл, в то вре-
мя как эукариотические клетки имеют внутренние
мембраны, разграничивающие в пространстве про-
исходящие в них процессы.
• Отношение площади поверхности к объему —
важный параметр, влияющий на размер и форму
клетки.
• Растительные и животные клетки имеют примерно
одни и те же органеллы: ядро, эндоплазматический
ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии. Хлоро-
пласты присутствуют только в клетках фотосинте-
зирующих эукариот.
| Объясните, как разделение эукариотической клет-
ки на компартменты влияет на происходящие в ней
биохимические процессы.
РАЗДЕЛ 6.3
Генетические инструкции
эукариотической клетки
хранятся в ядре и выпол-
няются рибосомами.
| Опишите взаимодей-
ствия между ядром и ри-
босомами.
Рибосома
Строение
Окружено ядерной обо-
лочкой, которая состоит
из двух мембран и про-
низана ядерными порами;
ядерная оболочка непре-
рывно связана с эндоплаз-
матическим ретикулумом.
Две субъединицы, состо-
ящие из рибосомальной
РНК и белков; может рас-
полагаться свободно в ци-
топлазме, либо быть свя-
занной с ЭПР.
Функция
Содержит хромосомы, ко-
торые состоят из хромати-
на (ДНК и белков); имеет
ядрышки, где формируют-
ся субъединицы рибосом;
поры регулируют вход и
выход различных веществ.
Синтез белка.
176 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 176
Продолжение таблицы
Компонент клетки
РАЗДЕЛ 6.4
Эндомембранная система
клетки регулирует транс-
порт белков и осуществля-
ет метаболические функции,
н Опишите основную роль
транспортных везикул в
эндомембранной системе.
Эндоплазматический
ретикулум
Строение
Обширная сеть ограни-
ченных мембраной трубо-
чек и мешочков; мембра-
на отделяет просвет ЭПР
от цитозоля; непрерывно
связан с ядерной оболоч-
кой.
РАЗДЕЛ 6.5.
Митохондрии и хлоропла-
сты конвертируют энер-
гию из одной формы в
другую.
Аппарат Гольджи
Лизосома
Стопки уплощенных мемб-
ранных мешочков; имеет
полярность (цис- и транс-
области).
п Что такое эндосим- Хлоропласт
биотическая теория?
Мембранный мешочек с
гидролитическими фер-
ментами (в животных
клетках).
Крупная ограниченная
мембраной везикула.
Окружена двойной мемб-
раной; внутренняя мемб-
рана имеет впячивания
(кристы).
Обычно имеет две мемб-
раны, окружающие жид-
кую строму, которая
содержит тилакоиды, соб-
ранные в стопки — граны
(в клетках фотосинтези-
рующих эукариот, вклю-
чая растения).
Функция
Гладкий ЭПР: синтез ли-
пидов, метаболизм угле-
водов, накопление ионов
кальция, обезвреживание
ядов и лекарств.
Шероховатый ЭПР: спо-
собствует синтезу секре-
торных и других белков
с помощью связанных с
ним рибосом; прикрепля-
ет углеводы к белкам с об-
разованием гликопроте-
инов; производит новые
мембраны.
Модификация белков,
углеводов на белках и фос-
фолипидов; синтез мно-
гих полисахаридов; сорти-
ровка продуктов аппарата
Гольджи и выделение их
внутри везикул.
Расщепление поглощен-
ных веществ, клеточных
макромолекул и повреж-
денных органелл для пе-
реработки.
Расщепление и хранение
веществ, удаление отхо-
дов, поддержание баланса
воды, рост клетки, выпол-
нение защитных функ-
ций.
Клеточное дыхание.
Фотосинтез.
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 177
Окончание таблицы
Компонент клетки
Строение
Функция
Особый метаболический
компартмент, ограничен-
ный одиночной мембра-
ной.
Содержит ферменты, ко-
торые переносят атомы
водорода с субстратов на
кислород, производя пе-
рекись водорода (Н2О,) в
качестве побочного про-
дукта; Н,О, превращается
в воду под действием дру-
гого фермента.
6.6. ЦИТОСКЕЛЕТ - ЭТО СЕТЬ ВОЛОКОН,
ОРГАНИЗУЮЩАЯ КЛЕТОЧНУЮ СТРУКТУРУ
И ПРОЦЕССЫ В КЛЕТКЕ
• Цитоскелет выполняет функцию структурной
поддержки клетки, а также участвует в движении и
передаче сигналов.
• Микротрубочки определяют форму клетки, направ-
ляют движение органелл и разделяют хромосомы в
делящихся клетках. Реснички и жгутики — это под-
вижные отростки, содержащие микротрубочки.
Реснички также могут выполнять сенсорные и сиг-
нальные функции. Микрофиламенты — это тонкие
стержни, которые функционируют при сокраще-
нии мышц, амебоидном движении, движении ци-
топлазмы, а также поддерживают микроворсинки.
Промежуточные филаменты поддерживают фор-
му клетки и удерживают органеллы на месте.
В Опишите функцию моторных белков внутри эука-
риотической клетки и роль в ее движении.
6.7. ВНЕКЛЕТОЧНЫЙ МАТРИКС И МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ
КОНТАКТЫ ПОМОГАЮТ СКООРДИНИРОВАТЬ
КЛЕТОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ
• Клеточные стенки растений состоят из волокон
целлюлозы, связанных с другими полисахаридами
и белками.
• Животные клетки секретируют гликопротеины и
протеогликаны, формирующие межклеточное ве-
щество, которое выполняет поддерживающую,
прикрепительную, двигательную и регуляторную
функции.
• Межклеточные контакты соединяют соседние клет-
ки. Растения имеют плазмодесмы, которые прохо-
дят сквозь клеточные стенки примыкающих кле-
ток. Животные клетки имеют плотные контакты,
десмосомы и щелевидные контакты.
В Сравните строение и функции растительной кле-
точной стенки и межклеточного вещества животной
клетки.
ПРОВЕРЬ СЕБЯ
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Какая структура не является частью эндомембран-
ной системы?
а) ядерная оболочка
6)хлоропласт
в) аппарат Гольджи
г) плазматическая мембрана
2. Какая структура обычно присутствует и в расти-
тельных, и в животных клетках?
а) хлоропласт
б) центральная вакуоль
в) митохондрия
г) центриоль
3. Какая из следующих структур имеется в прокарио-
тической клетке?
а) митохондрия
б) рибосома
в) ядерная оболочка
г) хлоропласт
4. Какое сочетание структура-функция составлено
неверно?
а) микротрубочка; мышечное сокращение
б) рибосома; синтез белка
в) аппарат Гольджи; импорт-экспорт белков
г) ядрышко; производство субъединиц рибосом
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
5. Цианид связывается по крайней мере с одной мо-
лекулой, участвующей в синтезе АТФ. Если клет-
ку подвергнуть воздействию цианида, то большая
часть цианида будет обнаружена внутри:
а) митохондрий
б)рибосом
в) пероксисом
г) лизосом
178 ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке
6. Какой из этих путей наиболее вероятен для вновь
синтезированного белка, который должен быть се-
кретирован клеткой?
а) аппарат Гольджи — ЭПР — лизосома
б) ядро — ЭПР — аппарат Гольджи
в) ЭПР — аппарат Гольджи — везикулы, сливающи-
еся с плазматической мембраной
г) ЭПР — лизосомы — везикулы, сливающиеся с
плазматической мембраной
7. Какая клетка лучше всего подходит для изучения
лизосом?
а) мышечная клетка
б) нервная клетка
в) фагоцитирующая белая кровяная клетка
г) бактериальная клетка
8. ЕЕШШШЗ По памяти нарисуйте две эукариотиче-
ские клетки, подписав перечисленные здесь струк-
туры и показав все физические контакты между
внутренними структурами каждой клетки: ядром,
шероховатым ЭПР, гладким ЭПР, митохондрией,
центросомой, хлоропластом, вакуолью, лизосомой,
микротрубочками, клеточной стенкой, межклеточ-
ным веществом, микрофиламентами, аппаратом
Гольджи, промежуточными филаментами, плазма-
тической мембраной, пероксисомой, рибосомой,
ядрышком, ядерной порой, везикулами, жгутика-
ми, микроворсинками, плазмодесмой.
ИЗОБРАЗИ!
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
9. Какие особенности стро-
ения клеток наилучшим образом отражают их эво-
люционное единство? Назовите несколько приме-
ров модификаций, приводящих к специализации
клеток.
10. ВГУГПИТПРРЯТУТ*}-ЦП?1 1 Представьте белок X, ко-
торый должен прикрепляться к плазматический
мембране. Допустим, что в культуре клеток уже
произошла трансляция мРНК, несущей генетиче-
скую информацию о последовательности белка X.
Если фракционировать эти клетки (см. рис. 6.4), то
в какой фракции будет обнаружен белок X? Дайте
объяснение, описав путь белка в клетке.
11. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ИНФОРМАЦИЯ”
Учитывая известные вам свойства всего живого и
используя ваши знания о строении и функциях кле-
ток, напишите небольшой рассказ (100-150 слов) с
рассуждением на тему: “Жизнь как новое свойство,
возникающее на клеточном уровне”. (См. главу 1,
раздел 1.1).
На этом снимке СЭМ показаны эпителиальные
клетки тонкого кишечника. Объясните, как осо-
бенности их строения помогают им выполнять та-
кие специализированные функции, как всасывание
питательных веществ и создание барьера между со-
держимым кишечника и кровяным руслом с другой
стороны слоя эпителиальных клеток.
Ответы см. в Приложении А.
ГЛАВА 6 Экскурсия по клетке 179
Структура и функци
клеточных мембр
ТЕ
7Л
7.2.
7.3-
7.5.
МЫ ГЛАВЫ
Клеточная мембрана — это
жидкая мозаика из липидов
и белков
Структура мембраны
обуславливает избирательную
проницаемость
Пассивный транспорт — это
диффузия вещества через
мембрану осуществляемая
без энергозатрат
При активном транспорте
для перемещения веществ
против градиента концентрации
используется энергия
Перемещение крупных частиц
через мембрану осуществляется
с помощью экзо- и эндоцитоза
На границе жизни
Плазматическая мембрана является границей жиз-
ни — тем самым рубежом, который отделяет содер-
жимое клетки от ее окружения и контролирует обмен
веществ между клеткой и внешней средой. Как и все био-
логические мембраны, она обладает избирательной про-
ницаемостью, поэтому одним молекулам легче проходить
через нее, чем другим. Способность клетки проявлять из-
бирательность в процессах обмена с внешней средой яв-
ляется необходимым для жизни свойством, и эта избира-
тельность возможна именно благодаря плазматической
мембране и свойствам молекул, из которых она состоит.
В этой главе вы узнаете, как клеточная мембрана управ-
ляет потоком проходящих через нее веществ. На рис. 7.1
представлена компьютерная модель небольшого участка
мембраны, сквозь которую проходят молекулы воды (на ри-
сунке красно-серые). Синим цветом показаны расположен-
ные в липидном бислое (зеленый цвет) альфа-спиральные
участки мембранного белка, который называется аквапо-
рином. Одна молекула такого белка способна ежесекундно
пропускать через мембрану миллиарды молекул воды, чего
было бы невозможно достичь за счет простой диффузии.
Аквапорины обнаружены во многих клетках, од-
нако это далеко не единственный пример того, как
цитоплазматическая мембрана и ее белки обеспе-
чивают существование и функционирование кле-
ток. Но для того, чтобы понять, как это все работа-
ет, необходимо сначала разобраться в том, как же
устроена мембрана. Далее мы детально рассмот-
рим, как цитоплазматические мембраны управ-
ляют потоком химических веществ, входящих и
выходящих из клетки — например, с помощью
белковых комплексов, которые образуют ионные
каналы. Их структура показана ниже.
7.1. Клеточная мембрана —
это жидкая мозаика
из липидов и белков
Основными компонентами клеточной мембра-
ны являются липиды и белки, хотя углеводы так-
же играют важную роль. Подавляющий процент
липидов в большинстве мембран составляют фос-
фолипиды. Способность фосфолипидов образо-
вывать мембраны заложена в их структуре: их
уникальной особенностью является амфипатич-
ность — это значит, что у нее есть как ги-
дрофильная, так и гидрофобная
области, (см. рис. 5.11).
Другие типы мембранных липидов также амфипа-
тичны. Фосфолипидный бислой может существо-
вать в качестве стабильной границы раздела двух
водных сред благодаря тому, что гидрофобные
хвосты всегда спрятаны внутри бислоя, а гидро-
фильные группы обращены наружу (рис. 7.2). Как
и липиды, большинство мембранных белков тоже
амфипатичны по своей природе. Поэтому прони-
зывая мембрану насквозь, они могут одновремен-
но контактировать и с молекулами воды, и с ги-
дрофобным ядром.
Рис. 7.2. Двойной (би-) слой, состоящий
из фосфолипидов. Поперечный разрез
Гидрофильная
(полярная) —
головка
Гидрофобный'
хвост
ВОДА
Хм
ВОДА
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
-------- 1 Основываясь на
данных рис. 5.11, найдите гидрофобные и ги-
дрофильные части молекулы фосфолипида на
рисунке справа. Объясните, как будет распо-
ложен и с чем будет граничить каждый из них,
находясь в плазматической мембране.
Глико-
протеин
] Углевод
Гликолипид
ВНЕКЛЕТОЧНАЯ \
СТОРОНА МЕМБРАНЫ
Холестерин
Микрофиламенты
цитоскелета
Периферические
ис. 7.3. Современная модель строения плазматической
мембраны животной клетки. Вид в разрезе
►ПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ
►НА МЕМБРАНЫ
Такая ориентация молекул позволяет увели-
чить площадь контакта гидрофильных участков
белков с водной средой цитозоля и межклеточной
жидкости, а гидрофобных — с неводными обла-
стями. На рис. 7.3 изображена современная модель
расположения молекул в цитоплазматической
мембране. В этой жидкостно-мозаичной модели
мембрана представлена в виде мозаики из белко-
вых молекул, дрейфующих в жидком бислое фос-
фолипидов.
Тем не менее распределение белков внутри
мембраны носит отнюдь не случайный характер.
Некоторые белки часто объединяются в относи-
тельно изолированные и устойчивые комплексы,
в составе которых они более эффективно выпол-
няют общие функции. Сами липиды тоже могут
образовывать более плотные участки, а в некото-
рых случаях мембрана может содержать гораздо
больше белков, чем показано на рис. 7.3.1
Как любая другая, жидкостно-мозаичная мо-
дель устройства мембраны постоянно совершен-
ствуется по мере появления новых результатов
исследований.
“Текучесть” мембран
Как уже отмечалось выше, структура клеточ-
ной мембраны находится в постоянном движе-
нии и поддерживается, в основном, за счет гидро-
фобных взаимодействий — значительно менее
прочных по сравнению с ковалентными связя-
ми (см. рис. 5.18). Движение липидов и некоторых
белков в мембране со стороны может напоминать
движение людей в ночном клубе, протискиваю-
щихся сквозь толпу на битком набитом танцпо-
ле. Изредка липиды могут перескакивать через
мембрану — от одного фосфолипидного слоя к
другому.
Фосфолипиды очень быстро перемещаются
вдоль мембраны. Две соседние молекулы фосфо-
липидов способны поменяться местами за одну
десятимиллионную долю секунды — т.е. за секун-
ду каждая из них успеет проделать путь длиной в
2 мкм, что соответствует диаметру клеток многих
бактерий. Белки значительно крупнее липидов и
медленнее передвигаются. Однако некоторые из
мембранных белков дрейфуют, что показано в
классическом опыте на рис. 7.4.
1 Примером может служить мембрана митохондрий, в ко-
торой содержатся все белковые компоненты электрон-транс-
портной цепи. — Примеч. пер.
Некоторые из мембранных белков перемеща-
ются по строго определенной траектории. Воз-
можно, они направляются вдоль волокон цито-
скелета двигательными белками, связанными с
участками расположения белков на мембране.
Часть же белков вообще неподвижно заякорена в
мембране, будучи прочно присоединенной к эле-
ментам внеклеточного матрикса (см. рис. 7.3).
Мембрана сохраняет свою текучесть до тех
пор, пока температура не опустится ниже опреде-
ленной отметки — температуры фазового перехо-
да, после чего ее липидная составляющая перей-
дет в так называемую “твердую” фазу, подобно
тому, как застывает жир бекона при его охлаж-
дении. Температура застывания мембраны зави-
сит от типа составляющих ее липидов. Чем выше
содержание липидов с остатками ненасыщенных
жирных кислот, тем ниже будет температура фа-
зового перехода (рис. 5.10 и 5.11). Связано это с на-
личием изгибов в хвостах, где расположены двой-
ные связи. Из-за них ненасыщенные “хвосты”
липидов не могут так же плотно прилипать друг
▼ Рис. 7.4.
Изыскание
Подвижны ли мембранные белки?
Эксперимент. Л. Фрай и М. Эдидин из университета Джонса
Хопкинса пометили белки плазматической мембраны клеток
мыши и человека двумя разными маркерами, а затем клетки
были подвержены слиянию. Под микроскопом они наблюдали
положение маркеров в гибридной клетке.
Результаты
Мембранные белки
_ о v Q
°QC>O/\e^< О_с
О °<3
о о
г* г»
а ° о оо
□ ° о0°
о о°
Гибридная клетка
(гетерокарион)
Клетка
мыши
Ь о о о
о ° О о°
□° оо°
О о°
Клетка
человека
Спустя 1 час
белки оказались
смешанными
Выводы. Смешение мембранных белков клеток мыши и чело-
века в гибридной клетке говорит о том, что, как минимум, не-
которые мембранные белки могут двигаться вдоль плоскости
мембраны.
Источник данных: L. D. Frye and М. Edidin, The rapid intermixing of
cell surface antigens after formation of mouse-human heterokaryons,
Journal of Cell Science 7:319 (1970).
А ЧТО, ЕСЛИ?
Предположим, что смешения двух белков в ги-
бридной клетке не наблюдалась бы даже спустя длительное
время после слияния. Можно ли в этом случае говорить об от-
сутствии у них способности к передвижению внутри мембра-
ны? Есть ли другие возможные объяснения этому факту?
182 ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран
к другу, как насыщенные липиды, делая мембрану
более жидкой (рис. 7.5, а).
Стероид холестерин, молекулы которого нахо-
дятся между молекулами фосфолипидов в мемб-
ране животных клеток, в зависимости от тем-
пературы оказывает различное воздействие на
текучесть мембраны (рис. 7.5, б). При относитель-
но высоких температурах, сравнимых с темпера-
турой тела человека (37°С), холестерин снижает
текучесть мембраны, сдерживая движение фос-
фолипидов. Однако холестерин также мешает их
плотной упаковке, что снижает температуру пе-
рехода мембраны в твердую фазу. Иными слова-
ми, холестерин работает в качестве своеобразно-
го буфера, делая структуру мембраны устойчивой
к резким перепадам температуры.
а) Ненасыщенные и насыщенные углеводородные хвосты.
Жидкая фаза
Ненасыщенные углеводо-
родные хвосты (на рисунке
изогнуты) препятствуют плот-
ной упаковке, повышая теку-
честь мембраны.
Твердая фаза (гель)
насыщенных жирных кислот
упакованы максимально
плотно друг к другу, что де-
лает мембрану более вязкой.
б) Холестерол в мембранах животных клеток.
При умеренных температурах
холестерол снижает вязкость
мембраны ограничивая по-
движность фосфолипидов,
в то время как при низких
температурах он предотвра-
щает застывание, нарушая
их упорядоченную упаковку.
Рис. 7.5. Факторы, влияющие на текучесть мембраны
Для того чтобы выполнять свою функцию,
мембране необходимо оставаться в жидком состо-
янии; текучесть мембраны влияет как на ее прони-
цаемость, так и на способность мембранных бел-
ков перемещаться туда, где они необходимы. Как
правило, мембраны имеют текучесть, пример-
но сравнимую с консистенцией масла для салата.
При затвердении проницаемость мембраны меня-
ется, а расположенные в ней белки-ферменты мо-
гут стать неактивными, если для их активности
ЭВОЛЮЦИЯ
необходимо перемещение внутри мембраны. Од-
нако слишком текучие мембраны тоже не могут
обеспечить функциональность белков. Таким об-
разом, экстремальные условия создают опасность
для жизни, что приводит к возникновению эволю-
ционных адаптаций, которые выражаются, в том
числе, в различном липидном составе мембран.
Эволюционное многообразие
мембранных липидов
Очевидно, что у разных организмов
клеточные мембраны отличаются между собой
по липидному составу. Это различие обусловле-
но их приспособлением к специфическим усло-
виям обитания в ходе эволюции. Например, виды
рыб, живущие в холодном климате, имеют по-
вышенное содержание фосфолипидов с ненасы-
щенными углеводородными цепями в мембранах
своих клеток (рис. 7.5, а). На другом конце темпера-
турного диапазона находятся термофильные бак-
терии и археи, обитающие в горячих источниках
и гейзерах, и способные выдерживать температу-
ры выше 90°С. В их мембранах присутствуют не-
обычные липиды, предотвращающие излишнюю
текучесть при таких высоких температурах.
У тех организмов, которые живут в изменя-
ющихся условиях, развилась способность изме-
нять липидный состав мембраны. Например, в
мембранах клеток устойчивой к морозам пшени-
цы, ближе к осени повышается процентное со-
держание ненасыщенных липидов, что защищает
их от затвердевания зимой. Некоторые бактерии
и археи тоже способны изменять пропорцию не-
насыщенных фосфолипидов в своих мембранах в
зависимости от температуры, в которой они раз-
виваются. В целом естественный отбор способ-
ствует выживанию особей, липидный состав в
мембранах которых наиболее соответствует усло-
виям их среды обитания.
Мембранные белки и их функции
Теперь давайте рассмотрим, из чего состоит
“мозаика” в жидкостно-мозаичной модели. По-
добно плиткам мозаики, мембрана представляет
собой “коллаж” из белков, собранных в группы и
располагающихся в жидком матриксе липидного
бислоя. (см. рис. 7.3). Что касается их количества,
то, например, для цитоплазматической мембраны
эритроцитов на настоящее время описано более
50 видов белков. Структурной основой мембраны
ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран 183
является фосфолипидный бислой, а ее функции
определяются составом белков. Различные типы
клеток содержат свой собственный набор мем-
бранных белков, а каждая из мембран внутри
клетки характеризуется уникальным белковым
составом.
По характеру своего проникновения в мем-
брану белки делятся на две группы: интеграль-
ные и периферические (см. рис. 7.3). Интеграль-
ные белки глубоко погружены в гидрофобное
пространство липидного бислоя. Большую часть
из них составляют трансмембранные белки, ко-
торые пронизывают мембрану насквозь. Дру-
гие интегральные белки находятся в гидро-
фобной среде лишь частично. Гидрофобные
участки интегральных белков состоят из одного
или нескольких участков неполярных аминокис-
лот (см. рис. 7.6), которые, как правило, свернуты
в альфа-спирали. Гидрофильные части молекулы
взаимодействуют с водной средой по обе сторо-
ны от мембраны. Некоторые белки также имеют
один или несколько гидрофильных каналов, че-
рез которые сквозь мембрану проходят гидро-
фильные вещества (в том числе, и вода — см.
рис. 7.1). Периферические белки вообще не кон-
тактируют с липидным бислоем, а удерживаются
у поверхности мембраны с помощью слабых свя-
зей — чаще всего это реализуется через взаимо-
действие с выступающими из нее фрагментами
интегральных белков.
Рис. 7.6. Строение трансмем-
бранного белка. Бактериоро-
допсин (транспортный белок
бактерий) расположен внутри
мембраны при этом его N-ko-
нец находится на внешней сто-
роне клетки, а С-конец — на
внутренней. На ленточной ди-
аграмме справа хорошо вид-
на альфа-спиральная вторич-
ная структура гидрофобных
участков, большая часть кото-
рых находится в гидрофобном
окружении внутри мембраны.
В состав белка входит семь
трансмембранных спиралей,
соединенных между собой не-
спиральными участками цепи,
которые контактируют с водны-
ВНЕКЛЕТОЧНАЯ
СТОРОНА
N-конец -^МЕМБРАНЫ
спираль / ПЛАЗМА-
С-конец ТИЧЕСКАЯ
СТОРОНА
МЕМБРАНЫ
ми растворами на внеклеточной и цитоплазматической стороне
мембраны. Несмотря на то, что на многих рисунках в этой книге
белки показаны в виде простых фигур фиолетового цвета, каж-
дый белок имеет свою уникальную структуру
Некоторые мембранные белки — например
интегрины, могут постоянно находиться на од-
ном месте, будучи прикрепленными к элемен-
там цитоскелета или внеклеточного матрикса
(см. рис. 6.28, где показаны интегрины — один из
типов интегральных трансмембранных белков).
В совокупности они формируют прочный каркас,
защищающий клетки животных лучше, чем про-
сто мембрана.
Мембранные белки выполняют и другие функ-
ции, включая транспорт веществ через мембрану,
ферментативный катализ, и прикрепление клеток
к друг другу и к субстрату. Кроме того, один и тот
же мембранный белок сам по себе может отвечать
за несколько функций одновременно. Таким обра-
зом, мембрана является мозаикой не только струк-
турной, но и функциональной мозаикой. На рис. 7.7
показаны шесть основных функций, которые вы-
полняют белки в плазматической мембране.
Белки на поверхности мембраны имеют боль-
шое значение для разных областей медицины.
Например, белок гликопротеин CD4, в боль-
шом количестве присутствующий в мембранах
иммунных клеток, является мишенью для виру-
са иммунодефицита человека (ВИЧ), который
заражает иммунные клетки и приводит к разви-
тию синдрома иммунодефицита (СПИД). Одна-
ко небольшому проценту людей удается избе-
жать заражения, даже подвергаясь воздействию
ВИЧ. Путем сравнительного анализа их генома
была выявлена мутация гена, кодирующего белок
CCR5, которая привела к его неактивной форме.
CCR5 работает как вспомогательный рецептор
(корецептор) для CD4, усиливая его взаимодей-
ствие с вирионом ВИЧ (рис. 7.8, а). При его отсут-
ствии вирус оказывается неспособным инфици-
ровать клетку (рис. 7.8, б).
Открытие CCRS-корецептора качественно из-
менило подход к лечению СПИДа. Дело в том,
что CD4 выполняет множество важных функций,
и воздействие на него неминуемо привело бы к
тяжелым побочным эффектам. Использование
CCR5 в качестве терапевтической мишени позво-
лило создать ряд более безопасных лекарствен-
ных препаратов, которые маскируют этот белок и
препятствуют слиянию ВИЧ с клетками человека.
Один из них, получивший название маравирок
(в США выпускается под брендом Selezentry), был
одобрен для клинического применения в 2007 г.
и с тех пор с успехом применяется для лечения и
профилактики ВИЧ инфекции. В 2012 г. начались
184 ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран
а) Транспорт. Слева: белок, прохо-
дящий сквозь мембрану, может
формировать гидрофильный канал,
избирательно пропускающий
определенные водорастворимые
соединения. Справа: другие белки-
транспортеры переносят веще-
ства с одной стороны мембраны
на другую, меняя свою конфор-
мацию (рис. 7.14). Некоторые
из таких белков осуществляют
активное перекачивание веществ
через мембрану, используя
энергию, полученную за счет
гидролиза АТФ.
б) ферментативная активность.
Встроенный в мембрану белок
может быть ферментом, активный
центр которого расположен та-
ким образом, чтобы иметь возмож-
ность захватывать субстрат из на-
ходящейся поблизости жидкости.
Иногда несколько мембранных
ферментов могут объединяться
в комплекс, осуществляющий пос-
ледовательные стадии метаболи-
ческого пути.
Ферменты
г) Межклеточное узнавание.
Некоторые гликопротеины служат
своего рода идентификационны-
ми бирками, которые специфиче-
ски распознаются мембранными
белками других клеток. Межкле-
точные связи такого типа обычно
являются более короткоживущи-
ми, чем представленные на
рисунке (а).
А) Межклеточные соединения.
Мембранные белки соседних
клеток могут оказаться сцепле-
нными друг с другом с помощью
различных типов соединений —
например, щелевых контактов
или плотных контактов
(см. рис. 6.30). Такой тип связи
более долговечен, чем пока-
занный на рисунке (г).
в) Передача сигнала. Мембранный
белок (рецептор) может иметь
сайт связывания с определенной
конформацией, которая совпа-
дает с конформацией химиче-
ского переносчика (мессендже-
ра) — например гормона.
Пришедший извне мессенджер
(сигнальная молекула) может за-
ставить белок изменить свою
структуру, приводя к попаданию
сигнала внутрь клетки — как пра-
вило, за счет связывания с цито-
зольным белком (рис. 11.6).
V
Передача сигнала
е) Присоединение к цитоскелету
и внеклеточному матриксу (ВКМ).
Микрофиламенты или другие
элементы цитоскелета могут быть
нековалентно связаны с мембран-
ными белками. Эта функция помо-
гает клетке поддерживать свою
форму и фиксирует положение
некоторых белков мембраны.
Белки, способные связываться
с молекулами ВКМ, помогают
координировать изменения,
происходящие вне клетки и внутри
нее (см. рис. 6.28).
1 Некоторые трансмембранные белки передают сигнал в
клетку, связываясь с тем или иным компонентом внеклеточного
матрикса. Используя белки, изображенные на рисунках (в) и бе),
попробуйте предположить, как именно это может происходить.
Рис. 7.7. Некоторые функции белков в клеточных мембранах.
В большинстве случаев один и тот же белок может выполнять
несколько функций одновременно
Есть рецептор Плазмати-
(CD4), нонет ческая
CCR5 мембрана
клинические испытания с тем, чтобы установить,
можно ли использовать этот препарат для профи-
лактики ВИЧ у людей, которые еще не инфициро-
ваны, но подвержены риску заражения.
а) ВИЧ может инфицировать
клетку, имеющую CCR5 на
своей поверхности (харак-
терно для большинства
людей)
б) ВИЧ не может инфицировать
клетку в случае отсутствия
CCR5 (такие люди являются
ВИЧ-устойчивыми)
◄ Рис. 7.8. Генетические основы устойчивости к ВИЧ
Внимательно посмотрите на
рис. 2.16 и 5.17, где изображены взаимодействия молекул друг
с другом. Попробуйте предположить, что именно позволяет
вирусу связываться с молекулой CCR5? Каким образом моле-
кула лекарственного вещества может ему в этом помешать?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран 185
Роль гликокаликса в межклеточных
взаимодействиях
Как уже было сказано выше, способность клет-
ки быть “узнанной”, в том числе, и другими клет-
ками, играет ключевую роль во многих жизненно
важных процессах организма. Например, она не-
обходима при формировании тканей и органов на
начальных стадиях развития эмбриона. Также это
лежит в основе отторжения иммунной системой
чужеродных клеток, что является важной линией
защиты у позвоночных животных. Клетки “рас-
познают” друг друга, связываясь с молекулами, ча-
сто содержащими углеводы, на внешней поверх-
ности мембраны (см. рис. 7.7, г).
Мембранные углеводы обычно имеют вид ко-
ротких разветвленных цепей, включающих до
15 моносахаридных остатков. Большинство из
них ковалентно связано с молекулами липидов,
образуя гликолипиды. Другие связаны с молеку-
лами белков и формируют, таким образом, глико-
протеины. (Приставка глико- указывает на нали-
чие углеводного остатка, см. рис. 7.3.)
Углеводный состав наружной оболочки мем-
браны может сильно варьировать — в зависи-
мости от видовой принадлежности, конкретного
организма или даже отдельной клетки. Это разно-
образие типов молекул и их расположения на по-
верхности клетки позволяет мембранным угле-
водам играть роль маркеров, которые отличают
одну клетку от другой. Например, четыре группы
крови человека — I (0), II (А), III (В) и IV (АВ) —
разделяются по типам на основе различных угле-
водных частей гликопротеинов на поверхности
красных кровяных телец.
Асимметричность мембраны
Внутренняя и наружная поверхности цито-
плазматической мембраны отличаются друг от
друга.2 Два липидных слоя могут различаться
по составу липидов, но все белки имеют опреде-
ленную направленность в мембране (см. рис. 7.6).
На рис. 7.9 показано, как возникает вогнутость
мембраны: асимметричное расположение белков,
2 Например, на внешней стороне всегда больше глико-
липидов и сфингомиелина, тогда как на внутренней пре-
обладают фосфатидилсерин и фосфатидилэтаноламин. Это
распределение диктуется особенностями строения их мо-
лекул — например, фосфатидилэтаноламин имеет форму
конуса. Поэтому его переизбыток во внутреннем слое обе-
спечивает положительный радиус кривизны мембраны и
образует замкнутую структуру. — Примеч. пер.
липидов и связанных с ними углеводов в цито-
плазматической мембране закладывается на ста-
дии сборки липидных везикул в эндоплазмати-
ческом ретикулуме (ЭПР) и их перемещению по
аппарату Гольджи к месту слияния с цитоплазма-
тической мембраной.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 7.1
В эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР) и аппарате Гольд-
жи к белкам пришиваются углеводные остатки, после чего
они отправляются на поверхность клетки в составе транс-
портных пузырьков — везикул. На какой из сторон везикуляр-
ной мембраны будут находиться эти гликопротеины?
| Как будет различаться липидный состав
мембран у растений одного и того же вида, растущих в юж-
ных широтах и в умеренно холодном климате? Поясните
свой ответ.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
7.2. Структура мембраны
обуславливает избирательную
проницаемость
Биологические мембраны — наглядный при-
мер того, как простые молекулы, объединившись
в сложную высокоорганизованную структуру,
приобретают новые черты и свойства. Оставшая-
ся часть главы будет посвящена этому уникально-
му свойству мембраны — способности контроли-
ровать проходящий через нее поток веществ, что
является жизненно важным для существования
клеток. Мы еще раз увидим прямую взаимосвязь
формы и функции: жидкостно-мозаичная модель
помогает объяснить, как мембраны управляют
движением молекул в клетке.
Через мембрану идет непрекращающийся
двусторонний поток небольших молекул и ионов.
Давайте рассмотрим, как мышечная клетка об-
менивается веществами с внеклеточной жидко-
стью, которая омывает ее. Сахар, аминокисло-
ты и другие питательные вещества поступают в
клетку, а отходы жизнедеятельности выводятся
из нее. Клетка потребляет кислород, а выводит
углекислый газ. Также клетка управляет внутрен-
ней концентрацией неорганических ионов, таких
как Na+, К+, Са/ и С1 , перемещая их по плазма-
тической мембране. Чтобы контролировать та-
кой плотный поток движения, мембрана являет-
ся избирательно проницаемой: клетка способна
принимать одни молекулы и ионы, а другие вы-
водить наружу.
186 ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран
Проницаемость липидного бислоя
Небольшие нейтральные молекулы, такие как
вода, углекислый газ и кислород являются гидро-
фобными. Следовательно, они могут напрямую
проникать через липидный бислой мембраны без
помощи мембранных белков.
Однако внутренняя гидрофобная часть мем-
браны препятствует прямому проникновению
ионов и полярных гидрофильных молекул. По-
лярные молекулы, такие как глюкоза и другие
сахара проходят через липидный бислой очень
медленно. Даже вода, очень маленькая поляр-
ная молекула, не может быстро проникнуть че-
рез мембрану. Заряженный атом или молекула,
окруженная водной оболочкой, имеют еще мень-
ше шансов пройти в гидрофобную внутреннюю
часть мембраны (см. рис. 3.7). Однако липидный
бислой — это только часть защитной системы,
обеспечивающей избирательную проницатель-
ность клетки. Ключевую роль в регулировании
движения потока веществ играют мембранные
белки.
Транспортные белки
Ионы и различные полярные молекулы не мо-
гут двигаться сквозь мембрану сами по себе. Од-
нако, они могут пройти через мембрану (избежав
контакта с гидрофобными “хвостами” липидов,
ионам и молекулам, несущим на себе заряд), при
помощи транспортных белков, находящихся в
мембране.
Некоторые из транспортных белков, которые
называются каналами, пронизывают мембрану
насквозь и образуют гидрофильный канал, через
который некоторые молекулы и ионы проходят
как по тоннелю (см. рис. 7.7, а, слева). Например,
проход молекулы воды через мембрану в значи-
тельной степени обеспечивается белками-канала-
ми, которые называются аквапоринами.
Например, пропускная способность моле-
кулы аквапорина составляет до трех миллиар-
дов (ЗхЮ9) молекул воды в секунду, при этом
через его центральный канал за один раз в клет-
ку проникает только одна молекула воды, хотя
Рис. 7.9. Синтез компонентов клеточной мембраны и их ори-
ентация. Поверхность плазматической мембраны, обращен-
ная к цитоплазме (отмечена оранжевым цветом) отличается
от внеклеточной поверхности (отмечена синим цветом). По-
следняя формируется из внутренней поверхности ЭПР, аппа-
рата Гольджи и везикулярных мембран
ИЗОБРАЗИ!
Нарисуйте интегральный мембранный белок,
расположенный в мембране ЭПР, часть которого выходит в
люмен. Затем попробуйте нарисовать местоположение этого
белка на каждом этапе передвижения, которое заканчивает-
ся в цитоплазматической мембране (этапы пронумеруйте).
Будет ли такой белок контактировать с цитоплазмой или вне-
клеточной средой? Объясните, почему.
Везикула
Аппарат
Гольджи
Трансмембранные
гликопротеины
Ъ
Трансмембранный
гликопротеин
Секретируемый
белок
Внутренняя Ч
полость
(люмен) ЭПР
Плазматическая мембрана:
Цитоплазматическая поверхность
Внеклеточная поверхность \
* о Прис
J углеводная
к * цепь
Эндоплазма-
тический
ретикулум (ЭПР)
Гликолипид Zrf
О Липиды и белки для клеточных мембран синтезируются в эндо-
плазматическом ретикулуме (ЭПР). К трансмембранным белкам
(показаны в виде фиолетовых гантелек) могут прикрепляться угле-
водные цепи (отмечены зелёным), превращая белки в гликопро-
теины. Гликопротеиновые участки могут затем подвергаться
изменениям.
Секреторный
белок
0 Внутри аппарата Гольджи углеводные остатки глико-
протеинов подвергаются дальнейшим изменениям;
к липидам также присоединяются углеводы, превра-
щая их в гликолипиды.
О Гликопротеины и гликолипиды вместе с секре-
торными белками (изображены в виде фиоле-
товых кружков) доставляются к плазматической
мембране в секреторных пузырьках (везикулах).
О При слиянии транспортной везикулы
с мембраной внешняя сторона везикулы
становится продолжением внутренней
(цитоплазматической) поверхности плаз-
матической мембраны, что приводит к вы-
ходу секреторных белков из клетки — этот
процесс называется экзоцитозом. При
этом углеводные хвосты мембранных глико-
протеинов и гликолипидов оказываются
на внешней (внеклеточной) поверхности
плазматической мембраны.
Мембранный
гликолипид
187
поместилось бы в 10 раз больше (см. рис. 7.1). Но
если бы аквапоринов не было, в клетку бы попала
лишь очень небольшая доля молекул, поэтому ка-
налы обеспечивают существенное увеличение
скорости транспорта. Другие транспортные бел-
ки, называемые белками-переносчиками работа-
ют по принципу челноков. Захватывая “груз”, они
меняют свою конформацию таким образом, что-
бы перенести его на другую сторону мембраны
(см. рис. 7.7, и, справа).
Транспортные белки всегда соотносятся с
определенным веществом, и могут переносить
только его (или небольшое соединение этих ве-
ществ) через мембрану. Например, специфиче-
ский белок-переносчик в цитоплазматической
мембране красных кровяных телец переносит
глюкозу в 50 000 раз быстрее, чем если бы она
проходила сама по себе. Этот “глюкозный транс-
портер” настолько избирательный, что не может
переносить даже фруктозу, структурный изомер
глюкозы.
Таким образом, избирательная проницаемость
клеточной мембраны достигается за счет сово-
купности двух факторов: различающая вещества
липидная граница и транспортные белки, кото-
рые переносят строго определенные молекулы.
Но что обуславливает направление клеточного
транспорта? Как клетки решают, в какой момент
нужно разрешить веществу проникнуть внутрь
клетки или выйти из нее? И какие именно меха-
низмы обеспечивают движение молекул через
мембрану? Далее мы попытаемся дать ответ на
этот вопрос и рассмотрим модели — пассивный и
активный транспорт веществ.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 7.2
3.
4.
5.
Что позволяет кислороду и углекислому газу самостоятель-
но, без помощи белков проникать сквозь липидный бислой
клеточной мембраны?
Почему для того, чтобы быстро переместить много молекул
воды, необходимо участие транспортного белка?
Аквапорины непроницаемы
для ионов гидроксония (Н3О+), схожих по размеру с молеку-
лой воды, однако при этом свободно пропускают куда бо-
лее крупные молекулы глицерина (см. рис. 5.9). В чем может
быть причина такой избирательности?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Ответы см. в Приложении А.
7.3. Пассивный транспорт —
это диффузия вещества через
мембрану, осуществляемая
без энергозатрат
Молекулы постоянно движутся, благодаря
чему они обладают тепловой энергией (см. гла-
ву 3, раздел 3.2). Одним из результатов этого про-
цесса является диффузия — движение частиц
вещества, приводящее к их равномерному рас-
пределению по всему доступному объему. Несмо-
тря на то, что каждая отдельная частица движется
хаотично, диффузия популяции молекул вещества
может быть направленной. Чтобы лучше понять
этот процесс, представим себе искусственную
мембрану, которая разделяет чистую и подкра-
шенную воду. Внимательно изучите рис. 7.10, а, —
здесь показано, как процесс диффузии приводит
к тому, что в каждом резервуаре оказывается при-
мерно равное количество молекул красителя. Как
только это произойдет, система окажется в состо-
янии динамического равновесия: число молекул,
пересекающих мембрану в каждом из направле-
ний, будет приблизительно одинаково.
Теперь мы можем вывести простой закон диф-
фузии: при отсутствии других сил, вещество бу-
дет диффундировать из области с более высокой
концентрацией в область с менее высокой кон-
центрацией. Другими словами, любое вещество
будет диффундировать по градиенту концен-
трации. При этом не совершается никакой рабо-
ты: диффузия является спонтанным процессом,
не требующим энергозатрат. Обратите внимание,
что любое вещество диффундирует по градиенту
собственной концентрации, независимо от гради-
ентов концентрации других веществ (рис. 7.10,6).
Большая часть транспорта через клеточную
мембрану осуществляется путем диффузии. Если
концентрация вещества с одной стороны мемб-
раны выше, чем с другой, то чаще всего веще-
ство будет диффундировать по градиенту концен-
трации (при условии, что мембрана является для
него проницаемой). Важным примером является
потребление кислорода клеткой, осуществляю-
щей клеточное дыхание. Растворенный кислород
диффундирует внутрь клетки через плазматиче-
скую мембрану. Пока кислород используется для
клеточного дыхания, его поступление внутрь
клетки будет продолжаться благодаря градиенту
концентрации.
188 ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран
Молекулы красителя .. л
11 к Мембрана (поперечный разрез)
</о ----- о о> о I
°ОО°Й^
О <гИ ВОДА °о ° J о° о ° I
о°о°7* о ff9 О>°
Результирующая
диффузия
рэзулыирующая Г Равновесие
а) Диффузия одного вещества в растворе. Диаметр пор в мем-
бране достаточно велик для того, чтобы молекулы красителя
свободно проходили сквозь неё. Из-за их хаотического дви-
жения часть молекул красителя будет проходить через поры;
это чаще происходит в той части, где находится больше мо-
лекул красителя. Краситель диффундирует из области высо-
кой концентрации в область более низкой концентрации
(это называется диффузией по градиенту концентрации), что
в конечном итоге приводит к динамическому равновесию.
В этом состоянии молекулы продолжают перемещаться че-
рез мембрану, но число молекул, пересекающих мембрану
с каждой стороны, будет примерно одинаковым.
* v'-.
о о I
, О-*—Q
° О О|
о <
' Результирующая
и диффузия
Равновесие
о I
о о
° ли °
°oj_o °
о о
Результирующая
диффузия j
Равновесие
б) Диффузия двух веществ в растворе. Растворы двух различ-
ных красителей разделены мембраной, проницаемой для
них обоих. Каждый краситель диффундирует по градиенту
его собственной концентрации. Поэтому даже если общая
концентрация веществ исходно была выше с левой стороны
мембраны, результирующая диффузия фиолетового краси-
теля будет направлена влево.
Рис. 7.10. Диффузия растворов через синтетическую мембра-
ну. Большими стрелками под диаграммами обозначено на-
правление диффузии молекул соответствующего цвета
Диффузия веществ через биологическую мемб-
рану называется пассивным транспортом (или
облегченной диффузией), так как клетка не рас-
ходует энергию для его осуществления. Градиент
концентрации представляет собой потенциаль-
ную энергию (см. главу 2, раздел 2.2, и рис. 8.5. б) и
направляет диффузию.
В то же время не стоит забывать о том, что
мембраны избирательно проницаемы, поэтому
эффективность диффузии разных молекул будет
различаться. Например, проникновению воды в
некоторые клетки помогают аквапорины, и это
значительно ускоряет процесс. Как мы увидим да-
лее, передвижение воды по плазматической мемб-
ране имеет большое значение для клетки.
Влияние осмоса на водный баланс
Чтобы понять, как взаимодействуют два рас-
твора с разной концентрацией растворенного ве-
щества, посмотрим на рис. 7.11. Полупроницаемая
искусственная мембрана разделяет U-образный
сосуд на две части, заполненные раствором с раз-
ной концентрацией сахара. Размер пор в мембране
не позволяет пройти сквозь них молекулам саха-
ра, но спокойно пропускают молекулы воды. Од-
нако не вся вода может пройти через мембрану —
некоторые ее молекулы образуют кластеры вокруг
гидрофильных молекул растворенного вещества.
В результате раствор с более высокой концен-
трацией сахара имеет меньше свободных молекул
воды. Вода диффундирует через мембрану из об-
ласти с более высокой концентрацией свободных
молекул воды (низкая концентрация растворен-
ного вещества) в область с более низкой концен-
трацией свободных молекул воды (высокая кон-
центрация растворенного вещества) до тех пор,
пока концентрации по обе стороны мембраны не
сравняются. Диффузия свободных молекул воды
через искусственную или живую избирательно
проницаемую мембрану называется осмосом. Дви-
жение воды через клеточные мембраны и поддер-
жание водно-солевого баланса между клеткой и
окружающей средой жизненно важны для орга-
низмов. Давайте теперь применим все, что мы уз-
нали об этой системе в живой клетке.
Водный баланс в клетках,
не имеющих клеточной стенки
Чтобы объяснить поведение клетки в раство-
ре, нам нужно учитывать как концентрацию рас-
твора, так и проницаемость мембраны. Оба этих
фактора соединяются в концепции тоничности,
т.е. способности окружающего раствора побуж-
дать клетку поглощать или терять воду. Тонич-
ность раствора частично зависит от концентра-
ции растворенных веществ, которые не могут
пройти через мембрану (непроникающие веще-
ства), по отношению к веществам, находящим-
ся внутри клетки. Если концентрация не прони-
кающего в клетку вещества вокруг клетки будет
выше, чем внутри нее, то вода будет стремиться
наружу и наоборот.
Если животную клетку, не имеющую прочной
клеточной стенки, например, животную клетку,
поместить в раствор, являющийся для нее изото-
ническим (от лат. iso — “равный”), то результи-
рующий транспорт воды через ее мембрану будет
Г ЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран 189
Более низкая
концентрация
растворённого
вещества
(сахара)
Более высокая
концентрация
растворённого
вещества
Концентрации
растворов
выравниваются
Молекула
НпО
Молекулы воды
образуют скоп-
ления вокруг мо-
лекул сахара.
В этой части сосуда
находится меньше
молекул раство-
рённого вещества,
но больше свобод-
ных молекул воды.
В этой части сосу-
да находится
больше молекул
растворённого
вещества, но мень-
ше свободных мо-
Молекулы воды
могут проходить
через поры в мем-
бране, а моле-
кулы сахара — нет.
лекул воды.
Вода движется из области с наибольшей
концентрацией её свободных молекул
к месту с их наименьшей концентрацией
(от меньшей к большей концентрации
растворённого вещества).
Селективно
проницаемая
мембрана
нулевым, поскольку скорость диффузии в обоих
направлениях одинакова. Таким образом, в изо-
тонической среде объем животной клетки будет
постоянным (рис. 7.12,а).
А теперь давайте перенесем клетку в раствор,
который будет для нее гипертоническим (гипер
означает “больше”; в данном случае это относится
к непроникающим веществам). Клетка начнет те-
рять воду, сморщиваться и, возможно, погибнет.
Вот почему повышение солености озера может
привести к гибели его обитателей; если вода ста-
нет гипертоническим раствором по отношению
к живым клеткам, есть вероятность того, что они
высохнут и умрут. Тем не менее поглощение клет-
кой избыточной воды может быть не менее опас-
ным. Если мы поместим клетку в гипотонический
раствор (гипо означает “меньше”), вода станет
быстрее проникать в клетку, чем уходить из нее.
В результате клетка набухнет и лизируется — ло-
пается, как сильно надутый воздушный шарик.
Клетки, не имеющие прочной клеточной стен-
ки, страдают как от слишком большого количе-
ства воды, так и от ее чрезмерной потери. Про-
блема соблюдения водного баланса решается
А ЧТО, ЕСЛИ?
◄ Рис. 7.11. Осмос. Два водных раствора сахара разной кон-
центрации разделены мембраной, проницаемой для раство-
рителя (молекул воды) и непроницаемой для растворенного
вещества (сахара). Молекулы воды передвигаются хаотич-
но и могут перемещаться в любом направлении, но в целом
диффузия воды идет из области с низкой концентрацией рас-
творенного вещества в область с высокой концентрацией. Та-
кой пассивный транспорт воды — осмос — приводит к тому,
что концентрация сахара по обе стороны мембраны оказы-
вается примерно одинаковой. (Концентрации не могут быть
абсолютно одинаковыми из-за давления воды со стороны с
большей концентрацией, но с целью упрощения здесь это не
обсуждается.)
Если оранжевый краситель, способный про-
никать через мембрану, был добавлен в левую часть U-образ-
ного сосуда (см рис. 7.10), то каким будет его распределение
в конце эксперимента? Повлияет ли его присутствие на итого-
вый уровень раствора в сосуде?
автоматически, если клетка находится в изо-
тоническом окружении. Морская вода являет-
ся изотонической средой для многих морских
беспозвоночных. Клетки большинства наземных
животных находятся в межклеточной жидкости,
которая изотонична по отношению к клеткам. Од-
нако в гипертонических или гипотонических усло-
виях организмам, не имеющим прочных клеточ-
ных стенок, необходимы другие приспособления
для осморегуляции (контроля над водно-солевым
обменом). Например, одноклеточное простей-
шее инфузория-туфелька (Paramecium caudatum),
обитает в пресноводных прудах, которые являют-
ся гипотонической средой для клетки. Чтобы ком-
пенсировать осмос у инфузории есть несколько
приспособлений: во-первых, мембрана Р caudatum
гораздо менее проницаема для воды, чем мембра-
ны большинства других клеток. Однако это лишь
замедляет поступление воды в клетку. Клетка ин-
фузории не лопается благодаря второй адаптации:
у нее есть сократительная вакуоль, которая рабо-
тает как большой насос, откачивающий воду из
клетки по мере ее поступления (рис. 7.13).
Водный баланс в клетках,
имеющих клеточную стенку
Растения, бактерии, грибы, а также некоторые
протесты окружены прочной клеточной стенкой
(см. рис. 6.27). Когда такая клетка попадает в гипото-
нический раствор — например, под дождь — кле-
точные стенки помогают сохранять ее водный ба-
ланс. Давайте рассмотрим клетку растения. Как и
животная клетка, она набухает из-за проникно-
вения воды посредством осмоса (рис. 7.12, б). Одна-
190 ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран
а) Животная клетка. Клетки животных лучше всего чув-
ствуют себя в изотоническом окружении, если только
они не оснащены специальными адаптивными меха-
низмами, корректирующими поглощение или потерю
воды в результате осмоса.
Гипотонический
раствор
Лизированная
клетка
Изотонический
раствор
Гипертонический
раствор
Обезвоженная
клетка
б) Растительная клетка. Клетки растений являются тур-
гесцентными (прочными), и в целом оптимальным
для них является гипотоническое окружение, где
поглощение воды уравновешивается за счет растя-
жения клеточной стенки.
Рис. 7.12. Водный баланс в живых клетках. Каким об-
разом живая клетка реагирует на изменения кон-
центрации растворенного вещества в окружающей
Плазматическая
мембрана Клеточная
Тургесцентная клетка
(нормальное состояние)
Нормальное
состояние клетки
Плазмолизированная
клетка
среде в зависимости от наличия клеточной стенки?
(а) Клетки животных — например, показанная на рисунке красная кровяная клетка — не имеют клеточной стенки, (б) А клетки рас-
тений — имеют (стрелками показано направление движения после того, как клетки впервые были помещены в раствор)
50 мкм
Сократительная вакуоль i--------
Рис. 7.13. Сократительная вакуоль инфузории-туфельки (Par-
amecium caudatum). Вода по системе цитоплазматических
каналов поступает в вакуоль. После заполнения вакуоль и ка-
налы сокращаются, выталкивая жидкость из клетки (световая
микроскопия)
ко относительно неэластичная клеточная стенка
будет расширяться только до определенного пре-
дела и препятствует безостановочному проник-
новению воды. Такое давление клеточной стенки
называется тургором.5 Когда клетка наполняется
водой, она представляет собой набухшее (и весьма
прочное) тело, что является естественным состо-
янием для здоровых растительных клеток. Недре-
весные растения, например травы или комнатные
цветы, чисто механически поддерживаются кле-
точными стенками, которые обеспечивают тур-
гор клеток в гипотоническом растворе. Если же
3 От лат. turgor — “вздутие”, “наполнение”. — Примеч. ред.
окружающая клетку среда станет изотонической,
то вода не будет стремиться внутрь клеток, натя-
жение (и прочность) их стенок пропадет, они ста-
нут мягкими и вялыми.4 В гипертонической среде
клеточная стенка бессильна противостоять потере
воды. Как растительные, так и животные клетки
будут отдавать воду в окружающую среду и сжи-
маться. В этих условиях происходит плазмолиз
клеток — отслоение мембраны от клеточной стен-
ки. В результате клетки теряют свою упругость, а
растение увядает. В гипертонической среде плаз-
молизу подвержены и имеющие стенку клетки
бактерий и грибов.
Облегченная диффузия: пассивный
транспорт, ускоренный белками
Теперь давайте более подробно рассмотрим,
как вода и некоторые гидрофильные вещества
проходят через мембрану. Как уже отмечалось
4 Тургорное давление растительных клеток в гипотониче-
ском растворе обычно составляет от 5 до 10 атмосфер, что
является нормальным для них состоянием. Благодаря этому
живые ткани обладают упругостью, а травянистые стебли
и корневища могут принимать вертикальное или плагио-
тропное (горизонтальное) положение. Тургор также имеет
колоссальное значение в процессе всасывания воды, так как
у большинства растений сила, с которой клеткгг всасывает
воду, определяется разницей между осмотическим и тургор-
ным давлением. — Примеч. пер.
ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран 191
ранее, многие полярные молекулы и ионы не спо-
собны самостоятельно проходить сквозь липид-
ный бислой мембраны и нуждаются в помощи
особых транспортных белков. Это явление полу-
чило названия облегченной диффузии. Клеточ-
ные биологи активно изучают механизмы, благо-
даря которым белки могут облегчать диффузию.
Большинство транспортных белков очень изби-
рательны и перемещают только конкретные веще-
ства, игнорируя все остальные.
Как мы уже упоминали выше, транспортные
белки бывают двух типов: белки-каналы и бел-
ки-переносчики. Первые представляют собой
своего рода коридор, позволяющий определен-
ным молекулам и ионам легко пересекать мембра-
ну (рис. 7.14. а). Гидрофильные каналы позволяют
молекулам воды и небольших соединений быстро
перемещать с одной стороны мембраны на дру-
гую. Они отличаются крайне высокой пропускной
способностью. Так, уже упоминавшиеся выше ак-
вапорины существенно ускоряют диффузию как
в растительных, так и в животных клетках — на-
пример, в молекуле эритроцита (см. рис. 7.12). Вы-
сокое содержание аквапоринов характерно и для
некоторых клеток почек, что помогает им осу-
ществлять реабсорбцию воды из мочи до того,
как она будет выведена из организма. Если бы
почки не могли выполнять эту функцию, мы вы-
деляли бы 180 литров мочи в сутки — и столько
же пили!
Белки-каналы, которые переносят ионы и на-
зываются ионными каналами. Они часто снаб-
жены воротным механизмом, позволяющим им
открываться и закрываться в ответ на внешние
сигналы. В роли такого сигнала часто выступа-
ет электрический импульс. Например, в нервной
клетке в ответ на электрический импульс проис-
ходит открытие ионного канала, что позволяет
потоку ионов калия покинуть клетку (обратите
внимание на ион, показанный оранжевым цветом
в центре ионного канала на рисунке в начале гла-
вы). В результате клетка восстанавливает способ-
ность реагировать на электрический стимул. Дру-
гие каналы открываются или закрываются при
связывании специфической молекулы, отличной
от той, которая может переноситься через дан-
ный канал.
Белки-переносчики (например, упоминавший-
ся ранее глюкозный транспортер) незначительно
меняют свою структуру, но иногда это приводит
к транслокации сайта, связывающего молекулу
1.
2.
растворенного вещества (рис. 7.14, б). Такое изме-
нение формы может быть вызвано связыванием
или, наоборот, высвобождением молекулы транс-
портируемого вещества. Как и в случае с ионны-
ми каналами, белки-переносчики, участвующие в
облегченной диффузии, способствуют перемеще-
нию веществ по градиенту концентрации. Этот
процесс не является энергозатратным, поэтому
относится к пассивному транспорту. В рубрике
“Развиваем исследовательские навыки” в следу-
ющем разделе вы сможете поработать с данными
эксперимента, касающегося транспорта глюкозы.
а) Канальный
белок (показан
фиолетовым)
содержит в се-
бе канал, через
который могут
проходить мо-
лекулы воды или
специфическог
о вещества.
б) Белок-переносчик переходит из одной альтернативной
конформации в другую, перенося таким образом растворё-
нное вещество через мембрану.
Рис. 7.14. Два типа транспортных белков, осуществляющих
облегченную диффузию. В обоих случаях белок может пере-
носить растворенное вещество в любом направлении, но ре-
зультирующее движение происходит в соответствии с гради-
ентом концентрации растворенного вещества
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 7.3
Как вы думаете, каким образом клетка избавляется от угле-
кислого газа, образующегося в результате процессов кле-
точного дыхания?
| Если клетка инфузории попадет из гипото-
нического раствора в изотонический, будет ли ее сократи-
тельная вакуоль функционировать активнее, или же наобо-
рот? Почему?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
192 ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран
7.4. При активном транспорте
для перемещения веществ
против градиента концентрации
используется энергия
Независимо от участия белков облегченная
диффузия представляет собой разновидность пас-
сивного транспорта, так как растворенные веще-
ства перемещаются по градиенту концентрации,
что не требует затрат энергии. Облегченная диф-
фузия увеличивает скорость передвижения ве-
ществ через мембрану, но никак не влияет на его
направление. Однако некоторые другие белки-пе-
реносчики могут транспортировать вещества про-
тив градиента их концентрации — с той стороны
цитоплазматической мембраны, где их концентра-
ция ниже, в сторону, где концентрация выше.
Активный транспорт невозможен
без затраты энергии
Для того чтобы перенести растворенное веще-
ство через мембрану против градиента концен-
трации, необходимо совершить работу, поэтому
клетка должна затратить энергию. Таким обра-
зом, этот вид цитоплазматического транспорта
называется активным. Почти все транспортные
белки, которые перемещают вещества против гра-
диента концентрации, являются белками-пере-
носчиками, а не каналами. Это логично, так как в
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Учимся анализировать ииаграмли/ рассеяния
по "двум наборам 2анньус
Зависит ли усвоение глюкозы от возраста организма? Глюко-
за — важнейший источник энергии для животных. Она попадает
в клетку путем облегченной диффузии с помощью белков-пере-
носчиков. В данном упражнении вы проанализируете данные,
полученные в ходе эксперимента по изучению потребления глю-
козы красными кровяными тельцами морских свинок разного воз-
раста. Вам нужно будет определить, влияет ли возраст морских
свинок на скорость транспорта глюкозы внутрь их клеток.
Проведение эксперимента. Эритроциты, выделенные из крови
15-дневной и одномесячной морской свинки, были помещены в
ЗООмМ (миллимолярный) раствор радиоактивно меченой глюко-
зы при pH 7,4 и температуре 25°С. Каждые 10 или 15 минут ученые
отбирали образец клеток и измеряли в них концентрацию ради-
оактивной глюкозы.
Полученные экспериментальные данные. Чтобы сравнить не-
сколько наборов данных, удобно нанести их на один график.
На данном графике каждый набор точек (отмеченных одним
цветом) образует диаграмму рассеяния (точечную диаграмму),
в которой каждая точка данных представляет два числовых зна-
чения, по одному для каждой переменной. Чтобы сделать тренды
более наглядными, для каждого набора данных была нарисова-
на кривая, которая наилучшим образом соответствует экспери-
ментальным точкам.
Анализ данных
1. Для начала убедитесь, что вам понятны все части графика
а) Какая из двух переменных является независимой — пере-
менной, значение которой контролируется исследователя-
ми? б) Какая из них является зависимой—т.е. измеряемой пе-
ременной, значение которой зависит от воздействия? в) Что
обозначают красные точки на графике? г) Что обозначают
синие точки?
2. Используя график, постройте таблицу с данными, полученны-
ми в результате эксперимента. Левую колонку таблицы назо-
вите "Время инкубации (мин.)".
3. Что можно увидеть из данного графика? Сравните уровень
глюкозы в эритроцитах 15-дневной и одномесячной морской
свинки.
4. Сформулируйте гипотезу, объясняющую разницу между ин-
тенсивностью транспорта глюкозы в эритроциты. (Подумайте
о том, как глюкоза попадает внутрь клеток.)
5. Придумайте эксперимент, который мог бы подтвердить или
опровергнуть вашу гипотезу.
Источник данных: Т. Kondo and Е. Beutler, Developmental changes
in glucose transport of guinea pig erythrocytes, Journal of Clinical
Investigation 65:1-4 (1980).
ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран 193
ВНЕКЛЕТОЧНАЯ
Высокая
концентрация (No )
0 Содержащиеся в цитоплазме
ионы Na+ присоединяются
к натриево-калиевому насосу.
Когда насос находится в этой
0 Присоединение Na+
стимулирует АТФ-опосредо-
ванное фосфорилирование.
О К+ освобождается;
молекула натрий-калиевого
насоса снова обладает
конформации, он обладает вы-
соким сродством к Na+.
высоким сродством
к Na+ и готова
к новому циклу.
0 Потеря фосфатной группы
возвращает белок в исходную
конформацию с более низким
сродством к IC.
О Новая конформация имеет
высокое сродство к ионам К+,
которые связываются с внеклеточ-
ной стороной канала и инициируют
отщепление фосфатной группы.
0 Фосфорилирование при-
водит к изменению конфор-
мации белка, снижая его
сродство к ионам натрия,
которые высвобождаются
с внешней стороны мембраны.
Рис. 7.15. Натрий-калиевый насос: особый случай активного транспорта. Эта транспортная система закачивает ионы против гра-
диента их концентрации в жидкости: концентрация ионов натрия ((Na+)) вне клетки выше, чем внутри, тогда как концентрация ионов
калия ((К*)) в клетке выше, чем в среде вокруг нее. Насос циклично меняет свою конформацию, и в результате одного такого цикла
три иона Na+ выводятся из клетки, а два иона К* закачиваются внутрь. Две конформации насоса имеют разное сродство к Na+ и К+.
Изменение конформации осуществляется за счет переноса АТФ фосфатной группы к транспортному белку (происходит фосфори-
лирование белка)
своем открытом состоянии белки-каналы просто
позволяют веществам диффундировать по гради-
енту их концентрации, а не захватывают их, что-
бы затем транспортировать против градиента.
Активный транспорт позволяет сохранять
внутри клетки уровень концентрации низкомо-
лекулярных веществ отличный от того, что есть
снаружи. Например, по сравнению с окружаю-
щей средой клетки животных имеют значительно
большую концентрацию ионов калия (К4) и мень-
шую натрия (Na+). Цитоплазматическая мембрана
помогает поддерживать необходимый уровень их
концентрации, откачивая (Na+) и закачивая (К+) в
клетку.
Как и для других видов клеточных процес-
сов, для наиболее активного транспорта энергию
поставляет АТФ. В одном из вариантов АТФ на-
прямую передает транспортному белку концевую
фосфатную группу. Это может привести к тому,
что белок меняет свою форму так, что становит-
ся способным перенести вещество через мембра-
ну. Одна из транспортных систем, работающая по
такой схеме — это натрий-калиевый насос, кото-
рый выкачивает из животной клетки ионы натрия
(Na+) в обмен на ионы калия (К+) (рис. 7.15).
Подробное сравнение пассивного и активного
транспорта через клеточную мембрану представ-
лено на рис. 7.16.
194 ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран
Диффузия.
Гидрофобные
соединения,
а также (с очень
низкой скоростью)
очень маленькие
Облегчённая диффузия.
Большинство гидрофиль-
ных веществ диффундиру-
ют через мембрану при
помощи транспортных
белков: канальных белков
Рис. 7.16. Обзор: пассивный и активный транс-
порт
Пассивный транспорт. Вещества самопроиз-
вольно диффундируют по градиенту их концен-
трации, проходя через мембрану без каких-ли-
бо затрат энергии со стороны клетки. Скорость
диффузии может быть существенно увеличена с
помощью транспортных белков в мембране
Активный транспорт. Некоторые транспортные
белки работают по принципу насосов, переме-
щая вещества через мембрану против градиента
их концентрации (или электрохимического гра-
диента). Энергия для этого процесса, как прави-
ло, обеспечивается АТФ
] Для каждого из веществ, изображенных в
правой части рисунка, опишите направление его
транспорта и укажите, будет ли он идти по гради-
енту концентрации или против него.
незаряженные
полярные моле-
кулы могут диффун-
(слева) или белков-пере-
носчиков (справа).
дировать через
липидный бислой.
Ионные насосы и мембранный
потенциал
Все клетки имеют напряжение на цитоплазма-
тической мембране. Напряжение — это потенци-
альная энергия электрической природы, возника-
ющая из-за разности зарядов. Между внутренней
и наружной сторонами мембраны любой клетки
всегда существует разность электрических потен-
циалов, возникающая из-за неравномерного рас-
пределения катионов и анионов по поверхности.
Она называется мембранным потенциалом, ве-
личина которого варьирует в пределах от -50 до
-200 милливольт (мВ). (Знак минуса означает, что
внутренняя сторона клеточной мембраны заря-
жена отрицательно по отношению к наружной.)
Мембранный потенциал действует по принци-
пу аккумулятора — источника энергии, который
влияет на движение всех заряженных частиц, про-
ходящих через мембрану. Так как заряд внутри
клетки отрицательный по отношению к внешней
среде, то мембранный потенциал способствует
пассивному транспорту катионов внутрь клетки,
а анионов — из нее. Поэтому направление диффу-
зии ионов через мембрану определяется двумя си-
лами: химической (градиент концентрации ионов)
и электрической (влияние мембранного потенци-
ала на движение ионов). Совокупность сил, дей-
ствующих на ионный поток, называется электро-
химическим градиентом.
Таким образом, в случае ионов, нам нужно
уточнить концепцию пассивного транспорта: ион
диффундирует не просто по своему концентра-
ционному градиенту, но, более точно, по электро-
химическому градиенту. Например, концентрация
Na+ внутри нервной клетки, находящейся в со-
стоянии покоя, гораздо ниже, чем снаружи. При
возбуждении каналы открываются, что облегча-
ет диффузию Na+. Это приводит к тому, что ионы
натрия “падают” по своему электрохимическому
градиенту, который создается за счет концентра-
ционного градиента Na+ и притяжения этих ка-
тионов к отрицательно заряженной (внутренней)
части мембраны.
В этом случае и химическая, и электрическая
составляющая электрохимического градиента
действуют в одном направлении. Однако так бы-
вает не всегда. В некоторых случаях эти две силы
могут быть противоположно направлены относи-
тельно друг друга.
Некоторые мембранные белки, которые ак-
тивно переносят ионы, участвуют в создании
мембранного потенциала.5 Таким примером яв-
ляется натрий-калиевый насос. Обратите внима-
ние, что на рис. 7.15 насос не переносит ионы Na+
и К+, а обменивает три иона натрия, уходящие из
клетки, на два иона калия, приходящие в клетку.
5 Из секреторных гранул р-клеток островков Лангерган-
са. — Примеч. пер.
ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран
195
С каждым “циклом” работы насоса единица по-
ложительного заряда переносится из цитоплаз-
мы во внеклеточную жидкость, в результате чего
происходит накопление энергии в виде напряже-
ния. Такие транспортные белки, которые генери-
руют напряжение на мембране, получили назва-
ние электрогенных насосов. Натрий-калиевый
насос является основным электрогенным насосом
животных клеток. Для клеток растений, грибов и
бактерий основным электрогенным насосом яв-
ляется протонный насос (или протонная пом-
па), который активно выкачивает протоны (ионы
водорода, Н+) из клетки. Это переносит положи-
тельный заряд из цитоплазмы во внеклеточную
жидкость (см. рис. 7.17). Создавая напряжение на
мембране, электрогенные насосы помогают запа-
сать энергию, которая затем может использовать-
ся клеткой для работы.
Рис. 7.17. Протонный насос. Протонные насосы — это элек-
трогенные насосы, которые запасают энергию, создавая по-
тенциал (разницу зарядов) на клеточных мембранах. Протон-
ный насос переносит положительный заряд в форме ионов
водорода. Градиент потенциала и концентрации протонов
водорода (Н*) представляют собой двойной источник энер-
гии, который может стимулировать другие процессы — на-
пример, поглощение питательных веществ. Большинство про-
тонных насосов работают за счет энергии АТФ
Подробнее о роли протонного градиента для
синтеза АТФ в электрон-транспортной цепи мито-
хондрий мы поговорим в главе 9. А теперь перей-
дем к еще одному типу мембранного транспорта,
который называется котранспортом.
Котранспорт: сопряженный транспорт
нескольких веществ посредством
одного белка
Вещества, которые находятся в разных концен-
трациях по две стороны мембраны, могут выпол-
нять работу во время диффузии через мембрану
по градиенту концентрации. Подобно этому зака-
чанная на гору вода осуществляет работу, стекая
вниз. В механизме, который называется котранс-
портом, транспортный белок (котранспортер)
может использовать энергию диффузии одно-
го вещества для активного транспорта второго
против градиента его концентрации. Например,
растительные клетки используют градиент про-
тонов (Н*)> созданный их АТФ-зависимыми про-
тонными помпами, для осуществления активного
транспорта аминокислот, углеводов и некоторых
других питательных веществ в клетку. На рис. 7.18
изображен пример симпорта —- здесь транспорт
сахарозы в клетку объединен с возвращением в
нее протонов, чей локальный электрохимический
градиент был искусственно создан с помощью на-
ходящегося рядом протонного насоса. Этот трюк
часто используется растениями для того, чтобы
закачать полученную путем фотосинтеза сахарозу
внутрь ситовидных трубок листа, по которым она
затем попадет в нефотосинтезирующие ткани, та-
кие как корни.
Рис. 7.18. Котранспорт: активный транспорт, движущей си-
лой которого является градиент концентрации. Белок-пере-
носчик — например Н+-сахарозный котранспортер расти-
тельной клетки (вверху) — может использовать диффузию Н*
в клетку по электрохимическому градиенту для стимуляции
поглощения сахарозы (клеточная стенка не показана). Не-
смотря на то что технически он не является частью процес-
са котранспорта, здесь показан АТФ-зависимый протонный
насос (внизу), который концентрирует протоны водорода (Н+)
на внешней стороне клеточной мембраны. Образующийся в
результате протонный градиент представляет собой потенци-
альную энергию, которая может быть использована для ак-
тивного транспорта веществ — в данном случае сахарозы.
Таким образом, АТФ косвенно предоставляет энергию, необ-
ходимую для осуществления процесса симпорта
Понимание механизмов действия котранс-
портеров в клетках животных помогло найти
эффективный способ лечения диареи, которая
представляет собой серьезную опасность в разви-
вающихся странах. В норме неусвоившиеся ионы
натрия реабсорбируются в кишечнике, и таким
196 Г ЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран
образом поддерживается их баланс. В случае диа-
реи реабсорбция ионов Na+ не успевает проис-
ходить, и их концентрация в организме стреми-
тельно падает. Для облегчения этого опасного
для жизни состояния пациентам обычно назнача-
ют раствор из концентрированного раствора по-
варенной соли с глюкозой. Вместе ионы натрия
и глюкоза усваиваются организмом значительно
лучше, чем по отдельности — это происходит бла-
годаря На7глюкозному котранспортеру, распо-
ложенному в клетках кишечного эпителия. Такое
простое средство значительно снизило уровень
детской смертности по всему миру.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 7.4
1
2.
3.
Ионные насосы отвечают за возникновение электрического
потенциала в мембране нервных клеток. Будут ли эти белки
затрачивать энергию АТФ для своей работы или же, наобо-
рот, запасать? Поясните свой ответ.
Объясните, почему натрий-калиевый насос, изображенный
на рис. 7.15, не является котранспортером ионов Na+ и К+.
Опираясь на материал раз-
дела 6.4 (глава 6), подумайте, какой тип транспортных бел-
ков будет преобладать в мембранах лизосом.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Ответы см. в Приложении А.
7.5. Перемещение крупных частиц
через мембрану осуществляется
с помощью экзо- и эндоцитоза
Вода и низкомолекулярные вещества могут про-
никать в клетку и покидать ее с помощью диффузии
через липидный бислой плазматической мембра-
ны или же с помощью насосов или транспортных
белков. Однако перенос высокомолекулярных со-
единений — белков, полисахаридов или еще бо-
лее крупных частиц — в основном осуществляет-
ся с помощью везикул. Как и в случае активного
транспорта, эти процессы требуют затрат энергии.
Экзоцитоз
Как уже обсуждалось в главе 6, макромолеку-
лы, синтезируемые клеткой, выделяются в окру-
жающую среду благодаря слиянию везикул с плаз-
матической мембраной. Этот процесс называется
экзоцитозом. Отпочковавшись от аппарата Гольд-
жи, везикулы движутся вдоль микротрубочек
цитоскелета в сторону плазматической мембра-
ны, а достигнув — сливаются с ней. Их содержи-
мое при этом высвобождается во внешнюю среду,
(см. рис. 7.9, п. 4).
Многие секреторные клетки используют эк-
зоцитоз для экспорта синтезированных веществ.
Примером экзоцитоза могут служить выброс гор-
мона инсулина в поджелудочной железе6; выброс
нейротрансмиттеров для передачи сигнала меж-
ду нейронами или мышечной клетки. Когда рас-
тения создают клеточные стенки, то белки и угле-
воды доставляются из везикул аппарата Гольджи
наружу с помощью экзоцитоза.
Эндоцитоз
Эндоцитоз представляет собой захват клеткой
вещества из окружающей среды путем образова-
ния плазматической мембраной новых везикул.
Несмотря на то что в процессах эндоцитоза и эк-
зоцитоза участвуют разные белки, эндоцитоз по
сути представляет собой обратный экзоцитоз. На
начальном этапе образуется небольшое впячи-
вание плазматической мембраны, которое затем
увеличивается в размерах и замыкается, образуя
внутриклеточную везикулу, заполненную захва-
ченным веществом. Ниже, в рубрике “Изучаем”
(рис. 7.19), показаны три основных типа эндоцито-
за — фагоцитоз (“поедание” клеткой чего-либо),
пиноцитоз (“питье” клеткой) и рецепторно-опо-
средованный эндоцитоз (считается одним из ва-
риантов пиноцитоза).
Клетки человека используют рецепторно-
опосредованный эндоцитоз, чтобы захватывать
холестерин для синтеза мембран или производ-
ства других стероидов. Холестерин перемеща-
ется по кровяному руслу в виде частиц, которые
называются липопротеинами низкой плотно-
сти (low-density lipoproteins — LDL\ в России обыч-
но используется аббревиатура ЛПНП), которые
представляют собой комплекс липидов и белков.
Липопротеины связываются с ЛПНП-рецептора-
ми на поверхности цитоплазматической мембра-
ны и затем проникают в клетку с помощью эн-
доцитоза. (Таким образом, ЛПНП работают как
лиганды — молекулы, которые специфически свя-
зываются с рецепторным сайтом на другой моле-
куле.) При наследственном заболевании гиперхо-
листеринемии, которое характеризуется высоким
уровнем холестерина в крови, ЛПНП-рецепто-
ры работают неправильно или вовсе отсутству-
ют, и ЛПНП не могут проникать в клетку. Следо-
вательно, уровень холестерина в крови будет все
больше увеличиваться, создавая предпосылки для
6 Из секреторных гранул 0-клеток островков Лангерган-
са. — Примеч. пер.
Г ЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран 197
▼ Рис. 7.19
Изучаем эндоцитоз в животных клетках
Фагоцитоз
ЦИТОПЛАЗМА
При фагоцитозе клетка захватывает
частицу за счет выпячивания своих
псевдоподий, которые окружают ча-
стицу и упаковывают ее в своеобраз-
ный мембранный мешочек — пище-
варительную вакуоль. Частица будет
переварена после того, как пищева-
рительная вакуоль сольется с лизо-
сомой (см рис. 6.13, а).
Пиноцитоз
При пиноцитозе клетка постоянно
“дробит” капли внеклеточной жид-
кости на крошечные везикулы, ко-
торые образуются за счет впячи-
ваний плазматической мембраны.
Таким способом клетка получает
молекулы, находящиеся в этих кап-
лях в растворенном состоянии. По-
скольку в клетку попадают все рас-
творенные вещества, то пиноцитоз
является неспецифическим для
транспортируемых веществ. Во мно-
гих случаях — таких, как описанный
выше, — цитоплазматическая сторо-
на участков плазматической мембра-
ны, формирующих везикулу (пузы-
рек), покрыта щетинистым слоем
белков оболочки; поэтому “ямки” и
образующиеся в результате пузырь-
ки называют “окаймленными”.
Рецепторно-опосредованный
эндоцитоз
Рецепторно-опосредованный эндоци-
тоз — это особая разновидность пин-
оцитоза, позволяющая клетке погло-
щать большое количество специфиче-
ских веществ, включая те, концентра-
ция которых во внеклеточной жид-
кости невелика. В плазматическую
мембрану клетки встроены белки, ре-
цепторные сайты которых экспони-
рованы во внеклеточную жидкость.
Специфические вещества связывают-
ся с этими сайтами, после чего рецеп-
торные белки собираются в окаймлен-
ных ямках, и каждая окаймленная ямка
образует везикулу (пузырек), содержа-
щую связавшиеся молекулы. Обрати-
те внимание, что большинство содер-
жащихся в везикуле молекул является
связанными (фиолетовые треугольни-
ки), но в ней также присутствуют и
другие молекулы (зеленые шарики).
После того как поглощенный материал
выходит из везикулы, освобожденные
рецепторы возвращаются обратно в
клеточную мембрану с помощью этой
же везикулы (не показано).
Амеба, поглощающая бактерию с помо-
щью фагоцитоза (ТЭМ)
Формирование пиноцитозных
везикул (ТЭМ).
Плазматическая Jr Белок
мембрана * ” * оболочки
Вверху:
окаймленная ямка.
s Внизу: образование
К окаймленной
Й везикулы в ходе
33 рецепторно-
опосредованного
эндоцитоза (ТЭМ).
198
развития раннего атеросклероза и формирования
холестериновых отложений на стенках сосудов,
которые могут стать причиной инфаркта.
Помимо транспортировки грузов, везикулы
также ответственны за “ремонт” и обновление
дефектных участков плазматической мембраны.
Несмотря на то, что эндоцитоз и экзоцитоз по-
стоянно осуществляются в большинстве эукари-
отических клеток, количество мембран в сфор-
мировавшихся клетках остается практически
неизменным. Если мембрана увеличивается в ходе
одного процесса, то это обязательно уравновеши-
вается ее уменьшением в ходе другого процесса.
При рассмотрении мембран мы уже не раз
упоминали энергию и клеточную работу. Напри-
мер, вы узнали, что активный транспорт осущест-
вляется за счет АТФ. В следующих трех главах мы
более детально изучим, как клетка использует хи-
мическую энергию для жизни.
1.
2.
3.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 7.5
В процессе роста клетки площадь ее плазматической мем-
браны увеличивается. Какой из этих двух механизмов —
экзо- или эндоцитоз — обеспечивает этот процесс?
На рис. 7.9 найдите и отметьте участок клеточ-
ной мембраны, образовавшийся при слиянии с везикулой.
Поясните свой выбор.
Из главы 6 (раздел 6.7) вы уже
знаете, что животные клетки синтезируют компоненты вне-
клеточного матрикса. Опишите поэтапно их доставку до ме-
ста назначения. Какие транспортные механизмы задейство-
ваны в этом случае?
ИЗОБРАЗИ!
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Ответы см. в Приложении А.
Обзор главы
РАЗДЕЛ 7.1. КЛЕТОЧНАЯ МЕМБРАНА - ЭТО
ЖИДКАЯ МОЗАИКА ИЗ ЛИПИДОВ И БЕЛКОВ
• Согласно “жидкостно-мозаичной” модели, амфи-
патические белки встроены в липидный бислой.
Белки, выполняющие одинаковые функции, могут
располагаться в мембране группами.
• Фосфолипиды и некоторые белки свободно пере-
мещаются в плоскости мембраны. Наличие в мемб-
ране липидов с остатками ненасыщенных жирных
кислот поддерживает текучесть мембраны даже
при относительно низких температурах, а холесте-
рин делает ее структуру устойчивой к перепадам
температуры.
• Интегральные белки прочно встроены в бислой
мембраны, а периферические расположены на ее
поверхности. Функции мембранных белков вклю-
чают в себя транспорт молекул, передачу сигнала,
ферментативный катализ, межклеточное узнавание,
а также адгезию клеток к субстрату. Короткие цепи
сахаров, прикрепленные к белкам (гликопротеи-
ны) и липидам (гликолипиды), располагаются на
внешней стороне плазматической мембраны и от-
вечают за взаимодействие с другими клетками.
• Мембранные белки и липиды синтезируются в эн-
доплазматическом ретикулуме (ЭПР) и подверга-
ются изменениям в аппарате Гольджи. Наружный
и внутренний слои мембраны отличаются друг от
друга по своему молекулярному составу.
| Почему наличие мембран у клеток так важно для
поддержания жизни?
РАЗДЕЛ 7.2. СТРУКТУРА МЕМБРАНЫ
ОБУСЛАВЛИВАЕТ ИЗБИРАТЕЛЬНУЮ
ПРОНИЦАЕМОСТЬ
• Клетке необходимо обмениваться молекулами и
ионами с окружающей средой — этот процесс ре-
гулируется за счет избирательной проницаемо-
сти плазматической мембраны. Гидрофобные мо-
лекулы могут беспрепятственно проходить через
ее липидный матрикс, тогда как транспорт поляр-
ных молекул и ионов требует участия специальных
транспортных белков.
| Как белки аквапорины влияют на проницаемость
клеточной мембраны?
ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран 199
РАЗДЕЛ 7.3. ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ - ЭТО
ДИФФУЗИЯ ВЕЩЕСТВА ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ,
ОСУЩЕСТВЛЯЕМАЯ БЕЗ ЭНЕРГОЗАТРАТ
• Диффузия — спонтанное перемещение вещества по
градиенту концентрации. Вода может диффунди-
ровать через клеточную мембрану (осмос), если во
внешней среде содержание растворенных веществ
выше, чем в цитозоле (гипертонический раствор).
Если же концентрация их там ниже (гипотониче-
ский раствор), то вода, напротив, будет поступать
в клетку. В случае, когда концентрации веществ в
обоих растворах одинаковые (изотонические рас-
творы), осмотического движения воды не проис-
ходит. Для выживания клетке необходимо иметь
систему осморегуляции. Если у клетки нет стенки
(например, у животных и некоторых протистов),
они должны находится в изотонической среде или
иметь приспособления для осморегуляции. Расте-
ния, бактерии, грибы и некоторые протисты имеют
относительно прочную клеточную стенку, поэтому
в гипотонических условиях не лопаются.
• При варианте пассивного транспорта, называе-
мом облегченной диффузией, транспортный белок
ускоряет процесс диффузии воды или других рас-
творов через мембрану по градиенту концентра-
ции. Ионные каналы, некоторые из которых име-
ют воротный механизм, обеспечивают транспорт
ионов через мембрану. Белки-переносчики переме-
щают молекулы за счет изменения своей формы.
Пассивный транспорт:
Облегчённая диффузия
| Что произойдет с клеткой, если ее поместить в ги-
пертонический раствор? Каково будет в этом случае
концентрация свободной (не связанной) воды внутри и
снаружи клетки?
РАЗДЕЛ 7.4. ПРИ АКТИВНОМ ТРАНСПОРТЕ
ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ ПРОТИВ ГРАДИЕНТА
КОНЦЕНТРАЦИИ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ЭНЕРГИЯ
• Для активного транспорта молекул или ионов про-
тив градиента концентрации необходимо затратить
энергию. Белки-насосы, осуществляющие актив-
ный транспорт веществ через мембрану, использу-
ют химическую энергию, высвобождаемую при ги-
дролизе АТФ. Наиболее хорошо изученным из них
является натрий-калиевый насос.
• Для ионов направление их диффузии определяет-
ся совокупностью химического (концентрацией) и
электрического потенциалов, называемой электро-
химическим градиентом. Электрогенные насосы,
такие как протонная помпа, натрий-калиевый на-
сос, при перемещении ионов создают мембранный
потенциал.
• Котранспорт: активный транспорт одного веще-
ства происходит за счет энергии электрохимиче-
ского градиента другого. Белки, осуществляющие
одновременно транспорт двух веществ с разными
градиентами, называют котранспортерами.
Активный транспорт
Q При котранспорте энергия АТФ напрямую не ис-
пользуется. Почему он все-таки считается активным
транспортом?
РАЗДЕЛ 7.5. ПЕРЕМЕЩЕНИЕ КРУПНЫХ
ЧАСТИЦ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ
С ПОМОЩЬЮ ЭКЗО- И ЭНДОЦИТОЗА
• В ходе экзоцитоза транспортные пузырьки (ве-
зикулы) доставляются к плазматической мембра-
не и сливаются с ней, выбрасывая свое содержи-
мое во внешнюю среду. При эндоцитозе молекулы
веществ поглощаются клеткой за счет впячивания
клеточной мембраны и образования везикул. Су-
ществуют три типа эндоцитоза: фагоцитоз, пино-
цитоз и рецепторно-опосредованный эндоцитоз.
| Какой из трех типов эндоцитоза предполагает
участие лигандов? Для чего он нужен клетке?
200 ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Какие различия встречаются в мембранах эукарио-
тических клеток?
а) Фосфолипиды присутствуют далеко не во всех
мембранах.
6) Некоторые белки уникальны для определенного
типа мембран.
в) Лишь немногие мембраны клеток обладают изби-
рательной проницаемостью.
г) Только некоторые мембраны состоят из амфипа-
тичных молекул.
2. Согласно “жидкостно-мозаичной” модели строения
мембраны, белки в ней в основном:
а) распределены равномерным слоем по внутрен-
ней и внешней поверхностям мембраны;
6) ограничены гидрофобным ядром мембраны;
в) встроены в липидный бислой;
г) ориентированы случайным образом без какой-
либо привязки к сторонам мембраны.
3. Какой из нижеперечисленных факторов может по-
высить текучесть мембран?
а) Увеличение доли ненасыщенных фосфолипидов.
б) Увеличение доли насыщенных фосфолипидов.
в) Более низкая температура.
г) Относительно высокое содержание белков в мем-
бране.
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
4. Какой из перечисленных процессов включает в себя
все остальные?
а) Осмос.
б) Диффузия вещества через мембрану.
в) Пассивный транспорт.
г) Транспорт иона по его электрохимическому гра-
диенту.
5. Какое из этих решений увеличило бы приток саха-
розы в растительную клетку в ситуации, описывае-
мой на рис. 7.18?
а) Уменьшение концентрации сахарозы вне клетки.
б) Уменьшение pH внешней среды.
в) Уменьшение pH цитоплазмы.
г) Добавление вещества, повышающего проницае-
мость мембраны для протонов.
6. ШФИ/ЛиП Нарисуйте искусственную клетку, пред-
ставляющую собой мешочек из полупроницаемого
материала, заполненный водным раствором, кото-
рый поместили в стеклянный сосуд с другим раство-
ром, играющим роль внешней среды. Материал, из
которого изготовлен мешочек, проницаем для воды
и моносахаридов, но не проницаем для молекул
сахарозы.
ИЗОБРАЗИ!
а) Отметьте непрерывными стрелками направление
диффузии растворенных веществ (в клетку или
из нее).
б) Каким является внешний раствор по отношению
к содержимому “клетки”: изотоническим, гипо-
тоническим или гипертоническим?
в) Отметьте пунктирной линией направление осмо-
са (если он есть).
г) Что станет с тургором искусственной клетки пос-
ле помещения в “окружающую среду”? Станет ли
она более дряблой, упругой или останется без из-
менений?
д) Какой в итоге будет концентрация веществ в ка-
ждом из растворов — одинаковой или разной?
“Окружающая среда"
0,01 М сахароза
0,01 М глюкоза
0,01 М фруктоза
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
Клеточная мембрана ин-
фузории Paramecium и других обитающих в гипо-
тонической среде простейших ограничивает по-
требление воды. Это происходит потому, что их
мембраны обладает меньшей проницаемостью для
молекул воды, чем мембрана организмов, живущих
в изотоническом окружении. Какие адаптивные
изменения могли бы получить в ходе эволюции
простейшие, которые обитают в соленых озерах?
А в среде с постоянно меняющимся содержанием
солей?
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Чтобы изучить механизм
транспорта сахарозы в растительную клетку, был
проведен следующий эксперимент. Клетки поме-
стили в раствор сахарозы и наблюдали за уровнем
его pH. Концентрация сахарозы в клетках измеря-
лась через равные временные интервалы.
Оказалось, что при повышении кислотности
раствора (снижении уровня pH) уровень сахарозы
в клетках начинал расти.
Опираясь на полученные данные, предложите
гипотезу, которая могла бы объяснить результаты
эксперимента. Как вы думаете, что бы произошло,
если бы после достижения низких значений pH в
раствор добавили ингибитор синтеза АТФ? Пояс-
ните свой ответ.
ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран 201
9. НАУКА, ТЕХНОЛОГИИ И ОБЩЕСТВО
Интенсивное орошение засушливых регионов вы-
зывает засоление почв (при испарении воды веще-
ства, которые были в ней растворены, остаются в
почве). Используя полученные знания о водно-со-
левом обмене в клетках растений, попробуйте объ-
яснить, почему засоление почв может быть опас-
ным для сельскохозяйственных культур.
10. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ "ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ"
Клетка поджелудочной железы человека получа-
ет кислород, а также все необходимые вещества,
включая глюкозу, аминокислоты и холестерин, из
окружающей среды и утилизирует отходы жизнеде-
ятельности в виде углекислого газа. В ответ на гор-
мональный сигнал она начинает выделять пищева-
рительные ферменты, а также контролирует свой
ионный баланс с внешней средой.
С учетом того, что вы теперь знаете о структуре
и функциях клеточных мембран, напишите корот-
кое эссе (100-150 слов), которое бы описывало ме-
ханизмы этих взаимодействий клетки с ее окруже-
нием.
В супермаркетах салат и другую зелень часто об-
рызгивают водой из пульверизатора. Объясните,
как это помогает продуктам дольше выглядеть све-
жими.
Ответы см. в Приложении А.
202 ГЛАВА 7 Структура и функции клеточных мембран
Общее представление
лфаболизме
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
8.5.
Метаболизм живых организмов
трансформирует материю
и энергию согласно законам
термодинамики
Изменение свободной энергии
реакции говорит нам о том,
может ли реакция протекать
самопроизвольно
Молекулы АТФ приводят
в действие клеточные
процессы путем сопряжения
экзергонических и
эндергонических реакций
Ферменты ускоряют
метаболические реакции путем
снижения энергетических
барьеров
Регуляция активности ферментов
помогает контролировать
метаболизм
ТЕМЫ ГЛАВЫ
Рис. 8.1. Что заставляет эти прибрежные волны искриться
вспышками света?
Энергия жизни
Живую клетку можно сравнить с химической фабри-
кой в миниатюре, где тысячи реакций осуществля-
ются в микроскопическом пространстве. Сахара при необ-
ходимости могут превращаться в аминокислоты, которые
затем связываются вместе и образуют белки. И наоборот,
в процессе пищеварения белки расщепляются до ами-
нокислот, которые могут быть преобразованы в сахара.
Многоклеточный организм так устроен, что одни клетки
производят химические продукты, необходимые другим,
находящимся, чаще всего, в другой части организма. Все
эти разнообразные клетки обеспечиваются энергией бла-
годаря клеточному дыханию. Энергия, запасенная в фор-
ме углеводов и других видов “топлива”, высвобождается и
затем используется в различных клеточных процессах. На-
пример, для транспорта растворенных веществ через плаз-
матическую мембрану, о котором мы говорили в главе 7.
Более экзотический пример — волны океана, изобра-
женные на рис. 8.1. Они ярко светятся благодаря динофла-
геллятам. Энергию, запасенную в виде определенных орга-
нических молекул, эти планктонные одноклеточные могут
преобразовывать в свет. Этот процесс называется
биолюминесценцией. Большинство биолюминес-
центных организмов живут в океанах, но неко-
торых из них можно найти и на суше. Например,
эти биолюминесцентные грибы на рисунке ниже.
Биолюминесценция, как и все остальные ме-
таболические процессы, происходящие в клетке,
находится под таким тонким контролем, что по
своей сложности, эффективности и способности
к ответной реакции на любые, даже самые незна-
чительные, изменения, клетка несравнимо пре-
восходит все химические фабрики вместе взя-
тые. В этой главе мы обсудим эту удивительную
сеть обменных процессов, тонко регулируемых и
четко скоординированных между собой, что даст
ключик к пониманию роли потока вещества и
энергии в жизни клетки.
8.1. Метаболизм живых
организмов трансформирует
материю и энергию согласно
законам термодинамики
Совокупность всех химических реакций в ор-
ганизме называется метаболизмом (от грече-
ского metabole — “изменяться”) или обменом ве-
ществ. Это свойство живого, которое может
возникнуть только благодаря согласованному
взаимодействию молекул в организме.
Химия жизни в метаболических путях
Мы можем представить клеточный метабо-
лизм как тонкий узор или дорожную карту тысяч
химических реакций, осуществляемых в клетке
и упорядоченных в виде пересекающихся мета-
болических путей. Метаболический путь начи-
нается со специфической для него молекулы, ко-
торая затем проходит серию преобразований и
в результате превращается в определенный про-
дукт. Каждый шаг этого пути катализируется осо-
быми ферментами:
Фермент 1
Фермент 2
Фермент 3
А ----------- в ----------- С ---------► D
Реакция 1 - *' Реакция 2 Реакция 3
Исходная Продукт
молекула
По аналогии с красным, желтым и зеленым
сигналами светофора, контролирующими авто-
мобильный поток, механизмы, регулирующие ра-
боту ферментов, уравновешивают реакции синте-
за и распада в организме.
Метаболизм упорядочивает потоки вещества
и энергии в клетке. Часть метаболических путей
направлена на извлечение энергии, запасенной
в питательных веществах, с помощью разложе-
ния сложных молекул на простые составляющие.
Эти процессы деградации называются катаболи-
ческими путями, или путями распада. Главным
путем катаболизма является клеточное дыхание,
в котором глюкоза и другое органическое топли-
во разрушаются в присутствии кислорода на угле-
кислый газ (COJ и воду. (Пути могут иметь более
одной исходной молекулы и/или продукта.) Энер-
гия, запасенная в виде органических молекул, ста-
новится доступной, и клетка может расходовать
ее на энергозависимые процессы — например,
на биение ресничек клетки мерцательного эпите-
лия или мембранный транспорт. Анаболические
пути (пути биосинтеза), в противоположность
катаболическим, запасают энергию, строя слож-
ные молекулы из простых. В качестве примеров
можно привести синтез аминокислот из простых
молекул и синтез белков из аминокислот. Катабо-
лические и анаболические пути можно сравнить
с “подъемами” и “спусками” в метаболическом
ландшафте. Энергия, полученная из реакций
“спуска” катаболических путей, может быть запа-
сена и затем использована для реакций “подъема”
анаболических путей.
В этой главе мы сделаем акцент на механизмах
основных метаболических путей. Базовые зна-
ния клеточной энергетики необходимы для пони-
мания работы живой клетки, потому что энергия
имеет фундаментальное значение для всех мета-
болических процессов. Хотя иногда мы будем ис-
пользовать примеры с неживыми предметами для
изучения феномена энергии, идеи, которые они
иллюстрируют, также могут быть отнесены к био-
энергетике — науке об энергетических потоках в
живых организмах.
Формы энергии
Для того чтобы произошли какие-либо из-
менения, нужна энергия. Она необходима в на-
шей жизни для осуществления работы, приводя-
щей в движение материю (вещество) против сил
тяжести и трения. Иными словами, энергия спо-
собна приводить в движение материю. Напри-
мер, вы затрачиваете энергию для того, чтобы чи-
тать эти строки, а ваши клетки тратят энергию
204 ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
для транспорта определенных веществ через
свои мембраны. Энергия представлена в различ-
ных формах, и способность к жизнедеятельности
определяется способностью клеток трансформи-
ровать одну форму энергии в другую.
Энергия может быть использована для пе-
редвижения объекта; такая энергия называется
кинетической. Движение объектов может осу-
ществляться посредством сообщения движения
от одного объекта или вещества — другому. Так,
игрок в бильярд использует движение кия для уда-
ра по шару, который приводит в движение другой
шар; вода, падающая с плотины, вращает турби-
ну; а сокращение мышц ноги осуществляет враще-
ние педалей велосипеда. Тепловая энергия — это
кинетическая энергия, связанная со случайны-
ми движениями атомов или молекул. Тепловая
энергия, переходящая от одного объекта к друго-
му, называется теплотой. Свет тоже несет в себе
энергию, которая может быть использована для
выполнения работы. Именно ее используют зеле-
ные растения при фотосинтезе.
Объект, который в данный момент времени не
движется, также может обладать энергией. Такая
энергия называется потенциальной. Материя об-
ладает этой энергией в силу своей структуры или
расположения. Например, вода, ограниченная
плотиной, обладает запасом энергии из-за того,
что находится выше уровня моря. Молекулы тоже
несут в себе энергию в форме химических связей
между атомами. Химическая энергия — термин,
которым биологи обычно называют потенциаль-
ную энергию, доступную для использования в хи-
мических реакциях. Напомним, что в процессе ка-
таболизма энергия высвобождается в результате
разрушения сложных молекул. Биологи говорят,
что такие молекулы, например глюкоза, облада-
ют высокой химической энергией (являются вы-
сокоэнергетическими). Во время катаболических
реакций одни связи разрушаются, другие форми-
руются, и происходит высвобождение энергии.
Логично, что образуемые в результате таких реак-
ций продукты обладают меньшим ее запасом. По-
хожие процессы происходят в двигателе машины:
углеводороды бензина взаимодействуют с кисло-
родом, при этом высвобождается большое коли-
чество энергии, которая помогает толкать пор-
шень и приводит к появлению выхлопных газов.
Такая реакция происходит и в клетке, хотя, ко-
нечно, с меньшим взрывом: полученные из пищи
молекулы взаимодействуют с кислородом и обе-
спечивают биологическую систему химической
энергией, выделяя отходы — углекислый газ (СО,)
и воду (Н,О). Биохимические пути, осуществляе-
мые в клеточных структурах, дают возможность
клетке использовать химическую энергию пище-
вых молекул для обеспечения процессов своей
жизнедеятельности.
Каким же образом энергия преобразуется из
одной формы в другую? Рассмотрим рис. 8.2.
V ныряльщика потенциальная Прыжок в воду преобра-
энергия в воде выше,
зует потенциальную энер-
чем на платформе.
гию в кинетическую.
При подъёме происходит пре-
вращение кинетической энергии
движения мышц в потенциальную.
У ныряльщика запас
потенциальной энергии
на платформе больше,
чем в воде.
Рис. 8.2. Превращения между потенциальной и кинетической
энергией
Девушка, поднимаясь на платформу для ныря-
ния, затрачивает химическую энергию, получен-
ную из съеденной за обедом пищи, и часть этой
энергии используется для осуществления работы
по подъему тела. Кинетическая энергия мышеч-
ных движений трансформируется в потенциаль-
ную энергию из-за увеличения высоты над уров-
нем воды. Ныряющий же мужчина, наоборот,
преобразует свою потенциальную энергию в ки-
нетическую, которая затем передается воде в мо-
мент погружения. Небольшое количество энергии
теряется в виде тепла из-за трения о воду.
Теперь давайте рассмотрим те исходные орга-
нические молекулы пищи, которые обеспечили
необходимой химической энергией ныряльщика
для подъема по ступенькам. Эта же химическая
энергия была получена зелеными растениями из
энергии света в процессе фотосинтеза. Из этого
примера можно сделать вывод, что любой орга-
низм — это прекрасный преобразователь одних
видов энергии в другие.
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 205
Законы преобразования энергии
Термодинамика — это область науки, изуча-
ющая преобразования энергии в наборе веществ.
Исследуемое вещество принято называть систе-
мой, а то, что находится вокруг системы, обозна-
чают термином среда. Изолированная система не
может обмениваться с окружающей средой ни
энергией, ни материей. В качестве примера можно
привести воду в термосе: хотя эту систему и нельзя
назвать полностью изолированной, она к ней наи-
более приближена. В открытой системе, наоборот,
энергия и материя могут беспрепятственно переме-
щаться между системой и ее окружением. Живые
организмы относятся к открытым системам. Они
поглощают свет или химическую энергию в форме
органических молекул и выделяют тепло и продук-
ты метаболизма, такие как углекислый газ, в окру-
жающую среду. Все преобразования энергии под-
чиняются двум законам термодинамики.
Первый закон термодинамики
Согласно первому закону термодинамики,
энергия постоянна. Другими словами, энергия
может быть перемещена или преобразована, но
не может быть создана или разрушена. Первый
закон также известен как закон (принцип) сохра-
нения энергии. Компании, поставляющие элек-
тричество, не создают энергию, а лишь преоб-
разуют ее в удобную для использования форму.
Преобразуя энергию солнечного света в химиче-
скую энергию, электростанция выступает в каче-
стве энергетического трансформатора, а никак не
создателя энергии.
Бурый медведь на рис. 8.3, а, преобразует хими-
ческую энергию органических молекул пищи в
кинетическую, а также в другие формы энергии,
поддерживая биологические процессы в своем ор-
ганизме.
А что же случается с этой энергией после осу-
ществления работы? Второй закон термодинами-
ки поможет ответить на этот вопрос.
Второй закон термодинамики
Если энергия не может быть разрушена, то по-
чему организмы просто не могут повторно ее ис-
пользовать снова и снова? Оказывается, что во
время каждого акта преобразования или переда-
чи энергии часть ее становится недоступной для
совершения работы. В большинстве энергетиче-
ских преобразований более практичные формы
энергии хотя бы частично, но превращаются в
тепловую энергию и выделяются в виде теплоты.
Только небольшая часть химической энергии, по-
лученной бурым медведем из еды, как на рис. 8.3, а,
идет на его движение (рис. 8.3, б); большая же часть
энергии теряется в виде тепла, которое быстро
рассеивается в окружающей среде.
В результате многочисленных химических
реакций, происходящих в живой клетке, раз-
ные формы энергии неизбежно превращают-
ся в тепло. Система может направить эту энер-
гию на выполнение работы только в том случае,
а) Первый закон термодинамики. Энергия может
быть перенесена или преобразована, но ни-
когда не может быть создана или уничтожена.
Например, химические реакции, происходя-
щие внутри этого бурого медведя приведут к
преобразованию химической (потенциаль-
ной) энергии рыбы в кинетическую энергию
передвижения медведя.
б) Второй закон термодинамики. Каждый случай переноса или преобразования
энергии увеличивает беспорядок (энтропию) вселенной. Например, когда
медведь бежит, то хаос вокруг него возрастает вследствие выделения тепла
и малых молекул—побочных продуктов метаболизма. Бурый медведь может
развивать скорость до 56 км/ч, что сравнимо со скоростью скаковой лошади.
Рис. 8.3. Два закона термодинамики
206 ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
если есть перепад температур, из-за которого те-
пловая энергия будет перемещаться из мест с по-
вышенной температурой в места с пониженной
температурой. Если же температура системы од-
нородна, — как в любом живом организме — то
производимое в результате химических реакций
тепло просто идет на обогрев. (Это может приве-
сти к тому, что в переполненной людьми комнате
станет нестерпимо душно — ведь внутри каждого
человека осуществляется множество химических
реакций!)
Логичным результатом потери полезной энер-
гии в виде выделяющегося в окружающую среду
тепла является то, что каждый перенос или пре-
образование этой энергии делает вселенную более
неупорядоченной. Мерой беспорядка (или хаоса)
считается энтропия. Чем более хаотично распо-
ложение материи, тем больше ее энтропия. Теперь
мы можем сформулировать второй закон тер-
модинамики: каждый перенос или преобразование
энергии ведет к повышению энтропии Вселенной.
Хотя порядок может локально увеличиваться, в
целом же вселенная поддерживает непреодоли-
мую тенденцию к беспорядку.
Во многих случаях возрастание энтропии ве-
дет к физической дезорганизации упорядоченных
структур системы. Например, вы можете наблю-
дать постепенное нарастание энтропии в медлен-
но разрушающихся заброшенных зданиях. Но по
большей части возрастание энтропии вселенной
не столь очевидно, поскольку выражается в виде
увеличения количества тепла и уменьшения чис-
ла организованных форм материи. Когда бегущий
медведь (см. рис. 8.3, б) преобразует химическую
энергию в кинетическую, это сопровождается воз-
растанием хаоса в окружающей его среде, которое
происходит за счет образующегося в данном про-
цессе тепла и простых молекул, например выды-
хаемого СО,.
Идея энтропии помогает нам понять, поче-
му одни процессы энергетически выгодны и могут
идти самопроизвольно, а другие нет. Оказывается,
что если процесс сам по себе приводит к увеличе-
нию энтропии, то он может продолжаться какое-то
время вообще без необходимости затрат допол-
нительной энергии. Такие процессы называются
спонтанными (самопроизвольными). Обратите
внимание, что использование в этом смысле слова
“спонтанный” совсем не означает, что такой про-
цесс будет обязательно начинаться внезапно и идти
стремительно. Скорее это означает, что он являет-
ся энергетически выгодным. (Полезно вспоминать
определение “энергетически выгодный” всякий
раз, когда вы видите в научной литературе термин
“спонтанный”) Некоторые спонтанные процессы,
такие как взрыв, действительно происходят прак-
тически мгновенно, в то время как другие, напри-
мер коррозия автомобиля, идут очень медленно.
Процесс, приводящий к уменьшению энтро-
пии, называется несамопроизвольным. Он может
осуществляться только в том случае, если воз-
можна подача энергии извне. Мы знаем из опыта,
что одни события происходят самопроизвольно, а
другие — нет. Например, поток воды течет с горы
вниз самопроизвольно, но вот движение вверх
может быть осуществимо только с подачей энер-
гии, например, когда насос качает воду против
силы тяжести. Часть энергии неизбежно теряется
в виде тепла, увеличивая энтропию окружающей
среды, так что использование энергии гарантиру-
ет, что даже несамопроизвольные процессы ведут
к увеличению энтропии Вселенной.
Порядок и хаос в биологии
Как и предсказывали законы термодинамики,
живые системы увеличивают энтропию окружа-
ющей их среды. Также верным является то, что
клетки создают упорядоченные структуры из ме-
нее организованных исходных материалов. На-
пример, простые молекулы организуются в бо-
лее сложные структуры, такие как аминокислоты,
которые затем формируют полипептидные цепи.
Организмы в целом могут достигать впечатляю-
щей упорядоченности, несмотря на то, что также
“строятся” из более простых исходных материа-
лов (рис. 8.4).
Это возможно по той причине, что помимо об-
разования упорядоченной структуры, они уча-
ствуют и в “разупорядочивании” материи. На-
пример, животные получают углеводы, белки и
другие сложные молекулы с пищей во время еды.
Затем в катаболических путях происходит раз-
рушение этих молекул, и животные выделяют в
среду углекислый газ и воду — простые молеку-
лы, у которых химической энергии меньше, чем
молекул пищи, в которые они изначально входи-
ли (см. рис. 8.3, б). Истощение химической энергии
объясняется выходом тепла, производимого во
время метаболизма. Если рассматривать биоло-
гические процессы в более широком масштабе, то
энергия поступает в большие экосистемы в виде
света и выделяется в виде тепла (см. рис. 1.10).
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 207
В начале истории жизни сложные организмы
эволюционировали от более простых предков.
В качестве примера мы можем проследить ро-
дословную растительного мира от более простых
организмов — зеленых водорослей — до более
сложных цветковых растений. Однако увеличе-
ние организации в течение долгого времени ни-
коим образом не нарушает второй закон термоди-
намики. Энтропия определенной системы, такой
как организм, действительно может уменьшать-
ся до тех пор, пока увеличивается суммарная эн-
тропия вселенной — система плюс ее окружаю-
щая среда. Таким образом, организмы являются
островками пониженной энтропии во Вселенной,
энтропия которой все более возрастает. А значит,
эволюция организации биологических организ-
мов прекрасно согласуется с законами термоди-
намики.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 8.1
1.
2.
3.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Как второй закон термодина-
мики помогает объяснить диффузию веществ через мембра-
ну (см. рис. 7.10)?
Опишите формы энергии, связанные с яблоком, которое
растет на дереве, затем падает, а потом переваривается
тем, кто его съел.
Если в стакан с водой поместить кусочек
сахара, он через какое-то время полностью растворится.
Если оставить стакан на продолжительное время, то вода в
конце концов испарится и кристаллы сахара появятся сно-
ва. Объясните эти явления с точки зрения энтропии.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
Рис. 8.4. Порядок как харак-
теристика живого. Четкая и
упорядоченная геометриче-
ская структура изображенных
здесь морского ежа и растени-
я-суккулента видна невооруженным
взглядом. Будучи открытыми система-
ми, организмы могут повышать свою упоря-
доченность до тех пор, пока это способствует уменьше-
нию хаоса в их окружении
8.2. Изменение свободной
энергии реакции говорит
нам о том, может ли реакция
протекать самопроизвольно
Мы только что обсудили законы термодина-
мики в отношении Вселенной в целом. Но как
биологам нам хотелось бы понять принцип про-
текания химических реакций, поддерживающих
жизнь. Какие метаболические реакции осуществ-
ляются спонтанно, а для каких необходимо по-
ступление энергии извне? И как мы сможем уз-
нать это для каждой отдельной реакции, без
оценки изменения энергии и энтропии во всей
вселенной?
Изменение свободной энергии, AG
Напомним, что в терминах термодинамики
Вселенная может быть определена как “система
плюс окружающая среда”. В 1878 году Дж. Виллард
Гиббс, профессор Йельского университета, вывел
очень полезную функцию, которую назвали энер-
гией Гиббса, или, по-другому, свободной энергией
системы (без учета ее окружающей среды). В фор-
мулах она обозначается буквой G (по первой букве
фамилии первооткрывателя). В дальнейшем, гово-
ря о свободной энергии Гиббса, мы будем называть
ее просто свободной энергией. Свободная энергия
представляет собой часть энергии системы, кото-
рая может быть использована на выполнение ра-
боты при неизменных давлении и температуре, в
том числе и в живой клетке. Давайте рассмотрим,
как определяется изменение свободной энергии,
возникающее при переходе системы в новое состо-
яние, например в ходе химической реакции.
Изменение свободной энергии химиче-
ской реакции, AG, можно рассчитать с по-
мощью следующего уравнения:
AG = А// - 7AS
Это уравнение использует только
свойства самой системы (реакции): АН
обозначает изменение энтальпии систе-
мы (в биологических системах эквива-
лентна полной энергии); AS — изменение
энтропии системы; и Т — абсолютная темпе-
ратура в Кельвинах (К = С ° + 273).
Таким образом, зная значение AG для процес-
са, мы можем предсказать, будет ли он протекать
спонтанно (т.е. без поступления энергии извне,
208 Г ЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
являясь энергетически выгодным). Более чем в
сотнях экспериментов было показано, что только
процессы с отрицательным AG могут происходить
спонтанно. Для того чтобы AG было отрицатель-
ным, либо АН должно быть отрицательным (си-
стема отдает энергию и Н уменьшается), либо TAS
должно быть положительным (система переста-
ет быть упорядоченной и S возрастает). Если ве-
личины АН и TAS соответствуют этим условиям,
тогда AG имеет отрицательное значение (AG < 0)
и, следовательно, процесс идет самопроизвольно.
Другими словами, каждый спонтанный процесс
уменьшает свободную энергию системы. Из это-
го также следует, что процессы с положительным
значением AG не могут быть спонтанными.
Эта информация чрезвычайно важна для био-
логов, ибо она дает нам возможность предсказать,
какие процессы могут произойти при отсутствии
поступления энергии извне. Такие процессы мо-
гут быть использованы для совершения работы.
Этот принцип очень важен при изучении обмена
веществ, где основная цель — определить, какие
реакции могут поставлять энергию для клеточной
работы.
Свободная энергия, стабильность
и равновесие
В предыдущем разделе мы узнали, что если
процесс происходит спонтанно (самопроизволь-
но), то мы можем быть уверены, что значение
его AG отрицательно. Также надо запомнить, что
AG — это разница между свободной энергией ко-
нечного состояния и свободной энергией началь-
ного состояния:
AG=G -G
конечного состояния начального состояния
Таким образом, AG может быть отрицатель-
ным только тогда, когда процесс осуществляется
с уменьшением свободной энергии при переходе
от начального к конечному состоянию системы.
Именно из-за меньшего количества свободной
энергии система в своем конечном состоянии ме-
нее подвержена изменениям и поэтому более ста-
бильна.
Мы можем рассматривать свободную энергию
как меру нестабильности системы — ее способно-
сти к переходу в более устойчивое состояние. Не-
стабильные системы (с более высоким значени-
ем G) имеют тенденцию к изменению, стремясь к
более стабильному состоянию (с более низким G).
Например, если ныряльщик находится на краю
платформы, то он менее устойчив (вероятность
его падения больше), чем когда он уже плывет в
воде. Капля концентрированного красителя менее
стабильна (т.е. обладает большей способностью к
рассредоточению), чем краситель, случайным об-
разом распределенный по жидкости. Аналогич-
ным образом молекулы глюкозы менее стабильны
(и больше подвержены распаду), чем простые мо-
лекулы, на которые глюкоза может быть разделе-
на (рис. 8.5).
В отсутствие посторонних помех каждая си-
стема будет двигаться к наиболее стабильному со-
стоянию. Ныряльщик прыгает, раствор становит-
ся равномерно окрашенным, а молекулы глюкозы
распадаются на более простые составляющие.
Другой термин, описывающий состояние мак-
симальной стабильности, — равновесие. Мы уже
говорили о нем в главе 2, когда обсуждали хи-
мические реакции. Между свободной энергией и
равновесием, в том числе химическим, существу-
ет важная взаимосвязь. Напомним, что большин-
ство химических реакций являются обратимыми
и стремятся к точке, в которой прямые и обрат-
ные реакции идут с одинаковой скоростью. При
таком состоянии системы (состоянии химическо-
го равновесия) дальнейшего изменения относи-
тельной концентрации продуктов и реагентов не
происходит.
Свободная энергия смеси реагентов и продук-
тов уменьшается, если реакция стремится к со-
стоянию равновесия, и возрастает, если проис-
ходят какие-либо изменения — например, при
удалении некоторых продуктов (и тем самым из-
менении их концентрации по отношению к коли-
честву реагентов). Для системы, находящейся в
состоянии равновесия, значение G является мак-
симально низким. Любое отклонение от равно-
весия будет сопровождаться положительным AG
и, следовательно, не может быть спонтанным. По
этой причине системы никогда самопроизвольно
не выходят из состояния равновесия и не совер-
шают никакой работы. Процесс является самопро-
извольным и может осуществлять работу толь-
ко если он стремится к состоянию равновесия.
Свободная энергия и метаболизм
Теперь мы можем применить идею свободной
энергии к более специфической области — хими-
ческим процессам, протекающим в живых орга-
низмах.
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 209
• Состояние с большей свободной
энергией (более высокое значение G)
• Менее стабильное
• Высокая способность осуществлять
работу
I
В самопроизвольном процессе.
• Свободная энергия системы
снижается (AG < 0)
• Система стремится к стабильности
• Выделившаяся свободная энергия
используется для совершения работы
♦
• Состояние с меньшей свободной
энергией (более низкое значение G)
• Более стабильное
• Меньше способность
осуществлять работу
а) Движение под действием
силы тяжести. Объекты само-
произвольно движутся от более
высокой точки к более низкой.
в) Химическая реакция.
В клетке молекула
глюкозы распадается
на простые молекулы.
б) Диффузия. Молекулы
в капле красителя
диффундируют до тех пор,
пока не окажутся распре-
делены случайным образом.
Рис. 8.5. Взаимосвязь между свободной энергией как мерой стабильности, способностью к осуществлению работы, и самопроиз-
вольными изменениями. Нестабильные системы (вверху) характеризуются высокими значениями свободной энергии G. Они склон-
ны к спонтанным изменениям в сторону более стабильного состояния (внизу), и эта способность к "спуску" приводит к осущест-
влению работы
Сравните перераспределение молекул, показанное на рисунке (б) с транспортом ионов водоро-
да (Н+) через мембрану с помощью протонного насоса, создающим градиент концентрации, как показано на рис. 7.17. Какие про-
цессы ведут к увеличению свободной энергии? Какие системы могут осуществлять работу?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Экзергонические и эндергонические
реакции в реакциях обмена веществ
На основании изменения свободной энергии
химические реакции могут классифицироваться
на экзергонические (выделяющие энергию) и эн-
дергонические (потребляющие энергию) (рис. 8.6).
Экзергонические реакции протекают с чистым
высвобождением свободной энергии (рис. 8.6, а).
Поскольку в данном случае химическая смесь те-
ряет свободную энергию (G уменьшается), то
AG таких реакций отрицательна — они являют-
ся спонтанными и происходят самопроизвольно.
(Помните, что слово “спонтанный” подразуме-
вает “энергетически выгодный” а не “происхо-
дящий внезапно”!) Величина AG для экзергони-
ческих реакций представляет собой наибольшее
количество работы, которую может произве-
сти данная реакция. (Слово “наибольшее” в дан-
ном случае условно, поскольку некоторая часть
свободной энергии выделяется в виде тепла и не
может осуществлять работу. Поэтому AG пред-
ставляет собой теоретический верхний предел до-
ступной энергии.) Чем больше снижается свобод-
ная энергия системы, тем больше объем работы,
который может быть выполнен.
В качестве примера можно привести общее
уравнение клеточного дыхания:
С Н, О + 60, 6СО, + 6Н,О
о 12 о 2 2 2
AG = -686 ккал/моль (-2,870 кДж/моль)
На каждый моль (180 г) глюкозы, расщепив-
шейся в процессе дыхания при “стандартных ус-
ловиях” (1 моль каждого реагента и продукта,
25 °C, pH = 7), приходится 686 ккал (2,870 кДж)
энергии, доступной для осуществления работы.
Поскольку энергия не появляется и не исчезает,
образующиеся в процессе дыхания химические
продукты содержат на 686 ккал меньше свобод-
ной энергии в расчете на моль, чем исходные ре-
агенты. В некотором смысле продукты являют-
ся ’’выхлопом” процесса, который высвобождает
210 Г ЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
а) Экзергоническая реакция: энергия выделяется,
реакция осуществляется самопроизвольно
Вещества,
участвующие
б) Эндергоническая реакция: реакция не осуществляется
самопроизвольно, для этого необходимы затраты энергии
Вещества,
участвующие
в реакции
(реагенты)
Энергия
Продукты
Количество
энергии,
необходимой
для
осуществления
реакции
(AG>0)
Развитие реакции------------------*-
Рис. 8.6. Изменение свободной энергии (AG) в экзергониче-
ских и эндергонических реакциях
ния процесса. Если химический процесс является
экзергоническим (“спуск”), и происходит однона-
правленное высвобождение энергии, то обратный
процесс должен быть эндергоническим (“подъем”)
и требовать энергетических затрат. Обратимый
процесс не может быть “наклонен” в обоих на-
правлениях. Если для процесса дыхания, который
преобразует глюкозу и кислород в углекислый газ
и воду, AG = -686 ккал/моль, то обратный про-
цесс — преобразование углекислого газа и воды в
глюкозу и кислород — должен быть сильно эндер-
гоническим, с AG = +686 ккал/моль. Такая реакция
никогда не произойдет сама по себе.
Как же тогда растения производят углеводы,
которые затем используются другими организ-
мами для получения энергии? Растения получают
необходимую энергию, а именно 686 ккал на моль
глюкозы, из окружающей среды, поглощая свет и
преобразуя его энергию в химическую энергию.
Затем, через длинную цепь экзергонических реак-
ций, они постепенно тратят эту химическую энер-
гию в ходе сборки молекул глюкозы.
Равновесие и метаболизм
Реакции в изолированной системе в конечном
итоге достигают равновесия и не могут затем осу-
ществлять никакой работы. В качестве иллюстра-
ции приведем изолированную гидроэлектриче-
скую систему на рис. 8.7.
свободную энергию, запасенную в химических
связях молекул углеводов.
Важно понимать, что разрыв связей не высво-
бождает энергию, а наоборот, как вы скоро увиди-
те, требует ее затрат. Фраза “энергия, запасенная
в связях” — это упрощенное описание потенци-
альной энергии, которая может высвобождаться
в процессе образования новых связей взамен ра-
зорвавшихся. Это может происходить до тех пор,
пока продукты будут иметь более низкую свобод-
ную энергию, чем исходные вещества.
Эндергонической называется реакция, которая
идет с поглощением свободной энергии из окру-
жающей среды (рис. 8.6, б). Поскольку этот тип ре-
акции по существу запасает свободную энергию в
форме молекул (G увеличивается), то значение AG
положительно. Такие реакции не протекают само-
произвольно, и величина AG определяет количе-
ство энергии, которое требуется для осуществле-
Рис. 8.7. Равновесие и работа в изолированной гидроэлек-
трической системе. Нисходящий поток воды приводит в дви-
жение турбину, которая запускает генератор электричества
для лампочки, но только до тех пор, пока система не достигла
состояния равновесия
Метаболические реакции обратимы. Если их
изолировать в пробирке, они тоже будут стре-
миться к равновесию. Поскольку системы в рав-
новесии обладают минимальной свободной энер-
гией и не могут осуществлять работу, клетка,
достигшая метаболического равновесия, попро-
сту умрет! Тот факт, что метаболизм в целом ни-
когда не находится в состоянии равновесия —
одна из главных характеристик живого.
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 211
Как и большинство систем, живая клетка не
находится в равновесии. Постоянный поток ве-
ществ внутрь клетки и из нее предохраняет ее
метаболические пути от “застывания” в равно-
весном состоянии, поэтому клетка продолжа-
ет выполнять свою работу на протяжении всей
жизни. Этот принцип иллюстрируется на приме-
ре открытой (и более реалистичной) гидроэлек-
трической системы на рис. 8.8, а. Однако в отличие
от этой простой системы, в которой вода течет
вниз и вращает одиночную турбину, катаболиче-
ские пути в клетке выделяют свободную энергию
в целой серии реакций. Примером является кле-
точное дыхание, изображенное на рис. 8.8, б, в виде
аналогии с гидроэлектрической системой.
Некоторые из обратимых реакций дыхания
постоянно “тянутся” в одном направлении и по-
тому далеки от равновесия. Ключ для поддержа-
а) Открытая гидроэлектри-
ческая система. Поток
воды через турбину под-
держивает её вращение
и выработку электриче-
ства. Это происходит
из-за того, что постоян-
ное поступление и отвод
воды не дают системе
прийти в равновесие.
I AG<0 |
I AG<0 I
I
б) Многоступенчатая открытая гидроэлектрическая система.
Клеточное дыхание работает аналогично данной системе.
Глюкоза расщепляется в ходе последовательных экзотермичес-
ких реакций, которые дают клетке энергию для осуществления
жизнедеятельности. Продукт каждой реакции служит реагентом
для следующей, и таким образом, ни одна из реакций не дости-
гает равновесия.
Рис. 8.8. Равновесие и работа в открытых системах
ния такого “нестабильного” состояния в том, что
продукт реакции не накапливается, а становится
реагентом на следующей стадии метаболизма; и,
наконец, конечные продукты реакций выводят-
ся из клетки. Общая последовательность реакций
поддерживается огромной разницей между сво-
водной энергией глюкозы и кислорода в верхней
части энергетической “горы” — и свободной энер-
гией углекислого газа и воды на ее “подножье”.
Пока наши клетки имеют постоянный приток
глюкозы (или других видов топлива) и кислорода,
и, пока они могут выделять продукты реакций в
окружающую среду, их метаболические пути ни-
когда не достигнут равновесия, продолжая рабо-
тать на протяжении всей жизни.
Если взглянуть на общую картину, мы сно-
ва отметим важность того факта, что организ-
мы представляют собой открытые системы. Сол-
нечный свет обеспечивает ежедневный источник
энергии для целой экосистемы растений и других
фотосинтезирующих организмов. Животные и
другие не фотосинтезирующие организмы в эко-
системе должны также иметь источник энергии,
но уже в виде органических продуктов фотосинте-
за. Теперь, расширив идею свободной энергии до
масштабов метаболизма, мы готовы рассмотреть,
как на самом деле клетка осуществляет свою уди-
вительную работу по жизнеобеспечению.
1.
2.
3.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 8.2
. В процессе клеточного дыхания используются глюкоза и
кислород, у которых уровень свободной энергии выше, чем
у углекислого газа и воды. Является ли клеточное дыхание
самопроизвольным процессом? Он эндергонический или
экзергонический? Что происходит с энергией, которая вы-
делилась при расщеплении глюкозы?
. Каким образом процессы катаболизма и анаболизма отно-
сятся к рис. 8.5, в?
Некоторые любители ночных вечеринок
носят светящиеся в темноте украшения. Когда их застеги-
вают, они начинают самопроизвольно светиться, посколь-
ку два химических вещества вступают в реакцию и излучают
свет в виде хемилюминесценции. Какой является эта реак-
ция: экзер- или эндергонической? Поясните свой ответ.
Ответы см. в Приложении А.
А ЧТО, ЕСЛИ?
8.3. Молекулы АТФ приводят
в действие клеточные
процессы путем сопряжения
экзергонических и
эндергонических реакций
Клетка выполняет три основных вида работы.
• Химическая работа: осуществление эндерго-
нических реакций, которые не могут идти са-
мопроизвольно. К ним, например, относится
синтез полимеров из мономеров (химическая
212 ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
работа будет обсуждаться далее в этой главе, а
также главах 9 и 10).
• Транспортная работа: закачка веществ через
мембрану против направления их самопроиз-
вольного движения (см. главу 7).
• Механическая работа: биение ресничек мер-
цательного эпителия (см. главу 6), сокраще-
ние мышечных клеток и движение хромосом в
процессе клеточного деления.
Ключевой особенностью того, как клетка
управляет своими энергетическими ресурсами
для осуществления работы, является сопряжение
энергии — использование экзергонических про-
цессов для обеспечения энергией эндергониче-
ских реакций. АТФ отвечает за многие процессы
сопряжения энергии, и в большинстве случаев он
является непосредственным источником энергии,
запускающим клеточную работу.
Структура и гидролиз молекулы АТФ
АТФ (аденозинтрифосфат) уже упоминался
ранее, когда мы обсуждали фосфатную группу в
качестве функциональной (см. главу 4, раздел 4.3).
АТФ содержит сахар рибозу, соединенную с пури-
новым азотистым основанием — аденином, и тре-
мя фосфатными группами (трифосфатная груп-
па). Помимо своей важной роли в сопряжении
энергии, АТФ также является нуклеозидтрифос-
фатом, который используется для синтеза РНК
(см. рис. 5.24).
Связи между фосфатными группами АТФ мо-
гут быть разрушены путем гидролиза. Когда при
добавлении молекулы воды происходит раз-
рыв последней фосфатной связи, то от АТФ от-
соединяется молекула неорганического фосфа-
та (НОРО^, сокращенно®., на протяжении всей
книги) и АТФ превращается в аденозиндифосфат,
или АДФ (рис. 8.9, б).
Реакция является экзергонической и произ-
водит 7,3 ккал энергии на 1 моль гидролизуемого
АТФ.
АТФ + НЭО -> АДФ + ©i
AG = -7,3 ккал/моль (-30 кДж/моль)
Это изменение свободной энергии, измерен-
ное при стандартных условиях. В клетке же усло-
вия не соответствуют стандартным — в первую
очередь, потому, что концентрация реагентов и
продуктов реакции отличается от 1М. Например,
при гидролизе АТФ внутри клетки фактическая
AG составляет около 13 ккал/моль, что на 78 %
больше, чем энергия, высвободившаяся из реак-
ции гидролиза АТФ при стандартных условиях.
а) Структура АТФ. Большинство гидроксильных групп фос-
фата в клетке находятся в ионизированной форме (-0").
б) Гидролиз АТФ. В результате реакции между АТФ и водой
образуются неорганический фосфат (<Е}) и АДФ, а также
происходит освобождение энергии.
Рис. 8.9. Структура и гидролиз аденозинтрифосфата (АТФ).
На всех рисунках в этой книге химическая структура три-
фосфатной группы (а) будет представлена в виде трех сое-
диненных между собой кругов желтого цвета (б)
Поскольку при гидролизе АТФ происходит
высвобождение энергии, его фосфатные связи
иногда называют высокоэнергетическими, но та-
кой термин обманчив. Фосфатные связи АТФ не
являются какими-то особенно сильными, как мо-
жет показаться из термина “высокоэнергетиче-
ские”, скорее реагенты (АТФ и вода) сами по себе
имеют более высокую энергию, чем продукты
реакции гидролиза (АДФ и Р.). Высвобождение
энергии в процессе гидролиза АТФ происходит
из-за химического изменения системы до состоя-
ния с более низкой свободной энергией, а не из-за
самих фосфатных связей.
АТФ полезен для клетки, поскольку энер-
гия, выделяемая при потере им фосфатной груп-
пы, несколько больше энергии, которую можно
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 213
получить из других молекул. Но как в результа-
те гидролиза может высвобождаться так много
энергии? Если мы еще раз посмотрим на структу-
ру АТФ на рис. 8.9, а, то заметим, что все три фос-
фатные группы имеют отрицательный заряд.
Эти одноименные заряды находятся рядом, и их
взаимное отталкивание вносит свой вклад в не-
стабильность данного участка молекулы АТФ. Та-
ким образом, трифосфатный хвост АТФ является
химическим эквивалентом сжатой пружины.
Как гидролиз АТФ способствует
осуществлению работы
Когда АТФ гидролизуется в пробирке, то
высвобожденная свободная энергия идет только
на нагревание окружающей воды. Для организма
такое выделение тепла тоже иногда полезно. На-
пример, когда мы дрожим от холода, в организме
происходит сокращение мышц, в процессе кото-
рого запускается гидролиз АТФ для того, чтобы
тело нагрелось. Однако в большинстве случаев
выделение клеткой тепла является неэффектив-
ным (даже потенциально опасным!) использова-
нием ценного источника энергии. Вместо это-
го клеточные белки тратят энергию, выделяемую
при гидролизе АТФ, на более полезные вещи —
для выполнения трех типов клеточной работы:
химической, транспортной и механической.
Например, с помощью специфических фер-
ментов клетка способна использовать энергию
АТФ непосредственно для запуска химических
реакций, которые не идут сами по себе, посколь-
ку являются эндергоническими. Если AG эндерго-
нической реакции меньше, чем количество энер-
гии, выделяемой в результате гидролиза АТФ,
то эти два процесса могут быть сопряжены та-
ким образом, чтобы результирующая реакция
была экзергонической. Такие реакции, как пра-
вило, включают в себя фосфорилирование — пе-
ренос фосфатной группы от АТФ на какую-ли-
бо другую молекулу (как правило, на реагент).
Молекула-получатель (реципиент) с ковалентно
связанной фосфатной группой называется фос-
форилированным интермедиатом.' Ключевым
моментом в сопряжении экзергонических и эн-
дергонических реакций является именно образо-
вание фосфорилированного интермедиата, кото-
рый более реакционноспособен (менее стабилен)
по сравнению с исходной не фосфорилированной
молекулой (рис. 8.10).
Транспорт и механическая работа в клетке так-
же почти всегда осуществляются с использова-
нием энергии АТФ. В этих случаях гидролиз АТФ
приводит к изменению формы белка и его спо-
собности связываться с другой молекулой. Ино-
гда это происходит через промежуточный интер-
медиат, как это показано для транспортного белка
на рис. 8.11, а. В большинстве случаев механическая
работа осуществляется при помощи двигательных
белков, “гуляющих” вдоль элементов цитоскелета
(рис. 8.11,6).
Цикл начинается с того, что АТФ нековалент-
но связывается с двигательным белком. Затем
происходит гидролиз, в результате которого об-
разуется АДФ и высвобождается Р. Затем может
присоединиться следующая молекула АТФ. На ка-
ждом этапе двигательный белок изменяет свою
форму и способность связываться с цитоскеле-
том, что приводит к его движению. Фосфорили-
рование и дефосфорилирование отвечают за из-
менение формы белка и во многих других важных
клеточных процессах.
Регенерация АТФ
Для функционирования организму постоянно
нужен АТФ, но, к счастью, он является возобнов-
ляемым ресурсом и может регенерироваться пу-
тем присоединения фосфата к АДФ (рис. 8.12).
Свободная энергия, необходимая для фосфо-
рилирования АДФ, поступает от происходящих
в клетке экзергонических реакций распада (ка-
таболизма). Такое перемещение неорганического
фосфора и энергии называется циклом АТФ — он
сопрягает процессы, выделяющие энергию (экзер-
гонические), с процессами, требующими энерго-
затрат (эндергоническими). Цикл АТФ осущест-
вляется с поразительной скоростью. Например,
активно работающая мышечная клетка тратит
весь свой запас АТФ менее чем за минуту. В этом
цикле задействовано 10 миллионов молекул АТФ,
которые потребляются и восстанавливаются в
клетке за одну секунду. Если бы АТФ не могла ре-
генерировать путем фосфорилирования АДФ,
люди бы ежедневно тратили практически весь
свой вес в виде АТФ.
1 Интермедиатом называют промежуточный продукт ре-
акции. — Примеч. пер.
214 ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
а) Превращение глутаминовой кислоты
в глутамин. Реакция образования
глутамина из глутаминовой кислоты
(Glu) сама по себе является эндо-
термической (AG положительна),
поэтому она не идет самопроиз-
вольно.
Глутаминовая
кислота
nh3
Аммиак
Глутамин
AGG|U = + 3,4 ккал/моль
б) Реакция преобразования сопряжена
с гидролизом АТФ. В клетке синтез
глутамина осуществляется в две
стадии с образованием фосфорили-
рованного промежуточногопродукта.
О АТФ фосфорилирует глутамино-
вую кислоту, делая ее менее ста-
бильной.
0 Аммиак вытесняет фосфатную
группу с образованием глутамина.
кислота
' . Glu + АДФ
пХФж^ЛИР°Ваннь1Й
+ АДФ +
в) Изменение свободной энергии для
сопряженной реакции. Изменение
свободной энергии (AG) реакции
преобразования глутаминовой кис-
лоты в глутамин, +3,4 ккал/моль,
и AG реакции гидролиза АТФ,
-7,3 ккал/моль, в сумме дают измене-
ние свободной энергии для реакции
в целом (-3,9 ккал/моль). Поскольку
процесс является экзотермическим
(суммарная AG реакции имеет отри-
цательное значение), то он протекает
самопроизвольно.
Рис. 8.10. Как АТФ стимулирует химическую работу: передача энергии с использованием гидролиза АТФ В данном примере экзо-
термический процесс гидролиза АТФ используется для запуска эндотермического процесса — клеточного синтеза аминокислоты
глутамина из глутаминовой кислоты и аммиака
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Опираясь но рис. 5.14, объясните, почему глутамин (Gin) изображен в виде глутаминовой кислоты (Glu) с
присоединенной к ней аминогруппой
Перенесённое
растворённое вещество
а) Транспортировка веществ: АТФ фосфорилирует
транспортные белки.
б) Механическая работа: АТФ нековалентно связывается
с движущими белками, а затем гидролизуется.
Рис. 8.11. Почему АТФ является движущей силой для транспорта и механической работы. Гидролиз АТФ приводит к изменению фор-
мы белков и их способности связывать другие молекулы. Это может происходить либо (а) непосредственно в результате фосфо-
рилирования, как показано для мембранного белка, осуществляющего активный транспорт растворенных веществ (см. также
рис. 7.15); либо опосредованно (б), через нековалентное связывание АТФ и продуктов его гидролиза, как в случае двигательных
белков, которые перемещают везикулы (и другие органеллы) вдоль "нитей" цитоскелета в клетке (см. также рис. 6.21)
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 215
Синтез АТФ из АДФ +©,
требует затрат энергии.
Энергия, получен-
ная в результате
катаболизма (экзо-
АДФ+®,
Г идролиз АТФ до АДФ + ©,
идёт с выделением энергии.
Энергия для осущест-
вления клеточной ра-
боты (эндотермических
термических процессов.
в ходе которых происхо-
дит выделение энергии)
процессов, требующих
затраты энергии)
Рис. 8.12. Цикл АТФ. Энергия, освободившаяся в результате
реакций распада (катаболизма) в клетке, используется для
фосфорилирования АДФ, которое приводит к регенерации
АТФ. Химическая потенциальная энергия, запасенная в АТФ,
приводит в действие все основные клеточные процессы
Поскольку оба направления обратимого про-
цесса не могут иметь отрицательную AG, то реге-
нерация АТФ обязательно должна быть эндерго-
нической:
АДФ + ©, + АТФ + Н,О
AG = +7,3 ккал/моль (+30 кДж/моль)
(стандартные условия)
Поскольку образование АТФ из АДФ и ©,
не является спонтанным процессом, то для его
осуществления необходимы затраты свобод-
ной энергии. Катаболические (экзергонические)
пути, особенно клеточное дыхание, предоставля-
ют энергию для эндергонических процессов обра-
зования АТФ. Кроме того, растения используют
энергию света. Таким образом, цикл АТФ можно
сравнить с вращающейся дверью, через которую
проходит энергия в процессе ее переноса от ката-
болических к анаболическим путям.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 8.3
1.
2.
3.
Каким образом АТФ обычно переносит энергию от экзерго-
нических к эндергоническим реакциям в клетке?
Какая из нижеследующих смесей химических веществ име-
ет больше свободной энергии?
Глутаминовая кислота + Аммиак или Глутамин + АДФ + ©,
Объясните свой ответ.
Какой вид транспорта показан
на рис. 8.11, а, пассивный или активный? Ответ объясните
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
(см. главу 7, разделы 7.3 и 7.4).
Ответы см. в Приложении А.
8.4. Ферменты ускоряют
метаболические реакции путем
снижения энергетических
барьеров
Законы термодинамики помогают нам понять,
какие реакции возможны при данных услови-
ях, а какие — нет. Однако они ничего не говорят
о скорости этих процессов. Спонтанная химиче-
ская реакция происходит без какого-либо участия
внешней энергии, но она может идти настолько
медленно, что это незаметно. Например, даже не-
смотря на то, что гидролиз сахарозы (пищевого
сахара) с образованием глюкозы и фруктозы яв-
ляется экзергоническим процессом и идет само-
произвольно с выделением свободной энергии
(AG = -7 ккал/моль), растворение сахарозы в сте-
рильной воде при комнатной температуре будет
идти в течение многих лет без заметных призна-
ков гидролиза. Однако если добавить к раствору
небольшое количество фермента сахаразы, то вся
сахароза может быть гидролизована в течение не-
скольких секунд, как показано ниже:
Сахараза
(инвертаза)
Сахароза
(С^Н^Оц)
Глюкоза
(С6Н12О6)
Фруктоза
(С6Н12О6)
Как же фермент делает это?
Фермент представляет собой макромолеку-
лу, которая работает в качестве катализатора —
химического агента, который ускоряет реакцию,
но сам при этом в ней не участвует. В этой главе
мы сосредоточились на ферментах белковой при-
роды. (В качестве ферментов могут работать и
некоторые молекулы РНК, которые называются
рибозимами; они будут обсуждаться в главах 17
и 25.) Без ферментативной регуляции движение
химических соединений по метаболическим пу-
тям стало бы катастрофически перегруженным,
потому что многие реакции шли бы очень дол-
го. В следующих двух разделах мы узнаем, поче-
му спонтанные реакции могут быть медленными
и как фермент меняет эту ситуацию.
Энергетический барьер активации
Каждая химическая реакция включает в себя
как разрыв связи, так и ее образование. Например,
216 ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
при гидролизе сахарозы сначала происходит раз-
рыв связи между глюкозой и фруктозой и одной
из связей в молекуле воды, а затем образуются
две новые связи, как показано выше. Превраще-
ние одной молекулы в другую обычно происходит
с образованием очень неустойчивого переходно-
го состояния, необходимого для совершения ре-
акции. Это можно сравнить с состоянием кольца
для ключей, который нужно разогнуть для того,
чтобы добавить новый ключ. Будучи открытым,
кольцо находится в крайне нестабильном положе-
нии, но возвращается к стабильному состоянию
после того, как ключ надет на кольцо. Для дости-
жения переходного состояния, в котором могут
происходить изменения химических связей, мо-
лекулы реагентов должны получить энергию из
окружающей среды. При образовании новых свя-
зей в молекулах продуктов энергия высвобожда-
ется в виде тепла, а молекулы переходят в ста-
бильное состояние с более низкой энергией, чем
переходное.
Количество энергии, необходимое для запуска
реакции, — т.е. для перевода молекул реагентов
в состояние, при котором могут быть разорваны
связи — называют свободной энергией активации
или просто энергией активации, которая обозна-
чается как Еа. Мы можем рассматривать энергию
активации как количество энергии, необходимое
для преодоления реагентами энергетического ба-
рьера, “горы”, и начала той части реакции, кото-
рую мы называем “спуском” Энергия активации
часто поставляется в виде теплоты, поглощае-
мой из окружающей среды. Поглощение тепло-
вой энергии приводит к ускорению молекулы ре-
агентов, и они начинают сталкиваться все чаще и
все с большей силой. Кроме того, происходит воз-
буждение атомов в молекулах, что делает разрыв
связей более вероятным. Как только молекулы
поглощают количество энергии, достаточное для
разрыва связей, реагенты переходят в нестабиль-
ное состояние, которое называют переходным со-
стоянием.
На рис. 8.13 показаны изменения энергии в ходе
гипотетической реакции обмена между двумя ре-
агентами:
АБ + ВГ —> АВ + БГ
Реагенты Продукты
Реагенты АБ и ВГ должны поглотить
достаточно энергии из окружаю-
щего пространства для того, чтобы
достичь нестабильного переходного
состояния, где связи могут быть
После того как старые
связи разрушены,
образуются новые
связи, и происходит
выделение энергии
Рис. 8.13. Энергетический профиль экзотермической реак-
ции. Все “молекулы" являются гипотетическими, причем бук-
вами А, Б, В, Г обозначены части этих молекул. С точки зрения
термодинамики эта реакция экзотермическая с отрицатель-
ной энергией Гиббса (AG), из чего следует, что реакция про-
текает самопроизвольно. Однако энергия активации (Еа)
создает барьер, определяющий скорость реакции
ИЗОБРАЗИ!
Изобразите график протекания эндотермиче-
ской реакции, в которой вещества ДЕ и ЖЗ образуют продук-
ты ДЖ и ЕЗ при условии, что вступающие в реакцию вещества
должны пройти через переходное состояние.
Активация реагентов представлена поднимаю-
щейся частью графика, где содержание свободной
энергии возрастает. На вершине, когда количество
поглощенной энергии приближается к значению
энергии активации, реагенты вступают в переход-
ное состояние: они активируются, их связи могут
быть разрушены. Когда атомы затем займут свое
новое, более устойчивое положение, энергия вы-
делится в окружающую среду. Это соответству-
ет опускающейся части кривой, которая отража-
ет потерю свободной энергии молекулами. Общее
уменьшение свободной энергии означает, что Еа
возмещается за счет той энергии, которая выдели-
лась при образовании новых связей. Причем, как
видно из графика, на разрушение старых связей
было израсходовано гораздо меньше энергии.
Реакция, показанная на рис. 8.13, является эк-
зергонической и происходит спонтанно (AG < 0).
Однако энергия активации создает барьер, опре-
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 217
деляющий скорость реакции. Реагенты должны
поглотить достаточно энергии для того, чтобы пе-
ред началом реакции достичь верхнего значения
активационного барьера. Для некоторых реакций
Е настолько низкая, что даже при комнатной тем-
пературе молекулы реагентов получают достаточ-
ное количество тепловой энергии для достижения
переходного состояния. Однако в большинстве
случаев Ел имеет очень высокое значение, поэтому
реагенты преодолевают активационный барьер
настолько редко, что реакция вообще едва ли мо-
жет происходить. В этих случаях реакция будет
осуществляться с заметной скоростью только
если будет получена дополнительная энергия (как
правило, тепловая). Например, реакция бензина
с кислородом является экзергонической и проис-
ходит самопроизвольно, но для того чтобы моле-
кулы достигли переходного состояния и вступи-
ли в реакцию, нужна энергия. Только после того
как искра свечей зажигания в двигателе автомо-
биля приведет к взрывному выделению энергии,
произойдет выталкивание поршня. Если бы этой
искры не было, то смесь углеводородов в бензине
не вступала бы в реакцию с кислородом из-за вы-
сокого барьера активации.
Как ферменты ускоряют реакции
Белки, ДНК и другие сложные клеточные моле-
кулы содержат в себе большое количество свобод-
ной энергии и потому способны самопроизвольно
разрушаться, повинуясь законам термодинамики.
Они сохраняются только потому, что при темпе-
ратурах, свойственных живым клеткам, лишь не-
многие молекулы способны достичь переходного
состояния. Тем не менее для поддержания жиз-
недеятельности клетки активационные барьеры
этих реакций необходимо время от времени пре-
одолевать. Скорость реакций распада макромоле-
кул могла бы увеличить высокая температура, по-
зволяя им чаще достигать переходного состояния,
однако для клетки такие условия в течение долго-
го времени стали бы губительными. Во-первых,
высокая температура приводит к денатурации
белков, что попросту убило бы клетку на струк-
турном уровне. Во-вторых, тепло ускоряет все ре-
акции, а не только те, которые необходимы клетке.
Поэтому для ускорения реакций вместо тепла ор-
ганизм использует катализ.
Ферменты катализируют реакции, снижая их
активационный барьер (рис. 8.14) и позволяя мо-
лекулам реагентов поглотить достаточно энергии
для достижения переходного состояния даже при
умеренных температурах, о чем мы скоро погово-
рим. Ферменты не способны ни изменить AG ре-
акции, ни превратить эндергоническую реакцию
в экзергоническую. Они могут лишь ускорить те
процессы, которые и так в конечном счете прои-
зошли бы. Однако они позволяют сделать клеточ-
ный метаболизм более динамичным, мягко на-
правляя транспорт веществ по метаболическим
путям. К тому же ферменты очень специфичны к
катализируемым реакциям, поэтому именно они
определяют, какие именно химические процес-
сы будут происходить в клетке в каждый момент
времени.
На рис. 8.14 показано влияние фермента на энер-
гию активации. Никак не касаясь изменения сво-
бодной энергии (AG) реакции, фермент ускоряет
ее, снижая энергию активации (EJ.
Ео в присутствии
Армента
снижается
AG не зависит
от фермента
Продукты
Ход реакции----►
Рис. 8.14. Влияние фермента на энергию активации. Не вли-
яя на изменение свободной энергии (&G) реакции, фермент
ускоряет ее ход, снижая энергию активации
Субстратная специфичность
ферментов
Реагент, на который действует фермент, на-
зывается субстратом фермента. Фермент свя-
зывается с субстратом (или субстратами, когда
есть два или больше реагента), формируя фер-
мент-су бстратный комплекс. В то время, пока
фермент и субстрат связаны, каталитическое дей-
ствие фермента преобразует субстрат в продукт
(или продукты) реакции. Полный процесс в итоге
может выглядеть следующим образом:
Фермент + Фермент- Фермент +
субстрат(ы) субстратный продукт(ы)
комплекс
218 ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
Например, фермент сахараза (большинство
ферментов заканчиваются на -аза) катализирует
гидролиз дисахарида сахарозы на два моносаха-
рида: глюкозу и фруктозу:
Сахараза + Комплекс Сахараза +
Сахароза + Сахараза- Глюкоза +
Н,0 сахароза-Н,О Фруктоза
Катализируемые ферментами реакции очень
специфичны; фермент может узнать специфиче-
ский субстрат даже среди близкородственных
субстратов. Например, сахараза будет действовать
только на сахарозу и не будет связывать другие ди-
сахариды, например мальтозу. Как объяснить та-
кое молекулярное распознавание? Напомним,
что большинство ферментов являются белками,
т.е. макромолекулами с уникальной трехмерной
структурой. Специфичность фермента определя-
ется его формой, которая, в свою очередь, явля-
ется следствием его аминокислотной последова-
тельности.
Из всей молекулы белка с субстратом связы-
вается только ограниченная область. Этот уча-
сток называется активным центром и обычно
выглядит как карман (или канавка) на поверхно-
сти фермента, в котором и осуществляется ка-
тализ (рис. 8.15, а). Обычно активный центр об-
разован только несколькими аминокислотами
в составе фермента, остальная же часть белка
определяет его форму. Специфичность фермента
объясняется еще и тем, что форма его активно-
го центра дополнительно подгоняется под форму
субстрата.
Фермент не обладает жесткой структурой со
строго закрепленной формой. Недавние работы
биохимиков ясно показали, что ферменты (а так-
же другие белки) выглядят так, будто “танцуют”,
меняя форму; каждая форма находится в дина-
мическом равновесии, слегка различаясь в значе-
ниях свободной энергии. Формы, которые лучше
всего подходят к субстрату, не всегда имеют са-
мую низкую энергию, но в течение очень коротко-
го времени, за которое фермент приобретает та-
кую форму, его активный центр может связаться с
субстратом. Уже более 50 лет известно, что актив-
ный центр сам по себе также не является жесткой
структурой для субстрата. Как только субстрат за-
ходит в активный центр, фермент незначительно
изменяет свою форму из-за взаимодействий меж-
ду химическими группами субстрата и химиче-
скими группами на боковых цепях аминокислот,
образующих активный центр. Такое изменение
формы активного центра приводит к тому, что он
еще плотнее обхватывает субстрат (рис. 8.15, б). Про-
цесс схож с рукопожатием, когда связывание меж-
ду ферментом и субстратом становится крепче,
чем при изначальном контакте. Это так называе-
мое индуцированное соответствие, при котором
химические группы активного центра принимают
такое положение, которое увеличивает их способ-
ность к катализу химической реакции.
а) В этой модели фермента гексокиназы
(изображена голубым цветом) активный
центр образует бороздку на поверхности
белка. Субстратом фермента является
глюкоза (показана красным).
б) Когда субстрат входит в активный центр, он фор-
мирует слабые связи с ферментом, вызывая из-
менение формы белка. Это изменение позволяет
образовать дополнительные слабые связи. В ре-
зультате активный центр как бы обхватывает суб-
страт, удерживая его на месте.
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 219
Катализ в активном центре фермента
В большинстве ферментативных реакций суб-
страт удерживается в активном центре с помо-
щью так называемых слабых взаимодействий, та-
ких как водородные и ионные связи. R-группы
(R — радикальные) некоторых аминокислот, со-
ставляющих активный центр, каталитически пре-
образуют субстрат в продукт, который затем ухо-
дит из активного центра. После этого свободный
фермент может принять следующую молекулу
субстрата в свой активный центр. Полный цикл
идет настолько быстро, что одна молекула фер-
мента, как правило, может прореагировать с ты-
сячами молекул субстрата за секунду, а некоторые
ферменты и того быстрее! Ферменты, как и дру-
гие катализаторы, выходят из реакции в своем
первоначальном виде. Таким образом, даже очень
малые количества фермента могут вносить в ме-
таболизм огромный вклад, снова и снова работая
в каталитических циклах. На рис. 8.16 показан ката-
литический цикл, в который входят два субстрата
и два продукта.
Большинство метаболических реакций явля-
ются обратимыми, и фермент может катализиро-
вать любую, прямую или обратную, реакцию в за-
висимости от того, в каком направлении значение
AG будет отрицательным. Это, в свою очередь, за-
висит главным образом от относительных кон-
центраций реагентов и продуктов. Конечный эф-
фект всегда стремится в сторону равновесия.
Чтобы снизить энергию активации и ускорить
ход реакции, ферменты используют множество
различных механизмов (рис. 8.16, шаг 3).
• Если в реакцию вступают два или более реа-
гента, то активный центр предоставляет плат-
форму для соединения субстратов в правиль-
ной ориентации, подходящей для протекания
реакции между ними.
• Когда субстрат захватывается активным цен-
тром, как клещами, то фермент может растяги-
вать молекулы субстрата, заставляя их перей-
ти в переходное состояние — при этом связи,
которые должны быть разрушены в процессе
реакции, изгибаются, и в них возникает на-
пряжение. Поскольку энергия активации про-
порциональна сложности разрыва связей, то
искривление субстрата помогает ему достиг-
нуть переходного состояния и, таким образом,
снижает количество свободной энергии, кото-
рое он должен поглотить для достижения это-
го состояния.
О Субстраты входят в активный 0 Субстраты удержива-
центр; фермент меняет свою ются в активном центре
форму так, что его активный слабыми взаимодействия-
центр обхватывает субстрат ми, такими как ионные и
(индуцированное соответствие). водородные связи.
комплекс
0 Активный
центр досту-
пен для двух
новых молекул
субстрата.
Фермент
О Продукты
высвобождаются.
Продукты
0 Субстраты
преобразуются
в продукты.
Рис. 8.16. Активный центр и каталитический цикл фермента.
Фермент может преобразовывать одну или более молекул
реагента в одну или более молекул продукта. Показанный на
рисунке фермент превращает две молекулы субстрата в две
молекулы продукта
Фермент-субстратный комплекс проходит через
переходное состояние (см. рис. 8.13) Отметьте ту часть цикла, в
которой существует переходное состояние.
ИЗОБРАЗИ!
• Активный центр может также обеспечивать
более благоприятное микроокружение для
того или иного типа реакции, чем просто рас-
твор без фермента. Например, если в состав
активного центра входят аминокислоты с кис-
лотными R-группами, то активный центр мо-
жет быть единственным островком с низким
значением pH в нейтральной клетке. В таких
случаях кислая аминокислота может облег-
чить передачу Н+ субстрату, что является клю-
чевым этапом ускорения реакции.
• Входящие в состав активного центра амино-
кислоты принимают непосредственное уча-
стие в химической реакции. Иногда этот про-
цесс даже включает в себя образование крат-
ковременных ковалентных связей между суб-
стратом и боковой цепью аминокислоты, вхо-
дящей в состав фермента. В ходе последующих
стадий реакции боковые цепи возвращаются
к своему первоначальному состоянию, так что
220 ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
активный центр после завершения реакции
остается таким же, как и был до нее.
Скорость, с которой конкретное количество
фермента преобразует субстрат в продукт, ча-
стично зависит от начальной концентрации суб-
страта. Чем больше свободных молекул субстра-
та, тем чаще они оказываются доступными для
активных центров молекул фермента. Однако
существует предел того, как быстро реакция мо-
жет быть ускорена за счет добавления новых мо-
лекул субстрата при фиксированной концентра-
ции фермента. В какой-то момент концентрация
субстрата будет настолько высокой, что активные
центры всех молекул фермента окажутся заня-
тыми. Как только продукт выходит из активного
центра, другая молекула субстрата тут же зани-
мает ее место. При такой концентрации субстра-
та фермент называется насыщенным, а скорость
реакции зависит от скорости, с которой актив-
ный центр преобразует субстрат в продукт. Когда
фермент насыщен, единственным способом уве-
личения скорости образования продукта являет-
ся увеличение концентрации фермента. Клетки
часто увеличивают скорость реакции, синтези-
руя новые молекулы фермента. Во врезке “Разви-
ваем исследовательские навыки” вы сможете изо-
бразить весь процесс ферментативной реакции в
виде графика.
Влияние локальных условий
на активность ферментов
Активность фермента (то, насколько эффек-
тивно он функционирует) зависит от общих фак-
торов окружающей среды, таких как температура
и pH. Помимо этого, она может также зависеть от
химических веществ, которые влияют на фермент
специфически. Используя такие вещества, ученые
смогли узнать о работе ферментов очень многое.
Влияние температуры и pH
Как мы узнали из главы 5, трехмерные струк-
туры белков чувствительны к окружению. Вслед-
ствие этого каждый фермент в каких-то условиях
работает лучше, чем в других, поскольку эти оп-
тимальные условия способствуют образованию
наиболее активной формы фермента.
Температура и pH являются факторами окру-
жающей среды, которые играют важную роль в
активности фермента. До определенного момен-
та скорость ферментативной реакции возраста-
ет с увеличением температуры отчасти потому,
что чем быстрее скорость движения молекул, тем
чаще субстрат сталкивается с активным центром.
Однако если температура поднимется выше кри-
тического значения, то скорость ферментативной
реакции резко падает. Тепловое возбуждение мо-
лекулы фермента приводит к разрушению водо-
родных и ионных связей, а также других слабых
взаимодействий, стабилизирующих активную
форму фермента, и молекула белка в конечном
счете денатурирует. Каждый фермент имеет опти-
мальную температуру, при которой скорость ка-
тализируемой им реакции максимальна. Не при-
водя к денатурации фермента, такая температура
обеспечивает наибольшее число столкновений
молекул и быстрое преобразование реагентов в
продукты. Для большинства ферментов челове-
ка оптимальная температура составляет 35-40°С
(что примерно равно температуре человеческого
тела). А у термофильных бактерий, живущих в го-
рячих источниках, есть ферменты, оптимальная
температура работы которых составляет 70°С и
выше (рис. 8.17, а).
Температура, оптимальная Температура, оптимальная
для типичного фермента для фермента термофильных
(теплоустойчивых)
бактерий (77°С)
а) Оптимальная температура для двух ферментов
--------Т------Г-
60 80 100 120
Температура (°C)
Рис. 8.17. Факторы окружающей среды, влияющие на фер-
ментативную активность. Каждый фермент имеет оптималь-
ную (а) температуру и (б) значение pH, которые поддержива-
ют молекулу белка в его наиболее активной форме
Принимая во внимание го, что зрелая лизосома
имеет внутренний pH * 45, нарисуйте, как бы располагалась на
рисунке (б) кривая, которая с вашей точки зрения соответствует
белку лизосом и отметьте оптимальное для него значение pH.
ИЗОБРАЗИ!
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 221
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Постройте рафик
линейной зависимости а рассчитайте
сю наклон
Изменяется ли со временем скорость работы глюкозо-6-фос-
фатазы в изолированных клетках печени? Глюкозо-6-фосфатаза,
обнаруженная в клетках печени млекопитающих, является клю-
чевым ферментом, контролирующим уровень глюкозы в крови.
Этот фермент катализирует распад глюкозо-6-фосфата на глю-
козу и неорганический фосфат ((₽}), которые затем транспор-
тируются из клеток печени в кровь, повышая уровень глюкозы в
крови. В этом упражнении вам предстоит построить график на
основе данных эксперимента по измерению концентрации© в
буфере, в котором находились изолированные клетки печени, с
течением времени. Так можно косвенно определить активность
глюкозо-6-фосфатазы внутри клеток.
Проведение эксперимента. Изолированные клетки печени кры-
сы поместили в чашку с буфером, имитирующим физиологиче-
ские условия (pH = 7,4; 37°С). Затем в ту же чашку добавили глю-
козо-6-фосфат (субстрат), который поглощался клетками. После
этого каждые пять минут отбирали образец буфера и измеряли в
нем концентрацию©.
Полученные экспериментальные данные
Время (мин) Концентрация ©., мкмоль/мл
0 0
5 10
10 90
15 180
20 270
25 330
30 355
35 355
40 355
Анализ данных
Построение графиков по данным, полученным в результате вре-
менного эксперимента, помогает выявить в них закономерности.
Сначала определите, какой набор данных будет отложен на
каждой из осей графика, а) Какой параметр исследователи
варьировали в эксперименте? Это независимая переменная,
которую мы отложим по оси X. б) В каких единицах (сокращен-
но) измеряется независимая переменная? Устно поясните, что
означает эта единица измерения, в) Что измеряли исследовате-
ли? Это зависимая переменная, которую мы отложим по оси У.
г) Что означают единицы измерения для зависимой переменной?
Обозначьте каждую ось, включая единицы измерения.
Теперь вам нужно разметить каждую ось так, чтобы на них помес-
тились все имеющиеся данные. Определите диапазон значений
данных для каждой оси. а) Какое максимальное значение вам
нужно отложить по оси X? Отталкиваясь от этого, определите оп-
тимальное расстояние между отметками и решите, какая из них
должна быть самой большой, б) Какое максимальное значение
вам нужно отложить по оси У? Каково оптимальное расстояние
между отметками и какая из них будет самой большой?
Отложите на графике точки, соответствующие вашим данным.
Совместите каждое значение по оси X с соответствующим зна-
чением по оси У и отметьте точкой на графике. Проведите линию,
соединяющую все точки.
Проверьте ваш график и найдите закономерности в данных,
а) Равномерно ли возрастает концентрация ©( на протяжении
всего эксперимента? Чтобы ответить на этот вопрос, опишите
зависимость, которую вы видите на графике, б) Какая часть гра-
фика отражает наибольшую скорость работы фермента? Пом-
ните, что уровень ферментативной активности напрямую связан с
наклоном прямой, Ьу/hx (в мкмоль/мл-мин), причем самый силь-
ный наклон отражает максимальный уровень ферментативной
активности. Рассчитайте скорость работы фермента (наклон) в
том месте, где график наиболее крутой, в) Можете ли вы дать био-
логическое объяснение наблюдаемой зависимости?
Если вы пропустили обед и уровень сахара в вашей крови пони-
зился, то какая реакция будет протекать в клетках вашей печени
(мы обсуждали ее в этом упражнении)? Напишите название этой
реакции, а над стрелкой напишите название осуществляюще-
го ее фермента. Как эта реакция повлияет на уровень сахара
в крови?
Источник данных: S. R. Commerford et al.,
Diets enriched in sucrose or fat increase
gluconeogenesis and G-6-Pase but not
basal glucose production in rats, American
Journal of Physiology—Endocrinology and
Metabolism 283:E545-E555 (2002).
222 ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
Поскольку каждый фермент имеет опти-
мальную температуру, неудивительно, что так-
же есть и значение pH, при котором он являет-
ся наиболее активным. Оптимальные значения
pH для большинства ферментов находятся в ди-
апазоне pH = 6-8, но есть и исключения. Напри-
мер, пепсин — пищеварительный фермент в же-
лудке человека, лучше всего работает при pH = 2.
В столь кислой среде денатурируют большин-
ство ферментов, но пепсин приспособился со-
хранять свою трехмерную структуру в кислой
среде желудка. В отличие от пепсина другой пи-
щеварительный фермент, трипсин, действующий
в щелочной среде кишечника, имеет оптимальное
значение pH = 8, а в желудке он бы денатурировал
(рис. 8.17, б).
Кофакторы
Для того, чтобы осуществлять каталитиче-
скую активность, многим ферментам нужны не-
белковые помощники. Эти помощники, которые
называются кофакторами, могут быть тесно свя-
заны с ферментом в качестве “постоянных жите-
лей” или же могут слабо и обратимо связываться
с субстратом. Часть кофакторов представлена не-
органическими молекулами. Это, например, ионы
цинка, железа и меди. Если же кофактор являет-
ся органической молекулой, то он называется ко-
ферментом. Большинство витаминов играют
важную роль в питании, потому что они действу-
ют либо как коферменты, либо как исходный ма-
терил для синтеза коферментов.
Ингибиторы
Некоторые химические вещества селектив-
но подавляют (ингибируют) действие определен-
ных ферментов.2 Иногда ингибитор присоединя-
ется к ферменту с помощью ковалентных связей,
и в этом случае ингибирование обычно необра-
тимо. Однако многие ингибиторы связываются с
ферментом посредством слабых взаимодействий,
и в таком случае ингибирование обратимо. Не-
которые обратимые ингибиторы по своей струк-
туре напоминают молекулу субстрата и поэто-
му конкурируют за активный центр (см. рис. 8.18, а
и б). Такие имитаторы, называемые конкурент-
ными ингибиторами, блокируют доступ субстра-
та к активному центру и тем самым приводят к
снижению производительности ферментов. Этот
вид ингибирования можно преодолеть путем
2 От лат. inhibere — “задерживать”. — Примеч. пер.
увеличения концентрации субстрата, благодаря
чему у субстрата будет больше возможности за-
нять активный центр. Эта возможность будет тем
выше, чем больше разница между концентрация-
ми субстрата и ингибитора, соперничающими за
активный центр.
6) Конкурентное ингибирование
Конкурентный
ингибитор имитирует
субстрат, конкурируя
за активный центр.
Конкурентный
ингибитор
в) Неконкурентное ингибирование
Неконкурентный ингибитор
связывается с ферментом
в области, отдалённой от
активного центра. При этом
форма фермента изменя-
ется таким образом, что
даже если субстрат смо-
жет с ним связаться, актив-
ный центр будет функциони-
ровать менее эффективно,
если вообще будет.
Неконкурентный
ингибитор
Рис. 8.18. Ингибирование активности фермента
При неконкурентном ингибировании, в про-
тивоположность конкурентному, не происходит
соперничества ингибитора с субстратом за связы-
вание с активным центром напрямую (рис. 8.18, в).
Вместо этого он препятствует прохождению фер-
ментативной реакции, связываясь с другой ча-
стью фермента. Такое взаимодействие приводит
к тому, что молекула фермента меняет свою фор-
му таким образом, что активный центр больше не
в состоянии эффективно катализировать превра-
щение субстрата в продукт.
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 223
ЭВОЛЮЦИЯ
Токсины и яды чаще всего необратимо ингиби-
руют ферменты. В качестве примера можно приве-
сти нервно-паралитический газ зарин. Зарин был
использован террористами в токийском метро в
1995 году, послужив причиной множественных
травм и смертей людей. Эта маленькая молекула
ковалентно связывается с R-группой аминокисло-
ты серина, которая находится в активном центре
ацетилхолинэстеразы, важного фермента нерв-
ной системы. Другими примерами могут быть пе-
стициды ДДТ и паратион — ингибиторы ключевых
ферментов нервной системы. Наконец, большин-
ство антибиотиков являются ингибиторами специ-
фических ферментов бактерий. Например, пе-
нициллин блокирует активный центр фермента,
который используется большинством бактерий
для создания клеточной стенки.
Эволюция ферментов
К настоящему времени биохимики
обнаружили и назвали более 4000 различных
ферментов у разных видов, но, скорее всего, это
лишь очень небольшая часть из тех, что суще-
ствуют в природе. Как же возникло столь гран-
диозное разнообразие ферментов? Напомним,
что большинство ферментов являются белками, а
белки кодируются генами. В каждом гене посто-
янно происходят изменения, мутации, которые
могут привести к синтезу белка с одной или не-
сколькими измененными аминокислотами. В слу-
чае фермента измененные аминокислоты могут
находиться в активном центре или в каком-ли-
бо другом важном участке, в результате чего фер-
мент может приобрести новую активность или
начать связываться с другим субстратом. В усло-
виях окружающей среды новые функции полез-
ны для организма, и естественный отбор идет в
сторону мутантной формы гена, в результате чего
она сохраняется в популяции. Это упрощенная
модель, как правило, принимается в качестве ос-
новного пути, по которому за последние несколь-
ко миллиардов лет истории жизни смогло возник-
нуть множество различных ферментов.
В пользу этой модели говорят и данные, кото-
рые были получены исследователями а лаборатор-
ных условиях с помощью эксперимента, имитиру-
ющего эволюцию в природных популяциях. Они
проверили, действительно ли функция фермента
(в данном эксперименте — ^-галактозидазы) мо-
жет меняться с течением времени в популяциях
бактерий Escherichia coli (Е. coli). ^-галактозидаза
разлагает дисахарид лактозу на простые сахара
глюкозу и галактозу. Используя молекулярные ме-
тоды, исследователи ввели в гены Е. coli случай-
ные мутации, а затем проверили способность этих
бактерий разрушать несколько иной дисахарид
(вместо галактозы он имеет сахар фукозу). В кон-
це эксперимента “эволюционировавший” фермент
связывался с новым субстратом в несколько сотен
раз сильнее и работал в 10-20 раз быстрее, чем ис-
ходный фермент.
Исследователи обнаружили, что в ходе экспе-
римента произошло изменение шести аминокис-
лот фермента. Две из них находились в активном
центре, еще две рядом с ним, и две располагались
на поверхности белка (рис. 8.19).
Активный центр
Две измененные аминокислоты
оказались расположенными вблизи
активного центра.
Две измененные аминокислоты
оказались расположенными
в активном центре.
Две измененные амино-
кислоты оказались
расположенными
на поверхности.
Рис. 8.19. Имитация эволюции фермента с новой функцией.
После семи раундов мутагенеза и селекции в лабораторных
условиях фермент р-галактозидаза эволюционировал в фер-
мент, специализирующийся на разрушении сахара, отлич-
ного от лактозы. На этой ленточной модели показана одна
субъединица измененного фермента; шесть аминокислот от-
личались от исходных
Этот и другие подобные эксперименты дока-
зали утверждение о том, что изменения в соста-
ве аминокислот действительно могут изменить
функцию фермента.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 8.4
1. Большинство самопроизвольных реакций протекают очень
медленно. Почему же они не идут моментально?
2. Почему фермент действует только на высокоспецифичный
для него субстрат?
224 Г ЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
3.
4.
А ЧТО, ЕСЛИ?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Малонат является ингибитором фермента
сукцинатдегидрогеназы. Как вы считаете, малонат является
конкурентным или неконкурентным ингибитором?
| Какие природные условия мо-
гут привести к естественному отбору в пользу бактерии, у
которой есть ферменты, разрушающие фукозосодержа-
щий дисахарид (это вещество обсуждалось выше)? Обсуж-
дение естественного отбора см. в главе 1, раздел 1.2.
Ответы см. в Приложении А.
8.5. Регуляция активности
ферментов помогает
контролировать метаболизм
Только представьте, какой наступил бы хими-
ческий хаос, если бы все метаболические пути
клетки вдруг заработали одновременно. Неотъ-
емлемой характеристикой жизненных процессов
является способность клетки к точной регуляции
метаболических путей и того, когда и где долж-
ны быть включены участвующие в них ферменты.
Клетка делает это либо путем включения и выклю-
чения генов, кодирующих специфические фермен-
ты, либо регулируя активность уже существую-
щих ферментов — об этом мы сейчас и поговорим.
Аллостерическая регуляция ферментов
В большинстве случаев молекулы, естествен-
ным образом регулирующие активность фермен-
тов в клетке, ведут себя подобно обратимым не-
конкурентным ингибиторам (см. рис. 8.18, в): эти
регуляторные молекулы меняют форму фермен-
та и функционирование ее активного центра, не-
ковалентно связываясь с любым другим участком
на молекуле. Термин аллостерическая регуляция
используют, когда функция белка в одном месте
изменяется за счет связывания регуляторной мо-
лекулы с центром, расположенным совсем в дру-
гом месте.3 Это может привести либо к ингибиро-
ванию, либо к стимуляции работы фермента.
Аллостерическая активация и ингибирование
Большинство ферментов, подверженных ал-
лостерической регуляции, состоят из двух или
более субъединиц, каждая из которых представ-
ляет собой полипептидную цепь с собственным
активным центром. Итоговый комплекс колеблет-
ся между двумя формами, одна из которых име-
ет каталитическую активность, а другая — нет
3 Аллостерический — от греч. alios — “другой” и stereos —
“пространство”. — Примеч. ред.
(рис. 8.20, а). В простейшем варианте аллостериче-
ской регуляции активирующая или ингибирующая
регуляторная молекула связывается с регулятор-
ным центром (иногда называемым аллостериче-
ским центром), часто находящемся в месте стыка
субъединиц. Связывание активатора с регуля-
торным центром стабилизирует активную форму
фермента, в то время как связывание ингибито-
ра заставляет его принять неактивную конформа-
цию. Субъединицы аллостерического фермента
соединены друг с другом таким образом, что изме-
нение пространственной формы (конформации)
одной субъединицы передается всем остальным.
Благодаря такому типу взаимодействия субъеди-
ниц, всего одна активирующая или ингибирую-
щая молекула, которая связывается с одним регу-
ляторным центром, может повлиять на активные
центры всех субъединиц.
Колебания концентрации регуляторов может
привести к замысловатым формам ответа клеточ-
ных ферментов. Продукты гидролиза АТФ (АДФ
и (Р)(), например, играют сложную роль в балан-
се между путями синтеза и распада, благодаря их
воздействию на ключевые ферменты. АТФ связы-
вается с несколькими аллостерически-регулиру-
емыми ферментами распада, снижая их сродство
к субстрату и тем самым ингибируя их актив-
ность. При этом АДФ работает как активатор тех
же ферментов. Это логично, поскольку в процессе
катаболизма происходит регенерация АТФ. Если
производство АТФ отстает от его использования,
происходит накопление АДФ, который активи-
рует ферменты, ускоряющие катаболизм, и при-
водит к еще большему производству АТФ. Если
поставка АТФ превышает спрос на него, то ката-
болизм замедляется, молекулы АТФ накаплива-
ются и связываются с теми же ферментами, толь-
ко уже ингибируя их. (Вы увидите конкретные
примеры этого типа регуляции, изучая клеточное
дыхание — см. главу 9.) АТФ, АДФ и другие свя-
занные с ними молекулы влияют и на ключевые
ферменты анаболизма. Таким образом, аллосте-
рически-регулируемые ферменты контролируют
скорости важнейших реакций обоих видов мета-
болических путей.
В другом типе аллостерической активации мо-
лекула субстрата, связанная с активным центром
одной из субъединиц в мультисубъединичном
ферменте, вызывает изменение формы всех субъ-
единиц, тем самым увеличивая каталитическую
активность других активных центров (рис. 8.20, б).
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 225
а) Аллостерические активаторы и ингибиторы
Аллостерический
фермент, состоящий
из четырех субъединиц
Аллостерический активатор
стабилизирует активную форму.
Активная форма
Стабилизированная
активная форма
Переход из одной
формы в другую
(осцилляция)
Аллостерический ингибитор
стабилизирует неактивную
Неактивная форма
Стабилизированная
неактивная форма
При низких концентрациях активаторы и ингибиторы диссо-
циируют от фермента. Фермент затем может снова пере-
ходить из одной формы в другую.
б) Кооперативность: другой тип аллостерической активации
Связывание одной молекулы субстрата с активным
центром одной из субъединиц фиксирует все
остальные субъединицы в активной конформации
Неактивная форма Стабилизированная
активная форма
Неактивная форма, показанная слева, постоянно переходит
в активную форму и обратно—до тех пор, пока активная
форма окажется стабилизированной субстратом.
Рис. 8.20. Аллостерическая регуляция ферментативной
активности
Такой механизм называется кооперативным.
Он усиливает реакцию ферментов на субстраты:
одна молекула субстрата запускает способность
фермента связывать последующие молекулы суб-
страта с большей готовностью. Кооперативность
считается разновидностью аллостерической регу-
ляции, поскольку связывание субстрата с одним
из активных центров влияет на каталитическую
активность в другом активном центре.
Хотя гемоглобин и не является ферментом (он
является переносчиком кислорода), именно клас-
сические исследования гемоглобина помогли объ-
яснить принцип кооперативности. Гемоглобин со-
стоит из четырех субъединиц, каждая из которых
имеет сайт связывания с кислородом (см. рис. 5.18).
Присоединение молекулы кислорода к одному из
сайтов повышает сродство к кислороду осталь-
ных сайтов связывания. Таким образом, в местах
с высокой концентрацией кислорода — напри-
мер, в легких или жабрах, сродство гемоглобина к
кислороду возрастает по мере заполнения сайтов
связывания. Однако в бедных кислородом тканях
высвобождение каждой молекулы кислорода при-
водит к снижению сродства к нему других сайтов
связывания, в результате чего кислород выделяет-
ся там, где он больше всего необходим. Аналогич-
ным образом принцип кооперативности работа-
ет и для других изученных мультисубъединичных
ферментов.
Ингибирование по принципу
обратной связи
Когда АТФ аллостерически ингибирует фер-
мент, работающий в пути его синтеза, то происхо-
дит ингибирование по принципу обратной связи.
Это очень распространенный способ метаболиче-
ского контроля. В случае ингибирования по прин-
ципу обратной связи работа метаболического
пути останавливается из-за ингибиторного свя-
зывания его конечного продукта с ферментом,
осуществляющего превращение на ранних этапах
данного пути. На рис. 8.21 показан пример ингиби-
рования по принципу обратной связи, использу-
ющийся в анаболических путях.
Этот пятиступенчатый путь используется не-
которыми клетками организма для синтеза ами-
нокислоты изолейцина из другой аминокисло-
ты — треонина. По мере накопления изолейцина
скорость его синтеза начинает замедляться в ре-
зультате аллостерического ингибирования фер-
мента, отвечающего за первый этап пути. Таким
образом ингибирование по принципу обрат-
ной связи предотвращает избыточный синтез
изолейцина и истощение химических ресурсов
клетки.
226 Г ЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
Исходный
субстрат
(треонин)
Активный центр
доступен;
реакции могут
осуществляться
используе-
мый клеткой
Фермент 1
(треонинде'
заминаза)
Интермедиат А
(промежуточное
соединение)
Треонин
активном
центре
находятся в растворе в составе мембран эукари-
отических органелл, каждый в своей внутренней
химической среде. Например, в эукариотических
клетках ферменты, осуществляющие реакции кле-
точного дыхания, находятся в определенных ме-
стах внутри митохондрий (рис. 8.22).
Ингибирование
по принципу
обратной связи
Фермент 2
Интермедиат В
Фермент 3
Изолейцин
связывается
с аллосте-
Активный центр
фермента 1
больше не спосо-
Интермедиат С
рическим бен катализировать
центром. преобразование
треонина в интерме-
диат А (промежу-
точное соединение);
путь обрывается.
Фермент 4
Интермедиат D
Фермент 5
Конечный
продукт
(изолейцин)
Рис. 8.21. Ингибирование синтеза изолейцина по принципу
обратной связи
Локализация ферментоЕ з клетке
Клетка — не просто “сумка” с химическими
веществами и тысячами различных видов фер-
ментов и субстратов, соединенных друг с другом
случайным образом. Как мы знаем, она состоит
из разных компартментов, а клеточные структу-
ры помогают создать определенный порядок в ме-
таболических путях. В некоторых случаях группа
ферментов, осуществляющих последовательные
этапы метаболического пути, собирается в муль-
тиферментный комплекс. Такое устройство об-
легчает осуществление цепи реакций: продукт,
полученный первым ферментом, становится суб-
стратом для соседнего фермента в комплексе, и
так далее, пока не будет синтезирован послед-
ний продукт. Некоторые ферменты и ферментные
комплексы располагаются фиксировано в опреде-
ленных местах клетки и действуют как структур-
ные компоненты определенных мембран. Другие
матриксе содержатся
растворённые ферменты,
которые вовлечены в один из
этапов клеточного дыхания.
Ферменты для другого
этапа клеточного дыхания
встроены во внутреннюю
мембрану.
Рис. 8.22. Органеллы и структурная организация в процессе
обмена веществ. Такие органеллы, как митохондрии (ТЭМ),
содержат ферменты, которые осуществляют специфические
функции — в данном случае, клеточное дыхание
В этой главе вы узнали, что обмен веществ —
это пересекающийся комплекс химических путей,
скоординированное взаимодействие тысяч раз-
личных видов клеточных молекул, что является
особенностью живого. В главе 9 мы рассмотрим
клеточное дыхание — основной катаболический
путь, в котором происходит распад органических
молекул и высвобождение энергии, которая мо-
жет быть использована для важнейших процессов
жизнедеятельности клетки.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 8.5
1. Каким образом активатор и ингибитор вызывают различные
эффекты при аллостерической регуляции фермента?
2. Регуляция синтеза изолейцина является примером ингиби-
рования анаболических путей по принципу обратной связи.
Имея это в виду, предположите, как АТФ может быть вовле-
чен в ингибирование катаболических путей тем же образом.
Ответы см. в Приложении А.
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 227
Обзор главы
8.1. МЕТАБОЛИЗМ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
ТРАНСФОРМИРУЕТ МАТЕРИЮ И ЭНЕРГИЮ
СОГЛАСНО ЗАКОНАМ ТЕРМОДИНАМИКИ
• Метаболизм (обмен веществ) — это совокуп-
ность химических реакций, протекающих в ор-
ганизме. Ферменты катализируют реакции в пе-
ресекающихся метаболических путях, которые
могут быть катаболическими (разрушают моле-
кулы и высвобождают энергию) или анаболиче-
скими (осуществляют синтез молекул и потребля-
ют энергию).
• Энергия способна вызывать изменения; некоторые
формы энергии осуществляют работу по движению
материи. Кинетическая энергия связана с движе-
нием и включает в себя тепловую энергию, кото-
рая является следствием случайных движений ато-
мов или молекул. Теплота — это тепловая энергия,
передающаяся от одного объекта другому. Потен-
циальная энергия связана с расположением или
структурой материи и включает в себя химическую
энергию, которой обладают молекулы благодаря
своей структуре.
• Первый закон термодинамики, или закон сохране-
ния энергии, гласит, что энергия не может быть соз-
дана или разрушена, а только преобразована или
перемещена. Второй закон термодинамики гла-
сит, что спонтанные процессы — те, что не требу-
ют поступления энергии извне, повышают энтро-
пию (неупорядоченность) Вселенной.
Е/! Объясните, каким образом возрастание организа-
ции (упорядоченности) структуры клетки может не
нарушать второй закон термодинамики.
8.2. ИЗМЕНЕНИЕ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ РЕАКЦИИ
ГОВОРИТ НАМ О ТОМ, МОЖЕТ ЛИ РЕАКЦИЯ
ПРОТЕКАТЬ САМОПРОИЗВОЛЬНО
• Свободная энергия живой системы — эта та энер-
гия, которая может осуществлять работу внут-
ри клеток. Изменение свободной энергии (AG)
в биологических процессах напрямую связано
с изменением энтальпии (АН) и энтропии (AS):
AG = АН - TAS. Организмы живут, расходуя сво-
бодную энергию. Спонтанные процессы осущест-
вляются без поступления энергии извне; во время
осуществления таких процессов свободная энергия
уменьшается и стабильность системы возрастает.
Максимально стабильное состояние системы — это
состояние равновесия, при котором система не мо-
жет осуществлять работу.
• В экзергонических (спонтанных) химических ре-
акциях свободная энергия продуктов меньше, чем
у реагентов (-AG). Эндергонические (не самопро-
извольные) реакции требуют поступления допол-
нительной энергии (+AG). Добавление исходных
реагентов и удаление конечных продуктов предот-
вращает достижение состояния равновесия.
| Объясните значение каждого компонента в уравне-
нии изменения свободной энергии спонтанной химиче-
ской реакции. Почему спонтанные реакции важны для
метаболизма клетки?
8.3. МОЛЕКУЛЫ АТФ ПРИВОДЯТ В ДЕЙСТВИЕ
КЛЕТОЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПУТЕМ СОПРЯЖЕНИЯ
ЭКЗЕРГОНИЧЕСКИХ И ЭНДЕРГОНИЧЕСКИХ
РЕАКЦИЙ
• АТФ является переносчиком энергии в клетке. Ги-
дролиз его фосфатных групп приводит к выделе-
нию АДФ и (Р) (неорганического фосфата), а также
свободной энергии.
• За счет сопряжения энергии экзергонический про-
цесс гидролиза АТФ обеспечивает возможность
протекания эндергонических реакций, перенося
фосфатную группу на реагент и образуя фосфори-
лированный интермедиат (промежуточный про-
дукт), обладающий большей реакционной спо-
собностью. Гидролиз АТФ (иногда сопряженный
с фосфорилированием белка) также может приво-
дить к изменению формы и связывающей способ-
ности транспортных и двигательных белков.
• Катаболические пути обеспечивают регенерацию
АТФ из АДФ + (Р)
I Опишите цикл АТФ. Как клетка использует и ре-
генерирует АТФ?
8.4. ФЕРМЕНТЫ УСКОРЯЮТ МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ
РЕАКЦИИ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
БАРЬЕРОВ
• В химической реакции энергия, необходимая для
разрушения связей в реагентах, называется энерги-
ей активации Еа.
• Ферменты снижают энергетический барьер:
228 ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
Свободная энергия
aG не зависит
от фермента
Ео в присутствии
фермента
снижается
Продукты
Ход реакции---->>
• Каждый фермент имеет уникальный активный
центр, который связывает один или несколько суб-
стратов — реагентов, на которые он действует. За-
тем он изменяет свою конформацию, связываясь с
субстратом более тесно (индуцированное взаимо-
действие).
• Активный центр фермента может снижать Ед за
счет правильной ориентации субстратов, напря-
жения связей в них, создания наиболее предпочти-
тельного микроокружения или даже ковалентного
связывания с субстратом.
• Каждый фермент имеет оптимальную температу-
ру и значение pH. Ингибиторы снижают работо-
способность фермента. Конкурентный ингибитор
связывается с активным центром, в то время как
неконкурентный ингибитор связывается с другим
местом в структуре фермента.
• Естественный отбор, направленный на организмы
с различными вариантами ферментов, отвечает за
разнообразие ферментов в организмах.
Каким образом активационные барьеры и фермен-
ты помогают поддерживать структурный и метабо-
лический порядок жизни?
8.5. РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ
ПОМОГАЕТ КОНТРОЛИРОВАТЬ МЕТАБОЛИЗМ
• Большинство ферментов подвержено аллостери-
ческой регуляции-, регуляторные молекулы — ак-
тиваторы или ингибиторы, связываются со специ-
фическим регуляторным центром, влияя на форму
и функции фермента. В случае кооперативности
связывание одной молекулы субстрата может сти-
мулировать ее связывание с другими активными
центрами или их активность. При ингибировании
по принципу обратной связи конечный продукт
метаболического пути аллостерически ингибирует
фермент, работающий на каком-то из предыдущих
этапов этого пути.
• Некоторые ферменты объединены в мультифер-
ментные комплексы, некоторые из которых встрое-
ны в мембрану, а другие содержатся внутри органелл,
повышая тем самым эффективность метаболических
процессов.
□ Какова роль аллостерической регуляции в ингибиро-
вании по типу обратной связи в метаболизме клетки?
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
Уровень 1: усвоение знаний
1. Выберите пару терминов, которые правильно про-
должают данное предложение: “Катаболизм со-
относится с анаболизмом, как и
а) экзергонический и спонтанный процессы
б) экзергонический и эндергонический процессы
в) свободная энергия и энтропия
г) работа и энергия
2. Большинство клеток не могут использовать тепло-
ту для осуществления работы потому, что
а) теплота не может вызывать преобразование
энергии
б) клетки не могут накапливать много тепловой
энергии; они относительно холодные.
в) температура обычно равномерно распределена
по всей клетке
г) теплота не может быть использована для выпол-
нения работы
3. Какой из следующих метаболических процессов
может идти без поступления энергии из других
процессов?
а) АДФ +©. АТФ + Н,О
б) С6Н12О6 + 6О2 6СО, + 6Н,О
в) бсо? + бн2о -> с6н12Ь6 + 60,
г) Нуклеиновая кислота Белок
4. Когда находящийся в растворе фермент насыщен
субстратом, то наиболее эффективным способом
ускорить получение продукта реакции будет:
а) добавить больше фермента
б) нагреть раствор до 90°С
в) добавить больше субстрата
г) добавить неконкурентный ингибитор
5. Некоторые бактерии метаболически активны в го-
рячих источниках, потому что:
а) они могут поддерживать низкий уровень вну-
тренней температуры
б) высокие температуры делают ненужным катализ
в) их ферменты имеют высокий уровень оптималь-
ных температур
г) их ферменты полностью нечувствительны к тем-
пературе
ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме 229
Уровень 2: применение знаний
6. Что произойдет, если фермент добавить в раствор,
где субстрат и продукт находятся в равновесии?
а) будет образован дополнительный субстрат
б) реакция изменится с эндергонической на экзер-
гоническую
в) изменится свободная энергия системы
г) ничего, реакция останется в состоянии равно-
весия
Уровень 3: обобщение и анализ
ИЗОБРАЗИ!
реакций метаболического пути, который описы-
вается следующими положениями. Затем ответьте
на вопрос в конце. Используйте красные стрелки и
значок минуса для обозначения ингибирования.
L может образовывать либо М, либо N
М может образовывать О
О может образовывать либо Р, либо R
Р может образовывать Q
R может образовывать S
О ингибирует реакцию образования М из L
Q ингибирует реакцию образования Р из О
S ингибирует реакцию образования R из О
Какая реакция может преобладать если и Q, и S были
доставлены в клетку в больших концентрациях?
L-> М
М >О
L->N
О->Р
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
дившейся антиэволюционной теории “разумного
замысла”, биохимические пути слишком сложны,
чтобы развиться путем эволюции, потому что для
производства конечного продукта необходимо на-
личие всех промежуточных этапов данного пути.
В чем можно не согласиться с этим аргументом? Как
для поддержки вашей точки зрения можно исполь-
зовать тот факт, что разнообразные метаболиче-
ские пути могут производить одинаковые или схо-
жие продукты?
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ИЗОБРАЗИ! |
лиза активности важного фермента, присутству-
ющего в культуре клеток печени. Он добавляет
субстрат фермента на чашку с клетками, а затем из-
меряет количество продуктов реакции. Результаты
изображаются графически, как количество продук-
та по оси Y, зависящее от времени на оси абсцисс X.
Исследователь отмечает четыре секции на графике.
За короткий период времени в начала опыта про-
дукты еще не появляются (раздел А). Потом (раз-
дел Б) скорость реакции возрастает (крутой наклон
линии). Затем реакция постепенно замедляет-
ся (раздел В). Наконец, линия становится плоской
(раздел Г). Нарисуйте и отметьте все, что необхо-
димо, на графике, а также предложите модель для
объяснения молекулярных событий, происходящих
на каждом этапе этой реакционной профиль.
10. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ”
Жизнь требует энергии. В коротком эссе (100-150
слов) опишите основные принципы биоэнергети-
ки в животной клетке. Как поток и преобразование
энергии различается в фотосинтезирующей клетке?
Включите в обсуждение роль АТФ и ферментов.
Объясните, что происходит на этой фотографии с
точки зрения кинетической и потенциальной энер-
гии. Включите в объяснение энергетические пре-
образования, которые происходят, когда пингвины
едят рыбу и взбираются обратно вверх по леднику.
Опишите роль АТФ и ферментов в основных моле-
кулярных процессах, а также обратите внимание на
то, что происходит со свободной энергией некото-
рых молекул, участвующих в этих процессах.
Ответы см. в Приложении А.
230 ГЛАВА 8 Общее представление о метаболизме
научного J
ТЕМЫ ГЛАВЫ
9.1.
9.2.
9.3.
9.4.
9.5.
Катаболические пути ведут
к образованию энергии за
счет окисления органических
субстратов
В гликолизе химическая энергия
запасается при окислении
глюкозы до пирувата
За окислением пирувата
следует цикл трикарбоновых
кислот, которым завершается
окисление органических
соединений, идущее с
высвобождением энергии
В процессе окислительного
фосфорилирования хемиосмос
сопрягает перенос электронов
с синтезом АТФ
Брожение и анаэробное
дыхание позволяют клеткам
синтезировать АТФ при
отсутствии кислорода
Энергия жизни
ивым клеткам необходимо постоянное поступление
энергии из внешней среды, чтобы функционировать.
Энергия необходима, например, для построения полиме-
ров, переноса веществ через мембраны, движения и раз-
множения. Жираф на рис. 9.1 получает энергию для своих
клеток, поедая листву, некоторые животные получают ее,
поедая других, а те, в свою очередь, питаются растениями.
Солнце является первоисточником энергии, запасен-
ной в органических молекулах пищи. Энергия поступа-
ет в экосистему в форме солнечного света и покидает ее в
виде тепла, тогда как необходимые для жизни химические
элементы находятся в круговоротном движении (рис. 9.2).
В процессе фотосинтеза образуется кислород и органиче-
ские вещества, которые затем используются в митохондри-
ях эукариот (включая растения и водоросли) в качестве то-
плива для клеточного дыхания. Дыхание расщепляет это
топливо, производя АТФ. Отходы такого типа дыхания —
углекислый газ и вода — служат сырьем для фотосинтеза.
В этой главе мы рассмотрим, как клетки извлекают
энергию химических связей, запасенную в органических
молекулах, и используют ее для производства
АТФ — молекулы, которая опосредует большую
часть жизнедеятельности клетки. После того как
мы обсудим основы клеточного дыхания, мы
сконцентрируемся на трех основных его путях:
гликолизе, цикле трикарбоновых кислот (Кребса)
и окислительном фосфорилировании. И, завер-
шая главу, кратко остановимся на брожении —
несколько более простом пути энергодобычи,
сопряженным с гликолизом, который имеет глу-
бокие эволюционные корни.
АТФ обеспечивает
функционирование
большинства
клеточных процессов
Тепловая
энергия
Рис. 9.2. Поток энергии и круговорот веществ в экосистемах.
Энергия входит в экосистему в виде солнечного света и поки-
дает ее в виде тепла, тогда как необходимые для жизни хими-
ческие элементы совершают круговорот
9.1. Катаболические пути ведут
к образованию энергии за счет
окисления органических
субстратов
Катаболические пути высвобождают энергию,
запасенную в химических связях молекул, разру-
шая их (см. главу 8). Ключевую роль в этих пу-
тях играет перенос электронов. В этом разделе мы
рассмотрим процессы, лежащие в основе клеточ-
ного дыхания.
Катаболические пути
и производство АТФ
Органические вещества несут в себе потен-
циальную энергию, заключенную в связях меж-
ду атомами. Топливом могут служить соедине-
ния, способные вступать в реакции с выделением
энергии. С помощью ферментов клетка посто-
янно разлагает сложные органические молеку-
лы, богатые потенциальной энергией, до простых
продуктов обмена с низкой энергией. Часть энер-
гии, извлеченной при разрыве химических свя-
зей, может использоваться для выполнения рабо-
ты, остаток же рассеивается в виде тепла.
Брожение — это один из катаболических про-
цессов, представляющий собой частичную де-
градацию сахаров или других органических суб-
стратов без использования кислорода. Однако
наиболее эффективным катаболическим путем
является аэробное дыхание, в ходе которого, на-
ряду с органическими молекулами, в качестве
реагента используется кислород.1 К аэробному
дыханию способны клетки большинства эукари-
отических и многих прокариотических организ-
мов. Некоторые прокариоты вместо кислорода
используют другие вещества в схожих процессах
получения химической энергии; такой процесс
называется анаэробным дыханием (префикс ап
значит “без”). Формально термин клеточное ды-
хание включает как аэробные, так и анаэробные
процессы. Однако он возник как синоним аэроб-
ного дыхания из-за связи этого процесса с дыха-
нием целого организма, в ходе которого животное
вдыхает кислород. Таким образом, термин кле-
точное дыхание часто относится именно к аэроб-
ным процессам, и в таком значении он и будет ис-
пользован в этом разделе.
Несмотря на огромные различия в механиз-
мах, аэробное дыхание, по сути, очень напоми-
нает сгорание бензина в двигателе автомобиля,
когда кислород реагирует с топливом (углеводо-
родами). Пища представляет собой топливо для
дыхания, а выхлопом в этом случае являются
углекислый газ и вода. Этот процесс можно пред-
ставить следующим образом:
Органические + Кислород —> Углекислый + Вода + Энергия
вещества газ
1 Слово “аэробный” происходит от греческих слов аег —
“воздух” и bios — “жизнь”. — Примеч. ред.
232 Г ЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
В этой главе мы обсудим, что в качестве то-
плива могут быть использованы находящиеся в
пище молекулы углеводов, жиров и белков. Од-
ним из основных источников углеводов в пище
животных является крахмал — запасающий по-
лисахарид, который может быть расщеплен до
мономеров глюкозы (СбН12О(). В этой главе мы
рассмотрим этапы клеточного дыхания на приме-
ре распада молекулы сахара глюкозы:
ОНО + 60,-» 6СО, + 6Н_О +
о 12 о 2 2 2
+ Энергия (АТФ + теплота)
Распад глюкозы является экзергоническим
процессом и сопровождается высвобождением
энергии в количестве -686 ккал (2,870 кДж) на
моль глюкозы (AG = -686 ккал/моль). Вспомните:
отрицательная AG означает, что продукты хими-
ческой реакции содержат меньше энергии, чем ре-
агенты, и такая реакция будет протекать самопро-
извольно, иначе говоря, без потребления энергии.
Катаболические пути не приводят жгутики в
движение, не переносят вещества через мембра-
ну, не полимеризуют мономеры и не выполняют
никаких других клеточных функций напрямую.
Катаболизм связан с совершением работы через
химическую рессору — АТФ (см. главу 8). Для
выполнения своих функция клетка должна вос-
полнять запас АТФ за счет АДФ и (Р) (см. рис. 8.12).
Чтобы понять, как этому способствует клеточное
дыхание, давайте рассмотрим такие фундамен-
тальные химические процессы, как окисление и
восстановление.
Окислительно-восстановительные
реакции
Каким же образом катаболические пути раз-
ложения глюкозы и других органических веществ
создают энергию? Ответ заключается в переносе
электронов в ходе химических реакций. Перенос
электронов высвобождает энергию, запасенную в
органических молекулах, и в итоге эта энергия ис-
пользуется для синтеза АТФ.
Принцип окисления и восстановления
Во многих химических реакциях происходит
перенос одного или нескольких электронов (е )
с одного реагента на другой. Такие реакции на-
зываются реакциями окисления-восстановле-
ния, или кратко редокс-реакциями. В окислитель-
но-восстановительной реакции потеря электрона
молекулой называется окислением, а присоедине-
ние электрона — восстановлением. Рассмотрим
простой пример не из области биологии: реакция
между элементарным натрием (Na) и хлором (О)
дает поваренную соль:
।----- Окисляется -------1
| (теряет электрон) I
Na + Cl —* Na+ + Cl"
t
1--- Восстанавливается -1
(получает электрон)
Обобщенную схему реакций окисления-вос-
становления можно представить следующим об-
разом:
।-----Окисляется-------
Хе" + Y —> X + Ye’
1---Восстанавливается-1
В этой схеме вещество Хе’, донор электронов,
называется восстановителем. Оно восстанавли-
вает вещество У, принимающее электроны; ве-
щество Y — акцептор электронов, называется
окислителем; оно окисляет Хе", отнимая у него
электрон. Поскольку для переноса электронов не-
обходимо присутствие и донора, и акцептора, то
окисление и восстановление всегда тесно взаимо-
связаны.
Не во всех окислительно-восстановительных
реакциях происходит перенос электронов между
различными веществами, в некоторых из них из-
меняется лишь количество общих электронов, об-
разующих ковалентную связь. Примером такой
реакции может быть горение метана, показан-
ное на рис. 9.3. Электроны, образующие ковалент-
ные связи в метане, распределены между атомами
углерода и водорода практически равномерно —
сродство этих атомов к валентным электронам
примерно одинаково, и они имеют приблизитель-
но равную электроотрицательность (см. главу 2).
Но когда метан реагирует с кислородом с обра-
зованием углекислого газа, то электроны между
углеродом и его новым партнером по ковалент-
ной связи, кислородом, оказываются распреде-
лены неравномерно, поскольку кислород очень
электроотрицателен. По сути, углерод частично
утрачивает свои электроны, а метан окисляется.
Давайте проследим судьбу кислорода в этой
реакции. Между двумя атомами в молекуле кис-
лорода (О,) электроны распределены равномер-
но. Но когда кислород взаимодействует с водоро-
дом метана, образуя воду, электроны ковалентных
ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 233
связей проводят больше времени вблизи кисло-
рода (рис. 9.3). Таким образом, каждый атом кис-
лорода частично приобретает электроны, и мо-
лекула кислорода восстанавливается. Поскольку
кислород очень электроотрицателен, то он явля-
ется одним из самых сильных окислителей.
Реагенты
Продукты
Окисляется
+ 2О2
+ Энергия + 2Н2О
СН4
Метан Кислород
(восстано- (окислитель)
витель)
О45=С=Й=О н -:0’ н
Диоксид
углерода
Вода
Рис.9.3. Горение метана как окислительно-восстановитель-
ная реакция, протекающая с выделением энергии. Реак-
ция идет с высвобождением тепла в окружающую среду, по-
скольку электроны теряют свою потенциальную энергию,
оказываясь неравномерно распределенными и большую
часть времени находясь вблизи электроотрицательных ато-
мов, таких как кислород
Чтобы оторвать электрон от атома, как и для
того, чтобы закатить мяч на гору, нужно затратить
энергию. Чем более электроотрицателен атом (чем
сильнее он удерживает электроны), тем больше
энергии необходимо, чтобы забрать у него элек-
трон. Электрон теряет потенциальную энергию,
когда он переносится с менее электроотрицатель-
ного атома на более электроотрицательный — так
же, как мяч теряет потенциальную энергию, ска-
тываясь с горы. Когда электроны движутся к кис-
лороду в ходе окислительно-восстановительной
реакции — например, при окислении (горении)
метана, происходит высвобождение химической
энергии, которую затем можно использовать для
выполнения работы.
Окисление органических молекул в процессе
клеточного дыхания
Окисление метана кислородом — основная ре-
акция горения, происходящая в газовой плите.
Сгорание бензина в двигателе автомобиля — тоже
реакция окисления-восстановления, выделяюща-
яся в ходе которой энергия приводит в движение
поршни. Но для биологов наиболее интересным
окислительно-восстановительным процессом, да-
ющим энергию, является дыхание — окисление
глюкозы и других содержащихся в пище молекул.
Давайте еще раз посмотрим на суммарное урав-
нение клеточного дыхания, но на этот раз как на
окислительно-восстановительную реакцию.
I-----Окисляется-----
С6Н12О6 + 6 О2 —> 6 СО2 + 6 Н2О + Энергия
1----------------Восстанавливается —
Как в случае метана или бензина, топливо
(глюкоза) окисляется, а кислород восстанавли-
вается. В ходе этого процесса электроны теряют
потенциальную энергию и выделяется энергия.
Как правило, органические молекулы, имеющие в
своем составе много атомов водорода — это иде-
альное топливо, потому что их связи являются
источником высокоэнергетических электронов.
Энергия таких электронов высвобождается в про-
цессе их “спуска” вниз по энергетическому гради-
енту в процессе перехода на кислород. Суммарное
уравнение дыхания показывает, что происходит
перенос водорода от глюкозы на кислород. Но
оно не отражает одну важную деталь — вместе
с переносом водорода (вместе с его электроном)
на кислород меняется и энергетический уровень
электронов. Во время дыхания окисление глюко-
зы переводит электроны в состояние с более низ-
кой энергией, высвобождая таким образом энер-
гию для синтеза АТФ.
Наиболее богатые энергией вещества — угле-
воды и жиры — это хранилища электронов, свя-
занных с водородом. Только активационный
барьер удерживает электроны от того, чтобы
устремиться к низкоэнергетическому состоянию
(см. рис. 8.13). Без этого барьера вещества из пищи,
такие как глюкоза, немедленно реагировали бы с
кислородом. Если поджечь глюкозу и тем самым
сообщить ей энергию активации, то на воздухе
она сгорит, выделив 686 ккал (2,870 кДж) тепла
на моль (около 180 г). Конечно, температура тела
недостаточна высока для того, чтобы запустить
горение. Поэтому если вы съедите немного глю-
козы, то ферменты в клетках понизят активаци-
онный барьер, чтобы сделать возможным поэтап-
ное окисление этого сахара.
Поэтапное накопление энергии с помощью
НАД* и электрон-транспортной цепи
Если запасенная в топливе энергия выделит-
ся вся сразу, то ее будет нельзя эффективно ис-
пользовать для выполнения работы. Например,
если взорвется бензобак, машина далеко не уе-
дет. Так и в процессе клеточного дыхания глюко-
234 Г ЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
за (или любое другое органическое вещество) не
окисляется одномоментно. Вместо этого глюкоза
расщепляется постепенно в несколько последова-
тельных стадий, каждая из которых катализирует-
ся тем или иным ферментом. На ключевых этапах
окисления от глюкозы отщепляются электроны.
Как это часто бывает в окислительно-восстанови-
тельных реакциях, каждый электрон перемеща-
ется вместе с протоном — т.е. в виде атома водо-
рода. Атомы водорода не передаются на кислород
напрямую, а сначала связываются с переносчиком
электронов — коферментом, называемым НАД*,
(никотинамидадениндинуклеотид, производное
никотиновой кислоты). НАД* хорошо подходит
на роль переносчика электрона, поскольку он лег-
ко переходит из окисленной формы, НАД* к вос-
становленному, и наоборот. Будучи акцептором
электронов, НАД* играет роль окислителя в про-
цессе дыхания.
Каким образом НАД* захватывает электроны,
полученные из глюкозы и других органических
молекул пищи? Ферменты, называемые дегид-
рогеназами, отщепляют два атома водорода (два
электрона и два протона) от субстрата (например,
глюкозы), тем самым окисляя его. Фермент пере-
носит два электрона и один протон на свой ко-
фермент, НАД* (рис. 9.4). Второй протон выходит в
раствор в виде иона водорода (Н*):
Н-С-ОН + НАД+ Де|идР°геназа с=о + НАДФ + Н+
Восстанавливаясь, НАД* получает два отрица-
тельно заряженных электрона и только один по-
ложительно заряженный протон, поэтому при
восстановлении заряд на молекуле НАД* нейт-
рализуется. Название НАДН отражает водород,
присоединившийся к НАД* в реакции восстанов-
ления. НАД* — наиболее универсальный акцеп-
тор электронов в процессе клеточного дыхания,
который работает на нескольких окислитель-
но-восстановительных этапах распада глюкозы.
При переносе с глюкозы на НАД* электроны
теряют лишь незначительную часть своей потен-
циальной энергии. Каждая молекула НАДН, об-
разованная в ходе дыхания, содержит в себе за-
пасенную энергию. Эта энергия затем может быть
использована для синтеза АТФ, когда электроны
завершат свое “падение” по энергетическому гра-
диенту от НАДН до кислорода.
Каким же образом электрон, извлеченный
из глюкозы и запасенный в виде потенциальной
энергии в форме НАДН, наконец, достигает кис-
лорода? Чтобы было легче это понять, давайте
сравним химизм окислительно-восстановитель-
ных реакций клеточного дыхания с гораздо бо-
лее простой реакцией: реакцией между кислоро-
дом и водородом, в результате которой образуется
вода (рис.9.5,а). Если мы смешаем Н, и О, и подож-
жем, сообщив энергию активации, то газы проре-
агируют с взрывом. Неслучайно горение жидких
Нп и О, использовалось в двигателях космических
+ 2(H)
(Из пищи)
2е‘+2Н+
Дегидрогеназа
Восстановление НАДн
Окисление НАДФ
2е"+Н*
\ НАДФ
С- nh2
Никотинамид
(восстановленная
форма)
Рис. 9.4. НАД+ как переносчик электронов. Пол-
ное название НАД* — никотинамидадениндину-
клеотид. Оно отражает его структуру: молекула со-
стоит из двух нуклеотидов, соединенных между собой фосфатной группой
(показана желтым). (Никотинамид — это азотистое основание, но оно не яв-
ляется компонентом ДНК или РНК; см. рис. 5.4.) Ферментативный перенос двух
электронов и одного протона (Н*) с содержащейся в пище органической мо-
лекулы на НАД* восстанавливает НАД* до НАДН. Большинство полученных из
пищи электронов сначала передается именно на НАД* с образованием НАДН
1 Опишите структурные различия между окисленной и восстановленной
формой никотинамида.
н
О
Н
ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 235
аппаратов для вывода их на орбиту. Взрыв пред-
ставляет собой выделение энергии в результате
движения электронов водорода “вниз” к электро-
отрицательным атомам кислорода. Клеточное ды-
хание также приводит к объединению водорода и
кислорода в молекулы воды, но есть два важных
отличия. Во-первых, при клеточном дыхании кис-
лород реагирует с водородом органических мо-
лекул, а не напрямую с Н». Во-вторых, вместо од-
ной реакции со взрывом, при дыхании работает
электрон-транспортная цепь, которая разделя-
ет движение электронов к кислороду на несколько
стадий, на каждой из которых происходит выде-
ление энергии (рис. 9.5, а). Электрон-транспортная
цепь состоит из нескольких молекул, в основном
белков, встроенных во внутреннюю мембрану ми-
тохондрий эукариотических клеток (и плазмати-
ческую мембрану аэробных прокариот). Электро-
ны, полученные из глюкозы, с помощью НАДН
передаются на “верхний”, высокоэнергетический,
конец цепи. На “нижнем”, низкоэнергетическом,
конце О, ловит эти электроны вместе с протонами
водорода (Н+), в результате чего образуется вода.
(У анаэробно дышащих прокариот в конце цепи
вместо О, находится другой акцептор.)
Перенос электронов с НАДН на кислород —
это экзергоническая реакция, изменение свобод-
ной энергии в которой составляет -53 ккал/моль
(-222 кДж/моль). Эта энергия могла бы выделить-
ся вся сразу в реакции со взрывов и таким образом
потеряна, но вместо этого электроны спускаются
по цепи от одной молекулы переносчика к другой
в серии окислительно-восстановительных реак-
ций. На каждом этапе они теряют совсем немно-
го энергии, пока наконец не достигнут кислорода,
конечного акцептора, обладающего очень высоким
сродством к электронам. Каждый переносчик, рас-
положенный на шаг ниже, является более электро-
отрицательным, чем предыдущий, и поэтому спо-
собен окислить своего “вышестоящего” соседа.
Таким образом, электроны передаются с глюкозы
на НАД+, восстанавливая его до НАДН, и движут-
ся вниз по градиенту энергии в электрон-транс-
портной цепи к гораздо более стабильному состо-
янию на электроотрицательном атоме кислорода.
Другими словами, кислород “тянет” электроны
вниз по цепи в потоке выделяющейся энергии, по-
добно тому, как гравитация тянет предметы вниз.
Таким образом, во время клеточного дыха-
ния большая часть электронов движется “вниз”
Бурное
выделение
тепловой
и световой
энергии
2Н
72 02
Рис. 9.5. Общее пред-
ставление об элек-
трон-транспортных
цепях
(из пищи через НАДФ)
Контролируемое
V ▼ выделение энергии
2Н+ + 2е_ для синтеза АТФ
н2о
а) Неконтролируемая реакция
б) Клеточное дыхание
В одностадийной экзотермической
реакции водорода с кислородом
вместе с образованием воды выде-
ляется большое количество энергии
в виде тепла и света: это приводит
к взрыву.
В процессе клеточного дыхания эта же реакция проте-
кает постадийно: электрон-транспортная цепь разби-
вает поток электронов на множество более мелких
этапов и запасает часть выделенной энергии в форме,
которая может быть использована для синтеза АТФ.
(Оставшаяся энергия выделяется в виде тепла.)
236 ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
по пути: глюкоза НАДН электрон-транспорт-
ная цепь -> кислород. Далее в этой главе вы узна-
ете больше о том, как клетка использует энергию,
выделившуюся при падении электронов вниз по
энергетическому градиенту, чтобы восполнить
свой запас АТФ. А теперь, когда мы узнали об ос-
новных окислительно-восстановительных меха-
низмах клеточного дыхания, давайте посмотрим
на то, как организован весь процесс получения
энергии из органических молекул.
Этапы клеточного дыхания: введение
Получение энергии из глюкозы в процессе кле-
точного дыхания обеспечивается совокупностью
трех метаболических этапов. Перечислим эти эта-
пы и обозначим их цветами, которые будут ис-
пользованы на всех диаграммах в этой главе, что-
бы их легче было отслеживать на общей схеме:
ГЛИКОЛИЗ (обозначен бирюзовым цветом в этой главе)
ОКИСЛЕНИЕ ПИРУВАТА и ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
(обозначен оранжевым цветом)
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ: перенос
электронов и хемиосмос (обозначен фиолетовым)
Биохимики часто используют термин клеточ-
ное дыхание для обозначения этапов 2 и 3. Однако
мы будем рассматривать гликолиз как еще одну
часть клеточного дыхания, поскольку большин-
ство клеток, которые дышат и получают энергию
из глюкозы, используют гликолиз для производ-
ства исходных субстратов для цикла Кребса (цик-
ла трикарбоновых кислот).
Как схематично показано на рис. 9.6, гликолиз,
окисление пирувата и следующий за ними цикл
Кребса представляют собой те самые катаболиче-
ские пути, в ходе которых происходит расщепле-
ние глюкозы и других органических субстратов.
Гликолиз, происходящий в цитозоле, начинает
процесс деградации, расщепляя молекулу глюко-
зы на две молекулы пирувата. У эукариот пируват
транспортируется в митохондрии и окисляется
до ацетил-СоА, который вступает в цикл Кребса,
или цикл трикарбоновых кислот.2 В этом цикле
завершается расщепление глюкозы до углекисло-
го газа. (У прокариот эти процессы идут в цитозо-
ле.) Таким образом, углекислый газ, образующий-
ся при дыхании, представляет собой фрагменты
окисленных органических молекул.
Некоторые стадии гликолиза и цикла трикар-
боновых кислот — это реакции окисления-вос-
становления, в которых дегидрогеназы переносят
электроны с субстратов на НАД+, образуя НАДН.
На третьем этапе дыхания электроны из первых
Рис. 9.6. Обзор клеточного
дыхания. В процессе глико-
лиза каждая молекула глю-
козы расщепляется на две
молекулы пирувата. В эука-
риотических клетках пируват
попадает в митохондрии, как
показано на рисунке. Там он
окисляется до ацетил-СоА,
который в дальнейшем окис-
ляется до С02 в цикле три-
карбоновых кислот — ЦТК
(его также называют циклом
лимонной кислоты или цик-
лом Кребса). НАДН и похо-
жий переносчик электронов,
кофермент ФАДН2, передают
полученные от глюкозы элек-
троны на электрон-транс-
портную цепь, встроенную
во внутреннюю мембрану
митохондрий. (У прокариот
Субстратное
фосфорилирование
Субстратное
фосфорилирование
Субстратное
фосфорилирование
электрон-транспортная цепь
находится на плазматической мембране.) В ходе окислитель-
ного фосфорилирования электрон-транспортные цепи пре-
образуют химическую энергию в форму, пригодную для син-
теза АТФ. Этот процесс получил название хемиосмоса
2 Цикл лимонной кислоты; в русскоязычной литературе
обычно используется термин “цикл трикарбоновых кис-
лот”. — Примеч. ред.
ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 237
двух этапов попадают в электрон-транспортную
цепь (обычно посредством НАДН) и передаются
по ней. В конце цепи электроны взаимодейству-
ют с молекулярным кислородом и с ионами водо-
рода (Н*), образуя воду (рис. 9.5,6). Энергия, выде-
лившаяся на каждом участке цепи, запасается в
такой форме, которая может быть использована
митохондрией (или бактериальной клеткой) для
синтеза АТФ из АДФ. Такой способ синтеза АТФ
называется окислительным фосфорилировани-
ем, потому что энергия на синтез поступает из
окислительно-восстановительных реакций элек-
трон-транспортной цепи.
В клетках эукариот транспорт электронов и хе-
миосмос (вместе составляющие окислительное
фосфорилирование) происходит на внутренней
мембране митохондрий. У прокариот эти процессы
идут на плазматической мембране. АТФ, синтези-
рованный путем окислительного фосфорилирова-
ния, составляет почти 90% всего АТФ, полученно-
го при дыхании. Меньшая доля АТФ синтезируется
напрямую в нескольких реакциях гликолиза и цик-
ла трикарбоновых кислот в ходе так называемого
субстратного фосфорилирования (рис. 9.7). При
этом фермент переносит фосфатную группу с мо-
лекулы субстрата на АДФ, а не присоединяет к
АДФ неорганический фосфат, как это происходит
при окислительном фосфорилировании. Под мо-
лекулой субстрата здесь подразумевается органи-
ческая молекула, образованная как промежуточ-
ное соединение катаболизма глюкозы. Далее в этой
главе вы увидите примеры субстратного фосфори-
лирования в гликолизе и в цикле трикарбоновых
кислот (Кребса).
Субстрат
Рис. 9.7. Субстратное фосфорилирование. Часть АТФ синте-
зируется в результате прямого переноса фосфатной группы с
органических субстратов на АДП, осуществляемого фермен-
том. (Примеры такого переноса, происходящие в процессе
гликолиза, показаны на рис. 9.9, стадии 7 и 10.)
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 9.1
1.
2.
А НТО,ЕСЛИ?
Сравните аэробное и анаэробное дыхание.
| Представим себе, что протекает следую-
щая реакция: С4НЙО5 + НАД* - > С4Н4О5 + НАДФ + Н+. Какое из
веществ окисляется? Какое восстанавливается?
Ответы см. в Приложении А.
9.2. В гликолизе химическая
энергия запасается при
окислении глюкозы до пирувата
Слово гликолиз означает “расщепление саха-
ров”, и это именно то, что происходит в этом про-
цессе. Глюкоза, шестиуглеродный сахар, расщеп-
ляется на два трехуглеродных сахара. Эти более
простые сахара затем окисляются и преобразуют-
ся в две молекулы пирувата (пируват — это ион-
ная форма пировиноградной кислоты).
Как показано на рис. 9.8, гликолиз можно разде-
лить на две фазы: стадия затрат энергии и ее вос-
полнения. В ходе первой, подготовительной ста-
дии, клетка на самом деле тратит энергию АТФ.
Но эти затраты затем с лихвой окупаются на сле-
дующей фазе, когда в ходе субстратного фосфо-
рилирования синтезируется АТФ, а полученные
при окислении глюкозы электроны восстанавли-
вают НАД* до НАДН.
Суммарный энергетический выход гликолиза
на одну молекулу глюкозы составляет две молеку-
лы АТФ и две НАДН. Десять стадий гликолитиче-
ского пути показаны на рис. 9.9.
Весь содержащийся в глюкозе углерод исполь-
зуется для построения двух молекул пирувата, по-
этому выделения СО, в гликолизе не происходит.
Гликолиз протекает независимо от присутствия
О2. Однако если О, все же присутствует, то за-
пасенная в пирувате и НАДН химическая энергия
может быть извлечена с помощью окисления пи-
рувата, цикла трикарбоновых кислот (цикл Креб-
са) и окислительного фосфорилирования.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 9.2
1. Какая молекула играет роль окислителя в окислительно-вос-
становительной реакции гликолиза (стадия 6 на рис. 9.9)?
А какая — роль восстановителя?
Ответы см. в Приложении А.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Посмотрите на рис. 8.9. Кап вы счи-
таете, какая из потенциальных энергий — реагентов или про-
дуктов — выше для приведенной реакции? Объясните вашу
точку зрения.
238 Г ЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
ARD
Подготовительный этап
Глюкоза
2- .АТФ 7 использовано
2АДФ + 2©
Этап синтеза АТФ
4АДФ + 4©
4 < АТФ 7 образовано
2НАД++ 4е'+4Н+
2 I НАДФ| +2Н+
2 Пируват + 2 Н2О
Суммарное уравнение
Глюкоза ----► 2 Пируват + 2 Н2О
4АТФобразовано- -----► 2АТФ
-2 АТФ использовано
2НАД++ 4е“+4Н+ -----► 2НАДФ + 2Н4
Рис. 9.8. Потребление и выделение энергии в процессе гли-
колиза
9.3. За окислением пирувата сле-
дует цикл трикарбоновых кислот,
которым завершается окисление
органических соединений, иду-
щее с высвобождением энергии
В процессе гликолиза высвобождается менее
четверти химической энергии, хранящейся в мо-
лекуле глюкозы; большая же ее часть остается в
двух молекулах пирувата. В присутствии кисло-
рода пируват перемещается в митохондрии эука-
риотических клеток, где процесс окисления глю-
козы завершается. У аэробных прокариот этот
процесс происходит в цитозоле. (Ниже в этой
главе мы обсудим, что происходит с пируватом,
если прокариотическая клетка не способна ис-
пользовать кислород или же если кислород недо-
ступен.)
Окисление пирувата до ацетил-СоА
После того, как пируват входит в митохондрию
с помощью активного транспорта, он сначала пре-
образуется в соединение, называемое ацетил-ко-
энзим А, или ацетил-СоА (рис. 9.10). Эта реакция,
связывающая гликолиз и цикл трикарбоновых
кислот (Кребса), осуществляется мультифермент-
ным комплексом, который катализирует три ре-
акции. 1) карбоксильная группа (СОО ) пирувата,
которая к этому моменту уже полностью окисле-
на и поэтому почти не несет химической энергии,
отщепляется и выделяется в виде молекулы СО,.
Это первый этап дыхания, на котором выделяет-
ся СО,. 2) Оставшийся двухуглеродный фрагмент
окисляется с образованием ацетата (СН3СОО ,
ионная форма уксусной кислоты). Освободивши-
еся электроны переносятся на НАД+, приводя к
запасанию энергии в виде НАДН. 3) Наконец, ко-
фермент А (СоА), серосодержащее производное
витамина В, присоединяется к ацетату через атом
серы и образует ацетил-СоА. Ацетил-СоА облада-
ет высокой потенциальной энергией, а это значит,
что все реакции, в которых из него образуются
низкоэнергетические продукты, идут с выделе-
нием большого количества энергии. Ацетильная
группа этой молекулы затем поступает в цикл три-
карбоновых кислот для дальнейшего окисления.
Цикл трикарбоновых кислот
(цикл Кребса)
Цикл трикарбоновых кислот, также называе-
мый циклом Кребса или циклом лимонной кис-
лоты, служит метаболической печью, окисляющей
полученное из пирувата органическое топливо.
Цикл назван в честь Ханса Кребса, немецко-бри-
танского биохимика, который внес значительный
вклад в изучение этого процесса. На рис. 9.11 пока-
зано, какие вещества поступают в цикл Кребса и
выходят из него при расщеплении пирувата на три
молекулы СО,, включая молекулу, образованную
при синтезе ацетил-СоА. За один оборот цикла
Кребса за счет субстратного фосфорилирования
синтезируется одна молекула АТФ, но большая
часть химической энергии передается на НАД+ и
похожий переносчик электронов, ФАД (флави-
надениндинуклеотид, синтезируется из рибофла-
вина — одного из витаминов группы В) в ходе
окислительно-восстановительных реакций. Вос-
становленные коферменты НАДН и ФАДН, по-
ставляют свои высокоэнергетические электроны в
электрон-транспортную цепь.
ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 239
ОКИСЛЕН*
ПИРУВАТА
цикл
Ф.1КАРБО
новых
кислот
Рис. 9.9. Рассмотрим процесс гликолиза более подробно.
Обратите внимание, что гликолиз является источником АТФ и НАДН
ГЛИКОЛИЗ: подготовительный этап
АТФ
\Что произойдет, если образующийся на четвертой стадии
дигидроксиацетонфосфат (ДГАФ) удалять из системы по мере его образования?
А ЧТО.ЕСЛИ?
Глюкоза
АДФ
CHjOH
Н/Г“°\Н
н/
Jr0H Гексокиназа
ОН л
Глюкоза
6-phosphate
сн2о —©
дн
он
фруктозо- ~дтф
6-фосфат Цл/Х
сн2о —© сн2он I
Фруктозо-
1,6-бисфосфат
©—ОСН, сн2о —©
I I
сн2о—(?)
Н/н
\он
но\Г
н
Гексокиназа переносит
фосфатную группу с АТФ
на глюкозу, повышая ее
реакционноспособност
ь. Заряд на фосфатной
группе также не дает
сахару выйти из клетки
ж А H\L
Фосфоглю-
коизомераза н0
Глюкозо-6-фосфат
превращается
во фруктозо-6-фосфат
АДФ
Альдолаза
Фосфоф-
руктокиназа
J<OH
н
Альдолаза расщеп-
ляет молекулу
шестиуглеродного
сахара на два
разных трехугле-
родных сахара
Дигидроксиацетон-
фосфат (ДГАФ)
Фосфофруктокиназа пере-
носит фосфатную группу
с АТФ на противоположный
конец сахара, затрачивая
вторую молекулу АТФ. Этот
этап является ключевым
для регуляции гликолиза
СН,ОН
Глицеральдегид-
3-фосфат (ГЗФ)
нс=о
Изомераза
0
Взаимные превращения между
ДГАФ и ГЗФ: эта реакция никог-
да не достигает равновесия;
ГЗФ используется на следую-
щей стадии сразу после его
образования
н
н
VjlIQAW <
Пируват
цитозоль
Транспортный белок
Рис. 9.10. Окисление пирувата до ацетил-СоА — этап, пред-
шествующий циклу трикарбоновых кислот. Пируват — это за-
ряженная молекула, поэтому он должен проникать в митохонд-
рии эукариот путем активного транспорта, осуществляемого
транспортным белком. Затем комплекс из нескольких фермен-
тов (пируватдегидрогеназный комплекс) катализирует три по-
следовательных реакции, пронумерованные на рисунке и
описанные в тексте. Остаток уксусной кислоты в виде аце-
тил-СоА вступает в цикл трикарбоновых кислот, а молекула
СО2 выходит из клетки путем диффузии. Когда коэнзим А (СоА)
присоединен к молекуле, его принято обозначать S-CoA, ак-
центируя внимание на атоме серы (S)
Рассмотрим цикл трикарбоновых кислот более
детально. Цикл состоит из восьми стадий, каждая
из которых катализируется своим ферментом.
На рис. 9.12 показано, как в каждом обороте цикла
трикарбоновых кислот два атома углерода (отме-
чены красным цветом) входят в цикл в виде от-
носительно восстановленных ацетильных групп
(стадия 1), а два других углеродных атома (обо-
значены синим) покидают цикл в виде полностью
окисленной молекулы СО, (стадии 3 и 4). Оста-
ток уксусной кислоты поступает в цикл в соста-
ве ацетил-СоА, присоединяясь к оксалоацетату
(анион щавелевоуксусной кислоты), образуя ци-
трат (стадия 1). Цитрат — это ионная форма ли-
монной кислоты, которая дала циклу трикарбо-
новых кислот одно из его названий. Последующие
восемь этапов вновь расщепляют цитрат до окса-
лоацетата. Благодаря регенерации оксалоацетата
этот процесс замыкается в цикл.
Обратимся к рис. 9.12, чтобы подсчитать коли-
чество высокоэнергетических молекул, образую-
щихся в цикле трикарбоновых кислот. На каждую
ацетильную группу, входящую в цикл, 3 НАД+
восстанавливаются до НАДН (стадии 3, 4 и 8).
На стадии 6 электроны передаются не на НАД+,
а на ФАД, который принимает два электрона и
два протона и превращается в ФАДН,. В клетках
240 ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
Этап синтеза АТФ начинается после расщепления глюкозы на два трехуглеродных сахара.
Поэтому перед всеми соединениями в этой фазе стоит коэффициент 2
2[НАДФI
2 НАД* +2Н+
триозофосфат
дегидрогеназа 2®|
©—ос=о
снон
I
сн3о—®
ГЛИКОЛИЗ: этап синтеза АТФ
Фосфоглице-
рокиназа
1,3-Бисфосфоглицерат А
Две последовательные реакции:
1) Сахар окисляется, передавая
электроны на НАД+, который пре-
образуется в НАДФ.
2) Используя энергию, выделив-
шуюся в этой экзотермической
реакции, фосфатная группа при-
соединяется к окисленному суб-
страту с образованием высоко-
энергетического продукта
снон
сн3о—©
Фосфоглице-
ромутаза
О
I
с=о
н—со—©
СНгОН
2Н2О
З-Фосфоглицерат < 2-Фосфоглицерат
Фосфатная группа перено-
сится на АДФ (субстратное
фосфорилирование) в ходе
экзотермической реакции.
Карбонильная группа ГЗФ
окисляется до карбоксильной
(—СОО~) группы органической
кислоты (3-фосфоглицерата)
Этот фермент
переносит
оставшуюся
фосфатную
группу
2 АТФ
2АДФ '
O’
Енолаза
о
со—0
к
Фосфоенол-
пируват (ФЕП)
Пируваткиназа
с=о
I
с=о
I
СН3
Пируват
Енолаза вызывает
образование двойной
связи в субстрате, отщеп-
ляя от него молекулу
воды. Полученное веще-
ство, фосфоенолпируват
(ФЕП) обладает очень
высокой потенциальной
энергией
Фосфат переносится
с ФЕП на АДФ — второй
пример субстратного
фосфорилирования
в гликолизе, — образуя
пируват
2
2
О
© Pearson Education, Inc.
многих тканей животных в реакции субстратного
фосфорилирования на стадии 5 образуется ГТФ
(гуанозинтрифосфат) — молекула, по структуре и
функции похожая на АТФ. ГТФ может затем рас-
ходоваться на синтез АТФ (как показано на схе-
ме) или напрямую снабжать энергией клеточные
процессы. В клетках растений, бактерий и в неко-
торых тканях животных на стадии 5 путем суб-
стратного фосфорилирования сразу образуется
АТФ. Это единственная молекула АТФ, которая
синтезируется в цикле трикарбоновых кислот.
Но давайте вспомним, что из каждой молекулы
глюкозы образуются две молекулы ацетил-СоА,
которые входят в цикл. Поскольку упомянутые
раньше числа даны в расчете на одну ацетиль-
ную группу, то общий выход цикла трикарбоно-
вых кислот в расчете на одну молекулу глюкозы
составляет шесть НАДН, две ФАДН, и две АТФ
(или то же количество ГТФ).
4 Рис. 9.11. Обзор окисления пирувата и цикла трикарбоно-
вых кислот. На схеме показано, что входит и выходит из цик-
ла в расчете на одну молекулу пирувата. Чтобы рассчитать
значения на одну молекулу глюкозы, умножьте все на два, по-
скольку в ходе гликолиза глюкоза расщепляется на две моле-
кулы пирувата
Г ЛАВА 9
Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 241
цикл
«ИНАРЫ1
НСВЬ'/
КИСЛО!
СН3
Ацетил-СоА
0 Двухуглеродная ацетильная
группа ацетил-СоА (полученного
в результате окисления пирувата)
присоединяется к оксалоацетату.
В результате образуется цитрат
0 Субстрат окисляется,
восстанавливая НАД*
до НАДФи регене-
рируя оксалоацетат
НАД
Оксалоацетат
СОО'
сн2
СОО’
О=C—COO-
COO’
но—сн
сн2
(!оо-
сн2
НО—С—СОО’
COO-
сн2
НС—СОО'
но—сн
0 Цитрат изоме-
ризуется в изоцит-
рат путем отщеп-
ления одной моле-
кулы воды и присо-
единения другой
Малат
О Присоеди-
нение моле-
кулы воды
реорганизует
связи в моле-
куле субстрата
0 Изоцитрат
окисляется,
восстанавли-
вая НАД*
доНАДФ.
Затем от про-
дукта реакции
отщепляется
молекула СО2
Цитрат
сн2
СОО’
сн
Фумарат
нс
СОО’
ФАДФ2
СОО"
Изоцитрат
НАД+
’ НАДФ 1
а-кетоглутарат
СОО"
НАД
Н2
ФАД
CoA-SH
[S-CoA И
Г
сн2
с=о
ГТФ ГДФ Сукцинил-СоА
| НАДФ |
+ Н+
соо-
ЦИКЛ
ТРИКАРБОНОВЫХ
КИСЛОТ
соо
СОО
0 Два водорода
переносятся на ФАД,
превращая его
вФАДФ2
и окисляя сукцинат
Сукцинат
СН2
СН2
С=
Рис. 9.12. Цикл трикарбоновых кислот в дета-
лях. Красным на схеме отмечена часть угле-
родного скелета, состоящая из двух атомов,
пришедших в цикл через ацетил-СоА (этап 1), а го-
АДФ
0 Кофермент А (СоА) замещается
фосфатной группой, которая пере-
носится на ГДФ с образованием
ГТФ — молекулы с похожей на АТФ
функцией. Как показано на схеме,
ГТФ может быть также использова-
на для синтеза АТФ
0 Отщепляется еще
одна молекула СО2,
и полученное соеди-
нение окисляется
с восстановлением
НАД* доНАДФ.
Оставшаяся моле-
кула присоединяется
к коферменту А
с помощью неста-
бильной связи
лубым отмечены атомы углерода, которые покинут цикл в виде
СО2 на этапах 3 и 4. (Выделение красным цветом заканчивается на
этапе 5, поскольку молекула янтарной кислоты (сукцината) симметрична и два ее конца невозможно отличить друг от друга.) Об-
ратите внимание, что атомы углерода, попадающие в цикл через ацетил-СоА, не покидают его в этом круге. Они остаются в цикле,
занимая другие позиции в молекулах на следующем круге — после того, как будет присоединен еще один остаток уксусной кис-
лоты. Таким образом, синтезирующийся на этапе 8 оксалоацетат каждый раз состоит из разных атомов углерода. V эукариот все
ферменты цикла трикарбоновых кислот находятся в митохондриальном матриксе, кроме фермента, катализирующего этап 6 — он
встроен во внутреннюю мембрану митохондрий. Карбоновые кислоты показаны в ионизированной форме, как -СОО-, поскольку
именно ионизированная форма является преобладающей при характерных для митохондрий значениях pH
242 ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
Большая часть АТФ, синтезируемого при ды-
хании, образуется в ходе окислительного фос-
форилирования, когда НАДН и ФАДН„ вос-
становленные в цикле трикарбоновых кислот,
передают извлеченные из пищи электроны на
электрон-транспортную цепь. Тем самым они по-
ставляют энергию, необходимую для фосфорили-
рования АДФ до АТФ. Мы рассмотрим этот про-
цесс в следующем разделе.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 9.3
1. Назовите молекулу, содержащую в себе наибольшее коли-
чество энергии окислительно-восстановительных реакций
в цикле трикарбоновых кислот (см. рис. 9.12). Каким обра-
зом эта энергия преобразуется в форму, которую можно ис-
пользовать для синтеза АТФ?
2. Какие клеточные процессы ведут к образованию СО2, кото-
рый вы выдыхаете?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Превращения, показанные на рис. 9.10 и
на стадии 4 рис. 9.12, катализируются крупными мультифер-
ментными комплексами. В чем сходство реакций, протека-
ющих в этих случаях?
Ответы см. в Приложении А.
9.4. В процессе окислительного
фосфорилирования хемиосмос
сопрягает перенос электронов
с синтезом АТФ
Основная задача этой главы — понять, как
клетки преобразуют энергию глюкозы и других
питательных веществ для синтеза АТФ. Однако те
метаболические этапы дыхания, которые мы уже
рассмотрели — гликолиз и цикл трикарбоновых
кислот — дают только четыре молекулы АТФ на
одну молекулу глюкозы, причем обе из них за счет
субстратного фосфорилирования: две в процессе
гликолиза и две в цикле трикарбоновых кислот.
На этом этапе большая часть энергии, извлечен-
ной из глюкозы, содержится в молекулах НАДН
и ФАДН,. Эти переносчики электронов связыва-
ют гликолиз и цикл трикарбоновых кислот с ме-
ханизмом окислительного фосфорилирования,
который использует энергию, образованную в
электрон-транспортной цепи, для синтеза АТФ.
В этом разделе мы сначала узнаем, как работает
электрон-транспортная цепь, а затем рассмотрим,
как перенос электронов вниз по цепи сопряжен с
синтезом АТФ.
Путь переноса электронов
Электрон-транспортная цепь — это набор мо-
лекул, встроенных во внутреннюю мембрану ми-
тохондрий эукариотических клеток. (У прокариот
эти молекулы находятся в плазматической мем-
бране.) Внутренняя мембрана образует многочис-
ленные складки — кристы, которые увеличивают
площадь ее поверхности и позволяют тысячам ко-
пий электрон-транспортных цепей разместить-
ся в одной митохондрии. Таким образом, мы сно-
ва видим, как структура соответствует функции:
складчатая мембрана, в которой рядами располо-
жены переносчики электронов, хорошо приспо-
соблена для серии последовательных окислитель-
но-восстановительных реакций, протекающих в
электрон-транспортной цепи. Большинство зве-
ньев цепи представлены белками, которые объ-
единены в мультибелковые комплексы, прону-
мерованные от I до IV. С этими белками тесно
связаны простетические группы — небелковые
компоненты, необходимые для осуществления
некоторыми белками каталитической функции.
На рис. 9.13 изображена последовательность пе-
реносчиков в электрон-транспортной цепи и па-
дение свободной энергии при движении электрона
по цепи. Когда электрон передается по цепи, пере-
носчики постоянно переходят от восстановленно-
го состояния к окисленному, принимая и отдавая
электроны. Когда каждый компонент цепи полу-
чает электрон от своего “верхнего” соседа с более
низким сродством к электронам (иными словами,
менее электроотрицательного), он восстанавлива-
ется. Затем он снова возвращается в окисленное
состояние, передавая электрон своему “нижнему”
более электроотрицательному, соседу.
Давайте теперь подробно рассмотрим элек-
трон-транспортную цепь, изображенную на
рис. 9.13. Сначала мы детально проследим путь
электронов через комплекс I, чтобы проиллюстри-
ровать общие принципы переноса электронов.
Электроны, полученные НАД+ в ходе гликолиза
и цикла трикарбоновых кислот, переносятся от
НАДН на первую молекулу электрон-транспорт-
ной цепи в комплексе I. Эта молекула является
флавопротеином, потому что его простетическая
группа представляет собой флавинмононуклео-
тид (ФМН). В следующей окислительно-восста-
новительной реакции флавопротеин возвраща-
ется в окисленное состояние, передавая электрон
на железосерный белок (Fe-S в комплексе I),
ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 243
представитель семейства белков с взаимосвязан-
ными атомами железа и серы. Железосерный бе-
лок затем передает электроны соединению под
названием убихинон (Q на рис. 9.13). Этот перено-
счик электронов представляет собой маленькую
гидрофобную молекулу — единственный небел-
ковый компонент электрон-транспортной цепи.
Убихинон чаще перемещается по мембране в сво-
бодном виде, чем оказывается присоединенным к
конкретному комплексу. (Другое называние уби-
хинона — кофермент Q, или CoQ; возможно, вы
видели его в качестве пищевой добавки на полках
магазинов здорового питания.)
Большая часть переносчиков электронов, рас-
положенных между убихиноном и кислородом —
это белки, называемые цитохромами. В соста-
ве их простетической группе, называемой гемом,
содержится атом железа, способный принимать и
отдавать электроны. (Гем в цитохромах похож на
гем в гемоглобине — белке эритроцитов, за ис-
ключением того, что железо в составе гемоглоби-
на переносит кислород, а не электроны.) В элек-
трон-транспортной цепи присутствуют несколько
типов цитохромов, каждый из которых является
отдельным белком с немного отличающимся от
других гемом. Последний цитохром в цепи, Cyt
ар передает свои электроны на кислород, облада-
ющий очень высокой электроотрицательностью.
Каждый атом кислорода также захватывает два
иона водорода (протона) из раствора, нейтрали-
зуя на себе заряд -2, и образует воду.
Второй источник электронов для цепи — это
ФАДИ,, второй восстановленный продукт цикла
трикарбоновых кислот. Глядя на рис. 9.13, обратите
внимание, что ФАДН, отдает свои электроны, на-
ходясь внутри комплекса II на более низком энерге-
тическом уровне, чем НАДН. Поэтому, хотя НАДН
и ФАДН, дают одинаковое число электронов (два)
для окисления кислорода, электрон-транспортная
цепь производит примерно на треть меньше энер-
гии для синтеза АТФ, если донором электронов яв-
ляется ФАДНЭ, а не НАДН. Почему так происхо-
дит, мы узнаем в следующем разделе.
Электрон-транспортная цепь сама по себе не
производит АТФ. Она только облегчает движе-
ние электронов из питательных веществ на кисло-
род по градиенту энергии, разделяя большое па-
дение энергии на маленькие порции, пригодные
к использованию. Каким образом митохондрии
(или плазматическая мембрана прокариот) со-
прягают перенос электронов и выделение энергии
Рис. 9.13. Изменения свободной энергии в процессе тран-
спорта электронов. Суммарное снижение энергии (AG)
электронов, движущихся от НАДН к кислороду, составляет
53 ккал/моль, но в результате работы электрон-транспортной
цепи этот поток оказывается разбит на ряд небольших эта-
пов. (Атом кислорода обозначен как УгО2, чтобы заострить
внимание на том, что в электрон-транспортной цепи происхо-
дит восстановление молекулярного кислорода (02), а не его
отдельных атомов.)
с синтезом АТФ? Ответом на этот вопрос являет-
ся механизм, называемый хемиосмосом.
Хемиосмос — механизм сопряжения
энергии
Внутренняя мембрана митохондрий или плаз-
матическая мембрана прокариот содержат мно-
жество копий белкового комплекса, который
называется АТФ синтазой. Этот фермент про-
244 ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
изводит АТФ из АДФ и неорганического фосфа-
та (см. рис. 9.14). АТФ-синтаза работает как ионный
насос, только наоборот. Ионные помпы обычно
используют АТФ в качестве источника энергии,
чтобы переносить ионы против градиента их кон-
центрации. Ферменты могут катализировать ре-
акции в обоих направлениях в зависимости от AG
реакции, которая зависит от локальных концен-
траций реагентов и продуктов (см. главу 8). Вме-
сто того чтобы гидролизовать АТФ для перекачи-
вания протонов против градиента концентрации,
АТФ-синтаза при клеточном дыхании использу-
ет энергию существующего протонного градиен-
0 Ионы Н+, движущиеся
по градиенту концентрации,
поступают в канал закреп-
ленного в мембране статора
0 Ионы Н+ достигают сайтов
связывания внутри ротора
и изменяют конформацию
каждой из его субъединиц
таким образом, что ротор
начинает вращаться внутри
мембраны
0 Каждый ион Н+ совершает
один полный поворот, прежде
чем покинет ротор и пройдет
через второй канал статора
в матрикс митохондрии
0 Вращение ротора, в свою
очередь, запускает враще-
ние внутреннего стержня.
Этот стержень в виде "ножки”
прикреплен к расположенной
ниже каталитической “шляпке",
которая зафиксирована в не-
подвижном состоянии частью
статора
0 В результате вращения
стержня происходит акти-
вация каталитических сай-
тов “шляпки", в которых идет
синтез АТФ из АДФ и не-
органического фосфата
Рис. 9.14. АТФ-синтаза — молекулярная мельница. АТФ-синтаза представля-
ет собой комплекс белков, который работает как молекулярная мельница,
приводимая в движение потоком ионов водорода. В мембранах эукариоти-
ческих митохондрий и хлоропластов, а также в плазматических мембранах
прокариот находится множество АТФ-синтаз. Каждая часть комплекса со-
стоит из нескольких полипептидных субъединиц. АТФ-синтаза — это самый
маленький молекулярный поворотный двигатель в природе
та для запуска синтеза АТФ. Источником энергии
для АТФ-синтазы служит разница концентраций
Н+ по разные стороны внутренней мембраны ми-
тохондрий. Процесс накопления энергии в виде
протонного градиента на мембране для соверше-
ния работы, например синтеза АТФ, называется
хемиосмосом (от греч. osmos — “давление”). Мы
уже встречали термин осмос в контексте транспор-
та воды, но здесь он относится к движению Н+ че-
рез мембрану.
Изучая структуру АТФ-синтазы, ученые выяс-
нили, как движение Н+ через этот огромный бе-
лок дает энергию для синтеза АТФ. АТФ-синтаза
представляет собой мультисубъединич-
ный комплекс, состоящий из четырех
основных частей, каждая из которых, в
свою очередь, состоит из нескольких по-
липептидов. Протоны движутся от одно-
го сайта связывания к другому в одном
из отделов фермента (ротор), заставляя
его вращаться, и за счет энергии этого
вращения катализируется реакция синте-
за АТФ из АДФ и Р. Движение протонов
можно сравнить с потоком воды, враща-
ющим мельничное колесо.
Как же образуется и поддерживается
протонный градиент на внутренней мем-
бране митохондрий или плазматической
мембране прокариот? За создание гра-
диента Н+ отвечает электрон-транспорт-
ная цепь, которая на рис. 9.15 изображена
внутри митохондрии. Энергия движения
электронов от НАДН и ФАДНЭ по цепи
используется, чтобы перекачивать Н+ че-
рез мембрану из митохондриального ма-
трикса в межмембранное пространство.
Ионы Н+ склонны возвращаться обрат-
но в матрикс, диффундируя по градиен-
ту концентрации, и единственный способ
для них пройти обратно через мембра-
ну — это АТФ-синтазы. Вспомним, что
АТФ-синтазы используют экзергониче-
ское движение Н+ для фосфорилирова-
ния АДФ. Таким образом, энергия, за-
пасенная в трансмембранном градиенте
Н+, сопрягает окислительно-восстанови-
тельные реакции электрон-транспортной
цепи с синтезом АТФ.
Вам, наверное, интересно, каким об-
разом электрон-транспортные цепи пе-
рекачивают ионы водорода. Ученые
ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 245
Внутренняя
мембрана
митохондрии
Межмемб- <
ранное
пространство
Внутренняя
мембрана <
митохондрии I
Митохонд- <
риальный
матрикс
Окислительное фосфорилирование
Рис. 9.15. Хемиосмотическое сопряжение
транспорта электронов с синтезом АТФ
О НАДН и ФДДН2 доставляют высокоэ-
нергетические электроны, полученные из
пищи в процессе гликолиза и цикла три-
карбоновых кислот, в электрон-транс-
портную цепь, встроенную во внутрен-
нюю мембрану митохондрий. Желтыми
стрелками показано направление пере-
носа электронов, которые в итоге пере-
даются на конечный акцептор (в случае
аэробного дыхания это О2) с образова-
нием воды. Большинство переносчиков
электронов в цепи объединены в четыре
комплекса (I-IV). Два подвижных перено-
счика, убихинон (Q) и цитохром с (Cyt с),
быстро перемещаются по цепи, перено-
ся электроны между крупными комплек-
сами. Когда электроны доставляются к
комплексам, они перекачивают прото-
ны из матрикса в межмембранное про-
странство. Электроны ФАДН2 поступают
в цепь через комплекс II. Этот комплекс
имеет более низкий уровень энергии, чем
комплекс I, на который передаются элек-
троны от НАДН, поэтому через мембра-
ну перекачивается меньшее число про-
тонов, чем в случае НАДН. Химическая
энергия, исходно полученная из пищи,
превращается в движущую силу прото-
нов, создающую градиент Н+ на двух сто-
ронах мембраны
€ В процессе хемиосмоса протоны пе-
реносятся обратно по нисходящему гра-
диенту посредством АТФ-синтазы, встро-
енной в мембрану вблизи остальных
комплексов. АТФ-синтаза использует про-
тон-движущую силу для фосфорилиро-
вания АДФ, образуя АТФ. Перенос элек-
тронов и хемиосмос вместе составляют
окислительное фосфорилирование
Если комплекс IV утратит
свою функцию, то сможет ли процесс хе-
миосмоса привести к синтезу АТФ? Если
да, то как изменится его скорость?
А ЧТО, ЕСЛИ?
обнаружили, что некоторые компоненты элек-
трон-транспортной цепи принимают и отдают
протоны (Н+) вместе с электронами. (Водные рас-
творы веществ внутри и вокруг клетки представ-
ляют собой готовый источник Н+.) На определен-
ных звеньях цепи перенос электронов приводит к
захвату Н+ и его переносу через мембрану. В клет-
ках эукариот переносчики электронов во вну-
тренней мембране митохондрий организованы в
пространстве таким образом, что Нн захватыва-
ется в матриксе и передается в межмембранное
пространство (см. рис. 9.15). Возникающий таким
образом градиент Н+ называется протон-движу-
щей силой, что подчеркивает возможность ис-
пользования этого градиента для совершения
работы. Эта сила заставляет Н+ возвращаться об-
ратно через протонные каналы АТФ-синтазы.
В общем случае хемиосмос — это механизм со-
пряжения энергии' использующий энергию, запа-
сенную в виде протонного градиента на мембране,
для совершения работы в клетке. В митохондри-
ях энергия для накопления градиента поступает
246 ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
из экзергонических окислительно-восстановитель-
ных реакций, а совершаемая работа — это син-
тез АТФ. Но хемиосмос в том или ином вариан-
те встречается и в других системах. Хлоропласты
используют хемиосмос для фосфорилирования
АТФ в ходе фотосинтеза; в этих органеллах за дви-
жение электронов вниз по электрон-транспорт-
ной цепи и формирование протонного градиента
отвечает свет (а не химическая энергия). Как уже
упоминалось ранее, прокариоты создают гради-
ент Н+ на своих плазматических мембранах. Затем
они используют протон-движущую силу не только
для синтеза АТФ внутри клетки, но и для движе-
ния жгутиков и переноса питательных веществ и
отходов жизнедеятельности через мембрану. Учи-
тывая исключительную важность процессов пре-
вращения энергии у про- и эукариот, механизм
хемиосмоса позволил обобщить все имевшиеся ра-
нее представления о биоэнергетике. Хемиосмоти-
ческая теория была исходно предложена Питером
Митчеллом, который получил за нее в 1978 году
Нобелевскую премию.
Расчет количества АТФ, получаемого
в результате клеточного дыхания
В предыдущих разделах мы достаточно под-
робно рассмотрели процесс клеточного дыхания.
Давайте вспомним о его основной функции: полу-
чении энергии из глюкозы для синтеза АТФ.
При дыхании большая часть энергии течет
по следующему пути: глюкоза -> НАДН элек-
трон-транспортная цепь протон-движущая сила
АТФ. Можно заняться “бухгалтерией” этого
процесса и рассчитать выход АТФ при окисле-
нии одной молекулы глюкозы до шести молекул
углекислого газа. Три основных “цеха” метабо-
лической “фабрики” — это гликолиз, окисление
пирувата и цикл трикарбоновых кислот, а также
электрон-транспортная цепь, осуществляющая
окислительное фосфорилирование.
На рис. 9.16 приведен расчет выхода АТФ на
каждую окисленную молекулу глюкозы. В ито-
ге четыре молекулы АТФ синтезируются при
субстратном фосфорилировании в гликолизе и
цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса), и го-
раздо большее число приходится на окислитель-
ное фосфорилирование. Каждая молекула НАДН,
передающая пару электронов с глюкозы на элек-
трон-транспортную цепь, вносит в протон-дви-
жущую силу достаточный вклад, чтобы синтези-
ровать до трех молекул АТФ.
Почему числа, приведенные на рис. 9.16, при-
близительны? Есть три причины, по которым мы
не можем вычислить точное количество молекул
ЦИТОЗОЛЬ
МИТОХОНДРИЯ
2 НАДФ электР°Н0В
закреплены
в мембране
6 НАДФ 2ФЛДФ
ГЛИКОЛИЗ
Глюкоза 2 Пируват
ОКИСЛЕНИЕ ПИРУВАТА
—> 2 Ацетил-СоА
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
(перенос электронов
и хемиосмос)
+ 2 АТФ
С помощью
субстратного
фосфорилирования
+ 2 АТФ _________________+ примерно 26-28 АТФ _
с помощью с помощью окислительного фосфо-
субстратного рилирования, в зависимости от того,
фосфорилирования какой переносчик доставляет элек-
троны от НАДН в цитозоле
Максимум на одну
молекулу глюкозы:
примерно
30-32 АТФ
Рис. 9.16. Количество молекул АТФ, синтезируемое на каждом Q Объясните, из чего именно складывается 26 или 28 молекул
этапе клеточного дыхания из одной молекулы глюкозы АТФ (желтая полоса на рисунке).
ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 247
АТФ, образующихся при расщеплении одной мо-
лекулы глюкозы. Во-первых, фосфорилирование
и реакции окисления-восстановления не соеди-
нены напрямую, поэтому соотношение молекул
НАДН и АТФ не является целым числом. Извест-
но, что на одну НАДН через внутреннюю мито-
хондриальную мембрану переносится 10 Н+, но
сколько же протонов необходимо для синтеза од-
ной молекулы АТФ, долго оставалось предметом
дискуссий. Большинство биохимиков сейчас схо-
дятся во мнении, что самое точное значение, по-
лученное экспериментально, — это четыре Н+.
Таким образом, одна молекула НАДН создает
протон-движущую силу достаточную для синтеза
2,5 молекулы АТФ. Цикл трикарбоновых кислот
также поставляет электроны на электрон-транс-
портную цепь в виде ФАДНэ. Однако поскольку
эти электроны входят в цепь позже, каждая мо-
лекула этого переносчика создает протон-дви-
жущую силу, которой хватает только на 1,5 моле-
кулы АТФ. Эти числа даны с учетом небольших
затрат энергии на транспорт АТФ из митохонд-
рии в цитозоль, где он и будет использован.
Вторая причина неточности состоит в том, что
выход АТФ в некоторой степени зависит от типа
транспортера, который переносит электроны из ци-
тозоля в митохондрию. Внутренняя мембрана мито-
хондрии непроницаема для НАДН, поэтому цито-
зольный НАДН отделен от структур, участвующих
в окислительном фосфорилировании. Два электро-
на НАДН, полученные из гликолиза, должны быть
доставлены в митохондрию одним из нескольких
транспортеров. В зависимости от типа транспор-
тера в данном типе клеток, электроны передаются
либо на НАД+, либо на ФАД в митохондриальном
матриксе (см. рис. 9.16). Если электроны передаются
на ФАД, как в клетках мозга, то за счет каждой моле-
кулы НАДН, образованной в цитозоле, может син-
тезироваться только 1,5 АТФ. Если электроны пере-
даются на митохондриальный НАД+, как в тканях
печени или сердца, выход АТФ составляет 2,5 моле-
кулы на каждую молекулу НАДН.
Третья переменная, которая может уменьшить
выход АТФ, — это использование протон-движу-
щей силы для совершения другой работы. Напри-
мер, пируват транспортируется в митохондрии,
используя именно протон-движущую силу. Одна-
ко если вся протон-движущая сила, генерируемая
электрон-транспортной цепью, идет на синтез
АТФ, одна молекула глюкозы может дать 28 АТФ
за счет окислительного фосфорилирования и
четыре молекулы АТФ путем субстратного фос-
форилирования, в сумме давая около 32 молекул
АТФ (или 30, если используется менее эффектив-
ный транспортер).
Теперь мы можем приблизительно оценить
эффективность дыхания, которая представляет
собой долю энергии, заключенной в химических
связях глюкозы, которая была преобразована в
АТФ. Вспомните, что полное окисление одно-
го моля глюкозы в стандартных условиях высво-
бождает 686 ккал энергии (AG = -686 ккал/моль).
При фосфорилировании АДФ с образованием
АТФ запасается по крайней мере 7,3 ккал на один
моль АТФ. Таким образом, эффективность дыха-
ния составляет 7,3 ккал на моль АТФ, и если мы
умножим эту цифру на 32 моля АТФ, синтезиро-
ванных из одного моля глюкозы, и разделим на
686 ккал/моль глюкозы, то получим 0,34. Други-
ми словами, примерно 34% потенциальной хими-
ческой энергии глюкозы запасается в виде АТФ;
точное значение будет варьировать, поскольку
значение AG меняется в зависимости от условий
внутри клетки. Клеточное дыхание удивительно
эффективно в преобразовании энергии. Для срав-
нения, даже самые эффективные автомобильные
двигатели превращают только около 25% запасен-
ной в бензине энергии в энергию, приводящую
машину в движение.
Остаток энергии, заключенной в глюкозе, вы-
деляется в виде тепла. Человек использует часть
этого тепла для поддержания довольно высокой
температуры тела (37°С), а оставшаяся теплота
выделяется с потом и посредством других меха-
низмов охлаждения.
Может показаться удивительным, но при не-
которых условиях понижение эффективности
клеточного дыхания может оказаться полезным.
У гибернирующих животных, тормозящих свою
активность и метаболизм зимой, есть очень ин-
тересная адаптация. Несмотря на то, что тем-
пература их тела ниже нормы, она все же долж-
на поддерживаться на уровне значительно выше
температуры окружающей среды. Особая ткань,
называемая бурым жиром, состоит из клеток, на-
битых митохондриями. Во внутренней мембране
их митохондрий содержит так называемый разоб-
щающий белок — канал, через который протоны
могут течь по градиенту концентрации, не при-
водя к синтезу АТФ. Активация этих белков у ги-
бернирующих млекопитающих вызывает окис-
ление запасов топлива (жира), что приводит к
248 Г ЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Построение стоаЬчатои диаграммы
и проверка шиотеуя
Влияет ли уровень тиреоидных гормонов на потребление кис-
лорода клетками? Некоторые животные, такие как птицы и мле-
копитающие, постоянно поддерживают температуру тела выше
температуры окружающей среды. Для этого они используют
тепло, образованное как побочный продукт метаболических ре-
акций. Когда температура тела таких животных падает ниже не-
которой установочной точки, их клетки снижают эффективность
синтеза АТФ в электрон-транспортной цепи митохондрий. Чтобы
в этих условиях синтез АТФ остался на прежнем уровне, необхо-
димо потратить больше топлива, а значит, выделяется больше теп-
ла. Поскольку эта реакция управляется эндокринной системой,
исследователи предположили, что она запускается тиреоидны-
ми гормонами. В этом задании вам предстоит начертить гисто-
грамму для визуализации данных, полученных в эксперименте по
сравнению скорости метаболизма (в качестве оценки изменяли
скорость потребления кислорода) в митохондриях, полученных
из клеток животных с разным уровнем тиреоидных гормонов.
Проведение эксперимента. Для эксперимента были использо-
ваны крысы из одного помета, которые имели низкий, нормаль-
ный или повышенный уровень тиреоидных гормонов; из их печени
были выделены клетки. Скорость потребления кислорода в элек-
трон-транспортной цепи митохондрий для каждого типа клеток
была измерена по стандартной методике.
Полученные экспериментальные данные:
Уровень тиреоидных гормонов Скорость потребления кислорода (нмоль О9/мин • мг клеток)
Низкий 4,3
Нормальный 4,8
Повышенный 8,7
Анализ данных
1. Для наглядности полезно представить данные в виде столбча-
той диаграммы. Сначала начертите оси. а) Какая из перемен-
ных является независимой (какую величину исследователи
изменяли) и находится на горизонтальной оси? Перечисли-
те категории по оси абсцисс; их можно расположить в лю-
бом порядке, поскольку они дискретны а не непрерывны.
б) Какая из переменных является зависимой (какую величи-
ну измеряют) и находится на вертикальной оси? в) Каковы
единицы измерения (сокращенно) величины на оси орди-
нат? Подпишите название величины и единицы измерения,
указанные в таблице. Определите размах значений, которые
должны быть на вертикальной оси. Какая величина наиболь-
шая? Нарисуйте на оси нужное количество отметок на рав-
ном расстоянии друг от друга и подпишите их, начиная от
нуля внизу.
2. Поставьте отметки на пересечении каждого значения на оси
х и соответствующего ему значения у, и нарисуйте столбики
правильной высоты для каждого образца. Почему столбчатая
диаграмма в данном случае подходит лучше, чем точечная
диаграмма или линейный график? (Чтобы узнать больше о
графиках, см. Приложение Г.)
3. Посмотрите на получившийся график, есть ли закономерно-
сти в данных? а) Какой тип клеток имеет самую высокую, а
какой — самую низкую скорость потребления кислорода?
б) Подтверждают ли эти данные предложенную гипотезу?
Поясните ответ, в) Основываясь на ваших знаниях о связи
электрон-транспортной цепи митохондрий и производства
тепла, предположите, какие из крыс имели самую высокую,
а какие — самую низкую температуру тела.
Источник данных: М.Е. Harper and M.D. Brand, The quantitative
contributions of mitochondrial proton leak and ATP turnover
reactions to the changed respiration rates of hepatocytes from rats
of different thyroid status, Journal of Biological Chemistry 268:14 850-
14860(1993).
выделению тепла без синтеза АТФ. Если бы этой
адаптации не было, накопление АТФ в определен-
ный момент привело бы к отключению клеточно-
го дыхания путем регуляторных механизмов, ко-
торые мы обсудим далее. Во врезке “Развиваем
исследовательские навыки” вы можете порабо-
тать с данными о схожем, но отличном механиз-
ме, когда снижение эффективности метаболизма
используется клетками для производства тепла.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 9.4
1.
2.
3.
Как повлияет отсутствие О2 на процесс, показанный на
рис. 9.15?
| Что произойдет, если вы понизите pH меж-
мембранного пространства митохондрии в отсутствие О2,
как и в вопросе 1? Объясните свой ответ.
I Чтобы нормально функциони-
ровать, мембраны (как вы узнали в разделе 7.1) должны быть
текучими. Почему это важно для работы электрон-транс-
портных цепей? см в Приложении А
А ЧТО, ЕСЛИ?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 249
9.5. Брожение и анаэробное
дыхание позволяют клеткам
синтезировать АТФ при отсутствии
кислорода
Поскольку в ходе клеточного дыхания большая
часть АТФ синтезируется путем окислительного
фосфорилирования, общее количество произве-
денного АТФ зависит от достаточного снабжения
клетки кислородом. Без электроотрицательного
кислорода, который “стягивает” электроны вниз
по электрон-транспортной цепи, окислительное
фосфорилирование рано или поздно прекрати-
лось бы. Однако, есть два механизма, позволяю-
щих клеткам окислять органические субстраты
и синтезировать АТФ и в отсутствие кислорода:
анаэробное дыхание и брожение. Различие между
ними состоит в том, что при анаэробном дыхании
электрон-транспортная цепь используется, а при
брожении — нет. (Электрон-транспортная цепь
называется также дыхательной цепью, поскольку
она работает и при аэробном, и при анаэробном
дыхании.)
Мы уже упоминали, что анаэробное дыха-
ние используется некоторыми прокариотами,
живущими в бескислородной среде. У этих ор-
ганизмов есть электрон-транспортная цепь, ко-
нечным акцептором в которой является не кисло-
род, а какое-либо другое соединение. Кислород в
этой роли более эффективен, поскольку он очень
электроотрицателен, но конечными акцептора-
ми могут быть и менее электроотрицательные
вещества. Например, некоторые “сульфат-реду-
цирующие” морские бактерии используют оста-
ток серной кислоты (SO42 ) в качестве конечного
акцептора. Электрон-транспортная цепь создает
протон-движущую силу для производства АТФ,
но в качестве побочного продукта образуется не
вода, а сероводород (H,S). Запах тухлых яиц, ко-
торый вы можете почувствовать, проходя по со-
леному болоту или по литорали,3 говорит о при-
сутствии сульфатредуцирующих бактерий.
Брожение — это процесс получения химиче-
ской энергии без использования какой бы то ни
было электрон-транспортной цепи, другими сло-
вами, без клеточного дыхания. Каким образом
можно окислить пищу без клеточного дыхания?
3 Участок берега, который затопляется соленой водой во
время прилива и осушается во время отлива. — Примеч. ред.
Вспомните, что окисление — это всего лишь поте-
ря электронов, которые передаются на какой-ли-
бо акцептор, т.е. без кислорода можно обой-
тись. В гликолизе молекула глюкозы окисляется
до двух молекул пирувата. Окислитель в глико-
лизе — это НАД*, и для этого процесса не нуж-
на ни электрон-транспортная цепь, ни кислород.
Гликолиз является экзергоническим процессом, и
часть выделяющейся энергии идет на производ-
ство двух молекул АТФ путем субстратного фос-
форилирования. Если кислород присутствует,
то с помощью окислительного фосфорилирова-
ния, когда НАДН передает электроны от глюко-
зы на электрон-транспортную цепь, синтезируют-
ся дополнительные молекулы АТФ. Тем не менее,
независимо от присутствия кислорода, в гликоли-
зе всегда образуется две молекулы АТФ — как в
аэробных, так и в анаэробных условиях.
Представляя собой альтернативу дыхательно-
му окислению органических субстратов, броже-
ние является продолжением гликолиза, которое
позволяет непрерывно фосфорилировать АТФ на
его субстратном уровне. Чтобы это могло прои-
зойти, количество НАД+ должно быть достаточ-
ным для того, чтобы принимать электроны на
окислительном этапе гликолиза. Без механизма
восполнения запаса НАД+ за счет НАДН гликолиз
вскоре исчерпает запас НАД* и прекратится из-
за отсутствия окислителя. В аэробных условиях
НАД* получается из НАДН в ходе переноса элек-
тронов по электрон-транспортной цепи. В ана-
эробных условиях альтернативой служит перенос
электронов с НАДН на пируват, конечный про-
дукт гликолиза.
Типы брожения
Брожение состоит из гликолиза и реакций пе-
редачи электронов с НАДН на пируват и его про-
изводные, которые необходимы для регенерации
НАД*. НАД* может затем вновь использоваться
для окисления сахаров в гликолизе, который дает
две молекулы АТФ путем субстратного фосфо-
рилирования. Существует множество видов бро-
жения, различающихся конечным продуктом,
образованным из пирувата. Два из них широко
используются людьми в пищевой и других отрас-
лях промышленности: спиртовое и молочнокис-
лое брожение.
При спиртовом брожении (рис. 9.17, а) пиру-
ват превращается в этанол (этиловый спирт) за
две стадии. Сначала от пирувата отщепляется
250 Г ЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
углекислый газ с образованием двухуглеродно-
го соединения ацетальдегида. На втором этапе
ацетальдегид с помощью НАДН восстанавлива-
ется до этанола. Это восполняет запас НАД+ для
продолжения гликолиза. Многие бактерии ис-
пользуют спиртовое брожение в бескислород-
ных условиях. Оно также происходит у дрожжей
(относятся к грибам). Люди тысячелетиями при-
меняли дрожжи для изготовления вина и хлеба.
Пузырьки СО,, образованные пекарскими дрож-
жами в ходе спиртового брожения, заставляют
хлеб подниматься.
2 Этанол 2 Ацетальдегид
а) Спиртовое брожение
2 Лактат
б) Молочнокислое брожение
О"
I
С-0
I
0=0
I
сн3
2 Пируват
Рис. 9.17. Брожение. В отсутствие кислорода многие клетки
переходят на брожение для получения АТФ путем субстрат-
ного фосфорилирования. Пируват, конечный продукт гликоли-
за, служит акцептором электронов, окисляя НАДН до НАД+,
который может быть затем повторно использован в гликолизе.
Два типичных конечных продукта брожения — это (а) этанол и
(б) лактат, ионизированная форма молочной кислоты
При молочнокислом брожении (рис. 9.17, б) пи-
руват восстанавливается НАДН напрямую, обра-
зуя лактат в качестве конечного продукта, поэто-
му выделения СО, не происходит. (Лактат — это
ионная форма молочной кислоты.) Некоторые
грибы и бактерии, способные к молочнокислому
брожению, используются в пищевой промышлен-
ности для производства сыров и йогуртов.
Мышечные клетки человека тоже способны
производить АТФ путем молочнокислого бро-
жения в условиях нехватки кислорода. Это про-
исходит при интенсивных физических нагруз-
ках, когда катаболизм сахаров для производства
АТФ опережает поступление в клетки кислоро-
да из крови. В этих условиях клетки переключа-
ются с аэробного дыхания на брожение. Раньше
считалось, что именно накопление лактата вызы-
вает чувство усталости и боли в мышцах, но по-
следние исследования говорят в пользу того, что
виновником этого может быть повышенный уро-
вень ионов калия (К+), а лактат, наоборот, улучша-
ет работу мышц. В любом случае, избыток лактата
с кровью поступает в печень, где он превращается
в пируват. Поскольку в клетках печени кислорода
достаточно, пируват может транспортироваться в
митохондрии и окисляться в процессе клеточного
дыхания.
Сравнение брожения, анаэробного
и аэробного дыхания
Брожение, анаэробное дыхание и аэробное
дыхание — три пути синтеза АТФ за счет химиче-
ской энергии питательных веществ. Все они начи-
наются с гликолиза, в котором глюкоза и другие
органические субстраты окисляются до пирувата,
при этом с помощью субстратного фосфорили-
рования синтезируется две молекулы АТФ. И во
всех этих путях в роли окислителя, принимающе-
го электроны от питательных веществ в процессе
гликолиза, выступает НАД*.
Ключевым различием между ними являет-
ся механизм окисления НАДН обратно до НАД*,
необходимого для поддержания гликолиза. При
брожении в качестве конечного акцептора элек-
тронов выступают органические молекулы, такие
как пируват (в молочнокислом брожении) и аце-
тальдегид (в спиртовом брожении). При клеточ-
ном дыхании же электроны с НАДН переносятся
в электрон-транспортную цепь, которая воспол-
няет необходимый для гликолиза запас НАД*.
ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 251
Еще одно важное различие состоит в количе-
стве синтезированного АТФ. Брожение дает две
молекулы АТФ путем субстратного фосфорили-
рования. Без электрон-транспортной цепи со-
держащаяся в пирувате энергия недоступна. При
клеточном дыхании пируват окисляется в ми-
тохондриях, и большая часть полученной энер-
гии в виде электронов передается НАДН и ФАДН
на электрон-транспортную цепь. Там электроны
движутся в серии окислительно-восстановитель-
ных реакций к конечному акцептору. (При аэроб-
ном дыхании конечный акцептор — это кисло-
род; при анаэробном дыхании — другая, чуть
менее электроотрицательная, молекула.) Поша-
говая передача электронов создает условия для
окислительного фосфорилирования АТФ. Таким
образом, в ходе дыхания запасается значитель-
но больше энергии в расчете на молекулу сахара,
чем это возможно при брожении. Действительно,
аэробное дыхание дает до 32 молекул АТФ на мо-
лекулу глюкозы, т.е. в 16 раз больше, чем возмож-
но при брожении.
Некоторые организмы могут быть облигат-
ными анаэробами. Это значит, что они способны
лишь к брожению и анаэробному дыханию. Эти
организмы не способны выжить в присутствии
кислорода, некоторые формы которого могут
быть токсичны для клетки, не имеющей специаль-
ных защитных механизмов. Некоторые типы кле-
ток, например, клетки мозга позвоночных, способ-
ны только к аэробному окислению пирувата, но не
к брожению. Другие организмы, включая дрож-
жи и многие бактерии, могут синтезировать до-
статочно АТФ как при брожении, так и при дыха-
нии. Такие виды называются факультативными
анаэробами. На клеточном уровне наши мышцы
ведут себя как факультативные анаэробы. В та-
ких клетках пируват — это перекресток метаболи-
ческих путей, который ведет в двух направлени-
ях (рис. 9.18). В аэробных условиях пируват может
превращаться в ацетил-СоА и окисление продол-
жается в цикле трикарбоновых кислот и элек-
трон-транспортной цепи. В анаэробных услови-
ях происходит молочнокислое брожение: пируват
перенаправляется и вместо цикла трикарбоновых
кислот идет на окисление НАДН, чтобы воспол-
нить пул НАД+ для гликолиза. Чтобы синтезиро-
вать то же количество АТФ, факультативные ана-
эробы при брожении должны потреблять сахар
гораздо быстрее, чем при дыхании.
Глюкоза
ЦИТОЗОЛЬ
Гликолиз
Пируват
Этанол, лактат
или другие
продукты
02 отсутствует:
брожение
эволюция
Рис. 9.18. Пируват — ключевое связующее звено катаболиз-
ма. Гликолиз — общее звено брожения и клеточного дыха-
ния. Конечный продукт гликолиза — пируват — представляет
собой своеобразную развилку катаболических путей окис-
ления глюкозы. Факультативные анаэробы или мышечные
клетки, способные и к аэробному дыханию, и к брожению:
направляют пируват по одному из этих путей, обычно в зави-
симости от наличия или отсутствия кислорода
Эволюционное значение гликолиза
Роль гликолиза в брожении и дыха-
нии имеет глубокие эволюционные корни. Счи-
тается, что древние прокариоты использовали
гликолиз для синтеза АТФ задолго до появления
кислорода в земной атмосфере. Возраст древней-
ших известных нам ископаемых бактерий оцени-
вается в 3,5 млрд лет, но сколько-нибудь значимые
количества кислорода не начали накапливаться в
атмосфере до 2,7 млрд лет назад. Цианобактерии
выделяли О, как побочный продукт фотосинте-
за. Таким образом, древнейшие прокариоты мог-
ли синтезировать АТФ только путем гликолиза.
Тот факт, что гликолиз — это самый распростра-
ненный метаболический путь среди ныне живу-
щих организмов свидетельствует о его раннем
возникновении. Цитозольная локализация глико-
лиза также указывает на его древность; этот путь
не нуждается в мембранных органеллах эукарио-
тической клетки, которые возникли примерно че-
рез миллиард лет после первых прокариотических
клеток. Гликолиз — это метаболическое наследие
самых ранних клеток, которое продолжает функ-
ционировать и при брожении, и как первый этап
окисления органических субстратов при дыхании.
252 ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 9.5
А ЧТО, ЕСЛИ?
1. Рассмотрим НАДН, образованный в гликолизе. Что является
конечным акцептором его электронов при брожении? При
аэробном дыхании?
2. Дрожжи, растущие на глюкозе, были пере-
несены из аэробной среды в анаэробную. Как измениться
скорость потребления глюкозы, если АТФ продолжит синте-
зироваться с той же скоростью?
Ответы см. в Приложении А.
9.6. Гликолиз и цикл
трикарбоновых кислот
объединяют множество
метаболических путей
До сих пор мы рассматривали окислительное
расщепление глюкозы отдельно от клеточного ме-
таболизма в целом. В этом разделе вы узнаете, что
гликолиз и цикл трикарбоновых кислот (он же
цикл Кребса) — это основные пересечения проте-
кающих в клетке катаболических (путей распада)
и анаболических (путей биосинтеза) путей.
Универсальность катаболизма
По ходу всей этой главы мы рассматривали
глюкозу как пример топлива для клеточного ды-
хания. Однако в рационе человека и других жи-
вотных свободная глюкоза встречается редко. Мы
получаем большую часть калорий в форме жиров,
белков, полисахарида крахмала, сахарозы и дру-
гих дисахаридов. Все эти органические молекулы
могут быть использованы в клеточном дыхании
для синтеза АТФ (рис. 9.19).
Гликолиз может работать с широким спектром
углеводов. В пищеварительном тракте крахмал
гидролизуется до глюкозы, которая затем может
расщепляться в гликолизе и цикле трикарбоно-
вых кислот. Таким же образом гликоген — поли-
сахарид, который люди и многие другие живот-
ные запасают в клетках печени и мышц, может
быть гидролизован до глюкозы между приемами
пищи и служить топливом для дыхания. Расще-
пление дисахаридов, например сахарозы, позво-
ляет получить глюкозу и другие моносахариды
для окисления в процессе дыхания.
Белки тоже могут использоваться как топли-
во, но сначала они должны быть расщеплены до
аминокислот. Значительная доля аминокислот
идет затем на построение новых белков организ-
ма. Аминокислоты, присутствующие в избытке,
превращаются в интермедиаты гликолиза и цик-
ла трикарбоновых кислот. Перед тем как амино-
кислоты смогут поступить в гликолиз или цикл
Кребса, их аминогруппы должны быть удалены в
процессе дезаминирования. Продукты азотистого
обмена выводятся в виде аммиака (NH^), мочеви-
ны или других соединений.
Белки
Амино-
кислоты
NH3
Углеводы Жиры
Сахара
Глицерин Жирные
кислоты
Глюкоза
ГЛИКОЛИЗ
Глицераль-
дегцд-3-фосфат
п
Пируват
Ацетил-СоА
г ЦИКЛ
ТРИКАРБО-
НОВЫХ
КИСЛОТ]
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Рис. 9.19. Катаболизм различных молекул, поступающих из
пищи. Углеводы, жиры и белки могут быть использованы в ка-
честве топлива для клеточного дыхания. Мономеры этих мо-
лекул вступают в гликолиз или цикл трикарбоновых кислот на
разных стадиях. Гликолиз и цикл трикарбоновых кислот — это
катаболические воронки, через которые электроны из всех
видов органических молекул в ходе экзотермических реак-
ций стекаются на кислород
С помощью катаболизма может быть извле-
чена и энергия, хранящаяся в молекулах жиров,
полученных из пищи или запасенных в жировой
ткани. После расщепления жиров на глицерин и
жирные кислоты, глицерин превращается в ин-
термедиат гликолиза — глицеральдегид-3-фос-
фат (ГЗФ). Большая часть энергии жиров со-
держится в жирных кислотах. Бета-окисление
жирных кислот — это метаболический процесс
Г ЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 253
их расщепления на двухуглеродные фрагменты,
входящие в цикл трикарбоновых кислот в виде
ацетил-СоА. В ходе бета-окисления также вос-
станавливаются НАДН и ФАДН,, которые могут
передавать электроны на электрон-транспорт -
ную цепь для производства АТФ. Жиры являют-
ся отличным топливом благодаря химической
структуре и более высокому, чем у углеводов,
энергетическому уровню электронов (поровну
распределенных между кислородом и водородом).
Один грамм жира при расщеплении дает более
чем в два раза больше АТФ, чем грамм углеводов.
К сожалению, это также означает, что человек,
желающий сбросить вес, должен очень постарать-
ся, чтобы потратить энергию, запасенную в виде
жира.
Биосинтез (анаболические пути)
Помимо энергии, клетки нуждаются в ве-
ществах. Не все органические молекулы в пище
идут на окисление с образованием АТФ. Вдоба-
вок к калориям, пища несет атомы углерода для
построения собственных молекул организма. Не-
которые органические мономеры могут использо-
ваться в неизменном виде сразу после их всасыва-
ния в кишечнике. Например, как было упомянуто
выше, аминокислоты, получившиеся при гидро-
лизе белков из пищи, могут сразу идти на син-
тез собственных белков организма. Однако зача-
стую организму требуются молекулы, которые
отсутствуют в пище как таковые. Интермедиаты
гликолиза и цикла трикарбоновых кислот могут
перенаправляться в анаболические пути в каче-
стве предшественников, из которых клетка мо-
жет синтезировать необходимые молекулы. На-
пример, в организме человека примерно половина
из 20 протеиногенных аминокислот может синте-
зироваться путем модификации интермедиатов
цикла трикарбоновых кислот; оставшиеся неза-
менимые аминокислоты должны быть получены
напрямую из пищи. Кроме того, глюкоза может
образоваться из пирувата, а жирные кислоты —
из ацетил-СоА. Разумеется, АТФ в анаболических
путях не синтезируется, а тратится.
Кроме того, гликолиз и цикл трикарбоновых
кислот работают как метаболические обменники,
позволяющие клетке превращать одни вещества
в другие по мере надобности. Например, интер-
медиат гликолиза дигидроксиоксиацетонфосфат
(ДГАФ, см. рис. 9.9, стадия 5) может быть превра-
щен в один из предшественников жиров. Если мы
едим больше, чем нужно, мы запасаем жир, даже
если в нашем рационе нет жиров. Многообразие
метаболических процессов позволяет организмам
приспосабливаться к различным условиям.
Регуляция клеточного дыхания
механизмами обратной связи
Экономика метаболизма руководствуется фун-
даментальным принципом спроса и предложе-
ния. Клетка не растрачивает энергию, произво-
дя больше какого-либо вещества, чем требует-
ся. Если образуется излишек, например, какой-то
аминокислоты, то анаболический путь, произво-
дящий эту аминокислоту из интермедиата цикла
Кребса, выключается. Чаще всего такая регуляция
осуществляется по механизму отрицательной об-
ратной связи: конечный продукт анаболического
пути ингибирует фермент, катализирующий один
из ранних этапов пути (см. рис. 8.21). Таким обра-
зом, метаболиты направляются на более актуаль-
ные нужды.
Клетка также управляет своим катаболизмом.
Если нагрузки велики и запасы АТФ подходят
к концу, дыхание усиливается. Когда АТФ с из-
бытком покрывает нужды, дыхание замедляется,
и органические молекулы идут в другие процес-
сы. Регуляция катаболизма также основывается
на изменении активности ферментов в стратеги-
ческих точках пути. На рис. 9.20 показан один из
таких ферментов — фосфофруктокиназа, ката-
лизирующая стадию 3 гликолиза (см. рис. 9.9). Это
первый фермент, который направляет субстрат
в гликолиз безвозвратно. Контролируя скорость
этой стадии, клетка может ускорить или замед-
лить весь катаболический процесс. Фосфофрук-
токиназа может таким образом считаться водите-
лем ритма (или пейсмейкером, от англ, pacemaker)
дыхания.
Фосфофруктокиназа подвержена аллостери-
ческой регуляции и имеет сайты связывания для
разных ингибиторов и активаторов. Она инги-
бируется АТФ и активируется АМФ (аденозин-
монофосфат), который происходит из АДФ. При
накоплении АТФ ингибирование фосфофрукто-
киназы тормозит гликолиз. Фермент вновь стано-
вится активным, когда в ходе совершения клеткой
работы АТФ превращается в АДФ (и в АМФ) бы-
стрее, чем запас АТФ восполняется. Фосфофрук-
токиназа чувствительна также к уровню цитра-
та — первого интермедиата цикла трикарбоновых
254 Г ЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
Глюкоза
г ЦИКЛ 1
ТРИКАРБО-
НОВЫХ
.КИСЛОТ J
Окислительное
фосфорилирование
Рис. 9.20. Регуляция клеточного дыхания. Но некоторых этапах
дыхательного пути работают аллостерические ферменты ко-
торые изменяют свою активность в ответ на активаторы и ин-
гибиторы и таким образом помогают регулировать скорость
гликолиза и цикла трикорбоновых кислот. Одним из таких
ферментов является фосфофруктокиназа, катализирующая
одну из ранних стадий гликолиза (см. рис. 9.9, этап 3) Она ак-
тивируется АМФ. производным АДФ. но ингибируется АТФ и
цитратом. Такая регуляция по принципу обратной связи под-
страивает скорость дыхания под изменения катаболических
и анаболических нужд клетки
кислот. Когда цитрат накапливается в митохон-
дриях, некоторая его доля поступает в цитозо-
ль и ингибирует фосфофруктокиназу. Этот ме-
ханизм позволяет синхронизировать скорость
гликолиза и цикла трикарбоновых кислот. При
накоплении цитрата гликолиз замедляется, и при-
ток ацетил-СоА в цикл Кребса ослабевает. Если
потребление цитрата увеличивается, что может
происходить либо из-за повышения потребно-
сти в АТФ, либо из-за оттока метаболитов из цик-
ла Кребса в анаболические пути, гликолиз уско-
ряется и отвечает на запрос. Баланс метаболизма
укрепляется контролем за ферментами, катализи-
рующими другие стадии гликолиза и цикла три-
карбоновых кислот. Клеточный метаболизм от-
личается экономичностью, рациональностью и
чувствительностью к изменениям.
Клеточное дыхание и метаболические пути
имеют огромное значение для организма. Вер-
нитесь к рис. 9.2, чтобы пересмотреть клеточное
дыхание в более широком контексте движения
потоков энергии и веществ в экосистемах. Под-
держивающая нашу жизнь энергия не образует-
ся. а высвобождается при клеточном дыхании.
Мы получаем из пищи энергию, которая была за-
пасена там в процессе фотосинтеза. В главе 10
вы узнаете, как фотосинтезирующие организмы
улавливают свет и превращают его в энергию хи-
мических связей.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 9.6
1.
2.
3.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Сровните структуру молекулы
жира (см. рис. 5.9) и молекулы углевода (см. рис. 5.3). Какие
свойство делают жир лучшим топливом'’
При каких условиях организм может синтезировать жиры?
| Что произойдет в мышечной клетке, если
она исчерпает свои запасы кислорода и АТР? (Вспомните
рис. 9.18 И 9.20.)
А ЧТО, ЕСЛИ?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Может ли мышечная клетко при интенсив-
ной нагрузке использовать жиры как концентрированный
источник энергии? Объясните. (Вспомните рис. 9.18 и 9.19.)
Ответы см. в Приложении А
ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 255
Обзор главы
9.1. КАТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ ВЕДУТ
К ОБРАЗОВАНИЮ ЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ
ОКИСЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ
• Клетки расщепляют глюкозу и другие органические
молекулы, чтобы получать химическую энергию
в форме АТФ. Брожение — это процесс частично-
го расщепления глюкозы без использования кисло-
рода. Клеточное дыхание — это более полное рас-
щепление глюкозы; в реакциях аэробного дыхания
участвует кислород. Клетка извлекает энергию, за-
пасенную в молекулах питательных веществ, с по-
мощью окислительно-восстановительных реак-
ций, в которых электроны частично или полностью
переносятся с одного вещества на другое. Окисле-
ние — это потеря электронов одним веществом, а
восстановление — присоединение электронов к
другому веществу.
• При аэробном дыхании глюкоза (С(1Н[2Оь) окис-
ляется до СО,, а О2 восстанавливается до Н,О.
В процессе перехода от глюкозы или других орга-
нических молекул на кислород электроны теряют
потенциальную энергию. Обычно электроны сна-
чала передаются на НАД+, восстанавливая его до
НАДН, а затем с НАДН электроны поступают в
электронтранспортную цепь, через которую они
за несколько экзергонических стадий поступают на
О,. Выделившаяся энергия используется для синте-
за АТФ.
• Аэробное дыхание состоит из трех этапов: 1) глико-
лиз, 2) окисление пирувата и цикл трикарбоновых
кислот (цикл лимонной кислоты, цикл трикарбоно-
вых кислот) и 3) окислительное фосфорилирование
(транспорт электронов и хемиосмос).
И Опишите различия между двумя процессами дыха-
ния, приводящими к синтезу АТФ: окислительным фос-
форилированием и субстратным фосфорилированием?
9.2. В ГЛИКОЛИЗЕ ХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ
ЗАПАСАЕТСЯ ПРИ ОКИСЛЕНИИ ГЛЮКОЗЫ
ДО ПИРУВАТА
• Гликолиз (“расщепление сахара”) состоит из после-
довательных стадий распада глюкозы до двух мо-
лекул пирувата (которые могут затем войти в цикл
трикарбоновых кислот) и дает две АТФ и две НАДН
в расчете на одну молекулу глюкозы.
Q Какие реакции гликолиза протекают с образовани-
ем АТФ и восстановлением НАД*?
Исходные
вещества
Глюкоза
2 Пируват + 2
Продукты
+ 2 НАДФ
9.3. ЗА ОКИСЛЕНИЕМ ПИРУВАТА СЛЕДУЕТ
ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ, КОТОРЫМ
ЗАВЕРШАЕТСЯ ОКИСЛЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ, ИДУЩЕЕ С ВЫСВОБОЖДЕНИЕМ
ЭНЕРГИИ
• В клетках эукариот пируват поступает в митохонд-
рии и окисляется там до ацетил-СоА, который под-
вергается дальнейшему окислению в цикле трикар-
боновых кислот.
Исходные вещества Продукты
2 Пируват —-►? Ацетил-СоА
2 Оксалоацетат
6 ф 2|ФАДФ;|
Какие молекулярные продукты свидетельствуют о
полном окислении глюкозы в ходе клеточного дыхания?
9.4. В ПРОЦЕССЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО
ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ ХЕМИОСМОС СОПРЯГАЕТ
ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНОВ С СИНТЕЗОМ АТФ
• НАДН и ФАДН, передают электроны на электрон-
транспортную цепь. Электроны движутся вниз по
цепи, теряя энергию за несколько стадий. В итоге элек-
троны передаются на О,, восстанавливая его до Н,О.
(несёт электроны, полученные из пищи)
256 ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
• На некоторых участках электрон-транспортной
цепи перенос электронов приводит к тому, что бел-
ковые комплексы перекачивают Н" из митохонд-
риального матрикса (у эукариот) в межмембран-
ное пространство. При этом энергия запасается в
виде протон-движущей силы (градиента Н+). Когда
Н* возвращаются обратно в матрикс через каналы
АТФ-синтазы, то они становятся движущей силой
для фосфорилирования АДФ с образованием АТФ.
Этот процесс называется хемиосмосом.
• Около 34% запасенной в молекуле глюкозы энергии
в процессе клеточного дыхания трансформируется
в АТФ, при этом может синтезироваться до 32 мо-
лекул АТФ.
Кратко опишите механизм фосфорилирования АТФ
АТФ-синтазой. Перечислите три клеточные структу-
ры, где могут находиться АТФ-синтазы.
9.5. БРОЖЕНИЕ И АНАЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ
ПОЗВОЛЯЮТ КЛЕТКАМ СИНТЕЗИРОВАТЬ АТФ
ПРИ ОТСУТСТВИИ КИСЛОРОДА
• Независимо от присутствия кислорода, в процессе
гликолиза образуются две молекулы АТФ. В анаэ-
робных условиях может происходить брожение и
анаэробное дыхание. В анаэробном дыхании уча-
ствует электрон-транспортная цепь, однако вместо
кислорода терминальным акцептором является ка-
кая-либо другая молекула. При брожении электро-
ны от НАДН передаются на пируват или его про-
изводное, восполняя запас НАД+, необходимого для
окисления глюкозы. Двумя самыми распространен-
ными типами брожения являются спиртовое и мо-
лочнокислое брожение.
• Брожение, анаэробное и аэробное дыхание начи-
наются с гликолиза, но они различаются конеч-
ными акцепторами электронов и участием элек-
трон-транспортной цепи (она работает при дыхании
и не работает при брожении). Дыхание дает боль-
ший выход АТФ; аэробное дыхание с О, в качестве
терминального акцептора дает примерно в 16 раз
больше АТФ, чем брожение.
• Гликолиз идет практически у всех организмов, и
считается, что он развился у древнейших прокари-
от еще до того, как в атмосфере появился О,.
D Какой из процессов дает больше АТФ: брожение или
анаэробное дыхание? Объясните свой ответ.
9.6. ГЛИКОЛИЗ И ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
ОБЪЕДИНЯЮТ МНОЖЕСТВО МЕТАБОЛИЧЕСКИХ
ПУТЕЙ
• Катаболические пути направляют электроны от
множества различных органических молекул в про-
цессы клеточного дыхания. Многие углеводы могут
вступать в гликолиз, обычно после превращения
в глюкозу. Аминокислоты, полученные из белков,
прежде чем быть окислены, должны быть дезами-
нированы. Жирные кислоты подвергаются бета-
окислению до двухуглеродных фрагментов, кото-
рые затем входят в цикл трикарбоновых кислот в
виде ацетил-СоА. Анаболические пути могут ис-
пользовать мелкие молекулы, поступившие на-
прямую из пищи, или же синтезировать новые со-
единения из интермедиатов гликолиза или цикла
трикарбоновых кислот.
• Регуляция клеточного дыхания осуществляется ал-
лостерическими ферментами на ключевых этапах
гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.
В Опишите, как катаболические пути (гликолиз и
цикл трикарбоновых кислот) пересекаются с анаболи-
ческими путями в клеточном метаболизме?
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Непосредственным источником энергии для фос-
форилирования АДФ АТФ-синтазой в ходе окисли-
тельного фосфорилирования является:
а) окисление глюкозы и других органических суб-
стратов
б) движение электронов вниз по электронтранс-
портной цепи
в) градиент концентрации Н+ на мембране, где рас-
положена АТФ-синтаза
г) перенос фосфата на АДФ
2. Какой из перечисленных метаболических путей
входит как в брожение, так и в клеточное дыхание?
а) цикл трикарбоновых кислот (Кребса)
б) электрон-транспортная цепь
в) гликолиз
г) окисление пирувата до лактата
3. Конечный акцептор электронов в электрон-транс-
портной цепи при аэробном окислительном фосфо-
рилировании — это:
а) кислород в) НАД+
б) вода г) пируват
Г ЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования 257
4. Экзергонические реакции в митохондриях:
а) являются источником энергии для синтеза АТФ
у прокариот;
6) дают энергию для установления протонного гра-
диента;
в) восстанавливают атомы углерода до углекислого
газа;
г) через фосфорилированные интермедиаты связа-
ны с эндергоническими процессами.
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
5. Какой из реагентов в данной реакции является
окислителем?
Пируват + НАДН + Н+ -» Лактат + НАД+
а) кислород в)лактат
6) НАДН г) пируват
6. Какое из нижеперечисленных изменений проис-
ходит при движении электронов вниз по элек-
трон-транспортной цепи митохондрий?
а) pH матрикса возрастает.
6) АТФ-синтаза перекачивает протоны путем ак-
тивного транспорта.
в) Электроны получают свободную энергию.
г) НАД+ окисляется.
7. Большая часть СО2 при катаболизме выделяется в:
а) гликолизе
6) цикле трикарбоновых кислот (Кребса)
в) молочнокислом брожении
г) электрон-транспортной цепи
Стадия 3 на рис. 9.9 — ос-
новной пункт регуляции гликолиза. Фермент фос-
фофруктокиназа аллостерически регулируется АТФ
и родственными ему молекулами (см. главу 8, раз-
дел 8.5). Что вам кажется вероятнее: что АТФ будет
активировать или ингибировать этот фермент? По-
ясните ответ. (Подсказка: убедитесь, что вы рассмат-
риваете АТФ именно как аллостерический регуля-
тор, а не как субстрат для фосфофруктокиназы.)
Схематично изображенная
фиолетовым цветом на рис. 7.17 протонная помпа
на самом деле является АТФ-синтазой (см. рис. 9.14).
Сравните процессы на этих схемах и определите, от-
носятся ли они к активному или пассивному транс-
порту (см. главу 7, разделы 7.3 и 7.4).
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
10.
АНАЛИЗ ДАННЫХ
Фосфофруктокиназа — это фер-
мент, фосфорилирующий фруктозо-6-фосфат на
одной из ранних стадий расщепления глюкозы. Ре-
гуляция этого фермента влияет на то, продолжится
ли распад глюкозы в гликолизе. Посмотрите на гра-
фик и ответьте, при каких условиях фосфофрукто-
киназа более активна?
Исходя из знаний о гликолизе и регуляции ме-
таболизма этим ферментом, объясните механизм,
ответственный за разницу ак-
тивности фосфофруктокиназы
в зависимости от концентрации
АТФ.
ИЗОБРАЗИ!
11. На графике показа-
на разница pH по две стороны
внутренней митохондриальной
мембраны в активно дышащей
клетке. В момент времени, отме-
ченный вертикальной стрелкой,
был добавлен метаболический яд,
который специфически и полно-
стью блокирует все функции ми-
тохондриальной АТФ-синтазы.
Нарисуйте продолжение графика
и объясните, почему вы провели
линию именно таким образом.
12.
АТФ-синтазы располагаются на
Низкая
концентрация АТФ
Высокая
концентрация
АТФ
Концентрация
фруктозо-6-фосфата
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
плазматических мембранах прокариот, а также на
мембранах митохондрий и хлоропластов. Что мож-
но сказать об эволюционных отношениях между
этими органеллами эукариот и прокариотами? Ка-
ким образом аминокислотная последовательность
разных АТФ-синтаз может поддержать или опро-
вергнуть вашу гипотезу?
НАУЧНОЕИССЛЕДОВАНИЕ
13. В 1930-х некоторые врачи
прописывали низкие дозы вещества под названи-
ем динитрофенол (ДНФ) для снижения веса. Этот
опасный метод запретили, после того как несколь-
ко пациентов погибли. ДНФ разобщает дыхание и
окислительное фосфорилирование, делая липид-
ный бислой внутренней мембраны митохондрий
проницаемым для Н1. Объясните, почему это мо-
жет вести к снижению массы тела и смерти.
14. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ "ОРГАНИЗАЦИЯ"
Напишите краткое эссе (100-150 слов) о том, что
окислительное фосфорилирование — синтез АТФ
с использованием энергии окислительно-восстано-
вительных реакций в электрон-транспортной цепи
является примером возникновения новых свойств
на более высоком уровне организации системы.
15.
ОБОБЩИ СВОИ ЗНАНИЯ
Кофермент Q (CoQ) продается в
качестве пищевой добавки.
Маркетинговый слоган одной
из компаний для CoQ: “Дайте ва-
шему сердцу топливо, которого
оно больше всего желает”. Учиты-
вая роль кофермента Q, каким об-
разом, по вашему мнению, эта пи-
щевая добавка может работать на
благо сердца? Используется ли CoQ в качестве “топ-
лива” при дыхании?
Ответы см. в Приложении А.
258 ГЛАВА 9 Эволюция, основные темы биологии и методы научного исследования
ТЕМЫ ГЛАВЫ
Рис. 10.1. Как солнечный свет помогает создать ствол,
ветви и листья этого широколиственного дерева?
10.1 . Фотосинтез преобразует
световую энергию в химическую
энергию пищи
ИО.2. Световые реакции переводят
световую энергию в химическую
энергию АТФ и НАДФН
0 В цикле Кальвина химическая
энергия АТФ и НАДФН
используется для превращения
СО2 в сахара
10.4. В жарком и засушливом
климате сформировались
альтернативные механизмы
фиксации углерода
Процесс, питающий биосферу
изнь на Земле возможна исключительно благодаря
солнечной энергии. Хлоропласты растений и других
фотосинтезирующих организмов улавливают энергию света,
пролетевшего 150 миллионов километров от Солнца до Зем-
ли, и превращают ее в химическую энергию, которую запаса-
ют в форме сахаров и других органических молекул. Процесс
этого преобразования называют фотосинтезом. Сперва да-
вайте рассмотрим его с экологической точки зрения.
Фотосинтез питает, прямо или косвенно, весь живой
мир. Организм получает органические вещества, из кото-
рых он затем извлекает энергию и строит углеродные ске-
Не только растения получают выгоду
от фотосинтеза
леты, одним из двух основных способов питания: автотро-
фным или гетеротрофным. Автотрофы питают себя сами
(auto- означает “себя”, trophos — “питание”): они поддер-
живают свою жизнь, не поедая другие живые существа, их
части или продукты жизнедеятельности. Автотрофы соз-
дают органические молекулы из СО, и других неоргани-
ческих соединений, полученных из окружающей среды.
Они — единственный источник органических веществ для
всех неавтотрофных организмов. По этой причине биоло-
ги называют автотрофы продуцентами биосферы.
Почти все растения являются автотрофами;
для питания им нужны только вода, минераль-
ные вещества из почвы и углекислый газ из воз-
духа. Если говорить точнее, растения — фото-
автотрофы: организмы, которые используют свет
как источник энергии для синтеза органических
веществ (рис. 10.1). Фотосинтез осуществляется так-
же в клетках водорослей, ряда одноклеточных
эукариот и некоторых прокариот (рис. 10.2). В дан-
ной главе мы кратко рассмотрим эти группы ор-
ганизмов, но в основном будем говорить о рас-
тениях.
Гетеротрофы получают органические веще-
ства другим способом. Они не способны питать
себя сами, поэтому используют вещества, произ-
веденные другими организмами (hetero- означает
“другие”). Гетеротрофы — консументы биосферы.
Самый очевидный случай “питания другим” —
это когда животное поедает растения или других
животных. Однако гетеротрофное питание мо-
жет быть и менее явным. Некоторые гетеротрофы
поглощают останки мертвых организмов, разла-
гая их, и питаются органическими остатками —
трупами, фекалиями, опавшими листьями. Такие
организмы называются редуцентами. Этот спо-
соб питания типичен для большинства грибов и
многих видов прокариот. Почти все гетеротрофы,
включая людей, полностью зависят, напрямую
или косвенно, от органических веществ, создан-
ных фотоавтотрофами, а также от кислорода, по-
бочного продукта фотосинтеза.
Запасы ископаемого топлива на Земле были
сформированы сотни миллионов лет назад из
останков мертвых организмов. В этом смысле ис-
копаемое топливо представляет собой запасы сол-
нечной энергии из далекого прошлого. Поскольку
эти ресурсы тратятся с гораздо большей скоро-
стью, чем восстанавливаются, исследователи ста-
раются придумать способ, как использовать фо-
тосинтез для получения альтернативных видов
топлива (рис. 10.3).
В этой главе вы узнаете, как работает фотосин-
тез. Мы обсудим общие принципы фотосинтеза, а
затем рассмотрим две его стадии: световые реак-
ции, превращающие энергию света в химическую
энергию, и цикл Кальвина, в котором эта хими-
ческая энергия используется для создания орга-
нических молекул. Наконец, мы поговорим о не-
которых аспектах фотосинтеза с точки зрения
эволюции.
Рис. 10.2. Фотоавтотрофы. Эти организмы используют энер-
гию света для синтеза органических веществ из углекисло-
го газа и воды (в большинстве случаев). Благодаря этому они
создают пищу для себя и всех остальных живых организмов
на Земле, (а) На суше растения — основные продуценты
пищи. В водных экосистемах среди фототрофов встречаются
одноклеточные и (б) многоклеточные водоросли, как эта бу-
рая водоросль; (в) некоторые другие одноклеточные эукари-
оты, например, Euglena; (г) прокариоты — цианобактерии; и
(д) другие фотосинтезирующие прокариоты, как эти пурпур-
ные серобактерии, откладывающие серу (желтые глобулы
внутри клеток) (световая микроскопия)
260 ГЛАВА 10 Фотосинтез
Рис.10.3. Альтернативное топливо из водорослей. Мы можем
использовать энергию света, чтобы создать экологичную аль-
тернативу ископаемым видам топлива. Некоторые виды од-
ноклеточных водорослей в больших количествах производят
растительные масла. Такие водоросли можно культивировать
в длинных прозрачных контейнерах — фотобиореакторах, на-
пример таком, как на фото — в Университете штата Аризона.
С помощью простого химического процесса получают "био-
топливо", которое можно смешать с бензином или использо-
вать в чистом виде для заправки автомобилей
А ЧТО, ЕСЛИ?
Основной продукт сжигания ископаемого топ-
ливо — СО2, в этом причина увеличения концентрации СО2 в
атмосфере. Ученые предложили расположить контейнеры с
такими водорослями возле промышленных предприятий или
сильно загруженных улиц. В чем смысл этой идеи с точки зре-
ния фотосинтеза?
10.1. Фотосинтез преобразует
световую энергию в химическую
энергию пищи
Замечательная способность некоторых живых
организмов улавливать световую энергию и ис-
пользовать ее для синтеза органических веществ
возможна благодаря структурной организации
их клеток: фотосинтетические ферменты и дру-
гие молекулы собраны в клеточной мембране в
определенном порядке, что обеспечивает эффек-
тивное протекание химических реакций. Фото-
синтез, по-видимому, впервые возник у одной из
групп бактерий, в плазматической мембране ко-
торых имелись впячивания, содержащие класте-
ры (группы) таких молекул. У ныне существую-
щих фотосинтезирующих бактерий мембранные
впячивания работают сходным с хлоропластами
(органеллами эукариотических клеток) образом.
Согласно эндосимбиотической теории, первый
хлоропласт был фотосинтетическим прокариотом,
живущим внутри предка эукариотической клет-
ки (об этой теории мы говорили в главе 6). Хло-
ропласты присутствуют у разных фотосинтези-
рующих организмов (см. рис. 10.2), но в этой главе
мы детально рассмотрим хлоропласты растений.
Хлоропласты: центры, где происходит
фотосинтез у растений
Хлоропласты есть во всех зеленых частях рас-
тения, включая стебли и незрелые плоды. Но у
большинства растений основной фотосинтези-
рующий орган — это листья (рис. 10.4). Внутри
участка листа площадью 1 мм? содержится око-
ло полумиллиона хлоропластов. Больше всего их
в клетках мезофилла — внутренней ткани листа.
Углекислый газ входит, а кислород выходит из ли-
ста через микроскопические поры — устьица.
Вода, поглощенная корнями, переносится в лист
по жилкам. Листья также используют жилки для
передачи сахаров в корни и другие нефотосинте-
зирующие части растения.
В типичной клетке мезофилла содержится око-
ло 30-40 хлоропластов, каждый из которых име-
ет размеры 4-7 мкм в длину и 2-4 мкм в шири-
ну. Оболочка хлоропласта, состоящая из двух
мембран, окружает густую жидкость — строму.
Внутри стромы располагается еще одна систе-
ма мембран, состоящая из мембранных мешоч-
ков — тилакоидов, которые отделяют строму от
внутритилакоидного пространства. На некото-
рых участках тилакоиды могут собираться в стоп-
ки, которые называются гранами. В тилакоидных
мембранах хлоропластов расположены молекулы
хлорофилла — пигмента, придающего листьям зе-
леную окраску. (Внутренние фотосинтетические
мембраны некоторых прокариот также называют-
ся тилакоидами.) Именно хлорофилл поглощает
световую энергию, необходимую для синтеза ор-
ганических молекул в хлоропластах. Рассмотрев
участок клетки, где происходит фотосинтез, мы
можем подробнее разобрать его механизмы.
Отслеживаем атомы в ходе фотосинтеза
(научное исследование)
Ученые не одно столетие пытались разобрать-
ся в процессах, благодаря которым растения соз-
дают пищу. Хотя некоторые стадии фотосинтеза
до сих пор не до конца изучены, общий принцип
известен с 1800-х годов: на свету зеленые части
растения образуют органические вещества и кис-
лород из углекислого газа и воды. Сложную серию
ГЛАВА 10 Фотосинтез 261
химических реакций, составляю-
щих фотосинтез, можно записать в
виде общего уравнения:
6СО,+ 12Н,О+
+ Световая энергия -> С6Н12О( +
+ 6О2 + 6Н2О
Здесь в качестве продукта реак-
ции указана глюкоза (C(Hl2Of), что-
бы было легче сопоставлять фотосин-
тез и дыхание. Однако непосредственным
продуктом фотосинтеза является трехугле-
родный сахар, из которого можно получить
глюкозу. Вода присутствует в обеих частях
уравнения, поскольку во время фотосин-
теза используется 12 молекул воды, а еще
шесть создаются. Уравнение можно упро-
стить, указав только суммарные затраты воды:
6СО,+ 6Н,О + Световая энергия Э-
^С6Н|2Об + 6О2
Записав уравнение в таком виде, мы можем за-
метить, что суммарное химическое превращение
при фотосинтезе противоположно клеточному
дыханию (см. главу 9, раздел 9.1). Оба этих про-
цесса протекают в растительных клетках. Одна-
ко, как мы вскоре увидим, синтез сахаров в хло-
ропластах не является “дыханием наоборот”.
Если мы разделим уравнение фотосинтеза на
шесть, то получим его простейшую формулу:
СО2+Н2О^ [СН2О] +о2
Квадратные скобки означают, что СН,О — это
не конкретное вещество, а общая формула угле-
вода (см. главу 5, раздел 5.2). Другими словами,
с помощью этого уравнения мы представляем
пошаговый синтез углеводов — по одному атому
углерода за шаг. Шесть повторений этого процес-
са теоретически должны привести к образованию
одной молекулы глюкозы (С Н12О6). Рассмотрим
теперь, как исследователям удалось отследить
путь элементов С, Н и О от исходных веществ фо-
тосинтеза к его продуктам.
Расщепление воды
Одним из первых ключей к пониманию меха-
низма фотосинтеза были данные о том, что вы-
деляемый растениями О, образуется из Н,О, а
не СО,. Таким образом, хлоропласт расщепля-
ет воду на водород и кислород. До этого откры-
тия, согласно основной гипотезе, считалось, что
в ходе фотосинтеза расщепляется углекислый газ
Рис. 10.4. Где происходит фотосинтез.
Листья — главные фотосинтезирующие »М|<М ।
органы растения. На этом рисунке по-
следовательно изображены лист, клетка и, наконец, хлоро-
пласт — органелла, в которой происходит фотосинтез. (Фо-
тография клетки с хлоропластами в центре рисунка получена
путем световой микроскопии; изображение внутреннего стро-
ения хлоропласта внизу — путем трансмиссионной электрон-
ной микроскопии.)
262 ГЛАВА 10 Фотосинтез
(CO, -» С + О J, а затем к углероду присоединяется
вода (С + Н,О -> [СН,О]). В соответствии с этим
предположением, выделяемый при фотосинте-
зе О, происходит из СО,. Эту идею в 1930-х гг.
оспорил сотрудник Стэнфордского университета
К.Б. ван Ниль. Ван Ниль исследовал фотосинтез у
бактерий, которые синтезируют углеводы из СО,,
но не выделяют О,. Он пришел к заключению,
что, по крайней мере у этих бактерий, СО, не рас-
щепляется на углерод и кислород. Одна из иссле-
дуемых групп бактерий, серобактерии, использу-
ет для фотосинтеза не воду, а сероводород (H,S),
при этом в качестве побочного продукта образу-
ются желтые гранулы серы (эти гранулы видны на
рис. 10.2, д). Химическое уравнение фотосинтеза у
серобактерий выглядит так:
СО,+ 2H,S -> [СН,О] + Н,О +2S
Ван Ниль заключил, что эти бактерии рас-
щепляют H,S и используют атомы водорода для
синтеза сахаров. Затем он обобщил эту идею,
предположив, что всем фотосинтезирующим ор-
ганизмам необходим источник водорода, но этот
источник может быть различным:
Серобактерии: СО,+ 2H,S -> [СН,О] + Н,О +2S
Растения: СО,+ 2Н,О -> [СН,О] + Н,О +О,
Общее уравнение: СО,+ 2Н,Х -» [СН,О] + Н,О +2Х
Таким образом, ван Ниль предположил, что
растения расщепляют воду и используют ее как
источник электронов из атомов водорода, а О,
выделяется в качестве побочного продукта.
Почти 20 лет спустя ученые подтвердили ги-
потезу ван Ниля. Они использовали кислород-18
(,8О) — тяжелый изотоп кислорода, чтобы отсле-
дить перемещение атомов кислорода в ходе фото-
синтеза. Исследование показало, что О, растений
содержал 18О только в том случае, когда источ-
ником этого изотопа была вода (эксперимент 1).
Если 18О вводили в растение в составе СО,, то в
выделенном О, метка не появлялась (экспери-
мент 2). Ниже приведены уравнения, где меченые
атомы кислорода (18О) выделены цветом:
Эксперимент 1: СО,+ 2Н,О [СН,О] + Н,О +О,
Эксперимент 2: СО,+ 2Н,О [СН,О] + Н,О +О,
В результате перераспределения атомов в ходе
фотосинтеза водород “извлекается” из воды и
включается в состав сахара. Побочный продукт
фотосинтеза, О„ выделяется в атмосферу. На
рис. 10.5 показано перераспределение всех атомов в
фотосинтезе.
Исходные вещества: 6СО9 12Н9О
,/лг \
Продукты: С6Н12О6 6Н2О 6О2
Рис. 10.5. Судьба разных атомов в ходе фотосинтеза. Атомы
СО2 отмечены розовым, атомы Н2О — синим
Фотосинтез — окислительно-
восстановительный процесс
Давайте сравним фотосинтез и клеточное
дыхание. Оба процесса включают окислительно-
восстановительные реакции. В ходе дыхания
энергия высвобождается из молекулы сахара, когда
ассоциированные с атомами водорода электроны
переносятся на кислород с образованием воды как
побочного продукта. По мере продвижения вниз
по электрон-транспортной цепи в направлении
электроотрицательного кислорода электроны
теряют потенциальную энергию. Митохондрии
же используют эту энергию для синтеза АТФ
(см. рис. 9.15). В ходе фотосинтеза транспорт элект-
ронов происходит в обратном направлении.
Вода расщепляется, электроны вместе с ионами
водорода переносятся от воды к углекислому газу,
восстанавливая его до сахаров:
।---восстанавливается---
Энергия + 6 СО2 + 6 Н2О-------------> СбН^Об + 6 О2
I________ ________1
1--------окисляется---------
Поскольку при перемещении электронов от
воды к сахару их потенциальная энергия возрас-
тает, то этот процесс требует затрат энергии —
другими словами, он эндергонический. При фото-
синтезе дополнительную энергию предоставляют
кванты света.
Две стадии фотосинтеза:
краткий обзор
Уравнение фотосинтеза — это обманчиво про-
стое обобщение очень сложного процесса. На са-
мом деле фотосинтез — это не один, а два процесса,
ГЛАВА 10 Фотосинтез 263
каждый из которых является многоступенчатым.
Фотосинтез состоит из двух стадий: световых ре-
акций и цикла Кальвина (см. рис. 10.6).1
Световые реакции трансформируют энергию
квантов света в химическую энергию. В резуль-
тате расщепления воды появляются электроны и
протоны (ионы водорода, Н+), а в качестве побоч-
ного продукта выделяется О,. Поглощенный хло-
рофиллом свет запускает транспорт электронов
и ионов водорода от воды к акцептору — НАДФ-
(никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат), где
они временно хранятся. НАДФ* химически бли-
зок к НАД+, который служит переносчиком элек-
тронов в клеточном дыхании; эти молекулы отли-
чаются только одной дополнительной фосфатной
группой в НАДФ-. В световых реакциях фотосин-
теза НАДФ* за счет солнечной энергии восста-
навливается до НАДФН, при этом к нему присо-
единяются два электрона и Н\ В ходе световых
реакций также синтезируется АТФ: к АДФ при-
соединяется фосфатная группа (Р ) за счет энер-
гии хемиосмотического потенциала. Этот процесс
называется фотофосфорилированием. Таким об-
разом, на первом этапе энергия света переводит-
ся в химическую в виде двух соединений: АТФ и
НАДФН. НАДФН — источник электронов — слу-
жит восстановительным эквивалентом, который
может восстановить акцептор электронов. АТФ —
универсальная энергетическая валюта клетки. Об-
ратите внимание, что в ходе световых реакций са-
хара не образуются. Это происходит на следующей
стадии — в цикле Кальвина.
Цикл Кальвина назван в честь Мелвина
Кальвина, который в конце 1940-х годов начал
расшифровывать стадии этого процесса вместе
с коллегами Джеймсом Бешшамом и Эндрю Бен-
соном. Цикл начинается с того, что СО, из атмос-
феры включается в органические соединения, уже
имеющиеся в хлоропласте. Это первичное включе-
ние углерода в органические вещества называет-
ся фиксацией углерода. Затем зафиксированный
углерод восстанавливается до углеводов путем
присоединения электронов от НАДФН, синтези-
рованного в ходе световых реакций. Для превра-
щения СО, в углеводы требуется и химическая
энергия в форме АТФ, также образованного на
световой стадии. Таким образом, в цикле Кальви-
на синтезируются углеводы, но это происходит
только благодаря энергии НАДФН и АТФ, обра-
зованных в ходе световых реакций. Реакции цик-
ла Кальвина часто называют темновыми реакци-
ями, поскольку ни одна из них не использует свет
Свет
Хлоропласт
(СНгО)
(сахар)
•НАДФН
цикл
КАЛЬВИНА
1 Световая стадия — “фото-”, от греч. photo — “свет”; тем-
новая стадия, стадия синтеза, от греч. synthesis — “соедине-
ние”. — Примеч. ред.
СВЕТОВЫЕ
РЕАКЦИИ
Тилакоид
J НАДФН4
©i
Рис. 10.6. Обзор фотосинтеза: взаимодей-
ствие световых реакций и цикла Кальвина.
Внутри хлоропласта световые реакции
происходят в тилакоидных мембра-
нах (зеленые), а цикл Кальви-
на — в строме (серая). В ходе
световых реакций солнечная
энергия используется для
синтеза АТФ и НАДФН, кото-
рые, в свою очередь, снаб-
жают цикл Кальвина энер-
гией и восстановительными
эквивалентами. В процес-
се цикла Кальвина СО2
включается в органические
молекулы, из которых синте-
зируются сахара. (Вспомните,
что простейшие сахара имеют
формулу (СН2О)П.)
Строма
264 ГЛАВА Ю Фотосинтез
напрямую. Однако у большинства растений цикл
Кальвина происходит днем на свету, поскольку
только в этом случае световые реакции могут обе-
спечить его НАДФН и АТФ. По сути, синтез угле-
водов за счет энергии света в хлоропластах требу-
ет координации двух стадий фотосинтеза.
Как показано на рис. 10.6, световые реакции
происходят в тилакоидах, а цикл Кальвина — в
строме. С наружной стороны тилакоидов молеку-
лы НАДФ+ присоединяют электроны, а молекулы
АТФ — фосфат. Образующиеся НАДФН и АТФ
остаются в строме и участвуют в цикле Кальвина.
На этом рисунке обе стадии фотосинтеза изобра-
жены как метаболические модули, которые по-
глощают исходные вещества и синтезируют про-
дукты. В следующих двух разделах мы подробнее
рассмотрим, как работает каждая из стадий, и
начнем со световых реакций.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 10.1
1.
2.
3.
Как вещества, участвующие в фотосинтезе, проникают в
лист и попадают в хлоропласты?
Как использование изотопа кислорода помогло расшифро-
вать химизм фотосинтеза?
| Для цикла Кальвина необходимы АТФ и
НАДФН — продукты световых реакций. Ваш однокласс-
ник утверждает, что световые реакции не зависят от цикла
Кальвина и на свету могут бесконечно производить АТФ и
НАДФН. Вы с ним согласны? Почему?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
10.2. Световые реакции переводят
световую энергию в химическую
энергию АТФ и НАДФН
Хлоропласты — это химические “фабрики”,
работающие на солнечных “батареях”. Их тилако-
иды превращают световую энергию в химическую
энергию АТФ и НАДФН, необходимую для синте-
за глюкозы и других молекул, которые затем ис-
пользуются в качестве источников энергии. Что-
бы понять, как происходит превращение света в
химическую энергию, нужно разобраться в ос-
новных свойствах света.
Природа света
Свет — это одна из форм электромагнит-
ной энергии или электромагнитного излуче-
ния. Электромагнитная энергия распространяет-
ся в виде волн, подобных тем, что возникают на
поверхности воды, если бросить в нее камешек.
Но электромагнитные волны — это возмущения
электромагнитного поля, а не материальной суб-
станции, такой как вода.
Расстояние между гребнями волны называют
длиной волны. Длина электромагнитных волн ва-
рьирует в диапазоне от нанометра и менее (у гам-
ма-лучей) до километра и более (у радиоволн).
Весь спектр длин электромагнитных волн назы-
вается электромагнитным спектром (рис. 10.7).
Для живых существ в этом спектре важнее всего
узкая полоса между 380 и 750 нм. Это излучение
воспринимает человеческий глаз, поэтому его на-
зывают видимым светом.
1 м
10-5нм 10~3нм 1нм 103нм 106нм (109нм) 103м
Гамма- Рентге- Ультра-1 Инфра- Микро- Радио-
лучи невские с полет! красные волны волны
лучи I лучи
Короткие волны------------------Длинные волны
Высокая энергия------------------► Низкая энергия
Рис. 10.7. Электромагнитный спектр. Белый свет — смесь ви-
димого света всех длин волн. Призма разделяет белый свет
на составляющие, потому что в ней свет разных длин волн
преломляется под разными углами. (Капли воды в атмосфере
действуют по тому же принципу, когда мы видим радугу.) Для
фотосинтеза растения используют видимый свет
Волновая модель света объясняет многие его
свойства, но в некоторых случаях свет ведет себя
так, будто состоит из отдельных частиц — фото-
нов. Фотоны неосязаемы, но у каждого из них,
как у любой материальной частицы, есть фикси-
рованный запас энергии. Количество энергии об-
ратно пропорционально длине волны света: чем
меньше длина волны, тем больше энергии содер-
жит фотон. Другими словами, фотон фиолетового
света содержит почти вдвое больше энергии, чем
фотон красного света (см. рис. 10.7).
Солнце испускает полный спектр электромаг-
нитных лучей, но земная атмосфера работает как
селективный фильтр, который пропускает види-
мый свет, отражая значительную долю осталь-
ных лучей. Растения для фотосинтеза исполь-
зуют тот же свет, что воспринимает наш глаз,
т.е. видимый свет.
ГЛАВА 10 Фотосинтез 265
Фотосинтетические пигменты —
рецепторы света
Когда свет встречается с веществом, он мо-
жет отразиться, пройти насквозь или поглотить-
ся. Вещества, поглощающие видимый свет, назы-
вают пигментами. Разные пигменты поглощают
свет различных длин волн, и они исчезают из
виду. Когда мы освещаем пигмент белым светом,
мы видим тот цвет, который складывается из про-
пускаемых и отражаемых лучей. (Если пигмент
поглощает свет волн всех длин, он кажется нам
черным.) Мы видим листья растений зелеными,
потому что хлорофилл поглощает фиолетовый,
синий и красный свет, а зеленый свет пропуска-
ет или отражает (рис. 10.8). Способность пигмен-
та поглощать свет различных длин волн можно
измерить с помощью специального прибора —
спектрофотометра. Этот прибор направляет на
раствор пигмента лучи света разных длин волн
и затем измеряет долю света каждой длины вол-
ны, прошедшего через раствор. График, на кото-
ром построена зависимость поглощения пигмен-
том света от длины волны, называется спектром
поглощения (рис. 10.9).
Изыскание
Метод исследований. Как измерить спектр поглоще-
ния вещества?
Применение на практике. Спектр поглощения представляет
собой график, который показывает, насколько эффективно пиг-
мент поглощает свет, имеющий разную длину волны. Спектры
поглощения пигментов хлоропластов помогают ученым опреде-
лить значение каждого пигмента для жизни растений.
Описание методики. Спектрофотометр измеряет относитель-
ное количество света с разными длинами волн, которое было
поглощено или пропущено раствором пигмента.
1. Белый свет разделяется на цвета (свет разных длин волн)
при помощи призмы.
2. Свет разных цветов по очереди пропускается через обра-
зец (в нашем случае — хлорофилл). На рисунке показаны
зеленый и синий свет.
3. Пропущенный свет попадает на фотоэлемент, который пре-
образует световую энергию в электрический ток.
4. Электрический ток измеряется при помощи гальванометра.
Показания прибора соответствуют количеству света, пропу-
щенного образцом. Исходя из этих данных можно опреде-
лить, какое количество света было поглощено.
Прелом-
Белый ЛЯЮЩ°Я
свет пРизма
Раствор Фото-
хлорофилла элемент
О
О гп
Гальванометр
Щель пере-
двигается,
пропуская свет
выбранной
длины волны
Зеленый
свет
Прибор показывает
высокое пропускание
(низкое поглощение):
хлорофилл поглощает
очень мало зеленого
света
Синий
свет
Пропущенный
свет
Прибор показывает
низкое пропускание
(высокое поглощение):
хлорофилл поглощает
большую часть синего
света
Рис. 10.8. Почему листья зеленые: взаимодействие света и
хлоропластов. Молекулы хлорофилла в хлоропластах погло-
щают фиолетовый, синий и красный свет, который использу-
ется в ходе фотосинтеза наиболее эффективно. Зеленый свет
они отражают или пропускают, поэтому листья кажутся нам
зелеными
Только поглощенный свет может принимать
участие в реакциях преобразования энергии света
в химическую энергию. Поэтому спектры поглоще-
Результаты. На рис. 10.10 (а) вы можете увидеть спектры погло-
щения трех типов пигментов хлоропласта.
ния пигментов хлоропласта могут помочь опреде-
лить, какой свет наиболее эффективен для фотосин-
теза. На рис. 10.10, а, показаны спектры поглощения
трех типов хлоропластных пигментов. Это хлоро-
филл а — главный пигмент, который напрямую
участвует в световых реакциях; хлорофилл б —
266 ГЛАВА 10 Фотосинтез
▼ Рис.10.10
Изыскание
Свет каких длин волн наиболее эффективно исполь-
зуется в фотосинтезе?
Эксперимент. Спектры поглощения, спектры действия и клас-
сический эксперимент Теодора Энгельманна демонстрируют,
свет каких длин волн важен для фотосинтеза.
а) Спектры поглощения. Кривые на графике показывают, какой
свет лучше всего поглощают пигменты хлоропластов.
б) Спектр действия. На графике показана скорость фотосин-
теза в зависимости от длины волны света. Полученный спектр
действия близок к спектру поглощения хлорофилла, но не со-
впадает с ним полностью (см. пункт о). Частично это объясня-
ется наличием дополнительных пигментов — хлорофилла б и
каротиноидов — которые тоже поглощают свет.
в) Эксперимент Энгельманна. В1883 году Теодор Энгельманн
осветил нитчатую водоросль светом, пропущенным через
призму: на разные участки водоросли попадал свет разных
длин волн. При помощи аэробных бактерий, способных кон-
центрироваться вблизи источника кислорода, он определил,
какие участки водоросли наиболее активно выделяют О2 и,
соответственно, наиболее интенсивно фотосинтезируют. Боль-
ше всего бактерий собиралось около участков, освещаемых
сине-фиолетовым и красным светом.
Выводы. Свет красной и сине-фиолетовой частей спектра эф-
фективнее всего используется в фотосинтезе.
Источник: Т. W. Engelmann, Bacterium photomefricum. Ein Beitrag
zur vergleichenden Physiologie des Licht-und Farbensinnes, Archiv.
fiir Physiologie 30:95-124 (1883).
Свет каких длин волн обеспечивает самую
большую скорость фотосинтеза?
АНАЛИЗДАННЫХ
вспомогательный пигмент; и каротиноиды — еще
одна группа вспомогательных пигментов. Спектр
поглощения хлорофилла а указывает, что для фото-
синтеза лучше всего подходит фиолетовый, синий и
красный свет, поскольку они лучше всего поглоща-
ются; а наименее эффективен зеленый свет. В этом
можно убедиться, рассмотрев спектр действия фо-
тосинтеза (рис. 10.10, б): он показывает относитель-
ную эффективность разных длин волн света для
фотосинтеза. Для получения спектра действия хло-
ропласт освещают светом разного цвета и парал-
лельно измеряют какой-нибудь параметр, отражаю-
щий скорость фотосинтеза, например, поглощение
СО, или выделение О,. Затем строят график зави-
симости этого параметра от длины волны света.
Спектр действия фотосинтеза первым получил не-
мецкий ботаник Теодор Энгельманн в 1883 году. В те
времена еще не изобрели приборы для измерения
количества О„ и Энгельманн придумал изящный
эксперимент, в котором для измерения скорости
фотосинтеза нитчатых водорослей были использо-
ваны бактерии (рис. 10.10, в). Его результаты на удив-
ление хорошо совпадают с современным спектром
действия фотосинтеза, показанным на рис. 10.10,6.
Если сравнить рис. 10.10, а, и 10.10, б, можно уви-
деть, что полосы спектра действия фотосинтеза
гораздо шире, чем у спектра поглощения хлоро-
филла а. Глядя только на спектр поглощения хло-
рофилла а, можно недооценить эффективность
некоторых длин волн для фотосинтеза. Частично
это объясняется тем, что вспомогательные пиг-
менты с разными спектрами поглощения, в том
числе хлорофилл б и каротиноиды, расширяют
спектр света, который может быть использован в
фотосинтезе. На рис. 10.11 изображена структурная
формула хлорофилла а в сравнении с хлорофил-
лом б. Небольшая разница в их структуре приво-
дит к тому, что они поглощают свет немного раз-
ных длин волн в красной и синей полосах спектра
(см. рис. 10.10, а). Из-за этого в видимом свете хло-
рофилл а кажется сине-зеленым, а хлорофилл б —
оливково-зеленым.
ГЛАВА 10 Фотосинтез 267
н
сн3
сн2
II
сн
I
с
НзС-С^ 'С' >-СН2 —СНз
С—N, ,N — С^
Н—Z *С""Н
Н3С 'C=f/ ‘N—С
сн
СН;
о
I
СН3
С—СНз
СН3 у хлорофилла а
СНО у хлорофилла б
Порфириновое
кольцо:
светособирающая
“головка" молекулы;
в центре находится
атом магния
с=о
> Углеводородный “хвост”:
взаимодействует с гидро-
фобными участками белков
в тилакоидных мембранах
хлоропластов; атомы водо-
рода не показаны
Рис. 10.11. Структура молекул хлорофилла в хлоропластах
растений. Хлорофилл а и хлорофилл б различаются только
одной функциональной группой порфиринового кольца. (См.
также модель пространственной структуры молекулы хлоро-
филла на рис. 1.3.)
Еще один тип вспомогательных пигментов —
каротиноиды. Эти пигменты поглощают фиоле-
товый, синий и часть зеленого света и из-за этого
имеют разные оттенки желтого и оранжевого цве-
та (см. рис. 10.10, а). Каротиноиды расширяют спектр
цветов, пригодных для фотосинтеза. Но по край-
ней мере у некоторых каротиноидов есть более
важная функция — фотозащита. Они поглощают
и рассеивают лишнюю световую энергию, кото-
рая могла бы повредить хлорофилл или, взаимо-
действуя с кислородом, привести к образованию
опасных для клетки активных радикалов. Инте-
ресно, что каротиноиды сходны с фотопротекто-
рами хлоропластов и выполняют светозащитную
функцию в человеческом глазе. (Вам ведь говори-
ли, что есть морковку полезно для зрения?) Эти и
похожие молекулы есть во многих овощах и фрук-
тах. Их часто указывают как компоненты продук-
тов для здорового питания, в частности, как ан-
тиоксиданты. Растения могут сами синтезировать
все нужные антиоксиданты, а люди и другие жи-
вотные должны получать их вместе с пищей.
Возбуждение хлорофилла светом
Что же происходит при поглощении света хло-
рофиллом и другими пигментами? Та часть цвето-
вого спектра, длины волн которой соответствуют
поглощенному свету, становится невидимой, но
сама энергия не исчезает. Когда молекула погло-
щает фотон, то один из ее электронов поднимает-
ся на уровень с большей потенциальной энерги-
ей (см. рис. 2.6, б). Если электрон находится на своей
обычной орбитали, то о молекуле пигмента гово-
рят, что она находится в базовом состоянии. По-
глощение фотона поднимает электрон на орбиталь
с большей энергией, и это состояние молекулы на-
зывают возбужденным. Поглощаются только те
фотоны, чья энергия в точности равна разнице
энергий между основным и возбужденным состо-
янием, которая варьирует у разных молекул. Каж-
дое вещество поглощает только фотоны опреде-
ленных длин волн, поэтому у каждого пигмента
есть свой уникальный спектр поглощения.
Электрон не может долго находиться в воз-
бужденном состоянии, в которое он перешел в
результате поглощения фотона. Как и любое дру-
гое состояние с высокой энергией, возбужденное
состояние молекулы нестабильно. Обычно, ког-
да свет поглощается изолированной молекулой
пигмента, ее электрон спускается обратно на ба-
зовую орбиталь за миллионную долю секунды, а
лишняя энергия излучается в виде тепла. Именно
из-за этого процесса крыша автомобиля так силь-
но нагревается на солнце. (Белые автомобили на-
греваются слабее всего, потому что белая краска
отражает весь видимый свет.) Некоторые пигмен-
ты, включая хлорофилл, после поглощения фо-
тона могут излучать не только тепло, но и свет.
Когда электроны возвращаются в базовое состо-
яние, энергия выделяется в виде фотонов. Это
свечение называют флуоресценцией. Раствор хло-
рофилла, выделенного из хлоропластов, на свету
будет флуоресцировать красным и излучать теп-
ло (рис. 10.12). Лучше всего это видно, если облу-
чать раствор ультрафиолетовым светом, который
хлорофилл тоже способен поглощать (см. рис. 10.7
и 10.10, а). На видимом свету флуоресценцию будет
сложнее увидеть на фоне зеленого цвета раствора.
Фотосистема: реакционный центр
со светособирающими комплексами
Возбужденные светом молекулы хлорофилла в
хлоропласте ведут себя совсем не так, как в рас-
творе (рис. 10.12). В своем естественном состоянии,
268 ГЛАВА 10 Фотосинтез
в тилакоидных мембранах, молекулы хлорофил-
ла вместе с другими небольшими органическими
молекулами и белками собраны в комплексы, ко-
торые называются фотосистемами.
Фотосистема состоит из реакционного цент-
ра, окруженного несколькими светособирающи-
ми комплексами (рис. 10.13). Реакционный центр
представляет собой группу взаимосвязанных
белков, на которой закреплена специальная пара
молекул хлорофилла а. Светособирающие ком-
плексы состоят из молекул различных пигментов
(хлорофиллов а, б или каротиноидов), связанных
с белками. Благодаря большому числу и разноо-
бразию пигментов, фотосистема может погло-
щать свет с большей площади и более широкого
спектра, чем могла бы поглотить изолированная
молекула любого пигмента. Светособирающие
комплексы служат антенной для реакционно-
го центра. Когда молекула пигмента поглощает
фотон, его энергия передается по цепочке моле-
кул разных пигментов светособирающего ком-
плекса (подобно “волне”, которую создают фа-
наты на спортивных трибунах) до тех пор, пока
не окажется в реакционном центре. В реакци-
онном центре находится молекула, которая мо-
жет восстанавливаться, принимая на себя элек-
троны. Она называется первичным акцептором
электронов. Благодаря своему молекулярному
окружению — расположению и связи с другими
молекулами, пара молекул хлорофилла а в реак-
ционном центре приобретает особые свойства:
энергия света может быть использована не толь-
ко для того, чтобы электроны переходили на бо-
лее высокий энергетический уровень, но и для их
перемещения к другой молекуле — первичному
акцептору электронов.
Перенос электрона от пары хлорофиллов а в
реакционном центре к первичному акцептору за
счет солнечной энергии — первая ступень свето-
вых реакций фотосинтеза. Как только электрон
хлорофилла возбуждается и оказывается на бо-
лее высоком энергетическом уровне, его захваты-
вает первичный акцептор — т.е. происходит окис-
лительно-восстановительная реакция. В колбе на
рис. 10.12,6, мы видим флуоресценцию молекул вы-
деленного хлорофилла, потому что в отсутствие
первичного акцептора возбужденные светом
электроны возвращаются к своему базовому со-
стоянию. Однако в структурированной системе
хлоропласта есть такой акцептор, готовый при-
нять электрон, и потенциальная энергия возбуж-
денного электрона не излучается в виде света или
тепла. Таким образом, в хлоропласте каждая фо-
тосистема, представляющая собой реакционный
центр, окруженный светособирающими комплек-
сами, работает как единое целое. В фотосистемах
происходит конверсия световой энергии в хими-
ческую, которая затем будет использована для
синтеза сахаров.
В тилакоидной мембране содержится два типа
фотосистем, совместно осуществляющих свето-
вые реакции фотосинтеза. Это фотосистема II
(ФСП) и фотосистема I (ФС1). (Они названы по
порядку открытия (и расположения у предковых
бактерий), но у современных фотосинтезирую-
щих организмов в световых реакциях первой уча-
ствует фотосистема II.) У каждой из фотосистем
есть свой реакционный центр — определенный
Рис. 10.12. Возбуждение изолированного хлорофилла светом
а) Возбуждение изолированной молекулы хлоро-
филла. Поглощение фотона вызывает переход хло-
рофилла из основного состояния в возбужденное.
Фотон поднимает электрон на орбиталь с большей
энергией. В изолированной молекуле возбужден-
ный электрон сразу же возвращается на основную
орбиталь, а лишняя энергия выделяется в виде теп-
ла и флуоресценции (света).
б) Флуоресценция. Раствор хлорофилла при ос-
вещении ультрафиолетовым светом, флуоресци-
рует красно-оранжевым.
Если мы возьмем лист с концентра-
цией хлорофилла такой же, как в растворе, и ос-
ветим ультрафиолетом, мы не увидим никакой флу-
оресценции. Предложите объяснение разницы в
испускании флуоресценции листом и раствором.
А ЧТО, ЕСЛИ?
ГЛАВА 10 Фотосинтез 269
тип первичного акцептора электронов рядом со
специальной парой хлорофилла я, которая связа-
на с особыми белками. Хлорофилл а реакционно-
го центра фотосистемы II называется Р680,2 по-
скольку этот пигмент лучше всего поглощает свет
с длиной волны 680 нм (в красной области спек-
тра). Хлорофилл а фотосистемы I называют Р700,
потому что он эффективнее всего поглощает свет
с длиной волны 700 нм (в дальней красной обла-
сти спектра). По химической структуре Р680 и
Р700 практически одинаковы. Небольшие разли-
чия в их способности поглощать свет возникают
из-за разного белкового окружения, которое ме-
няет распределение электронов внутри молеку-
лы. Давайте теперь разберем, как эти две фотоси-
стемы, взаимодействуя друг с другом, используют
энергию света для синтеза АТФ и НАДФН — глав-
ных продуктов световой стадии фотосинтеза.
Линейный (нециклический) транспорт
электронов
Свет запускает синтез АТФ и НАДФН путем
энергизации фотосистем тилакоидных мембран
хлоропластов. Ключ к превращению энергии из
световой в химическую — ток электронов меж-
ду фотосистемами и другими молекулами, встро-
енными в тилакоидную мембрану. Этот про-
цесс называется линейным {или нециклическим)
транспортом электронов. Он является частью
световых реакций фотосинтеза, как показано на
рис. 10.14. Номера стадий этого процесса, указан-
ные в тексте, соответствуют номерам на рисунке.
Q Фотон видимого света взаимодействует с од-
ной из молекул пигмента светособирающего
комплекса фотосистемы II. Электрон этой мо-
лекулы переходит на более высокий энергети-
ческий уровень. Затем электрон возвращает-
ся в базовое состояние, и одновременно с этим
электрон соседней молекулы переходит в воз-
бужденное состояние. Процесс передачи энер-
гии от молекулы к молекуле продолжается до
тех пор, пока энергия не достигает пары хлоро-
филлов а в реакционном центре ФСП — Р680.
Электрон Р680 также переходит в возбужден-
ное состояние.
@ Возбужденный электрон переносится с Р680
на первичный акцептор электрона. Р680, ли-
шенный электрона, обозначается как Р680+.
2 От англ, pigment. — Примеч. пер.
Тилакоид
Фотон
СТРОМА
Фотосистема
Первичный
акцептор
Светособира- Реакционный
ющий комплекс центр
Перенос
энергии
Молекулы
пигментов
Специальная пара
хлорофилла а
ВНУГРИТИЛАКОИДНОЕ
ПРОСТРАНСТВО
а) Как фотосистема собирает свет. После того, как одна из мо-
лекул пигмента светособирающего комплекса поглощает
фотон, его энергия передаётся от молекулы к молекуле,
пока не окажется в реакционном центре фотосистемы. Здесь
возбуждённый электрон специальной пары молекул хлоро-
филла а переносится на первичный акцептор
б) Структура фотосистемы. На этой компьютерной модели,
сделанной на основе данных рентгеновской кристалло-
графии, показаны две фотосистемы, ориентированные
зеркально друг другу. Молекулы хлорофилла (маленькие
зелёные шаростержневые модели) расположены между
белковыми субъединицами (изображены в виде цилин-
дров и лент). Для простоты в оставшейся части главы эта
фотосистема будет считаться единым комплексом
©2004AAAS
Рис. 10.13. Структура и работа фотосистемы
© Фермент катализирует расщепление молеку-
лы воды на два электрона, два иона водоро-
да (Н+) и атом кислорода. Электроны по од-
ному передаются на Р680+, и каждый из них
замещает электрон, переданный на первичный
270 ГЛАВА 10 Фотосинтез
ляет энергию для синтеза АТФ. По мере прохож-
акцептор. (Р680+ — самый сильный из всех из-
вестных биологических окислителей. “Дырка”
от электрона на нем обязательно должна быть
заполнена. Это сильно облегчает перенос элек-
тронов от расщепленной молекулы воды.) Н+
выходят во внутритилакоидное пространство.
Атом кислорода соединяется с таким же ато-
мом другой молекулы воды, и образуется О,.
0 Каждый возбужденный электрон передает-
ся от первичного акцептора ФС II к ФС I по
электрон-транспортной цепи, компоненты ко-
торой сходны с участниками электрон-транс-
портной цепи клеточного дыхания. Элек-
трон-транспортная цепь между ФС II и ФС I
состоит из переносчика электронов — пласто-
хинона (Pq/Пх), цитохромного комплекса и
белка — пластоцианина (Рс/Пц).
0 Экзергонический поток электронов в сторону
более низкоэнергетического состояния постав-
Свет
дения электронов через комплекс цитохромов
протоны Н+ закачиваются во внутритилакоид-
ное пространство, внося свой вклад в формиро-
вание протонного градиента, который затем ис-
пользуется в хемиосмосе.
ф Тем временем в ФС1 световая энергия пере-
носится с пигментов светособирающего ком-
плекса на реакционный центр. Там располо-
жен димер хлорофилла а Р700, чей электрон
возбуждает пришедшая световая энергия. Воз-
бужденный электрон затем переносится на
первичный акцептор ФС I, а в Р700 образуется
“дырка” (окисленная форма обозначается как
Р700+). Другими словами, Р700+ теперь может
работать как акцептор и принять электрон,
достигший низкоэнергетической части элек-
трон-транспортной цепи, идущей от ФС II.
0 Возбужденные электроны в ходе серии окис-
лительно-восстановительных реакций переме-
щаются от первичного акцептора ФС I по еще
одному участку электрон-транспортной цепи
к белку ферредоксину (Fd). (Ha этом участке
цепи не создается протонный градиент и, зна-
чит, он приводит к синтезу АТФ.)
СВЕТОВЫЕ
РЕАКЦИИ
цикл
КАЛЬВИНА
(СН2О) (углеводы)
Первичный!
акцептор
&
Первичный
акцептор
'транспортная цеп^
2Н+
о Свет 4^ 1
ibTL
Р680
Цитохр0
Р700
НАДФ+-
редуктаза
_ НАДФ+
' +Н+
НАДФН
. Свет
> Молекулы
пигментов
Фотосистема II
(ФС II)
Фотосистема I
(ФС I)
Рис. 10.14. Как в ходе нециклического транспорта электронов в световых реакциях фотосинтеза образуются АТФ и НАДФН Желтые
стрелки указывают путь переноса возбужденных электронов от воды к НАДФН. Черные стрелки показывают перенос энергии меж-
ду молекулами пигментов
ГЛАВА 10 Фотосинтез 271
© Фермент НАДФ+-редуктаза катализирует пе-
ренос электронов от Fd к НАДФ+. Для вос-
становления НАДФ+ до НАДФН нужны два
электрона. НАДФН находится на более высо-
ком энергетическом уровне, чем вода, и поэ-
тому его электроны легче использовать в ци-
кле Кальвина. В результате восстановления
НАДФ+ из стромы поглощается один Н+.
Изменение энергии электронов в процессе их
линейного транспорта по электрон-транспорт-
ной цепи показано на рис. 10.15 в виде механиче-
ской аналогии. Схемы, изображенные на рис. 10.14
и 10.15, могут показаться сложными. Важно не те-
рять из виду общую картину: в ходе световых ре-
акций энергия света используется на синтез АТФ
и НАДФН; эти вещества обеспечивают цикл
Кальвина соответственно химической энергией
и восстановительными эквивалентами.
Циклический транспорт электронов
В некоторых случаях возбужденные электро-
ны могут пойти по альтернативному пути, ко-
торый называется циклическим транспортом
электронов (или циклическим потоком). В нем
участвует ФС I, но не ФС II. На рис. 10.16 видно, что
циклический поток замкнут: электроны перехо-
дят от ферредоксина (Fd) обратно к комплексу
цитохромов и оттуда перемещаются к хлорофил-
лу Р700 в реакционном центре ФС I. При этом не
образуется НАДФН и не выделяется кислород,
однако синтезируется АТФ.
Некоторые современные группы фотосинте-
зирующих бактерий имеют не две фотосистемы, а
одну, родственную ФС I или ФС II. Для этих ор-
ганизмов, например, пурпурных серобактерий
(см. рис. 10.2, д) или зеленых серобактерий, цикли-
ческий транспорт электронов — единственный
путь образования АТФ в ходе фотосинтеза. Эво-
люционисты предполагают, что эти группы бакте-
рий являются потомками древних бактерий, у ко-
торых фотосинтез появился впервые, а транспорт
электронов осуществлялся похожим на цикличе-
ский поток образом.
Рис. 10.15. Нециклический транспорт электронов: механиче-
ская аналогия
Циклический транспорт может происходить
также у организмов, имеющих обе фотосисте-
мы. К ним относятся некоторые прокариоты, та-
кие как цианобактерии (см. рис. 10.2, г), а также все
изученные на данный момент фотосинтезирую-
щие виды эукариот. По-видимому, циклический
транспорт для них во многом рудиментарен. Од-
нако имеющиеся данные свидетельствуют о том,
что есть как минимум одна полезная функция
циклического транспорта для этих организмов.
Рис. 10.16. Циклический транспорт электронов. Возбужден-
ные электроны из ФС I могут переноситься с ферредоксина
(Fd) обратно на хлорофилл через цитохромный комплекс и
пластоцианин (Рс). Этот путь позволяет синтези-
ровать дополнительную АТФ за счет соз-
дания электрохимического градиен-
та протонов, но не производит НАДФН.
Серым цветом на рисунке изображе-
на схема нециклического транспорта
для сравнения с циклическим. Две молеку-
лы Fd на рисунке на самом деле соответствуют одной и той
же молекуле — окончательному акцептору электронов в ФС I.
Он изображен дважды, чтобы отразить его роль в каждом
из двух процессов
Q Посмотрите на рис. 10.15. Как бы вы его изменили, чтобы
изобразить циклический транспорт?
272 ГЛАВА 10 Фотосинтез
Мутантные растения, неспособные к циклическо-
му транспорту, способны нормально расти при
слабом свете, но при интенсивном освещении ра-
стут плохо. Это указывает на возможную фото-
защитную роль циклического транспорта. Ниже
мы обсудим, как циклический транспорт связан
с одним из вариантов фотосинтеза (С^-растения;
см. раздел. 10.4).
Протонный градиент может формироваться как
при помощи нециклического транспорта электро-
нов, так и при помощи циклического, но механизм
синтеза АТФ в обоих случаях будет одинаковым.
Прежде чем перейти к циклу Кальвина, давайте
обсудим хемиосмос — механизм, при помощи ко-
торого окислительно-восстановительные реак-
ции на мембранах сопрягаются с синтезом АТФ.
Хемиосмос — механизм синтеза АТФ
в хлоропластах и митохондриях
Как в хлоропластах, так и в митохондри-
ях АТФ синтезируется благодаря одному и тому
же механизму — хемиосмосу. По мере того, как
электроны передаются по цепочке переносчи-
ков электрон-транспортной цепи в направлении
увеличения их электроотрицательности, прото-
ны (Н+) перекачиваются через мембрану. Таким
образом, электрон-транспортная цепь переводит
энергию окислительно-восстановительных реак-
ций в протон-движущую силу — потенциальную
энергию, которая хранится в виде градиента Н+
на мембране. В той же мембране расположен
АТФ-синтазный комплекс, который сопрягает пе-
ренос протонов водорода по градиенту с фосфо-
рилированием АДФ; в результате образуется АТФ.
Некоторые переносчики электронов (на-
пример, железосодержащие белки цитохромы)
в хлоропластах и митохондриях очень похожи.
АТФ-синтазные комплексы этих органелл также
сходны. Однако между фотофосфорилировани-
ем в хлоропластах и окислительным фосфорили-
рованием в митохондриях есть важные отличия.
В электрон-транспортной цепи хлоропластов ис-
пользуются электроны, полученные из воды, а в
митохондриях — электроны из органических мо-
лекул (которые при этом окисляются). Хлоропла-
стам для синтеза АТФ не нужны молекулы, по-
лучаемые с пищей. Фотосистемы улавливают
световую энергию и используют ее для перемеще-
ния электрона от воды по электрон-транспортной
цепи. Другими словами, митохондрии используют
хемиосмос, чтобы перенести химическую энергию
поступающих с пищей молекул на АТФ, а хлоро-
пласты — чтобы превратить световую энергию в
химическую энергию АТФ.
Пространственная организация хемиосмоса у
хлоропластов и митохондрий несколько отлича-
ется, но имеет много общих черт (рис. 10.17). В ми-
тохондриях протоны перекачиваются через внут-
реннюю мембрану из матрикса в межмембранное
Митохондрия
Хлоропласт
АТФ-
синтазо
СТРУКТУРА <
МИТОХОНДРИИ
Матрикс
Строма
АДФ +
Внутренняя
мембрана
Тилакоидная
мембрана
Рис. 10.17. Механизм синтеза АТФ
в хлоропластах и митохондриях. В обе-
их органеллах электрон-транспортная
цепь переносит протоны (Н+) через
мембрану из области низкой концен-
трации Н+ (на рисунке светло-серая)
в область высокой их концентрации
(темно-серая). Затем протоны диф-
фундируют обратно через АТФ-синта-
зу. При этом происходит синтез АТФ
> СТРУКТУРА
ХЛОРОПОЛАСТА
Межмем-
бранное
пространство
Электрон-
транспортная
цепь
Легенда
Высокая концентрация (Н+)
Низкая концентрация (Н+)
Внутри-
тилакоидное
пространство
ГЛАВА 10 Фотосинтез 273
пространство, которое служит резервуаром для
ионов водорода. В хлоропластах протоны перено-
сятся через тилакоидную мембрану из стромы во
внутритилакоидное пространство — резервуар для
Н' в случае фотосинтеза. Если вы представите себе
отделенные от внутренней мембраны кристы ми-
тохондрий, го это может помочь понять, насколько
внутритилакоидное пространство в хлоропластах
соответствует межмембранному пространству ми-
тохондрий, а строма — матриксу.
В митохондриях протоны диффундируют по
градиенту концентрации из межмембранного
пространства в матрикс через АТФ-синтазу, что
приводит к синтезу АТФ. В хлоропластах АТФ
синтезируется по мере того, как прогоны диффун-
дируют из внутритилакоидного пространства об-
ратно в строму через АТФ-синтазные комплексы,
каталитические '‘маховики” которых находятся
на внешней стороне мембраны (рис. 10.18). Другими
словами, АТФ образуется в строме, и там же тра-
тится на синтез углеводов в ходе цикла Кальвина.
Рис. 10.18. Световые реакции и хемиос-
мос: современная модель организации
тилакоидной мембраны. Желтые стрелки
показывают нециклический поток элек-
тронов. изображенный на рис. 10.14. Как
минимум три процесса увеличивают кон-
центрацию Н* во внутритилакоидном про-
странстве и вносят вклад в формирование
градиента Н° в ходе световых реакций:
о вола расщепляется в фотосистеме II
со стороны внутритилакоидного про-
странства: @ когда Pq переносит элек-
троны в цитохромный комплекс, четыре
протона перекачиваются через мембра-
ну внутрь тилакоидов. @ ион водоро-
да удаляется из стромы и присоединяет-
ся к НАДФ* при его восстановлении. На
стадии 2 ионы водорода переносятся из
стромы во внутритилакоидное простран-
ство. кок показано на рис. 10.17. Диффузия
Н* из внутритилакоидного пространство
обратно в строму (по градиенту концен-
трации Н*) обеспечивает работу АТФ-син-
тазы Благодаря этим светозависимым ре-
акциям энергия запасается в виде НАДФН
и АТФ, которые затем используются для
синтеза углеводов в цикле Кальвина
274 ГЛАВА 10 Фотос и нтез
Протонный (Н+) градиент, или градиент pH, на
тилакоидной мембране довольно велик. Если про-
вести эксперимент и подсветить хлоропласты, то
pH внутри тилакоидов опустится примерно до 5
(концентрация Н+ возрастает), а pH стромы под-
нимется примерно до 8 (концентрация Н+ снижа-
ется). Градиент в три единицы pH соответствует
разнице концентраций Н+ в тысячу раз. Если вы-
ключить свет, то градиент pH исчезает, но может
быстро восстановиться при его включении. Ре-
зультаты подобных экспериментов послужили ве-
ским доказательством участия протонного гради-
ента в синтезе АТФ в хлоропластах.
Современная модель организации фотосинте-
тического аппарата в тилакоидной мембране ос-
нована на результатах нескольких исследований.
На рис. 10.18 показаны молекулы или молекуляр-
ные комплексы, которые присутствуют в огром-
ном количестве в каждом тилакоиде. Важно, что
НАДФН, как и АТФ, образуется на мембране со
стороны стромы, где протекают реакции цикла
Кальвина.
Давайте подведем итог. В световую фазу фото-
синтеза поток электронов отрывает их от воды, в
которой электроны находятся в низкоэнергетиче-
ском состоянии, и переносит на НАДФН, где они
затем хранятся в более высокоэнергетическом со-
стоянии. Поток электронов запускается светом и
приводит к синтезу АТФ. Таким образом, располо-
женный в тилакоидной мембране фотосинтетиче-
ский аппарат превращает световую энергию в хи-
мическую, хранящуюся в форме АТФ и НАДФН.
(Побочным продуктом этого процесса является
кислород.) Давайте теперь разберемся, как про-
дукты световых реакций в ходе цикла Кальвина
используются для синтеза углеводов из СО,.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 10.2
1.
2.
3.
А ЧТО. ЕСЛИ?
Свет какой длины волны наименее эффективно использует-
ся в фотосинтезе? Обоснуйте свой ответ.
Какое вещество является исходным донором электрона
в световых реакциях? Окончательным акцептором элек-
трона?
Если изолированные хлоропласты поме-
стить в раствор со всеми нужными веществами, на свету они
будут синтезировать АТФ. Предположите, как изменится ско-
рость синтеза АТФ, если добавить в раствор вещество, по-
зволяющее ионам водорода свободно проходить через ти-
лакоидную мембрану.
Ответы см. в Приложении А.
10.3. В цикле Кальвина
химическая энергия АТФ
и НАДФН используется
для превращения СО2 в сахара
Цикл Кальвина сходен с циклом трикарбоно-
вых кислот. В обоих циклах происходит регенера-
ция исходного вещества после того, как одни мо-
лекулы войдут в цикл, а другие выйдут из него.
Однако цикл трикарбоновых кислот катаболиче-
ский: в нем ацетил-СоА окисляется, а полученная
энергия используется для синтеза АТФ. В отличие
от него, цикл Кальвина анаболический: энергия
поглощается, а углеводы синтезируются из более
мелких молекул. Углерод входит в цикл Кальвина
в виде СО, и выходит в виде сахаров. В процессе
тратится энергия АТФ, а НАДФН используется в
качестве источника электронов для восстановле-
ния углерода при синтезе сахаров.
Как мы упоминали ранее (раздел 10.1), непо-
средственным продуктом цикла Кальвина явля-
ется не глюкоза, а трехуглеродный сахар, гпице-
ральдегид-3-фосфат (ГЗФ). Для синтеза одной
молекулы ГЗФ цикл должен пройти три раза и за-
фиксировать три молекулы СО, — по одной на
каждый “оборот” цикла. (Напомним, что фикса-
цией углерода называют первичное включение
СО, в органические вещества.) Изучая стадии
цикла, важно помнить, что мы отслеживаем путь
трех молекул СО,. На рис. 10.19 показано разделение
цикла Кальвина на три стадии: стадию карбокси-
лирования (фиксации углерода), стадию восста-
новления и стадию регенерации акцептора СО,.
Стадия 1. Карбоксилирование (фиксация
углерода). Цикл Кальвина фиксирует молекулы
СО, по одной, присоединяя их к пятиуглеродному
сахару — рибулозобисфосфату (РуБФ, или РБФ).
Эту реакцию катализирует фермент РБФ-карбок-
силаза-оксигеназа, или рубиско (RuBisCO). (Это
самый распространенный белок в хлоропласте
и, возможно, самый часто встречающийся белок
на Земле.) В результате образуется нестабильный
шестиуглеродный интермедиат,3 который быстро
распадается на две молекулы 3-фосфоглицерата
(на каждую зафиксированную молекулу СО,).
Стадия 2. Восстановление. К каждой мо-
лекуле 3-фосфоглицерата присоединяется фос-
фатная группа от АТФ и образуется 1,3-бисфос-
фоглицерат. Затем пара электронов от НАДФН
3 Промежуточное соединение. — Примеч. ред.
ГЛАВА 10 Фотосинтез 275
восстанавливает 1,3-бисфосфоглицерат; он те-
ряет фосфатную группу и превращается в глице-
ральдегид-3-фосфат (ГЗФ). В ходе этого процесса
электроны от НАДФН восстанавливают карбок-
сильную группу 1,3-бисфосфоглицерата до альде-
гидной группы ГЗФ, которая обладает большим
запасом энергии. ГЗФ — это трехуглеродный са-
хар, который также образуется в процессе глико-
лиза при расщеплении глюкозы (см. рис. 9.9). Об-
ратите внимание (см. рис. 10.19), что на каждые
три зафиксированные молекулы СО, образуется
шесть молекул ГЗФ. Но только одна из них может
считаться продуктом цикла, потому что осталь-
ные нужны для его завершения. В цикл вступают
15 атомов углерода, входящие в состав трех моле-
кул пятиуглеродного сахара РБФ. В итоге мы по-
лучаем 18 атомов углерода в составе шести моле-
кул ГЗФ. Одна из них выходит из цикла, чтобы
быть использованной растительной клеткой, а
остальные пять при этом должны быть перерабо-
таны для регенерации трех молекул РБФ.
Стадия 3. Регенерация акцептора СО, (РБФ).
В ходе сложной цепочки реакций на последних
стадиях цикла Кальвина углеродные скелеты пяти
молекул ГЗФ перераспределяется в три молекулы
РБФ. Для завершения цикла тратится еще три мо-
лекулы АТФ. Теперь РБФ может снова присоеди-
нить СО,, и работа цикла продолжается.
Для синтеза одной молекулы ГЗФ в ходе цикла
Кальвина тратится девять молекул АТФ и шесть
молекул НАДФН. Эти молекулы вновь синтезиру-
ются на световой фазе фотосинтеза. ГЗФ, вышед-
ший из цикла Кальвина, служит исходным мате-
риалом для метаболических путей синтеза других
органических соединений, включая глюкозу (пу-
тем соединения двух молекул ГЗФ), сахарозу (ди-
сахарид) и другие углеводы. Ни световые реак-
ции, ни цикл Кальвина отдельно друг от друга не
способны создать углеводы из СО,. Способность
к фотосинтезу — это эмерджентное свойство це-
лого хлоропласта, в котором объединены две ста-
дии фотосинтеза.
Вход
ГЗФ
Рис. 10.19. Цикл Кальвина. На схеме просуммированы три
оборота цикла Кальвина с указанием атомов углерода (се-
рые шарики). Стадии цикла соответствуют стадиям, описан-
ным в тексте. На каждые три зафиксированные молекулы СО2,
вошедшие в цикл, на выходе получается одна молекула трех-
углеродного сахара глицеральдегид-3-фосфата (ГЗФ). Све-
товые реакции поддерживают цикл Кальвина, поставляя для
Выход
него АТФ и НАДФН
276 ГЛАВА 10 Фотосинтез
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 10.3
1.
2.
3.
4.
5.
На создание одной молекулы глюкозы в цикле Кальвина тра-
тится ___молекул СО2,_____молекул АТФ и____молекул
НАДФН.
Как связаны большое число молекул АТФ и НАДФН, необхо-
димое для цикла Кальвина, и значение глюкозы как источни-
ка энергии?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Почему яд, ингибирующий один из фермен-
тов цикла Кальвина, будет также тормозить световые реак-
ции?
ИЗОБРАЗИ!
Перерисуйте цикл с рис. 9.19, обозначив чис-
ло углеродов цифрами вместо серых шариков. Не забывай-
те умножать на каждой стадии, чтобы не потерять углероды.
В какой форме углерод входит в цикл и выходит из него?
Сравните рис. 9.9 и рис. 10.19.
Подумайте о роли интермедиата и конечного продукта, ко-
торые играет глицеральдегид-3-фосфат (ГЗФ) в процессах,
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
изображенных на рисунках.
Ответы см. в Приложении А.
ЭВОЛЮЦИЯ
10.4. В жарком и засушливом
климате сформировались
альтернативные механизмы
фиксации углерода
С тех пор как растения вышли на
сушу около 475 миллионов лет назад, им прихо-
дилось решать задачи, связанные с наземным су-
ществованием — в частности, проблему обез-
воживания. В этом разделе мы поговорим о
метаболических адаптациях. Такие адаптации ча-
сто предполагают компромиссы. Типичным при-
мером может быть компромисс между фотосин-
тезом и предотвращением чрезмерных потерь
воды растением. Необходимый для фотосинтеза
СО, поступает в лист (а образовавшийся О, выхо-
дит) через устьица — поры на поверхности листа
(см. рис. 10.4). Однако устьица — это еще и основ-
ной путь транспирации4 (испарения воды расте-
нием). В жаркие сухие дни растения закрывают
устьица, что позволяет сохранить воду. Но это
также приводит к снижению продуктивности фо-
тосинтеза из-за ухудшения доступа к СО,. Даже
при частично закрытых устьицах концентрация
СО, в воздушных пространствах листа снижает-
ся, а концентрация О„ полученного в световых
реакциях, возрастает. Такие условия внутри листа
способствуют протеканию на первый взгляд бес-
смысленного процесса — фотодыхания.
4 От лат. trans — “через” spiro — “дышу”. — Примеч. ред.
Фотодыхание — пережиток эволюции?
У большинства растений первичная фикса-
ция углерода происходит при помощи рубиско —
фермента цикла Кальвина, который присоединяет
СО, к рибулозобисфосфату. Такие растения на-
зываются (^-растениями, потому что у них пер-
вичным продуктом фиксации углерода являет-
ся трехуглеродное соединение, 3-фосфоглицерат
(см. рис. 10.19). Среди С3-растений есть и сельско-
хозяйственно ценные — рис, пшеница и соя. В су-
хие жаркие дни устьица этих растений частично
закрываются. Из-за этого они производят мень-
ше углеводов, поскольку сниженный уровень СО,
в листьях подавляет работу цикла Кальвина. Кро-
ме того, рубиско может связывать О, вместо СО,.
По мере того как в листе становится все меньше
СО, и все больше О„ рубиско начинает присое-
динять к рибулозобисфосфату О„ а не СО,. Про-
дукт присоединения разделяется на две молекулы,
и получившееся двухуглеродное соединение поки-
дает хлоропласт. В пероксисомах и митохондриях
оно распадается с выделением СО,. Этот процесс
называется фотодыханием, поскольку проис-
ходит на свету (“фото”), а в его ходе поглощается
О, и выделяется СО, (“дыхание”). Однако в отли-
чие от обычного клеточного дыхания, фотодыха-
ние тратит АТФ, а не создает его. И в отличие от
фотосинтеза, фотодыхание не производит углево-
ды. Наоборот, оно снижает выход фотосинтеза,
поскольку выводит из цикла Кальвина органиче-
ское вещество и выделяет СО, вместо того, чтобы
зафиксировать его. Этот СО, все еще может быть
зафиксирован, если останется в листе до тех пор,
когда концентрация СО, поднимется до нужных
значений. Тем не менее фотодыхание тратит энер-
гию подобно хомячку, который крутит колесо.
Как объяснить существование такого непро-
дуктивного метаболического пути? Согласно од-
ной из гипотез, фотодыхание — эволюционный
багаж: пережиток далеких времен, когда концен-
трация О, в атмосфере была ниже, а концентра-
ция СО, — выше, чем сейчас. В древней атмосфе-
ре, в которой возникла рубиско, неспособность
фермента взаимодействовать с О, не имела значе-
ния. Считается, что современная рубиско частич-
но сохранила случайно возникшее сродство к О,.
Сейчас его концентрация в атмосфере так высока,
что фотодыхание неизбежно.
Известно также, что по крайней мере в некото-
рых случаях фотодыхание играет защитную роль.
Растения, неспособные к фотодыханию (из-за
ГЛАВА 10 Фотосинтез 277
дефектных генов), более подвержены повреждению
избыточным светом. Исследователи считают это
прямым доказательством того, что фотодыхание
нейтрализует опасные продукты световых реак-
ций, которые образуются, когда низкая концентра-
ция СО, тормозит цикл Кальвина. Неизвестно, есть
ли другая выгода от фотодыхания. У многих расте-
ний — в том числе у существенного числа сельско-
хозяйственных видов — фотодыхание уводит до
50% углерода, зафиксированного в цикле Кальвина.
Мы, как и все гетеротрофы, питаемся углеродом,
зафиксированным в хлоропластах, и для нас фо-
тодыхание невыгодно. Если бы у некоторых расте-
ний можно было снизить уровень фотодыхания без
ущерба для фотосинтетической продуктивности,
то урожай и запасы пищи увеличились.
У ряда растений в процессе эволюции сфор-
мировались альтернативные способы фиксации
углерода, которые позволяют минимизировать
фотодыхание и оптимизировать работу цикла
Кальвина даже в жарком и засушливом климате.
Самые важные из этих способов — это ^-фото-
синтез и метаболизм карбоновых кислот по типу
толстянковых (crassulacean acid metabolism, САМ).
С4-растения
Название ^-растений связано с тем, что у
них другой продукт первичной фиксации СО,.
Перед тем как СО, попадет в цикл Кальвина, он
захватывается при помощи альтернативного спо-
соба фиксации углерода, первичный продукт ко-
торого — четырехуглеродное вещество. Счита-
ется, что С4-путь в процессе эволюции возник
независимо как минимум 45 раз и встречается у
нескольких тысяч видов растений из как мини-
мум 19 семейств. Среди сельскохозяйственно цен-
ных С(-растений — сахарный тростник и кукуру-
за, из семейства злаковых.
Анатомия листа С ^растений связана с меха-
низмом С ^фотосинтеза. В листьях С4-растений
есть два типа фотосинтезирующих клеток: клетки
обкладки и клетки мезофилла. Клетки обкладки
расположены вокруг проводящих пучков, плот-
но прилегают друг к другу и образуют оболоч-
ку — обкладку (рис. 10.20). Между обкладкой и по-
верхностью листа находятся клетки мезофилла,
расположенные более рыхло. У С4-растений они
тесно связаны с клетками обкладки и никогда не
находятся дальше двух-трех клеток от них. Цикл
Кальвина происходит только в хлоропластах кле-
ток обкладки. Однако в клетках мезофилла про-
исходит включение СО, в органические соеди-
нения, предшествующее циклу Кальвина. Ниже
описаны стадии этого процесса; они же изобра-
жены на рис. 10.20.
О Первую стадию осуществляет фермент, при-
сутствующий только в клетках мезофилла, —
ФЕП-карбоксилаза. Она присоединяет СО, к
Клетка
Фотосин- мезофилла
тезирующие ,
клетки листа S Клетка
С4-растения обкладки
проводящего
пучка
Жилка
(проводящие
ткани)
Анатомия листа
С4-растения
Устьице
Рис. 10.20. Анатомия листа С4-растения и Сд-путь. Особенности
строения и биохимии листьев Сд-растений возникли в ходе эволю-
ции как адаптация к сухому и жаркому климату Благодаря этим
особенностям в клетках обкладки поддерживается концентрация
СО2, благоприятная для фотосинтеза, но не для фотодыхания
Клетка мезофилла
щего
пучка
ФЕП-крабоксилаза
Сд-путь
О В клетках мезофилла
фермент ФЕП-карбок-
силаза присоединяет
углекислый газ к ФЕП
Q Четырехуглеродное
соединение(например,
малат) переносит атомы
СО2 в клетку обкладки
через плазмодесмы
О В клетках обкладки
СО2 высвобождается
и вступает в цикл
Кальвина
278 ГЛАВА 10 Фотосинтез
фосфоенолпирувату (ФЕП), образуя четырех-
углеродный продукт — оксалоацетат. У ФЕП-
карбоксилазы сродство к СО, заметно выше, чем
у рубиско и отсутствует сродство к О,. Поэтому
ФЕП-карбоксилаза эффективно фиксирует СО,
в тех условиях, когда рубиско этого не может —
другими словами, в жаркую сухую погоду, ког-
да устьица прикрыты, концентрация СО, в листе
снижена, а концентрация О, — повышена.
© После фиксации СО, клетки мезофилла экспор-
тируют четырехутлеродные продукты (в при-
мере на рис. 10.20 — малат) в клетки обкладки че-
рез плазмодесмы (см. рис. 6.29).
© В клетках обкладки СО, высвобождается из че-
тырехуглеродных соединений и реассимили-
руется в органические вещества при помощи
рубиско и цикла Кальвина. В той же реакции
образуется пируват, который транспортируется
в клетки мезофилла. В мезофилле за счет энер-
гии АТФ пируват переводится в ФЕП, и цикл
замыкается. АТФ, потраченную на получение
ФЕП, можно считать “ценой” концентрирова-
ния СО, в клетках обкладки. Для образования
этой АТФ в клетках обкладки протекает цикли-
ческий транспорт электронов, описанный выше
(см. рис. 10.16). В клетках обкладки есть толь-
ко ФС I, а ФС II отсутствует. Поэтому для них
циклический транспорт — единственный спо-
соб образовать АТФ в ходе фотосинтеза.
По сути, клетки мезофилла С4-растений нака-
чивают СО, в клетки обкладки, создавая там кон-
центрацию СО, достаточно высокую для того,
чтобы рубиско предпочитала его, а не О,. Цикл
реакций, связанных с работой ФЕП-карбоксила-
зы и регенерацией ФЕП, можно считать СО,-кон-
центрирующим насосом, работающим на АТФ.
Таким образом, в С4-фотосинтезе энергия АТФ
тратится на то, чтобы минимизировать фотоды-
хание и увеличить продукцию сахаров. Это при-
способление особенно выгодно в жарком сол-
нечном климате, когда устьица днем прикрыты.
Именно в таком климате С ^растения возникли и
существуют до сих пор.
Концентрация СО, в атмосфере существенно
возросла с тех пор, как в 1800-х годах началась ин-
дустриальная революция, и рост ее продолжается
до сих пор из-за деятельности человека — напри-
мер, из-за сжигания ископаемого топлива. В ре-
зультате происходит глобальное изменение кли-
мата, включая возрастание средних температур
по всей планете, что может иметь далеко идущие
последствия для растений. Ученые полагают, что
увеличение концентрации СО, и температуры бу-
дет по-разному влиять на С,- и С4-растения, что
может изменить соотношение числа этих расте-
ний в сообществах.
Какой из этих типов растений больше выигра-
ет от возрастания концентрации СО,? У С?-рас-
тений связывание рубиско О, вместо СО, при-
водит к фотодыханию и снижает эффективность
фотосинтеза. С4-растения решают эту пробле-
му путем концентрирования СО, в клетках об-
кладки за счет АТФ. Повышение концентрации
СО, будет выгодно С3-растениям, поскольку сни-
зит фотодыхание. С другой стороны, повышение
температуры приведет к противоположному эф-
фекту — усилит фотодыхание. (Другие факторы,
такие как доступность воды, тоже могут сыграть
свою роль.) Напротив, повышение концентрации
СО, и температуры, скорее всего, практически не
повлияет на С4-растения. Различные аспекты это-
го вопроса были исследованы в нескольких рабо-
тах. Вы можете изучить результаты одной из них
в упражнении “Развиваем исследовательские на-
выки”. В разных регионах концентрация СО, и
температуры будут разными и по-разному повли-
яют на соотношение С3- и С4-растений. Послед-
ствия таких глобальных и разноплановых изме-
нений в структуре сообществ непредсказуемы и
могут привести к серьезным проблемам.
САМ-растения
Другое фотосинтетическое приспособление
к аридному климату5 возникло у многих расте-
ний-суккулентов, запасающих воду: у кактусов,
ананасов и представителей некоторых других се-
мейств растений. Эти растения открывают устьица
ночью и закрывают днем — в отличие от большин-
ства растений, которые делают наоборот. Закры-
тие устьиц днем помогает пустынным растениям
сохранить воду, но препятствует проникновению
СО, в листья. Ночью, когда устьица открыты, эти
растения поглощают СО, и включают его в раз-
нообразные органические кислоты. Такой способ
фиксации СО, называется метаболизм карбоно-
вых кислот по типу пюлстянковых (crassulacean
acid metabolism, САМ) — в честь семейства рас-
тений-суккулентов Толстянковые (Crassulaceae),
у которых он впервые был открыт. Клетки мезо-
филла CAM-растений ночью запасают органи-
ческие кислоты в вакуолях. Утром, когда устьица
5 От лат. aridus — “сухой”, т.е. климат пустынь. — Примеч. ред.
ГЛАВА 10 Фотосинтез 279
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Построение графиков с линиями тренда
Влияет ли концентрация С02 в атмосфере на продуктивность
сельскохозяйственных растений? Концентрация СО2 в атмосфе-
ре возрастает по всему миру. Ученые поставили вопрос о том,
будет ли это повышение влиять на С3- и С4-растения одинаково
или по-разному В этом упражнении вы, построив график, сможе-
те изучить взаимосвязь между концентрацией СО2 и ростом двух
растений: кукурузы—сельскохозяйственного С4-растения, и ка-
натника — С3-растения, сорняка кукурузных полей.
Проведение эксперимента. Исследователи выращивали кукуру-
зу и канатник в контролируемых условиях в течение 45 дней. В это
время все растения получали одинаковое количество света и
воды. Растения были поделены на три группы, каждая из кото-
рых росла в атмосфере с разной концентрацией СО2:350,600 и
1000 ppm (лат. рю mi/le, тысячная доля).
Полученные экспериментальные данные. В таблице представ-
лена сухая масса (в граммах) растений кукурузы и канатника,
выращенных при трех различных концентрациях СО2. Значения
сухой массы усреднены для восьми растений (включая листья,
стебли и корни).
350рртСО2 600рртС02 1000рртС02
Усредненная сухая 91 89 80
масса одного рас-
тения кукурузы, г
Усредненная сухая 35 48 54
масса одного рас-
тения канатника, г
Анализ данных
1. Для изучения взаимосвязи между двумя переменными
удобно нанести их на график и провести линию тренда,
а) Сначала определите, какую переменную вы отложите по
оси X, какую — по оси У. Подпишите оси. Обоснуйте свой
выбор, б) Нанесите на график данные для кукурузы и канат-
ника, используя разные значки для каждого растения. До-
бавьте на график легенду. (Дополнительную информацию
о построении графиков можно найти в Приложении Г.)
2. Для данных по каждому растению проведите прямую, кото-
рая лучше всего “ложится" на данные. Необязательно, чтобы
линия проходила через все точки. Это должна быть прямая,
которая проходит максимально близко ко всем точкам из на-
бора данных. Нарисуйте эти линии на графике. Прямая про-
водится приблизительно, поэтому два разных человека могут
провести ее немного по-разному для одного и того же набо-
ра данных. Прямая, которая подходит лучше всего, — это ли-
ния тренда. Ее можно найти, если вычислить сумму квадратов
► Растение ку-
курузы, окружен-
ное канатником
расстояний от всех точек до каждой прямой-кандидата, а
потом выбрать такую прямую, сумма квадратов для которой
будет наименьшей. (См. график к упражнению “Развиваем
исследовательские навыки" в главе 3 в качестве примера ли-
нии тренда.) Excel и другие программы могут построить линию
тренда по введенным данным. Введите ваши данные в про-
грамму и постройте в ней линии тренда для каждого набора
данных — отдельно для кукурузы и канатника. Сравните их с
теми, которые провели вы.
3. Опишите тенденции, на которые указывают линии тренда на
графике, а) Сравните взаимоотношение концентрации СО2 и
сухой массы растения для кукурузы и канатника, б) Учитывая,
что канатник — сорняк кукурузных полей, предположите, как
повышение концентрации СО2 может повлиять на взаимодей-
ствие между этими видами.
4. По данным на графике оцените, на сколько процентов изме-
нится сухая масса кукурузы и канатника, если концентра-
ция СО2 в атмосфере увеличится с 390 ppm (современный
уровень) до 800 ppm. а) Какова, по вашим оценкам, будет
сухая масса кукурузы и канатника при 390 ppm? 800 ppm?
Эту величину можно оценить по линии тренда, б) Чтобы рас-
считать, на сколько процентов изменится сухая масса каж-
дого растения, нужно вычесть массу при 390 ppm из массы
при 800 ppm (изменение массы), разделить на массу при
390 ppm (исходная масса) и умножить на 100. На сколько
процентов изменится сухая масса кукурузы? Канатника?
в) По результатам других экспериментов был сделан вывод
о том, что при повышенной концентрации СО2 С3-растения
растут лучше, чем С4-растения. Подтверждают ли данные на
графиках этот вывод? Почему вы так считаете?
Источник: D. Т. Patterson and Е. Р. Flint, Potential effects of global
atmospheric CO2 enrichment on the growth and competitiveness of
C3 and C4 weed and crop plants, Weed Science 28(1 ):71-75 (1980).
280 ГЛАВА 10 Фотосинтез
Ананас
Сахарный
а) Разделение стадий
в пространстве.
У С4-растений первичная
фиксация углерода и цикл
Кальвина происходят
воазных типах клеток
б) Разделение стадий
во времени. У САМ-растений
первичная фиксация углерода
и цикл Кальвина происходят
в одной и той же клетке в раз-
ное воемя
* Рис 10.21. Сравнение С4- и CAM-фотосинтеза. В ходе обоих
процессов (а) СО2 включается сначала в органические кис-
лоты а затем (б) направляется в цикл Кальвина. С4- и САМ-
пути — два возникших в ходе эволюции решения проблемы
поддержания фотосинтеза при частично или полностью
закрытых устьицах в жаркую сухую погоду
закрываются, а световые реакции начинают снаб-
жать цикл Кальвина АТФ и НАДНФ, СО, высво-
бождается из органических кислот, запасенных но-
чью, и включается в сахара хлоропластами.
Обратите внимание (рис. 10.21), что САМ-путь
сходен с Си-путем: в обоих случаях углекислый
газ сначала включается в промежуточные соеди-
нения и только затем вступает в цикл Кальвина.
Разница в том, что у ^-растений первые стадии
фиксации углерода отделены пространственно от
цикла Кальвина, а у САМ-растений эти стадии
проходят в одной клетке, но в разное время. (Важ-
но помнить, что и САМ-, и Ср и С3-растения в
конечном итоге используют именно цикл Кальви-
на для синтеза углеводов из углекислого газа.)
▼ Рис. 10.22. Фотосинтез как единое целое. На схеме показа-
ны основные реагенты и продукты фотосинеза и пути их пе-
ремещения по растению (слева) и хлоропласту (справа)
Могут ли растения напрямую
использовать углеводы, полученные в фотосинтезе, как
источник энергии для работы клетки?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Объясните свой ответ (см. рис. 8.10,8.11 и 9.6).
Клетка
мезофилла
Свет
НАДФ*
ГЗФ
Происходит в строме
Сахароза (экспорт)
ЦИКЛ КАЛЬВИНА
СВЕТОВЫЕ РЕАКЦИИ
ЦИКЛ
КАЛЬВИНА
Крахмал
(запас)
АТФ и НАДФН расходуются, чтобы
превратить СО2 в углевод (ГЗФ)
АДФ, неорганический фосфат и НАДФ'
возвращаются в световые реакции
Осуществляются молекулами
в тилакоидных мембранах
Световая энергия переводится
в химическую энергию АТФ и НАДФН
Расщепляется Н2О. в атмосферу
выделяется О2
Хлоропласт
СВЕТОВЫЕ
РЕАКЦИИ
Фотосистема II
Электрон-транспоргнря
Фотосистема I
Электрон-транс
3-фосфоглицерот
▼ Рис. 10.23
[установи взаимосвязи]
Функционирующая клетка I
На схеме показано, как работает живая растительная клетка и как при этом взаимодействуют процессы, о которых вы узнали
в главах 5-10
установи взаимосвязи Первый фермент гликолиза — гексокиназа. Ориентируясь по схеме, опишите, как образуется этот
фермент, где он работает, в каких частях клетки происходят эти процессы. (См. рис. 5.18,5.23 и 9 9.)
О Расположенная в ядре ДНК служит матрицей для
синтеза РНК, которая перемещается в цитоплазму
См. рис. 5.23 и 6.9
ф Белки и новые участки мембраны, созданные
в гранулярном ЭПР, перемещаются в виде везикул
к аппарату Гольджи и там модифицируются.
См. рис. 6.15 и 7.9
Q мРНК присоединяется к рибосоме, которая может
располагаться в цитоплазме или связываться с гра-
нулярным ЭПР. Синтезируется белок. См. рис. 5.23
и 6.10
Q От аппарата Гольджи отделяются транспортные
везикулы с белками. См. рис. 6.15
Q Часть везикул сливается с плазматической мем-
браной, и белки выделяются наружу путем экзо-
цитоза. См. рис. 7.9
Q Белки, синтезированные на цитоплазматических
рибосомах, остаются в клетке и выполняют опре-
деленные функции. Таковы, например, ферменты,
катализирующие реакции клеточного дыхания и
фотосинтеза. См. рис. 9.7,9.9 и 10.19
Ядро
лРПК—
Белок
Белок
Клеточная
Потоки генетической информации в клетке:
ДНК -* РНК -> белок (главы 5-7)
Ядерная
пора
гранулярный
‘Эндоплазматичеф
ретикулум (ЭПР)
Формирование
везикулы
Белок
в везикуле
юсрма МРНК
Вакуоль
«легочное дыхание
в митохондрии *
ф В хлороплостах в ходе фотосинтеза энергия света использу-
ется для производства органических молекул из СО? и Н/Э;
при этом выделяется О2 как побочный продукт. См. рис. 10 22
Q В митохондриях в ходе клеточного дыхания органические
молекулы расщепляются. Их энергия запасается в виде АТФ.
которая затем используется как источник энергии в различ-
ных клеточных процессах—например, в синтезе белка и
активном транспорте. СО2 и Н2О — побочные продукты ды-
хания. См. рис 8 9.8.10.8.11,9.2 и 9.16
7 ‘ Фотосинтез-
Клб^Оплоле*^
вещества
Трансформация энергии в клетке:
фотосинтез и клеточное дыхание (главы 8-10)
Транспорт веществ через мембрану
(глава 7)
Q Вода диффундирует через плазматическую
мембрану напрямую и путем облегченной
диффузии через аквапорины. См. рис. 7.1
(5) С помощью пассивного транспорта СО2 для фик-
сации в фотосинтезе диффундирует в клетку, а О2 —
побочный продукт фотосинтеза—диффундирует
из клетки. Оба вещества движутся по градиенту их
концентрации. См. рис. 7.10 и 10.22
В процессе активного транспорта энергия (обычно
энергия АТФ) тратится на то, чтобы перенести веще-
ство против его градиента концентрации. См. рис 7.16
Более крупные объекты выходят из клетки и входят в
нее при помощи экзоцитоэа (см. п. 5) и эндоцитоза
См. рис. 7.9 и 7.19
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 10.4
1
2.
3.
Объясните, каким образом фотодыхание снижает выход
фотосинтеза у растений.
Наличие в клетках обкладки С4-растений только ФС I, но не
ФС II, влияет на концентрацию О2. Каким образом? В чем мо-
жет быть выгода для растения от этого эффекта?
| Вспомните проблему закисле-
ния океана, описанную в главе 3 (раздел 3.3). Закисление
океана и изменение соотношения С3- и С4-растений могут
на первый взгляд показаться совершенно разными пробле-
мами, однако у них есть нечто общее. Что это? Обоснуйте
свой ответ.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
А ЧТО, ЕСЛИ?
Как изменится соотношение С_-, С.- и САМ-
3 4
растений в регионе, где климат стал существенно жарче и
суше, но концентрация СО2 в атмосфере не изменилась?
Ответы см. в Приложении А.
Значение фотосинтеза
(обобщение)
В этой главе мы проследили процесс фото-
синтеза от поглощения фотона до синтеза саха-
ров. В световых реакциях солнечная энергия за-
хватывается, а затем используется для синтеза
АТФ и переноса электронов от воды к НАДФ+ с
образованием НАДФН. В цикле Кальвина АТФ
и НАДФН расходуются для синтеза углеводов из
углекислого газа. Энергия поступает в хлоропласт
в виде солнечного света и запасается в химиче-
ских связях органических соединений. На рис. 10.22
фотосинтез изображен как единое целое в есте-
ственном окружении.
Судьба продуктов фотосинтеза может быть
разной. Ферменты хлоропласта и цитозоля пе-
реводят продукт цикла Кальвина, ГЗФ, в другие
органические соединения различной природы.
Углеводы, образованные в хлоропластах, обеспе-
чивают все растение химической энергией и угле-
родными скелетами для синтеза всех органиче-
ских соединений растительных клеток. Около
50% органического вещества, созданного в ходе
фотосинтеза, сжигается в митохондриях в про-
цессе клеточного дыхания.
Строго говоря, зеленые клетки — единствен-
ная автотрофная часть растений. Все остальные
части растения питаются органическими веще-
ствами, которые переносятся из листьев по про-
водящим тканям (см. рис. 10.22). У большинства
растений углеводы расходятся из листьев по все-
му растению в форме дисахарида сахарозы. По-
падая в нефотосинтезирующую клетку, сахароза
обеспечивает ее сырьем для клеточного дыхания
и множества анаболических путей, синтезиру-
ющих белки, липиды и другие соединения. Зна-
чительная часть углеводов в форме глюкозы
соединяется в цепочки, образуя полисахарид цел-
люлозу (см. рис. 5.6, в), особенно в растущих клет-
ках. Целлюлоза — главный компонент клеточных
стенок — самое распространенное органическое
вещество в растении и, по-видимому, на поверх-
ности Земли.
Большинство растений и других фотосинте-
зирующих организмов создают за день больше
органического вещества, чем им требуется в ка-
честве дыхательного топлива и предшественни-
ков биосинтеза. Они запасают лишние углеводы в
виде крахмала в хлоропластах или в запасающих
клетках корней, клубней, плодов и семян. Говоря
о судьбе продуктов фотосинтеза, нельзя забывать,
что листья, корни, плоды растений, а иногда и
растения целиком оказываются пищей гетеротро-
фов, включая людей.
Если говорить о роли фотосинтеза в масшта-
бах планеты, то нужно вспомнить, что имен-
но благодаря ему в атмосфере имеется кислород.
Каждый отдельный хлоропласт — крошечный, но
их суммарная продуктивность огромна: фотосин-
тез производит около 150 миллиардов тонн угле-
водов в год. Такое количество органического ве-
щества равно по массе стопке из 60 триллионов
учебников биологии — 17 стопок учебников, до-
ходящих от Земли до Солнца! Для жизни на Зем-
ле нет более важного химического процесса, чем
фотосинтез.
Из глав 5-10 вы узнали о многих процессах в
живых клетках. На рис. 10.23 все эти процессы изо-
бражены в живой растительной клетке во взаи-
мосвязи друг с другом. Рассматривая рисунок, об-
ратите внимание на роль каждого из них в жизни
клетки. Клетка, как элементарная единица живо-
го, обладает всеми свойствами, характерными для
живых существ.
284 ГЛАВА 10 Фотосинтез
ИО Обзор главы
10.1. ФОТОСИНТЕЗ ПРЕОБРАЗУЕТ СВЕТОВУЮ
ЭНЕРГИЮ В ХИМИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ ПИЩИ
• У автотрофных эукариот фотосинтез происходит
в хлоропластах, содержащих тилакоиды. Стопки
тилакоидов называются гранами. Общее уравнение
фотосинтеза выглядит следующим образом:
6СО,+ 12Н,О + Световая энергия ->
CfiH17Ofi + 6О2 + 6Н7О
• Хлоропласты расщепляют воду на кислород и во-
дород, а электроны водорода включают в молеку-
лы углеводов. Фотосинтез — окислительно-восста-
новительный процесс: в ходе него НлО окисляется, а
СО, восстанавливается. В световых реакциях в ти-
лакоидных мембранах вода расщепляется, О, высво-
бождается, образуются АТФ и НАДФН. В процессе
цикл а Кальвина в строме из СО, образуются саха-
ра с затратой АТФ как источника энергии и НАДФН
как источника электронов.
Сравните роль СО, и HJD в дыхании и фотосинтезе.
10.2. СВЕТОВЫЕ РЕАКЦИИ ПЕРЕВОДЯТ
СВЕТОВУЮ ЭНЕРГИЮ В ХИМИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
АТФ И НАДФН
• Свет — одна из форм электромагнитной энергии.
Видимый свет, воспринимаемый глазом, содержит
свет с теми длинами волн, которые используются
в фотосинтезе. Пигменты поглощают свет опреде-
ленных длин волн; хлорофилл а — основной фото-
синтетический пигмент в растениях. Другие, допол-
нительные пигменты поглощают свет разных длин
волн и передают их энергию на хлорофилл а.
• Поглощая свет, пигмент переходит из основного со-
стояния в возбужденное: поглощенный фотон све-
та поднимает один из электронов пигмента на более
высокую орбиталь. Возбужденное состояние моле-
кулы нестабильно. Электроны изолированных мо-
лекул пигментов стремятся опуститься обратно в ба-
зовое состояние, излучая при этом тепло и/или свет.
• Фотосистема состоит из реакционного центра и
светособирающих комплексов, направляющих энер-
гию фотонов в реакционный центр. Когда специ-
альная пара молекул хлорофилла а в реакционном
центре поглощает энергию, один из ее электронов
поднимается на более высокий энергетический уро-
вень и переносится на первичный акцептор элек-
тронов. Фотосистема II содержит в реакционном
центре молекулы хлорофилла а Р680; фотосисте-
ма I — Р700.
• В ходе световых реакций в линейном (нецикличе-
ском) транспорте электронов участвуют обе фо-
тосистемы. При этом образуются НАДФН, АТФ и
• В циклическом транспорте электронов участву-
ет только одна фотосистема. При этом образуется
АТФ, но не НАДФН или О,.
• В митохондриях и хлоропластах в ходе работы элек-
трон-транспортной цепи на мембране генерируется
электрохимический градиент Н* (протон-движу-
щая сила). АТФ-синтаза использует протон-движу-
щую силу для создания АТФ.
| Спектр поглощения хлорофилла а отличается от
спектра действия фотосинтеза. Объясните почему.
10.3. В ЦИКЛЕ КАЛЬВИНА ХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ
АТФ И НАДФН ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ
СО2 В САХАРА
• Цикл Кальвина проходит в строме и тратит элек-
троны от НАДНФ и энергию от АТФ. На каждые
три зафиксированные молекулы СО, из цикла вы-
ходит одна молекула ГЗФ и используется на синтез
глюкозы и других органических молекул.
ИЗОБРАЗИ!
Нарисуйте диаграмму, как та, что изо-
бражена на рисунке, и отметьте, где тратятся АТФ
и НАДФН и где работает рубиско. Опишите эти ста-
дии цикла.
ГЛАВА 10 Фотосинтез 285
10.4. В ЖАРКОМ И ЗАСУШЛИВОМ КЛИМАТЕ
СФОРМИРОВАЛИСЬ АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ
МЕХАНИЗМЫ ФИКСАЦИИ УГЛЕРОДА
• В сухую жаркую погоду СЗ-растения закрывают
устьица, чтобы сэкономить воду. Из-за этого в ли-
стьях накапливается О, из световых реакций. В ходе
фотодыхания О, заменяет СО, в активном центре
рубиско. При фотодыхании поглощается органиче-
ское вещество, выделяется СО,, но не образуется ни
АТФ, ни углеводов. Скорее всего, этот процесс —
пережиток эволюции, но он может играть и фото-
защитную роль.
• С4-растения способны подавлять фотодыхание.
Они включают СО, в четырехуглеродные органи-
ческие вещества в клетках мезофилла. Эти веще-
ства экспортируются в клетки обкладки, где из них
высвобождается СО, для использования в цикле
Кальвина.
• CAM-растения открывают устьица ночью, вклю-
чают СО, в органические кислоты и запасают их
в клетках мезофилла. Днем устьица закрываются,
СО, высвобождается из органических кислот и ис-
пользуется в цикле Кальвина.
• Органические вещества, образованные в ходе фото-
синтеза, обеспечивают энергией и строительными
материалами все экосистемы Земли.
| Почему С - и CAM-фотосинтез менее энергетиче-
ски выгоден, чем С,-фотосинтез? В каких климатиче-
ских условиях С - и CAM-фотосинтез будет более вы-
годен?
г) Оба типа растений синтезируют углеводы в ос-
новном в темноте.
4. Какое из этих утверждений верно описывает разни-
цу между автотрофами и гетеротрофами?
а) Автотрофы, но не гетеротрофы могут питаться
СО, и другими неорганическими веществами.
б) Только гетеротрофам необходимы химические
вещества из внешней среды.
в) Клеточное дыхание есть только у гетеротрофов.
г) Митохондрии есть только у гетеротрофов.
5. Какое из следующих явлений не происходит в про-
цессе цикла Кальвина?
а) фиксация углерода
6) окисление НАДФН
в) выделение кислорода
г) регенерация акцептора СО,
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
6. По механизму фотофосфорилирование ближе всего к
а) субстратному фосфорилированию в гликолизе
6) окислительному фосфорилированию в клеточ-
ном дыхании
в) фиксации углерода
г) восстановлению НАДФ+
7. Какой из этих процессов напрямую запускается
световой энергией?
а) создание градиента pH путем перекачки прото-
нов через тилакоидную мембрану
б) восстановление молекул НАДФ+
в) отделение электрона от молекулы хлорофилла
г) синтез АТФ
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Световые реакции фотосинтеза обеспечивают цикл
Кальвина
а) световой энергией
б) СО, и АТФ
в) Н,6 и НАДФН
г) АТФ и НАДФН
2. На какой схеме правильно изображен ток электро-
нов в ходе фотосинтеза?
а) НАДФН -> О, -> СО,
6) Н,О НАДФН -> цикл Кальвина
в) Н,О -> фотосистема I -> фотосистема II
г) NADPH -> электрон-транспортная цепь -> О,
3. В чем сходство фотосинтеза у С4- и САМ-растений?
а) В обоих случаях используется только фотосис-
тема I.
б) В обоих случаях углеводы образуются без учас-
тия цикла Кальвина.
в) В обоих случаях первичная фиксация углерода
осуществляется без помощи рубиско.
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
8. Наука, технологии и общество. Данные научных
исследований указывают на то, что СО,, выброшен-
ный в воздух в результате сжигания древесины и
ископаемого топлива, вносит вклад в глобальное
9.
10.
потепление — возрастание температуры по всей
планете. Около 20% фотосинтеза планеты прихо-
дится на тропические леса, но поглощение большо-
го количества СО, живыми деревьями практически
не вносит вклад в предотвращение глобального по-
тепления. Почему? (Подсказка: какие процессы в
живых и мертвых деревьях производят СО,?)
Фотодыхание может умень-
шить выход фотосинтеза у сои на 50%. Как вы ду-
маете, у диких родственников сои эта цифра будет
выше или ниже? Почему?
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВО ЛЮЦИИ
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
На рисунке изображен
эксперимент с изолированными тилакоидами. Сна-
чала тилакоиды закислили, выдержав их в растворе
с pH = 4. Когда pH внутритилакоидного простран-
286 ГЛАВА 10 Фотосинтез
ства также достигло 4, тилакоиды перенесли в ос-
новной раствор с pH = 8. В нем тилакоиды нача-
ли синтезировать АТФ в темноте. (Подробнее о pH
см. главу 3, раздел 3.3.)
pH 4
pH 8
Нарисуйте увеличенный участок тилакоидной
мембраны в стакане с раствором при pH.
Нарисуйте на схеме АТФ-синтазу. Отметьте об-
ласти с высокой и низкой концентрацией Н+. Ука-
жите, в каком направлении протоны идут сквозь
фермент, и подпишите реакцию синтеза АТФ. АТФ
образуется внутри тилакоида или снаружи? Объяс-
ните, почему в условиях эксперимента тилакоиды
смогли синтезировать АТФ в темноте.
11. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ЭНЕРГИЯ И МАТЕРИЯ”
Жизнь существует на солнечной энергии. Почти
все продуценты в биосфере используют солнечную
энергию для синтеза органических веществ, кото-
рые обеспечивают энергией и строительным мате-
риалом все живое. В кратком эссе (100-150 слов)
опишите, как процесс фотосинтеза в хлоропластах
растений превращает энергию света в химическую
энергию молекул углеводов.
На фото показан “красный снег” в Антарктике.
Цвет ему придает фотосинтезирующая зеленая во-
доросль, которая растет при отрицательных тем-
пературах (Chlamydomonas nivalis). Эта водоросль
также встречается на высокогорных постоянных
снежниках. И в Антарктике, и высоко в горах уро-
вень ультрафиолетового света довольно высок.
На основе сведений, полученных из этой главы,
предположите, почему эта водоросль имеет розо-
во-красный цвет.
Ответы см. в Приложении А.
ГЛАВА 10 Фотосинтез 287
Эпинефрин
Рис. 11.1. Кок клеточные сигналы запускают отчаянное
бегство этой антилопы?
Клеточная коммуникация
ТЕМЫ ГЛАВЫ
1. И. Внешние сигналы
преобразуются в клеточные
ответы
11.2. Рецепция: сигнальная молекула
связывается с рецепторным
белком, вызывая изменение его
конформации
11.3. Трансдукция: каскады
молекулярных взаимодействий
передают сигналы от
рецепторов к молекулам-
мишеням в клетке
11.4. Ответ: клеточная сигнализация
ведет к регуляции транскрипции
или процессов, происходящих в
цитоплазме
11.5. Апоптоз объединяет множество
сигнальных путей
Клеточные сигналы
Антилопа на рис. 11.1 изо всех сил убегает от голодного
гепарда, следующего за ней по пятам. Она часто ды-
шит, ее сердце бешено колотится, а копыта яростно отска-
кивают от земли. Это физиологическое проявление реак-
ции “бей или беги”, которая стимулируется гормонами
надпочечников, выделяемыми при стрессе — в нашем слу-
чае при появлении гепарда в поле зрения. Какие же систе-
мы межклеточной коммуникации позволяют триллионам
клеток антилопы “общаться” между собой, координируя
свои действия?
Клетки умеют передавать друг другу сообщения и ин-
терпретировать сигналы, поступающие из внешней сре-
ды и от других клеток. Эти сигналы могут быть световыми
или тактильными, но большинство из них имеет химиче-
скую природу. Реакция бегства в нашем примере с анти-
лопой запускается сигнальной молекулой под названием
адреналин (его также называют эпинефрином).
В ходе изучения межклеточных взаимодействий био-
логи собрали множественные свидетельства в пользу эво-
люционного родства всего живого. У самых разных орга-
ЭВОЛЮЦИЯ
низмов обнаруживается один и тот же небольшой
набор механизмов передачи сигнала. Он исполь-
зуется в таких процессах, как коммуникация бак-
терий, эмбриональное развитие и патогенез рака.
В этой главе мы рассмотрим механизмы, с помо-
щью которых клетки получают, обрабатывают и
отвечают на химические сигналы друг друга. Кро-
ме того, мы уделим внимание апоптозу — одно-
му из видов программируемой клеточной гибели,
в запуске которой участвуют многие сигнальные
пути каскады.
11.1. Внешние сигналы
преобразуются в клеточные
ответы
Что же именно одна клетка “говорит” другой
и как та “отвечает” на это сообщение? Чтобы ра-
зобраться в этом, давайте для начала рассмотрим
коммуникацию у клеток микроорганизмов.
Эволюция клеточной сигнализации
Один из типов клеточной коммуни-
кации — половой процесс. Клетки пекарских
дрожжей Saccharomyces cerevisiae, которые исполь-
зуются в изготовлении хлеба, вина и пива, узнают
полового партнера посредством химической сиг-
нализации. У них есть два пола, или два типа спа-
ривания, которые обозначаются как а и а (рис. 11.2).
Клетки каждого типа выделяют специальный
фактор,1 который связывается только с рецепто-
рами клеток другого типа. Если две клетки про-
тивоположного типа оказываются экспонирован-
ными к факторам спаривания друг друга, то они
меняют свою форму, растут по направлению друг
к другу и в итоге сливаются (спариваются). Новая
а/а клетка несет в себе гены обеих “родительских”
клеток, и такая комбинация генетического мате-
риала дает преимущество потомкам этой клетки,
которые появятся в результате ее деления.
Сигнал спаривания воспринимается рецепто-
ром на поверхности клетки и передается затем в
такой форме, которая вызывает в клетке соответ-
ствующие спариванию изменения. Это происхо-
дит в несколько этапов, которые в совокупности
называются сигнальным каскадом. Множество та-
ких каскадов существуют как у дрожжей, так и у
животных, причем молекулярные механизмы пе-
1 Вещество белковой природы — олигопептид. — Примеч.
ред.
редачи сигнала в клетках этих организмов удиви-
тельно сходны, несмотря на то, что их общий пре-
док жил более миллиарда лет назад. Это наводит
на мысль о том, что самые ранние механизмы пе-
редачи сигнала появились задолго до возникнове-
ния на Земле первых многоклеточных организмов.
а-фактор
Рецептор
Клетка дрожжей, а-фактор
Клетка дрожжей,
тип спаривания а
тип спаривания а
О Обмен феромонами.
Каждая клетка выде-
ляет феромон,
который связыва-
ется с рецептора-
ми на клетке дру-
гого типа
0 Спаривание.
Связывание факторов
(феромонов) с рецеп-
торами запускает
изменения в клетках,
ведущие к их слиянию
© Новая клетка а/а.
В ядре клетки после слияния
находятся все гены клеток а и а.
а/а
Рис. 11.2. Коммуникация между клетками дрожжей при спа-
ривании. Дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) используют хи-
мическую сигнализацию, узнавания клеток противоположно-
го типа, с которыми можно вступить в спаривание. Два типа
спаривания и соответствующие им химические сигнальные
молекулы, называются а и а
Ученые полагают, что впервые механизмы сиг-
нализации возникли у древних прокариот и одно-
клеточных эукариот и затем были приспособлены
к новым задачам у их многоклеточных потомков.
Клеточная коммуникация необходима микро-
организмам (рис. 11.3) Клетки бактерий выделяют
сигнальные молекулы, которые воспринимают
другие бактерии. Ощущая концентрацию этих ве-
ществ, бактерии получают информацию о локаль-
ной плотности популяции. Это явление получи-
ло название чувства кворума.2 Чувство кворума
позволяет популяции бактерий координировать
действия, требующие синхронизации активности
определенного количества клеток.
2 От англ, quorum sensing; в русскоязычной биологии так-
же используется дословная транслитерация — “кворум сен-
синг”. — Примеч. ред.
ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация 289
Рис. 11.3. Коммуникация у бактерий. Миксобактерии (“сли-
зистые бактерии"), обитающие в почве, используют химиче-
ские сигналы для передачи информации о доступности пита-
тельных веществ своим соседям. Когда пищи недостаточно,
голодающие бактерии выделяют вещество, стимулирующее
соседние клетки к агрегации. Клетки образуют плодовое
тело — особую структуру, производящую споры с толстыми
клеточными стенками. Споры способны пережидать голод до
тех пор, пока условия не улучшатся. На рисунке изображена
бактерия Myxococcus xanthus (фото 1-3 — СЭМ, нижнее изо-
бражение получено методом световой микроскопии)
Один из примеров таких действий — форми-
рование биопленок, агрегаций бактериальных
клеток на поверхности какого-либо субстрата.3
Обычно клетки в составе биопленки извлека-
ют питательные вещества из субстрата, на кото-
ром растут. Скорее всего, вы часто сталкивались
с биопленками в повседневной жизни, хотя, воз-
можно, не осознавали этого. Слой слизи на упав-
шем бревне и на листьях на лесной тропинке, или
даже налет на зубах по утрам — все это примеры
бактериальных биопленок (чистка зубов разру-
шает их, в противном случае они станут причи-
ной кариеса). Для образования биопленок тре-
буется сложная система коммуникации, в основе
которой лежит клеточная сигнализация.
Локальная и дистантная
передача сигнала
Так же как бактерии или дрожжи, клетки мно-
гоклеточного организма обычно передают ин-
формацию с помощью сигнальных молекул дру-
гим клеткам, которые могут находиться как в
непосредственной близости, так и на значитель-
ном расстоянии. Как уже было сказано в гла-
вах 6 и 7, прилежащие друг к другу эукариотиче-
ские клетки могут взаимодействовать напрямую
(рис. 11.4) — это один из вариантов межклеточной
коммуникации. У животных и растений клетки,
располагающиеся рядом, могут общаться напря-
мую через цитоплазму посредством межклеточ-
ных контактов4 (рис. 11.4, а). При этом растворен-
ные в цитоплазме сигнальные молекулы могут
свободно перетекать между соседними клетка-
ми. Кроме того, клетки животных могут взаимо-
действовать через поверхностные молекулы на
мембране в ходе так называемого межклеточного
узнавания (рис. 11.4, б). Локальная передача сигна-
ла такого типа особенно важна во время эмбрио-
нального развития и при иммунном ответе.
Щелевые контакты между
животными клетками
Плазмодесмы между
растительными клетками
а) Межклеточные контакты. Как животные, так и растения
имеют межклеточные контакты, позволяющие молекулам
быстро перемещаться между соседними клетками,
не пересекая плазматическую мембрану
б) Межклеточное узнавание. Две клетки в организме животного
могут обмениваться сигналами благодаря взаимодействию
молекул, выступающих на их поверхности
Рис. 11.4. Коммуникация путем непосредственного контакта
между клетками
' Агрегация означает “присоединение” от лат. aggregatio. —
Примеч. ред.
4 Щелевых контактов, или плазмодесм. — Примеч. ред.
290 ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация
Локальная передача сигнала
Клетки-мишени
торные
везикулы
Локальный регулятор
а) Паракринная сигнализация.
Секретирующая клетка действу-
ет на расположенные поблизо-
сти клетки-мишени, секретируя
молекулы локального регулятора
(например, фактора роста)
Секре-
Электрические сигналы вызывают
выброс нейромедиатора
Нейромедиатор
диффундирует
через синапти-
ческую щель
Клетки-мишени
б) Синаптическая сигнализация.
Нервная клетка выделяет моле-
кулы нейромедиатора в синап-
тическую щель, стимулируя
клетку-мишень—например,
мышечную клетку или другой
Дистанционная передача сигнала
в) Эндокринная (гормональная) сигнализация.
Специализированные эндокринные клетки выделяют гормоны
в жидкости тела, часто в кровь. Гормоны достигают практически
всех клеток тела, но связываются только некоторыми из них
Рис. 11.5. Локальная и дистанционная передача сигнала с помощью секретируемых молекул у животных. В случае как локальной,
так и дистанционной передачи сигнала на него отвечают только особые клетки-мишени, способные распознать конкретную сиг-
нальную молекулу
При других видах локальной передачи сигнала,
сигнальные молекулы секретируются клетками
во внешнюю среду. Некоторые из них преодолева-
ют небольшие расстояния, и эти локальные регу-
ляторы действуют на клетки поблизости. Один из
классов таких регуляторов у животных, факторы
роста, стимулируют рост и деление клеток-ми-
шеней. Молекулы фактора роста, секретируемые
единственной клеткой, могут вызывать ответ во
многих других клетках из ее окружения. Локаль-
ная передача сигнала такого типа у животных на-
зывается паракринной регуляцией (рис. 11.5, а).
Еще один узкоспециализированный тип ло-
кального сообщения характерный для нервной
системы животных называется синаптической
передачей сигнала (рис. 11.5, б). Электрический сиг-
нал в аксоне нейрона вызывает выброс молекул
нейромедиатора. Эти молекулы диффундируют
через синаптическую щель — узкое пространство
между нейроном и его клеткой-мишенью — и вы-
зывают реакцию в постсинаптической клетке.
Коммуникация через плазмодесмы (контак-
ты между клетками растений) хорошо изучена, а
вот как происходит локальная передача сигнала
у растений еще недостаточно понятно биологам.
Растительные клетки окружены клеточной стен-
кой, поэтому механизмы передачи сигнала меж-
ду клетками растений отличаются от тех, которые
есть у животных.
Как растения, так и животные используют осо-
бые молекулы, гормоны, для дистантной передачи
сигнала. При гормональной сигнализации у жи-
вотных, также называемой эндокринной сигнали-
зацией, специализированные клетки секретиру-
ют молекулы гормонов, которые по кровеносной
системе распространяются по всему организму и
достигают клеток-мишеней, которые могут рас-
познать сообщение от того или иного гормона и
ответить на него (рис. 11.5, в).
Гормоны растений (также называемые регуля-
торами роста растений) иногда перемещаются по
сосудам, но чаще достигают своих мишеней через
соединенные плазмодесмами цитоплазмы клеток,
или, находясь в газообразном состоянии, распро-
страняются по воздуху. Гормоны, как и локальные
регуляторы, могут различаться по химической
природе и размеру. Например, растительный гор-
мон этилен — газ, вызывающий созревание пло-
дов и участвующий в регуляции роста — являет-
ся углеводородом и состоит всего из шести атомов
(С,Н ), что позволяет ему свободно проходить
сквозь клеточные стенки. А гормон млекопитаю-
щих инсулин, регулирующий уровень глюкозы в
крови, — белок размером в тысячи атомов.
Что происходит, когда сигнальная молекула
находит клетку-мишень? Способность клетки от-
вечать на сигнал определяется наличием специ-
фических рецепторных молекул, которые могут
ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация 291
связываться с сигнальной молекулой. Для того,
чтобы клетка могла ответить на сигнал, информа-
ция в виде связывания рецептора с сигнальной мо-
лекулой должна быть преобразована в такую фор-
му, в которой сигнал может передаваться внутри
клетки. В оставшейся части главы мы рассмот-
рим этот процесс на примере животных клеток.
Три стадии передачи сигнала
(общие сведения)
Наши нынешние представления о переда-
че химических сигналов через сигнальные каска-
ды основываются на работах Эрла У. Сазерленда,
за которые он в 1971 году получил Нобелевскую
премию. Сазерленд и его сотрудники в универ-
ситете Вандербильта изучали вызванную адре-
налином стимуляцию распада запасного полиса-
харида гликогена в печени и скелетных мышцах.
Распад гликогена приводит к высвобождению са-
хара глюкозо-1-фосфата, который превращается
в глюкозо-6-фосфат.5 6 Клетки печени и скелетных
мышц могут затем использовать его для произ-
водства энергии. Или же глюкозо-6-фосфат мо-
жет быть дефосфорилирован и выйти в кровь в
виде глюкозы, которая служит источником энер-
гии для множества других клеток в организме. Та-
ким образом, одна из функций адреналина — это
мобилизация энергетических резервов, которые
могут быть использованы животным для самоза-
щиты (“бей”) или для бегства (“беги”), как напри-
мер, делает антилопа на рис. 11.1.
Исследовательская группа Сазерленда откры-
ла, что адреналин стимулирует распад гликоге-
на, каким-то образом активируя цитозольный
фермент гликогенфосфорилазу. Однако если до-
бавить адреналин в пробирку с ферментом и его
субстратом (гликогеном), никакого распада не
происходит. Адреналин активировал гликоген-
фосфорилазу только если гормон был добавлен к
интактным клеткам* в растворе. Этот результат
Сазерленд интерпретировал следующим образом:
во-первых, адреналин напрямую не взаимодей-
ствует с ферментом распада гликогена, в клетке
должен быть пройден промежуточный этап или
серия этапов; во-вторых, для передачи сигнала
необходима плазматическая мембрана. Работы
5 Один из интермедиатов гликолиза. — Примеч. ред.
6 Клетки, состояние которых не отличается от их есте-
ственного состояния в организме; от англ, intact — “неповре-
жденный” “сохранный”, “нативный”. — Примеч. ред.
Сазерленда показали, что клеточная коммуника-
ция на “принимающей стороне” может быть раз-
делена на три этапа: восприятие, передача и от-
вет (рис. 11.6).
1. Рецепция (восприятие сигнала). Восприя-
тие — это взаимодействие клетки с сигналь-
ной молекулой, пришедшей из внеклеточной
среды. Химический сигнал считается воспри-
нятым, когда сигнальная молекула связалась с
рецепторным белком на поверхности клетки
(или внутри нее, как мы увидим позже).
2. Трансдукция (передача сигнала). Связываясь
с рецептором, сигнальная молекула изменяет
его определенным образом, тем самым ини-
циируя процесс передачи сигнала. На стадии
трансдукции сигнал переводится в такую фор-
му, которая может вызывать в клетке опреде-
ленный ответ. В экспериментах Сазерленда
связывание адреналина с рецепторным белком
на мембране клеток печени приводило к акти-
вации гликогенфосфорилазы. Передача сигна-
ла может происходить в один этап, но обычно
необходимы последовательные изменения в
целой серии молекул — путь передачи сигна-
ла (сигнальный каскад). Молекулы в составе
каскада часто называют молекулами-переклю-
чателями.
3. Ответ. На третьем этапе сигнал, прошед-
ший ряд переключений, наконец вызывает
специфическую реакцию в клетке. Эта реак-
ция может задействовать практически любой
внутриклеточный процесс: может изменять-
ся каталитическая активность ферментов (на-
пример, гликогенфосфорилазы), запускаться
перестройка цитоскелета или активировать-
ся транскрипция специфических генов в ядре.
Во многом благодаря межклеточной коммуни-
кации, подобные жизненно важные процес-
сы происходят только в правильное время, в
определенных клетках и в согласованности с
деятельностью других клеток организма. Те-
перь мы рассмотрим механизмы межклеточ-
ной коммуникации более подробно и рас-
смотрим способы регуляции и терминации
данных процессов.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 1.1
1. Объясните, как межклеточная коммуникация обеспечива-
ет слияние клеток только между противоположными типами
спаривания у дрожжей?
292 ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация
ВНЕКЛЕТОЧНАЯ ЦИТОПЛАЗМА
ЖИДКОСТЬ у- : /!— Плазматическая мембрана
[ О Рецепция | | 0 Трансдукция | | Q Ответ
Рис. 11.6. Общая схема клеточной сигнализации. С точки зрения получения информации
клеткой клеточную сигнализацию можно разделить на три этапа: восприятие сигнала (ре-
цепция), передача сигнала (трансдукция) и клеточный ответ. Если расположенный на плаз-
матической мембране рецептор воспринимает сигнал (как показано на этом рисунке),
то запускается этап передачи сигнала, который обычно состоит из нескольких стадий.
При этом каждая промежуточная молекула такого пути приводит к изменениям в следую-
щей молекуле в цепочке. Последняя молекула в этом каскаде запускает клеточный ответ
] Как адреналин в экспериментах
Сазерленда вписывается в эту схе-
му клеточной сигнализации?
ной молекулой. Связывание
лиганда обычно вызывает из-
менения формы, или конфор-
мации, рецепторного белка.
Изменение формы само по
себе достаточно для актива-
ции многих рецепторов, и это
позволяет им взаимодейство-
вать с другими молекулами в
клетке. В других случаях не-
посредственным эффектом
связывания лиганда может
быть агрегация двух или бо-
лее молекул рецептора, что
ведет к дальнейшим измене-
ниям в клетке. Большинство
2. На каком из трех этапов сигнального каскада активируется
гликогенфосфорилаза при стимуляции адреналином клеток
печени?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Если смешать гликогенфосфорилазу и гли-
коген в пробирке, будет ли образовываться глюкозо-1-фос-
фат? Объясните свой ответ.
Ответы см. в Приложении А.
11.2. Рецепция: сигнальная
молекула связывается
с рецепторным белком, вызывая
изменение его конформации
Радиостанция вещает во все стороны, но ее
сигнал может быть принят только радиоприемни-
ком, настроенным на нужную частоту: восприятие
сигнала зависит от приемника. Таким же образом,
сигналы, испускаемые клетками дрожжей с типом
спаривания я, могут быть “услышаны” только по-
тенциальными партнерами с типом спаривания а.
В примере с адреналином, циркулирующим в кро-
ви антилопы на рис. 11.1, гормон встречает на сво-
ем пути множество типов клеток, но только часть
способны отреагировать на него. Рецепторный
белок на поверхности или внутри клетки-мише-
ни позволяет ей “услышать” сигнал и ответить на
него. Форма сигнальной молекулы соответствует
определенному участку рецептора, и она входит в
него, как ключ в замок. Сигнальная молекула вы-
ступает в роли лиганда — молекулы, специфиче-
ски связывающейся с другой, обычно более круп-
рецепторов — белки на плазматической мембране,
но есть и такие, что располагаются внутри клетки.
Далее мы рассмотрим обе группы рецепторов.
Рецепторы на плазматической
мембране
Рецепторы на поверхности клетки играют клю-
чевую роль в организме животных. Самое боль-
шое семейство трансмембранных белков-рецеп-
торов, т.е. рецепторов, сопряженных с G-белками,’
у человека насчитывает почти 1000 членов. При-
мер такого рецептора изображен на рис. 11.7.
Рис. 11.7. Структура рецептора, сопряженного с G-белком
(GPCR). Это модель р2-адренорецептора человека в присут-
ствие молекулы, имитирующей природный лиганд (на рисун-
ке показана зеленым цветом), и холестерола (показан оран-
жевым). Две молекулы рецептора (синие) изображены в виде
ленточных моделей, вид "изнутри" плазматической мембраны
7 От англ. GPCR, G-protein-coupled receptors. — Примеч. ред.
ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация 293
▼ Рис. 11.8
Изучаем Трансмембранные рецепторы на поверхности клетки
Рецептор, сопряженный с G-белком
Сайт связывания сигнальной молекулы
с G-белком
Рецептор, сопряженный с G-белком
Рецептор, сопряженный с G-белком (GPCR,
от англ. G-profein-coupled receptors), — это
трансмембранный рецептор клеточной поверх-
ности, который работает с помощью G-белка,
связывающего богатую энергией молекулу
ГТФ. Многие сигнальные молекулы, в том числе
феромоны дрожжей, эпинефрин (адреналин)
и многие другие гормоны и нейромедиаторы,
используют рецепторы, сопряженные с G-бел-
ками. Эти рецепторы различаются между со-
бой сайтами связывания их сигнальных молекул
(часто называемых лигандами), а также типами
G-белков внутри клетки. Несмотря на это, по
своей структуре все GPCR белки очень похожи
друг на друга. Действительно, они составляют
большое семейство рецепторных белков эу-
кариот с характерной вторичной структурой:
один полипептид, который изображен на ри-
сунке в виде ленточной модели, имеет семь
трансмембранных а-спиралей, показанных в
виде цилиндров и расположенных для ясности
друг за другом. Специфические петли между
спиралями (на этом рисунке петли располо-
жены справа) образуют сайты связывания сиг-
нальных молекул (вне клетки) и G-белков (на
цитоплазматической стороне).
Сигнальные каскады, запускаемые GPCR,
очень широко распространены и различны
по своим функциям — так, они участвуют в эм-
бриональном развитии и сенсорном восприя-
тии. Например, у человека зрение, обоняние и
вкусовая рецепция зависят от GPCR. Сходство
структуры G-белков и GPCR у различных ор-
ганизмов может говорить о том, что G-белки и
сопряженные с ними рецепторы возникли на
очень ранних этапах эволюции эукариот.
Нарушения работы самих G-белков могут
играть определенную роль в развитии многих
заболеваниях человека, включая бактериаль-
ные инфекции. Бактерии, вызывающие холеру,
коклюш и ботулизм, выделяют токсины, нару-
шающие функцию G-белков, что приводит к
развитию характерных симптомов. По оценкам
фармакологов, до 60% используемых в настоя-
щее время лекарств влияют на каскады, запу-
скаемые GPCR.
Рецептор, сопряженный Плазматическая мембрана
О Непрочно прикрепленный к цитоплазматической стороне мембраны,
G-белок действует как молекулярный переключатель, который может
находиться во включённом или выключенном положении в зависимости
от того, какой гуаниновый нуклеотид к нему присоединен — ГДФ или
ГТФ. Отсюда и происходит название G-белок. (ГТФ, или гуанозинтри-
фосфат. похож на АТФ.) Когда с G-белком связан ГДФ, как показано
на рисунке, G-белок неактивен. Рецептор и G-белок работают вместе
с другим белком, обычно ферментом.
Сигнальная
Активированный
рецептор
молекула
Неактивный
О Когда сигнальная молекула связывается с внеклеточной частью своего
рецептора, происходит активация рецептора и изменение его кон-
формации. Затем с его цитоплазматической частью связывается неак-
тивный G-белок, вызывая замену ГДФ на ПФ. Это приводит к активации
G-белка.
Клеточный ответ
О Активированный G-белок отделяется от рецептора, диффундирует вдоль
мембраны и связывается с ферментом, изменяя его конформацию и ак-
тивность. Активированный фермент может запустить следующую реак-
цию, ведущую в итоге к клеточному ответу. Связывание сигнальных моле-
кул обратимо: как и другие лиганды, они многократно связываются и
диссоциируют. Концентрация лиганда вне клетки определяет частоту
связывания лиганда и запуска процессов клеточной сигнализации.
© Pearson Education, Inc.
294
О Изменения в структуре фермента и G-белка являются временными,
поскольку G-белок функционирует и как фермент ГТФаза. Другими
словами, он затем гидролизует связанный с ним ГТФ до ГДФ и остатка
фосфорной кислоты®, После этого G-белок вновь становится
неактивным и отсоединяется от фермента, который возвращается к
своему первоначальному состоянию. Теперь G-белок можно
использовать снова. ГТФазная активность G-белка позволяет быстро
выключить сигнализацию, когда сигнальной молекулы больше нет.
Рецепторные тирозинкиназы
Рецепторные тирозинкиназы (РТК) принадлежат к основному классу
мембранных рецепторов, характерной особенностью которых явля-
ется наличие ферментативной активности. Киназа — это фермент, ка-
тализирующий перенос фосфатных групп. Цитоплазматическая часть
рецепторного белка в данном случае функционирует как тирозинки-
наза — фермент, катализирующий перенос фосфатных групп от АТФ на
остаток аминокислоты тирозина на белке-субстрате. Таким образом,
рецепторные тирозинкиназы — это мембранные рецепторы, которые
присоединяют фосфаты к остаткам тирозина. Одна рецепторная ти-
розинкиназа может активировать десять и более различных путей пе-
редачи сигнала и вызывать множество клеточных ответов. Зачастую
одновременно активируется несколько сигнальных каскадов, помогая
клетке регулировать и координировать многие аспекты роста и репро-
дукции. Способность активировать многие сигнальные пути в результа-
те единичного связывания лиганда с рецептором является ключевым
различием между рецепторными тирозинкиназами и рецепторами, со-
пряженными с G-белками, которые запускают только один сигнальный
каскад. Для многих видов рака характерны аномальные рецепторные
тирозинкиназы, которые функционируют даже в отсутствие сигнальных
молекул.
Сигнальная молекула
(лиганд)
Сайт связывания лиганда
ЦИТОПЛАЗМА
тирозинкиназы
(неактивные мономеры)
Димер
О Многие рецепторные тирозинкиназы имеют структуру, которая изобра-
жена на этой схеме. До того, как происходит связывание сигнальной
молекулы, рецепторы существуют в виде одиночных молекул, называ-
емых мономерами. Обратите внимание, что каждый из них имеет вне-
клеточный сайт связывания лиганда, пересекающую мембрану
а-спираль и внутриклеточный хвост, содержащий несколько остатков
тирозина.
0 Связывание сигнальной молекулы (например, фактора роста) заставляет
два мономера рецептора приблизиться друг к другу с образованием
комплекса, который называется димером Этот процесс называется ди-
меризацией. В некоторых случаях образуются более крупные комплек-
сы. Детальный механизм ассоциации мономеров рецепторов активно
изучается в настоящее время.
Клеточный
ответ 2
Активированные
белки-переключатели
Клеточный
ответ 1
6 АДФ
Неактивные
Активированные
тирозинкиназные
участки (нефосфо-
рилированный димер)
Полностью активная
рецепторная тирозинкиназа
(фосфорилированный димер)
О Димеризация активирует тирозинкиназные участки обоих мономеров,
и каждая тирозинкиназа присоединяет фосфатный остаток от АТФ к ти-
розину на хвосте другого мономера.
О Теперь, когда рецептор полностью активирован, его узнают специфиче-
ские белки-переключатели внутри клетки. Каждый из этих белков связы-
вается с определённым фосфорилированным остатком тирозина, что
изменяет конформацию связанного белка и приводит к его активации.
Каждый из активированных таким образом белков запускает путь пере-
дачи сигнала, приводящий к клеточному ответу.
295
Окончание рис. 11.8
Рецепторы-ионные каналы
Лиганд-управляемые ионные канолы—это тип мембранных рецеп-
торов, имеющих участок, который может действовать как "ворота"
при изменении конформации рецептора. Когда сигнальная молеку-
ла связывается в виде лиганда с рецепторным белком, то ворота от-
крываются или закрываются, позволяя определенным ионам (таким
как Na+ и Са2+) проходить через канал рецептора, или, наоборот,
преграждать им путь. Как и другие рассмотренные нами рецепторы,
эти белки связывают лиганд с помощью специфических сайтов, рас-
положенных на внеклеточной части рецептора.
о На схеме показан
лиганд-управляемый
ионный канал, вход
в который остаётся
закрытым до тех пор,
пока с ним не свя-
жется лиганд.
О Когда лиганд связыва-
ется с рецептором и
вход в канал открыва-
ется, то через него мо-
гут проходить опреде-
ленные ионы и быстро
изменять концентра-
цию того или иного
иона в клетке. Это
изменение тем или
иным способом мо-
жет напрямую сказа-
ться на активности
клетки.
О Когда лиганд отделя-
ется от рецептора,
то вход в канал зак-
рывается, и ионы
больше не прони-
кают в клетку.
Сигнальная “ О
молекулах/
(лигандг
□ Q О
Q Ионы.
о О°
Плазматическая
мембрана
Лиганд-управляемый
ионный канал
Лиганд-управляемые ионные каналы выполняют важную функцию в
нервной системе. Например, молекулы нейромедиатора, выделя-
емые в синапсе между двумя нейронами (см. рис. 11.5, б), связы-
ваются с ионными каналами на принимающей клетке и заставляют
их открыться. Ионы входят в клетку (или иногда выходят из нее), про-
воцируя электрический сигнал, который затем распространяется
по всей принимающей клетке. Некоторые ионные каналы с таким
"воротным" механизмом управляются не лигандами, а электриче-
скими сигналами; эти потенциал-зависимые ионные каналы также
необходимы для функционирования нервной системы. Некоторые
ионные каналы расположены на мембранах клеточных органелл,
таких как ЭПР.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Примером какого типа транспорта
является ток ионов через лиганд-активируемый ионный канал — ак-
тивного или пассивного? (Вспомните разделы 7.3 и 7.4 из главы 7.)
Большинство растворимых в воде сигнальных
молекул связывается с определенными участками
трансмембранного рецептора, который передает
информацию из внеклеточной среды внутрь клет-
ки. Мы продемонстрируем работу трансмемб-
ранных рецепторов на примере трех типов ре-
цепторов: рецепторов, сопряженных с G-белками,
рецепторных тирозинкиназ и рецепторов-ион-
ных каналов. Эти рецепторы изображены в руб-
рике “Изучаем” (рис. 11.8); изучите эту рубрику,
прежде чем продолжать чтение.
Учитывая важность функций, выполняемых
трансмембранными рецепторами, неудивитель-
но, что нарушения в их работе связаны со многи-
ми заболеваниями, такими как рак, сердечно-со-
судистые заболевания и астма. Исследовательские
группы в университетах и фармацевтические
компании направляют усилия на изучение струк-
туры этих рецепторов для лучшего понимания и
лечения этих заболеваний.
Несмотря на то, что мембранные рецепторы
составляют 30% всех белков человека, определе-
ние их структуры оказалось трудной задачей: на
долю мембранных рецепторов приходится все-
го 1% белков, структура которых была установле-
на методом рентгеновской кристаллографии (см.
рис.5.22). Во-первых, молекулы мембранных рецеп-
торов обычно довольно гибкие и нестабильные, и
поэтому их трудно кристаллизовать. Годы ушли
на попытки определить первые несколько струк-
тур, таких как на рис. 11.7. В этом случае [3-адрено-
рецептор оказался достаточно стабилен, чтобы
его можно было кристаллизовать вместе с други-
ми молекулами из его окружения и в присутствии
его лиганда.
Нарушение работы рецепторных тирозинки-
наз связывают со многими онкологическими за-
болеваниями. Например, прогноз для пациенток с
раком груди значительно ухудшается, если клет-
ки их опухоли чрезмерно экспрессируют рецеп-
торную тирозинкиназу HER2 (см. раздел 12.3 в
главе 12 и рис. 18.17 в главе 18). Используя методы
молекулярной биологии, исследователи создали
белок герцептин, который связывается с HER2 на
поверхности клеток и ингибирует их деление, за-
медляя таким образом дальнейшее развитие опу-
холи. В некоторых клинических испытаниях гер-
цептин повысил выживаемость более чем на одну
треть. Исследования мембранных рецепторов и
других белков, вовлеченных в клеточную сигна-
лизацию, позволяют разрабатывать новые эффек-
тивные методы лечения.
296 ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация
Внутриклеточные рецепторы
Внутриклеточные рецепторные белки могут
находиться как в цитоплазме, так и в ядре клет-
ки-мишени. Чтобы достичь такого рецептора,
сигнальная молекула должна пройти через плаз-
матическую мембрану. Многие сигнальные моле-
кулы способны пересекать мембраны, посколь-
ку они либо достаточно гидрофобны, либо малы.
К гидрофобным сигнальным молекулам относят-
ся стероидные и тироидные гормоны животных.
Еще одна молекула, взаимодействующая с внут-
риклеточным рецептором, — это оксид азота
(NO) — газ, молекулы которого такие крошечные,
что легко проходят между фосфолипидами мем-
браны.
Войдя в клетку, гормон может связаться с внут-
риклеточным рецептором в цитоплазме или в
ядре. Образовавшийся таким образом комплекс
гормон-рецептор может вызвать клеточный ответ,
который зачастую проявляется во включении или
выключении экспрессии определенных генов.
Q Стероидный
гормон альдостерон
проходит через
плазматическую
мембрану
Q Альдостерон
связывается со
своим рецептором
в цитоплазме, акти-
вируя его
О Гормон-рецеп-
торный комплекс
входит в ядро
и связывается
с определёнными
генами
о Этот комплекс
работает как
транскрипционный
фактор, стимулируя
транскрипцию гена
в мРНК
О мРНК трансли-
руется в специ-
фический белок
Рис. 11.9. Взаимодействие стероидного гормона с внутрикле-
точным рецептором
' Почему стероидные гормоны могут входить в клетку без
участия рецепторов на клеточной поверхности?
Альдостерон ведет себя как типичный стеро-
идный гормон. Он выделяется в клетках надпо-
чечников, выходит в кровоток и проникает во
все клетки тела. Однако на альдостерон реагиру-
ют только клетки печени, в которых есть рецеп-
тор минералокортикоидов. В этих клетках гор-
мон связывается с рецептором и активирует его.
Связанный с гормоном рецептор входит в ядро и
запускает экспрессию генов, регулирующих ток
воды и натрия в гепатоцитах, что в итоге влияет
на объем крови (рис. 11.9).
Каким образом активированный комплекс
гормон-рецептор включает гены? Вспомните, что
работа генов в составе клеточной ДНК заключа-
ется в том, что с них считывается (транскриби-
руется) матричная РНК (мРНК), которая затем
выходит из ядра, и на ее основе происходит транс-
ляция белков на рибосомах (см. рис. 5.23). Специ-
альные белки — транскрипционные факторы —
контролируют, какие гены должны включиться
(т.е. с каких генов должна транскрибироваться
мРНК) в данное время в данной клетке. Когда ре-
цептор альдостерона активируется, он выступа-
ет в роли транскрипционного фактора, включа-
ющего определенные гены. (Вы узнаете больше о
транскрипционных факторах в главах 17 и 18.)
Будучи транскрипционным фактором, ре-
цептор альдостерона выполняет не только функ-
цию восприятия, но и функцию передачи сигнала.
Большинство внутриклеточных рецепторов дей-
ствуют по тому же принципу, хотя многие из них,
например, рецептор тироидных гормонов, нахо-
дятся в ядре еще до связывания с сигнальной мо-
лекулой. Интересно, что многие внутриклеточные
рецепторы похожи по своей структуре, что гово-
рит об их эволюционном родстве.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 11.2
1.
2.
3.
4.
А ЧТО, ЕСЛИ?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
А ЧТО, ЕСЛИ?
Фактор роста нервов (Nerve Growth Factor — NGF) — рас-
творимая в воде сигнальная молекула. Где вы предполагае-
те обнаружить рецептор к NGF: внутри клетки или на плазма-
тической мембране? Почему?
Каковы будут последствия, если в клетке
синтезируется неправильная рецепторная тирозинкиназа,
неспособная к димеризации?
В чем сходство процессов свя-
зывания лигандов и аллостерической регуляции ферментов
(см. рис. 8.20)?
| Модель на рис. 11.7 изображает рецептор
в неактивном состоянии, не связанный с G-белком. Може-
те ли вы предложить подход к кристаллизации белка, что-
бы определить структуру рецептора, активно передающе-
го сигнал?
Ответы см. в Приложении А.
ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация 297
11.3. Трансдукция: каскады
молекулярных взаимодействий
передают сигналы от рецепторов
к молекулам-мишеням в клетке
Если рецептор к сигнальной молекуле пред-
ставляет собой мембранный белок, как это было
в большинстве рассмотренных случаев, передача
сигнала обычно состоит из нескольких этапов. Эти
этапы часто включают в себя активацию белков
путем присоединения или отщепления фосфат-
ных групп, либо высвобождение мелких молекул
или ионов, действующих как посредники. Одно из
преимуществ многоэтапности — это возможность
многократного усиления сигнала, или амплифика-
ции.8 Если каждая молекула передает сигнал мно-
гим молекулам следующего этапа каскада, то ко-
личество активированных молекул возрастает в
геометрической прогрессии. Помимо этого, мно-
гоступенчатый каскад предоставляет больше воз-
можностей для координации и контроля, чем бо-
лее простые системы. Это позволяет регулировать
ответ, о чем вы узнаете в следующих главах.
Пути трансдукции сигнала
Связывание сигнальной молекулы с ее рецеп-
тором на плазматической мембране — это первый
шаг в цепи молекулярных взаимодействий (пути
передачи сигнала), ведущий к специфическому
ответу клетки. По принципу домино связанный
с лигандом рецептор активирует следующую мо-
лекулу, которая, в свою очередь, активирует еще
одну, и так происходит до тех пор, пока не акти-
вируется белок, непосредственно реализующий
клеточный ответ. Молекулы-переключатели, пе-
редающие сигнал от рецептора до финального
клеточного ответа, обычно являются белками.
Взаимодействие между белками — это основная
тема межклеточной коммуникации. В самом деле,
белковые взаимодействия объединяют все виды
жизнедеятельности клеток.
Следует иметь в виду, что сигнальная молеку-
ла, которая запускает сигнальный каскад, не пе-
ремещается по нему физически: в большинстве
случаев она даже не входит в клетку. Когда мы го-
ворим о передаче сигнала по каскаду, мы имеем в
виду передачу информации. На каждом этапе сиг-
нал передается в разных формах, обычно в виде
я От лат. amplificatio — “усиление” “расширение”. — При-
меч. ред.
изменения конформации следующего белка, кото-
рое очень часто происходит за счет фосфорили-
рования.
Фосфорилирование
и дефосфорилирование белков
В предыдущих главах мы обсудили возмож-
ность активации белка с помощью присоединения
к нему одной или нескольких фосфатных групп
(см. рис. 8.11, а). Вы уже видели на рис. 11.8, как фосфо-
рилирование участвует в активации рецепторных
тирозинкиназ. На самом деле фосфорилирование
и дефосфорилирование — это широко распростра-
ненный механизм регуляции активности белков.
Ферменты, которые переносят остатки фосфорной
кислоты с АТФ на белки, называют протеинки-
назами. Вспомните, что рецепторные тирозинки-
назы — это особый класс протеинкиназ, которые
фосфорилируют остатки тирозина на второй мо-
лекуле тирозинкиназы в составе димера. Большин-
ство цитоплазматических протеинкиназ фосфо-
рилируют другие белки, а не сами с себя. Еще одно
отличие заключается в том, что большинство ци-
топлазматических протеинкиназ фосфорилируют
не тирозин, а серин или треонин. Серин/треонин-
киназы широко распространены в сигнальных
каскадах животных, растений и грибов.
Многие молекулы-переключатели в сигнальных
каскадах это протеинкиназы, и они часто фосфо-
рилируют другие протеинкиназы. На рис. 11.10 изо-
бражен гипотетический каскад, включающий три
различные протеинкиназы, которые составляют
каскад фосфорилирования. Последовательность
событий на этом рисунке очень похожа на мно-
гие сигнальные каскады, существующие в действи-
тельности, в том числе на передачу сигнала феро-
монов у дрожжей или факторов роста у человека.
Сигнал передается через последовательность фос-
форилирования белков, где каждое фосфорили-
рование вызывает изменение конформации белка
благодаря взаимодействию фосфатной группы с
заряженными или полярными аминокислотами в
этом белке (см. рис. 5.14). Изменение конформации
влечет за собой изменение функционирования
белка. Обычно фосфорилирование активирует бе-
лок, однако в некоторых случаях — ослабляет его
активность.
Значение протеинкиназ сложно переоценить:
считается, что около 2% наших генов кодируют
протеинкиназы. В клетке могут быть сотни раз-
ных протеинкиназ, каждая из которых специали-
298 ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация
зируется на своем субстрате. Взятые вместе, они,
вероятно, регулируют значительную долю из ты-
сяч клеточных белков. К киназам относится боль-
шинство белков, регулирующих деление клетки.
Нарушение активности такой киназы может при-
вести к неправильному делению клетки и сыграть
роль в патогенезе рака.
Также в каскаде фосфорилирования важны и
протеинфосфатазы — ферменты, которые бы-
стро отщепляют фосфатные группы от белков,
т.е. дефосфорилируют их. С помощью дефосфо-
рилирования и инактивиции протеинкиназы,
фосфатазы обеспечивают механизм остановки
передачи сигнала, когда сигнальная молекула, из-
начально запустившая каскад, уже удалена. Кроме
того, фосфатазы позволяют заново использовать
молекулы протеинкиназ, давая клетке возмож-
ность вновь отвечать на поступающие сигналы.
Система фосфорилирования-дефосфорилирова-
ния работает как молекулярный переключатель,
при необходимости включая или выключая ка-
кой-либо процесс, либо ускоряя или замедляя его.
В каждый момент времени активность белка, ре-
гулируемого фосфорилированием, зависит от со-
отношения между активными молекулами киназ
и фосфатаз.
Мелкие молекулы и ионы
кок вторичные посредники
Сигнальные каскады состоят не только из бел-
ков. В состав многих каскадов входят раствори-
мые в воде мелкие молекулы и ионы, называемые
Сигнальная молекула
Активированная
молекула-
переключатель IО Молекула-переключатель
активирует протеинкиназу 1
Неактивная
протеинкиназа
1
Неактивна!
протеин-
киназа
V 1 х
Q Активная протеинкиназа 1\
переносит фосфат с АТФ
на неактивную молекулу
протеинкиназы 2, приводя
таким образом к ее активации
© Ферменты, называемые
протеинфосфатазами (ПФ),
катализируют отщепление
фосфатных групп от белков.
Белки инактивируются, и их
можно использовать снова
1еактивнаяЧ
протеин- ।
киназа
<2
z Неактивная \ - j
протеинкиназа ЛАТФ^
белок
© Активная протеинкиназа 2
затем катализирует фосфо-
рилирование (и активацию)
протеинкиназы 3
о Наконец, активная \
протеинкиназа 3 фос- \
форилирует белок
(изображен фиолетовым),
который опосредует кле-
точный ответ на сигнал.
жтивный
белок
Клеточный
ответ
Рис. 11.10. Каскад фосфорилирования. В каскаде фосфорилирования несколько белков сигнального пути фосфорилируются по
очереди, каждый из которых добавляет фосфатную группу к следующему белку в каскаде. В данном случае фосфорилирование
приводит к активации белков, а дефосфорилирование возвращает их в неактивную форму. Активные и неактивные формы белков
изображены в виде разных фигур, чтобы напомнить вам о том, что активация белка обычно связана с изменением формы его мо-
лекулы
ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация 299
вторичными посредниками, или мессенджерами.
(Подразумевается, что “первичный посредник” —
это сама сигнальная молекула, лиганд мембранно-
го рецептора.) Поскольку вторичные посредники
малы и растворимы в воде, они легко распростра-
няются по клетке путем диффузии. Например, та-
кой вторичный посредник, как циклический АМФ,
передает сигнал, вызванный адреналином, от плаз-
матической мембраны клетки печени или скелет-
ной мышцы в цитоплазму, где этот сигнал в итоге
вызовет распад гликогена. Вторичные посредники
участвуют в каскадах, запускаемых как рецептора-
ми, сопряженными с G-белками, так и рецептор-
ными тирозинкиназами. Два самых распростра-
ненных вторичных посредника — это циклический
АМФ и ионы кальция, Са2+. Множество белков
чувствительны к цитозольной концентрации одно-
го из этих вторичных посредников.
Циклический АМФ
Как было сказано ранее, Эрл Сазерленд выяс-
нил, что адреналин каким-то образом вызывает
распад гликогена, не пересекая при этом плазма-
тическую мембрану. Это открытие побудило его
к поискам вторичного посредника, который пере-
дает сигнал от плазматической мембраны на фер-
менты метаболизма в цитоплазме.
Сазерленд обнаружил, что связывание адре-
налина с рецептором на плазматической мембра-
не клетки печени повышает цитозольную кон-
центрацию вещества, называемого циклический
аденозинмонофосфат, сокращенно циклический
АМФ, или цАМФ (рис. 1111). Расположенный на
внутренней стороне плазматической мембраны
фермент аденилатциклаза превращает АТФ в
цАМФ, как ответ на сигналы из внешней среды,
в нашем случае, — адреналина. Но адреналин не
стимулирует аденилатциклазу напрямую. Ког-
да адреналин вне клетки связывается со спец-
ифическим рецепторным белком, этот белок
активирует аденилатциклазу, которая может ка-
тализировать синтез многих молекул цАМФ. Та-
ким образом, нормальная внутриклеточная кон-
центрация цАМФ может за секунды увеличиться
в 20 раз. цАМФ передает сигнал в цитоплазму.
В отсутствие гормона цАМФ быстро гидролизу-
ется до АМФ другим ферментом, фосфодиэстера-
зой. Чтобы вновь повысить концентрацию цАМФ
в цитозоле, необходим новый выброс адреналина.
Дальнейшие исследования показали, что адре-
налин — это один из множества гормонов и дру-
гих сигнальных соединений, которые вызывают
образование цАМФ. Кроме того, стали известны
и другие компоненты цАМФ каскада, в том числе
G-белки, рецепторы, сопряженные с G-белками, и
протеинкиназы (рис. 11.12). Обычно прямой эффект
повышения уровня цАМФ — это активация серин/
треонинкиназы, которую называют протеинки-
назой А. Активированная протеинкиназа А затем
фосфорилирует различные белки в зависимости
от типа клеток (полный путь стимуляции распада
гликогена адреналином показан на рис. 11.16).
Другие G-белки регулируют метаболизм, ин-
гибируя аденилатциклазу. В этом случае другие
сигнальные молекулы активируют свои рецепто-
ры, которые активируют ингибиторный G-белок,
снижающий активность аденилатциклазы.
Рис. 11.11. Циклический АМФ. Вторичный посредник (или еще его называют вторичным мессенджером) циклический АМФ (цАМФ)
образуется из АТФ с помощью фермента аденилатциклазы, расположенного в плазматической мембране. Заметьте, что в цАМФ
фосфатная группа присоединена к 5' и к 3' углеродным атомам. Благодаря такой циклической структуре молекула и получила
свое название. Циклический АМФ инактивируется фосфодиэстеразой — ферментом, превращающим его в АМФ
Чю произойдет, если в клетку попадет молекула, инактивирующая фосфодиэстерозу?
А ЧТО. ЕСЛИ?
300 ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация
Поскольку мы знаем роль цАМФ в каска-
де, который инициируется G-белками, мы мо-
жем объяснить, как некоторые микроорганизмы
вызывают болезни человека. Рассмотрим холе-
ру, заболевание, эпидемии которого случаются
в местах, где вода загрязнена человеческими фе-
калиями. Холерный вибрион, Vibrio cholerae, мо-
жет попасть в организм, если выпить зараженную
воду. Бактерия образует биопленку на поверхно-
сти тонкого кишечника и выделяет токсин. Холер-
ный токсин — это фермент, который химически
модифицирует G-белок, участвующий в регуля-
ции секреции соли и воды. Поскольку изменен-
ный G-белок не способен гидролизовать ГТФ до
ГДФ, он остается в своей активной форме, непре-
рывно стимулируя аденилатциклазу. В результа-
те повышения концентрации цАМФ клетки ки-
шечника выделяют в просвет кишечника большое
количество солей, за которыми благодаря осмосу
следует вода. Вскоре после заражения начинает-
ся обильная диарея, и без лечения человек может
погибнуть от потери воды и солей.
Знание сигнальных каскадов, включающих
циклический АМФ и родственные ему посредни-
Pearson Education. Inc.
Клеточный ответ
Рис. 11.12. цАМФ кок вторичный посредник в сигнальном кас-
каде, запускаемом рецепторами, сопряженными с G-бел-
ками. Первичный мессенджер активирует сопряженный с
G-белком рецептор, который затем активирует специфиче-
ский G-белок. G-белок, в свою очередь, вызывает активацию
аденилатциклазы, которая катализирует превращение АТФ в
цАМФ. цАМФ затем выступает в роли вторичного посредни-
ка и активирует другой белок, обычно протеинкиназу А, что в
итоге приводит к клеточному ответу
ки, позволило разработать подходы к лечению не-
которых человеческих заболеваний. В одном из
каскадов циклический ГМФ, или цГМФ, опосреду-
ет расслабление гладких мышц в стенках артерий.
Вещество, которое блокирует гидролиз цГМФ до
ГМФ, продлевая тем самым действие сигнала, из-
начально использовалось при стенокардии, так
как оно улучшало кровоснабжение сердца. Это
вещество, известное под торговым названием ви-
агра, сегодня широко используется для лечения
эректильной дисфункции у мужчин. Поскольку
виагра вызывает расширение сосудов, она увели-
чивает кровоток в пенисе и таким образом опти-
мизирует необходимые для эрекции физиологи-
ческие показатели.
Ионы кальция и инозитолтрифосфат (ИФ.)
Многие сигнальные молекулы животных, сре-
ди которых есть нейромедиаторы, факторы роста
и некоторые гормоны, реализуют ответы в клет-
ках-мишенях путем увеличения концентрации
ионов кальция (Са2+) в цитозоле. Кальций как
вторичный посредник даже более распростра-
нен, чем цАМФ. Повышение цитозольной кон-
центрации Са2+ вызывает в клетках животных
разнообразные ответы, например, мышечное со-
кращение, секрецию некоторых веществ и деле-
ние клетки. В клетках растений многие гормоны
и стимулы из внешней среды могут на короткое
время повысить концентрацию Са2+ в цитозоле,
запуская различные сигнальные каскады, напри-
мер, каскад, ведущий к позеленению растения на
свету. Кальций участвует в каскадах, запускаемых
как рецепторами, сопряженными с G-белками,
так и рецепторными тирозинкиназами.
Хотя какое-то количество Са2+ есть в клетке
всегда, он может действовать как вторичный по-
средник, поскольку его цитозольная концентра-
ция в покое значительно ниже, чем во внешней
среде (рис. 11.13). Содержание Са2+ в крови и тка-
невой жидкости животных обычно более чем в
10 000 раз выше, чем в цитозоле. Ионы кальция
активно переносятся из клетки во внешнюю сре-
ду, а также запасаются в эндоплазматическом ре-
тикулуме (и при некоторых условиях в митохон-
дриях и хлоропластах) с помощью белков насосов.
В результате концентрация кальция в ЭПР обыч-
но намного выше, чем в цитозоле. Поскольку кон-
центрация кальция в цитозоле мала, небольшое
изменение ее абсолютной величины в процентном
соотношении может быть весьма значительным.
ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация 301
Эндоплазматический Плазматическая
ЖИДКОСТЬ
Условные
обозначения
Высокая
концентрация
(Са2+)
Низкая
концентрация
(Са2+)
В ответ на активацию сигнального каскада ци-
тозольная концентрация Са2+ может возрасти,
обычно за счет выхода кальция из ЭПР. В каска-
де, ведущем к выбросу кальция, участвуют еще
< Рис. 11.13. Поддержание концентрации ионов кальция в жи-
вотной клетке. Концентрация Са2* в цитозоле (показана бе-
жевым цветом) обычно значительно ниже, чем во внеклеточ-
ной жидкости и ЭПР (показаны голубым). В плазматической
мембране и в мембране ЭПР расположены специальные
белки-насосы, которые за счет энергии АТФ переносят Са2*
из цитозоля во внеклеточную жидкость и люмены ЭПР Когда
уровень кальция в цитозоле значительно повышается, мито-
хондриальные насосы, работающие благодаря хемиосмосу,
переносят Са2+ в митохондрии (см. раздел 9.4 в главе 9)
два вторичных посредника: инозитолтрифосфат
(ИФ^) и диацилглицерол (ДАГ). Эти посредни-
ки образуются при расщеплении определенных
фосфолипидов мембраны. На рис. 11.14 показан
полный путь сигнала от рецептора до стимуля-
ции выброса кальция из ЭПР инозитолтрифосфа-
том. Поскольку ИФ? действует до кальция в этом
каскаде, кальций можно было бы назвать “тре-
тьим посредником”. Однако название “вторичный
посредник” принято для всех мелких небелковых
молекул в сигнальных каскадах.
о Сигнальная молекула связы-
вается с рецептором, что ведёт
к активации фосфолипазы С
О Фосфолипаза С расщепляет
фосфолипид мембраны фосфа-
тидилинозитолбисфосфат (Р1Р2)
на диацилглицерол (DAG)
и инозитолтрифосфат (ИФ3)
О DAG выступает
в качестве вторичного
посредника в других
сигнальных путях
О ИФ3 быстро диффундирует
через цитозоль и связывается
ИФз-активируемым кальциевым
каналом в ЭПР, что вызывает
0 Ионы кальция выходят из ЭПР
(по градиенту концентрации),
и их количество в цитозоле
возрастает
О Ионы кальция активи-
руют последующие белки
одного или нескольких
сигнальных путей
Рис. 11.14. Роль кальция и
ИФ3 в сигнальных путях. Ионы
кальция (Са2+) и инозитолтри-
фосфат (ИФ3) участвуют во
многих сигнальных путях в ка-
честве вторичных посредни-
ков. Показанный на этой схе-
ме процесс начинается со
связывания сигнальной мо-
лекулы с рецептором, сопря-
женным с G-белком. Рецеп-
торные тирозинкиназы также
могут запускать этот каскад,
активируя фосфолипазу С
его открытие
302 ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 11.3
1.
2.
3.
4.
Что такое протеинкиназы, и какую роль они играют в сиг-
нальных каскадах?
Если в составе сигнального каскада есть этапы фосфори-
лирования, то каким образом передача сигнала может
быть прекращена?
Какова природа "сигнала", передающегося в любом сиг-
нальном каскаде, таком, например, как показаны на
рис. 11.6 и 11.10? Каким образом информация переходит из
внешней среды в клетку?
| Как влияет работа ИФ3-зависимого кальци-
евого канала на цитозольную концентрацию Са2+ при акти-
вации фосфолипазы С рецептором, связанным со своим ли-
гандом?
А ЧТО, ЕСЛИ?
функционируют вне ядра. Например, сигнал мо-
жет привести к открытию или закрытию ионно-
го канала на плазматической мембране, или же к
изменению определенного этапа клеточного ме-
таболизма. Примером изменений в метаболиз-
ме может быть увеличение активности фермен-
та гликогенфосфорилазы в ответ на адреналин в
клетках печени. На рис. 11.16 показан полный путь
от активации рецептора до высвобождения глю-
козо-6-фосфата. Обратите внимание, что на ка-
ждом этапе происходит усиление (амплифика-
ция) ответа.
Ответы см. в Приложении А.
11.4. Ответ: клеточная
сигнализация ведет к регуляции
транскрипции или процессов,
происходящих в цитоплазме
В этом разделе мы подробнее рассмотрим от-
вет клетки на сигнал из внешней среды. Какова
природа финальных этапов сигнального каскада?
Ядерные и цитоплазматические ответы
Результат активация сигнального каскада —
регуляция одного или нескольких аспектов жиз-
недеятельности клетки. Конечный ответ может
реализоваться в ядре клетки или в ее цитоплазме.
Многие сигнальные каскады регулируют син-
тез белка, включая и выключая экспрессию опре-
деленных генов в ядре. Так же, как активирован-
ный рецептор стероидных гормонов (см. рис. 11.19),
молекула, активированная на последнем этапе
сигнального каскада, может работать как транс-
крипционный фактор. На рис. 11.15 изображен при-
мер активации транскрипционного фактора че-
рез сигнальный каскад: в ответ на сигнал фактора
роста усиливается транскрипция — т.е. синтез од-
ной или нескольких специфичных молекул мРНК,
с которых затем в цитоплазме транслируется бе-
лок. В других случаях транскрипционный фактор
может ослаблять транскрипцию гена. Зачастую
один транскрипционный фактор регулирует не-
сколько генов.
Иногда сигнальный каскад может регулиро-
вать активность белков, а не стимулировать их
синтез посредством активации экспрессии генов.
Это влияет непосредственно на белки, которые
Восприятие
Фактор роста
Рецептор
ЯДРО
мРНК -
Рис. 11.15. Ядерные ответы на сигнал: активация гена факто-
ром роста. На этой диаграмме в упрощенном виде изобра-
жен типичный сигнальный каскад, приводящий к регуляции
активности генов в ядре. Исходная сигнальная молекула —
фактор роста — запускает каскад фосфорилирования, как
на рис. 11.10. (Молекулы АТФ и остатки фосфатных групп здесь
не показаны.) Как только происходит фосфорилирование по-
следней киназы каскада, она входит в ядро и активирует бе-
лок, регулирующий уровень транскрипции генов — транс-
крипционный фактор. Этот белок стимулирует транскрипцию
определенного гена или группы генов. Считанные с этих ге-
нов мРНК затем переносятся в цитоплазму и служат матрица-
ми для синтеза соответствующих белков
ЦИТОПЛАЗМА
Каскад
фосфорили-
рования
Передача
сигнала
Неактивный Активный
транскрипционный транскрип-
фактор ционный
ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация 303
Рецепция
Связывание адреналина с рецептором,
сопряженным с G-белком (1 молекула)
Трансдукция
Неактивный
G-белок
Активный G-белок (102 молекул)
Неактивная f
аденилатциклаза
Активная аденилатциклаза (102 молекул)
Активная протеинкиназа А (104)
Циклический АМФ (104)
Неактивная (
протеинкиназа А
Неактивная (
киназа фосфорилаза
Активная киназа фосфорилаза (105)
Неактивная (
гликогенфосфорилаза
Активная гликогенфосфорилаза (106)
Рис. 11.16. Цитоплазматический ответ на сигнал: стимуля-
ция распада гликогена адреналином (эпинефрином). В этой
сигнальной системе гормон адреналин действует через ре-
цептор, сопряженный с G-белком, активируя цепь молекул-
переключателей, в том числе, цАМФ и две протеинкиназы
(см. также рис. 11.12). В конечном итоге активируется фермент
гликогенфосфорилаза, который использует неорганический
фосфат для высвобождения мономеров глюкозы из гликоге-
на в виде молекул глюкозо-1-фосфата. Этот каскад приводит
к усилению гормонального сигнала: один рецепторный белок
может активировать примерно 100 молекул G-белка, и каждый
фермент сигнального пути, будучи активированным, может
действовать на множество молекул своего субстрата — сле-
дующей молекулы в каскаде. Число активированных молекул,
приведенное для каждого этапа, указано приблизительно
1 Сколько молекул глюкозы высвобождается в ответ но одну
сигнальную молекулу на этой схеме ? Вычислите, во сколько раз
усиливается ответ при переходе к каждому из этапов каскода.
Рецепторы сигнала, молекулы-переключате-
ли и вторичные посредники входят в состав мно-
жества каскадов, ведущих к ядерным и цитоплаз-
матическим ответам. Некоторые из этих каскадов
приводят к делению клеток. Среди сигнальных
молекул, запускающих эти каскады, есть факто-
ры роста и некоторые гормоны животных и рас-
тений. Нарушения в передаче сигнала факторов
роста может способствовать развитию рака — мы
обсудим это подробнее в главе 18.
Регуляция ответа
Независимо от того, реализуется ли ответ в
ядре или цитоплазме, он не просто включается
или выключается. Существуют различные меха-
низмы регуляции его величины и специфично-
сти. Здесь мы обсудим четыре аспекта этой ре-
гуляции. Во-первых, ответ на единичный стимул
усиливается (амплифицируется) при прохожде-
нии сигнала по каскаду. Во-вторых, многоэтап-
ность сигнального каскада позволяет регулиро-
вать ответ на многих “контрольных точках” на
пути сигнала, что влияет на специфичность от-
вета и позволяет координировать его с други-
ми каскадами. В-третьих, эффективность ответа
увеличивается в присутствии скаффолд-белков.9
Наконец, остановка (терминация) сигнала — это
необходимый этап регуляции ответа.
Амплификация сигнала
Сложные каскады ферментативных реакций
амплифицируют (т.е. многократно усиливают) от-
вет клетки на сигнал. На каждом этапе количе-
ство активированных молекул может быть зна-
чительно больше, чем на предыдущем. Например,
на рис. 11.16 изображен каскад реакций, которые
стимулируются адреналином, и каждая молекула
аденилатциклазы образует около сотни молекул
цАМФ, каждая молекула протеинкиназы А фос-
форилирует примерно 10 молекул следующей за
ней киназы, и т.д. Амплификация происходит
благодаря тому, что фермент может находиться в
активном состоянии достаточно долго для того,
чтобы успеть модифицировать многие молекулы
субстрата, прежде чем снова инактивироваться.
В результате амплификации сигнала связывание
небольшого числа молекул адреналина с рецепто-
ром на поверхности клетки печени или скелетной
мышцы может вызывать высвобождение сотен
миллионов молекул глюкозы из гликогена.
4 От англ, scaffold — “каркас”. — Примеч. ред.
304 ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация
Специфичность клеточной сигнализации
и координация ответа
Рассмотрим два разных типа клеток в теле че-
ловека: например, клетки печени и сердечной
мышцы. Оба типа клеток находятся в контакте с
кровью и постоянно сообщаются с множеством
молекул различных гормонов и локальных регу-
ляторов. И все же клетка печени отвечает на одни
сигналы и не замечает другие, также действу-
ют и клетки сердца. А некоторые сигналы вызы-
вают ответ и в тех, и в других клетках, но ответы
эти различаются. Например, адреналин стимули-
рует распад гликогена в печени, но основной от-
вет клеток сердца — сокращение, что приводит к
учащению сердечного ритма. В чем причина этих
различий?
Специфичность ответов клеток разных типов
на сигнал объясняется так же, как и все осталь-
ные различия между типами клеток: клетки раз-
ных типов экспрессируют разные гены, а значит,
и имеют разные наборы белков (см. рис. 11.17). Как
конкретная клетка ответит на сигнал, будет зави-
сеть от сочетания специфичных для нее рецеп-
торных белков, молекул-переключателей и эф-
фекторных молекул. Клетка печени, например,
располагает всеми необходимыми белками (см.
рис. 11.16) для реакции на адреналин, а также для
синтеза гликогена.
Таким образом, две клетки, по-разному реа-
гирующие на один и тот же сигнал, различаются
одним или несколькими белками, необходимы-
ми для реализации ответа. Обратите внимание,
что разные сигнальные каскады могут иметь и об-
щие звенья, как показано на рис. 11.17. Например,
клетки А, Б и В используют один и тот же рецеп-
тор для “красной” сигнальной молекулы, и разни-
ца в их реакциях объясняется другими белками в
каскаде. В клетке Г другой рецептор воспринима-
ет ту же самую сигнальную молекулу и вызывает
специфический для этой клетки ответ. В клетке Б
сигнальный каскад, запускаемый одной сигналь-
ной молекулой, разделяется и вызывает два парал-
лельных ответа. Такие ветвящиеся каскады часто
начинаются с рецепторных тирозинкиназ (кото-
рые могут активировать несколько молекул-пере-
ключателей) или включают в себя вторичные по-
средники (которые могут регулировать множество
белков). В клетке В в нашем примере два каскада,
запускаемые разными сигналами, сливаются и мо-
дулируют один ответ. Ветвление каскадов и “пе-
реговоры” (взаимодействия) между ними играют
роль в регуляции и координации клеточных отве-
тов на информацию, поступающую из различных
источников. (Вы узнаете больше о координации
сигнальных каскадов в разделе 11.5 настоящей
главы.) Кроме того, использование перекрываю-
щихся наборов белков в нескольких каскадах по-
Молекулы-
переклю-
чатели
Ответ 1
Клетка А. Каскад ведёт Клетка Б. Каскад разветвля-
к одному ответу ется, приводя к двум ответам
Клетка В. Два каскада взаи- Клетка Г. Другой рецептор
модействуют между собой приводит к другому ответу
Рис. 11.17. Специфичность клеточной сигнализации. Харак-
терный для клетки специфический набор белков определяет,
на какие сигнальные молекулы реагирует эта клетка, а также
природу ее ответа. Четыре клетки на этой схеме по-разному
отвечают на одну и ту же сигнальную молекулу (изображена
красным цветом), потому что каждая из клеток содержит раз-
личные белки (показаны фиолетовым и голубым цветами). Об-
ратите внимание, что при этом одни и те же типы молекул мо-
гут участвовать более чем в одном сигнальном пути
Внимательно рассмотрите сигналь-
ный путь, показанный на рис. 11.14, и объясните, кок к нему мо-
жет быть применена ситуация, показанная выше для клетки Б
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация 305
зволяет клетке экономить на производстве раз-
личных белков.
Примером сигнала, который ведет к сложному
и координированному клеточному ответу, может
служить запуск феромонами полового процесса у
дрожжей (см. рис. 11.2). В рубрике “Развиваем ис-
следовательские навыки” вы можете попробовать
проанализировать экспериментальные данные об
ответах дрожжевых клеток на сигнал феромона,
исходящего от клетки с противоположным типом
спаривания.
Эффективность передачи сигнала:
скаффолд-белки и сигнальные комплексы
Изображенный на рис. 11.17 сигнальный каскад
(как и все прочие диаграммы в этой главе) сильно
упрощен. На этих схемах представлены только не-
которые молекулы-переключатели и для ясности
они изображены распределенными в цитозоле.
Если бы это было действительно так, то передача
сигнала была бы очень неэффективной: посколь-
ку большинство молекул-переключателей име-
ют белковую природу, они слишком велики, что-
бы свободно диффундировать в вязком цитозоле.
Как же конкретная протеинкиназа находит свой
субстрат?
Зачастую эффективность передачи сигна-
ла увеличивается в присутствие скаффолд-бел-
ков — это крупные белки, стыкующиеся сразу с
несколькими другими белками-переключателя-
ми. Например, один выделенный из мозга мыши
скаффолд-белок удерживает на себе три протеин-
киназы, вместе с ними присоединяется к некото-
рому мембранному рецептору при его активации
Рис. 11.18. Скаффолд-белок. Показанный здесь скаффолд-
белок одновременно связывается с активированным специ-
фическим рецептором плазматической мембраны и с тремя
различными протеинкиназами. Такое взаимное расположе-
ние упрощает передачу сигнала этими молекулами
и способствует активации определенного каскада
фосфорилирования (рис. 11.18).
Исследователи обнаружили в нейронах скаф-
фолд-белки, постоянно удерживающие вместе
целые сети сигнальных белков в синапсах. Та-
кое сцепление ускоряет и уточняет межклеточ-
ную передачу сигнала, поскольку скорость бе-
лок-белковых взаимодействий не лимитирована
диффузией. Кроме того, в некоторых случаях
скаффолд-белки могут напрямую активировать
белки-переключатели.
Когда были открыты первые сигнальные
каскады, бытовало мнение, что это независимые
линейные пути. Однако вскоре взгляд на меж-
клеточную коммуникацию обогатился понима-
нием того, что компоненты сигнальных каскадов
взаимодействуют между собой различными спо-
собами. Как показано на рис. 11.17, некоторые бел-
ки могут участвовать более чем в одном каскаде в
различных типах клеток в разное время или при
различных условиях. Это наблюдение подчерки-
вает важность временных, а в некоторых случаях
и постоянных, белковых комплексов в процессе
клеточной сигнализации.
Значение белков-переключателей, служащих
точками ветвления и пересечения сигнальных
каскадов, становится особенно ясно, когда эти
белки повреждены или отсутствуют. Например,
такое наследственное заболевание, как синдром
Вискотта-Олдрича (или WAS, от англ. Wiskott-
Aldrich syndrome), вызывается нарушением всего
лишь одного белка, но его проявления очень раз-
нообразны: кровотечения, экзема, предрасполо-
женность к инфекциям и лейкемии. Считается,
что эти симптомы возникают в основном из-за
отсутствия этого белка в клетках иммунной си-
стемы. Изучая здоровые клетки, ученые обнару-
жили, что белок WAS находится непосредствен-
но под мембраной клеток иммунной системы. Он
взаимодействует с микрофиламентами цитоске-
лета и с некоторыми белками, передающими сиг-
налы от клеточной поверхности, в том числе вов-
леченными в каскады пролиферации иммунных
клеток. Этот многофункциональный белок вы-
ступает как точка ветвления и пересечения путей
в сложной сети передачи сигналов, контролирую-
щей жизнедеятельность иммунной клетки. Если
белок WAS отсутствует, нарушается организация
цитоскелета и передача сигналов, что ведет к сим-
птомам синдрома Вискотта-Олдрича.
306 ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
'Эюспериментальная проверка модели
О Каскод фосфорилирования
ГТФ
0 G-белок связывает ГТФ
(GDP) и активируется
О Феромон Феромон^
активирует
рецептор
Движение в сторону клетки-
Рецептор, сопряженный партнера (формирование у
с G-белком ”шму“-выроста)
Каскад
\ фосфори-
лирова-
\ ния
Субъединица
актина
0 Fus3 фосфори- \
лирует формин <
активируя его V—Микрофиламент |
0 Формин запускает рост
микрофиламентов, которые
активирует Fus3, который затем
движется к плазматической мембране
и обуславливают движение
в направлении клетки-партнера
Необходимо ли совместное присутствие киназы Fus3 и форми-
на для обеспечения направленного роста клеток дрожжей при
спаривании? Когда молекулы феромонов связываются с клет-
кой противоположного типа спаривания, сигнальный каскад
опосредует рост клетки в сторону потенциального партнера.
Похожая на кеглю клетка с выростом называется "шму", потому
что она по форме напоминает одноименного персонажа аме-
риканских комиксов 1950-х годов. Ученые попытались выяснить,
каким образом сигнал феромонов приводит к образованию вы-
ростов внутри клетки, иными словами, ее асимметричный рост.
Предыдущие исследования показали, что активация одной из
киназ сигнального каскада, Fus3, приводит к тому, что она пере-
мещается к тому месту на мембране, вблизи которого феромон
связался с рецептором. В результате первого эксперимента,
проведенного в этой работе, была идентифицирована одна из
мишеней Fus3 киназы — ею оказался белок формин, направля-
ющий сборку микрофиламентов. На основе этих данных ученые
разработали модель сигнального пути (показана на схеме), ве-
дущего к образованию выростов “шму" у дрожжей.
Проведение эксперимента. Чтобы определить, необходимы ли
Fus3 и формин для образования выростов, исследователи получи-
ли две мутантные линии дрожжей: у одной из них отсутствовал ген
киназы Fus3 (линия AFus3), у второй — ген формина (Aformin). Что-
бы проверить эффект этих мутаций на образование выростов под
действием феромонов, ученые наблюдали за симметричностью
роста клеток. Сначала клеточные стенки обеих линий были поме-
чены зеленым флуоресцентным красителем. Затем окрашенные
зеленым клетки обработали феромоном и пометили красным
флуоресцентным красителем, который окрашивает только ново-
образованные клеточные стенки. О росте во все стороны (сим-
метричном росте) свидетельствует равномерное желтое окра-
шивание, возникающее при наложении друг на друга зеленого
и красного красителя. В норме это характерно для клеток дикого
типа, не подвергавшихся действию феромона (не показано).
Полученные экспериментальные данные. На микрофотографи-
ях показаны клетки дикого типа, линии AFus3 и линии Aformin, по-
сле того как они были последовательно окрашены зеленым флу-
оресцентным красителем, обработаны феромоном и окрашены
красным. Клетки дикого типа экспрессируют и Fus3, и формин.
Клетки дикого типа AFus3 Aformin
Анализ данных
1. Модель помогает сформулировать проверяемую гипотезу. На
схеме показана предложенная исследователями рабочая
модель образования выростов, а) Какую гипотезу тестиро-
вали с помощью линии aFus3? б) С помощью линии Aformin?
в) Зачем включать в эксперимент дрожжи дикого типа?
2. При планировании эксперимента ученые делают предполо-
жения о том, каков будет результат, если их гипотеза верна,
а) Если гипотеза о роли Fus3 киназы в формировании выро-
стов верна, какой результат ожидаем для линии AFus3? Что
будет, если она неверна? б) Если гипотеза о роли формина
в образовании выростов верна, каков будет результат для ли-
нии Aformin? Каким будет результат, если она не верна?
3. Опишите форму клеток и характер окрашивания клеточных
стенок на каждой микрофотографии. Объясните значение
ваших наблюдений. Какая/ие из этих линий клеток дрожжей
формирует/ют выросты?
4. а) Подтверждают ли полученные данные гипотезу о роли Fus3
киназы в образовании выростов? б) подтверждают ли эти
данные гипотезу о роли формина? в) Подтверждают ли полу-
ченные данные предложенную модель (рабочую гипотезу),
изображенную на схеме?
5. Fus3 киназа и белок формин обычно равномерно распреде-
лены в клетке дрожжей. На основе модели на схеме объяс-
ните, почему вырост будет возникать на той стороне клетки, с
которой связался феромон.
6. Предположите, что произойдет, если в дрожжевой клетке воз-
никнет мутация, не позволяющая G-белку связывать GTP?
Источник: D. Matheos et al., Pheromone-induced polarization is
dependent on the Fus3p МАРК acting through the formin Bnilp,
Journal of Cell Biofogy 165:99-109 (2004).
Терминация сигнала
Для простоты мы не стали показывать на
рис. 11.17 механизмы инактивации, присущие всем
сигнальным каскадам. Чтобы клетка многокле-
точного организма могла отвечать на приходящие
сигналы, каждое изменение в составляющих сиг-
нальный каскад молекулах не должно сохранять-
ся долго. На примере холеры мы увидели, что если
компонент сигнального каскада оказывается за-
пертым в одном состоянии, активном или неак-
тивном, последствия для организма могут быть са-
мыми тяжелыми.
Способность клетки воспринимать новые сиг-
налы зависит от обратимости изменений, вызван-
ных предыдущими сигналами. Связывание сиг-
нальной молекулы с рецептором обратимо. При
падении концентрации сигнальной молекулы во
внешней среде, меньшая доля рецепторов ока-
зывается связанной в каждый момент времени,
а рецепторы, которые больше не связаны с ли-
гандом, возвращаются в неактивное состояние.
Клеточный ответ реализуется, только когда кон-
центрация рецепторов, связанных с сигнальной
молекулой, превышает некоторый порог. Когда ко-
личество активных рецепторов падает ниже по-
рогового значения, клеточный ответ прекращает-
ся. При этом молекулы-переключатели теми или
иными путями возвращаются в неактивное со-
стояние: G-белок благодаря своей ГТФазной ак-
тивности гидролизует связанный с ним ГТФ; фер-
мент фосфодиэстераза превращает цАМФ в АМФ;
протеинфосфатазы инактивируют фосфорилиро-
ванные киназы и другие белки и т.д. В результате
клетка вскоре готова к ответу на новый сигнал.
В этом разделе мы рассмотрели подробно-
сти инициации и терминации сигнала в отдель-
ном каскаде, и то, как каскады могут пересекаться
между собой. В следующем разделе мы обратимся
к одной особенно важной сети взаимодействую-
щих каскадов.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 11.4
1.
2.
Каким образом в ответ на единственную молекулу гормо-
на может вовлекаться миллион других молекул в клетке-ми-
шени?
А ЧТО,ЕСЛИ?
Объясните, как две клетки могут по-разно-
му отвечать на одну и ту же сигнальную молекулу, если у них
различается набор скаффолд-белков.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Некоторые заболевания чело-
века связаны с нарушением функции протеинфосфатаз. Как
это может повлиять на сигнальные каскады? (Повторите об-
зор протеинфосфатаз в разделе 11.3 и на рис. 11.10.)
Ответы см. в Приложении А.
11.5. Апоптоз объединяет
множество сигнальных путей
Быть или не быть? По-видимому, для ответа на
этот вопрос, первоначально поставленным Гамле-
том, в клетках существует одна из самых замыс-
ловатых сетей сигнальных каскадов. Зараженные,
поврежденные клетки, а также клетки, пришед-
шие к концу своего жизненного пути, часто под-
вергаются “программируемой клеточной гибели”
(рис. 11.19). Наиболее изученный тип контролируе-
мого “клеточного самоубийства” — это апоптоз
(от др.-греч. “опадание”, использовалось в класси-
ческой поэзии по отношению к опаданию листьев).
В ходе этого процесса различные клеточные аген-
ты режут ДНК, фрагментируют органеллы и дру-
гие компоненты цитоплазмы. Клетка уменьшается,
ее мембрана образует вздутия,10 части клетки упа-
ковываются в везикулы, которые затем полностью
поглощаются специальными клетками-мусорщи-
ками. Апоптоз защищает соседние клетки от по-
вреждений, которые могла бы нанести умирающая
клетка, если бы ее содержимое, включая все гидро-
лизующие ферменты, просто вытекло.
Рис. 11.19. Апоптоз белой кровяной клетки человека. Слева
показан нормальный лейкоцит, а справа лейкоцит в процес-
се апоптоза. Апоптотическая клетка уменьшается в разме-
рах и образует вздутия (блеббинг), которые затем отделяются
в виде окруженных мембраной апоптотических телец (СЭМ)
Сигнал к апоптозу может прийти извне или из-
нутри клетки. Приходящие извне сигнальные моле-
кулы запускают сигнальный каскад, который акти-
вирует гены и белки, ответственные за клеточную
гибель. Внутри клетки, чья ДНК была непоправимо
повреждена, последовательность белок-белковых
взаимодействий может также передать сигнал, за-
пускающий процесс гибели клетки. Рассмотрим не-
сколько примеров апоптоза, чтобы понять, как сиг-
нальные каскады работают в клетках.
10 Этот процесс называется “блеббинг” от англ, bleb —
“пузырек”. — Примеч. ред.
308 ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация
Апоптоз у червя Caenorhabditis elegans
Молекулярные механизмы апоптоза были
впервые выявлены во время исследования эмбрио-
нального развития крошечного почвенного чер-
вя — нематоды Caenorhabditis elegans. Поскольку в
теле взрослого червя всего-навсего около тысячи
клеток, исследователям удалось проследить всю
историю делений каждой из них. В ходе нормаль-
ного развития С. elegans погибает ровно 131 клет-
ка, причем у разных червей это происходит на од-
них и тех же этапах клеточного деления. У червей
и других животных апоптоз вызывают сигналы,
запускающие каскад “самоубийства” в клетке, ко-
торой предназначено умереть.
Сначала методами генетики у С. elegans обнару-
жили два гена ced-З и ced-4 (ced означает “клеточ-
ная гибель”, от англ, cell death), кодирующие ключе-
вые белки апоптоза. Белки, закодированные в этих
генах, называются Ced-З и Ced-4, соответственно.
Эти и большинство других участвующих в апоп-
тозе белков постоянно присутствуют в клетках в
неактивной форме; таким образом, в этом случае
регуляция происходит преимущественно за счет
изменения активности белков, а не на уровне экс-
прессии генов. У С. elegans белок внешней мемб-
раны митохондрий Ced-9 (продукт гена ced-9)
служит основным регулятором апоптоза — он дей-
ствует как “тормоз” при отсутствии сигнала, запу-
скающего апоптоз (рис. 11.20). Когда клетка получает
сигнал смерти, в ходе трансдукции (последователь-
ной передачи) этого сигнала снимается торможе-
ние апоптоза Ced-9, и активируются протеазы и
нуклеазы — ферменты, расщепляющие белки и ну-
клеиновые кислоты в клетке. Главные апоптотиче-
ские протеазы называются каспазами-, у нематоды
основная каспаза — это белок Ced-З.
Апоптотические каскады
и запускающие их сигналы
У человека и других млекопитающих суще-
ствуют несколько запускающих апоптоз путей, в
состав которых входят около 15 различных кас-
паз. Использование того или иного каскада зави-
сит от типа клеток и от природы инициирующе-
го апоптоз сигнала. Один важный путь включает
некоторые митохондриальные белки, которые при
определенных условиях образуют поры во внеш-
ней митохондриальной мембране, через которые
выходят другие белки, способствующие апоптозу.
Интересно, что среди этих белков есть цитохром с:
Белок Ced-9 (активный)
ингибирует активность Ced-4
для сигнальной Неактивные белки
молекулы
клеточной смерти
а) Сигнал клеточной смерти отсутствует. Пока Ced-9,
расположенный на внешней митохондриальной
мембране, активен, апоптоз тормозится, и клетка
остается живой
Клетка
образует
вздутия
Ced-9 (неактивный)
Сигнальная
активации
б) Сигнал клеточной смерти. Когда клетка получает сигнал
смерти, Ced-9 инактивируется и перестает ингибировать
Ced-З и Ced-4. Активный Ced-З, представляющий собой
протеазу, запускает каскад реакций, ведущих к активации
нуклеаз и других протеаз. Активация этих ферментов
вызывает апоптотические изменения и, в конечном итоге,
приводит к смерти клетки
Рис. 11.20. Молекулярные основы апоптоза у С. elegans. Три
белка, Ced-З, Ced-4 и Ced-9, необходимы для протекания
апоптоза и его регуляции у нематоды. Апоптоз у млекопита-
ющих представляет собой более сложный процесс, но в нем
участвуют сходные белки
в здоровых клетках он участвует в митохондри-
альном транспорте электронов (см. рис. 9.15), но
когда выходит из митохондрий, превращается в
фактор клеточной гибели. Митохондриальный
апоптоз в клетках млекопитающих происходит с
помощью белков, похожих на Ced-З, Ced-4 и Ced-9
почвенного червя, нематоды. Их можно предста-
вить себе как молекулы-переключатели, способ-
ные передавать сигнал к апоптозу.
ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация 309
Белки-переключатели интегрируют сигналы из
разных источников и служат воротами вхожде-
ния в апоптоз. Зачастую сигнал приходит извне,
как сигнальная “молекула смерти” на рис. 11.20,6, ко-
торая предположительно происходит из соседней
клетки. Когда молекула смерти связывается с ре-
цептором на поверхности клетки, это ведет к ак-
тивации каспаз и других ферментов апоптоза, не
затрагивая митохондриальный путь. Этот процесс
рецепции, трансдукции сигнала и ответа на него
принципиально не отличается от других приме-
ров из этой главы. Неожиданный поворот в при-
вычный нам сюжет вносят два других типа, кото-
рые способны привести к апоптозу из-за сигналов
тревоги. Они берут начало изнутри клетки, а не от
мембранного рецептора. Один из сигналов прихо-
дит из ядра, если ДНК была непоправимо повреж-
дена, а второй берет начало из эндоплазматиче-
ского ретикулума, когда слишком много белков
принимают неправильную третичную структуру.
Клетки млекопитающих “решают” жить или уме-
реть, объединяя каким-то образом “сигналы смер-
ти” и “сигналы жизни”, приходящие соответствен-
но извне или изнутри клетки.
Присущий клеткам механизм самоубийства
необходим для развития и поддержания жизни
всех животных. Сходство генов апоптоза нематод
и млекопитающих, а также наличие апоптоза у
многоклеточных грибов и даже у одноклеточных
дрожжей, позволяют датировать возникновение
механизмов апоптоза ранней эволюцией эукари-
от. У позвоночных апоптоз необходим для разви-
тия нервной системы, для нормальной работы им-
мунной системы, для морфогенеза кистей и стоп
человека, лап других млекопитающих (рис. 11.21).
Интересно, что у тех существ, у которых разви-
лись пальцы, уровень апоптоза у уток и других
1.
2.
Межпальцевая ткань
водных птиц с перепончатыми лапами гораздо
ниже, чем у птиц, обитающих на суше (например,
у кур). У человека при нарушении апоптоза тоже
могут остаться перепонки между пальцами.
Существуют убедительные свидетельства в
пользу участия апоптоза в патогенезе некоторых
нейродегенеративных заболеваний, таких как бо-
лезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера. При
болезни Альцгеймера в нервных клетках накапли-
ваются белковые агрегаты (т.е. слипшиеся белки),
которые активируют запускающие апоптоз фер-
менты, и это приводит к нарушению функцио-
нирования мозга. Кроме того, нарушения апоп-
тоза могут приводить к раку, некоторые случаи
меланомы у человека связаны с повреждением
человеческой версии белка Ced-4 С. elegans. Неу-
дивительно, что сигнальные пути, приводящие к
апоптозу достаточно сложны, ведь для клетки са-
мый главный вопрос, который можно себе пред-
ставить, — это вопрос о жизни и смерти.
В этой главе мы познакомились со многими
общими механизмами клеточной коммуникации,
такими как связывание лиганда, белок-белко-
вые взаимодействия и изменения конформации,
каскады взаимодействий и фосфорилирование
белков. В ходе вашего дальнейшего изучения био-
логии вы столкнетесь со множеством примеров
клеточной сигнализации.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 11.5
А ЧТО,ЕСЛИ?
Приведите пример апоптоза в эмбриональном развитии и
объясните его роль.
j Какие дефекты белков могут вызвать апоп-
тоз, когда он не должен происходить? Какие могут предот-
вратить апоптоз, когда он должен случиться?
Ответы см. в Приложении А
Рис. 11.21. Роль апоптоза в развитии лапы мыши. У мышей, людей, других млекопитающих и наземных птиц участок тела эмбрио-
на, из которого развиваются кисти и стопы, изначально представляет собой сплошную пластину Апоптоз приводит к уничтожению
клеток в межпальцевых областях, приводя к формированию отдельных пальцев. Лапа эмбриона мыши на этой микрофотографии,
полученной под флуоресцентным световым микроскопом, окрашена таким образом, что апоптотические клетки на ней имеют яр-
кий желто-зеленый цвет. Апоптоз клеток начинается от края каждой межпальцевой области (слева), достигает максимума по мере
уменьшения этих областей (посередине), и прекращается, когда ткани между пальцами больше не осталось (справа)
310 Г ЛАВА 11 Клеточная коммуникация
11.1. ВНЕШНИЕ СИГНАЛЫ ПРЕОБРАЗУЮТСЯ
В КЛЕТОЧНЫЕ ОТВЕТЫ
• Пути трансдукции сигнала необходимы для мно-
жества процессов. Сигнализация при спаривании
дрожжей во многом сходна с процессами у мно-
гоклеточных организмов. Это свидетельствует в
пользу возникновения сигнализации на ранних
этапах эволюции. Бактериальные клетки способны
определять локальную плотность популяции бакте-
рий (чувство кворума).
• Локальная сигнализация в клетках животных
включает в себя непосредственный контакт меж-
ду клетками или секрецию локальных регуляторов.
Для дистантной сигнализации клетки растений и
животных используют гормоны; животные клетки
также могут передавать электрические сигналы.
• Как и другие гормоны, взаимодействующие с мемб-
ранными рецепторами, адреналин запускает трех-
ступенчатый сигнальный каскад:
Каким образом определяется, будет ли клетка от-
вечать на гормон, например на адреналин? Что опреде-
ляет, как именно она будет отвечать на гормон?
11.2. РЕЦЕПЦИЯ: СИГНАЛЬНАЯ МОЛЕКУЛА
СВЯЗЫВАЕТСЯ С РЕЦЕПТОРНЫМ БЕЛКОМ,
ВЫЗЫВАЯ ИЗМЕНЕНИЕ ЕГО КОНФОРМАЦИИ
• Связывание сигнальной молекулы (лиганда) с ре-
цептором высокоспецифично. Часто первый этап
трансдукции сигнала — это определенное измене-
ние конформации рецептора.
• Существуют три основных типа трансмембранных
рецепторов клеточной поверхности: 1) рецепторы,
сопряженные с G-белками (GPCR) работают при
участии цитоплазматических G-белков. Связыва-
ние лиганда заставляет рецепторы передавать сиг-
нал на определенный G-белок, который активирует
еще один белок, тем самым распространяется сиг-
нал. 2) Рецепторные пгирозинкиназы при взаимо-
действии с сигнальной молекулой образуют димеры
и присоединяют фосфатные группы к остаткам ти-
розина цитоплазматической части второго моно-
мера в составе димера. Затем белки-переключатели
могут быть активированы в результате связывания
с несколькими фосфорилированными остатками
тирозина, что позволяет рецептору запускать сра-
зу несколько каскадов. 3) Лиганд-управляемые ион-
ные каналы открываются и закрываются в ответ
на связывание с некоторыми сигнальными моле-
кулами, регулируя токи определенных ионов через
мембрану.
• Работа всех трех типов рецепторов жизненно необ-
ходима; нарушения GPCR и других участвуют в па-
тогенезе многих заболеваний человека.
• Внутриклеточные рецепторы — это цитоплазмати-
ческие или ядерные белки. Сигнальные молекулы,
которые достаточны гидрофобны или достаточ-
но малы, чтобы пересекать плазматическую мем-
брану, связываются с этими рецепторами внутри
клетки.
| В чем заключается сходство структур GPCR и ре-
цепторных тирозинкиназ? Чем отличается инициация
трансдукции сигнала этими типами рецепторов?
11.3. ТРАНСДУКЦИЯ: КАСКАДЫ МОЛЕКУЛЯРНЫХ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПЕРЕДАЮТ СИГНАЛЫ ОТ
РЕЦЕПТОРОВ К МОЛЕКУЛАМ-МИШЕНЯМ В КЛЕТКЕ
• На каждом этапе сигнального каскада сигнал пере-
дается в новой форме, при этом обычно изменяется
конформация белка. Многие сигнальные каскады
включают в себя каскады фосфорилирования, в ко-
торых каждая протеинкиназа присоединяет фос-
фатный остаток к следующей, активируя ее. Про-
теинфосфатазы — это ферменты, отщепляющие
фосфатные группы. Равновесие между фосфорили-
рованием и дефосфорилированием определяет ак-
тивность белков, вовлеченных в трансдукцию сиг-
нала.
• Вторичные посредники (мессенджеры), например,
циклический АМФ (цАМФ) или ионы Са2+ легко
перемещаются в цитозоле путем диффузии и спо-
собствуют быстрому распространению сигнала.
Многие G-белки активируют аденилатциклазу,
которая превращает АТФ в цАМФ. Са2+ действует
как вторичный посредник в каскадах, запускаемых
как GPCR, так и рецепторных тирозинкиназами.
В тирозинкиназные пути могут также участвовать
два других вторичных посредника, диацилглицерол
ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация 311
(ДАГ) и инозитолтрифосфат (ИФ^). ИФ^ может
затем вызывать повышение уровня Са2+.
| В чем различие между протеинкиназой и вторич-
ным посредником? Могут ли они работать вместе в од-
ном сигнальном каскаде?
11.4. ОТВЕТ: КЛЕТОЧНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ ВЕДЕТ
К РЕГУЛЯЦИИ ТРАНСКРИПЦИИ ИЛИ ПРОЦЕССОВ,
ПРОИСХОДЯЩИХ В ЦИТОПЛАЗМЕ
• Некоторые сигнальные пути ведут к ядерным отве-
там: активированные транскрипционные факторы
включают и выключают определенные гены. В дру-
гих случаях ответ заключается в регуляции процес-
сов в цитоплазме.
• Клеточные ответы не просто включаются и выклю-
чаются, они подвержены многоуровневной регуля-
ции. Каждый белок в сигнальном каскаде ампли-
фицирует сигнал, активируя на следующем этапе не
одну, а многие молекулы; в длинных каскадах сигнал
может усиливаться более, чем в миллион раз. На-
бор белков в конкретной клетке определяет спектр
сигналов, которые клетка способна распознать, и
форму ответа на эти сигналы. Скаффолд-белки по-
вышают эффективность сигнализации. Ветвление
сигнальных путей способствует координации сиг-
налов и ответов. Ответ на сигнал может быть бы-
стро терминирован в результате отсоединения ли-
ганда, который затем может снова присоединиться
к этому же или другому рецептору.
| Какие механизмы задействованы в терминации
ответа на сигнал и поддержании способности клетки
отвечать на новые сигналы?
11.5. АПОПТОЗ ОБЪЕДИНЯЕТ МНОЖЕСТВО
СИГНАЛЬНЫХ ПУТЕЙ
• Апоптоз — это тип программируемой клеточной
гибели, при котором компоненты клеток остают-
ся упакованными в мембрану пока не будут удале-
ны. Исследования почвенного червя Caenorhabditis
elegans пролили свет на молекулярные механизмы
клеточной сигнализации, лежащей в основе апоп-
тоза. Сигнал смерти ведет к активации каспаз и
нуклеаз — основных ферментов апоптоза.
• У человека и других млекопитающих существует
несколько сигнальных путей, ведущих к апоптозу.
Сигналы, запускающие эти пути, могут происхо-
дить из внешней среды или изнутри самой клетки.
Как объяснить сходство между генами, отвеча-
ющими за апоптоз, у дрожжей, нематод и млекопи-
тающих?
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. С каким видом рецепторов необходимо связаться
сигнальной молекуле, чтобы изменилось распреде-
ление ионов по разные стороны от мембраны?
а) внутриклеточные рецепторы
б) рецепторы, сопряженные с G-белками
в) фосфорилированный димер рецепторных тиро-
зинкиназ
г) лиганд-управляемые ионные каналы
2. Активация рецепторных тирозинкиназ характери-
зуется:
а) димеризацией и фосфорилированием.
б) димеризацией и связыванием 14ФЗ.
в) каскадом фосфорилирования.
г) гидролизом ГТФ.
3. Жирорастворимые молекулы, такие как альдосте-
рон, пересекают мембраны всех клеток, однако дей-
ствуют только на некоторые, потому что
а) только клетки-мишени сохраняют необходимые
участки ДНК
б) внутриклеточные рецепторы присутствуют толь-
ко в клетках-мишенях.
в) только клетки-мишени обладают ферментами,
расщепляющими альдостерон.
г) только в клетках-мишенях альдостерон способен
инициировать каскад фосфорилирования, вклю-
чающий гены
4. Рассмотрим каскад: адреналин > рецептор, сопря-
женный с G-белком > G-белок > аденилатциклаза >
цАМФ. Определите вторичный посредник.
а) цАМФ
б) G-белок
в) ГТФ
г) аденилатциклаза
5. Что из нижеперечисленного не входит в апоптоз?
а) фрагментация ДНК
б) клеточная сигнализация
в) лизис клетки
г) расщепление клеточного содержимого клетка-
ми-мусорщиками
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
6. Какое наблюдение навело Сазерленда на мысль об
участии вторичного посредника в реализации эф-
фекта адреналина на клетки печени.
а) активность фермента была пропорциональна ко-
личеству кальция, добавленного к бесклеточно-
му экстракту.
6) изучение рецептора подсказало, что адреналин
является его лигандом.
312 ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация
в) распад гликогена наблюдался, только когда адре-
налин добавляли к интактным клеткам.
г) распад гликогена наблюдался при смешивании
адреналина и гликогенфосфорилазы.
7. Фосфорилирование обычно является частью всего
нижеперечисленного, кроме:
а) активации рецепторных тирозинкиназ
6) активации молекул протеинкиназ
в) активации рецепторов, сопряженных с G-белками
г) регуляции транскрипции сигнальными молекулами
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
8.
ИЗОБРАЗИ!
Нарисуйте следующий апоптотиче-
ский путь, который работает в иммунных клетках
человека. Клетка принимает сигнал смерти, когда
молекула Fas связывается со своим мембранным ре-
цептором. Связывание с рецепторами многих моле-
кул Fas вызывает кластеризацию рецепторов. Вну-
триклеточные домены рецепторов в этих кластерах
связывают так называемые адаптерные белки. Они,
в свою очередь, связываются с неактивной молеку-
лой каспазы-8, которая активируется и затем акти-
вирует каспазу-3. Активированная каспаза-3 запу-
скает апоптоз.
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
Какие эволюционные ме-
ханизмы могут объяснить происхождение и сохра-
нение систем межклеточной коммуникации у про-
кариот?
10.
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Адреналин
запуска-
ет сигнальный каскад, в котором синтезируется
циклический АМФ (цАМФ) и который ведет к рас-
паду гликогена до глюкозы, основного источника
энергии для клеток. Но распад гликогена — толь-
ко часть реакции “бей или беги”, которую вызыва-
ет адреналин; при этом также повышается частота
сердечных сокращений, концентрация внимания и
производство энергии. Учитывая, что кофеин бло-
кирует активность цАМФ фосфодиэстеразы, пред-
ложите механизм, объясняющий, почему потребле-
ние кофеина бодрит и ведет к бессоннице.
11. НАУКА, ТЕХНОЛОГИИ И ОБЩЕСТВО
Считается, что процесс старения запускается на
клеточном уровне. Утрата способности клетки реа-
гировать на факторы роста и другие сигналы — это
одно из изменений, которое может произойти по-
сле определенного числа клеточных делений. Сей-
час эти изменения активно изучаются, с конечной
целью увеличить продолжительность человеческой
жизни. Однако не все единодушны во мнении, что
это то, чего действительно нужно желать. Если про-
должительность жизни значительно возрастет, ка-
кие социальные и экологические последствия мож-
но будет ожидать?
12. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ОРГАНИЗАЦИЯ"
Свойства живого возникают на клеточном уровне
организации. Тонко регулируемый процесс апоп-
тоза — это не только разрушение клетки, но и
свойство клетки как системы, не присущее ее эле-
ментам. Напишите эссе (100-150 слов), в котором
кратко объясните роль апоптоза в правильном раз-
витии и жизнедеятельности животного, и опишите,
как эта форма программируемой клеточной гибели
возникает в результате точной интеграции сигналь-
ных путей.
Существует пять основных вкусов: кислый, соле-
ный, сладкий, горький и “умами”. Человек распозна-
ет соленый вкус, когда концентрация соли снаружи
клеток вкусовой луковицы больше, чем внутри них,
и ионные каналы позволяют Na+ пассивно прони-
кать в клетку. Изменение мембранного потенциала
(см. главу 7, раздел 7.4) посылает сигнал “солености”
в мозг. Умами — это специфический вкус глутама-
та (остатка глутаминовой кислоты, часто в форме
глутамата натрия), который используется как уси-
литель вкуса, например, в ароматизированных кар-
тофельных чипсах. Глутаматный рецептор — это
рецептор, сопряженный с G-белком, который при
связывании с лигандом инициирует сигнальный
каскад, который завершается клеточным ответом,
воспринимаемым нами как вкус. Если вы съедите
обычные картофельные чипсы и затем ополоснете
рот, вы перестанете ощущать вкус соли. Но если вы
попробуете ароматизированные чипсы и сполосне-
те рот, то вкус останется. (Попробуйте сами!) Пред-
ложите возможное объяснение этим различиям.
Ответы см. в Приложении А.
ГЛАВА 11 Клеточная коммуникация 313
12
_____ Л
Клеточный цикл
ТЕМЫ ГЛАВЫ
12.2. Митотическая фаза чередуется
в клеточном цикле с интерфазой
12.3. Клеточный цикл эукариот
регулируется молекулярной
контрольной системой
Аппарат клеточного деления (показан красным)
растаскивает хромосомы (показаны синим)
в делящейся клетке кенгуровой крысы
Рис. 12.1. Как хромосомы распределяются между
дочерними клетками в процессе клеточного деления?
Основные роли клеточного деления
Наиболее характерной чертой, отличающей живые су-
щества от неживой материи, является способность ор-
ганизмов увеличивать число себе подобных. Эта уникаль-
ная способность производить потомство, как и все другие
биологические функции, заложена уже в клетке. Рудольф
Вирхов, немецкий врач, провозгласил это в 1855 году:
“Если существует клетка, то должна быть и предсуществу-
ющая клетка, ибо животное происходит только от жи-
вотного, и растение — только от растения”. Он суммиро-
вал это утверждение латинским изречением “Omnis cellula
е cellula' — “Каждая клетка только от клетки” Непрерыв-
ность жизни основана на воспроизведении клеток, или
клеточном делении. Серия флуоресцентных конфокаль-
ных микрофотографий на рис. 12.1, начинающаяся слева
вверху, показывает события клеточного деления, при кото-
ром из двухклеточного зародыша получается четырехкле-
точный.
Клеточное деление имеет несколько важных функций
в жизни. Когда прокариотическая клетка делится, то, по
сути, происходит процесс размножения, так как возникает
новый организм (другая клетка). То же самое вер-
но и для любых одноклеточных эукариот, таких
как амеба, показанная на рис. 12.2, а. Что касает-
ся многоклеточных эукариот, клеточное деление
дает возможность каждому из этих организмов
развиться из единственной клетки — оплодотво-
ренного яйца. Двухклеточный эмбрион, первая
стадия этого процесса, показан на рис. 12.2, б. Также
клеточное деление продолжает функционировать
для обновления и восстановления в полностью
сформировавшихся многоклеточных эукариотах,
замещая клетки, которые умирают от нормально-
го износа, разрыва или в результате непредвиден-
ных случайностей. Например, делящиеся клетки в
вашем костном мозгу непрерывно создают новые
клетки крови (рис. 12.2, в).
► (б) Рост и развитие. Это
фотография эмбриона
морского ежа вскоре по-
сле того, как оплодотво-
рённая яйцеклетка поде-
лилась с образованием
двух клеток (СМ)
► (а) Самовоспроизведение.
Амёба, одноклеточный
эукариотический организм,
делится на две клетки. Каж-
дая новая клетка будет ин-
дивидуальным организмом
(СМ)
20 МКМ
► (в) Возобновление тканей.
Эти делящиеся клетки
костного мозга дадут
начало новым клеткам
крови (СМ)
Рис. 12.2. функции клеточного деления
Клеточное деление является составной частью
клеточного цикла, т.е. периода жизни клетки от
момента, когда она впервые сформировалась в ре-
зультате деления родительской клетки вплоть до
собственного деления на две дочерние клетки.
Передача идентичного генетического материала
дочерним клеткам является одной из важнейших
функций клеточного деления. В этой главе вы уз-
наете, как осуществляется этот процесс. Снача-
ла мы рассмотрим механизмы деления клеток у
эукариот и бактерий. Затем вы узнаете, как мо-
лекулярная контрольная система регулирует
процесс прохождения эукариотической клеткой
клеточного цикла, а также, что происходит, если
контрольная система срабатывает неверно. Сбои
в контроле клеточного цикла играют значитель-
ную роль в развитии рака, поэтому этот аспект
клеточной биологии активно исследуется.
12.1. Клеточное деление чаще
всего приводит к возникновению
двух идентичных дочерних клеток
Воспроизведение клеток — сложный процесс.
Он не может происходить с помощью простого
разделения на две части; клетка — это не “мыль-
ный пузырь”, который просто увеличивается и
раздваивается. В большинстве случаев как у про-
кариот, так и у эукариот, клеточное деление при-
водит к распределению идентичного генетическо-
го материала — ДНК — между двумя дочерними
клетками. (Исключение составляет мейоз, специ-
альный тип деления эукариотической клетки,
благодаря которому возникают сперматозоиды и
яйцеклетки). Наиболее примечательной в клеточ-
ном делении является та точность, с которой ДНК
передается из одного поколения клеток в другое.
Делящаяся клетка удваивает свою ДНК, распре-
деляет эти две копии между противоположны-
ми концами своего внутреннего пространства и
лишь затем разделяется на дочерние клетки.
Клеточная организация генетического
материала
Вся ДНК, хранящаяся в клетке и несущая гене-
тическую информацию, называется геномом. Ге-
ном прокариот часто представлен единственной
молекулой ДНК, тогда как эукариотические ге-
номы обычно содержат большее число молекул
ДНК. Общая длина ДНК в эукариотической клет-
ке огромна. Например, в типичной человеческой
клетке содержится порядка двух метров ДНК, что
примерно в 250 000 раз больше диаметра самой
клетки. Прежде, чем клетка поделится и образует
генетически идентичные дочерние клетки, вся эта
ДНК должна быть реплицирована (удвоена), а за-
тем две ее копии должны быть распределены так,
чтобы каждая дочерняя клетка получила полный
геном.
Репликация и расхождение такого большого
количества ДНК возможно благодаря тому, что
ее молекулы упакованы в особые структуры, хро-
мосомы, названные так из-за их специфического
ГЛАВА 12 Клеточный цикл 315
окрашивания красителями, используемыми в ми-
кроскопии (от греч. chroma — “цвет” и soma —
“тело”; рис. 12.3). Каждая эукариотическая хромо-
сома состоит из одной очень длинной линейной
молекулы ДНК, связанной с многочисленными
белками (см. рис. 6.9). Молекула ДНК несет от не-
скольких сотен до тысяч генов, т.е. единиц ин-
формации, которые обусловливают наследуемые
черты организма. Ассоциированные с ДНК белки
поддерживают структуру хромосомы и помогают
контролировать активность генов. Весь комплекс
ДНК и белков называется хроматином и являет-
ся строительным материалом хромосом. Как вы
скоро увидите, хроматин в хромосомах различа-
ется по степени конденсации в течение процесса
клеточного деления.
' 20 мкм'
Рис. 12.3. Хромосомы эукариот. Внутри ядра клетки африкан-
ского гемантуса видны хромосомы (окрашены фиолетовым).
Тонкие красные нити в окружающей ядро цитоплазме — это
цитоскелет. Клетка готовится к делению (СМ)
Каждый вид эукариот обладает характер-
ным числом хромосом в каждом клеточном ядре.
Например, ядро каждой соматической клет-
ки человека (любой клетки тела, кроме половых)
содержит 46 хромосом, два набора по 23 хромо-
сомы, каждый из которых был получен от одного
родителя. Половые клетки, или гаметы, — спер-
матозоиды и яйцеклетки — имеют один набор,
т.е. вдвое меньше хромосом, чем содержится в со-
матических клетках; каждый тип человеческих га-
мет состоит из одного набора, т.е. 23 хромосом.
Число хромосом в соматических клетках сильно
отличается у разных видов: 18 — у растения капу-
сты, 48 — у шимпанзе, 56 — у слонов, 90 — у ежей
и 148 — у одного из видов водорослей. А теперь
мы рассмотрим, как ведут себя эти хромосомы во
время клеточного деления.
Распределение хромосом во время
деления эукариотической клетки
Когда клетка не делится и когда она удваива-
ет свою ДНК, подготавливаясь к клеточному де-
лению, каждая хромосома находится в форме
длинной тонкой хроматиновой нити. После ре-
пликации ДНК хромосомы конденсируются, что
является частью клеточного деления: каждая хро-
матиновая нить плотно скручивается и складыва-
ется, за счет чего хромосомы значительно укора-
чиваются и настолько утолщаются, что мы можем
разглядеть их с помощью светового микроскопа.
Каждая удвоившаяся хромосома содержит две се-
стринские хроматиды, которые являются соеди-
ненными копиями исходной хромосомы (рис. 12.4).
Обе хроматиды содержат идентичную молеку-
лу ДНК и изначально соединены по всей длине с
помощью комплексов, состоящих из белков ко-
гезинов-, это соединенное состояние называет-
ся когезией сестринских хроматид. В каждой се-
стринской хроматиде есть центромера, регион
хромосомной ДНК, в котором данная хроматида
наиболее плотно присоединена к своей сестрин-
ской хроматиде. Это соединение образовано с по-
мощью белков, связанных с центромерной ДНК;
другие связывающие белки конденсируют ДНК,
благодаря чему у удвоенной хромосомы появ-
ляется узкая “талия” Часть хроматиды по одну
сторону от центромеры называется плечом хро-
матиды. (У неудвоенной хромосомы есть един-
ственная центромера, отличимая по связанным с
ней белкам, и два плеча).
Рис. 12.4. Удвоенная и плотно сконденсированная человече-
ская хромосома (СЭМ)
ИЗОБРАЗИ!
Нарисуйте такую же хромосому и обведите нс
ней одну сестринскую хроматиду.
Позже в процессе клеточного деления две се-
стринские хроматиды каждой удвоенной хромо-
сомы разделяются и расходятся в разные сторо-
ны клетки, формируя два новых ядра. Как толькс
сестринские хроматиды разделяются, их уже на
316 ГЛАВА 12 Клеточный цикл
зывают не сестринскими, а ин-
дивидуальными хромосомами;
по сути, этот шаг удваивает ко-
личество хромосом в клетке. Та-
ким образом, каждое новое ядро
получает набор хромосом, иден-
тичный тому, который был у
родительской клетки (рис. 12.5).
После деления генетического ма-
териала между разными ядрами,
митозом, обычно сразу следует
цитокинез, деление цитоплаз-
мы. Одна клетка становится дву-
мя, каждая из которых генети-
чески идентична родительской
клетке.
Благодаря митозу и цитоки-
незу, из оплодотворенной яй-
цеклетки образуются 200 трил-
лионов соматических клеток, из
которых состоит ваше тело, и
эти же процессы обеспечивают
производство новых клеток для
замещения мертвых или повре-
жденных в течение жизни. А вот
гаметы, яйцеклетки или спер-
матозоиды наш организм созда-
ет с помощью другого вариан-
та клеточного деления, которое
называется мейоз, благодаря ко-
торому образуются дочерние клетки только с од-
ним набором хромосом, вполовину меньше, чем в
родительской клетке. Мейоз в человеческом теле
происходит только в специальных клетках — в
яичниках или яичках (в гонадах). При создании
гамет в мейозе количество хромосом сокращает-
ся с 46 (два набора) до 23 (один набор). Оплодот-
ворение сливает две гаметы вместе и восстанав-
ливает число хромосом до 46 (два набора). Затем
в митозе это число сохраняется в ядре каждой со-
матической клетки нового человека. В главе 13 мы
исследуем роль мейоза и наследования более де-
тально. В оставшейся части этой главы мы сосре-
доточим внимание на митозе и оставшейся части
клеточного цикла у эукариот.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 12.1
1. Кок вещества, участвующие в фотосинтезе, проникают
Сколько хромосом нарисованы на каждой части рис. 12.5
(не считая изображенной на микрофотографии в части 2)?
в лист и попадают в хлоропласты?
о Здесь показана одна из много-
численных ещё не удвоившихся
хромосом эукариотической
клетки. На самом деле это длин-
ная тонкая хроматиновая нить,
содержащая одну молекулу
ДНК и ассоциированные с ней
белки; здесь она показана в
конденсированной форме
только в иллюстративных целях.
v Молекулы ДНК
Хромосомы хромосомы
хромосомы
Удвоение хромосом
(включая репликацию ДНК)
и их конденсация
Q После удвоения хромосома
содержит две сестринские
хроматиды, соединённые по
всей длине благодаря когезии
сестринских хроматид. Каж-
дая хроматида содержит
одну копию молекулы ДНК.
Q Молекулярные и механические
процессы разделяют сестринские
хроматиды, превращая их в две
хромосомы, и распределяют по-
следние между двумя дочерними
клетками.
Рис. 12.5. Удвоение хромосом и их распределение в ходе деления клетки
1 Сколько плеч у хромосомы, изображенной в пункте 2?
2.
А ЧТО, ЕСЛИ?
У цыпленка 78 хромосом в соматических
клетках. Сколько хромосом цыпленок унаследовал от каж-
дого из родителей? Сколько хромосом в каждой гамете цы-
пленка? Сколько хромосом будет в каждой соматической
клетке потомка этого цыпленка?
Ответы см. в Приложении А.
12.2. Митотическая фаза
чередуется в клеточном цикле
с интерфазой
В 1882 году немецкий анатом по имени Валь-
тер Флемминг изобрел красители, которые позво-
лили ему впервые наблюдать поведение хромо-
сом в митозе и цитокинезе (собственно, именно
Флемминг придумал термины митоз и хрома-
тин). В период между одним клеточным делени-
ем и следующим, как казалось Флеммингу, клетка
просто становилась больше. Но теперь мы зна-
ем, что на этой стадии жизни клетки происходит
множество важных событий.
ГЛАВА 12 Клеточный цикл 317
Фазы клеточного цикла
Митоз — это часть клеточного цикла (рис. 12.6).
На самом деле митотическая (М) фаза, которая
включает как митоз, так и цитокинез, обычно яв-
ляется самой короткой фазой клеточного цикла.
Митотическая фаза чередуется со значительно
более продолжительной фазой, которую называ-
ют интерфазой и на которую часто приходится
около 90% клеточного цикла. Интерфаза может
быть разделена на подфазы: G^-фаза (первая “пе-
редышка”), S-фаза (“синтез”) и С2~фаза (вторая
“передышка”). G-фазы были названы “передыш-
ками” ошибочно, потому что, когда их наблюдали
впервые, казалось, что клетки неактивны. Однако
теперь мы знаем, что для интерфазы характерны
интенсивная метаболическая активность и рост.
Во время всех трех подфаз интерфазы клетка рас-
тет благодаря образованию белков и цитоплаз-
матических органелл, таких как митохондрии и
эндоплазматический ретикулум. Удвоение хромо-
сом, столь важное для того, чтобы деление клет-
ки вообще стало возможным, происходит полно-
стью во время S-фазы. (Мы обсудим синтез ДНК
в главе 16.) Так, клетка растет (G(), продолжает
расти и удваивает свои хромосомы (S), вырастает
еще больше к моменту окончания приготовлений
к клеточному делению (G,) и делится (М). Дочер-
ние клетки затем могут повторить цикл.
Рис. 12.6. Клеточный цикл. В делящихся клетках митотическая
фаза (М) чередуется с интерфазой, периодом роста. За пер-
вой частью интерфазы (Gp следует S-фаза, в течение которой
хромосомы удваиваются; G2 — это последняя часть интерфа-
зы. В М-фазе дочерние хромосомы распределяются по до-
черним ядрам в ходе митоза, а цитоплазма разделяется пу-
тем цитокинеза. Образуются две дочерние клетки
Единичная клетка человеческого тела может
делиться один раз в 24 часа. Из этого времени
М-фаза займет менее часа, тогда как S-фаза бу-
дет длиться около 10-12 часов, т.е. примерно по-
ловину клеточного цикла. Остальное время бу-
дет распределено между G^ и С,-фазами. Фаза
G, обычно занимает 4-6 часов, в нашем примере
G] займет около 5-6 часов. С^фаза является наи-
более разнообразной по длительности в разных
типах клеток. Некоторые клетки в многоклеточ-
ном организме делятся очень нечасто или не де-
лятся вовсе. Такие клетки выполняют свою рабо-
ту в организме, находясь в фазе G] (или сходной
фазе, называемой G()), — например, нервные клет-
ки проводят импульсы.
Митоз традиционно подразделяют на пять
стадий: профазу, прометафазу, метафазу, ана-
фазу и телофазу. Пересекающийся с последними
фазами митоза цитокинез завершает митотиче-
скую фазу. Рис. 12.7 описывает эти фазы в животной
клетке. Изучите внимательно эту иллюстрацию,
прежде чем приступать к следующим двум разде-
лам, которые описывают митоз и цитокинез более
подробно.
Веретено деления: детальный анализ
Многие события митоза зависят от веретена
деления, которое начинает формироваться в ци-
топлазме во время профазы. Эта структура со-
стоит из нитей, образованных из микротрубочек
и ассоциированных белков. Во время сборки ве-
ретена деления другие микротрубочки цитоскеле-
та частично разбираются, чтобы обеспечить мате-
риал для образования веретена. Микротрубочки
веретена удлиняются (полимеризуются) за счет
присоединения большего числа субъединиц бел-
ка тубулина (см. главу 6, табл. 6.1) и укорачивают-
ся (деполимеризуются), когда субъединицы отде-
ляются.
В клетках животных сборка трубочек верете-
на начинается в клеточном центре. Этот вну-
триклеточный регион содержит материал, ко-
торый используется в течение всего клеточного
цикла для образования микротрубочек в клетке.
(Это также тип центра образования микротрубо-
чек). В середине клеточного центра расположена
пара центриолей, однако они не являются обяза-
тельной составляющей для клеточного деления:
если центриоли разрушить с помощью тонко сфо-
кусированного лазерного луча, веретено деления
все равно сформируется во время митоза. Кроме
318 ГЛАВА 12 Клеточный цикл
▼ Рис. 12.7
Изучаем митоз в животной клетке
Gj-период интерфазы I Профаза Прометафаза
Хромосомы
Клеточные центры (удвоенные.
Ядрышко Ядерная Плазматическая
оболочка мембрана
Формирую- Астральные
щееся микротрубочки
Две сестринские хроматиды
одной хромосомы
Фрагменты Некинетохорные
ядерной микротрубочки
оболочки А
микротрубочки
б2-период интерфазы
• Ядро окружено ядерной оболочкой.
• Ядро содержит одно или несколько
ядрышек.
• Два клеточных центра сформировались
при удвоении одного исходного. Клеточ-
ные центры — это структуры животной
клетки, которые образуют микротрубоч-
ки веретена деления. Каждый клеточный
центр содержит две центриоли.
• Хромосомы, удвоенные во время S-фазы,
невозможно разглядеть, потому что они
еще не сконденсировались.
Флуоресцентная микрофотография
демонстрирует делящиеся клетки три-
тона, взятые из ткани легкого. Клетки
тритона содержат 22 хромосомы. Хро-
мосомы отмечены голубым, микротру-
бочки — зеленым, а промежуточные
филаменты — красным. Для простоты,
на рисунке изображены только шесть
хромосом.
Профаза
• Нити хроматина начинают скручивать-
ся плотнее, конденсируясь в отдельные
хромосомы, которые можно разглядеть в
световой микроскоп.
• Ядрышки исчезают.
• Каждая удвоенная хромосома представ-
ляет собой две идентичные сестринские
хроматиды, соединенные у некоторых ви-
дов в центромерной области, а у некото-
рых — по всей длине плеч с помощью ко-
гезинов (когезия сестринских хроматид).
• Начинает формироваться веретено де-
ления (названное так за свою форму).
В него входят клеточные центры и микро-
трубочки, отходящие от них. Радиаль-
но расходящиеся от клеточного центра
более короткие микротрубочки назы-
ваются астральными микротрубочками
(от aster—“звезда").
• Клеточные центры расходятся, отчасти
за счет удлинения микротрубочек между
ними.
Прометафаза
• Ядерная оболочка фрагментируется
• Микротрубочки, отходящие от каждого
клеточного центра, могут теперь войти в
область бывшего ядра.
• Хромосомы конденсируются еще больше.
• У каждой из двух хроматид каждой хро-
мосомы теперь есть кинетохор, специ-
ализированная белковая структура на
центромере.
• Некоторые микротрубочки присоединя-
ются к кинетохору хромосом. Такие ми-
кротрубочки называются кинетохорными.
Они могут перемещать хромосомы к по-
люсу веретена или от него.
• Не прикрепленные к кинетохорам ми-
кротрубочки, отходящие от разных полю-
сов веретена деления, взаимодействуют
друг с другом. Такие микротрубочки на-
зываются интерполярными.
] Сколько молекул ДНК в клетке на
рис. 12.7? Сколько молекул в каждой
хромосоме? Сколько двойных спиралей
в каждой хромосоме? А в хроматиде?
319
Метафазноя
пластинка
Метафаза
• Клеточные центры расположены на про-
тивоположных полюсах клетки.
Хромосомы выстроены в форме мета-
фазной пластинки в плоскости, равно-
удаленной от двух полюсов веретена
Центромеры хромосом лежат в плоско-
сти метафазной пластинки.
• Кинетохоры сестринских хроматид ка-
ждой хромосомы присоединены к кине-
тохорным микротрубочкам, приходящим
от разных полюсов.
Анафаза
• Анафаза —это самая короткая фаза ми-
тоза. которая зачастую длится всего не-
сколько минут.
• Анафаза начинается с разрезания бел-
ков-когезинов. В результате этого се-
стринские хроматиды каждой пары бы-
стро отделяются друг от друга. Каждая
хроматида, таким образом, становится
полноценной хромосомой.
• Две освобожденные дочерние хромо-
сомы начинают двигаться к противопо-
ложным концам клетки, поскольку ки-
нетохорные микротрубочки начинают
укорачиваться. Центромерные регионы
двигаются впереди (со скоростью при-
мерно 1 мкм/мин). потому что именно к
ним присоединены микротрубочки.
• Клетка вытягивается, потому что интерпо-
лярные микротрубочки удлиняются.
• К концу анафазы на двух полюсах клетки
находится одинаковое количество хро-
мосом — полный набор на каждом из
полюсов.
Телофаза
• В клетке формируются два дочерних
ядра. Из фрагментов цдерной оболоч-
ки родительской клетки и мембран эндо-
плазматической сети собирается ядер-
ная оболочка дочерних клеток.
• Восстанавливаются ядрышки.
• Хромосомы деконденсируются.
• Оставшиеся микротрубочки веретена
деполимеризуются.
• Митоз — разделение одного ядра с об
разеванием двух генетически идентич-
ных ядер — завершен
Цитокинез
• Разделение цитоплазмы обычно начина-
ется во время поздней телофазы, поэто-
му вскоре после окончания митоза воз-
никают две дочерние клетки.
• В клетках животных цитокинез включает
образование перетяжки, которая рас-
щепляет клетку на две
320
того, в растительных клетках центриолей вообще
нет, хотя они тоже формируют веретена деления.
Во время интерфазы в животной клетке един-
ственный клеточный центр удваивается и обра-
зует два, которые остаются около ядра. Два кле-
точных центра расходятся во время профазы и
прометафазы митоза, пока из них вырастают ми-
кротрубочки веретена деления. К концу проме-
тафазы клеточные центры на двух концах вере-
тена деления оказываются на противоположных
сторонах клетки. Астральные микротрубочки
(“лучистое сияние” — радиально расположенные
короткие микротрубочки) отходят от каждого
клеточного центра. Веретено включает клеточные
центры, микротрубочки веретена и астральные
микротрубочки.
У каждой из двух сестринских хроматид
удвоенной хромосомы есть кинетохор, белко-
вая структура, которая собирается на специфи-
ческих участках ДНК в каждой центромере. Оба
кинетохора хромосомы направлены в разные
стороны. Во время прометафазы некоторые ми-
кротрубочки веретена присоединяются к кине-
тохору — тогда они называются кинетохорными
микротрубочками. (Количество микротрубочек,
присоединенных к кинетохору, различается у
разных видов; у некоторых видов дрожжей все-
го одна микротрубочка, а в клетках млекопитаю-
щих их может быть больше 40). Когда один из ки-
нетохров хромосомы “пойман” микротрубочкой,
хромосома начинает двигаться по направлению к
полюсу, от которого эта микротрубочка отходит.
Тем не менее такое движение заканчивается, как
только микротрубочка от противоположного по-
люса присоединяется к кинетохору на второй хро-
матиде. То, что происходит дальше, больше всего
похоже на перетягивание каната, которое закан-
чивается вничью. Хромосома двигается сперва в
одном направлении, затем в противоположном,
туда и обратно, в конце концов располагаясь меж-
ду двумя концами клетки. В метафазе центроме-
ры всех удвоенных хромосом оказываются ровно
посередине между двумя полюсами веретена. Та-
кое расположение называется метафазной пла-
стинкой, которая скорее является воображаемой
пластинкой, чем реальной клеточной структурой
(рис. 12.8).
Тем временем микротрубочки, которые не
присоединились к кинетохорам, продолжают уд-
линяться, к метафазе они перекрываются и взаи-
модействуют с другими некинетохорными микро-
трубочками с противоположного конца веретена.
Ко времени метафазы астральные микротрубоч-
ки также вырастают и входят в контакт с плазма-
тической мембраной. Теперь веретено сформиро-
валось полностью.
Рис. 12.8. Веретено деления в метафазе. Кинетохоры двух се-
стринских хроматид каждой хромосомы направлены в проти-
воположные стороны. На рисунке видно, что к каждому кине-
тохору присоединен кластер кинетохорных микротрубочек,
отходящих от ближайшего клеточного центра. Интерполяр-
ные микротрубочки перекрываются и взаимодействуют в об-
ласти метафазной пластинки (ТЭМ)
Нарисуйте на нижней микрофотографии линию,
показывающую положение метафазной пластинки. Обведи-
те астральные микротрубочки. Нарисуйте стрелки, показы-
вающие направления движения хромосом в момент начала
анафазы.
ИЗОБРАЗИ!
ГЛАВА 12 Клеточный цикл 321
Структура веретена соответствует его функ-
циям в течение анафазы. Анафаза начинается
внезапно, когда когезины, удерживавшие вме-
сте сестринские хроматиды каждой хромосомы,
разрезаются специальным ферментом под на-
званием сепараза. Разделенные хроматиды ста-
новятся полноценными хромосомами, которые
начинают движение к противоположным кон-
цам клетки.
Как кинетохорные микротрубочки участвуют
в полярных движениях хромосом? По всей ви-
димости здесь задействованы два механизма, в
каждом из которых участвуют моторные белки.
(Чтобы вспомнить, как моторные белки двигают
объекты вдоль микротрубочек, вернитесь к гла-
ве 6 и изучите рис. 6.21). В результате оригинально
спланированного эксперимента было предполо-
жено, что моторные белки на кинетохорах “про-
таскивают” хромосомы вдоль микротрубочек,
которые деполимеризуются на своих кинетохор-
ных концах, как только моторные белки прохо-
дят эту точку (рис. 12.9). (Это напоминает меха-
низм “Пакмана”, из-за своего сходства с героем
аркады, который двигается, поедая точки на сво-
ем пути.) Тем не менее другие исследователи,
работающие с клетками других видов, показа-
ли, что хромосомы “наматываются” моторными
белками на нити веретена деления и последние
деполимеризуются после прохождения этих
моторных белков. В настоящее время общепри-
нятой является концепция, что используются
оба механизма, и, в зависимости от типа клеток,
относительный вклад каждого из них в движе-
ние хромосом различен.
В делящейся животной клетке некинетохор-
ные микротрубочки отвечают за удлинение це-
лой клетки во время анафазы. Некинетохорные
микротрубочки с противоположных концов пе-
рекрываются между собой во время метафазы
(см. рис. 12.8). Во время анафазы область перекры-
вания уменьшается за счет моторных белков, при-
соединенных к микротрубочкам и отодвигающих
их друг от друга с использованием энергии АТФ.
Как только микротрубочки отталкиваются друг
от друга, полюса веретена деления также оттал-
киваются, растягивая клетку. В то же время ми-
кротрубочки несколько удлиняются благодаря
присоединению субъединиц тубулина к их пере-
крывающимся концам. В результате микротрубоч-
ки продолжают перекрываться.
▼ Рис. 12.9.
Изыскание
С какой стороны укорачиваются кинетохорные микро-
трубочки в анафазе?
Эксперимент. Гэри Бориси и его коллеги в университете штата Ви-
сконсин решили определить, с какой стороны деполимеризуются
кинетохорные микротрубочки во время движения хромосом к по-
люсам в митозе: со стороны кинетохора или со стороны полюса.
Сначала они пометили микротрубочки клетки почки свиньи в ран-
ней анафазе с помощью желтого флуоресцентного красителя.
Затем они пометили область кинетохорных микротрубочек между
одним из полюсов и хромосомами с помощью лазера, который
устранил флуоресценцию из этой области, оставив микротрубочки
неповрежденными (см. рис. ниже). Во время анафазы они отсле-
живали изменения длины микротрубочек по обе стороны от метки.
Результаты. При движении хромосом к полюсам сегмент микро-
трубочек от метки до кинетохора уменьшался, тогда как сегмент от
метки до полюса оставался неизменной длины.
Выводы Во время анафазы в клетках этого типа движение хромо-
сом коррелирует с укорочением кинетохорных микротрубочек со
стороны кинетохора, а не со стороны полюса. Этот эксперимент
подтверждает гипотезу, что во время анафазы хромосомы движутся
вдоль микротрубочки, а микротрубочка деполимеризуется на ки-
нетохорном конце, высвобождая тубулиновые субъединицы.
Движение f
хромосомы
Кинетохор
Моторный °о о о Субъ-
Микротрубочка белок ° еАИНИ|Дь|
Хромосома -V ilk ТУбУЛИНа
Источник: G. J. Gorbsky, Р. J. Sammak, and G. G. Borisy, Chromosomes
move poleward in anaphase along stationary microtubules that coor-
dinately disassemble from their kinetochore ends, Journal of Cell B/o/o-
gy 104:9-18 (1987).
| Если бы этот эксперимент был проведен с ис-
пользованием клеток такого типа, в котором “наматывание" на
полюсах было бы главной причиной движения хромосом, как бы в
таком случае метка передвигалась относительно полюсов? Как бы
изменялась длина микротрубочек?
А ЧТО, ЕСЛИ?
322 ГЛАВА 12 Клеточный цикл
В конце анафазы удвоенные группы хромосом
прибывают на противоположные концы удлинив-
шейся родительской клетки. Во время телофазы
заново образуются ядра. Цитокинез в целом на-
чинается во время анафазы или телофазы, и в ко-
нечном счете веретено деления разбирается бла-
годаря деполимеризации микротрубочек.
Цитокинез: детальный анализ
В животных клетках цитокинез происходит
благодаря дроблению. Первым признаком разде-
ления является появление бороздки дробления,
узкого желобка на поверхности клетки непода-
леку от бывшего места метафазной пластинки
(рис. 12.10, а). На цитоплазматической поверхности
бороздки находится сжимающееся кольцо акти-
новых микрофиламентов, ассоциированных с мо-
лекулами белка миозина. Актиновые микрофила-
менты реагируют с молекулами миозина, вызывая
сокращение кольца. Сокращение разделительного
кольца микрофиламентов похоже на затягивание
шнурка. Разделительная бороздка углубляется до
момента, когда родительская клетка расщепля-
ется на две, что приводит к возникновению двух
полностью разделенных клеток, каждая из кото-
рых содержит собственное ядро и собственную
часть цитозоли, органоидов и других субклеточ-
ных структур.
Цитокинез в растительных клетках, имеющих
клеточные стенки, происходит принципиально
иным образом — здесь нет бороздки дробления.
Вместо этого во время телофазы везикулы, кото-
рые являются производными аппарата Гольджи,
движутся вдоль микротрубочек к центру клетки,
где они объединяются и формируют клеточную
пластинку (рис. 12.10, б). Вещества, из которых за-
тем будет построена клеточная стенка, достав-
ляются с помощью везикул и накапливаются
внутри клеточной пластинки по мере ее роста.
В результате образуются две дочерние клетки, на
поверхности каждой из которых есть собствен-
ная плазматическая мембрана. Тем временем из
запаса веществ в клеточной пластинке форми-
руется новая клеточная стенка между дочерними
клетками.
На рис. 12.11 приведена серия микрофотографий
делящейся растительной клетки. Внимательное
изучение этого рисунка поможет понять ход ми-
тоза и цитокинеза.
а) Деление животной клетки (СЭМ)
б) Формирование срединной пластинки
в растительной клетке (ТЭМ)
Рис. 12.10. Цитокинез в животной и растительной клетке
ГЛАВА 12 Клеточный цикл 323
Конденси-
рующиеся
О Профаза. Хромосомы
конденсируются, яд-
рышко начинает ис-
чезать. Начинает фор-
мироваться веретено
деления, хотя пока его
не видно на микрофо-
тографии.
О Прометафаза. Стано-
вятся различимы от-
дельные хромосомы,
каждая из которых
состоит из двух вытя-
нутых идентичных
сестринских хрома-
тид. Позже в промета-
фазе фрагментиру-
ется ядерная оболочка.
Метафаза. Веретено
деления полностью
сформировано, хро-
мосомы, присоеди-
нённые к микротру-
бочкам через кинето-
хоры, образуют мета-
фазную пластинку.
О Анафаза. Хроматиды
каждой хромосомы
разъединяются, до-
черние хромосомы
расходятся к концам
клетки за счёт укоро-
чения кинетохорных
микротрубочек.
О Телофаза. Формиру-
ются дочерние ядра.
Тем временем начи-
нается цитокинез: из
центра материнской
клетки к её краям на-
чинает расти средин-
ная пластинка, кото-
рая затем разделит
клетку.
о
Рис. 12.11. Митоз в растительной клетке. На световых микрофотографиях показан митоз в клетках корня лука
Бинарное деление бактерий
У прокариот (бактерий и археи) воспроиз-
ведение может происходить следующим обра-
зом: клетка вырастает практически вдвое боль-
ше обычного размера и разделяется на две. Этот
процесс называется бинарным делением (что оз-
начает “деление надвое”), которое относится и к
бесполому размножению одноклеточных эукари-
от — например, амеб (рис. 12.2, а). Однако в эукари-
отической клетке этот процесс включает в себя
митоз, а в прокариотической — нет.
У бактерий большая часть генов расположена в
единственной бактериальной хромосоме, которая
состоит из замкнутой молекулы ДНК и ассоцииро-
ванных с ней белков. Несмотря на то, что бактерии
мельче и проще, чем клетки эукариот, вопрос пра-
вильной репликации генома и равного распределе-
ния копий между дочерними клетками важен и для
них. Например, хромосома бактерии Escherichia coli
полностью вытянутая в длину в 500 раз превышает
размеры самой клетки. Такая длинная хромосома
может уместиться в клетке, только будучи супер-
спирализованной и плотно упакованной.
В Е. coli процесс деления запускается, когда
ДНК в бактериальной хромосоме начинает ре-
плицироваться в специальном месте — так назы-
ваемой точке начала репликации — в результа-
те чего образуются две точки начала репликации.
В процессе удвоения хромосомы одна из точек на-
чала репликации начинает быстро сдвигаться к
противоположному концу клетки (рис. 12.12). Пока
хромосома удваивается, клетка удлиняется. Ког-
да репликация заканчивается и бактерия достига-
ет длины, примерно вдвое превышающей исход-
ную, ее плазматическая мембрана вворачивается
внутрь, разделяя материнскую клетку Е. coli на
две дочерние клетки. Таким образом, каждая
клетка наследует полный геном.
Благодаря использованию современных ДНК-
технологий и присоединению зеленых флуо-
ресцентных меток к точкам начала репликации
(см. рис. 6.3, д), исследователям удалось напрямую
наблюдать движения бактериальных хромосом.
Эти движения напоминают полярные движения
центромерных областей эукариотических хромо-
сом во время анафазы митоза, но у бактерий нет
видимого веретена деления или даже микротру-
бочек. У большинства исследованных бактери-
альных видов обе точки начала репликации оста-
навливаются на противоположных концах клетки
или в других очень специфических положени-
ях, возможно, заякоренные с помощью одного
или нескольких белков. В настоящее время ак-
тивно исследуется вопрос о том, как бактериаль-
ные хромосомы двигаются, как устанавливается
324 ГЛАВА 12 Клеточный цикл
Точка
начала
репликации
Клетка Е. coli
Плазмати-
ческая
мембрана
Бактериальная
хромосома
Две копии точки
начала репли-
кации
0 Начинается репли-
кация хромосомы.
Вскоре после этого
одна из копий точки
начала репликации
быстро перемещается
к другому концу клетки
при участии актинопо-
лобного белка. точка начало
репликации
0 Репликация продол-
жается. На каждом конце
клетки теперь есть одна
точка начала репликации.
Тем временем клетка удлиняется.
Клеточная
стенка
Точка начала
репликации
Q Репликация заверша-
ется. Плазматическая
мембрана вворачи-
вается внутрь
с помощью тубулин-
подобного белка, закла-
дывается новая клеточная
стенка.
0 Образуются
две дочерние
клетки.
Рис. 12.12. Бинарное деление бактериальной клетки. У бак-
терии Е. coli, показанной на рисунке, есть одна кольцевая
хромосома
и поддерживается их специфическое положение.
Установлено, что несколько белков играют в этом
значительную роль. Полимеризация одного белка,
напоминающего эукариотический актин, возмож-
но, участвует в движении бактериальных хромо-
сом, тогда как второй белок, родственный тубули-
ну, способствует вворачиванию плазматической
мембраны внутрь и разделению двух дочерних
бактериальных клеток.
Эволюция митоза
Принимая во внимание то, что про-
кариоты появились на Земле более чем на милли-
ард лет раньше эукариот, можно предположить,
что митоз возник в результате эволюции более
простых механизмов деления прокариотической
клетки. Тот факт, что некоторые белки, вовлечен-
ные в бинарное деление бактериальной клетки,
похожи на эукариотические белки, участвующие
в митозе, подтверждает эту гипотезу.
ЭВОЛЮЦИЯ
Как только в ходе эволюции появились эукари-
оты с ядерными оболочками и геномами больше-
го размера, древний процесс бинарного деления
неким образом дал начало митозу. Различные ва-
риации клеточного деления существуют во всех
группах живых организмов. Эти процессы веро-
ятно похожи на механизмы, которые использова-
ли предковые виды, поэтому могут отражать эта-
пы эволюции от изначального типа деления до
митоза. Предположительно, самые древние бак-
терии размножались с помощью бинарного деле-
ния. Возможные промежуточные стадии могут
быть проиллюстрированы двумя необычными ти-
пами клеточного деления, обнаруженными к на-
стоящему моменту у конкретных одноклеточных
эукариот — динофлагеллят, диатомовых водорос-
лей и некоторых дрожжей (рис. 12.13). Эти две мо-
дели деления ядер, возможно, представляют собой
случаи, когда древние механизмы остались прак-
тически неизменными в ходе эволюции. В обоих
типах ядерная оболочка остается целой, в отличие
от деления других эукариотических клеток.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 12.2
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Сколько хромосом изображено на рис. 12.8? Они уже удво-
ились? Как много хроматид на рисунке?
Сравните цитокинез в животной и растительной клетке.
Во время каких стадий клеточного цикла хромосома состо-
ит из двух идентичных хроматид?
Сравните роли тубулина и актина во время деления эукари-
отической клетки и роли тубулин-подобного и актин-подоб-
ного белков во время бинарного деления бактерий.
Иногда кинетохор сравнивают с сопрягающим устрой-
ством, которое соединяет мотор с передвигаемым грузом.
Объясните эту аналогию.
| Какие еще функции выполня-
ют актин и тубулин? Назовите белки, с которыми они для это-
го взаимодействуют. (См. рис. 6.21, а, и 6.26. а).
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Ответы см. в Приложении А.
12.3. Клеточный цикл эукариот
регулируется молекулярной
контрольной системой
Продолжительность и скорость деления кле-
ток в разных частях растительного или животно-
го организма крайне важны для его нормального
роста, развития и поддержания. Частота деления
клеток зависит от их типа. Например, клетки кожи
человека часто делятся в течение жизни, тогда как
клетки печени, сохраняя способность к делению,
не размножаются без особой причины, которой
ГЛАВА 12 Клеточный цикл 325
Бактериальная
хромосома
а) Бактерии. Во время бинарного деления бактерий точки на-
чала репликации дочерних хромосом двигаются к проти-
воположным концам клетки. Этот механизм включает в себя
полимеризацию актин-подобных молекул, а также, возмож-
но, белки, которые заякоривают дочерние хромосомы в
специфических местах на плазматической мембране.
б) Динофлагелляты. У динофлагеллят, одной из групп одно-
клеточных простейших, хромосомы присоединяются
к ядерной оболочке, которая остаётся целостной в ходе
всего деления клетки. Микротрубочки проходят сквозь
ядро по специальным цитоплазматическим каналам,
участвуя в пространственной ориентации ядра, которое
затем разделяется с помощью процесса, напоминающего
бактериальное бинарное деление.
Кинетохорная
микротрубочка
Целая ядерная
оболочка
в) Диатомовые водоросли и некоторые дрожжи. В этих двух
группах одноклеточных эукариот ядерная оболочка также
не разрушается во время клеточного деления. У этих орга-
низмов микротрубочки формируют веретено деления внут-
ри ядра. Микротрубочки растаскивают хромосомы, и за- I
тем ядро разделяется на два дочерних ядра.
Фрагменты
ядерной оболочки
Кинетохорная
микротрубочка
г) Большинство эукариот. У большинства других эукариот,
включая растения и животных, веретено формируется сна-
ружи относительно ядра, и ядерная оболочка разрушается
во время митоза. Микротрубочки разделяют хромосомы, и
затем формируются две новые ядерные оболочки.
может быть залечивание раны. Некоторые из наи-
более специализированных клеток, например,
полностью сформировавшиеся нейроны или мы-
шечные волокна вообще не делятся в теле взрос-
лого человека. Такие различия клеточного цикла
являются результатом регуляции на молекуляр-
ном уровне. Механизмы этой регуляции очень
интересны не только для понимания клеточных
циклов нормальных клеток, но также для исследо-
вания того, как клетки раковой опухоли выходят
из-под обычного контроля клеточного цикла.
Система контроля клеточного цикла
Как контролируется клеточный цикл? В на-
чале 70-х годов XX века разнообразные экспери-
менты привели к рождению гипотезы о том, что
клеточный цикл управляется специальными сиг-
нальными молекулами, находящимися в цито-
плазме. Первым серьезным подтверждением этой
гипотезы стали результаты экспериментов с клет-
ками млекопитающих, искусственно выращен-
ными в культуре. В этих экспериментах две клет-
ки на разных стадиях клеточного цикла сливали
в одну, чтобы получить единую клетку с двумя
ядрами (рис. 12.14). Если одна из исходных клеток
была в S-фазе, а вторая — в Gp ядро G( немед-
ленно вступало в S-фазу, как будто происходила
стимуляция сигнальными молекулами, находя-
щимися в цитоплазме первой клетки. Сходным
образом, если клетку, проходящую митоз (М-фа-
за), сливали с другой клеткой на любой другой
стадии клеточного цикла, включая фазу Gp вто-
рое ядро немедленно вступало в митоз — иссле-
дователи наблюдали конденсацию хроматина и
образование веретена деления.
Представленный выше эксперимент, как и
другие опыты на клетках животных и дрожжей,
показали, что последовательные события клеточ-
ного цикла управляются определенной системой
контроля клеточного цикла, которая представ-
ляет собой циклично работающий набор молекул,
одновременно переключающих ключевые собы-
тия клеточного цикла и координирующих это пе-
реключение. Систему контроля клеточного цик-
ла можно сравнить с контрольным устройством в
автоматической стиральной машине (рис. 12.15).
◄ Рис. 12.13. Механизмы клеточного деления в некоторых груп-
пах организмов. У некоторых современных одноклеточных
эукариот сохраняются механизмы клеточного деления, кото-
рые могут быть близки к промежуточным стадиям эволюции
митоза. За исключением (а), на этих схематичных диаграм-
мах не показана клеточная стенка
326 ГЛАВА 12 Клеточный цикл
▼ Рис. 12.14.
Изыскание
Регулируется ли клеточный цикл цитоплазматическими
молекулярными сигналами?
Эксперимент. Исследователи Университета Колорадо заин-
тересовались, зависит ли прохождение клетки по клеточному
циклу от молекул, присутствующих в цитоплазме. Для проверки
этой гипотезы они выбрали культуру клеток млекопитающих, в
которой присутствовали клетки на разных стадиях клеточного
цикла, и заставляли их слиться. Два таких эксперимента пока-
заны здесь.
Эксперимент 1 Эксперимент 2
Когда клетка в S-фазе
сливалась с клеткой в G1,
ядро G1 немедленно
вступало в 5-фазу:синте-
зироваласьДНК.
М Gt
I
I I
м м
Когда клетка в М-фазе
сливалась с клеткой в G1,
ядроС1 немедленно
вступало в митоз: форми-
ровалось веретено деле-
ния и конденсировались
хромосомы, даже если
хромосомы к тому моменту
ещё не удвоились.
Выводы. Результаты слияния клетки в G1 с клетками в фазах кле-
точного цикла S или М позволяют предположить, что некоторые
молекулы, которые находятся в цитоплазме клеток в фазах S или
М, инициируют переход клетки к этой фазе клеточного цикла.
Источник: R. Т. Johnson and Р. N. Rao, Mammalian cell fusion:
Induction of premature chromosome condensation in interphase
nuclei, Nature 226:717-722 (1970).
Если бы прохождение фаз клеточного цикла
не зависело от цитоплазматических сигнальных молекул, и ка-
ждая фаза автоматически начиналась после окончания пре-
дыдущей, каким бы был результат этого эксперимента?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Тем не менее подобно тому, как таймер стираль-
ной машины одновременно регулируется внутрен-
ними процессами (например, сенсором, который
определяет, что машина заполнена водой) и собы-
тиями, происходящими снаружи (например, за-
пуском и остановкой машины), клеточный цикл
регулируется в определенных сверочных точках
с помощью внутренних и наружных сигналов, ко-
торые останавливают или перезапускают процессы.
Сверочная точка — это контрольная точка в кле-
точном цикле, во время которой сигналы останов-
ки и возобновления процессов могут регулировать
цикл. Три важные сверочные точки происходят во
время фаз Gp G, и М (красные метки на рис. 12.15).
Сверочная точка G1
Рис. 12.15. Механическая аналогия контроля клеточного цик-
ла. На этой диаграмме клеточного цикла плоские “ступень-
ки" по периметру показывают последовательные события.
Как таймер в стиральной машине, система контроля клеточ-
ного цикла работает независимо, следуя внутренним часам.
Тем не менее система может отвечать на внутренние и внеш-
ние сигналы в так называемых сверочных точках клеточного
цикла; красным показаны три важные сверочные точки
Для понимания работы сверочных точек кле-
точного цикла сначала необходимо рассмотреть,
какие типы молекул составляют систему контроля
клеточного цикла (молекулярную основу клеточ-
ных часов) и как клетка проходит по клеточному
циклу. Затем мы рассмотрим внутренние и внеш-
ние сигналы сверочных точек, которые могут за-
ставлять часы останавливаться или идти вперед.
Часы клеточного цикла: циклины и циклин-
зависимые киназы
Ритмические изменения количества и активно-
сти молекул, контролирующих клеточный цикл,
задают темп последовательным событиям клеточ-
ного цикла. Эти регуляторные молекулы разделя-
ются на две основные группы: протеинкиназы и
циклины. Протеинкиназами называются фермен-
ты, которые активируют или инактивируют другие
белки путем их фосфорилирования (см. главу 11).
Концентрация многих киназ, регулирующих
клеточный цикл в клетке, остается постоянной,
но большую часть времени они находятся в неак-
тивном состоянии. Для активации такая киназа
ГЛАВА 12 Клеточный цикл 327
должна присоединиться к циклину — белку, на-
званному так из-за циклического изменения его
концентрации в клетке. Такие киназы называ-
ются циклин-зависимые киназы (CDK). Актив-
ность CDK возрастает и падает вместе с измене-
ниями концентрации соответствующего циклина.
На рис. 12.16, а, показаны циклические изменения
активности фактора, управляющего созревани-
ем (или фактора ускорения созревания) — так
называемого MPF (от англ. Maturation Promoting
Factor), комплекса циклин-CDK, который был об-
наружен первым (в лягушачьей икре). Обрати-
те внимание, что пики активности MPF соответ-
ствуют пикам концентрации циклина. Уровень
циклина возрастает во время фаз S и G, и резко
падает во время М-фазы.
Как мы уже отметили, аббревиатура MPF про-
изошла от английского словосочетания “фактор,
управляющий созреванием”, однако также может
трактоваться как “фактор, управляющий М-фа-
зой”, поскольку он переключает клетку в состоя-
ние М-фазы после прохождения сверочной точки
в G, (рис. 12.16, б). Когда циклины, накопившиеся в
течение G„ связываются с молекулами CDK, полу-
чившийся комплекс MPF фосфорилирует множе-
ство белков, инициирующих митоз. MPF работает
одновременно напрямую как киназа и опосредо-
ванно — активирует другие киназы. Например,
MPF вызывает фосфорилирование множества
белков ядерной ламины (см. рис. 6.9), что стимули-
рует фрагментацию ядерной оболочки во время
прометафазы митоза. Также есть доказательства,
что MPF способствует молекулярным событиям,
необходимым для конденсации хромосом и обра-
зования веретена деления в профазе.
Во время анафазы MPF помогает выключить
сам себя, инициируя процесс, ведущий к разру-
шению его собственного циклина. Часть MPF без
циклина, CDK, сохраняется в клетке, но остает-
ся неактивной до следующего вхождения в MPF,
вновь в результате связывания с новыми молеку-
лами циклинов, синтезированных во время фаз S
и G, в следующем раунде цикла.
Изменяющаяся активность различных ком-
плексов циклин-CDK играет важную роль в кон-
троле всех стадий клеточного цикла, а также по-
дает сигналы о продолжении цикла во время
некоторых сверочных точек. Как уже упомяну-
то выше, MPF контролирует прохождение клет-
кой сверочной точки в фазе G,. Поведение клетки
во время сверочной точки в G( также регулирует-
Время-----
(а) Колебания активности MPF и концентрации циклина
во время клеточного цикла
0 Синтез циклина
начинается в поздней
S-фазе и продолжается
в течение G2. Циклин
защищён от деградации
во время этой фазы, по-
Q Во время G-i деградация
о Во время ана-
фазы циклиновый
компонент MPF
деградирует, что
свидетельствует
об окончании
М-фазы. Клетка
вступает в Сгфазу
0 MPF вызывает митоз
с помощью фосфори-
лирования различных
белков. Пик активно-
сти MPF приходится
на метафазу.
0 Циклин взаимодейству-
ет с Cdk, образуя MPF.
Когда накапливается
достаточное количество
молекул MPF, клетка про-
ходит через контрольную
точку G2 и вступает
в митоз.
(6) Молекулярные механизмы, которые регулируют
клеточный цикл
Рис. 12.16. Молекулярный контроль клеточного цикла в кон-
трольной точке G2. Прохождение клеткой фаз клеточного
цикла регулируется ритмическими колебаниями активно-
сти циклин-зависимых киназ (CDK). Здесь мы остановимся на
комплексе циклин-CDK животной клетки, называемом MPF, ко-
торый дает "зеленый свет" клетке в контрольной точке G2, в
результате чего она вступает в митоз
Я Объясните, как события на диаграмме (б) связаны с осью
"Время" на графике (а), начиная с левого края.
ся с помощью активности белкового комплекса
циклин-CDK. В клетках животных есть по мень-
шей мере три белка CDK и несколько различных
циклинов, которые регулируют эту сверочную
точку. А теперь давайте рассмотрим сверочные
точки более подробно.
328 ГЛАВА 12 Клеточный цикл
Рис. 12.17. Две важные сверенные точки.
В зависимости от сигналов, которые полу-
чает клетка в сверочной точке, ее дальней-
шее поведение может быть различным. Конт-
рольные точки изображены в виде красных
барьеров. Показаны события сверочных то-
чек (а) G1 и (б) М. В (б) клетка уже прошла
сверенную току G2
Что случится,
если клетка проигнорирует
сверочую точку и про-
должит клеточный цикл?
К ЧТО, ЕСЛИ?
В отсутствие сигнала к продолжению клетка
покидает клеточный цикл и вступает в Go,
неделящуюся стадию.
Если клетка получает сигнал "зелёный свет"
она продолжает клеточный цикл.
а) Сварочная точка G1
Сигналы остановки
и продолжения: внутренние
и внешние сигналы во время
сверочных точек
В клетках животных есть сиг-
налы остановки “по умолчанию”
которые удерживают клетку в
сверочной точке, пока не вклю-
Прометафаза
Клетка в митозе получает стоп-сигнал,
если хоть одна хромосома не присое-
динена к веретену деления.
б) Сверочная точка М
Контрольная
Анафаза ** *** точка G2
Метафаза
чатся специальные сигналы про-
должения. (Эти сигналы распро-
страняются в клетке с помощью
специальных типов путей пере-
дачи сигнала, которые мы обсу-
дили в главе 11). Многие сигналы, регистрируе-
мые в сверочных точках, происходят благодаря
механизмам клеточного надзора внутри клетки.
Эти сигналы сообщают, все ли важные клеточ-
ные процессы, которые должны были закончить-
ся к этому моменту, прошли правильно, и мож-
но ли продолжать клеточный цикл. Кроме того, в
сверочных точках регистрируются сигналы, при-
ходящие в клетку снаружи. На рис. 12.15 изображе-
ны три основные сверочные точки — в фазах Gp
G2hM.
Для многих клеток сверочная точка в G( — на-
зываемая ограничительной точкой в клетках мле-
копитающих — является наиболее важной. Если
клетка получает сигнал к продолжению в свероч-
ной точке в Gp то обычно она проходит фазы Gp
S, G, и М и делится. Если же она не получает это-
го сигнала в сверочной точке в Gp то она может
Когда все хромосомы присоединены к ни-
тям веретена деления от обоих полюсов,
клетка получает "зелёный свет" на вступ-
ление в анафазу.
выйти из цикла, перейдя в неделящееся состоя-
ние, называемое фазой Go (рис. 12.17, а). Большин-
ство клеток человеческого тела находятся имен-
но в фазе Gu. Как сказано ранее, зрелые нейроны и
мышечные волокна не делятся. Другие же клетки,
например, клетки печени, могут быть “отозваны”
из фазы G(J в клеточный цикл с помощью внеш-
них стимулов, например, факторов роста, высво-
бождающихся при травмах.
В настоящее время биологи исследуют пути
объединения сигналов, поступающих изнутри и
снаружи клетки, с ответами циклин-зависимых
киназ и других белков. Пример внутреннего сиг-
нала можно обнаружить в третьей важной све-
рочной точке — в М-фазе (рис. 12.17,6).
Анафаза, фаза разделения сестринских хро-
матид, не может начаться, пока все хромосомы
не присоединятся правильно к нитям веретена
ГЛАВА 12 Клеточный цикл 329
деления и не сформируют метафазную пластин-
ку. Ученым известно, что пока хотя бы один кине-
тохор остается не присоединенным к микротру-
бочкам веретена деления, сестринские хроматиды
остаются соединенными, что откладывает начало
анафазы. Только когда кинетохоры всех хромосом
правильно присоединены к веретену деления, ак-
тивируется соответствующий регуляторный бел-
ковый комплекс. (В этом случае регуляторной мо-
лекулой являются не комплекс циклин-CDK, а
другой комплекс нескольких белков). После акти-
вации этот комплекс запускает цепь молекуляр-
ных событий, приводящую к активации фермента
сепаразы, разрезающей когезины, что позволя-
ет сестринским хромосомам разъединиться. Этот
механизм необходим для того, чтобы не произо-
шло образование дочерних клеток без какой-либо
хромосомы или, наоборот, с лишней хромосомой.
Исследования на культурах животных кле-
ток помогли определить многие внешние факто-
ры как химической, так и физической природы,
которые могут влиять на деление клеток. Напри-
мер, клетки перестают делиться, если в питатель-
ной среде перестает хватать какого-либо важного
вещества. (Можно сравнить это с попытками за-
пустить стиральную машину без подключения к
ней воды; внутренний датчик не позволит маши-
не продолжить программу с того места, где тре-
буется вода). И даже если все остальные условия
благоприятны, деление большинства типов кле-
ток млекопитающих начинается только в присут-
ствии в среде специальных факторов роста. Как
сказано в главе 11, фактор роста — это белок,
выделяемый определенными клетками и стиму-
лирующий деление у других клеток. Разные типы
клеток специфично отвечают на различные фак-
торы роста или их сочетания.
Рассмотрим, например, фактор роста, выде-
ляемый тромбоцитами (PDGF, от англ. Platelet-
Derived Growth Factor), который вырабатывают
кровяные пластинки тромбоциты. Эксперимент,
показанный на рис. 12.18, демонстрирует, что PDGF
необходим для деления культуры клеток фиброб-
ластов, типа клеток соединительной ткани. У фиб-
робластов есть рецепторы к PDGF на плазмати-
ческой мембране. Связывание молекул PDGF с
этими рецепторами (которые являются рецептор-
ными тирозинкиназами, см. рис. 11.8) переключа-
ет путь передачи сигнала, что позволяет клеткам
пройти сверочную точку G! и приступить к деле-
нию. PDGF стимулирует деление фибробластов
не только в искусственных условиях, но также и
в теле животного. Если образуется рана, тромбо-
циты выделяют PDGF рядом с ней. Следующая за
этим пролиферация (активное деление) фиброб-
ластов способствует зарастанию раны.
Влияние внешних физических факторов на де-
ление клеток хорошо иллюстрируется контакт-
0 Образец чело-
веческой соедини-
тельной ткани разре-
зают на маленькие
кусочки.
Чашка Петри
0 Межклеточный матрикс
в кусочках ткани разрушают Ц
при помощи ферментов и по-
лучают суспензию свободных
фибробластов.
О Клетки переносят
в культуральные флаконы,
содержащие базовую среду
для роста, состоящую
из глюкозы, аминокислот,
солей и антибиотиков
(для предотвращения
роста бактерий).
Без PDGF
В базовой среде для роста
без PDGF (контроль) клетки
перестают делиться.
0 В половину флаконов
добавляют PDGF. Культу-
ральные флаконы инкуби-
руют при 37°С в течение
24 часов.
С PDGF
В базовой среде для роста
с добавлением PDGF клетки
пролиферируют. На микро-
фотографии, полученной
с помощью сканирующей
электронной микроскопии,
показана культура фибро-
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Рис. 12.18. Влияние тромбоцитарного фактора роста (PDGF)
на деление клеток
Сигнал передается от PDGF в
клетку с помощью связывания с рецептором-тирозинкиназой
на клеточной поверхности. Если вы добавите вещество, кото-
рое блокирует фосфорилирование, как будут отличаться ре-
зультаты (см. рис. 11.8)?
330 ГЛАВА 12 Клеточный цикл
ним ингибированием деления — явлением, при
котором плотно расположенные клетки переста-
ют делиться (рис. 12.19, а). Уже давно известно, что
клетки в культуре нормально делятся до того мо-
мента, пока не образуют слой толщиной в одну
клетку (монослой) на внутренней поверхности
культурального флакона. После этого деление
прекращается. Если убрать часть клеток, то поя-
вившееся открытое пространство позволит клет-
кам вновь начать делиться вплоть до момента,
когда пустое пространство вновь не окажется за-
полненным. Последующие исследования показа-
ли, что при связывании белков клеточной поверх-
ности с их партнерами на примыкающей клетке в
клеточный цикл передается сигнал, ингибирую-
щий деление даже в присутствии факторов роста.
Большинство клеток животных также де-
монстрирует зависимость от прикрепления
(рис. 12.19, а). Они могут делиться, только когда при-
креплены к субстрату, например к культураль-
ному флакону или внеклеточному матриксу тка-
ни. Экспериментальные данные говорят о том,
что так же, как и плотность клеток, прикрепление
подает сигналы в систему контроля клеточного
цикла через пути, включающие белки плазмати-
ческой мембраны и присоединенные к ним эле-
менты цитоскелета.
Контактное ингибирование и зависимость от
прикрепления наблюдается не только в культу-
рах клеток, но и в тканях тела, что помогает клет-
кам сохранять оптимальную плотность и локали-
зацию в эмбриогенезе и последующей жизни уже
взрослого организма. Клетки раковых опухолей,
которые мы обсудим ниже, не проявляют ни кон-
тактного ингибирования, ни зависимости от при-
крепления (рис, 12.19,6).
Потеря контроля клеточного цикла
в раковых клетках
Раковые клетки невосприимчивы к обыч-
ным сигналам, регулирующим клеточный цикл.
В культуре они не перестают делиться даже по-
сле истощения факторов роста. Логично предпо-
ложить, что раковым клеткам для роста и деления
не требуется присутствия факторов роста в пи-
тательной среде. Они могут сами синтезировать
необходимый фактор роста или же иметь анома-
лию, в результате которой сигнал от фактора ро-
ста передается в систему контроля клеточного
цикла даже в отсутствии данного фактора. Дру-
гим вариантом могут быть нарушения в системе
контроля клеточного цикла. В обоих случаях при-
чина аномалий практически всегда кроется в из-
менении последовательности одного или несколь-
ких генов (например, мутации), что влияет на
функции их белковых продуктов и приводит к на-
рушению контроля клеточного цикла.
Клетки прикрепляются к по-
верхности субстрата и начин-
ают делиться (зависимость
от контакта с субстратом).
Когда клетки покрывают чашку
слоем толщиной в одну клетку
(такой слой называется
"монослой"), они перестают
делиться (ингибирование,
зависящее от плотности).
Если удалить часть клеток,
оставшиеся клетки будут дели-
ться для заполнения бреши,
и остановятся только когда
соприкоснутся друг с другом
а) Нормальные клетки млекопитающего. Лимитирующими
факторами для поддержания клеток в монослое являются
контакты между соседними клетками и доступность пита-
тельных веществ, факторов роста и субстрата для при-
крепления.
б) Раковые клетки. Раковые клетки обычно продолжают де-
литься и после формирования монослоя, формируя комок
наползающих друг на друга клеток. V них не проявляется
ни контактного ингибирования, ни зависимости от опоры.
Рис. 12.19. Контактное ингибирование и зависимость от опо-
ры при клеточном делении. Клетки показаны на рисунке не-
пропорционально большими
Есть и другие важные различия между нор-
мальными и раковыми клетками, которые приво-
дят к нарушениям клеточного цикла. Остановка
деления раковых клеток чаще происходит в случай-
ных точках клеточного цикла, а не в нормальных
ГЛАВА 12 Клеточный цикл 331
сверочных точках. Более того, при постоянном по-
ступлении питательных веществ раковые клетки
могут делиться в клеточной культуре бесконечно
много раз; по сути, они являются бессмертными.
Ярким примером является клеточная линия, кото-
рая существует в культуре с 1951 года. Она назы-
вается HeLa, потому что изначально клетки были
выделены из опухоли, удаленной у женщины по
имени Генриетта Лакс (Henrietta Lacks). Про клет-
ки, получившие способность делиться бесконечно
много раз, говорят, что они прошли трансформа-
цию — процесс, который позволяет им вести себя,
как раковым клеткам. Для сравнения, практически
все нормальные (нетрансформированные) клетки
исходном месте, если у них недостаточно генети-
ческих и клеточных изменений, чтобы прижиться
в другом месте. В этом случае опухоль называют
доброкачественной. Большая часть доброкаче-
ственных опухолей не вызывает серьезных про-
блем и может быть удалена хирургическим путем.
Злокачественная опухоль, напротив, состоит из
клеток со множеством генетических и клеточных
изменений, которые позволяют им оккупировать
новые ткани и нарушить функции одного или не-
скольких органов; такие клетки также рассматри-
вают как трансформировавшиеся. Про человека
со злокачественной опухолью говорят, что он бо-
лен раком; рис. 12.12 иллюстрирует развитие рака
млекопитающих, растущие в культуре, делятся, в
среднем, от 20 до 50 раз, а затем перестают делить-
ся, стареют и умирают. Наконец, раковые клетки
избегают нормального контроля, который запу-
скает апоптоз клетки при возникновении наруше-
ний — например, если во время репликации ДНК
перед митозом происходит непоправимая ошибка.
Ненормальное поведение раковых клеток мо-
жет быть катастрофой, если оно происходит в
живом теле. Проблемы начинаются на самых пер-
вых стадиях превращений единичной клетки, ко-
торые в итоге приведут к ее трансформации в ра-
ковую в ходе многоступенчатого процесса. Такая
клетка часто несет на своей поверхности изме-
ненные белки, поэтому иммунная система распоз-
нает ее как “врага” и ликвидирует. Тем не менее
груди, а также типичную раковую клетку.
Изменения, произошедшие в злокачествен-
ных опухолях, проявляются не только в чрезмер-
ной пролиферации. В таких клетках может быть
необычное число хромосом, однако до сих пор
неясно, является ли это причиной или следстви-
ем трансформации. В метаболизме этих клеток
также могут произойти изменения, что приво-
дит к их непредсказуемому поведению. Аномаль-
ные превращения поверхности раковых клеток
приводят к потере соединения с соседними клет-
ками и внеклеточным матриксом, что позволя-
ет клеткам распространяться по прилегающим
тканям. Раковые клетки могут также вырабаты-
вать сигнальные молекулы, который заставляют
если клетка избежала разрушения, она может на-
чать пролиферировать и образовывать опухоль,
т.е. массу аномальных клеток вместо нормаль-
ной ткани. Аномальные клетки могут остаться на
кровеносные сосуды
Опухоль
Ткань
железы
-Лимфа-
тический
сосуд
Крове-
носный
сосуд—
расти в сторону опухоли.
•“Раковая
клетка
О Небольшое количество раковых клеток
может сформировать метастазы опухоли
в других частях тела.
О Опухоль вырастает
из единственной
раковой клетки.
0 Раковые клетки © Раковые клетки распростра-
заселяют окружающие няются по лимфатическим
ткани. и кровеносным сосудам
в другие части тела.
Рис. 12.20. Рост и метастазирование злокачественной опухоли груди. Чтобы опухоль стала злокачественной (раковой), требуется
череда генетических и клеточных изменений. Клетки злокачественной опухоли неконтролируемо растут и могут распространяться
в окружающие ткани, а также с помощью лимфатических и кровеносных сосудов попадать в другие части тела. Распространение
раковых клеток за пределы исходного места называется метастазированием
332 ГЛАВА 12 Клеточный цикл
Несколько опухолевых клеток может отделить-
ся от исходной опухоли, попасть в кровеносный
или лимфатический сосуд и достичь других ча-
стей тела. Там они могут начать пролиферацию и
сформировать новую опухоль. Такое распростра-
нение раковых клеток в местах, находящихся на
значительном расстоянии от исходной опухоли,
называется метастазированием (рис. 12.20).
Опухоль с четко определенными границами
можно вылечить с помощью высокоэнергетиче-
ского облучения (радиотерапии), которое по-
вреждает ДНК в раковых клетках намного силь-
нее, чем в нормальных. Вероятно, так происходит
из-за того, что раковые клетки потеряли возмож-
ность репарировать (залечивать) подобные по-
вреждения. Для лечения известных или предпо-
лагаемых метастазирующих опухолей используют
химиотерапию, при которой в кровоток вводят
вещества, губительные для активно делящихся
клеток. Как вы можете предположить, применя-
ющиеся в химиотерапии препараты создают по-
мехи на определенных стадиях клеточного цикла.
Например, препарат Таксол “замораживает” ве-
ретено деления, предотвращая деполимеризацию
микротрубочек, что останавливает деление кле-
ток на стадии метафазы и ведет к их уничтоже-
нию. Побочные эффекты химиотерапии связаны
с действием этих лекарств и на нормальные клет-
ки, которые должны часто делиться в организме
для выполнения своих функций. Например, тош-
нота является результатом влияния химиотера-
пии на клетки кишечника, потеря волос — на
волосяные фолликулы, а подверженность инфек-
ционным заболеваниям — на иммунную систему.
В рубрике “Развиваем исследовательские навыки”
вы проанализируете данные эксперимента, по-
священного изучению потенциального препарата
для химиотерапии.
В последние десятилетия исследователи полу-
чили огромное количество ценной информации
о путях клеточной сигнализации и о том, как их
некорректное функционирование способству-
ет развитию рака из-за сбоев в клеточном цикле.
В сочетании с современными молекулярными
технологиями, например, возможностью быстро
определить последовательность ДНК клеток кон-
кретной опухоли, лекарства для лечения рака ста-
новятся все более “персонализированными” в со-
ответствии с особенностями опухоли каждого
пациента (см. рис. 18.27).
Например, примерно в 20% случаев на поверх-
ности опухолевых клеток рака груди присутству-
ет ненормально высокое количество молекул ре-
цептора тирозинкиназы, называемого HER2, а
для многих из них характерно увеличение числа
молекул рецепторов эстрогена (ER) — внутрикле-
точных рецепторов, которые могут запускать кле-
точное деление. Руководствуясь лабораторными
исследованиями, врач может назначить химиоте-
рапию именно тем препаратом, который заблоки-
рует функцию того или иного белка (Герцептин
для HER2 и Тамоксифен для ER). Использование
этих препаратов в подходящих случаях привело к
увеличению показателей выживаемости и более
редким рецидивам рака.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 12.3
1.
2.
3.
Почему ядро, полученные в эксперименте 2 но рис. 12.14,
содержат разное количество ДНК?
Как MPF позволяет клетке пройти сверочную точку в фазе G2
и вступить в митоз? (см. рис. 12.16).
Объясните в общих чертах,
как рецептор тирозинкиназы и внутриклеточные рецепторы
могут участвовать в переключении делений клеток (изучите
рис. 11.8 и 11.9, а также главу 11).
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Ответы см. в Приложении А.
ГЛАВА 12 Клеточный цикл 333
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Муреине шстограллня
На какой фазе ингибитор останавливает клеточный цикл? Мно-
гие лекарственные препараты нацелены на то, чтобы остановить
пролиферацию раковых клеток с помощью блокировки клеточ-
ного цикла клеток опухоли. Одним из таких потенциальных пре-
паратов является ингибитор клеточного цикла, полученный из
стволовых клеток пуповины. В этом задании мы предлагаем вам
сравнить две гистограммы и определить, в какой точке клеточно-
го цикла ингибитор блокирует деление раковых клеток.
Проведение эксперимента. В обработанном образце клетки
глиобластомы человека (рак мозга) выращивали в культуре ткани
в присутствии ингибитора, тогда как контрольный образец кле-
ток выращивали без него. После 72 часов роста клетки из обоих
образцов были собраны и обработаны флуоресцентным краси-
телем, который связывается с ДНК. Затем с помощью проточно-
го цитометра была зарегистрирована флуоресценция каждой
клетки, что дает возможность зафиксировать ту фазу клеточного
цикла, на которой находилась каждая клетка в момент обработ-
ки красителем. Количество клеток с тем или иным уровнем флуо-
ресценции было отмечено на графике с помощью специальной
компьютерной программы, как показано ниже.
Полученные экспериментальные данные.
Данные представлены в виде графика, который называется ги-
стограммой (см. выше). Он группирует значения числовой пере-
менной на оси х в интервалы. Гистограмма позволяет вам увидеть,
как все экспериментальные объекты (в данном случае—клетки)
распределены вдоль непре-
рывной переменной (уро-
вень флуоресценции). В дан-
ных гистограммах столбики
настолько узки, что данные
выглядят как кривая с максимумами и мини-
мумами. Каждый узкий столбик отражает число клеток, уровень
флуоресценции которых соответствует данному интервалу. Это,
в свою очередь, отражает относительное содержание ДНК в
этих клетках. В целом, сравнение двух гистограмм позволяет вам
увидеть, как изменяется содержание ДНК в популяции клеток в
процессе терапии.
1. Внимательно посмотрите на данные, представленными на
гистограммах, а) Какая ось косвенно отражает содержание
ДНК в единичной клетке? Объясните свой ответ, б) Сравните
первый пик (область А) и второй пик (область В) на первой
гистограмме. Какой из них обозначает популяцию с более вы-
соким количеством ДНК в единичной клетке? (Дополнитель-
ную информацию о графиках см. в приложении Г.)
2. а) В гистограмме для контрольного образца идентифицируй-
те фазу клеточного цикла (G1, S или G2) для каждой клеточ-
ной популяции, отделенной вертикальными линиями. Подпи-
шите эти фазы на гистограмме и объясните ваш ответ, б) Есть
ли отдельный пик на гистограмме для S-фазы? Почему или
почему нет?
3. Гистограмма, на которой представлены данные для обра-
ботанного образца, показывает эффект от культивирования
раковых клеток в присутствии стволовых клеток пуповины че-
ловека, которые вырабатывают потенциальный ингибитор,
а) Подпишите на гистограмме фазы клеточного цикла. В какой
фазе клеточного цикла находится большинство клеток в обра-
ботанном образце? Объясните, б) Сравните распределение
клеток по фазам G1, S и G2 в контрольном и обработанном
образцах. Что это говорит вам о клетках в обработанном об-
разце? в) Основываясь на том, что вы узнали из раздела 12.3,
предложите механизм, с помощью которого полученный из
клеток ингибитор может останавливать раковые клетки в этой
фазе. (Возможно более одного ответа.)
Источник данных: К. К. Velpula et al., Regulation of glioblastoma
progression by cord blood stem cells is mediated by downregulation
of cyclin D1, PLoSONE 6(3): e18017 (2011)
334 ГЛАВА 12 Клеточный цикл
12 Обзор главы
12.1. КЛЕТОЧНОЕ ДЕЛЕНИЕ ЧАЩЕ ВСЕГО
ПРИВОДИТ К ВОЗНИКНОВЕНИЮ ДВУХ
ИДЕНТИЧНЫХ ДОЧЕРНИХ КЛЕТОК
• Генетический материал (ДНК) клеток — их геном —
распределен между хромосомами. Каждая эукарио-
тическая хромосома содержит одну молекулу ДНК,
ассоциированную с многочисленными белками.
Комплекс ДНК и ассоциированных с ней белков на-
зывается хроматином. В различные периоды жиз-
ненного цикла хроматин в хромосоме находится в
разной степени конденсированности. У животных
в гаметах есть один набор хромосом, а в соматиче-
ских клетках — два набора.
• Клетки удваивают свой генетический материал пе-
ред делением, при этом каждая дочерняя клетка по-
лучает одну копию ДНК. Перед клеточным делени-
ем хромосомы удваиваются. Каждая из них теперь
содержит две идентичные сестринские хромати-
ды, соединенные вдоль по всей длине с помощью
когезии сестринских хроматид. Наиболее плотно
они прилегают друг к другу в зауженном участке,
там, где располагаются центромеры. Когда коге-
зия нарушается, хроматиды разделяются в резуль-
тате деления клеток и становятся хромосомами до-
черних клеток. Деление эукариотических клеток
состоит из митоза (разделения ядер) и цитоки-
неза (разделения цитоплазмы).
а Дайте определение терминам: хромосома, хрома-
тин, хроматида.
12.2. МИТОТИЧЕСКАЯ ФАЗА ЧЕРЕДУЕТСЯ
В КЛЕТОЧНОМ ЦИКЛЕ С ИНТЕРФАЗОЙ
• Между делениями клетка находится в интерфазе:
фазах Gp 5 и G,. Во время интерфазы клетка растет
и только во время S-фазы удваивает ДНК. Митоз и
цитокинез происходят в митотической (М) фазе
Метафаза
• Веретено деления, построенное из микротрубочек,
контролирует движение хромосом во время митоза.
В клетках животных оно начинается от центромер
и включает микротрубочки веретена и астральные
микротрубочки. Некоторые микротрубочки вере-
тена деления присоединяются к кинетохорам хро-
мосом и выстраивают хромосомы в метафазную
пластинку. После разделения сестринских хрома-
тид моторные белки передвигают их вдоль кинето-
хорных микротрубочек к противоположным кон-
цам клетки. Клетка удваивается, когда моторные
белки раздвигают некинетохорные микротрубочки
с противоположных клеточных полюсов.
• Вслед за митозом обычно начинается цитокинез. В
животных клетках цитокинез проходит с помощью
дробления, а клетки растений формируют борозд-
ку дробления.
• Во время бинарного деления бактерий происхо-
дит удвоение хромосомы, а затем образовавшиеся
дочерние хромосомы активно расходятся. Некото-
рые белки, вовлеченные в бинарное деление, род-
ственны актину и тубулину эукариот.
• Прокариоты старше эукариот более чем на милли-
ард лет, поэтому возможно, что митоз возник в ходе
эволюции деления прокариотических клеток. Меха-
низмы деления некоторых одноклеточных эукари-
от могут быть похожи на механизмы деления пред-
ков современных эукариот. Такие механизмы могут
представлять собой промежуточные этапы эволю-
ции митоза.
В В какой из трех подфаз интерфазы и на каких ста-
диях митоза хромосомы представлены единичными мо-
лекулами ДНК?
12.3. КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ ЭУКАРИОТ РЕГУЛИРУЕТСЯ
МОЛЕКУЛЯРНОЙ КОНТРОЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ
• Клеточный цикл регулируют сигнальные молекулы,
содержащиеся в цитоплазме.
• Система контроля клеточного цикла основана
на молекулах. Циклические изменения в регуля-
торных белках работают как часы клеточного цик-
ла. Ключевыми молекулами являются циклины и
циклин-зависимые киназы (CDK). В “часах” есть
специальные сверочные точки, в которых клеточ-
ный цикл останавливается, пока не будет получен
специальный сигнал для продолжения; главные
сверочные точки находятся в фазах Gp G, и М. Из-
учение молекулярных основ деления клеток стало
ГЛАВА 12 Клеточный цикл 335
возможным благодаря клеточным культурам. Как
внутренние, так и внешние сигналы контролиру-
ют сверенные точки клеточного цикла через пути
передачи сигнала. Большинство клеток демонстри-
рует склонность к контактному ингибированию,
когда возрастающая плотность клеток ингибиру-
ет их деление, а также зависимости от прикрепле-
ния, когда для продолжения деления клеток им не-
обходим контакт с поверхностью.
• Раковые клетки избегают нормальной регуляции
клеточного цикла и делятся бесконтрольно, форми-
руя опухоли. Злокачественные опухоли распро-
страняются по прилегающим тканям и могут ме-
тастазировать — переносить клетки в другие
части тела, где те формируют вторичные опухоли.
Недавние исследования клеточного цикла и клеточ-
ной сигнализации, а также новые технологии секве-
нирования ДНК привели к разработке улучшенных
методов терапии рака.
3 Объясните, почему важны сверенные точки в фазах
Gl, G2 и М, а также сигналы продолжения, вовлеченные
в контрольную систему клеточного цикла.
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Если в микроскоп вы видите клеточную пластинку,
начинающую формироваться в середине клетки, и
ядрышки, формирующиеся на обоих ее сторонах, то
какую клетку вы, вероятнее всего, видите?
а) Животную клетку в процессе цитокинеза.
б) Растительную клетку в процессе цитокинеза.
в) Деление бактериальной клетки.
г) Метафазу в растительной клетке.
2. Винбластин является стандартным химиотерапиче-
ским препаратом для лечения рака. Он препятству-
ет сборке микротрубочек, поэтому его активность
должна быть связана с:
а) созданием препятствия для образования верете-
на деления
6) подавлением выработки циклинов
в) денатурацией миозина и ингибированием обра-
зования разделительной бороздки
г) ингибированием синтеза ДНК
3. Одним из различий между раковыми и нормальны-
ми клетками является то, что раковые клетки:
а) неспособны синтезировать ДНК
6) останавливаются в S-фазе клеточного цикла
в) продолжают делиться, даже будучи тесно распо-
ложенными рядом друг с другом
г) не могут нормально функционировать из-за вли-
яния ингибирования, зависящего от плотности
4. Снижение активности MPF в конце митоза отно-
сится к:
а) разрушению протеинкиназы CDK
б) снижением синтеза CDK
в) деградацией циклина
г) накоплением циклина
5. В клетках некоторых организмов митоз наблюдает-
ся в отсутствии цитокинеза. Это проявится в:
а) клетках с более чем одним ядром
6) ненормально маленьких клетках
в) клетках без ядра
г) клеточных циклах без S-фазы
6. Что из перечисленного ниже не происходит в ми-
тозе?
а) Конденсация хромосом.
6) Репликация ДНК.
в) Разделение сестринских хроматид.
г) Образование веретена деления.
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
7. У конкретной клетки вдвое меньше ДНК, чем у дру-
гих клеток в митотически активной ткани. Скорее
всего, эта клетка в
a) Gs
6)G2
в) профазе
г) метафазе
8. Лекарство цитохалазин В блокирует работу акти-
на. Какой из указанных аспектов клеточного цикла
животных будет нарушен сильнее всего цитохала-
зином В?
а) образование веретена деления
б) присоединение веретена деления к кинетохорам
в) удлинение клетки во время анафазы
г) образование разделительной бороздки и цито-
кинез
9. В световой микрофотографии делящихся клеток
кончика корня лука, представленной ниже, опреде-
лите клетки на каждой из следующих стадий: про-
фаза, прометафаза, метафаза, анафаза и телофаза.
Опишите основные события, происходящие во время
каждой из этих фаз.
336 ГЛАВА 12 Клеточный цикл
10.
ИЗОБРАЗИ!
Нарисуйте, как будет выглядеть одна
эукариотическая хромосома во время интерфазы,
каждой из стадий митоза и во время цитокинеза.
Также нарисуйте и подпишите ядерную оболочку и
микротрубочки, присоединенные к хромосоме/хро-
мосомам.
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
В результате митоза у до-
черних клеток оказывается столько же хромосом,
сколько было у материнской. Другим вариантом
поддержания числа хромосом могло бы быть сна-
чала разделение клетки, а затем удвоение хромо-
сом в каждой дочерней клетке. Как вы думаете, был
бы это настолько же хороший вариант организации
клеточного цикла? Как вам кажется, почему в ходе
эволюции не образовался такой вариант?
12. Несмотря на то, что каж-
дый конец микротрубочки может присоединять
или терять субъединицы, один конец (называемый
плюс-концом) полимеризуется и деполимеризуется
с более высокой скоростью, чем другой конец (ми-
нус-конец). На веретене деления плюс-концы рас-
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Здесь показаны две раковые клетки линии HeLa,
которые только что завершили цитокинез. Объ-
ясните, как может быть нарушен процесс деления
клетки в подобных раковых клетках. Какие генети-
ческие и другие различия могли заставить эти клет-
ки выйти из-под нормального контроля клеточного
цикла?
Ответы см. в Приложении А.
положены в центре, а минус-концы — на полюсах
клетки. Моторные белки, которые двигаются вдоль
микротрубочек, специализируются либо на движе-
нии к плюс концу, либо на движении к минус-кон-
цу; эти два типа белков называются плюс-конец-
ориентированные и минус-конец-ориентирован-
ные моторные белки, соответственно. На основе
того, что вы знаете про движения хромосом и из-
менения веретена деления во время анафазы, пред-
скажите, какой тип моторных белков будет пред-
ставлен на а) кинетохорных микротрубочках и
б) некинетохорных микротрубочках.
13. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ИНФОРМАЦИЯ”
Непрерывность жизни основана на наследуемой
информации в форме ДНК. В коротком эссе (100—
150 слов) опишите, как процесс митоза четко раз-
деляет на части конкретные копии наследственной
информации при образовании генетически иден-
тичных дочерних клеток.
ГЛАВА 12 Клеточный цикл 337
ЧАСТЬ
ГЕНЕТИКА
ИНТЕРВЬЮ С
Чарльзом Ротами
Чарльз Ротими родился в Нигерии
и получил степень бакалавра биохи-
мии в Университете Бенина. Затем
он получил ученые степени в области
управления медицинским обслужи-
ванием в Университете штата Мисси-
сипи и в области здравоохранения в
Университете штата Алабама. Будучи
профессором медицинской школы
Университета Лойолы (Чикаго) и Уни-
верситета Говарда, доктор Ротими сосредоточил свои
исследования на специфике заболеваемости у групп
африканского происхождения. Ныне он является ди-
ректором Центра исследований по геномике и глобаль-
ному здравоохранению в Национальном институте
здоровья США (National Institutes of Health — NIH).
является отраслью медицины, которая
изучает заболевания на уровне попу-
ляции. Исследования в области эпи-
демиологии могут помочь определить
факторы риска развития различных
заболеваний и повлиять на политику
в области общественного здравоохра-
нения. В какой-то момент я понял, что
хочу посвятить свою карьеру иссле-
дованию специфики заболеваемости
в мировом масштабе.
Продвижение моей научной карьеры стиму-
лировало несколько фундаментальных вопросов:
почему какая-либо группа людей гораздо сильнее
подвержена влиянию определенных внешних фак-
торов, которые связаны со многими метаболи-
ческими путями? Например, человек с диабетом
— Как у вас возник интерес к общественному
здоровью?
— Когда я прибыл в Миссисипи для поступления
в аспирантуру по биохимии, я узнал, что у афро-
американцев в местной общине непропорци-
онально высокая заболеваемость гипертонией
(повышенное кровяное давление), диабетом и
ожирением. “С чего бы это?” — удивился я. Я за-
думался о том, что
ВОЗМОЖНОСТЬ получать до'*жен работать
в области обще-
сразу полные геномы
для большой группы
ственного здра-
воохранения, и в
итоге пошел изу-
чаете также страдает гипертонией, избыточным
весом, может иметь аномальный уровень липи-
дов в крови и дисфункцию почек. Почему мета-
болические нарушения группируются подобным
образом?
— Как вы оказались вовлечены в исследования
генетики и геномики?
— Однажды я увидел весьма интригующее объ-
явление Университета Лойолы, в котором ра-
зыскивался человек на позицию доцента для
исследования причины того, почему отличается
распределение заболеваемости в разных группах
населения африканского происхождения. Я ска-
зал себе: “Это объявление написано для меня”, —
людей ставит биологию
чать эпидемиоло-
гию в Университете
и стал работать на этой позиции.
Мой наставник, Ричард С. Купер, получил
на совершенно новый
99
штата Алабама.
Эпидемиология
финансирование на изучение распределения за-
болеваемости гипертонией в отдельных группах
уровень .
населения Африки, стран Карибского бассейна
и США. В первом исследовании мы обнару-
жили, что распространенность гипертонии
возрастает в такой последовательности:
сельская местность Западной Аф-
рики — африканские городские
центры — негроидные народы Карибского бас-
сейна — город Мэйвуд штата Иллинойс. Это
распределение мы могли, по большей части, объяс-
нить различиями в таких факторах, как потребле-
ние соли, физическая активность и вес. Но этим
все не объяснялось. Мы знали, что исследуемые
группы людей объединяет относительно недавнее
общее происхождение, но вместе с тем они имеют
различные комбинации генов, доставшихся им от
африканской и европейской популяций (напри-
мер, ДНК афроамериканцев включает в среднем
20% ДНК европейского типа). Отталкиваясь от
этих знаний, мы поняли, что для объяснения оста-
точной изменчивости нам нужно применить гене-
тический подход.
Сегодня использование геномики является
обычным делом. И я могу определить последо-
вательности любых генов у наших участников
исследования. Я чувствую себя как ребенок в кон-
дитерской лавке! Возможность получать сразу пол-
ные геномы для большой группы людей перевела
биологию на совершенно новый уровень.
— Какова роль генетики в персонализированной
медицине?
— Геномика учит нас тому, что такие заболевания,
как гипертония, сахарный диабет или рак могут
сильно варьироваться на молекулярном уровне от
человека к человеку. Возможность использовать
генетический анализ для классификации этих за-
болеваний позволит нам лечить пациентов такими
препаратами, которые помогут лично им.
В моем центре, здесь в NIH, мы изучаем ва-
риативность важных ферментов, которые мета-
болизируют лекарственные вещества у людей,
принадлежащих к различным популяциям. Ис-
пользуя новый микрочип, который позволяет
анализировать гены, кодирующие эти ферменты,
мы просканировали 19 популяций со всего мира.
Мы обнаружили, что даже люди, принадлежащие
к одной и той же этнической группе, могут совер-
шенно по-разному реагировать на лекарственные
вещества из-за индивидуальной вариативности.
И эти данные на самом деле предостерегают нас
от использования таких простых ярлыков, как
“черный”, “африканский” или “европейский” при
индивидуальном назначении лекарств человеку.
Рис. 111. Чем обусловлено семейное сходство?
то
ТЕМЫ ГЛАВЫ
отр
а след
13. Потомки получают гены от
родителей путем наследования
хромосом
13.2. Оплодотворение и мейоз
чередуются в циклах полового
размножения
13.3. Мейоз уменьшает число
наборов хромосом с
диплоидного до гаплоидного
13.4. Наследственная изменчивость,
возникающая в результате
полового размножения,
способствует эволюции
Вариации на тему
Всем известно, что потомки больше похожи на своих ро-
дителей, чем на неродственных особей. Рассмотрев фо-
тографию членов одной семьи (рис. 13.1), вы сможете выде-
лить сходные для всех черты.
Способность живых существ передавать свои призна-
ки потомству называется наследственностью. Однако
сыновья и дочери не являются генетическими копиями ни
родителей, ни братьев или сестер. Наряду с наследуемым
сходством, проявляется и изменчивость. Каковы биоло-
гические механизмы, приводящие к явлению “семейного
сходства”, очевидному для членов семьи на фото (рис. 13.1)?
Ответ на этот вопрос ускользал от биологов вплоть до про-
рыва в развитии генетики в XX веке.
Генетика — это наука, изучающая наследственность и
наследственную изменчивость. В этом разделе вы узнаете
о генетике на различных уровнях организации живой ма-
терии, от организменного до клеточного и молекулярного.
Мы начнем с изучения того, как хромосомы передаются от
родителей к потомству у организмов, для которых свой-
ственно половое размножение. Процессы мейоза (особого
типа клеточного деления) и оплодотворения (слия-
ния сперматозоида и яйцеклетки, изображенного
на рисунке выше) поддерживают специфичное
для вида число хромосом в ходе полового размно-
жения.
Мы опишем клеточные механизмы мейоза и
объясним, чем этот процесс отличается от мито-
за. И, наконец, мы обсудим, как мейоз и оплодот-
ворение приводят к наследственной изменчиво-
сти, например, такой, что мы видим на рис. 13.1.
13.1. Потомки получают гены
от родителей путем
наследования хромосом
Друзья вашей семьи могут сказать, что у вас
мамины веснушки или папины глаза. Конечно,
родители не передают в буквальном смысле вес-
нушки, глаза, волосы или другие черты своим де-
тям. Что же тогда мы наследуем?
Наследование генов
Родители наделяют своих детей информацией,
закодированной в виде единиц наследственности,
называемых генами. Гены, которые мы наследуем
от наших мам и пап, являются генетической свя-
зью с нашими родителями, которая обусловлива-
ет семейные черты, такие как одинаковый цвет
глаз или веснушки. Наши гены программируют
характерные признаки, которые проявляются по
мере развития оплодотворенной яйцеклетки во
взрослый организм.
Генетическая программа записывается на язы-
ке ДНК — полимера из четырех разных нуклео-
тидов, о котором вы узнали в главах 1 (раздел 1.1)
и 5 (раздел 5.5). Наследственная информация пе-
редается в виде специфической нуклеотидной
последовательности гена, так же как печатная
информация передается в виде значимых последо-
вательностей букв. В обоих случаях язык является
символическим. Так же, как ваш мозг преобразу-
ет слово яблоко в мысленный образ фрукта, клет-
ки преобразовывают гены в веснушки и другие
черты. Большинство генов программируют клет-
ки на синтез специфических ферментов или дру-
гих белков, совокупное действие которых приво-
дит к проявлению унаследованных особенностей
организма. Программирование этих особенностей
в виде ДНК является одним из универсальных яв-
лений в биологии.
Молекулярной основой передачи наследствен-
ных признаков является репликация ДНК, кото-
рая обеспечивает производство копий генов, ко-
торые, в свою очередь, могут быть переданы от
родителей к потомкам. У животных и растений
репродуктивные клетки, называемые гаметами,
представляют собой носители, которые передают
гены из поколения в поколение. Во время опло-
дотворения мужские и женские гаметы (сперма-
тозоиды и яйцеклетки) сливаются, в результате
чего гены от обоих родителей передаются их по-
томству.
За исключением небольшого количества ДНК
в митохондриях и хлоропластах, ДНК эукарио-
тических клеток упакована в хромосомы внутри
ядра. Каждый вид имеет характерное число хро-
мосом. Например, человек имеет 46 хромосом в
соматических клетках — всех клетках тела, кро-
ме гамет и их предшественников. Каждая хро-
мосома состоит из единственной длинной нити
ДНК, которая тщательно скручена вместе с раз-
нообразными белками. Одна хромосома содер-
жит от нескольких сотен до нескольких тысяч
генов, каждый из которых представляет собой
специфическую последовательность нуклеоти-
дов в молекуле ДНК. Определенное расположе-
ние гена в хромосоме называется локусом гена (от
лат. locus — “место”). Наш генетический капитал
(наш геном) состоит из генов и других фрагмен-
тов ДНК, которые составляют хромосомы, насле-
дуемые нами от родителей.
Сравнение бесполого
и полового размножения
Только организмы, размножающиеся беспо-
лым путем, имеют потомство, которое является
точной генетической копией их самих. При бес-
полом размножении одна особь является един-
ственным родителем; она передает копии всех
своих генов потомству без слияния гамет. Напри-
мер, одноклеточные эукариотические организмы
могут размножаться бесполым путем с помощью
деления клетки митозом, когда ДНК копируется
и поровну распределяется в две дочерние клет-
ки. Геномы потомков фактически являются точ-
ными копиями родительского генома. Некоторые
многоклеточные организмы также способны раз-
множаться бесполым путем (рис. 13.2). Поскольку
клетки потомства в родительском организме по-
лучаются путем митоза, то “яблочко от яблони”
342 Г ЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом
как правило, генетически идентично родителю.
Организм, размножающийся бесполым путем,
дает начало клонам — группе генетически иден-
тичных особей. Иногда в ходе бесполого размно-
жения у организмов возникают генетические
различия из-за изменений в ДНК, которые назы-
ваются мутациями и которые мы будем обсуж-
дать в главе 17.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 13.1
1.
2.
Используя свои знания об
экспрессии генов в клетке, объясните, что приводит к про-
явлению родительских признаков (таких как цвет волос) у
потомков (см. главу 5, раздел 5.5).
Каким образом эукариотические организмы, размножаю-
щиеся бесполым путем, производят потомков, которые яв-
ляются генетически идентичными друг другу и своим роди-
телям?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
а) Гидра
б) Деревья секвойи
Рис. 13.2. Бесполое размножение двух многоклеточных ор-
ганизмов. а) Это сравнительно простое животное — гидра —
размножается почкованием. Почка —локализованная масса
митотически делящихся клеток — развивается в маленькую
гидру которая отделяется от родительской особи (фотогра-
фия получена с помощью метода световой микроскопии),
б) Все деревья этой группы секвой появились в результате
бесполого размножения единственного родительского де-
рева, пень от которого виден в центре группы
При половом размножении двое родителей
дают начало потомкам, которые имеют уникаль-
ные комбинации генов, унаследованных от двух
родителей. В отличие от клона потомки, появив-
шиеся в результате полового размножения, гене-
тически отличаются как от своих братьев и се-
стер, так и от обоих родителей: они представляют
собой вариации на тему фамильного сходства
и не являются точными копиями. Наследствен-
ная изменчивость, подобная той, что показана
на рис. 13.1, является важным следствием полово-
го размножения. Какие же механизмы приводят
к такой наследственной изменчивости? Ключе-
вым из них является поведение хромосом во вре-
мя цикла полового размножения.
3.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Садовод разводит орхидеи, пытаясь по-
лучить растение с уникальным набором желаемых призна-
ков. Спустя много лет это, наконец, удается сделать. Для
получения большего количества таких орхидей растение
необходимо скрестить с другой орхидеей или получить его
клоны? Почему?
Ответы см. в Приложении А
13.2. Оплодотворение и мейоз
чередуются в циклах полового
размножения
Жизненный цикл — это повторяющаяся из
поколения в поколение последовательность ста-
дий репродуктивной истории организма с момен-
та зачатия до момента рождения собственного
потомства. В этом разделе мы будем рассматри-
вать человека в качестве примера, чтобы отсле-
дить поведение хромосом во время цикла поло-
вого размножения. Сначала мы рассмотрим число
хромосом в соматических клетках и гаметах чело-
века. Затем мы выясним, как поведение хромосом
соотносится с его жизненным циклом и другими
типами циклов полового размножения.
Наборы хромосом в клетках человека
Каждая соматическая клетка человека содер-
жит 46 хромосом. Во время митоза хромосомы
становятся достаточно конденсированными, что-
бы их можно было рассмотреть в световой микро-
скоп. В этот период они отличаются друг от друга
по размеру, положению центромеры и распределе-
нию окрашенных полос, которые получаются в ре-
зультате использования специального связываю-
щего хроматин красителя.
При внимательном рассмотрении микрофо-
тографии 46 хромосом в митотически делящейся
клетке человека можно обнаружить пары хромо-
сом 23 типов. Эти пары становятся более заметны-
ми, если расположить изображения хромосом по
парам начиная с наиболее длинных. Полученный
порядок изображений называется кариотипом
ГЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом 343
(рис. 13.3). Две хромосомы в паре имеют одина-
ковую длину, расположение центромеры и зоны
окрашивания. Они называются гомологичными
хромосомами, или гомологами. Обе хромосомы
каждой пары включают гены, ответственные за
одни и те же наследственные характеристики. На-
пример, если ген цвета глаз располагается в опре-
деленном локусе конкретной хромосомы, то гомо-
лог такой хромосомы также будет содержать ген,
отвечающий за цвет глаз, в эквивалентном локусе.
Две различные хромосомы, называемые X и У,
являются важным исключением из общего хро-
мосомного набора в соматических клетках че-
ловека. Женщины имеют гомологичную пару
Х-хромосом (XX), тогда как мужчины имеют одну
Х-хромосому и одну Y-хромосому (ХУ). Только
небольшие участки хромосом X и У являются го-
мологичными. Большинство генов, которые несет
Х-хромосома, не имеют эквивалентов в малень-
кой Y-хромосоме, которая, в свою очередь, содер-
жит гены, отсутствующие в Х-хромосоме. Хромо-
сомы X и У называются половыми хромосомами,
поскольку определяют пол организма. Остальные
хромосомы называются аутосомами.
Формирование пар гомологичных хромо-
сом в каждой соматической клетке человека яв-
ляется следствием процесса полового размноже-
ния. Мы наследуем одну хромосому из каждой
пары от каждого из родителей. Таким образом,
эти 46 хромосом в наших соматических клетках
на самом деле являются сочетанием двух наборов
по 23 хромосомы — материнского набора (от ма-
тери) и отцовского набора (от отца). Число хро-
мосом в одном наборе обозначается как п. Любая
клетка с двойным набором хромосом называет-
ся диплоидной клеткой и содержит диплоидный
▼ Рис. 13.3.
Метод исследований
Исследование кариотипа
Применение на практике. Для изучения кариотипа обычно ис-
пользуется изображение конденсированных хромосом, рас-
положенных попарно (кариограмма). Кариотипирование мо-
жет быть использовано для выявления дефектных хромосом или
ненормального количества хромосом, связанного с некоторы-
ми врожденными заболеваниями, такими как синдром Дауна.
Описание методики. Препараты хромосом для изучения ка-
риотипа получают из изолированных соматических клеток, ко-
торые обрабатывают препаратами, стимулирующими митоз, и
затем выращивают в культуре в течение нескольких дней. Клет-
ки, зафиксированные в стадии метафазы, когда хромосомы
наиболее плотно сконденсированы, окрашивают и затем по-
лучают их изображения с помощью микроскопа, оснащенного
цифровой камерой. Изображение хромосом появляется на
мониторе компьютера, после чего хромосомы распределяют-
ся по парам с помощью программного обеспечения в соответ-
ствии с их внешним видом.
Пара удвоенных
гомологичных хромосом
Результаты. На данной кариограмме представлены хромосо-
мы здорового мужчины, расцвеченные с помощью программ-
ного обеспечения, чтобы подчеркнуть специфический рисунок
расположения полос. Размер хромосомы, положение цен-
тромеры и области окрашенных полос помогают определить
конкретные хромосомы. Хотя это и трудно рассмотреть в кари-
отипе, но каждая из хромосом во время метафазы состоит из
двух соединенных сестринских хроматид (см. диаграмму пары
удвоенных гомологичных хромосом).
344 ГЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом
набор хромосом, обозначаемый 2п. Для человека
диплоидный набор, т.е. число хромосом во всех
соматических клетках, составляет 46 хромосом
(2н = 46). После того как в клетке произошел син-
тез ДНК, все хромосомы являются удвоенными,
поэтому каждая из них состоит из двух одинако-
вых сестринских хроматид, тесно связанных в об-
ласти центромеры и вдоль их плеч. (Даже тогда,
когда хромосомы удвоены, мы по-прежнему го-
ворим, что клетка является диплоидной (2и), по-
тому что она имеет два набора генетической ин-
формации.) Рис. 13.4 поможет усвоить различные
термины, которые мы использовали, чтобы опи-
сать удвоенные хромосомы в диплоидной клетке.
Цветовые обозначения
Материнский набор
хромосом (л = 3)
Отцовский набор
хромосом (л = 3)
хромосом (по одной
из каждого набора)
Рис. 13.4. Описание хромосом. Здесь изображена клетка
организма с диплоидным набором, равным 6 (2п = 6), после
удвоения и спирализации хромосом. Каждая из шести удво-
енных хромосом состоит из двух сестринских хроматид, тес-
но связанных по всей длине. Каждая гомологичная пара со-
стоит из одной удвоенной хромосомы материнского набора
(красная) и одной удвоенной хромосомы отцовского набора
(синяя). Каждый набор в этом примере включает три хромо-
сомы (длинную, среднюю и короткую). Материнская и отцов-
ская хроматиды в паре гомологичных хромосом вместе назы-
ваются несестринскими хроматидами
D Сколько наборов хромосом изображено на этой схеме?
Сколько но ней пор гомологичных хромосом?
В отличие от соматических клеток, гаметы содер-
жат один набор хромосом. Такие клетки называют-
ся гаплоидными, и каждая из них имеет гаплоид-
ный набор хромосом (и). Для человека гаплоидный
набор равен 23 (и = 23). Он состоит из 22 аутосом
и одной половой хромосомы. Неоплодотворенная
яйцеклетка содержит Х-хромосому, в то время как
сперматозоид может содержать X- или Y-хромосому.
Каждый вид, размножающийся половым пу-
тем, имеет характерные диплоидный и гаплоид-
ный наборы хромосом. Например, у плодовой
мушки Drosophila melanogaster диплоидный набор
(2и) и гаплоидный набор (п) составляют 8 и 4 со-
ответственно, в то время как у собак 2п равен 78,
а п — 39. Теперь давайте рассмотрим поведение
хромосом в течение цикла полового размножения.
В качестве примера мы будем использовать жиз-
ненный цикл человека.
Что происходит с набором хромосом
в течение жизненного цикла человека
Жизненный цикл человека начинается, когда
гаплоидный отцовский сперматозоид сливается
с гаплоидной материнской яйцеклеткой (рис. 13.5).
Такое объединение гамет завершается слияни-
ем их ядер и называется оплодотворением. В ре-
зультате этого процесса оплодотворенная яйце-
клетка, или зигота, становится диплоидной, так
как содержит уже два гаплоидных набора хро-
мосом, несущих гены, представляющие материн-
скую и отцовскую семейные линии. По мере того
как человек достигает взрослого состояния, ми-
тотические деления зиготы и ее клеток-потомков
приводят к образованию всех соматических кле-
ток организма. Точные копии обоих наборов хро-
мосом и всех генов, которые они несут, передают-
ся из зиготы в соматические клетки.
Только те клетки человеческого тела, кото-
рые образуются не в результате митоза, являют-
ся гаметами, развивающимися из специализи-
рованных клеток, называемых зародышевыми
клетками гонад — яичников у женщин и яичек
у мужчин. Представьте себе, что бы произошло,
если бы гаметы человека появлялись в ходе ми-
тоза: они были бы диплоидными, как и соматиче-
ские клетки. В следующем цикле оплодотворения
при слиянии двух гамет нормальное число хро-
мосом, равное 46, удвоилось бы до 92, и каждое
последующее поколение имело бы вдвое боль-
шее число хромосом. Но этого не происходит, по-
скольку у организмов, размножающихся поло-
вым путем, образование гамет включает в себя
тип деления клеток, который называется мено-
вом. Такой тип деления уменьшает количество
наборов хромосом с двух до одного в половых
клетках, уравновешивая таким образом увеличе-
ние этого числа, которое происходит при оплодо-
творении. В результате мейоза каждый сперма-
тозоид и каждая яйцеклетка человека становятся
ГЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом 345
гаплоидными (п = 23). Оплодотворение восста-
навливает диплоидный набор путем объедине-
ния двух гаплоидных наборов хромосом, и жиз-
ненный цикл человека повторяется из поколения
в поколение (см. рис. 13.5).
Цветовые обозначения Гаплоидные гаметы (л = 23)
Гаплоидный (л)
Диплоидный (2л)
Яйцеклетка (л)
I -
Сперма-
тозоид (л)
ОПЛОДОТВОРЕНИЕ
Семенники
Митоз
и развитие
Взрослые многоклеточные
организмы (2л = 46)
Диплоидная
зигота
(2л = 46)
Рис. 13.5. Жизненный цикл человека. В каждом поколении
число хромосом удваивается при оплодотворении и умень-
шается вдвое в процессе мейоза. Число хромосом в гапло-
идной клетке человека равно 23 — это один набор хромосом
(л = 23); число хромосом в диплоидной зиготе и во всех сома-
тических клетках, происходящих из зиготы, равно 46 — это два
набора хромосом (2л = 46)
На этом рисунке вводится цветовое обозначение, которое
будет использоваться в этой книге при изображении других
жизненных циклов. Голубые стрелки относятся к гаплоидным
стадиям жизненного цикла, а розовые — к диплоидным ста-
диям.
В целом этапы жизненного цикла человека яв-
ляются типичными для многих животных, раз-
множающихся половым путем. Процессы опло-
дотворения и мейоза являются отличительными
чертами полового размножения растений, грибов
и простейших, так же как и животных. Оплодотво-
рение и мейоз чередуются в циклах полового раз-
множения, поддерживая постоянное число хромо-
сом из поколения в поколение у каждого вида.
Разнообразие циклов полового
размножения
Несмотря на то, что чередование мейоза и
оплодотворения является общим для всех орга-
низмов, размножающихся половым путем, сроки
этих двух событий в жизненном цикле варьиру-
ются в зависимости от вида. Такие вариации мо-
гут быть отнесены к одному из трех основных
типов жизненных циклов. В случае типа, кото-
рый характерен для человека и большинства дру-
гих животных, гаметы являются единственными
гаплоидными клетками (рис. 13.6, а). Мейоз про-
исходит в зародышевых клетках в процессе об-
разования гамет, которые затем не вступают в
дальнейшие деления до оплодотворения. После
оплодотворения диплоидная зигота делится ми-
тозом, что приводит к формированию диплоид-
ного многоклеточного организма.
Для растений и некоторых видов водорос-
лей характерен второй тип жизненного цикла,
который называется чередованием поколений
(рис. 13.6,6). Этот тип включает в себя диплоидную
и гаплоидную стадии, которые являются много-
клеточными. Многоклеточная диплоидная стадия
называется спорофитом. Мейоз, происходящий
на стадии спорофита, приводит к образованию
гаплоидных клеток — спор. В отличие от гаметы
гаплоидная спора не сливается с другой клеткой,
а делится митотически, результатом чего являет-
ся многоклеточная гаплоидная стадия, которая
называется гаметофитом. Клетки гаметофи-
та образуют гаметы путем митоза. Слияние двух
гаплоидных гамет при оплодотворении ведет к
образованию диплоидной зиготы, которая разви-
вается в следующее поколение спорофита. Таким
образом, при таком типе жизненного цикла по-
томством поколения спорофита является гамето-
фит, а потомством поколения гаметофита являет-
ся следующее поколение спорофита (см. рис. 13.6,6).
Термин чередование поколений очень точно харак-
теризует такой тип жизненного цикла.
Третий тип жизненного цикла свойственен
большинству грибов и некоторым простейшим,
в том числе некоторым водорослям (рис. 13.6, в).
После слияния гамет и формирования диплоид-
ной зиготы начинается мейоз, который не ведет
к развитию многоклеточного диплоидного по-
томства. Результатом мейоза являются не гаме-
ты, а гаплоидные клетки, которые затем делят-
ся путем митоза и приводят к образованию либо
346 ГЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом
Цветовые обозначения
Гаплоидный (п)
Диплоидный (2п)
л Гаметы
Гаплоидный многоклеточный
организм (гаметофит)
Гаплоидный одноклеточный
или многоклеточный организм
МЕЙОЗ ОПЛОДОТВОРЕНИЕ
Митоз л Митоз
л л
Споры
Гаметы
Митоз л Митоз
л ъ
л
Гаметы л
МЕЙОЗ
ОПЛОДОТВОРЕНИЕ
Зигота 2л
МЕЙОЗ
ОПЛОДОТВОРЕНИЕ
Диплоидный
много-
клеточный
организм
Диплоидный
многоклеточ-
ный организм
(спорофит)
2л
Зигота
а) Животные
б) Растения и некоторые водоросли
2л
Зигота
в) Большинство грибов
и некоторые простейшие
Рис. 13.6. Три типа циклов полового размножения. Общим признаком всех трех типов является чередование мейоза и оплодотворе-
ния — ключевых событий, обеспечивающих генетическую изменчивость в потомстве. Разные типы циклов отличаются друг от друга
временем, когда происходят эти два события
одноклеточных потомков, либо зрелого гаплоид-
ного многоклеточного организма. Впоследствии
в гаплоидном организме происходят дальней-
шие митотические деления, в результате которых
образуются клетки — предшественницы гамет.
Единственная диплоидная стадия, обнаруженная
в таких организмах, представляет собой однокле-
точную зиготу.
Следует отметить, что как гаплоидные, так и
диплоидные клетки могут делиться путем мито-
за в зависимости от типа жизненного цикла. Од-
нако только диплоидные клетки могут вступать
в мейоз, так как гаплоидные клетки имеют всего
один набор хромосом, который больше не может
уменьшаться. Хотя три типа циклов полового раз-
множения отличаются по срокам мейоза и опло-
дотворения, они приводят к одному и тому же
фундаментальному результату — наследственной
изменчивости среди потомства.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 13.2
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
1. ЦЗПаЕПХШШЕНХЕЕ! Сколько молекул ДНК (двой-
ных спиралей) представлено на рис. 13.4 (см. рис. 12.5)?
Чему равен гаплоидный набор этой клетки? Представлен-
ный на рисунке набор хромосом является гаплоидным или
диплоидным?
2. Сколько пар хромосом присутствует в кариотипе, пред-
ставленном на рис. 13.3? А сколько наборов хромосом?
А ЧТО, ЕСЛИ?
3. М1НИ«Ш|Д Некоторый эукариотический организм яв-
ляется одноклеточным, но при наступлении неблагопри-
ятных условий образует гаметы. Эти гаметы сливаются, и
образовавшаяся зигота делится мейозом, образуя новые
одноклеточные организмы. Предположите, какой тип орга-
низма подходит под это описание.
Ответы см. в Приложении А.
13.3. Мейоз уменьшает число
наборов хромосом с диплоидного
до гаплоидного
Многие стадии мейоза напоминают соответ-
ствующие стадии митоза. Перед мейозом, как и
перед митозом, происходит удвоение хромосом.
Однако после этого единственного удвоения сле-
дует не одно, а два последовательных клеточных
деления, которые называют мейозом I и мейозом
II. Эти два деления приводят к образованию че-
тырех дочерних клеток (а не двух, как в случае
митоза), каждая из которых содержит только по-
ловину хромосом материнской клетки — один на-
бор вместо двух.
Стадии мейоза
Из схемы мейоза на рис. 13.7 видно, что хромо-
сомы одной гомологичной пары в диплоидной
клетке удваиваются, и копии распределяются в
четыре гаплоидные дочерние клетки.
Г ЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом 347
Интерфаза
Пара гомологичных
хромосом в дип-
лоидной роди-
тельской клетке
Пара удвоенных
гомологичных х т
Удвоение
хромосом
н
Сестринские
хроматиды^
Диплоидная клетка
с удвоенными
хромосомами
(удвоенными) хромосомами
Мейоз II
Гаплоидные клетки с недуплицированными
(одинарными) хромосомами
ИЗОБРАЗИ!
Рис. 13.7. Схема мейоза: уменьшение числа хромосом. По-
сле того, как хромосомы удваиваются во время интерфазы,
диплоидная клетка делится дважды, образуя четыре гаплоид-
ные дочерние клетки. На данной схеме представлена толь-
ко одна пара гомологичных хромосом, которые для простоты
изображены на всех этапах в конденсированном состоянии.
Перерисуйте клетки, изобразив каждую молеку-
лу ДНК в виде двойной спирали.
Напомним, что сестринские хроматиды яв-
ляются двумя копиями одной хромосомы, тесно
связанными по всей длине; это объединение на-
зывается когезией сестринских хроматид. Вместе
сестринские хроматиды составляют одну удво-
енную хромосому (см. рис. 13.4). В отличие от это-
го две хромосомы гомологичной пары являются
индивидуальными хромосомами, унаследован-
ными от разных родителей. При микроскопиро-
вании гомологи выглядят одинаковыми, однако
они могут содержать в соответствующих локусах
разные версии генов, которые называются аллель-
ными (аллелями). Гомологи никогда не бывают
связанными друг с другом, кроме как в процессе
мейоза.
На рис. 13.8 подробно изображены стадии двух
делений мейоза животной клетки с диплоидным
набором, равным 6. Прежде чем продолжить
чтение, внимательно рассмотрите этот рисунок.
Кроссинговер и конъюгация хромосом
во время профазы I
Профаза I мейоза очень насыщена событиями.
Представленная на рис. 13.8 клетка находится на до-
вольно позднем этапе профазы I, когда уже про-
изошли объединения гомологичных хромосом,
кроссинговер и их конденсация. Последователь-
ность событий, которые предшествуют такому со-
стоянию клетки, более подробно изображено на
рис. 13.9.
После интерфазы хромосомы становятся удво-
енными, и сестринские хроматиды удерживаются
вместе с помощью белков, которые называются
когезинами. В начале профазы I две гомологичные
хромосомы соединяются по всей длине неплотно.
Каждый ген одного из гомологов выравнивается
с соответствующим геном другого гомолога. ДНК
двух несестринских хроматид — одной материн-
ской и одной отцовской — разрывается специ-
альными белками в строго определенных точках.
После этого происходит формирование похожей
на застежку-молнию структуры, которая называ-
ется синаптонемным комплексом; он удержива-
ет две гомологичные хромосомы плотно связан-
ными друг с другом. Во время этого объединения,
называемого синапсисом,' ДНК разрывы зашива-
ются так, что каждый конец разрыва присоединя-
ется к соответствующему сегменту несестринской
хроматиды. Таким образом, за точкой перекреста
к отцовской хроматиде присоединяется кусочек
материнской хроматиды, а к материнской — кусо-
чек отцовской хроматиды.
После некоторой разборки синаптонемного
комплекса и небольшого расхождения гомологич-
ных хромосом эти точки перекреста можно наблю-
дать в форме хиазм. Гомологи остаются скреплен-
ными, потому что сестринские хроматиды все еще
удерживаются вместе за счет когезии, даже несмо-
тря на то, что некоторые участки ДНК уже могут не
1 Другое название — конъюгация гомологичных хромо-
сом. — Примеч. ред.
348 ГЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом
▼ Рис. 13.8
Изучаем мейоз в животной клетке
МЕЙОЗ I: расхождение гомологичных хромосом
Профаза I
Клеточный центр
(с парой центриолей)
Гомологичные Фрагменты
хромосомы ядерной
оболочки
Пара удвоенных гомологичных
хромосом (красная и синяя)
обмениваются фрагментами;
в этом примере 2п = 6
Профаза I
• Как и в процессе митоза, про-
исходят расхождение клеточ-
ных центров, формирование
веретена деления и фрагмента-
ция ядерной оболочки. В тече-
ние профазы I хромосомы посте-
пенно конденсируются.
• На ранней стадии профазы I
(до событий, изображенных
на рисунке) каждая хромосома
встречается со своим гомоло-
гом, и они выравниваются так,
что гомологичные гены распо-
лагаются друг напротив друга,
после чего происходит крос-
синговер (или перекрест хромо-
сом): молекулы ДНК несестрин-
ских хроматид разрываются
(с помощью белков) и соединя-
ются друг с другом в новых ком-
бинациях.
• На стадии, изображенной на
рисунке, каждая гомологичная
пара имеет один или несколько
Х-образных участков — хиазм, —
где произошел перекрест хро-
мосом. ►
Метафаза I
Перетяжка
Центромера
(с кинетохором)
Метафазная
пластинка
Микротрубочки,
прикрепленные
к кинетохору
Пары гомологичных
хромосом выстраиваются
в области экватора
Метафаза I
• На этом этапе пары гомологич-
ных хромосом образуют мета-
фазную пластинку, в которой ка-
ждая хромосома гомологичной
пары обращена к соответствую-
щему полюсу.
• Обе хроматиды одной из гомо-
логичных пар прикрепляются к
кинетохорным микротрубочкам,
отходящим от одного из полюсов
клетки; хроматиды другого гомо-
лога прикреплены к микротру-
бочкам, отходящим от противо-
положного полюса
• На стадии профазы I после той,
что изображена на рисунке, ми-
кротрубочки, отходящие от каж-
дого из полюсов, прикрепля-
ются к кинетохорам, которые
расположены в области центро-
мер каждого из двух гомологов.
Анафаза I
Сестринские хроматиды
остаются связанными
Гомологичные
хромосомы
расходятся
Каждая пара гомологичных
хромосом расходится
Анафаза I
• Разрушение белков, ответствен-
ных за когезию (сцепление) се-
стринских хроматид вдоль их
плеч, позволяет гомологичным
хромосомам разойтись.
• Микротрубочки веретена деле-
ния растаскивают гомологичные
хромосомы к противоположным
полюсам.
• Когезия сестринских хроматид
сохраняется в области центро-
меры, что позволяет хроматидам
продвигаться как единой струк-
туре к одному из полюсов.
(Два кинетохора гомолога —
не изображены на рисунке —
функционируют как единый ки-
нетохор.) Затем гомологичные
пары переходят к стадии фор-
мирования метафазной пла-
стинки.
Телофаза I
и Цитокинез
Образуются две гаплоидные
клетки; каждая хромосома все
еще состоит из двух сестринских
хроматид
Телофаза I и Цитокинез
• В начале телофазы I в каждой по-
ловине клетки содержится пол-
ный гаплоидный набор удвоенных
хромосом. В этот период каждая
хромосома состоит из двух се-
стринских хроматид; при этом
одна или обе хроматиды содер-
жат участки ДНК несестринских
хроматид.
• Цитокинез (разделение цито-
плазмы) происходит, как пра-
вило, одновременно с телофазой
I, в результате чего образуются
две гаплоидные дочерние клетки.
• В клетках животных, подобных
изображенным здесь, образу-
ется перетяжка (в клетках расте-
ний формируется фрагмопласт).
• У некоторых видов на данном
этапе происходит деконденса-
ция хромосом и образование
ядерной оболочки.
• Между мейозом I и мейозом II не
происходит удвоения хромосом.
349
Окончание рис. 13.8
МЕЙОЗ II: расхождение сестринских хроматид
Профаза II
Метафаза II
Анафаза II
Телофаза II
и Цитокинез
В процессе второго клеточного деления сестринские хроматиды окончательно разделяются;
образуются четыре гаплоидные дочерние клетки, содержащие неудвоенные хромосомы.
Расхождение
Профаза II
• Формирование веретена де-
ления.
• В конце профазы II (не показано
на рисунке) хромосомы, каждая
из которых по-прежнему состоит
из двух связанных в области цен-
тромеры хроматид, движутся в
направлении экваториальной
плоскости.
Метафаза II
• Хромосомы формируют мета-
фазную пластинку, как и в про-
цессе митоза.
• Из-за кроссинговера, произо-
шедшего в I делении мейоза, две
сестринские хроматиды каждой
хромосомы не являются генети-
чески идентичными.
• К кинетохорам сестринских хро-
матид прикрепляются микротру-
бочки, отходящие от противопо-
ложных полюсов
Анафаза II
• Сестринские хроматиды рас-
ходятся благодаря тому, что
белки, ответственные за связыва-
ние хроматид в области центро-
меры, отделяются друг от друга.
Хроматиды перемещаются к
противоположным полюсам уже
как отдельные хромосомы.
Телофаза II
и Цитокинез
• Формируются ядра, хромосомы
начинают деконденсироваться,
и происходит цитокинез.
• Деление одной материнской
клетки путем мейоза приводит к
образованию четырех дочерних
клеток, каждая из которых имеет
гаплоидный набор хромосом.
• Четыре дочерние клетки генети-
чески отличаются друг от друга
и от родительской клетки.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Посмотрите но рис. 12.7 и пред-
ставьте, что две дочерние клетки еще роз делятся митозом, об-
разуя четыре клетки. Сравните число хромосом в каждой из этих
четырех клеток после митоза с числом хромосом в каждой клет-
ке но рис. 13.8 после мейоза. Что именно в процессе мейоза
обеспечивает такое различие, возникающее несмотря на то, что
мейоз также включает в себя два клеточных деления?
350
Пара
Разрывы в ДНК Центромера Разрывы в ДНК
гомологичных
хромосом:
Отцовские
сестринские
хроматиды
Материнские
сестринские
хроматиды
0 После интерфазы хромосомы удвоены, и сестринские
хроматиды удерживаются вместе с помощью белков, кото-
рые называются когезинами (фиолетовый цвет на рисунке).
Гомологичные хромосомы каждой пары связаны друг с дру-
гом по всей своей длине. Молекулы ДНК двух несестринских
хроматид разрываются в строго соответствующих друг другу
точках. Вещество хромосом — хроматин — начинает
0 Начинает формироваться похожий на застежку-молнию
комплекс белков — синаптонемный комплекс (зеленый);
он скрепляет гомологичные хромосомы между собой.
0 Синаптонемный комплекс полностью сформировался;
при этом говорят, что две гомологичные хромосомы нахо-
дятся в синапсисе. В процессе синапсиса разрывы ДНК
зашиваются, причем каждый конец разрыва присоединя-
ется к соответствующему сегменту несестринской хрома-
тиды, образуя перекрёсты.
0 После разборки синаптонемного комплекса гомологичные
хромосомы немного расходятся, однако остаются сцеп-
ленными из-за когезии сестринских хроматид, даже если
фрагменты ДНК больше не связаны с исходной хромосомой.
Точки прикрепления, где произошел кроссинговер, выглядят
как хиазмы. Хромосомы продолжают конденсироваться,
двигаясь к метафазной пластинке.
Рис. 13.9. Кроссинговер и синапсис в профазе I: детальное
рассмотрение. Для простоты восприятия четыре хроматиды
одной пары гомологичных хромосом изображены здесь ря-
дом друг с другом. В действительности же синяя хромосома
будет находиться прямо поверх красной (см. верхнюю клет-
ку на рис. 13.12)
контактировать с исходной для себя хромосомой.
По крайней мере один перекрест на хромосому дол-
жен происходить для того, чтобы хромосомы гомо-
логичной пары оставались рядом, когда они образу-
ют метафазную пластинку в мейозе I.
Сравнение митоза и мейоза
На рис. 3.10 обобщены основные различия между
мейозом и митозом диплоидных клеток. Наибо-
лее важным является то, что в результате мейоза
уменьшается количество хромосомных наборов с
двух (диплоидный) до одного (гаплоидный), в то
время как в процессе митоза сохраняется количе-
ство хромосомных наборов. Таким образом, мей-
оз приводит к образованию клеток, которые ге-
нетически отличаются от их родительской клетки
и друг от друга, а результатом митоза, наоборот,
являются дочерние клетки, генетически идентич-
ные родительской клетке и друг другу.
Три события, характерные только для мейоза,
происходят во время I деления.
1. Синапсис и кроссинговер. Во время профазы I
удвоенные гомологичные хромосомы объеди-
няются в пары, и происходит их перекрест, как
описано выше. Синапсис и кроссинговер обыч-
но не происходят во время профазы митоза.
2. Метафазная пластинка из пар гомологичных
хромосом. Во время метафазы I мейоза хро-
мосомы находятся в метафазной пластинке в
виде пар гомологов, а не отдельных хромосом,
как в метафазе митоза.
3. Расхождение гомологов. В анафазе I мейоза
удвоенные хромосомы каждой гомологичной
пары расходятся к противоположным полю-
сам, однако сестринские хроматиды каждой
удвоенной хромосомы остаются связанными.
В анафазе митоза, наоборот, расходятся се-
стринские хроматиды.
Сестринские хроматиды остаются сцепленны-
ми за счет когезии, опосредованной белками ко-
гезинами. Во время митоза такое взаимодействие
продолжается до конца метафазы, когда ферменты
расщепляют когезины, освобождая сестринские
хроматиды для расхождения к противополож-
ным полюсам клетки. В процессе мейоза взаимо-
действие сестринских хроматид прекращается
в два этапа: первый происходит в начале анафа-
зы I, второй — в анафазе II. В метафазе I гомоло-
гичные хромосомы удерживаются вместе за счет
сцепления плеч сестринских хроматид вне точек
ГЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом 351
митоз
МЕЙОЗ
Родительская клетка Хиазма
(перед удвоением хромосом) (точка перекрёста)
МЕЙОЗ I
Профаза I
Гомологичные хро-
мосомы удерживаются
в паре за счет хиазм
и когезии сестринских
хроматид
Профаза
Метафаза
Удвоение
хромосом
2л
Отдельные
хромосомы
образуют
метафазную
пластинку
Сестринские
хроматиды рас-
ходятся во время
онафазы
Удвоенная хромосома
(две сестринские хроматиды) |
Удвоение
хромосом
2л = 6
Пары гомологичных
хромосом образуют
метафазную
пластинку
Анафаза
Телофаза
Дочерние клетки
после митоза
Гомологи расхо-
дятся во время
анафазы I;
сестринские
хроматиды
остаются свя-
занными в об-
ласти центро-
меры
Сестринские
хроматиды .
расходятся
во время
анафазы II
Метафаза I
Дочерние
МЕЙОЗ II
Дочерние клетки после мейоза II
Анафаза I
Телофаза I
Гаплоидный
набор
л = 3
ОБОБЩЕНИЕ
Свойство Митоз (характерен как для диплоидных, Ц так и для гаплоидных клеток) Ц 1 Мейоз (характерен только для диплоидных клеток)
Репликация ДНК Происходит в интерфазе перед началом митоза Происходит в интерфазе перед началом мейоза I
Количество делений Одно; включает профазу, прометафазу, метафазу, анафазу и телофазу Два; каждое деление включает профазу, метафазу, анафазу и телофазу
Синапсис гомологичных хромосом Не происходит Происходит в профазе I вместе с кроссинговером несестрин- ских хроматид; образующиеся хиазмы скрепляют хромосомы в пары за счет когезии сестринских хроматид
Количество дочерних клеток и генетических сочетаний Две, обе идентичны родительской клетке; одинаковый набор хромосом Четыре, все гаплоидные (п); отличаются генетически от роди- тельской клетки и друг от друга
Значение для организма животного или растения Позволяет многоклеточному животному или растению (гаметофиту или спорофиту) развиваться из одной клетки; обеспечивает образование клеток в процессе роста, реге- нерации и, у некоторых видов, в процессе бесполого размножения; приводит к образо- ванию гамет гаметофитом растения Приводит к образованию гамет (у животных) или спор (у споро- фита растения); уменьшает число наборов хромосом вдвое и является причиной генетического разнообразия среди гамет или спор
ИЗОБРАЗИ!
Рис. 13.10. Сравнение митоза и мейоза
__________Могут ли из определенных клеток, показанных в телофазе /, в процессе мейоза // образоваться какие-либо
другие комбинации хромосом? Объясните. (Подсказка: нарисуйте, кок будут выглядеть клетки в метафазе /I).
352 Г л АВ А 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом
кроссинговера; части сестринских хроматид за
этими точками теперь принадлежат к разным хро-
мосомам. Комбинация кроссинговера и когезии
сестринских хроматид вдоль их плеч приводит к
формированию хиазм. Хиазмы прикрепляют го-
мологи друг к другу, когда формируется веретено
деления для первого деления мейоза. В начале ана-
фазы I ослабевание сцепления плеч сестринских
хроматид позволяет разойтись гомологичным
хромосомам. В анафазе II сцепление сестринских
хроматид ослабевает и в области центромер, что,
в свою очередь, позволяет разойтись сестринским
хроматидам. Таким образом, когезия сестринских
хроматид и кроссинговер, действуя вместе, играют
важную роль в выстраивании гомологичных хро-
мосом в пары во время метафазы I.
Мейоз I называется редукционным делением,
так как в результате уменьшается число хромо-
сомных наборов с двух (диплоидный) до одного
(гаплоидный). В процессе мейоза II (эквационное
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Построение графика и прсоЬра^обание единиц данным
Как меняется содержание ДНК при вступлении почкующих-
ся дрожжевых клеток в мейоз? В условиях низкого содер-
жания питательных веществ почкующиеся клетки дрожжей
(Sacchoromyces cerevis/ae) перестают делиться митотически
и вступают в мейоз. В этом упражнении вы будете отслеживать
изменение содержания ДНК в популяции дрожжевых клеток при
Анализ данных
1. Сначала постройте гра-
фик. а) Обозначьте соот-
прохождении мейоза.
ветствующие оси для независимой и зависимой перемен-
ных, указав в скобках единицы измерения. Объясните свой
выбор, б) Укажите шкалу и значения для каждой оси графика.
Проведение эксперимента. Исследователи вырастили куль-
туру дрожжевых клеток в богатой питательными веществами сре-
де и затем перенесли их в среду с низким содержанием пита-
тельных веществ, чтобы индуцировать мейоз. В разные моменты
времени после индукции в образце клеток измеряли содержа-
ние ДНК на клетку и записывали средние значения в фемтограм-
мах (фг; 1 фемтограмм = 1 х 10-15 г).
Объясните свой выбор.
Полученные экспериментальные данные
Время после индукции Среднее количество ДНК
(часы) на клетку (фг)
0,0 24,0
1,0 24,0
2,0 40,0
3,0 47,0
4,0 47,5
5,0 ~ 48,0
6,0 48,0
7,0 47,5
7,5 25,0
8,0 24,0
9,0 23,5
9,5 14,0
10,0 13,0
11,0 12,5
12,0 12,0
13,0 12,5
14,0 12,0
2. Поскольку переменная по оси X изменяется непрерывно, то
имеет смысл построить линейный график данных, а) Нанеси-
те каждую точку данных из Таблицы на график, б) Соедините
точки данных линией.
3. Большинство дрожжевых клеток в культуре находились в фазе
G1 клеточного цикла перед тем, как питательную среду заме-
нили на среду с низким содержанием питательных веществ,
а) Сколько фемтограмм ДНК содержится в каждой дрожже-
вой клетке во время Gl-фазы? Оцените это значение исходя
из данных на вашем графике, б) Сколько фемтограмм ДНК
должно быть в каждой клетке во время фазы G2? (См. главу 12,
раздел 12.2 и рис. 12.6). Сколько ДНК в клетке должно быть в
конце мейоза I (Ml)? В конце мейоза II (МН)? (см. рис. 13.7)
в) Используя эти значения в качестве ориентира, отметьте на
графике границы между различными фазами вертикальными
пунктирными линиями и обозначьте каждую фазу (G1, S, G2,
Ml, МН). Вы можете определить, где расположить вертикаль-
ные линии, на основании того, что вы знаете о содержании
ДНК в каждой фазе (см. рис. 13.7). г) Подумайте о том, какая
точка кривой будет иметь максимальное значение и где нач-
нется снижение значений. Какие именно события мейоза
определяют этот пик? Какая(ие) стадия(и) соответствуют
нисходящей линии?
4. Учитывая то, что 1 фг ДНК = 9,78 х 105 пар оснований (в сред-
нем), вы можете перевести количество ДНК на клетку в длину
ДНК по числу пар оснований, а) Подсчитайте число пар ос-
нований ДНК в гаплоидном геноме дрожжей. Выразите свой
ответ в миллионах пар оснований (Mb)—стандартной едини-
це для выражения размера генома. Покажите свою работу,
б) Сколько пар оснований синтезировалось в минуту во вре-
мя S-фазы в этих дрожжевых клетках?
Более подробную информацию вы найдете здесь; G. Simchen,
Commitment to meiosis: what determines the mode of division in
budding yeast? BioEssays 31:169-177 (2009).
Г ЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом 353
деление) расходятся сестринские хроматиды, в ре-
зультате чего появляются дочерние гаплоидные
клетки. Механизм расхождения сестринских хро-
матид практически идентичен для мейоза II и ми-
тоза. Молекулярные основы поведения хромосом
во время мейоза по-прежнему интенсивно иссле-
дуются. В рубрике “Развиваем исследовательские
навыки” вы можете поработать с данными отсле-
живания количества ДНК в клетках по мере их
преобразования в процессе мейоза.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 13.3
1.
2.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
А ЧТО, ЕСЛИ?
Сравните хромосомы в клет-
ке во время метафазы митоза и во время метафазы II
(см. рис. 12.7 и рис. 13.8).
Как были бы связаны гомологичные хро-
мосомы после исчезновения синаптонемного комплекса,
если бы не происходил кроссинговер? Как это могло бы в
конечном счете повлиять на формирование гамет?
Ответы см. в Приложении А.
13.4. Наследственная
изменчивость, возникающая
в результате полового
размножения, способствует
эволюции
Как мы можем объяснить наследственную из-
менчивость среди членов семьи, изображенной
на рис. 13.1? В следующих главах вы узнаете, что
первоисточником наследственной изменчивости
являются мутации. Эти изменения в ДНК орга-
низма приводят к появлению различных версий
генов, которые называют аллелями. Перестанов-
ки аллелей при половом размножении приводят
к изменчивости, которая обусловливает уникаль-
ность комбинации признаков каждой из особей в
популяции, размножающейся половым путем.
Истоки наследственной изменчивости
среди потомков
У видов, размножающихся половым путем,
поведение хромосом во время мейоза и оплодот-
ворения в значительной степени определяет раз-
нообразие в каждом поколении. Три механиз-
ма обеспечивают возникновение наследственной
изменчивости в ходе полового размножения: не-
зависимое расхождение хромосом, кроссинговер и
случайное оплодотворение.
Независимое расхождение хромосом
Одной из особенностей полового размноже-
ния, обусловливающих наследственную измен-
чивость, является случайная ориентация пар
гомологичных хромосом в метафазе мейоза I.
Во время метафазы I пары гомологичных хромо-
сом, каждая из которых состоит из одной мате-
ринской и одной отцовской хромосомы, образу-
ют метафазную пластинку. (Обратите внимание,
что термины материнский и отцовский относят-
ся, соответственно, к матери и отцу организма,
клетки которого делятся мейозом.) В каждой паре
либо материнская, либо отцовская гомологич-
ная хромосома обращена к определенному полю-
су клетки — ориентация пары гомологов является
случайной, как “орел” или “решка” монеты. Таким
образом, вероятность того, что в результате мей-
оза I конкретная дочерняя клетка получит мате-
ринскую хромосому той или иной гомологичной
пары, равна 50%, и с вероятностью 50% она полу-
чит отцовскую хромосому.
Поскольку расположение каждой из пар гомо-
логичных хромосом на стадии метафазы I не зави-
сит от других пар гомологов, результатом первого
мейотического деления становится независимое
от любой другой пары распределение материн-
ского и отцовского гомологов в дочерние клетки.
Такой процесс называется независимым расхож-
дением. Каждая дочерняя клетка представляет со-
бой лишь одну из всех возможных комбинаций
материнских и отцовских хромосом. Как показа-
но на рис. 13.11, число возможных комбинаций в до-
черних клетках, образующихся путем мейоза из
диплоидной клетки с двумя парами гомологич-
ных хромосом (и = 2), равно четырем: два вари-
анта распределения первой пары, умноженные на
два варианта второй пары. Обратите внимание,
что только две из четырех комбинаций в дочер-
них клетках, показанных на рисунке, возникают в
результате мейоза одной диплоидной клетки, по-
тому что одна родительская клетка будет иметь
один или другой возможный вариант распреде-
ления хромосом в метафазе I (не оба одновремен-
но). Тем не менее популяция дочерних клеток, ко-
торая образуется в результате мейоза из большого
числа диплоидных клеток, содержит все четы-
ре варианта распределения хромосом в пример-
но равных количествах. В случае п = 3 в дочерних
клетках возможны восемь комбинаций хромосом.
В целом количество возможных комбинаций в
354 ГЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом
случае, когда хромосомы расходятся независимо
во время мейоза, составляет 2и, где и — это гапло-
идный набор организма.
В случае человека (и = 23) число возможных
комбинаций материнских и отцовских хромосом
в образующихся гаметах составляет 223, или около
8,4 миллионов. Каждая гамета, которую вы обра-
зуете в течение жизни, содержит одну из пример-
но 8 400 000 возможных комбинаций хромосом.
Кроссинговер
Вследствие независимого расхождения хро-
мосом в мейозе каждый из нас производит набор
гамет, в которых существенно различаются ком-
бинации хромосом, унаследованных нами от ро-
дителей. На рис. 13.11 каждая хромосома в гамете
происходит исключительно от матери или отца.
На самом деле, это не совсем так, потому что в
результате кроссинговера образуются рекомби-
нантные хромосомы — особые хромосомы, ко-
торые содержат гены (ДНК), полученные от двух
разных родителей (рис. 13.12). В среднем у челове-
ка в процессе мейоза происходит от одного до
трех событий кроссинговера на пару хромосом
в зависимости от их размера и положения цен-
тромер.
Как вы поняли из рис. 13.9, результатом крос-
синговера являются хромосомы с новыми ком-
бинациями материнских и отцовских аллелей.
В метафазе II хромосомы, содержащие одну или
более рекомбинантные хроматиды, могут быть
ориентированы двумя альтернативными неэкви-
валентными способами по отношению к дру-
гим хромосомам, так как их сестринские хрома-
тиды больше не идентичны (рис. 13.12). Различные
возможные варианты распределения неодинако-
вых сестринских хроматид в мейозе II приводят к
дальнейшему увеличению числа генетических ти-
пов дочерних клеток, которые могут появляться в
результате мейоза.
Вы узнаете больше о кроссинговере в гла-
ве 15. Сейчас же для нас важно, что за счет ком-
бинирования ДНК, которая наследуется от обо-
их родителей и соединяется в одной хромосоме,
кроссинговер является важным источником на-
следственной изменчивости в циклах полового
размножения.
Случайное оплодотворение
Случайный характер оплодотворения усилива-
ет наследственную изменчивость, возникающую в
ходе мейоза. Если говорить о человеке, то каждая
гамета мужчины или женщины представляет со-
бой одну из примерно 8,4 миллиона (223) возмож-
ных комбинаций хромосом, возникающих в ре-
зультате их независимого расхождения. Слияние
мужской и женской гамет при оплодотворении
дает начало зиготе с любой из примерно 70 трил-
лионов (223 х 223) диплоидных комбинаций. Если
мы учтем разнообразие, связанное с кроссинго-
вером, то число вариантов станет действительно
астрономическим. Возможно, это прозвучит ба-
нально, но вы действительно уникальны.
Вариант 1
Метафаза II
Два равновероятных
расположения хромосом
в метафазе I
Вариант 2
II
и
Рис. 13.11. Независимое расхождение
гомологичных хромосом в мейозе
Дочерние
клетки
v v/ к v/
Сочетание 3 Сочетание 4
ГЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом 355
эволюция
Эволюционное значение
наследственной изменчивости
в популяциях
Теперь, когда вы узнали, как возни-
кают новые комбинации генов у потомства в раз-
множающейся половым путем популяции, да-
вайте посмотрим, каким образом наследственная
изменчивость в популяции связана с эволюцией.
Дарвин обнаружил, что популяция эволюциони-
рует из-за различной репродуктивной эффектив-
ности особей. В среднем те особи, которые луч-
ше всего приспособлены к конкретным условиям
окружающей среды, оставляют наибольшее ко-
личество потомков, тем самым распространяя
свои гены. Таким образом, естественный отбор
приводит к накоплению генетических вариантов,
В профазе I проис-
ходят синапсис
и кроссинговер;
Во время синапсиса
несестринские
хроматиды связаны
между собой
Профаза I
мейоза
Пара
гомологов
затем гомологи
немного расходятся.
Хиазмы и когезия
между сестринскими
хроматидами свя-
зывают гомологи
друг с другом, и они
движутся к метафаз-
ной пластинке.
ТРАНСМИССИОННАЯ ЭЛЕК
ТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ
Анафаза I
Разрушение комплек-
сов белков, связыва-
ющих плечи сестрин-
ских хроматид, по-
зволяет разойтись
гомологам с реком-
бинантными
Д Л С (| хроматидами.
Анафаза II К >
Дочер-
ние
клетки
Рекомбинантные
хромосомы
Рис. 13.12. Результаты кроссинговера, происходящего во вре-
мя мейоза
благоприятных в данных условиях окружающей
среды. При изменении этих условий популяция
может выжить, только если в каждом поколении
по крайней мере некоторые из составляющих ее
особей могут эффективно справляться с новыми
условиями. Мутации являются исходным источ-
ником различных аллелей, которые затем переме-
шиваются и сочетаются во время мейоза. Новые
и различные комбинации аллелей могут соответ-
ствовать условиям лучше тех, которые преоблада-
ли ранее.
В стабильных условиях окружающей среды,
однако, половое размножение оказывается менее
выгодным, чем бесполое размножение, посколь-
ку последнее обеспечивает сохранение успешных
комбинаций аллелей. Кроме того, для полово-
го размножения требуются значительно больше
энергии, чем для бесполого. Несмотря на эти оче-
видные недостатки, половое размножение явля-
ется почти универсальным среди животных. По-
чему же так происходит?
Способность полового размножения обе-
спечивать наследственную изменчивость — это
наиболее частое объяснение сохранения этого
процесса в ходе эволюции. Рассмотрим редкий
случай коловратки класса Bdelloidea (рис. 13.13). Эта
группа организмов, по-видимому, не использова-
ла половое размножение последние 40 миллио-
нов лет своей эволюционной истории. Означает
ли это, что наследственная изменчивость являет-
ся невыгодной для этого вида? Оказывается, ко-
ловратки класса Bdelloidea являются исключени-
ем, которое лишь подтверждает правило: вместо
полового размножения эта группа имеет иные ме-
ханизмы для создания наследственной изменчи-
вости. Например, коловратки живут в условиях
длительной засухи, в течение которой они могут
существовать в состоянии анабиоза. В этом со-
стоянии их клеточные мембраны могут локаль-
но разрушаться, что позволяет входить в клетку
молекулам ДНК других коловраток и даже других
видов. Существуют доказательства, что эта ДНК
может встраиваться в геном коловратки, в резуль-
тате чего усиливается наследственная изменчи-
вость. Данное явление подтверждает идею о том,
что наследственная изменчивость является эво-
люционно выгодным процессом, и что половое
размножение сохраняется как источник такой из-
менчивости.
356 ГЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом
Рис. 13.13. Коловратка класса Bdelloidea — живот-
ное, размножающееся только бесполым путем
В этой главе мы рассмотрели, насколько силь-
но половое размножение увеличивает наслед-
ственную изменчивость в популяции. Хотя
Дарвин и понял, что именно наследственная из-
менчивость делает возможной эволюцию, он не
мог объяснить, почему потомки получаются по-
хожими на своих родителей (но не идентичными
им). Любопытно, что Грегор Мендель, современ-
ник Дарвина, опубликовал теорию наследственно-
сти, которая объясняет наследственную изменчи-
вость; однако его открытия не имели влияния на
биологию вплоть до 1900 гг., когда прошло более
15 лет после смерти Дарвина (1809-1882) и Менде-
ля (1822-1884). В следующей главе вы узнаете, как
Мендель открыл основные правила наследования
определенных признаков.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 13.4
Что является источником разнообразия между различными
аллелями гена?
Диплоидный набор плодовой мушки равен 8. а диплоид-
ный набор кузнечика равен 46. У кого должна быть выше
наследственная изменчивость от определенной пары ро-
дителей, наблюдаемая среди потомства в отсутствие крос-
синговера: у плодовых мушек или у кузнечиков? Объясните.
Будет ли кроссинговер приводить к на-
следственной изменчивости, если материнская и отцовская
хроматиды имеют одинаковые аллели каждого из генов?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
ИЗ Обзор главы
13.1. ПОТОМКИ ПОЛУЧАЮТ ГЕНЫ ОТ РОДИТЕЛЕЙ
ПУТЕМ НАСЛЕДОВАНИЯ ХРОМОСОМ
• Каждый ген ДНК организма находится в отдельном
локусе определенной хромосомы.
• При бесполом размножении одна родительская
особь производит генетически идентичное потом-
ство путем митоза. При половом размножении
происходит комбинирование генов двух родителей,
что приводит к наследственной изменчивости в по-
томстве.
| Объясните, почему у человека потомки похожи на
своих родителей, но не идентичны им.
13.2. ОПЛОДОТВОРЕНИЕ И МЕЙОЗ ЧЕРЕДУЮТСЯ В
ЦИКЛАХ ПОЛОВОГО РАЗМНОЖЕНИЯ
• Нормальные соматические клетки человека яв-
ляются диплоидными. В них содержится 46 хро-
мосом — два набора по 23 хромосомы, по одному
от каждого родителя. В человеческих диплоидных
клетках содержится 22 пары гомологичных аутосом
и 1 пара половых хромосом-, последние определяют
женский (XX) или мужской (XY) пол человека.
• В яичниках и семенниках человека образуются га-
плоидные гаметы путем мейоза-, каждая из га-
мет содержит один набор из 23 хромосом (и = 23).
В процессе оплодотворения происходит объедине-
ние яйцеклетки и сперматозоида, в результате чего
образуется диплоидная одноклеточная зигота, из
которой в процессе митоза развивается многокле-
точный организм.
• Циклы полового размножения отличаются по вре-
мени мейоза и оплодотворения и по точке(ам) цик-
ла, в которую(ые) путем митоза формируется мно-
гоклеточный организм.
| Сравните жизненные циклы животных и расте-
ний, указав их сходства и различия.
13.3. МЕЙОЗ УМЕНЬШАЕТ ЧИСЛО
НАБОРОВ ХРОМОСОМ С ДИПЛОИДНОГО
ДО ГАПЛОИДНОГО
• Два клеточных деления мейоза, мейоз I и мей-
оз II, приводят к образованию четырех гаплоид-
ных дочерних клеток. Число наборов хромосом в
них уменьшается с двух (диплоидного) до одного
Г ЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом 357
(гаплоидного) во время мейоза I — редукционного
деления.
• Мейоз отличается от митоза тремя событиями,
происходящими в мейозе I.
Профаза I: в каждой паре гомологичных хро-
мосом происходят синапсис и кроссинговер
между несестринскими хроматидами с по-
следующим образованием хиазм.
Метафаза I: пары гомологичных хромосом
выстраиваются на экваторе, образуя
метафазную пластинку.
Анафаза I: гомологичные хромосомы расхо-
дятся, а сестринские хроматиды остаются
связанными в области центромеры.
• В процессе мейоза II происходит расхождение се-
стринских хроматид.
• Когезия сестринских хроматид и кроссинговер за
счет хиазм удерживают гомологичные хромосо-
мы вместе до анафазы I. Когезины расщепляются в
области плеч в анафазе I, что позволяет разойтись
гомологичным хромосомам; расщепление в обла-
сти центромер в анафазе II позволяет разойтись се-
стринским хроматидам.
D В профазе I для пары гомологичных хромосом харак-
терны синапсис и кроссинговер. Могут ли эти процессы
происходить во время профазы II? Объясните.
13.4. НАСЛЕДСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ,
ВОЗНИКАЮЩАЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ПОЛОВОГО
РАЗМНОЖЕНИЯ, СПОСОБСТВУЕТ ЭВОЛЮЦИИ
• В процессе полового размножения три события
приводят к наследственной изменчивости в популя-
ции: независимое распределение хромосом в мейозе
I, кроссинговер в мейозе I и случайное оплодотворе-
ние яйцеклетки сперматозоидом. В процессе крос-
синговера ДНК несестринских хроматид в гомоло-
гичной паре разрывается и вновь соединяется.
• Наследственная изменчивость является первичным
материалом для эволюции в ходе естественного от-
бора. Мутации являются исходным источником
разнообразия; рекомбинация вариантов генов ве-
дет к возникновению дополнительной наследствен-
ной изменчивости.
| Объясните, как три уникальных для мейоза процес-
са приводят к возникновению большей наследственной
изменчивости.
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Клетка человека, содержащая 22 аутосомы и одну
Y-хромосому:
а) сперматозоид
б) яйцеклетка
в) зигота
2. Гомологичные хромосомы в делящейся клетке дви-
жутся к противоположным полюсам во время:
а) митоза в) мейоза II
б) мейоза I г) оплодотворения
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
3. Мейоз II аналогичен митозу в том, что:
а) сестринские хроматиды расходятся во время ана-
фазы
6) репликация ДНК происходит перед делением
в) дочерние клетки диплоидны
г) происходит синапсис гомологичных хромосом
4. Если содержание ДНК в диплоидной клетке в
Gj-фазе обозначить как х, то содержание ДНК в той
же клетке во время метафазы I будет равно:
а) 0,25х в) х
б) 0,5х г) 2х
5. Продолжим рассматривать клетку из вопроса 4; со-
держание ДНК в одной такой клетке во время мета-
фазы II составит:
а) 0,25х в) .V
6) 0,5х г) 2х
6. facial На диаграмме представлена клетка во
время мейоза. а) Отметьте структуры в соответ-
ствии со следующими терминами, используя линии
или обозначения в скобках: хромосома (указать,
удвоенная или неудвоенная), центромера, кинето-
хор, сестринские хроматиды, несестринские хро-
матиды, пара гомологичных хромосом, хиазма, ко-
гезия сестринских хроматид, аллели (для генов F
и Н). 6) Опишите состав гаплоидного и диплоид-
ного наборов, в) Определите изображенную стадию
ИЗОБРАЗИ!
358 Г ЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
7. Как вы можете объяснить, что клетка в вопросе 6
делится мейозом, а не митозом?
8. Многие виды могут раз-
множаться либо бесполым, либо половым путем.
Какое эволюционное значение может иметь пере-
ход с бесполого к половому размножению, что слу-
чается у некоторых организмов при наступлении
неблагоприятных условий среды?
9. Диаграмма в вопросе 6
представляет только некоторые из хромосом в мей-
отической клетке некоторого человека. Предыду-
щее исследование показало, что ген веснушек нахо-
дится в локусе, отмеченном символом F, а ген цвета
волос находится в локусе, отмеченном Н; оба гена
находятся в длинной хромосоме. Человек, от кото-
рого была получена данная клетка, унаследовал раз-
личные аллели каждого гена (веснушки и темные
волосы — от одного родителя, отсутствие веснушек
и светлые волосы — от другого). Предскажите ком-
бинации аллелей в гаметах, возникающих в данном
мейотическом событии. (При выполнении задания
будет полезным нарисовать остальные стадии мей-
оза, обозначая аллели.) Приведите другие возмож-
ные комбинации данных аллелей в гаметах этого
человека.
10. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ИНФОРМАЦИЯ”
Непрерывность жизни основывается на наслед-
ственной информации, заключенной в ДНК. В ко-
ротком эссе (100 -150 слов) объясните, как поведе-
ние хромосом в процессе полового размножения
животных обеспечивает сохранение родительских
признаков у потомства и в то же время обеспечива-
ет наследственную изменчивость среди потомков.
«ОБОБЩИ СВОИ ЗНАНИЯ
Банан Кавендиш является наиболее популярным
фруктом в мире, однако в настоящее время он на-
ходится под угрозой исчезновения из-за паразити-
ческого гриба (см. фото выше). Это “триплоидный”
сорт банана (Зи, с тремя наборами хромосом), по-
этому он может размножаться только путем клони-
рования садоводами. Учитывая то, что вы знаете о
мейозе, объясните, как триплоидный набор банана
определяет отсутствие в нем семян. Принимая во
внимание наследственную изменчивость, обсудите,
как отсутствие полового размножения может спо-
собствовать повышенной чувствительности этого
одомашненного вида к инфекционным агентам.
Ответы см. в Приложении А.
ГЛАВА 13 Потомки получают гены от родителей путем наследования хромосом 359
14 Л. Мендель использовал научный
подход, чтобы выявить два
закона наследования
14.2. Законами Менделя управляет
теория вероятностей
14.3. Принципы наследования
часто оказываются сложнее
тех, которые предсказывает
генетика Менделя
14.4. Многие признаки у человека
наследуются согласно законам
Менделя
Рис. 14.1. Какие принципы наследования открыл
Грегор Мендель, скрещивая растения гороха?
Гены вытягивают из колоды
Толпа на футбольном матче иллюстрирует удивительное
многообразие человечества. Карие, голубые или серые
глаза, черные, коричневые или светлые волосы — вот все-
го лишь несколько примеров наследственной изменчиво-
сти, которые мы можем наблюдать. Какие принципы ле-
жат в основе передачи таких признаков от родителей к
потомству?
В 1800-х годах наиболее популярным объяснением на-
следственности была гипотеза смешивания — представ-
ление, согласно которому генетический материал от двух
родителей смешивается так же, как синяя и желтая кра-
ски, образуя зеленую. Однако эта гипотеза предсказывала,
что по истечении многих поколений популяция свобод-
но скрещивающихся особей приходит к тому, что все
представители становятся схожи, чего мы не наблю-
даем. Гипотеза “смешанного наследования” также не
объясняла повторное появление признаков через по-
коления.
Альтернативой модели “смешанного наследования”
явилась гипотеза “корпускулярного наследования”:
◄ Мендель (третий справа, держит в руке веточку
фуксии) среди монахов
идея о гене. Согласно этой модели родители пере-
дают потомкам дискретные единицы наследствен-
ной информации — гены, сохраняющие индиви-
дуальные особенности в потомстве. Набор генов
организма больше похож на колоду карт, чем на
ведро с краской. Подобно игральным картам, гены
могут быть перетасованы; они передаются из по-
коления в поколение в неизменном виде.
Современная генетика берет свое начало в
монастырском саду, где монах по имени Грегор
Мендель описал корпускулярный механизм на-
следования на примере растения гороха (рис. 14.1).
Ученый разработал свою теорию наследования за
несколько десятилетий до того, как хромосомы
впервые наблюдали под микроскопом и стал по-
нятен биологический смысл их поведения.
В этой главе мы заглянем в сад Менделя, что-
бы воссоздать его опыты и объяснить, как он при-
шел к теории наследования. Мы также изучим бо-
лее сложные схемы наследования, чем те, которые
наблюдал Мендель на примере садового гороха.
Наконец, мы увидим, как модель Менделя приме-
нима к наследованию признаков у людей — в том
числе наследственных заболеваний, таких как
серповидноклеточная анемия.
14.1. Мендель использовал
научный подход, чтобы выявить
два закона наследования
Мендель открыл основные принципы наслед-
ственности путем селекции садового гороха в
тщательно спланированных опытах. Мы просле-
дим ход развития его работы, и вы узнаете основ-
ные составляющие научного подхода, которые
были представлены в главе 1.
Экспериментальный и количественный
подход Менделя
Мендель вырос на небольшой ферме своих ро-
дителей в области Австрии, которая сейчас вхо-
дит в состав Чешской республики. В этом сельско-
хозяйственном регионе Мендель и другие дети в
школе вместе с базовым образованием получали
и сельскохозяйственное. В юности Мендель, прео-
долевая финансовые трудности и болезни, добил-
ся успеха в средней школе, а затем и в философ-
ском институте г. Олмутц.
В 1843 году в возрасте 21 года Мендель посту-
пил в монастырь Августинцев. В те времена это яв-
лялось разумным выбором для тех, кто ценил на-
учное познание. Он рассчитывал стать учителем,
но не прошел необходимые экзамены. В 1851 году
он покинул монастырь, чтобы пройти двухгодич-
ный курс по физике и химии в Венском универ-
ситете. Это были очень важные годы для развития
Менделя как ученого, благодаря значительному
влиянию двух профессоров. Одним из них был фи-
зик Христиан Доплер, который призывал своих
учеников изучать науки посредством опытов и на-
учил Менделя использовать математику при объ-
яснении природных явлений. Другим был ботаник
по имени Франц Унгер, который вдохновил Менде-
ля исследовать причины изменчивости признаков
у растений.
После учебы в университете Мендель вернул-
ся в монастырь и был назначен преподавателем в
местной школе, в которой несколько других пре-
подавателей были также воодушевлены научным
методом исследований. Кроме того, монахи раз-
деляли его давнее увлечение селекцией растений.
Примерно в 1857 году Мендель занялся разведе-
нием садового гороха в саду аббатства с целью из-
учения наследования. Хотя вопрос о наследствен-
ности уже давно находился в центре внимания в
монастыре, свежий подход Менделя позволил ему
вывести принципы, которые оставались неясны-
ми для других.
Одной из причин, по которой Мендель вы-
брал для работы горох, является то, что у данного
растения существует множество сортов. Напри-
мер, один из сортов имеет фиолетовые цветки, в
то время как другой сорт имеет белые цветки. На-
следственная особенность, которая изменяется
между особями, такая, как цвет лепестков цветка,
называется признаком. Каждый вариант призна-
ка, такой как фиолетовый или белый цвет лепест-
ков, называется характерной чертой.
Другим преимуществом использования горо-
ха является короткая продолжительность жизни
поколения этого растения и большое количество
потомков при каждом скрещивании. Кроме того,
Мендель мог строго контролировать спаривание
между растениями (рис. 14.2). Каждый цветок горо-
ха имеет как производящие пыльцу органы (ты-
чинки), так и орган, производящий яйцеклетки
(пестик). В природе растения гороха, как прави-
ло, являются самоопыляющимися: пыльцевые зер-
на с тычинок попадают на пестик того же цветка, и
сперматозоиды, высвобождаемые из пыльцевых зе-
рен, оплодотворяют яйцеклетки, присутствующие
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 361
в плодолистике.1 Для достижения перекрестного
опыления двух растений, Мендель удалял незре-
лые тычинки растения, прежде чем они начинали
производить пыльцу, а затем посыпал эти цветки
пыльцой с других растений (см. рис. 14.2). Затем ка-
ждая полученная зигота развивалась в эмбрион
растения, заключенный в семени (горошина). Та-
ким образом, Мендель всегда мог быть уверенным
в происхождении новых семян.
Мендель выбрал для отслеживания только те
признаки, которые проявлялись в двух разных,
альтернативных формах, таких как фиолетовый
или белый цвет лепестков. Перед началом опытов
он также удостоверился, что выбрал для них сорта,
в которых на протяжении многих поколений са-
моопыление приводило к растению того же сорта,
что и исходное материнское растение. Такие расте-
ния называют чистой линией. Например, растение
с фиолетовыми цветками является чистой лини-
ей, если из всех семян, полученных при самоопы-
лении, в последующих поколениях выросли рас-
тения, которые также имеют фиолетовые цветки.
В типичном опыте по скрещиванию Мендель
перекрестно опылял два сорта гороха чистой ли-
нии с контрастными признаками, например, рас-
тения с фиолетовыми цветками и растения с бе-
лыми цветками (см. рис. 14.2). Это скрещивание двух
чистых линий называется гибридизацией. Роди-
тельские растения чистой линии называют поко-
лением Р (от англ, parental — “родительский”), а
их гибридное потомство называется поколени-
ем (первое поколение потомков, от латинского
слова filius — “сын”). При самоопылении гибри-
дов Fj (или при перекрестном опылении другими
гибридами Fj) возникают гибриды Fy (второе по-
коление потомков). Обычно Мендель исследовал
признаки на протяжении по крайней мере трех
поколений: Р, F, и F,. Если бы Мендель прекратил
свои опыты на поколении гибридов Fp основные
закономерности наследования ускользнули бы от
него. Количественный анализ, проведенный Мен-
делем на растениях F, в тысячах опытов по гибри-
дизации, позволил ему вывести два фундамен-
тальных принципа наследственности, которые
1 Из рис. 13.6, б, вы узнали, что мейоз в растениях приво-
дит к образованию спор, а не гамет. В цветковых растениях,
таких как горох, каждая спора развивается в микроскопи-
ческий гаплоидный гаметофит, состоящий из небольшого
количества клеток и расположенный в родительском рас-
тении. Гаметофит производит сперматозоиды в пыльцевом
зерне и яйцеклетки в плодолистике. Для простоты мы не бу-
дем включать стадию гаметофита в наше обсуждение скре-
щивания растений. — Примеч. ред.
▼ Рис. 14.2.
Метод исследований
Скрещивание растений гороха
Применение на практике. Благодаря скрещиванию (спарива-
нию) двух "чистых линий" организмов ученые могут изучать зако-
номерности наследования. В данном примере Мендель скрещи-
вал растения гороха, различавшиеся по цвету лепестков цветков.
Описание методики.
О Посадка
семян
из стручка
Результаты. При переносе пыльцы белого цветка на фиолетовый
цветок все гибриды первого поколения имели фиолетовые цвет-
ки. Результат оставался таким же и для реципрокного скрещива-
ния, те. переноса пыльцы фиолетовых цветков на белые цветки.
называют законами расщепления и независимого
наследования признаков.2
2 В русскоязычной литературе принято выделять три за-
кона Менделя.
1.3дкон единообразия гибридов первого поколения при скре-
щивании двух чистых линий, отличающихся друг от друга
по одной паре альтернативных проявлений признака.
2. Закон расщепления признаков при скрещивании двух гете-
розиготных потомков F( между собой в отношении 3:1 по
фенотипу и 1:2:1 по генотипу.
3. Закон независимого наследования признаков.
По сути, первые два из них являются следствиями закона
расщепления (генов), который в русскоязычной литературе
называется законом чистоты гамет. — Примеч. ред.
362 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
Закон расщепления
Если бы модель “смешанного наследования”
была верной, гибриды F( растений гороха от скре-
щивания растений с фиолетовыми цветами и рас-
тений с белыми цветами имели бы бледно-фи-
олетовые цветки, т.е. признак, промежуточный
относительно окраски цветов в поколении роди-
телей. Обратите внимание, что представленный
на рис. 14.2 результат опыта отличается от данного
предположения: все гибриды Ft имеют цветки та-
кого же фиолетового цвета, как фиолетовые цвет-
ки в поколении родителей.3
Что произошло с генетическим вкладом расте-
ний с белыми цветками в гибриды FJ Если этот
вклад был потерян, то растения поколения F мог-
ли бы дать в потомстве (F,) только растения с
фиолетовыми цветками. Однако когда Мендель
позволил растениям F, самоопыляться и посадил
их семена, растения с белыми цветками появи-
лись вновь в поколении F . Мендель использовал
очень большие размеры выборок и вел точный
учет своих результатов: 705 растений F, имело фи-
олетовые, а 224 — белые цветки. Эти данные соот-
ветствуют соотношению примерно трех фиолето-
вых к одному белому цветку (рис. 14.3).4
Мендель рассудил, что наследственный фак-
тор растений с белыми цветками не исчез в расте-
ниях Fp но был каким-то образом скрыт или зама-
скирован, пока присутствовал фактор растений с
фиолетовыми цветками. В терминологии Менде-
ля лепестки фиолетового цветка являются доми-
нантным признаком, а лепестки белого цветка —
рецессивным признаком. Повторное появление
растений с белыми цветками в поколении F, яви-
лось доказательством того, что хотя в гибридах F]
есть фактор фиолетовых цветков, фактор белых
цветков не был разбавлен или уничтожен, а был
замаскирован.
Мендель наблюдал ту же схему наследования
шести других характерных черт, каждая из ко-
торых представлена двумя совершенно разными
признаками (табл. 14.1).
Например, когда Мендель скрещивал растения
чистой линии, производящие гладкие, круглые
семена гороха, с растениями чистой линии, про-
3 Именно этот феномен носит в русскоязычной литерату-
ре название закона единообразия гибридов первого поко-
ления, или первого закона Менделя. — Примеч. ред.
4 Это наблюдение лежит в основе закона расщепления
признаков, или второго закона Менделя, в русскоязычной
литературе. — Примеч. ред.
▼ Рис. 14.3.
Изыскание
Какие признаки проявляются у гибридов F2
при самоопылении и при перекрестном опылении
гибридов F,?
Эксперимент. Мендель скрещивал растения "чистой линии"
с фиолетовыми и белыми цветками (скрещивание обознача-
ют х). Получавшиеся в результате гибриды либо самоопыля-
лись, либо опылялись перекрестно другими гибридами Fr За-
тем поколение растений F2 изучали на предмет цвета цветков.
Поколение Р
(родительские
растения
"чистой линии")
Фиолетовые Белые
цветки цветки
Поколение F1
(гибриды)
Все растения имеют фиолетовые цветки
Самоопыление
или перекрестное опыление
Поколение F2
705 растений
с фиолетовыми
цветками
224 растения
с белыми
цветками
Результаты. В поколении F2 наблюдались растения как с фиоле-
товыми, так и с белыми цветками, в соотношении примерно 3:1.
Выводы. "Наследственный фактор" для рецессивной черты
(белые цветки) не уничтожается и не "смешивается" в поколе-
нии Fv но просто маскируется присутствием фактора для фио-
летовых цветков — доминантной черты.
Источник: G. Mendel, Experiments in plant hybridization,
Proceedings of the Natural History Society of Brunn 4:3-47 (1866).
Если вы скрестили два растения с фиолето-
выми цветками из поколения Р, какое соотношение можно ожи-
дать в потомках? Объясните.
А ЧТО, ЕСЛИ?
изводящие морщинистые семена, все гибриды F
производили круглые семена; это доминирующий
признак для формы семян. В поколении F, при-
мерно 75% семян были круглыми и 25% — мор-
щинистыми, в соотношении 3:1, как на рис. 14.3.
Теперь давайте посмотрим, как Мендель вывел за-
кон расщепления аллелей на основе результатов
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 363
Таблица 14.1. Результаты скрещиваний Менделя для семи
признаков растений горох
Признак Доми- Рецессивное Поколение F2, Соот-
нантное состояние доминантные: ноше-
состояние х рецессивные ние
Окраска Фиоле- х Белый 705:224 3.15:1
Цвет Желтый х Зеленый 6,022:2,001 3.01:1
Форма Круглая х Морщинистая 5,474:1,850 2.96:1
семян
882:299 2.95:1
Форма Гладкая х С перетяжками
Цвет Зеленый х Желтый
428:152 2.82:1
стручка
787:277 2.84:1
Длина
стебля
Карликовый
своих опытов. В последующем обсуждении мы
будем использовать современные термины вместо
некоторых терминов, которые употреблял Мен-
дель (например, вместо “наследственный фактор”
Менделя мы будем использовать слово “ген”).
Модель Менделя
Мендель разработал модель, которая объясня-
ла, почему в его опытах с горохом он воспроизво-
димо наблюдал расщепление 3:1 среди поколения
гибридов F,. Мы опишем четыре взаимосвязан-
ных положения, составляющих эту модель; чет-
вертое положение и является законом расщепле-
ния (законом чистоты гамет).
Первое — наличие альтернативных версий
генов является причиной изменчивости в насле-
дуемых характерных чертах. Например, ген,
определяющий цвет лепестков растения горо-
ха, существует в двух вариантах: один определя-
ет фиолетовый цвет лепестков, а другой — белый
цвет. Эти альтернативные версии гена называют-
ся аллелями. В наши дни мы можем связать эту
концепцию с хромосомами и ДНК. Как показа-
но на рис. 14.4, каждый ген представляет собой
последовательность нуклеотидов, расположен-
ную в определенном месте генома, или локусе,
на определенной хромосоме. Однако нуклеотид-
ная последовательность ДНК в этом локусе может
немного изменяться. Это изменение информаци-
онного содержания может повлиять на функцию
кодируемого белка и, таким образом, на фенотип
организма. Аллели, определяющие фиолетовый и
белый цвет, являются двумя вариантами последо-
вательности ДНК в локусе на одной из хромосом
гороха; с одной из последовательностей фиолето-
вый пигмент синтезируется, а с другой — нет.
Второе — для каждой характерной черты ор-
ганизм наследует две копии гена (т.е. два аллеля),
по одной от каждого родителя. Примечательно,
что Мендель сделал этот вывод, не зная не толь-
ко о роли хромосом в этом процессе, но даже об
их существовании. Каждая соматическая клетка
диплоидного организма имеет два набора хромо-
сом, по одному набору, унаследованному от каж-
дого из родителей (см. главу 13, раздел 13.2). Та-
ким образом, генетический локус на самом деле
представлен дважды в диплоидной клетке, по од-
ному разу на каждом из гомологов определенной
пары хромосом. Два аллеля в определенном локу-
се могут быть одинаковыми, как у растений чи-
стой линии поколения Р Менделя. Или аллели мо-
гут быть разными, как у Ft-гибридов (см. рис. 14.4).
Третье — если два аллеля в локусе различают-
ся, то один из них, доминантный аллель, опреде-
ляет внешний вид организма; другой, рецессивный
аллель, не оказывает заметного влияния на внеш-
ний вид организма. Соответственно, растения F( в
опытах Менделя имели фиолетовые цветки, пото-
му что аллель этого признака является доминант-
ным, а аллель, определяющий белый цвет, являет-
ся рецессивным.
Четвертое и последнее положение модели
Менделя — закон расщепления генов,5 утвержда-
ет, что оба аллеля наследуемой характерной чер-
5 Он же — закон чистоты гамет. — Примеч. пер.
364 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
Аллель фиолетовых ДНК с последовательностью
цветков v нуклеотидов CTAAATCGGT
Фермент
Это последовательность
ДНК посредством ряда
процессов определяет синтез
фермента, который участвует
в образовании фиолетового
пигмента.
____________
Локус гена, контролирующего
Пара
> гомологичных
Один аллель
фиолетовых цветков
обеспечивает
синтез достаточного
количества пигмента.
Рис. 14.4. Аллели — альтернативные версии гена. На рисунке показана пара гомологичных хромосом в гибриде F1 растения горо-
ха и последовательность ДНК в каждом из локусов окраски цветков. Хромосома, унаследованная от отца (синяя), несет аллель фи-
олетовых цветков, который кодирует белок, косвенно регулирующий синтез фиолетового пигмента. Хромосома, унаследованная от
матери (красная), несет аллель белых цветков, который не кодирует фермент для синтеза пигмента
ты разделяются в процессе формирования гамет
и оказываются в конечном итоге в разных гаме-
тах. Таким образом, в результате формирования
гамета яйцеклетки или сперматозоида получает
только один из двух аллелей, присутствующих в
соматических клетках организма. С точки зрения
хромосом это разделение соответствует распре-
делению двух гомологичных парных хроматид в
различные гаметы в процессе мейоза (рис. 13.7). За-
метим, если организм имеет одинаковые аллели
для данной характерной черты, т.е. организм яв-
ляется чистой линией в отношении этой черты, то
во всех гаметах присутствуют одинаковые алле-
ли. Если же, как в случае гибридов F1, в организме
есть разные аллели, то 50% гамет получат доми-
нантный аллель, а 50% -рецессивный аллель.
Является ли соотношение 3:1, которое Мен-
дель наблюдал в своих многочисленных скрещи-
ваниях в гибридах поколения F2, проявлением за-
кона расщепления? Для признака цвета лепестков
модель предсказывает, что два различных аллеля,
присутствующие в гибриде Fp будут разделяться
в гаметах таким образом, что половина гамет бу-
дет иметь аллель фиолетового цвета лепестков, а
другая половина будет иметь аллель белого цвета
лепестков. Во время самоопыления гаметы каж-
дого класса объединяются в случайном порядке.
Яйцеклетка с аллелем цветков фиолетового цвета
имеет равный шанс быть оплодотворенной спер-
матозоидом с аллелем цветков фиолетового цве-
та или аллелем цветков белого цвета. Это также
верно и для яйцеклетки с аллелем цветков белого
цвета. Всего существует четыре одинаково веро-
ятных комбинации сперматозоида и яйцеклетки.
Рис. 14.5 иллюстрирует эти комбинации с помощью
решетки Пеннета, удобной схемы для прогнози-
рования состава аллелей в потомстве от скрещи-
вания особей известного генетического состава.
Обратите внимание, что мы используем заглав-
ную букву для обозначения доминантного аллеля
и строчную — для рецессивного.
В нашем примере Р является аллелем фиолето-
вого цветка, ар — аллелем белого цветка; также
часто бывает удобно представлять ген как комби-
нацию Р/р аллелей.
Какого цвета будут цветки в гибридах поколе-
ния F2? Каждое четвертое растение унаследовало
два аллеля фиолетовых лепестков; очевидно, эти
растения будут иметь фиолетовые цветки. Поло-
вина из F,-гибридов унаследовали один аллель
фиолетовых лепестков и один аллель белых ле-
пестков; эти растения будут также иметь фиоле-
товые цветки, доминантный признак. Наконец,
четвертая часть Р2-гибридов унаследовала два ал-
леля белых лепестков и будет представлять рецес-
сивный признак. Таким образом, соотношение
признаков 3:1, которое Мендель наблюдал в поко-
лении F,, является выражением его модели.
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 365
Генетический словарь полезных терминов
Организм, имеющий пару идентичных алле-
лей одного признака, называется гомозиготным
по гену, ответственному за появление этого при-
знака. В поколении родителей на рис. 14.5 расте-
ние гороха с фиолетовыми цветками является го-
мозиготным по доминантному аллелю (РР), в то
время как растение с белыми цветками являет-
ся гомозиготным по рецессивному аллелю (рр).
Гомозиготные растения являются “чистой лини-
ей” потому что все их гаметы содержат один и
тот же аллель — в данном примере Р или р. Если
мы скрещиваем гомозиготное доминантное рас-
тение с гомозиготным рецессивным растением,
каждый потомок будет иметь два различных ал-
леля — Рр в случае гибридов F( в опыте с цвет-
ками гороха (рис. 14.5). Организм, который имеет
два различных аллеля для гена называется ге-
терозиготным по этому гену. В отличие от го-
мозиготных растений, гетерозиготные растения
производят гаметы с различными аллелями, по-
этому они не являются “чистой линией”. Напри-
мер, наши гибриды F( производят Р- и р-гаметы.
Самоопыление гибридов Fp таким образом, при-
водит к получению потомков с фиолетовыми или
белыми цветками.
Из-за различных эффектов доминантных и
рецессивных аллелей, характерные черты орга-
низма не всегда обнаруживают его генетический
состав. Таким образом, мы различаем внешний
вид организма или наблюдаемые признаки, ко-
торые называют фенотипом организма, и его ге-
нетический состав, или генотип. В случае цвета
лепестков цветка растения гороха растения РР и
Рр имеют один и тот же фенотип (фиолетовые ле-
пестки), но различные генотипы. На рис. 14.6 при-
веден пример использования данных терминов.
Обратите внимание, что “фенотип” относится не
только к признакам, непосредственно представ-
ляющим внешний вид, но и к физиологическим
Родительское
поколение (Р)
Внешний вид:
Генотип:
Гаметы:
Первое гибридное
поколение (Fp
Внешний вид:
Генотип:
Гаметы:
Фиолетовые цветки
Рр
Поколение (F2)
Сперматозоиды
от растения Г1 (Рр)
Яйцеклетки
от растения
F/Pp)
Каждое из растений родительских чистых
линий имеет два идентичных аллеля,
которые обозначаются РР или рр.
Гаметы (кружки) содержат только по
одному аллелю гена окраски цветков.
В данном случае все гаметы, производимые
каждым из родителей, несут один и тот же
аллель.
Слияние родительских гамет приводит
к появлению гибридов F1( генотип которых
содержит сочетание аллелей Рр.
Так как аллель фиолетовых цветков доминан-
тный, все эти гибридные растения имеют
фиолетовые цветки.
Когда гибридные растения производят
гаметы, два аллеля расходятся.
Половина гамет получает аллель Р,
вторая половина — аллель р.
Решетка Пеннепа отражает все возможные
комбинации аллелей у потомков, которые
получаются от скрещивания F1 х Г1 (Рр х Рр).
В каждой клетке таблицы записан один из
равновероятных результатов оплодотворения.
Например, нижняя левая клетка содержит
комбинацию, полученную в результате
оплодотворения яйцеклетки 'р) спермато-
зоидом (р).
Случайное сочетание гамет приводит
к соотношению 3:1, которое Мендель
наблюдал в поколении F2.
Рис. 14.5. Менделевский за-
кон расщепления. Данная ди-
аграмма отражает генетиче-
скую структуру поколений F1
и Г2, показанных на рис. 14.3,
Она иллюстрирует менделев-
скую модель наследования
аллелей одного гена. Каждое
растение содержит два алле-
ля, контролирующих цвет цвет-
ков — по одному аллелю от
каждого родителя. Чтобы со-
ставить решетку Пеннета для
предсказания генотипов по-
томков F2, мы перечисляем все
возможные гаметы одного ро-
дителя (в данном случае, жен-
ское растение поколения Гр
в левом столбце и все воз-
можные гаметы второго роди-
теля (в данном случае, муж-
ское растение поколения F,)
в верхней строке. В клетках
таблицы записываются гено-
типы и фенотипы потомков, по-
лученных из всех возможных
комбинаций мужских и жен-
ских гамет
366 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
признакам. Например, у одного из сортов го-
роха отсутствует нормальная способность к
самоопылению. Эта физиологическая вариация
(отсутствие самоопыления) является фенотипи-
ческим признаком.
Фенотип
Генотип
низма неизвестного генотипа с рецессивным го-
мозиготным называется анализирующим скрещи-
ванием, потому что оно может выявить генотип
этого организма. Анализирующее скрещивание
было разработано Менделем и продолжает быть
важным инструментом генетиков.
Фиолетовый
3 s
Фиолетовый
Фиолетовый
1
Белый
(гетерозиготный)
Рр
(гетерозиготный)
РР
(гомозиготный)
РР
(гомозиготный)
1
>2
▼ Рис. 14.7.
Метод исследований
Анализирующее скрещивание
Применение на практике. Организм, который проявляет до-
минантный признак, например, фиолетовые цветки у гороха,
может быть либо гомозиготой по доминантному аллелю, либо
гетерозиготой. Чтобы определить генотип организма, генетики
проводят анализирующее скрещивание.
Описание методики. В анализирующем скрещивании особь
с неизвестным генотипом скрещивают с рецессивной гомози-
готой (в данном примере это растение с белыми цветами), а
решетку Пеннета используют, чтобы предсказать возможные
результаты.
Соотношение 3:1
Соотношение 1:2:1
Рис. 14.6. Фенотип и генотип. Фенотипические классы потом-
ков F2, различающиеся по окраске цветков, находятся в ха-
рактерном соотношении 3:1. Однако с точки зрения генотипов
имеются две категории растений с фиолетовыми цветками: РР
(гомозигота) и Рр (гетерозигота), таким образом, соотноше-
ние классов потомков по генотипу составляет 1:2:1
Анализирующее скрещивание
Предположим, у нас есть “загадочное” рас-
тение гороха, которое имеет фиолетовые цвет-
ки. Исходя из цвета лепестков, мы не можем ска-
зать, является ли это растение гомозиготным (РР)
или гетерозиготным (Рр), потому что оба геноти-
па приводят к одинаковым фенотипам с фиолето-
выми цветками. Чтобы определить генотип, мы
можем скрестить это растение и растение с белы-
ми цветками (рр). Оно производит только гаметы
с рецессивным аллелем (р), поэтому аллель в га-
мете, которую вносит “загадочное” растение, бу-
дет определять внешний вид потомства (рис. 14.7).
Если все потомство от скрещивания будет
иметь фиолетовые цветки, то “загадочное” фиоле-
товое растение будет являться гомозиготным по
доминантному аллелю, потому что скрещивание
РР х рр приводит к появлению потомков Рр. Но
если среди потомков появятся и фиолетовый, и бе-
лый фенотипы, то родительское растение с фиоле-
товыми цветами будет являться гетерозиготным.
Потомство от скрещивания Рр х рр будет иметь
соотношение фенотипов 1:1. Скрещивание орга-
> ч
Доминантный фенотип, I Рецессивный фенотип,
неизвестный генотип: I известный генотип: рр
РРилиРр? /\
Предполагаемые
результаты
Если родительское или
растение с фиоле-
товыми цветками
имеет генотип РР
Если родительское
растение с фиоле-
товыми цветками
имеет генотип Рр
Сперматозоиды Сперматозоиды
предсказанных вариантов позволяет идентифицировать не-
известный родительский генотип (в данном случае РР или Рр).
В данном анализирующем скрещивании мы переносим пыльцу
с растения с белыми цветками на пестик растения с фиолето-
выми цветами; противоположное (реципрокное) скрещивание
должно привести к таким же результатам.
или
Все потомки фиолетовые
1/2 потомков фиолетовые,
1Л потомков белые
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 367
Закон независимого наследования
признаке
Мендель вывел закон расщепления с помо-
щью опытов, в которых он отслеживал только
один признак, например, цвет лепестков цветка.
Все потомки F(, полученные в его скрещиваниях
родительских растений “чистых линий”, были мо-
ногибридами. Это означает, что они были гетеро-
зиготными по одному определенному признаку,
отслеживаемому в скрещивании. Мы называем
скрещивание таких гетерозигот моногибридным.
Мендель выявил второй закон наследования
посредством наблюдения одновременно за па-
рой признаков — цветом и формой семян. Семена
(гороха) могут быть желтого или зеленого цвета.
Они также могут быть круглыми (гладкими) или
морщинистыми. Из опытов по моногибридному
скрещиванию Мендель знал, что аллель желтых
семян является доминирующим (У), а аллель зе-
леных семян является рецессивным (у). Для при-
знака формы семян аллель круглых семян явля-
ется доминантным (R), а аллель морщинистых
семян — рецессивным (г).
Представьте себе скрещивание двух сортов го-
роха чистых линий, которые различаются по обо-
им признакам — скрещивание растения с жел-
тыми круглыми семенами (YYRR) с растением с
зелеными морщинистыми семенами (уугг). В по-
колении F растения будут дигибридными, гете-
розиготными по двум признакам, отслеживае-
мыми в скрещивании (YyRr). Но происходит ли
сцепленная передача этих двух признаков от ро-
дителей к потомству? Другими словами, будут ли
аллели Y и R всегда наследоваться вместе, поколе-
ние за поколением? Или цвет семян и форма се-
мян наследуются независимо? Ниже, на рис. 14.8,
показано, как с помощью дигибридного скрещи-
ванияу т.е. скрещивания Р}-дигибридов, можно
определить, какая из этих двух гипотез верна.
Растения F с генотипом YyRr демонстриру-
ют оба доминирующих фенотипа, желтые семе-
на круглой формы, независимо от того, какая ги-
потеза верна. Ключевым шагом в опыте является
проверка того, что происходит, когда растения F(
самоопыляются и производят потомство Ел. Если
гибриды передают свои аллели в той же комби-
нации, в которой аллели были унаследованы от
поколения Р, то гибриды F( будут производить
только два класса гамет: YR и уг. Эта гипотеза
“сцепленного наследования” предсказывает, что
фенотипическое отношение в поколении F, бу-
дет 3:1, такое же, как и в моногибридном скрещи-
вании (рис. 14.8, левая часть).
Альтернативная гипотеза состоит в том, что
для каждой пары аллелей предполагается незави-
симое наследование. Другими словами, гены упа-
кованы в гаметы во всех возможных комбинациях
аллелей, по одному аллелю в гамете для каждого
гена (рис. 13.11). В нашем примере растение Ff будет
производить четыре класса гамет в равных коли-
чествах: YRy Yr,yR и yr. Если сперматозоиды четы-
рех различных классов оплодотворят яйцеклетки
четырех классов, возникнет 16 (4 х 4) равнове-
роятных способов, в которых аллели могут быть
скомбинированы в поколении как показано
на рис. 14.8, правая часть. Эти комбинации приво-
дят к четырем фенотипическим категориям с со-
отношением 9:3:3:1 (девять фенотипов с желтыми
и круглыми семенами, три с зелеными круглыми
семенами, три с желтыми морщинистыми семена-
ми и один с зелеными морщинистыми семенами).
Когда Мендель провел свой опыт и систематизи-
ровал потомство F2, его результаты были близ-
ки к предсказанному соотношению фенотипов
9:3:3:1, что подтверждает гипотезу о том, что ал-
лели одного гена — ответственного за цвет семян
или форму семян, как в данном примере — рас-
пределяются в гаметы независимо от аллелей дру-
гих генов.
Мендель проверил семь фенотипических при-
знаков гороха в различных дигибридных комби-
нациях и всегда наблюдал соотношение феноти-
пов 9:3:3:1 в поколении F,. Согласуется ли это с
соотношением фенотипов 3:1, наблюдаемым в мо-
ногибридном скрещивании на рис. 14.5? Чтобы ис-
следовать этот вопрос, давайте рассмотрим один
из двух дигибридных признаков сам по себе, на-
пример, цвет горошин: мы видим, что в потом-
стве есть 416 растений, производящих желтые
горошины, и 140 растений, дающих зеленые горо-
шины, — соотношение 2.97:1, или примерно 3:1.
В дигибридном скрещивании аллели, определя-
ющие цвет горошин, расщепляются, как если бы
это было моногибридное скрещивание. Результа-
ты дигибридных опытов Менделя являются ос-
новой того, что мы теперь называем законом
независимого наследования признаков^ в кото-
ром говорится, что во время образования гамет
два гена (или более) комбинируются независимо
(т.е. каждая пара аллелей разделяется независи-
мо от другой пары).
368 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
▼ Рис. 14.8.
Изыскание
Свободно ли комбинируются аллели генов, контролирующих разные при-
знаки, при образовании гамет, или же они наследуются сцеплено?
Эксперимент. Чтобы пронаблюдать проявление признаков формы и цвета семян в поко-
лении F2, Мендель скрестил растение одной чистой линии, с круглыми желтыми семена-
ми, с растением другой чистой линии, с зелеными морщинистыми семенами, и получил
дигибридные растения Fr В результате самоопыления дигибридных растений F, были по-
лучены растения поколения F2. Гипотезы зависимого и независимого наследования пред-
сказывают разные фенотипические соотношения в поколении F2.
Поколение Р
Поколение F-]
Предполагаемые
результаты
Г ипотеза сцепленного Г ипотеза независимого
наследования
Предполагаемые
соотношения
в поколении F2
1/2
Яйце-
клетки
У2
наследования
Фенотипическое
соотношение 3:1
Сперматозоиды
Фенотипическое соотношение 9:3:3:1
Этот закон применяется толь-
ко к генам (паре аллелей), распо-
ложенным на разных хромосо-
мах (т.е. на хромосомах, которые
не гомологичны) или, в качестве
альтернативы, к генам, которые
очень далеки друг от друга на од-
ной и той же хромосоме. (Послед-
ний вариант будет объяснен в
главе 15 наряду с более сложны-
ми вариантами наследования ге-
нов, расположенных рядом друг
с другом и, как правило, передаю-
щихся потомству сцеплено.) Все
признаки растений гороха, кото-
рые Мендель выбрал для анализа,
контролируются генами, распо-
ложенными на разных хромосо-
мах или удаленными друг от дру-
га на одной и той же хромосоме;
эта ситуация значительно упро-
щает интерпретацию его опытов
по скрещиванию. Все примеры,
которые мы рассмотрим в остав-
шейся части этой главы, включа-
ют гены, расположенные на раз-
ных хромосомах.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 14.1
Растения гороха, гете-
розиготные по признакам положения
цветка и длины стебля (AaTt), самоо-
пыляются и 400 получившихся семян
высаживают в почву. Нарисуйте ре-
шетку Пеннета для данного скрещи-
вания. Сколько потомков от данного
ИЗОБРАЗИ!
Результаты.
скрещивания будут иметь верхушеч-
ные цветки и будут при этом низкорос-
лыми? (См. табл. 14.1.)
32
Фенотипическое соотношение —
примерно 9:3:3:1
А ЧТО, ЕСЛИ?
Перечислите все га-
меты, которые может образовать рас-
Выводы. Только гипотеза независимого наследования объясняет наличие двух из четырех
наблюдаемых фенотипических классов — зеленых круглых и желтых морщинистых семян
(см. правую решетку Пеннета). При этом аллели каждого из генов расходятся в гаметы неза-
висимо от аллелей другого гена. В таком случае говорят, что гены наследуются независимо.
Источник: G. Mendel, Experiments in plant hybridization, Proceedings of the Natural History
Society of Brutnn 4:3-47 (1866).
Предположим, что Мендель переносил пыльцу с тычинок гибридов F, на
пестик растения, которое является рецессивной гомозиготой по обоим генам. Составьте
схему скрещивания и нарисуйте решетки Пеннета, в которых бы содержался прогноз от-
носительно состава потомков согласно обеим гипотезам.
Подходит ли это скрещивание для проверки гипотезы независимого наследования так
же хорошо, как и рассмотренное выше?
тение гороха, гетерозиготное по цвету
и форме семян и форме стручка (YyRrli;
см. табл. 14.1). Какого размера решет-
ка Пеннета вам потребуется, чтобы
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ!
А ЧТО, ЕСЛИ?
спрогнозировать потомство от самоо-
пыления данного "тригибрида"?
I В некото-
рых скрещиваниях растений гороха
растения самоопыляются. К какому
способу размножения — бесполому
или половому — относится самоопы-
ление? Поясните. (См. главу 13, раз-
дел 13.1.)
Ответы см. в Приложении А.
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 369
14.2. Законами Менделя
управляет теория вероятностей
Законы Менделя о расщеплении и независи-
мом наследовании признаков отражают те же за-
коны теории вероятностей, которые применимы
к подбрасыванию монет, игре в кости или вытяги-
ванию карты из колоды. Шкала вероятности ко-
леблется в диапазоне от 0 до 1. Событие, которое
точно произойдет, имеет вероятность 1, в то вре-
мя как событие, которое заведомо не случится, —
вероятность 0. Для монеты, имеющей “решку” с
обеих сторон, вероятность выпадения “решки”
равна 1, а вероятность выпадения “орла” — 0. Для
нормальной монеты, вероятность выпадения как
“орла”, так и “решки” — Уг. Вероятность вытянуть
туз пик из 52-карточной колоды составляет /52.
Вероятности всех возможных исходов для собы-
тия должны в сумме давать 1. Для колоды карт ве-
роятность вытягивания любой карты, кроме туза
пик, составляет 51/52.
Подбрасывание монеты иллюстрирует важное
свойство вероятности. Для каждого броска веро-
ятность выпадения “решки” равна ’/2. Исход любо-
го броска не зависит от того, что произошло в пре-
дыдущий раз. Такие явления, как броски монеты,
мы считаем независимыми событиями. Каждый
бросок монеты, будь это сделано последователь-
но с одной монетой или одновременно с несколь-
кими, не зависит от любого другого броска. И как
два отдельных броска монеты аллели одного гена
разделяются в гаметы независимо от аллелей дру-
гого гена (закон независимого наследования при-
знаков). Два основных закона (правила) теории
вероятностей помогают нам предсказать исход
слияния гамет в простых моногибридных, а также
и в более сложных скрещиваниях.
Правила умножения и сложения
вероятностей, применимые
к моногибридному скрещиванию
Как мы можем определить вероятность того,
что два или более независимых события про-
изойдут в какой-то определенной комбинации?
Например, какова вероятность того, что две мо-
неты, подброшенные одновременно, упадут
“решкой” вверх? Правило умножения утвержда-
ет, что для определения данной вероятности, мы
умножаем вероятность одного события (одна
монета упадет “решкой” вверх) на вероятность
другого события (другая монета упадет “решкой”
вверх). По правилу умножения вероятность того,
что обе монеты упадут “решкой” вверх, составля-
ет У2 х = 1Д.
Мы можем применить те же рассуждения к
гибридам Fj моногибридного скрещивания. Если
в качестве наследуемого признака рассматри-
вать форму семян растения гороха, генотип рас-
тений Fj будет Rr. Расщепление в гетерозиготном
растении с точки зрения вычисления вероятно-
сти каждого исхода напоминает подбрасывание
монеты: каждая произведенная яйцеклетка с ве-
роятностью У2 несет доминантный аллель (R) и с
вероятностью Уг — рецессивный аллель (г). Те же
шансы имеет каждый произведенный спермато-
зоид. Для того чтобы определенное растение F,
имело сморщенные семена, рецессивный признак,
как яйцеклетка, так и сперматозоид должны не-
сти аллель г. Вероятность того, что аллель г будет
присутствовать в обеих гаметах при оплодотво-
рении определяется умножением Уг (вероятность
того, что яйцеклетка будет иметь аллель г) х х/2
(вероятность того, что сперматозоид будет иметь
аллель г). Таким образом, правило умножения
говорит нам о том, что вероятность появления
растения F,, которое производит морщинистые
семена (гг), составляет Ул (рис. 14.9). Кроме того, ве-
роятность появления в потомстве растения F , не-
сущего оба доминантных аллеля для формы се-
мян (RR), также составляет %.
Чтобы вычислить вероятность того, что расте-
ние F. в моногибридном скрещивании будет гете-
розиготным, нам необходимо применить второе
правило. Обратите внимание (рис. 14.9), что как из
яйцеклетки, так и из сперматозоида потомки мо-
гут получить доминантный или рецессивный ал-
лель. Другими словами, гаметы F( могут комбини-
роваться в потомстве с образованием генотипа Rr
в двух взаимоисключающих вариантах: для любо-
го определенного гетерозиготного растения F, до-
минантный аллель может прийти с яйцеклеткой
или сперматозоидом, но не с ними обоими. В со-
ответствии с правилом сложения, вероятность
того, что произойдет одно из двух или более вза-
имоисключающих событий рассчитывается пу-
тем сложения их отдельных вероятностей. Как
мы только что видели, правило умножения дает
нам отдельные вероятности, которые мы теперь
сложим. Вероятность одного из возможных спо-
собов получения F^-гетерозиготы — получение
доминантного аллеля с яйцеклеткой и рецессив-
370 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
ного аллеля со сперматозоидом — составляет %.
Вероятность другого возможного способа — по-
лучение рецессивного аллеля с яйцеклеткой и до-
минантного аллеля со сперматозоидом — также
составляет И (рис. 14.9). Используя правило сложе-
ния, мы можем вычислить вероятность появле-
ния в потомстве F, гетерозиготы как И + % = И.
Rr
Расхождение аллелей
при образовании
яйцеклеток
Расхождение аллелей
при образовании
сперматозоидов
Рис. 14.9. Расхождение аллелей и оплодотворение как ве-
роятностные события. Когда гетерозигота (Rr) образует га-
меты, в каждую гамету может попасть либо аллель R, либо
аллель г — это случайный процесс, аналогичный подбрасы-
ванию монеты. Мы можем определить вероятность появления
любого генотипа в потомках от скрещивания двух гетерози-
гот, перемножив индивидуальные вероятности того, что в яй-
цеклетке и сперматозоиде окажется определенный аллель
(в данном случае R или г)
Решение сложных генетических задач
с использованием правил вероятности
Мы также можем применить правила вероят-
ности, чтобы предсказать результат скрещивания
с участием нескольких признаков. Напомним, что
во время формирования гамет (закон независи-
мого наследования признаков) каждая аллельная
пара разделяется независимо. Таким образом, ди-
гибридное или другое полигибридное скрещива-
ние эквивалентно двум или более независимым
моногибридным скрещиваниям, происходящим
одновременно. Используя наши знания о моно-
гибридных скрещиваниях, мы можем определить
вероятность появления определенных генотипов
в поколение F,, не используя громоздкие решет-
ки Пеннета.
Рассмотрим дигибридное скрещивание меж-
ду гетерозиготами YyRr, показанными на рис. 14.8.
В первую очередь мы обратим наше внимание на
признак цвета семян. Для моногибридного скре-
щивания растений Yy растений, мы можем ис-
пользовать простую решетку Пеннета, чтобы
определить, что вероятности появления в потом-
стве генотипов УУ, Yy и уу составляют lA, Уг и ХА,
соответственно. Мы можем нарисовать вторую
решетку Пеннета, чтобы определить, что такие же
вероятности относятся и к признаку формы се-
мян в потомстве: И для RR, У» для Rr, и И для rr.
Зная эти вероятности, мы можем просто исполь-
зовать правило умножения для определения ве-
роятности каждого из генотипов в поколении F7.
Два примера расчетов нахождения вероятностей
двух возможных в поколении F, генотипов (YYRR
и YyRR) приведены ниже:
Вероятность генотипа YYRR =
= 1А (вероятность YY) х lA (RR) = 1Ль
Вероятность генотипа YyRR -
= Уг (Yy) х У4 (RR) = */s
YYRR генотип соответствует верхнему левому
квадрату в решетке Пеннета на рис. 14.8 (один ква-
драт = Иб). Если внимательно посмотреть на ре-
шетку Пеннета на рис. 14.8, можно увидеть, что в 2
из 16 квадратов (У«) указан генотип YyRR.
Теперь давайте посмотрим, как мы можем объ-
единить правила умножения и сложения, чтобы
решать еще более сложные задачи в генетике Мен-
деля. Представьте себе скрещивание двух сортов
гороха, в котором мы отслеживаем три наследу-
емых признака. Давайте скрестим тригибридное
растение с фиолетовыми цветками и желтыми
круглыми семенами (гетерозиготное по всем трем
генам) с растением с фиолетовыми цветками и зе-
леными морщинистыми семенами (гетерозигот-
ным по цвету цветков, но гомозиготным по двум
другим рецессивным признакам). Используя сим-
волы Менделя, обозначим наше скрещивание, как
PpYyRr х Ppyyrr. Какая часть потомства в данном
скрещивании будет иметь рецессивный фенотип
по крайней, мере для двух из трех признаков?
Чтобы ответить на этот вопрос, сначала мы
перечислим все генотипы, подходящие под наше
условие: ppyyRr, ppYyrr, Ppyyrr, PPyyrr и ppyyrr.
(Так как в условии рецессивный фенотип дол-
жен соблюдаться по крайней мере для двух
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 371
признаков, оно включает в себя последний ге-
нотип, несущий все три рецессивных признака).
Затем мы вычисляем вероятность появления
каждого из этих генотипов в результате наше-
го скрещивания PpYyRr х Рруугг путем умноже-
ния отдельных вероятностей для пар аллелей так
же, как мы делали в случае с дигибридным скре-
щиванием. Обратите внимание, что в скрещива-
нии с участием гетерозиготных и гомозиготных
пар аллелей (например, Yy х уу)у вероятность ге-
терозиготного потомства равна Уг и вероятность
гомозиготного потомства — Уг. В заключение мы
используем правило сложения вероятностей для
всех различных генотипов, которые выполня-
ют условие по крайней мере о двух рецессивных
признаках, как показано ниже.
ррууРг Уа (вероятность рр) х Уг (уу) х Уг (Rr) - [Лв
ppYyrr Уа х Уг х Уг - * 1/1б
Рруугг Уг х Уг х Уг = 2 * * */1б
Р Ру угг Уа х Уг х Уг - У1в
рруугг Уа х Уг х Уг - У\в
Вероятность появления по крайней мере
двух рецессивных признаков = 6/i6 или Vs.
Со временем вы сможете решать генетические
задачи, пользуясь правилами вероятности, бы-
стрее, чем заполняя решетки Пеннета.
Мы не можем с уверенностью предсказать точ-
ное число потомков разных генотипов в результа-
те скрещивания. Но законы теории вероятностей
позволяют нам оценить вероятность появления
различных результатов. Как правило, чем больше
размер выборки, тем ближе результаты будут со-
ответствовать нашим прогнозам. Мендель понял
эту статистическую особенность наследования и
обладал обостренным чувством законов случая.
Именно по этой причине он планировал свои экс-
перименты таким образом, чтобы получать и за-
тем подсчитывать большое количество потомков
в скрещиваниях.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 14.2
1. Для гена с доминантным аллелем А и рецессивным алле-
лем а, какое количество потомков от скрещивания ДА х Аа
будет доминантными гомозиготами, рецессивными гомози-
готами и гетерозиготами?
2. Два организма с генотипами BbDD и BBDd подвергают-
ся скрещиванию. Предполагая независимое разделе-
ние генов В/b и D/d, перечислите генотипы всех возмож-
ных потомков от данного скрещивания и, используя законы
теории вероятностей, посчитайте вероятности появления
данных генотипов в потомках.
| В скрещивании двух растений гороха про-
водится наблюдение за тремя признаками (цвет цветков,
цвет семян и форма стручка): PpYyli х ppYyii. Какая доля по-
томков окажется рецессивными гомозиготами по крайней
мере по двум из трех признаков?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
14.3. Принципы наследования
часто оказываются сложнее тех,
которые предсказывает генетика
Менделя
В XX веке генетики расширили сферу исполь-
зования принципов Менделя не только для раз-
личных организмов, но и для описания законо-
мерностей наследования более сложных, чем те,
которые установил Мендель. Для своей работы
Мендель выбрал признаки гороха, которые, как
оказывается, имеют относительно простую гене-
тическую основу: каждый признак определяется
одним геном, для которого есть только два аллеля,
один полностью доминантный и второй полно-
стью рецессивный. (Существует одно исключение:
признак формы стручка фактически определяет-
ся двумя генами.) Не все наследуемые признаки
определяются так же просто, и взаимоотношения
между генотипом и фенотипом редко оказывают-
ся такими очевидными. Сам Мендель понял, что
он не может объяснить более сложные модели на-
следования, которые он наблюдал в скрещивани-
ях с участием других признаков гороха или других
видов растений. Однако это не умаляет значимо-
сти генетики Менделя, так как основные прин-
ципы расщепления и независимого наследова-
ния признаков применяются и для более сложных
форм наследования. В этом разделе мы расширим
представления генетики Менделя до моделей на-
следования, которые не были им описаны.
Применение генетики Менделя
для одиночного гена
Наследование признаков, определяемых од-
ним геном, отклоняется от простых моделей Мен-
деля. В случае одиночного гена аллели не являют-
ся полностью доминантными или рецессивными,
или определенный ген имеет более двух аллелей,
или одиночный ген приводит к формированию
нескольких фенотипов. Мы опишем примеры для
каждой из этих ситуаций в данном разделе.
372 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
Степени доминантности
Аллели могут демонстрировать различные сте-
пени доминантности и рецессивности по отноше-
нию друг к другу. В классических скрещиваниях
гороха у Менделя потомство F. всегда имело один
из родительских фенотипов, так как один аллель в
паре находился в состоянии полного доминирова-
ния над другим. В таких случаях фенотипы гете-
розигот и доминантных гомозигот неразличимы.
Для некоторых генов, однако, ни один аллель
не доминирует полностью и гибриды Ff имеют
промежуточный по отношению к родительским
растениям фенотип. Это явление, называемое не-
полным доминированием, можно наблюдать при
скрещивании растения львиного зева с красны-
ми цветками с растением того же вида с белыми
цветками: все F]-гибриды имеют розовые цвет-
ки (рис. 14.10). Этот третий, промежуточный вари-
ант фенотипа формируется вследствие того, что в
цветках гетерозиготных растений синтезируется
меньше красного пигмента, чем в гомозиготных
растениях с красными цветками. (В отличие от
растений гороха Менделя, в которых в гетерози-
готе Рр образуется достаточно пигмента для фор-
мирования фиолетового цвета лепестков, не от-
личимого от того, что формируется у растений с
генотипом РР.)
На первый взгляд кажется, что неполное до-
минирование какого-либо аллеля представляет
доказательства для гипотезы “смешивания”. Со-
гласно этой гипотезе признак красного или бело-
го цвета цветков не мог бы вновь появиться сре-
ди потомства от розовых гибридов. На самом же
деле, скрещивание гибридов F( приводит к появ-
лению потомства F, с соотношением фенотипов:
1 (красные цветки) : 2 (розовые цветки) : 1 (бе-
лые цветки). (Так как гетерозиготы в данном слу-
чае имеют свой собственный фенотип, геноти-
пические и фенотипические соотношения для
поколения F2 совпадают, 1:2:1.) Разделение алле-
лей красных и белых цветков в гаметах, произ-
водимых растениями с розовыми цветками, под-
тверждает тот факт, что аллели для цвета цветков
являются наследственными факторами, которые
поддерживают свою идентичность в гибридах,
т.е. подтверждает теорию “корпускулярного” на-
следования.
Еще одним вариантом отношений доминиро-
вания между аллелями является кодоминирова-
ние\ в этом случае каждый из двух аллелей влияет
на фенотип особым отличным образом. Например,
Гаметы У2@ 1/2@
Сперматозоиды
У2@ У2@
Поколение F2
у2@
Яйцеклетки
У2@
c/?c^
ч
Рис. 14.10. Неполное доминирование при наследовании
окраски цветков львиного зева. При скрещивании растений
львиного зева, имеющих красные цветки, с растениями, име-
ющими белые цветки, получаются гибриды F1 с цветками ро-
зового цвета. Расхождение аллелей при образовании гамет
у гибридов F1 приводит к тому, что среди потомков F2 наблю-
дается расщепление 1:2:1 как по генотипу, так и по фенотипу.
В данном случае ни один из аллелей не является доминант-
ным, поэтому для обозначения аллелей вместо использова-
ния строчных и прописных букв используется буква С с верх-
ним индексом: CR — аллель красного цвета, Cw — аллель
белого цвета цветков
] Предположим, ваш одноклассник утверждает, что этот
рисунок подтверждает гипотезу "сцепленного" наследова-
ния. Как он мог бы аргументировать свое мнение и что бы вы
ему ответили?
MN-группы крови человека определяются кодо-
минантными аллелями двух специфических мо-
лекул, расположенных на поверхности эритроци-
тов, молекул М и N. Единичный генный локус, в
котором возможны два аллельных варианта, опре-
деляет фенотип данной группы крови. Люди, го-
мозиготные по аллелю М (ММ), имеют эритроци-
ты только с молекулами М; люди, гомозиготные по
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 373
аллелю N (NN), имеют эритроциты только с моле-
кулами N. Но обе молекулы М и N присутствуют
на эритроцитах людей, гетерозиготных по алле-
лям М и N (MN). Обратите внимание, что фенотип
MN не является промежуточным между феноти-
пами М и N, что отличает кодоминирование от
неполного доминирования. Скорее, гетерозиготы
демонстрируют оба фенотипа М и N, так как обе
молекулы присутствуют на эритроцитах.
Отношения между доминированием и фено-
типом. Мы видели, что взаимодействие двух алле-
лей изменяется в диапазоне от полного доминиро-
вания одного аллеля и неполного доминирования
какого-либо аллеля до кодоминирования обоих ал-
лелей. Важно понимать, что аллель называется до-
минантным, поскольку его проявление можно на-
блюдать в фенотипе, а не потому, что он каким-то
образом подчиняет себе рецессивный аллель. Ал-
лели являются просто вариантами нуклеотидной
последовательности гена (см. рис. 14.4). Когда до-
минантный аллель сосуществует с рецессивным
аллелем в гетерозиготе, они фактически не взаи-
модействуют. Доминирование и рецессивность ре-
ализуются на пути от генотипа к фенотипу.
Чтобы проиллюстрировать связь между до-
минированием и фенотипом, мы можем исполь-
зовать один из признаков, которые изучал Мен-
дель, — круглая или морщинистая форма семян
гороха. Доминантный аллель (круглая форма)
кодирует фермент, который помогает преобра-
зовать неразветвленную форму крахмала в раз-
ветвленную форму в семени. Рецессивный ал-
лель (морщинистая форма) кодирует дефектный
фермент, что приводит к накоплению неразвет-
вленной формы крахмала, которая вызывает из-
быточное накопление воды в семенах путем ос-
моса. Позже, когда семя подсыхает, появляются
"морщины” В присутствии доминантного аллеля
в семена не попадает избыток воды, и, когда они
подсыхают, “морщины” не образуются. Наличие
одного доминантного аллеля приводит к полу-
чению количества фермента, необходимого для
синтеза достаточных количеств разветвленной
формы крахмала; это означает, что доминантные
гомозиготы и гетерозиготы имеют один и тот же
фенотип: круглые семена.
При более пристальном рассмотрении отноше-
ний между доминированием и фенотипом стано-
вится очевидным занимательный факт: для любого
признака наблюдаемые доминантныефецессивные
отношения аллелей зависят от уровня, на котором
мы рассматриваем фенотип. Примером может яв-
ляться болезнь Тея-Сакса, наследственное забо-
левание человека. В клетках мозга ребенка с бо-
лезнью Тея-Сакса не усваиваются определенные
липиды, потому что необходимый для их пере-
работки фермент не работает должным образом.
По мере накопления этих липидов в клетках моз-
га ребенок начинает страдать от судорог, слепоты,
снижения двигательной и умственной активности
и умирает в течение нескольких лет.
Только дети, которые наследуют две копии ал-
леля Тея-Сакса (гомозиготы), имеют данное забо-
левание. Таким образом, на организменном уровне,
аллель Тея-Сакса квалифицируется как рецессив-
ный. Тем не менее уровень активности ферментов
метаболизма липидов у гетерозигот занимает про-
межуточное положение по отношению к людям,
гомозиготным по нормальному аллелю, и людям
с болезнью Тея-Сакса. Промежуточный фенотип,
наблюдаемый на биохимическом уровне, являет-
ся характеристикой неполного доминирования
одного из двух аллелей. К счастью, генотип гете-
розигот не приводит к появлению симптомов бо-
лезни, по-видимому, потому что половины нор-
мальной активности фермента достаточно, чтобы
предотвратить накопление липидов в головном
мозге. Подняв наш анализ на новый уровень, мы
обнаруживаем, что гетерозиготные особи произ-
водят одинаковое количество нормальных и не-
функциональных молекул фермента. Таким обра-
зом, на молекулярном уровне нормальный аллель и
аллель Тея-Сакса являются кодоминантными. Как
вы можете видеть, являются ли аллели полностью
доминантными, не полностью доминантными или
кодоминантными, зависит от уровня, на котором
анализируется фенотип.
Частота доминантных аллелей. Вы могли бы
предположить, что доминантный аллель для како-
го-либо признака является более распространен-
ным в популяции, чем рецессивный аллель, одна-
ко это не так. Например, в США один ребенок из
400 рождается с дополнительными пальцами рук
или ног, это состояние известно как полидакти-
лия. Некоторые случаи этого заболевания вызва-
ны наличием доминантного аллеля. Низкая часто-
та полидактилии указывает на то, что рецессивный
аллель, который приводит к формированию пяти
пальцев на конечности, гораздо более распростра-
нен в популяции, чем доминантный аллель.
374 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
Множественные аллели
Для признаков гороха, которые изучал Мен-
дель, существует только по два аллеля, однако
большинство генов существуют в более чем двух
аллельных формах. Группы крови АВО у человека,
например, определяются тремя аллелями одного
гена: IA, IB, и i. Человек может иметь группу кро-
ви одного из четырех типов: А, В, АВ или О.6 * Эти
буквы соответствуют двум углеводам — А и В —
которые можно найти на поверхности эритроци-
тов. Клетки крови человека могут содержать на
поверхности углевод А (тип крови А), углевод В
(тип В), оба углевода (тип АВ), или ни одного из
них (тип 0), как показано на рис. 14.11. Соответ-
ствие групп крови имеет решающее значение для
безопасного переливания крови.
а) Три аллеля групп крови АВО и соответствующие им по-
верхностные углеводы эритроцитов. Каждый аллель коди-
рует фермент, который присоединяет углеводные остатки
определенного типа к поверхности эритроцитов. Аллели
обозначены индексами, а углеводы разных типов изобра-
жены треугольниками или кружками.
Аллель
Углевод
1А
1В
нет
А Д
В О
Генотип
1А1А или lAi
/®/® или Pi
Схематическое
обозначение
типа эритроцитов
Фенотип
(группа крови)
б) Генотипы и фенотипы групп крови. Существует шесть
возможных генотипов, дающих четыре разных фенотипа.
1АР
Рис. 14.11. Множественные аллели групп крови системы АВО.
Различные комбинации трех аллелей определяют четыре
группы крови
3 Исходя из данных о типах поверхностных углеводов, при-
веденных на рис. 14.11, б, предположите, как взаимодействуют
между собой данные аллели.
Плейотропия
До сих пор мы рассматривали законы Менделя
так, как будто каждый ген влияет только на один
фенотипический признак. Большинство генов,
однако, имеет несколько фенотипических эффек-
тов, и это свойство называется плейотропией (от
6 В России эти группы принято обозначать как соответ-
ственно II, III, IV и I. — Примеч. ред.
греческого pieion — “больше”). У человека, на-
пример, плейотропные аллели ответственны за
появление многочисленных симптомов, связан-
ных с определенными наследственными заболе-
ваниями, такими как кистозный фиброз и серпо-
видно-клеточная анемия, которые обсуждаются
в конце этой главы. У садового гороха ген, кото-
рый определяет цвет цветка, также влияет и на
цвет наружной поверхности семян, которая мо-
жет быть серой или белой. Учитывая сложные
молекулярные и клеточные взаимодействия, от-
ветственные за развитие организма и его физио-
логию, неудивительно, что один ген может влиять
на целый ряд характеристик.
Использование генетики Менделя
для двух или более генов
Степени доминантности, множественные алле-
ли и плейотропия имеют дело с эффектами алле-
лей одного гена. Рассмотрим теперь две ситуации,
в которых два или более генов участвуют в фор-
мировании определенного фенотипа: эпистаз, при
котором один ген влияет на фенотип, формируе-
мый другим геном, так как продукты данных двух
генов взаимодействуют; и полигенное наследова-
ние, при котором множественные гены влияют на
формирование одного признака независимо.
Эпистаз
В случае эпистаза (от греч. epistasis — “препят-
ствие”) фенотипическое проявление гена в одном
локусе изменяется под влиянием гена из друго-
го локуса, неаллельного по отношению к первому.
Следующий пример поможет прояснить это опре-
деление. У лабрадоров черный цвет шерсти доми-
нирует над коричневым. Обозначим В и b два ал-
леля для этого признака. Для того, чтобы лабрадор
имел коричневый мех, его генотип должен быть
bb\ таких собак называют шоколадными лабрадо-
рами. Второй ген определяет, будет ли пигмент от-
кладываться в волосах. Доминантный аллель, обо-
значенный Е, приводит к отложению черного или
коричневого пигмента в зависимости от генотипа
по первому аллелю. Но если лабрадор является ре-
цессивной гомозиготой по второму аллелю (ее), то
он будет иметь шерсть желтого цвета, независимо
от генотипа локуса В/b (так называемые золоти-
стые лабрадоры). В этом случае, ген для накопле-
ния пигмента (Е/е) называется эпистатичным по
отношению к гену, который кодирует черный или
коричневый пигмент (В/Ь).
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 375
Что произойдет, если мы скрестим между со-
бой черных лабрадоров, гетерозиготных по обо-
им генам (ВЬЕе)? Хотя эти два гена влияют на
один и тот же фенотипический признак (цвет
шерсти), они наследуются по закону независимо-
го наследования признаков. Таким образом, наш
эксперимент представляет собой дигибридное
скрещивание потомков F , как те, что приводили
к соотношению 9:3:3:1 в экспериментах Менделя.
Мы можем использовать решетку Пеннета, что-
бы представить генотипы Р,-потомков (рис. 14.12).
В результате эпистаза фенотипическое соотно-
шение среди F,-потомков таково: 9 черных, 3 шо-
коладных, 4 золотистых лабрадора. Другие типы
эпистатических взаимодействий могут приводить
к другим соотношениям, но они всегда являются
измененными версиями соотношения 9:3:3:1.
Рис. 14.12. Пример эпистаза. В данной решетке Пеннета при-
ведены предполагаемые генотипы и фенотипы потомков от
скрещивания двух черных лабрадор-ретриверов с генотипом
ВЬЕе. Ген В/b определяет цвет пигмента шерсти, а от гена Е/е
зависит, будут ли в ней вообще накапливаться пигменты како-
го-либо цвета; таким образом, ген Е/е эпистатичен по отно-
шению к гену В/Ь
1 Объясните генетическую основу различий в соотношении
фенотипов (9:3:4) в данном скрещивании и в скрещивании на
рис. 14.8.
Полигенное наследование
Мендель изучал признаки, которые имеют
два альтернативных проявления в фенотипе, на-
пример, фиолетовый/белый цвет цветка. Однако
многие признаки, такие как цвет кожи человека
или рост, являются не одним из двух дискретных
признаков, но, вместо этого, изменяются непре-
рывно внутри популяции. Они называются ко-
личественными признаками. Количественные
вариации обычно указывают на полигенное на-
следование, т.е. аддитивный (дополняющий) эф-
фект двух или более генов по отношению к од-
ному фенотипическому признаку. (В некотором
смысле это эффект, обратный плейотропии, ког-
да один ген влияет на несколько фенотипических
признаков.) Рост является хорошим примером
полигенного наследования: в недавнем исследо-
вании с использованием геномных методов были
идентифицированы по меньшей мере 180 генов,
которые влияют на рост.
Пигментация кожи у человека также контро-
лируется многими генами, наследуемыми неза-
висимо. Чтобы разобраться в концепции поли-
генного наследования, мы несколько упростим
рассказ. Давайте рассмотрим три гена с аллелями,
определяющими темный цвет кожи (А, В и С), ко-
торые вносят одну “условную единицу” темного
цвета кожи в фенотип и являются не полностью
доминирующими по отношению к аллелям а, Ь и
с. В нашей модели, человек с генотипом ААВВСС
будет иметь очень темную кожу, а человек с гено-
типом aabbcc — очень светлую. Кожа человека с
генотипом АаВЬСс будет иметь промежуточный
цвет. Из-за того, что аллели имеют кумулятив-
ный эффект, генотипы АаВЬСс и ААВЬсс вносят
одинаковый генетический вклад (три “условных
единицы”) в формирование темного цвета кожи.
Существуют семь различных фенотипов, кото-
рые могут сформироваться в потомстве от скре-
щивания гетерозигот АаВЬСс между собой, как
показано на рис. 14.13. В большом количестве таких
скрещиваний, для большинства потомков можно
ожидать формирования промежуточных феноти-
пов (цвет кожи в среднем диапазоне). Вы можете
выписать возможные фенотипы на решетке Пен-
нета, изображенной в рубрике “Развиваем иссле-
довательские навыки”. Экологические факторы,
такие как воздействие солнца, также влияют на
фенотип цвета кожи.
376 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
Природа и воспитание: воздействие
окружающей среды на фенотип
Другой пример отклонения от простых моде-
лей генетики Менделя возникает тогда, когда фе-
нотип для признака зависит от окружающей сре-
ды так же, как и от генотипа. Одиночное дерево
со своим унаследованным генотипом имеет ли-
стья, которые различаются по размеру, форме и
яркости цвета, в зависимости от воздействия на
них ветра и солнца. У людей питание влияет на
рост, упражнения изменяют форму тела, солнце
затемняет кожу загаром, а опыт позволяет повы-
сить производительность в тестах на интеллект.
АаВЬСс
ООО
АаВЬСс
Сперматозоиды
1Дооо
1/8>ОО
1/8°*о
1/8°о«
1/е**О
'/8*°*
1/8о«»
1/8**«
1/8 1/8 1/в 1/8 1/в 1/8 1/8
ооо фоо офо ооф ффо фсф офф
1/8
ООО ООО ООО ФОО ООО ОФО ООО ООФ ОиО ФФО ООО ФОФ ООО ОФФ ООО ффф
фоо ООО ФОО ФОО ФОО ОФО ФОО ООФ ФОО ФФО ФОО ФОФ ФСО ОФФ ФОО ффф
ОФО ООО ОФО ФОО ОФО ОФО ОФО ООФ ОФО ФФО ОФО ФОФ ОФО ОФФ ОФО ффф
ООФ ООО ООФ ФОО ООФ ОФО ООФ ООФ ООФ ФФО ООФ ФОФ СОФ ОФФ ООФ ффф
ФФО ООО ФФО ФОО ФФО ОФО ФФО ООФ ФФО ФФО ФФО ФОФ ФФО ОФФ ФФО ффф
ФОФ ООО ФОФ ФОО ФОФ ОФО ФОФ ООФ ФОФ ФФО ФОФ ФОФ ФОФ ОФФ ФОФ ффф
ОФФ ООО ОФФ ФОО ОФФ ОФО ОФФ ООФ ОФФ ФФО ОФФ ФОФ ОФФ ОФФ ОФФ ффф
ффф ООО ффф ФОО ффф ОФО ффф ООФ ффф ФФО ффф ФОФ ффф ОФФ ффф
щих темный
цвет кожи:
Рис. 14.13. Упрощенная модель полигенного наследования
цвета кожи. В данной модели цвет кожи определяют три неза-
висимо наследуемых гена. Гетерозиготные особи (АаВЬСс)
представлены двумя квадратами в верхней части рисунка,
каждый из которых заполнен тремя светлыми (светлые кружки
обозначают аллели а, Ь, с) и тремя темными кружками (тем-
ные кружки обозначают аллели А, В, С). В решетке Пеннета
показаны все возможные комбинации генов в гаметах и в по-
томстве от множества гипотетических скрещиваний этих гете-
розигот. Результаты представлены в виде частот конкретных
фенотипов и указаны под решеткой Пеннета (в данном слу-
чае фенотипическое расщепление по признаку цвета кожи
составит 1:6:15:20:15:6:1)
Даже однояйцовые близнецы, которые являются
генетически идентичными, накапливают феноти-
пические различия в результате своего собствен-
ного уникального опыта.
Зависят ли фенотипические признаки людей
в большей степени от генов или от окружающей
среды — от природы или воспитания — является
темой для дискуссии, которую мы не будем пы-
таться разрешить здесь. Однако можно сказать,
что генотип, как правило, не связан жестко с
определенным фенотипом, а, скорее, связан с на-
бором фенотипических возможностей, соответ-
ствующим внешним воздействиям (рис. 14.14).
Рис. 14.14. Влияние окружающей среды на фенотип организ-
ма. Результат реализации генотипа изменяется в пределах
некоего фенотипического диапазона (нормы реакции) в за-
висимости от того, в каких условиях происходит экспрессия
генотипа. Например, кислотность почвы и содержание в ней
алюминия влияют на цветовую гамму цветков гортензий одно-
го и того же генотипа. Цвет цветков может меняться от розо-
вого (на щелочных почвах) до сине-фиолетового (на кислых
почвах), причем для развития голубых опенков необходим
алюминий
Для некоторых признаков, таких как АВО
группы крови, не существует набора “возмож-
ных” фенотипов; другими словами, данный гено-
тип формирует вполне определенный фенотип.
Другие характеристики, такие как количество
эритроцитов и лейкоцитов человека, немного из-
меняются в зависимости от таких факторов, как
высота над уровнем моря, обычный уровень фи-
зической активности, а также наличие инфекци-
онных агентов.
Как правило, набор фенотипических возмож-
ностей является широким для полигенных при-
знаков. Окружающая среда влияет на количе-
ственные показатели этих признаков, как мы
видели для непрерывного изменения цвета кожи.
Генетики относят такие признаки к мулътифак-
торным признакам, это означает, что многие
факторы, как генетические, так и экологические,
коллективно влияют на фенотип.
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 377
Виды наследственности
и изменчивости в генетике Менделя
Мы уже расширили наше представление об от-
крытых Менделем принципах наследования, изу-
чив такие явления, как степени доминирования,
а также множественные аллели, плейотропию,
эпистаз, полигенное наследование и воздействие
окружающей среды на фенотип. Как мы могли бы
интегрировать все эти детали во всеобъемлющую
теорию генетики Менделя? Решением является
переход от редукционизма с акцентом на отдель-
ных генах и фенотипических признаках к форми-
рующимся свойствам организма в целом, что яв-
ляется одной из тем этой книги.
Термин фенотип может относиться не только
к конкретным признакам, таким как цвет цветка
и группа крови, но и к организму в целом — во
всех аспектах его внешности, внутренней анато-
мии, физиологии и поведения. Аналогичным об-
разом, термин генотип может относиться к гене-
тическому составу всего организма, а не только
к его аллелям для одного генетического локуса.
В большинстве случаев, воздействие гена на фе-
нотип зависит от других генов и окружающей
среды. В этом обобщенном представлении о на-
следственности и изменчивости фенотип орга-
низма отражает его суммарный генотип и уни-
кальный опыт взаимодействия с окружающей
средой.
Принимая во внимание все, что может прои-
зойти по пути от генотипа к фенотипу, действи-
тельно впечатляющим кажется то, что Мендель
смог раскрыть основные принципы, регулиру-
ющие передачу отдельных генов от родителей к
потомству. Два закона Менделя, закон расщепле-
ния и независимого наследования признаков,
объясняют наследственные изменения в терми-
нах альтернативных форм генов (наследствен-
ных “частиц” теперь известных как аллели генов),
которые передаются из поколения в поколение в
соответствии с простыми правилами вероятно-
сти. Эта теория наследования в равной степени
относится к гороху, мухам, рыбам, птицам и лю-
дям — к любому организму с половым жизнен-
ным циклом. Кроме того, расширив сферу при-
менения законов расщепления и независимого
наследования признаков с целью объяснить та-
кие закономерности наследования как эпистаз и
количественные признаки, мы начинаем пони-
мать, насколько широко применяется генетика
1.
2.
3.
Менделя. Из сада в аббатстве Менделя вышла
корпускулярная теория наследования, являюща-
яся основой современной генетики. В последнем
разделе этой главы мы будем применять принци-
пы генетики Менделя к наследованию признаков
у человека и особое внимание уделим передаче
наследственных заболеваний.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 14.3
Неполное доминирование и эпистоз — это термины, опре-
деляющие генетические взаимодействия. Каковы основ-
ные различия между данными терминами?
Если мужчина с группой крови АВ женится на женщине с
группой крови О, какие группы крови можно ожидать для их
детей? Какое соотношение групп крови будет наблюдаться?
Петух с серым оперением и курица со
сходным фенотипом произвели 15 серых, 6 черных и 8 бе-
лых цыплят. Каково самое простое объяснение для насле-
дования цвета оперения у цыплят? Какие фенотипы можно
ожидать в потомстве от скрещивания серого петуха и чер-
ной курицы?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
14.4. Многие признаки у человека
наследуются согласно законам
Менделя
Горох является удобным объектом для генети-
ческих исследований в отличие от человека. Сме-
на поколений у человека происходит медленно —
примерно раз в 20 лет — и человеческие родители
производят гораздо меньше потомков, чем горох
и большинство других видов. Еще более важным
является то, что неэтичным было бы требовать
пары людей спариваться столько раз, сколько не-
обходимо для анализа фенотипов их потомков!
Несмотря на эти ограничения, изучение генетики
человека продолжается, подстрекаемое желанием
понять наши собственные закономерности насле-
дования. Новые молекулярно-биологические ме-
тоды привели к многочисленным прорывам и от-
крытиям, о чем мы узнаем в главе 20, но основной
вклад в генетику человека все-таки сделан генети-
кой Менделя.
Анализ родословных
В отсутствие возможности управлять спари-
ванием людей, генетики анализируют результаты
скрещиваний, которые уже произошли. Они дела-
ют это путем сбора информации об истории семьи
по конкретному признаку и составления этой ин-
378 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Построение шсто граммы и аналнр профилей распределения
Каково распределение фенотипов среди потомков двух ро-
дителей, которые одновременно являются гетерозиготными
по трем генам? Цвет кожи человека является полигонным при-
знаком, который определяется дополнительными эффектами
многих различных генов. В этом упражнении вы поработаете с
упрощенной моделью генетики цвета кожи, в которой предпо-
лагается, что на цвет кожи влияют только три гена, имеющие два
кожи) в виде
столбцов. Что-
бы составить
гистограмму
распределе-
ния аллелей, отложите цвета кожи (выра-
женные в количестве аллелей темного цвета кожи) на оси х;
аллеля — темного цвета кожи и светлого цвета кожи (рис. 14.13).
В этой модели каждый аллель темного цвета кожи способствует
потемнению кожи в равной степени, и каждая пара аллелей раз-
деляется в гаметах независимо от другой пары. Используя тип
графика, называемый гистограммой, вы определите распреде-
ление фенотипов в потомстве с различным количеством аллелей
темного цвета кожи.
Как анализировать эту модель. Чтобы предсказать фенотипы
потомства от родителей, гетерозиготных по трем генам, в нашей
упрощенной модели, мы можем использовать решетку Пеннета
на рис. 14.13. Гетерозиготные особи (АаВЬСс), представленные
двумя прямоугольниками в верхней части этого рисунка, несут
три аллеля темного цвета кожи (черные кружки, которые пред-
ставляют аллели А, 6 или С) и три аллеля светлого цвета кожи (бе-
лые кружки, которые представляют аллели а, Ь или с). Решетка
Пеннета показывает все возможные генетические комбинации в
гаметах и в потомстве от большого числа гипотетических скрещи-
ваний между этими гетерозиготами.
Прогнозы по решетке Пеннета. Если предположить, что каждый
квадрат в решетке Пеннета представляет собой одного потомка
гетерозиготных родителей АаВЬСс, то приведенные ниже ква-
дратики показывают частоты всех семи возможных фенотипов в
потомстве, где каждый фенотип имеет определенное количество
аллелей темного цвета кожи.
для каждого цвета кожи постройте столбец, высота которого
пропорциональна количеству потомков (из 64) с соответству-
ющим вариантом фенотипа. В наших данных по количеству
аллелей нет пробелов, поэтому нарисуйте столбцы рядом
друг с другом без пробелов между ними.
2. Вы можете видеть, что распределение фенотипа цвета
кожи неравномерно, а) Какой фенотип имеет самую высо-
кую частоту? Проведите вертикальную пунктирную линию
через этот столбец, б) Как правило, такое распределение
значений относится к одному из распространенных типов.
Набросайте кривую, соединяющую значения в столбцах, и
посмотрите на ее форму. Является ли она симметрично рас-
пределенной вокруг центрального пикового значения ("нор-
мальное распределение", иногда называемое колоколоо-
бразной кривой); наклонена ли она к одному из концов оси х
("неравномерное распределение"); или она разделена на
две явных группы частот ("бимодальное распределение")?
Объясните причину данной формы кривой. (Текстовое описа-
ние к рис. 14.13 поможет вам в выполнении задания.)
3. Если бы один из трех генов был летальным (т.е. несовмести-
мым с жизнью организма) в состоянии рецессивной гомози-
готы, что бы произошло с распределением частот феноти-
пов? Чтобы выяснить это, используйте ЬЬ в качестве примера
летального генотипа. Используя рис. 14.13, определите по-
томков (квадраты), у которых центральные кружки (ген В/Ь),
sr н н s s S в
1/б4
Количество
аллелей,
определяю-
щих темный
цвет кожи: и
Анализ данных.
1. Гистограмма — это изображение распределения численных
данных (в данном случае, количества аллелей темного цвета
расположенные в верхних и нижних рядах, белого цвета, что
соответствует гомозиготе ЬЬ. Так как состояние bb летально,
вычеркните эти квадраты, затем рассчитайте частоты появ-
ления фенотипов для выживших потомков в соответствии с
количеством аллелей темного цвета кожи (0-6) и постройте
гистограмму для новых данных. Что произошло с формой кри-
вой по сравнению с кривой из вопроса 2? Что это означает
для распределения частот фенотипов?
Для дальнейшего чтения: R. A. Sturm, A golden age of human
pigmentation genetics, Trends in Genetics 22:464-468 (2006).
2
3 4
5 6
формацию в родословную, описывающую призна-
ки родителей и детей из поколения в поколение.
На рис. 14.15, а, изображена родословная трех по-
колений, в которой отслеживается признак зао-
стренного контура линии роста волос на лбу. Эта
черта обусловливается доминантным аллелем И .
Так как данный аллель является доминантным,
все люди, у которых данная черта отсутству-
ет, должны быть рецессивными гомозиготами
(mv). Бабушка и дедушка с заостренным конту-
ром линии роста волос на лбу должны иметь ге-
нотип Ww, так как некоторые из их потомков яв-
ляются рецессивными гомозиготами. Потомки
во втором поколении с заостренным контуром
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 379
линии роста волос на лбу также должны быть ге-
терозиготными, потому что они являются резуль-
татом скрещивания генотипов Ww х ww. Третье
поколение в этой родословной представлено дву-
мя сестрами. Та, которая имеет заостренный кон-
тур линии роста волос на лбу может быть либо
гомозиготной (WW), либо гетерозиготной (Ww)
по данному признаку, учитывая то, что мы знаем
о генотипах ее родителей (оба Ww).
На рис. 14.15, б, показана родословная той же
семьи, но на этот раз мы рассмотрим рецессив-
ный признак — приросшие мочки ушей. Мы бу-
дем использовать / для рецессивного аллеля и F
для доминантного аллеля, который приводит к
формированию свободных мочек ушей. По мере
Обозначения
□ Мужчина □ Мужчина, □--------Q Скрещивание
имеющий
данный признак
О Женщина О Женщина,
имеющая
данный признак
Потомки в поряд-
ке их рождения
(слева направо)
изучения родословной еще раз обратите внима-
ние на то, что вы можете применять изученные
вами законы наследования Менделя, чтобы по-
нять, какие генотипы имеют отмеченные на ри-
сунке члены семьи.
Важным применением родословной является
помощь в определении вероятности того, какой
генотип и фенотип будет иметь будущий ребенок.
Предположим, что пара, представленная во вто-
ром поколении на рис. 14.15, решает завести еще од-
ного ребенка. Какова вероятность того, что ребе-
нок будет иметь заостренный контур линии роста
волос на лбу? Данное скрещивание эквивалентно
менделевскому моногибридному скрещиванию
потомков F( (Ww х Ww), и, таким образом, веро-
ятность того, что ребенок унаследует доминант-
ный аллель и будет иметь заостренный контур
линии роста волос на лбу, составляет % (% WW +
+ lA Ww). Какова вероятность того, что ребенок
будет иметь приросшие мочки ушей? Опять же,
Второе поколение
(родители,
тёти и дяди) I
Первое поколение
(бабушки
и дедушки)
Первое поколение
(бабушки и дедушки)
Ww ww ww Ww
Ww ww
Третье
поколение
(две сестры)
Заострённый контур Ровная линия роста
линии роста волос на лбу волос на лбу
Второе поколение
(родители,
тети и дяди)
A A А А-г-А
FF ft ff Ff Ff
wuFf
Третье поколение
(две сестры)
а) Доминантен или рецессивен признак заостренного
контура линии роста волос на лбу?
Подсказка для анализа родословной: обратите внимание
на то, что в третьем поколении вторая дочь не имеет заос-
трённого контура линии роста волос на лбу, хотя оба её
родителя имеют данный признак. Такой характер насле-
дования свидетельствует в пользу того, что этот признак
определяется доминантным аллелем. Если бы данный
признак определялся рецессивным аллелем, то у двух
родителей, имеющих рецессивный фенотип, все дети
также имели бы рецессивный фенотип.
6) Доминантен или рецессивен признак приросших
мочек ушей?
Подсказка для анализа родословной: обратите внимание
на то, что первая дочь в третьем поколении имеет прирос-
шие мочки ушей, хотя у обоих её родителей данный при-
знак отсутствует (они имеют свободные мочки ушей).
Такой характер наследования легко объяснить, если
предположить, что признак приросших мочек ушей являет-
ся рецессивным. Если бы признак был обусловлен доми-
нантным аллелем, то по крайней мере один из родителей
также имел бы данный признак.
Рис. 14.15. Менделевский закон расщепления. Данная диаграмма отражает генетическую структуру поколений F1 и F2, показан-
ных на рис. 14.3. Она иллюстрирует менделевскую модель наследования аллелей одного гена. Каждое растение содержит два
аллеля, контролирующих цвет цветков — по одному аллелю от каждого родителя. Чтобы составить решетку Пеннета для предска-
зания генотипов потомков F2, мы перечисляем все возможные гаметы одного родителя (в данном случае, женское растение по-
коления Fp в левом столбце и все возможные гаметы второго родителя (в данном случае, мужское растение поколения Fp в верх-
ней строке. В клетках таблицы записываются генотипы и фенотипы потомков, полученных из всех возможных комбинаций мужских
и женских гамет
380 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
мы можем рассматривать это как моногибридное
скрещивание (Ff х Ff), но на этот раз мы хотим
знать вероятность того, что потомство будет го-
мозиготным рецессивным (ff). Эта вероятность
составляет * 1А. Наконец, какова вероятность того,
что ребенок будет иметь заостренный контур ли-
нии роста волос на лбу и приросшие мочки ушей?
Если предположить, что гены этих двух призна-
ков находятся на разных хромосомах, две пары ал-
лелей будут расщепляться независимо в этом ди-
гибридном скрещивании (WwFf х WwFf). Таким
образом, мы можем использовать правило умно-
жения: % (вероятность формирования заострен-
ного контура линии роста волос на лбу) х 1А (веро-
ятность формирования приросших мочек ушей) =
= 716 (вероятность формирования заостренного
контура линии роста волос на лбу и приросших
мочек ушей).
Родословные являются более серьезным пред-
метом, когда интересующие аллели являются при-
чиной расстройств или смертельных болезней, а
не безобидных вариаций признаков у человека,
таких как линия роста волос или конфигурация
мочки уха. Тем не менее для расстройств, насле-
дуемых как простые признаки Менделя, применя-
ются те же методы анализа родословных.
Рецессивные
наследственные заболевания
Тысячи генетических нарушений, как извест-
но, наследуются как простые рецессивные при-
знаки. Эти нарушения варьируют по серьезности
симптомов от относительно легких форм, как аль-
бинизм (отсутствие пигментации, которое приво-
дит к повышению вероятности заболевания ра-
ком кожи и проблемам со зрением), до опасных
для жизни, таких как кистозный фиброз (муко-
висцидоз).
Поведение рецессивных аллелей
Как мы можем объяснить поведение аллелей,
которые вызывают рецессивно-наследуемые за-
болевания? Напомним, что гены кодируют белки
с определенными функциями. Аллель, который
вызывает генетическое заболевание (назовем его
аллель а) кодирует либо нефункциональный бе-
лок, либо и вовсе не кодирует белок. В случае на-
рушений, классифицируемых как рецессивные,
гетерозиготы (Ла), как правило, имеют нормаль-
ный фенотип, потому что одна копия нормально-
го аллеля (А) производит достаточное количество
определенного белка. Таким образом, рецессивное
наследственное заболевание проявляется толь-
ко в гомозиготных особях (аа), которые наследу-
ют один рецессивный аллель от каждого родителя.
Являясь фенотипически нормальными в отноше-
нии расстройства, гетерозиготы могут передавать
рецессивный аллель своему потомству и поэто-
му называются носителями. На рис. 14.16 проиллю-
стрированы эти идеи на примере альбинизма.
Родители
Норма Норма
АА
Норма
Аа
Норма
(носитель)
Аа
Норма
(носитель)
аа
Альбинос
Рис. 14.16. Альбинизм: рецессивный признак. Одна из двух
сестер имеет нормальную пигментацию, другая является
альбиносом. Большинство рецессивных гомозигот рождают-
ся у родителей, которые являются носителями гена, опреде-
ляющего некое отклонение, но сами имеют нормальный фе-
нотип. Данная ситуация отражена в решетке Пеннета
а Какой будет вероятность того, что сестра с нормальной
пигментацией является носителем аллеля альбинизма?
Большинство людей, имеющих рецессивные
расстройства, рождаются у родителей, которые
являются носителями заболевания, но имеют
нормальный фенотип, как в случае, показанном
в решетке Пеннета на рис. 14.16. Спаривание двух
носителей соответствует менделевскому моноги-
бридному скрещиванию Fp и предсказанное ге-
нотипическое соотношение для потомства будет
1 АА : 2 Аа : 1 аа. Таким образом, с вероятностью
1А ребенок таких родителей унаследует оба рецес-
сивных аллеля и, в случае альбинизма, будет аль-
биносом. Их генотипическое соотношение пред-
сказывает, что из трех потомков с нормальным
фенотипом (один с фенотипом АА и два — Аа)
два будут являться гетерозиготными носителя-
ми, т.е. вероятность “носительства” равна %. Ре-
цессивные гомозиготы могут также возникнуть
в результате скрещивания Аа х Аа и аа х аа, но
если заболевание приводит к летальному исхо-
ду до достижения репродуктивного возраста или
приводит к стерильности (эти утверждения не
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 381
относятся к альбинизму), то в потомстве не будет
особей с генотипом аа. Даже если рецессивные го-
мозиготы в состоянии размножаться, их скрещи-
вание будет происходить относительно редко, так
как такие особи составляют гораздо меньший про-
цент популяции, чем гетерозиготные носители.
В целом генетические расстройства распреде-
лены среди всех групп населения неравномерно.
Например, частота болезни Тея-Сакса, о кото-
рой мы рассказывали ранее в этой главе, непро-
порционально высока среди ашкеназских евре-
ев — еврейской народности, чьи предки жили в
Центральной Европе. В этой популяции болезнь
Тея-Сакса встречается один раз на 3600 новоро-
жденных, т.е. с вероятностью примерно в 100 раз
большей, чем в среде не-евреев или средиземно-
морских евреев (сефардов). Такое неравномерное
распределение является результатом различной
генетической истории народов мира в дотехноло-
гические времена, когда население было более ге-
ографически (и, следовательно, генетически) изо-
лировано.
Если приводящий к болезни рецессивный ал-
лель является редким, относительно маловеро-
ятно, что два носителя одного и того же болез-
нетворного аллеля встретятся и произойдет их
спаривание. Однако вероятность передачи рецес-
сивных признаков сильно возрастает, если муж-
чина и женщина являются близкими родствен-
никами (например, родными или двоюродными
братьями и сестрами). Так происходит потому,
что люди, имеющие общих предков, с большей ве-
роятностью будут нести одни и те же рецессив-
ные аллели, чем не связанные родством люди. Та-
ким образом, близкородственные скрещивания,
обозначаемые в родословных двойными линия-
ми, с большей вероятностью произведут потом-
ство, гомозиготное по рецессивным признакам —
в том числе и вредным. Такие эффекты могут
наблюдаться для многих типов одомашненных и
живущих в зоопарках животных, которые стали
инбредными (т.е. происходящими от родствен-
ных особей).
В среде генетиков существует дискуссия о сте-
пени, в которой кровное родство людей увели-
чивает риск наследственных заболеваний. Мно-
гие вредные аллели имеют такие серьезные
проявления, что гомозиготный эмбрион спон-
танно абортируется задолго до рождения. Боль-
шинство обществ и культур имеют жесткие зако-
ны (табу), запрещающие браки между близкими
родственниками. Эти правила, возможно, эволю-
ционировали из эмпирических наблюдений, что
в большинстве популяций мертворождения и
врожденные дефекты встречаются чаще, если ро-
дители являются близкими родственниками. Со-
циальные и экономические факторы также ока-
зывали влияние на развитие обычаев и законов
против близкородственных браков.
Муковисцидоз
Наиболее распространенным летальным ге-
нетическим заболеванием в США является ки-
стозный фиброз (муковисцидоз), который пора-
жает одного из каждых 2500 людей европейского
происхождения, но гораздо реже встречается в
других группах. Среди людей европейского про-
исхождения один из 25 (4%) является носителем
аллеля кистозного фиброза. Нормальный аллель
этого гена кодирует мембранный белок, кото-
рый функционирует при транспорте ионов хло-
ра между определенными клетками и межклеточ-
ной жидкостью. У детей, которые унаследовали
два рецессивных аллеля кистозного фиброза, эти
транспортные каналы являются дефектными или
отсутствуют в плазматических мембранах. В ре-
зультате наблюдается аномально высокая кон-
центрация внеклеточного иона хлора, что при-
водит к образованию слизи, которая покрывает
определенные клетки, и они становятся более
крупными и липкими, чем обычно. Слизь нака-
пливается в поджелудочной железе, легких, же-
лудочно-кишечном тракте и других органах, что
приводит к нескольким (плейотропным) эффек-
там, в том числе затрудненному усвоению пи-
тательных веществ в кишечнике, хроническому
бронхиту и рецидивирующим бактериальным
инфекциям.
Без лечения муковисцидоз может привести
к смерти в возрасте пяти лет. Ежедневные дозы
антибиотиков для остановки инфекции, легкое
постукивание по грудной клетке, чтобы очистить
дыхательные пути от слизи, и другие методы
лечения могут продлить жизнь больного. В США
свыше половины больных кистозным фиброзом
сейчас доживает до 30 лет и более.
эволюция
Серповидноклеточная анемия: генетическое
заболевание с эволюционным подтекстом
Наиболее распространенным на-
следственным заболеванием среди людей афри-
канского происхождения является серповидно-
382 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
клеточная анемия, которая поражает одного
из 400 афроамериканцев. Серповидноклеточная
анемия вызвана замещением одной аминокис-
лоты в гемоглобине эритроцитов; у гомозигот-
ных особей весь гемоглобин представлен серпо-
видноклеточной (аномальной) разновидностью.
Когда содержание кислорода в крови больного
находится на низком уровне (например, на боль-
ших высотах или при физических нагрузках),
молекулы аномального гемоглобина слипаются
в длинные волокна, которые деформируют эри-
троциты в форму серпа (см. рис. 5.19 в главе 5). По-
раженные клетки могут скапливаться и забивать
маленькие кровеносные сосуды, что часто при-
водит к разным симптомам по всему телу, в том
числе физической слабости, боли, повреждени-
ям органов и даже параличу. Регулярные перели-
вания крови могут предотвратить повреждения
головного мозга у детей с серповидноклеточной
анемией, а новые препараты могут помочь пре-
дотвратить или вылечить другие проблемы, но в
настоящее время нет широкодоступного спосо-
ба лечения.
Хотя для полномасштабного проявления бо-
лезни у человека необходимы два аллеля серпо-
видноклеточной анемии, наличие одного серпо-
видноклеточного аллеля может также повлиять
на фенотип. Таким образом, на организменном
уровне нормальный аллель является полностью
доминирующим по отношению к серповиднокле-
точному (рис. 14.17). На молекулярном уровне два
аллеля являются кодоминантными; как обычный,
так и аномальный (серповидноклеточный) ге-
моглобин производится в организме гетерозигот
(носителей), которые имеют признак серповидно-
клеточности. Гетерозиготы, как правило, здоро-
вы, но могут страдать от некоторых симптомов,
появляющихся при длительных периодах пони-
женного содержания кислорода в крови.
Примерно один из десяти афроамериканцев
имеет признак серповидноклеточности, и это
является необычно высокой частотой гетеро-
зигот для аллеля, который приводит к тяжелым
последствиям в гомозиготе. Почему эволюцион-
ные процессы не привели к исчезновению это-
го аллеля в данной группе населения? Одним из
объяснений является то, что наличие одной ко-
пии серповидноклеточного аллеля снижает ча-
стоту и тяжесть приступов малярии, особенно
среди детей младшего возраста. Малярийный па-
разит проводит часть своего жизненного цикла в
эритроцитах, а наличие даже половинного коли-
чества серповидноклеточного гемоглобина в ге-
терозиготах приводит к снижению концентрации
паразита и, как следствие, облегчению симпто-
мов малярии. Таким образом, в тропической Аф-
рике, где распространена инфекция малярийного
плазмодия, серповидноклеточный аллель являет-
ся преимуществом для гетерозигот, хотя вреден
в гомозиготном состоянии. Относительно высо-
кая частота серповидноклеточного признака для
афроамериканцев является следствием их афри-
канских корней.
Мутантные аллели
гемоглобина (НВД
Аномальный Участок Серповидные
гемоглобин фибриллы эритроциты
(HbS) аномального
гемоглобина (HbS)
а) Гомозигота с серповидноклеточной анемией: слабость,
анемия, боль и лихорадка, повреждения различных органов
видную
форму
Часть
клеток
имеет
Серповидные
и нормальные
эритроциты
Очень низкая,
концентрация’*
кислорода г
Аллель серповидноклеточной анемии
Нормальный
аллель
Аномальный
гемоглобин
и нормальный
гемоглобин
9
Участок фибриллы
аномального
гемоглобина
и нормальный
гемоглобин
б) Гетерозигота с серповидноклеточностью: некоторые
симптомы проявляются при очень низкой концентрации
кислорода в крови; повышенная устойчивость к малярии
Рис. 14.17. Признак серповидноклеточности и серповидно-
клеточная анемия
Доминантные наследственные
заболевания
Несмотря на то, что многие вредные алле-
ли являются рецессивными, определенное ко-
личество заболеваний человека обусловлено
доминантными аллелями. Одним из примеров яв-
ляется ахондроплазия, форма карликовости, кото-
рая встречается у одного из 25 тысяч человек. Ге-
терозиготные особи имеют карликовый фенотип
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 383
(рис. 14.18). Таким образом, все люди, которые не
являются карликами с ахондроплазией — 99,99%
населения, — являются гомозиготными по рецес-
сивному аллелю. Так же, как и присутствие до-
полнительных пальцев рук или ног, упомянутые
ранее, ахондроплазия является признаком, при
которым рецессивный аллель является гораздо
более распространенным, чем соответствующий
доминантный аллель.
Родители
Карликовость Норма
Dd х dd
dd
Норма
dd
Норма
Сперматозоид
Cd)
Яйце-
клетка
Cd}
Dd
Карликовость
Dd
Карликовость
Рис. 14.18. Ахондроплазия: доминантный признак. Доктор
Майкл С. Эйн болен ахондроплазией, формой карликовости,
вызываемой доминантным аллелем. Болезнь вдохновила док-
тора Эйна на работу: он является специалистом в коррекции
дефектов костей, вызванных ахондроплазией и другими нару-
шениями. Доминантный аллель (0) может появиться в резуль-
тате мутации в яйцеклетке или сперматозоиде родителя, или
может быть унаследован от больного родителя, как показано
на примере больного отца в решетке Пеннета
Доминантные аллели, которые вызывают
смертельные заболевания, встречаются гораз-
до реже, чем рецессивные аллели, приводящие к
летальному исходу. Все летальные аллели возни-
кают в результате мутаций (изменений ДНК) в
клетках, производящих сперматозоиды или яй-
цеклетки; предположительно, такие мутации мо-
гут с равной вероятностью быть рецессивными
или доминантными. Смертельный рецессивный
аллель может передаваться от одного поколения
к другому гетерозиготными носителями, так как
сами носители имеют нормальные фенотипы.
Смертельный доминантный аллель, однако, ча-
сто приводит к смерти больных до того, как они
достигнут половой зрелости, и поэтому аллель не
передается будущим поколениям.
В случаях с поздним проявлением заболе-
ваний, смертельный доминантный аллель мо-
жет быть передан потомкам. Если симптомы по-
являются после достижения репродуктивного
возраста, человек может успеть передать аллель
своим детям. Например, дегенеративное заболе-
вание нервной системы, называемое болезнью
Хантингтона, обусловлено летальным доми-
нантным аллелем, который не имеет очевидного
фенотипического эффекта у лиц в возрасте до 35-
45 лет. Поражение нервной системы является не-
обратимым и приводит к неизбежному смертель-
ному исходу. Как и в случае других доминантных
признаков, ребенок, родившийся от родителей с
аллелем болезни Хантингтона, имеет 50% шанс
унаследовать аллель и болезнь (см. решетку Пен-
нета на рис. 14.18). В США это заболевание поража-
ет примерно одного из 10 тысяч человек.
Раньше проявление симптомов было един-
ственным способом узнать, унаследовал ли че-
ловек аллель Хантингтона, но сейчас ситуация
изменилась. Анализируя образцы ДНК много-
детной семьи с высокой частотой встречаемо-
сти расстройства, генетики локализовали аллель
Хантингтона на участке вблизи конца 4-й хромо-
сомы, и в 1993 году ген был секвенирован. Эта
информация привела к разработке теста, кото-
рый помогает обнаружить аллель Хантингтона
в геноме человека. (Методы, которые делают та-
кие тесты возможными, обсуждаются в главе 20.)
Наличие этого теста представляет мучительную
дилемму для людей с семейной историей болез-
ни Хантингтона. Некоторые люди могут захотеть
пройти тест на это заболевание, в то время как
другие могут решить, что информация о наличии
болезни может оказаться слишком тяжелой пси-
хологически.
Мультифакторные заболевания
Наследственные заболевания, которые мы об-
суждали до сих пор, иногда называют просты-
ми менделевскими расстройствами, потому что
они являются результатом аномалий одного или
обоих аллелей одиночного генетического локу-
са. Намного больше людей подвержено болезням,
которые имеют мультифакторную основу — ге-
нетический компонент вместе со значительным
влиянием окружающей среды. Сердечно-сосуди-
стые заболевания, диабет, рак, алкоголизм, опре-
деленные психические заболевания, такие как
шизофрения и биполярное расстройство и мно-
жество других заболеваний являются мульти-
факторными. В этих случаях наследственный
компонент заболевания является полигенным.
Например, многие гены влияют на состояние
384 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
сердечно-сосудистой системы, делая одних людей
более склонными к инфарктам и инсультам, чем
других. Независимо от того, каков наш генотип,
наш образ жизни имеет огромное влияние на фе-
нотип сердечно-сосудистой системы и на другие
мультифакторные признаки. Упражнения, здоро-
вый рацион, воздержание от курения и способ-
ность справляться со стрессовыми ситуациями
уменьшают риск развития сердечно-сосудистых
заболеваний и некоторых видов рака.
Генетическое тестирование
и консультирование
Учитывая риск развития генетического заболе-
вания до зачатия ребенка или на ранних стадиях
беременности, возможно избежать заболеваний,
наследование которых основано на менделевской
генетике. Многие лечебные учреждения имеют ге-
нетических консультантов, которые могут проин-
формировать будущих родителей о возможности
развития определенных заболеваний на основе се-
мейной истории. Тестирование плода и новоро-
жденного ребенка также способно выявить гене-
тические аномалии.
Консультирование, основанное
на менделевской генетике
и законах теории вероятностей
Рассмотрим случай гипотетического пары,
Джона и Кэрол. У каждого из них был брат, кото-
рый умер от одной и той же рецессивно наследуе-
мой смертельной болезни. Перед зачатием первого
ребенка Джон и Кэрол решили пройти генетиче-
ское консультирование с целью определения риска
рождения больного ребенка. Располагая инфор-
мацией об их братьях, мы знаем, что оба родите-
ля Джона и оба родителя Кэрол должны были быть
носителями рецессивного аллеля. Таким образом,
Джон и Кэрол являются результатом скрещива-
ния генотипов Аа х Аа, где а обозначает аллель, ко-
торый приводит к развитию данной болезни. Мы
также знаем, что Джон и Кэрол не являются рецес-
сивными гомозиготами (аа), потому что сами они
здоровы. Таким образом, их генотипы либо АА,
либо А«.
Учитывая генотипическое соотношение 1 АА :
2 Аа : 1 аа для потомков от скрещивания Аа х АА,
вероятность того, что Джон и Кэрол являются но-
сителями болезни, составляет 2/з (Аа). В соответ-
ствии с правилом умножения результирующая
вероятность того, что их первенец будет иметь
заболевание, составляет: 2/з (вероятность того, что
Джон носитель) х 2А (вероятность того, что Кэрол
носитель) х % (вероятность того, что у двух но-
сителей родится ребенок с болезнью), что состав-
ляет 'А. Предположим, что Кэрол и Джон решили
завести ребенка — в конце концов, вероятность
того, что их ребенок будет здоров, составляет %.
Если, несмотря на эти вероятности, их ребенок
родится с болезнью, то мы будем знать, что и
Джон, и Кэрол на самом деле являются носителя-
ми (генотип Аа). Если и Джон, и Кэрол являются
носителями, то существует вероятность того, что
в одном из четырех случаев ребенок этой пары
будет иметь заболевание. Вероятность выше для
следующих детей, потому что при диагностике
заболевания первого ребенка было установлено,
что оба родителя являются носителями, а не пото-
му что генотип первого ребенка влияет каким-ли-
бо образом на генотип будущих детей.
Тесты для идентификации носителей
Большинство детей с рецессивными рас-
стройствами рождаются у родителей с нормаль-
ным фенотипом. Поэтому ключ к точной оценке
генетического риска для конкретного заболева-
ния — определение того, являются ли потенци-
альные родители гетерозиготными носителями
рецессивного аллеля. В настоящее время доступ-
ны тесты для все большего числа наследственных
заболеваний. Эти тесты помогают определить, яв-
ляется ли человек с нормальным фенотипом до-
минантной гомозиготой или гетерозиготным но-
сителем. Сейчас существуют тесты, которые могут
определить носителей аллеля болезни Тея-Сакса,
серповидноклеточной анемии и наиболее распро-
страненной формы муковисцидоза.
Тесты для выявления носителей позволяют
людям с семейной историей генетических нару-
шений принимать обоснованные решения, за-
водить ли детей, но поднимают и другие вопро-
сы. Можно ли отказать носителю в страховании
жизни или здоровья, или отказать в рабочем ме-
сте, которое обеспечивает страховые преиму-
щества, даже если носитель сам по себе является
здоровым? Акт о генетической недискриминации
вступил в силу в США в 2008 году, и он разреша-
ет эти вопросы путем запрета на дискримина-
цию в области труда и страхования, основанную
на результатах генетических тестов. Остается во-
прос о том, способно ли генетическое консульти-
рование помочь большому количеству людей по-
нять результаты их генетических тестов. Даже
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 385
когда тесты дают четкие и понятные результаты,
прошедшие тестирование люди могут по-прежне-
му сталкиваться с трудными решениями. Успехи
в области биотехнологий обладают потенциалом
для облегчения человеческих страданий, но вме-
сте с ними приходят и этические вопросы, кото-
рые требуют сознательного рассмотрения.
Тестирование плода
Предположим, пара, ожидающая ребенка, уз-
нает, что оба родителя являются носителями ал-
леля Тея-Сакса. Тесты, проведенные с помощью
процедуры под названием амниоцентез на 14-
16-й неделе беременности, помогут определить,
имеет ли развивающийся плод болезнь Тея-Сакса
(рис. 14.19, а).
В ходе этой процедуры врач вводит иглу в мат-
ку и извлекает около 10 мл амниотической жидко-
сти, которая омывает плод. Некоторые генетиче-
ские нарушения могут быть выявлены по наличию
определенных молекул в самой амниотической
жидкости. Тесты для других расстройств, вклю-
чая болезнь Тея-Сакса, выполняются на ДНК кле-
ток, культивируемых в лаборатории, которые яв-
ляются потомками отделившихся клеток плода из
амниотической жидкости. Кариотип этих культи-
вируемых клеток позволяет также определить не-
которые хромосомные дефекты (см. рис. 13.3).
В альтернативном методе, называемом биопси-
ей ворсин хориона (БВХ), врач вставляет узкую
трубку в шейку матки и отбирает крошечный об-
разец ткани плаценты — органа, который осу-
ществляет обмен питательными веществами
и отходами жизнедеятельности между плодом и
матерью (рис. 4.19, б). Клетки хорионных ворсинок
плаценты развиваются из плода и имеют такой
же генотип и последовательность нуклеотидов в
ДНК. Эти клетки делятся достаточно быстро, что
позволяет выполнить кариотипирование практи-
чески сразу. Быстрота этого анализа предоставля-
а) Амниоцентез
О Образец амниоти-
ческой жидкости
можно отобрать
на 14-16 неделе
беременности.
Плод
Плацента
Матка
Центрифуги-
рование
Шейка
матки
б) Биопсия ворсин хориона (БВХ)
Ультразвуковой
датчик
Отбор
амниоти-
ческой
жидкости
Жидкость----- Несколько часов
0 Биохимические |<дет|(И
и генетические
плода ------------------------
исследования
можно провести '
непосредственно после
отбора амниотической
жидкости или через
некоторое время, если
культивировать получен- .
ные клетки.
Несколько
недель
Биохимические несколько часов
и генетические _______________
исследования
Ультразвуковой------(
датчик
Плод------
Плацента
Ворсины
хориона
Матка
матки
-----Клетки плода
Трубка вводится
через шейку матки
Q Биопсию ткани вор-
синок хориона осу-
ществляют на 8-10 не-
деле беременности.
О Клетки плода необходимо
культивировать несколько
недель, чтобы получить
количество, достаточное
для кариотипирования.
Несколько недель
Кариотипирование
Несколько часов .
0 Кариотипирование, биохими-
ческие и генетические иссле-
дования можно провести
сразу после выделения клеток
хориона, что позволяет полу-
чить результаты в течение
одного дня.
Я
Б К
« Н
й и
в н
Рис. 14.19. Тестирование плода на наличие генетических заболеваний. Биохимические пробы используются для обнаружения ве-
ществ, указывающих на наличие определенных нарушений, о генетические исследования помогают выявить наследственные ано-
малии. Кариотипирование показывает, все ли в порядке с количеством и внешним видом хромосом
386 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
ет преимущество по сравнению с амниоцентезом,
при котором клетки для кариотипирования необ-
ходимо культивировать в течение нескольких не-
дель. Еще одним преимуществом является то, что
БВХ может быть выполнена уже на 8-10-й неделе
беременности.
Ученые-медики также разработали методы
выделения клеток плода, и даже ДНК плода, ко-
торые выделяются в кровь матери. Несмотря на
очень небольшие количества эти клетки мож-
но культивировать и тестировать, а ДНК пло-
да можно проанализировать. В 2012 году иссле-
дователи смогли проанализировать весь геном
плода, сравнивая последовательности образцов,
полученных от обоих родителей, с ДНК плода,
найденной в крови матери. Этот неинвазивный
метод (т.е. без прямого проникновения внутрь
тела), вероятно, станет наиболее предпочтитель-
ным в диагностике генетически обусловленных
заболеваний.
Методы визуализации позволяют врачу осмо-
треть плод непосредственно на предмет крупных
анатомических аномалий, которые могут быть не
отражены в генетических тестах. В методе ультраз-
вуковой диагностики отраженные звуковые волны
используются для получения изображения плода с
помощью простой неинвазивной процедуры. При
фетоскопии в матку вводится тонкая трубка-игла,
содержащая оптоволоконный эндоскоп.
Ультразвук и выделение фетальных клеток
или ДНК из крови матери не представляют ника-
кой угрозы для матери или плода, в то время как
другие процедуры могут вызвать осложнения в
небольшом проценте случаев. Амниоцентез или
БВХ, как правило, предлагаются для диагности-
ческого тестирования женщинам в возрасте стар-
ше 35 лет, в связи с повышенным риском рожде-
ния ребенка с синдромом Дауна, но также могут
быть предложены молодым женщинам, если из-
вестно, что для этого существует повод. Если в ре-
зультате тестов у плода обнаруживают серьезное
расстройство такое, как болезнь Тея-Сакса, роди-
тели сталкиваются с трудным выбором: прервать
беременность или готовиться к уходу за ребенком
с генетическим заболеванием с возможным смер-
тельным исходом. Скрининг родителей и плода на
наличие аллелей болезни Тея-Сакса с 1980 года
сократил количество детей, рожденных с этой не-
излечимой болезнью, на 90%.
Скрининг новорожденных
Некоторые генетические нарушения могут
быть выявлены после родов посредством про-
стых биохимических тестов, которые в настоя-
щее время выполняются в плановом порядке в
большинстве больниц в США. Одной из распро-
страненных программ скрининга является про-
верка на фенилкетонурию (ФКУ), рецессивное
наследственное заболевание, которое встречает-
ся примерно один раз на каждые 10-15 тысяч но-
ворожденных в США. Дети с этим заболеванием
не способны правильно усваивать аминокисло-
ту фенилаланин. Это соединение и его метаболит,
фенилпируват, могут накапливаться в крови,
вплоть до токсичного уровня, вызывая сильные
нарушения в умственном развитии (умственная
отсталость). Однако если ФКУ обнаруживается у
новорожденных, специальная диета с низким со-
держанием фенилаланина, как правило, позволя-
ет детям нормально развиваться. (Кроме многих
других веществ, эта диета исключает искусствен-
ный подсластитель аспартам, который содержит
фенилаланин.) К сожалению, лишь немногие дру-
гие генетические расстройства в настоящее время
поддаются лечению.
Скрининг плода и новорожденных на наличие
серьезных наследственных заболеваний, тесты
для выявления носителей заболеваний, генетиче-
ское консультирование — все эти методы основа-
ны на менделевской модели наследования. Благо-
даря элегантным количественным экспериментам
Грегора Менделя возникла “идея гена” — концеп-
ция о наследственных факторах, передаваемых в
соответствии с простыми правилами теории ве-
роятностей. Важность этого открытия была в пол-
ной мере оценена большинством биологов лишь
в начале XX века, спустя десятилетия после того,
как Мендель сообщил о своих выводах. В главе 20
вы узнаете, какие физические принципы (поведе-
ние хромосом во время мейоза) лежат в основе за-
конов Менделя, и как синтез генетики Менделя и
хромосомной теории наследственности ускорил
развитие генетики.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 14.4
1. У Бэт и Тома есть брат и сестра, больные муковисцидо-
зом, но ни Бэт, ни Том, ни их родители не больны. Вычисли-
те вероятность того, что ребенок данной пары будет болен
муковисцидозом. Какой окажется вероятность, если ге-
нетическое тестирование показало, что Том является носи-
телем болезни, а Бэт — не является? Объясните свой ответ.
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 387
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Объясните, кок замена од-
ной аминокислоты в гемоглобине приводит к агрегации
молекул гемоглобина в длинные фибриллы. (См. главу 5,
рис. 5.14,5.18 и 5.19.)
3- Джоан родилась с шестью пальцами на каждой ступ-
не; это доминантный признак под названием полидакти-
лия. Двое из пятерых ее братьев и сестер, а также ее мать
(но не отец) имели дополнительные пальцы. Какой генотип
имеет Джоан по признаку количества пальцев? Объясните
свой ответ. Используйте буквы D и d для обозначения алле-
лей данного признака.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
4. Обратите внимание на соот-
ношение доминантных и рецессивных фенотипов по при-
знаку цвета цветка в поколении F2 моногибридного скре-
щивания в табл. 14.1. Определите соотношение фенотипов
потомков во втором поколении на рис. 14.15, б. Что является
причиной различий в двух данных соотношениях?
Ответы см. в Приложении А.
'14 Обзор главы
РАЗДЕЛ 14.1 МЕНДЕЛЬ ИСПОЛЬЗОВАЛ НАУЧНЫЙ
ПОДХОД, ЧТОБЫ ВЫЯВИТЬ ДВА ЗАКОНА
НАСЛЕДОВАНИЯ
• Грегор Мендель сформулировал теорию наследова-
ния, основанную на экспериментах с садовым го-
рохом, в которой постулируется, что родители пе-
редают потомкам дискретные гены, сохраняющие
свою идентичность через поколения. Данная тео-
рия включает два закона.
• Закон расщепления (закон чистоты гамет) утвер-
ждает, что гены имеют альтернативные формы, или
аллели. В диплоидном организме два аллеля гена
разделяются в процессе мейоза и образования га-
мет; каждая яйцеклетка или сперматозоид несет
один аллель каждой пары. Этот закон объясняет со-
отношение фенотипов 3:1 в поколении гибридов F ,
наблюдаемое при самоопылении моногибридов.
Каждый организм наследует один аллель каждого
гена от каждого из родителей. В гетерозиготах два
аллеля различны; экспрессия доминантного алле-
ля маскирует фенотипический эффект рецессивного
аллеля. Гомозиготы несут идентичные аллели дан-
ного гена и являются “чистыми линиями".
• Закон независимого наследования утверждает, что
пары аллелей данного гена разделяются при форми-
ровании гамет независимо от пары аллелей любого
другого гена. При скрещивании дигибридов (особей,
гетерозиготных по двум генам) потомки будут иметь
четыре различных фенотипа в соотношении 9:3:3:1.
| Когда Мендель проводил скрещивания растений го-
роха “чистыхлиний”с фиолетовыми и белыми цветка-
ми, признак белых цветков исчез в первом поколении ги-
бридов (FJ, но появился вновь в поколении F. Используя
генетические термины, объясните, что произошло.
РАЗДЕЛ 14.2 ЗАКОНАМИ МЕНДЕЛЯ УПРАВЛЯЕТ
ТЕОРИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
Иг
Расхождение аллелей
в сперматозоидах
• Правило умножения утверждает, что вероятность
того, что два или более событий произойдут одно-
временно, равна произведению вероятностей от-
дельных независимых событий. Правило сложения
утверждает, что вероятность того, что произойдет
одно из двух или более независимых, взаимоисклю-
чающих событий, равна сумме индивидуальных ве-
роятностей.
• Правила теории вероятностей можно использовать
для решения сложных генетических задач. Диги-
бридное или другое мультигибридное скрещивание
эквивалентно двум или более независимым моноги-
бридным скрещиваниям, происходящим одновре-
менно. При вычислении вероятностей получения
потомками определенных генотипов сначала вычис-
ляется вероятность для каждого признака, затем ин-
дивидуальные вероятности перемножаются.
Перерисуйте решетку Пеннета с правой
стороны рис. 14.8, как две маленьких решетки Пеннет-
та с моногибридными скрещиваниями, по одному на
каждый ген. Под каждой решеткой приведите часто-
ты получившихся фенотипов. Используйте правило
умножения для подсчета долей для всех возможных ди-
гибридных фенотипов. Какое получается фенотипиче-
ское соотношение?
ИЗОБРАЗИ!
388 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
РАЗДЕЛ 14.3 ПРИНЦИПЫ НАСЛЕДОВАНИЯ
ЧАСТО ОКАЗЫВАЮТСЯ СЛОЖНЕЕ ТЕХ, КОТОРЫЕ
ПРЕДСКАЗЫВАЕТ ГЕНЕТИКА МЕНДЕЛЯ
• Применение менделевской генетики для одного гена.
Тип взаимодействия
аллелей Описание Пример
одного и того же гена
Полное доминиро- Фенотип гетерозиготы
вание одного из совпадает с феноти-
аллелей пом доминантной
гомозиготы
Неполное доминирование Фенотип гетерозиготы является промежуточ- ным по отношению к фенотипам гомозигот ДМ с*ск cwc
Кодоминирование В гетерозиготе прояв- ляются оба фенотипи- ческих признака ф
Множественные аллели В популяции существу- ет более двух аллелей некоторых генов Аллели групп крови системы АВО 1А, /й, i
Плейотропия Один ген влияет на несколько фенотипи- ческих признаков Серповидноклеточная анемия
• Применение менделевской генетики для двух и бо-
лее генов.
Тип взаимодействия
неаллельных генов
Эпистаз
Описание
Фенотипическое
проявление одного
гена влияет
на экспрессию
второго гена
Пример
К х 1
вЬЕе
Полигенное
наследование
Два гена или более
влияют на один и тот
же фенотипический
признак
□□□□□□□□
________
• Экспрессия генотипов может быть подвержена вли-
янию окружающей среды, что приводит к формиро-
ванию спектра фенотипов. Полигенные признаки,
которые подвержены влиянию окружающей среды,
называются мультифакторными признаками.
• Суммарный фенотип организма, включая физиче-
ский облик, внутреннюю анатомию, физиологию
и поведение, отражает его генотип и уникальную
историю взаимоотношений с окружающей средой.
Фундаментальные законы Менделя о расщеплении
и независимом наследовании признаков примени-
мы и для более сложных моделей наследования.
| Какое из следующих понятий может быть проил-
люстрировано закономерностями наследования алле-
лей АВО групп крови: полное доминирование, неполное
доминирование, кодоминирование, множественные ал-
лели, плейотропия, эпистаз и/или полигенное наследо-
вание? Объясните ваш ответ.
РАЗДЕЛ 14.4 МНОГИЕ ПРИЗНАКИ У ЧЕЛОВЕКА
НАСЛЕДУЮТСЯ СОГЛАСНО ЗАКОНАМ МЕНДЕЛЯ
• Анализ родословных может быть использован в де-
дуктивном определении возможных генотипов лю-
дей и для прогнозирования генотипов возможных
потомков. Такие прогнозы являются статистиче-
скими вероятностями, а не несомненными фактами.
• Многие генетические расстройства наследуются
как простые рецессивные признаки. Большинство
больных людей (рецессивные гомозиготы) являют-
ся детьми фенотипически нормальных, гетерози-
готных носителей.
• Аллель серповидноклеточной анемии, вероятно, со-
хранился по эволюционным причинам: гетерози-
готы имеют эволюционное преимущество, потому
что один серповидноклеточный аллель снижает ча-
стоту и облегчает приступы малярии.
Мутантные аллели
Аномальный
гемоглобин
(HbS)
Участок фибриллы
аномального
гемоглобина (HbS)
Серпо-
видно-
клеточная
анемия
Серповидные
эритроциты
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 389
• Летальные доминантные аллели исключаются из
популяции, если больные люди умирают до дости-
жения репродуктивного возраста. Нелетальные до-
минантные аллели и летальные, эффект от которых
развивается в более позднем возрасте, наследуются
согласно законам Менделя.
• Многие болезни человека являются мультифактор-
ными — это означает, что на них влияют как гене-
тический фон, так и окружающая среда, и они не
следуют принципам менделевского наследования.
• Используя семейные истории, генетические кон-
сультанты помогают парам определить вероятность
того, что их дети будут иметь генетические рас-
стройства. Генетическое тестирование потенциаль-
ных родителей, чтобы выяснить, являются ли они
носителями рецессивных аллелей, ассоциирован-
ных с определенными расстройствами, стало ши-
роко распространенным. Амниоцентез и биопсия
ворсин хориона могут определить, имеет ли плод то
или иное генетическое нарушение. После рождения
возможно проведение других генетических тестов.
Оба супруга знают, что являются носи-
телями аллеля муковисцидоза. Ни один из троих детей
этой пары не болеет муковисцидозом, но любой из них
может являться носителем. Они бы хотели завести
четвертого ребенка, но обеспокоены тем, что он/она
будут, вероятно, страдать данной болезнью, т. к. пер-
вые три ребенка здоровы. Что бы вы сказали данной
паре? Уменьшатся ли их сомнения, если они смогут вы-
яснить с помощью генетических тестов, являются ли
трое их детей носителями аллеля заболевания?
ИЗОБРАЗИ!
ПОДСКАЗКИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ
ГЕНЕТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
1. Запишите символы для аллелей (они в дальнейшем
могут быть использованы в задачах). В однобуквен-
ном варианте доминантный аллель обозначается
заглавной буквой, рецессивный — строчной.
2. Запишите возможные генотипы, ориентируясь на
фенотип.
а) Если представлен доминантный фенотип (напри-
мер, фиолетовые цветки), то генотип либо доми-
нантный гомозиготный, либо гетерозиготный
(РР или Рр, например).
б) Если представлен рецессивный фенотип, то ге-
нотип должен быть рецессивным гомозиготным
(например, рр).
в) Если в задаче идет речь об организме “чистой ли-
нии”, то генотип является гомозиготным.
3. Определите, о чем спрашивают в задаче. Если про-
сят написать скрещивание, запишите его в виде
[Генотип] х [Генотип], используя выбранные вами
аллели.
4. Чтобы определить потомство от скрещивания, на-
рисуйте решетку Пеннета.
а) Запишите гаметы, производимые одним из роди-
телей, в верхней части решетки, а гаметы от вто-
рого родителя — слева. Чтобы определить аллели
для каждого типа гамет, составьте систематизи-
рованный список всех возможностей. (Помните
о том, что одна гамета несет только один аллель
определенного гена.) Обратите внимание, что су-
ществует 2п типов гамет, где и — количество ге-
терозиготных генных локусов. Например, особь
с генотипом АаВЬСс производит 23 = 8 типов га-
мет. Запишите генотипы гамет в кружочках над
столбиками таблицы и слева вдоль рядов.
6) Заполните решетку Пеннета для всех возмож-
ных вариантов оплодотворения, дающих все воз-
можные варианты потомков. В скрещивании
АаВЬСс, например, решетка Пеннета будет состо-
ять из 8 столбцов и 8 рядов и из 64 разных вари-
антов потомков; вы сможете определить генотип
каждого из них и таким образом определить фе-
нотип. Посчитайте количество различных гено-
типов и фенотипов, чтобы определить генотипи-
ческие и фенотипические соотношения. Так как
решетка Пеннета достаточно громоздкая, она не
является наиболее эффективным способом рас-
чета. См. подсказку 5.
5. Вы можете использовать правила теории вероятно-
стей, если решетка Пеннета оказывается слишком
большой. (Для примера, см. вопросы в конце разде-
ла 14.2 и вопрос 7 ниже.) Вы можете рассматривать
каждый ген отдельно (см. раздел 14.2).
6. Если, наоборот, в задаче представлены фенотипи-
ческие соотношения потомков, но нет генотипов
родителей в данном скрещивании, фенотипы могут
помочь вам дедуктивным образом определить не-
известные генотипы родителей.
а) Например, если Уг потомков имеет рецессивный
фенотип, и Уг — доминантный, вы знаете, что
скрещивание происходило между гетерозиготой
и рецессивной гомозиготой.
6) При соотношении 3:1, скрещивание происходило
между гетерозиготами.
в) Если в скрещивании отслеживают два гена, и вы
видите соотношение 9:3:3:1 в потомках, вы знае-
те, что каждый родитель являлся гетерозиготой
по обоим генам. Обратите внимание: не рассчи-
тывайте на то, что наблюдаемые количества фе-
нотипов будут точно соответствовать предска-
зываемым соотношениям. Например, если есть
13 потомков с доминантным признаком и 11 —
с рецессивным, предположите, что соотношение
равно одному доминантному фенотипу к одному
рецессивному.
7. Для задач по родословным, используйте подсказки
на рис. 14.15 и приведенные ниже, чтобы определить,
какой является характерная черта.
а) Если родители с отсутствием данной черты име-
ют потомков с данной характерной чертой, эта
390 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
черта — рецессивная и оба родителя являются
носителями.
6) Если черта наблюдается в каждом поколении, ве-
роятнее всего она является доминантной (см. сле-
дующий пункт).
в) Если у обоих родителей присутствует черта, и
она является рецессивной, то она будет представ-
лена у всех потомков.
г) Чтобы определить вероятные генотипы опреде-
ленных представителей родословной, сперва от-
метьте все ясные вам генотипы членов семьи. Даже
если отдельные генотипы являются неполными,
отметьте то, что вам известно. Например, если у
человека доминантный фенотип, генотип должен
быть АА или Аау и вы можете записать это, как
А~. Проверьте все варианты, чтобы выяснить, ка-
кой больше всего подходит под результаты. Ис-
пользуйте правила теории вероятностей, чтобы
вычислить вероятности возможных генотипов.
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
ИЗОБРАЗИ!
1. Скрещивают два растения гороха, ге-
терозиготных по признакам цвета и формы струч-
ка. Нарисуйте решетку Пеннета, чтобы определить
фенотипическое соотношение потомков.
2. Мужчина с группой крови А женится на женщине с
группой крови В. Их ребенок имеет группу крови 0.
Каковы генотипы этих троих людей? Какие геноти-
пы и с какой вероятностью можно ожидать для их
будущих детей?
3. У мужчины по шесть пальцев на руках и ногах. Его
жена и дочь имеют нормальное количество паль-
цев. Как вы помните, дополнительные пальцы яв-
ляются доминантным признаком. Какая часть детей
данной пары, вероятно, будет иметь дополнитель-
ные пальцы?
4. ЕЕШИЕБВ Растение гороха, гетерозиготное по
признаку гладких стручков (А), скрещивают с рас-
тением, гомозиготным по признаку стручков с пере-
тяжками (п). Нарисуйте решетку Пеннета для данно-
го скрещивания, чтобы определить генотипическое
и фенотипическое соотношения. Предположите, что
пыльца поставляется растением с генотипом И.
ИЗОБРАЗИ!
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
5. Положение цветка, длина стебля и форма семян яв-
ляются признаками, которые изучал Мендель. Каж-
дый из них контролируется независимо наследу-
емым геном и имеет доминантное и рецессивное
проявление, отмеченное в табл. 14.1. Если расте-
нию, гетерозиготному по всем трем признакам, по-
зволить самоопыляться, какая доля потомков будет
обладать приведенными ниже характеристиками?
(Обратите внимание: используйте правила теории
вероятностей вместо решетки Пеннета.)
а) Гомозигота по трем доминантным признакам.
6) Гомозигота по трем рецессивным признакам.
в) Гетерозигота по всем трем признакам.
г) Гомозигота по апикальным цветкам и длинному
стеблю, гетерозигота по форме семян.
6. Фенилкетонурия (ФКУ) является наследственным
заболеванием, вызываемым рецессивным аллелем.
Если женщина и ее муж являются носителями алле-
ля заболевания, какова вероятность каждого из сле-
дующих событий?
а) Все три ребенка имеют нормальный фенотип.
6) Один ребенок или более из троих детей имеет за-
болевание.
в) Все три ребенка имеют заболевание.
г) По крайней мере один ребенок имеет нормаль-
ный фенотип.
7. Генотип F(-гибрида в тетрагибридном скрещивании
AaBbCcDd. Предполагая независимое наследование
четырех данных генов, определите, какова вероят-
ность того, что гибриды F, будут иметь следующий
генотип:
a) aabbccdd
6) AaBbCcDd
в) AABBCCDD
8. Какова вероятность того, что каждая из пар роди-
телей, представленных ниже, произведет потомка
с указанным генотипом? (Предположите независи-
мое наследование всех пар генов).
а) ААВВСС х aabbcc -> АаВЬСс
6) ААВЬСс х АаВЬСс -> ААЬЬСС
в) АаВЬСс х АаВЬСс -> АаВЬСс
г) ааВЬСС х ААВЬсс -> АаВЬСс
9. У Карен и Стива есть брат и/или сестра с серповид-
ноклеточной анемией. Но ни Карен, ни Стив, ни их
родители не болеют анемией, и ни один из них не
проходил тестирование на предмет наличия серпо-
видноклеточного признака. Основываясь на этой
неполной информации, определите вероятность
того, что если у данной пары родится ребенок, он
будет болен серповидноклеточной анемией.
10. В 1981 году бродячая черная
кошка с необычными закру-
гленными и загнутыми на-
зад ушами была принята в
семью в Калифорнии. С тех
пор были рождены сотни
потомков этой кошки, и лю-
бители кошек надеются вывести первую кош-
ку-керл (от англ, curl — “завиток”), как стандарт по-
роды (шоу- и брид-класса). Представьте, что вы
приобрели первую кошку-керл и хотите вывести
“чистую линию”. Как бы вы определили, является
г) AaBBccDd
д) AaBBCCdd
ГЛАВА 14 Мендель и идея гена 391
ли аллель “курчавых ушей” доминантным или ре-
цессивным? Как бы вы получили “чистую линию”
кошки-керл? Как можно убедиться в том, что это
“чистая линия”?
11. У тигров рецессивный аллель определенного гена
приводит одновременно к отсутствию пигмента-
ции меха (белый тигр) и косоглазию. Если скре-
стить двух тигров, гетерозиготных по локусу дан-
ного аллеля, какой процент их потомства будет
иметь косоглазие? Какой процент косоглазых ти-
гров будет белыми?
12. У растений кукурузы доминантный аллель I инги-
бирует формирование цвета зерна, в то время как
рецессивный аллель i не ингибирует цвет зерна в го-
мозиготе. В другом локусе доминантный аллель Р
приводит к появлению зерен фиолетового цвета, в
то время как гомозиготный рецессивный генотип
рр приводит к появлению красных зерен. Если скре-
стить растения, гетерозиготные по обоим локусам,
каким будет соотношение фенотипов в потомках?
13. В родословной, приведенной ниже, отслеживается
наследование алкаптонурии (биохимического рас-
стройства). Пораженные члены семьи, отмеченные
в родословной закрашенными кружками и квадра-
тами, не способны усваивать вещество под названи-
ем алкаптон, которое меняет цвет мочи и окраши-
вает ткани тела. Является ли аллель алкаптонурии
доминантным или рецессивным? Заполните гено-
типы тех представителей родословной, для которых
это возможно. Какие генотипы могут иметь остав-
шиеся члены семьи?
Джордж Арлин
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
эффект может оказать данная тенденция на частоту
доминантных летальных аллелей с поздним прояв-
лением заболевания в популяции?
16. Вы держите в руках таин-
ственное растение гороха с высоким стеблем и бо-
ковыми цветками и вам необходимо определить его
генотип настолько быстро, насколько возможно.
Вы знаете, что аллель высокого стебля (Т) является
доминантным по отношению к карликовым расте-
ниям (0, а аллель боковых цветков (А) доминантен
по отношению к апикальным цветкам (а).
а) Какими будут все возможные генотипы вашего
таинственного растения?
6) Опишите одно скрещивание, которое вы бы про-
вели в вашем саду, чтобы определить точный ге-
нотип вашего таинственного растения.
в) Ожидая результат вашего скрещивания, предска-
жите результаты для каждого из возможных ге-
нотипов, перечисленных в пункте а. Как вы это
сделаете? Почему это нельзя назвать “проведени-
ем скрещивания”?
г) Объясните, как результат вашего скрещивания и
ваши прогнозы помогут вам узнать генотип ва-
шего таинственного растения.
17. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ '‘ИНФОРМАЦИЯ”
Продолжительность жизни основана на наслед-
ственной информации в форме ДНК. В коротком
эссе (100-150 слов) объясните, как передача генов в
виде определенных аллелей от родителей потомкам
обеспечивает сохранение родительских признаков
в потомках и, в то же время, генетические вариации
среди потомков. Используйте генетические терми-
ны в своем объяснении.
Кристофер
14. Представьте, что вы являетесь генетическим кон-
сультантом, и к вам за информацией пришла пара
людей, собирающихся создать семью. Чарльз ра-
нее был женат, и с первой женой он имеет ребенка с
муковисцидозом. Брат его нынешней жены, Элейн,
умер от муковисцидоза. Какова вероятность того,
что у Чарльза и Элейн родится ребенок с данным
заболеванием? (Ни Чарльз, ни Элейн, ни их родите-
ли не болеют муковисцидозом.)
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
15. За последние пятьдесят
лет в США и других развитых странах появилась
тенденция к более позднему вступлению в брак и
созданию семьи молодыми людьми по сравнению
с их родителями и дедушками и бабушками. Какой
18.
ОБОБЩИ СВОИ ЗНАНИЯ
Просто ради развлечения представьте, что полоски
на футболке являются фенотипическим признаком,
обусловленным одним геном. Предложите генети-
ческое объяснение внешности семьи с рисунка выше
в соответствии с “фенотипом” их футболок. Включи-
те в свой ответ предполагаемую комбинацию полосок
на футболках каждого члена семьи. Какой является
модель наследования, демонстрируемая ребенком?
Ответы см. в Приложении А.
392 ГЛАВА 14 Мендель и идея гена
15
Хромосомная теория
наследования
ТЕМЫ ГЛАВЫ
15.1 . Морган показал, что
менделевское наследование
физически обусловлено
поведением хромосом (научное
исследование)
15.2. Гены, сцепленные с полом,
наследуются особым образом
5 Сцепленные гены, как правило,
наследуются совместно,
поскольку они расположены
рядом друг с другом на одной
хромосоме
I Изменение числа хромосом
и их структуры вызывает
генетические расстройства
5. Некоторые типы наследования
не подчиняются законам
Менделя
Рис. 15.1. Где в клетке расположены факторы
наследственности Менделя?
Расположение генов на хромосомах
егодня нам известно, что гены, которые Мендель на-
зывал “факторами”, — это сегменты ДНК, располо-
женные на хромосомах. Мы можем увидеть положение
определенного гена, окрасив хромосомы флуоресцентным
красителем, который будет подсвечивать данный ген. На-
пример, две желтые точки на рис. 15.1 отмечают специфи-
ческий ген на шестой хромосоме человека. (Хромосома
удвоилась, поэтому аллели на этой хромосоме присутству-
ют в двух копиях, по одной на каждую сестринскую хро-
матиду.) Однако, когда Грегор Мендель предсказал суще-
ствование “наследственных факторов” в 1860-х годах, они
были чисто абстрактной идеей. В то время еще не было об-
наружено никаких клеточных структур, которые могли за-
ключать в себе эти воображаемые единицы, и большин-
ство биологов относились скептически к предложенным
Менделем законам наследственности.
Применив усовершенствованные методы микроско-
пии, цитологи описали процесс митоза в 1875 году (взгля-
ните на рисунок ниже) и мейоза — в 1890-х.
Родительское поколение Р
Скрестив растения двух чистых линий
гороха, мы проследим за двумя генами
в поколениях F1 и Г2. Один ген опреде-
ляет цвет (аллель Y—жёлтый, у—зелё-
ный), а другой — форму горошины
(аллель R — круглая, г—морщинистая).
Эти два гена находятся на разных хро-
мосомах (у гороха семь пар хромосом,
но здесь показаны только две).
Жёлтые круглые
семена (УШ)
Гаметы
Мейоз
/ X Оплодотворение
Л Л
Зелёные морщинистые
семена (уугг)
У всех растений поколения F1
круглые жёлтые семена (tyM
Поколение F1
ЗАКОН РАСЩЕПЛЕНИЯ
Два аллеля каждого из генов разделя-
ются в ходе формирования гамет.
Например, проследим за судьбой
длинной хромосомы (несущей R и г).
Прочитайте пронумерованные
пояснения ниже.
Аллели R и г расходятся
в анафазе I, что приводит
к образованию двух типов
дочерних клеток по отно-
шению к этому локусу. & ЬУ
С Каждая гамета
получает одну
длинную хро-
мосому либо
с аллелем R,
либо с алле-
лем г.
Гаметы
Мейоз
Два равно-
вероятных
варианта
выстраивания
хромосом
в метафазе I
ЗАКОН НЕЗАВИСИМОГО НАСЛЕДОВАНИЯ
В ходе образования гамет аллели генов,
расположенных на негомологичных хро-
мосомах, распределяются независимо
друг от друга. Проследите сначала за
длинными, а затем за короткими хромо-
сомами на этом пути. Ниже приведён
список пояснений.
Анафаза 1
О Аллели обоих локусов расхо-
дятся в анафазе I, что приводит
к образованию дочерних кле-
ток четырёх типов, в зависимо-
сти от выстраивания хромо-
сом в метафазе I. Сравните
положение аллелей R и г
относительно аллелей
I.
Каждая гамета
получает одну
длинную и одну
короткую хромо-
сому в одной из
четырех аллель-
ных комбинаций.
Поколение F2
о При оплодотворении
аллели/? и г комби-
нируются случайным
образом.
Перекрёстное опыление F1 х F1
I
9 :3 [ “):3 :1|g
© В результате оплодотво-
рения среди потомков
поколения F2 наблюда-
ется соотношение фено-
типических классов 9:3:3:1
Рис. 15.2. Основы законов Менделя на уровне хромосом. На этом рисунке проведены па-
раллели между результатами менделевских дигибридных скрещиваний (см. рис. 14.8 в гла-
ве 14) и поведением хромосом в процессе мейоза (см. рис. 13.8 в главе 13). Выстраивание
хромосом в метафазе / мейозо и их движение в анафазе / объясняют, соответственно, не-
зависимое расхождение и сегрегацию аллелей, ответственных за цвет и форму горошин.
Каждая конкретная клетка растения F1 в процессе мейоза может образовать гаметы двух
типов. Однако если мы учтем результаты для всех клеток, то каждое растение F1 образует
равное количество гамет всех четырех типов, потому что альтернативные варианты выстраи-
вания хромосом в метафазе I равновероятны
Q Если вы скрещиваете расте-
ние F1 с рецессивной по обоим
генам гомозиготой (уугг), как будет
отличаться фенотипическое соот-
ношение потомков от приведенно-
го здесь 9:3:3:1?
394 ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования
Данные цитологии и генетики получилось объ-
единить, когда биологи начали видеть параллели
между поведением предсказанных Менделем “фак-
торов наследственности” в ходе полового жизнен-
ного цикла и поведением хромосом: как показано
на рис. 15.2, — в диплоидных клетках хромосомы и
гены присутствуют в парах, и в процессе мейоза го-
мологичные хромосомы расходятся (а аллели раз-
деляются — сегрегируют). Кроме того, после мейо-
за, при оплодотворении, восстанавливается четное
число как хромосом, так и генов.
Примерно в 1902 году Уолтер Саттон, Теодор
Бовери и другие ученые независимо друг от дру-
га установили эти закономерности и начали раз-
вивать хромосомную теорию наследственности.
Согласно этой теории, менделевские гены имеют
определенные локусы (позиции) на хромосомах,
а хромосомы претерпевают сегрегацию и неза-
висимое распределение. Как вы можете видеть на
рис. 15.2, разделение гомологичных хромосом в ана-
фазе I вызывает сегрегацию двух аллелей любого
гена в разные гаметы, а случайные перестановки
хромосомных пар в метафазе I служат причиной
независимого распределения аллелей двух или
более генов, расположенных в разных парах хро-
мосом. На данном рисунке изображено дигибрид-
ное скрещивание гороха, с которым вы уже встре-
чались на рис. 14.8. Внимательно изучив рис. 15.2, вы
сможете выяснить, как поведение хромосом в
мейозе в поколении F( и последующее случайное
оплодотворение приводят к такому фенотипиче-
скому соотношению в поколении F?, которое на-
блюдал Мендель.
В этой главе, сопоставляя поведение хромосом
и генов, мы расширим представления, усвоенные
вами из двух предыдущих глав. Во-первых, мы
опишем опыты на фруктовых мушках, которые
полностью поддерживают хромосомную теорию.
(Несмотря на то, что теория Менделя разумна и
не противоречива, она все же требует доказа-
тельств.) Далее мы изучим хромосомную основу
передачи генов от родителей к потомкам, в том
числе и то, что происходит, когда два гена распо-
ложены на одной хромосоме. И наконец, мы обсу-
дим некоторые важные исключения из стандарт-
ных правил наследования.
15.1. Морган показал, что
менделевское наследование
физически обусловлено
поведением хромосом (научное
исследование)
Первые строгие доказательства, свидетель-
ствующие о связи определенного гена с опреде-
ленной хромосомой, были получены в начале
XX века в работах Томаса Ханта Моргана, кото-
рый занимался экспериментальной эмбриологией
в Колумбийском университете. Хотя Морган по-
началу относился скептически и к менделевской
генетике, и к хромосомной теории наследствен-
ности, его ранние эксперименты убедительно до-
казали, что менделевские факторы наследствен-
ности действительно расположены в хромосомах.
Выбор экспериментального объекта
История биологии знает немало случаев, когда
важные открытия совершали ученые, достаточно
прозорливые или удачливые, чтобы выбрать объ-
ект изучения, подходящий для решения постав-
ленной научной задачи. Мендель выбрал горох,
поскольку для него было известно множество
хорошо различимых разновидностей. Морган
же выбрал для своей работы фруктовую мушку
Drosophila melanogaster, обычное насекомое, кото-
рое питается дрожжевыми грибками, растущими
на фруктах. Дрозофилы весьма плодовиты; после
одного спаривания появляются сотни потомков,
и уже через две недели новое поколение становит-
ся половозрелым. В лаборатории Моргана этот
удобный объект начали использовать для гене-
тических исследований в 1907 году, и вскоре по-
сле этого лабораторию прозвали “мушиной ком-
натой”.
Другое преимущество плодовых мушек заклю-
чается в том, что у них только четыре пары хро-
мосом, легко различимых в световой микроскоп.
Из них три пары — аутосомы, а четвертая — пара
половых хромосом. Самки имеют две гомоло-
гичные Х-хромосомы, а самцы — одну X- и одну
Y-хромосому.
В то время как Мендель легко мог приобре-
сти у поставщиков семена разных сортов гороха,
Морган был первым, кому понадобились разные
линии мух. Ему пришлось столкнуться с утоми-
тельной работой по проведению многочисленных
ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования 395
скрещиваний и проверке огромного числа по-
томков под микроскопом в поисках естествен-
ных вариаций. После многих месяцев труда он
жаловался: “Два года работы потрачено впустую.
Я скрещивал мух все это время и не получил ни-
какого результата”. Несмотря на это, Морган был
упорен, и его усилия наконец были вознагражде-
ны открытием единственного самца дрозофилы
с белыми глазами вместо обычных красных. Фе-
нотип, который чаще всего можно наблюдать в
природных популяциях (например, красные гла-
за у дрозофил), называют диким типом (рис. 15.3).
Совокупность признаков, отличающихся от ди-
кого типа (белые глаза у дрозофил), называют
мутантным фенотипом, потому что они опреде-
ляются аллелями, которые, как считается, прои-
зошли в результате изменений, или мутаций, в ал-
лелях дикого типа.
Рис. 15.3. Первый мутант, обнаруженный Морганом. У дрозо-
филы дикого типа глаза красные (слева). Среди проанали-
зированных мух Морган обнаружил мутантного самца с бе-
лыми глазами (справа). Обнаружение этой наследственной
вариации позволило Моргану связать ген цвета глаз с опре-
деленной хромосомой
Морган и его ученики предложили систему
обозначения аллелей у дрозофил, которая до сих
пор широко применяется в генетике плодовой
мушки. Ген каждого конкретного признака полу-
чает свое обозначение согласно фенотипу первого
обнаруженного мутанта (организма, отличающе-
гося от дикого типа). Так, аллель, определяющий
белые глаза у дрозофилы, обозначается w (от
англ, white — “белый”). Аллель, определяющий
признак дикого типа, обозначается верхним ин-
дексом “+” например, w+ — аллель красных глаз.
Впоследствии было введено много других систем
обозначения генов, применяемых для различных
организмов. Например, гены человека обычно
обозначаются заглавными буквами, так, HD — ал-
лель болезни Хантингтона.
Обнаружение параллелизма между
поведением аллелей и поведением
пар хромосом
Морган скрестил обнаруженного им белогла-
зого самца с красноглазой самкой. У всех потом-
ков первого поколения (F^ были красные глаза,
что свидетельствовало о том, что аллель дикого
типа доминантен. Когда Морган скрестил мух F(
между собой, он наблюдал классическое расще-
пление 3:1 по фенотипу среди потомков второ-
го поколения (FJ. Однако при этом наблюдалась
странная особенность: белоглазость наблюда-
лась только у самцов. Все самки F, имели крас-
ные глаза, в то время как у половины самцов были
красные глаза, у половины — белые. Исходя из
этого Морган сделал вывод, что цвет глаз у мух
каким-то образом связан с их полом. (Если бы
ген цвета глаз был не связан с полом, то половина
белоглазых мух были бы самцами и половина —
самками.)
Напомним, у самок плодовой мушки две
Х-хромосомы (XX), тогда как у самцов — одна X-
и одна Y-хромосома (ХУ). Взаимосвязь между бе-
логлазостью и мужским полом мутантных мух F,
подсказала Моргану, что ген, определяющий бе-
лый цвет глаз, имеется только в Х-хромосоме, тог-
да как в Y-хромосоме соответствующего аллеля
нет. За ходом рассуждений Моргана можно про-
следить на рис. 15.4. У самцов единственная копия
мутантного аллеля приводила к белоглазости. По-
скольку самцы имеют только одну Х-хромосому,
в ней при этом не может быть аллеля дикого типа
(w+), который маскировал бы рецессивный ал-
лель. Напротив, самки могли иметь белые глаза
только тогда, когда обе их Х-хромосомы несли ре-
цессивный мутантный аллель (w). Самки поколе-
ния F, в эксперименте Моргана белоглазыми быть
не могли: поскольку все их отцы из поколения F
были красноглазыми, каждая самка F, получила
один аллель на Х-хромосоме, унаследованной
ею от отца.
Открытие Морганом связи между определен-
ным признаком и полом особи послужило дока-
зательством хромосомной теории наследствен-
ности, а именно того, что каждый конкретный
ген находится на определенной хромосоме (в на-
шем случае, ген красных глаз — на Х-хромосоме).
396 ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования
▼ Рис. 15.4.
Изыскание
Какой цвет глаз будет у потомков и F2, если скре-
стить самку плодовой мушки дикого типа и мутант-
ного белоглазого самца?
Эксперимент. Томас Хант Морган хотел проанализировать по-
ведение двух аллелей гена, определяющих цвет глаз у плодо-
вой мушки. В экспериментах, подобных тем, которые Мендель
проводил с горохом, Морган с сотрудниками скрестили самку
дикого типа (красноглазую) и белоглазого мутантного самца.
Кроме того, работа Моргана показала, что гены,
расположенные в половых хромосомах, насле-
дуются особым образом, что мы обсудим в сле-
дующем разделе. “Мушиная комната” Моргана
привлекла многих ярких учеников, осознавших
важность его ранних работ.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 15.1
1.
Какой из законов Менделя связан с наследованием алле-
Родители
Р
Поколение
Fi
,.d сГ
У всех потомков
были красные глаза.
2.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
лей, определяющих один признак? Какой закон описыва-
ет наследование аллелей двух разных признаков при диги-
бридном скрещивании?
Повторите описание мейоза
(рис. 13.8 в главе 13), менделевские законы расщепления
и независимого наследования (см. раздел 14.1 в главе 14).
Какова физическая основа каждого закона Менделя?
Затем Морган скрестил красноглазую самку из F1 с красногла-
зым самцом из F1 и получил потомков второго поколения (F2).
Результаты. В поколении F2 наблюдалось типичное менделев-
ское соотношение: три красноглазых мухи на одну белогла-
зую. Однако при этом все белоглазые мухи были самцами, и ни
у одной самки не проявился этот признак.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Предположите возможную причину того, по-
чему первая природная мутация у плодовой мушки, обнару-
женная Морганом, затрагивала ген на половой хромосоме.
Ответы см. в Приложении А.
Поколение
F2
С^сГ -i- cf
Выводы. Все потомки первого поколения имели красные глаза,
поэтому мутантный аллель белых глаз (w) должен быть рецес-
сивным по отношению к аллелю дикого типа, определяющему
красные глаза (w+). Поскольку рецессивный признак — белые
глаза — проявлялся в поколении F2 только у самцов, Морган
предположил, что ген, отвечающий за цвет глаз, расположен на
Х-хромосоме, а в Y-хромосоме нет соответствующего локуса.
15.2. Гены, сцепленные с полом,
наследуются особым образом
Как вы только что узнали, открытие Морганом
признака (белые глаза), который оказался связан
с полом мух, стало ключевым событием в разви-
тии хромосомной теории наследственности. Так
как вывод о составе половых хромосом можно
сделать, определив пол мухи, возможно провести
параллель между поведением пары половых хро-
мосом и двух аллелей гена цвета глаз. В этом раз-
деле мы поближе познакомимся с ролью половых
хромосом в наследственности.
Хромосомные основы поло
Несмотря на то, что анатомические и физио-
логические различия между мужчинами и жен-
щинами многочисленны, хромосомная основа
определения пола довольно проста. У человека
и других млекопитающих есть два типа половых
хромосом, обозначаемых X и Y. Y-хромосома на-
много меньше Х-хромосомы (рис. 15.5).
Тот, кто унаследовал две Х-хромосомы, по од-
ной от каждого родителя, как правило, развива-
◄ Источник:! Н. Morgan, Sex-limited inheritance in Drosophila,
Science 32:120-122 (1910).
А ЧТО, ЕСЛИ?
Представьте себе, что ген цвета глаз находится
в аутосоме. Каковы будут фенотипы (включая пол) потомков вто-
рого поколения в этом гипотетическом скрещивании? (Совет:
нарисуйте решетку Пеннета.)
ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования 397
Рис. 15.5. Половые хромосомы
человека
ется как самка; самцы
же имеют одну Х-хро-
мосому и одну Y-xpo-
мосому (рис. 15.6, а).
Единственные области
гомологии между Y- и
Х-хромосомой — это
короткие сегменты на
обоих концах Y-хромо-
сомы. Эти гомологич-
ные области позволя-
ют X- и Y-хромосомам
у самцов образовывать пару и вести себя как пара
гомологов в мейозе при образовании гамет в се-
менниках.
У млекопитающих в ходе мейоза в семенниках
и яичниках две половые хромосомы расходятся.
Каждая яйцеклетка получает по одной Х-хромо-
соме. Сперматозоиды, напротив, делятся на две
категории: одна половина образовавшихся у сам-
цов сперматозоидов получает Х-хромосому, дру-
гая — Y-хромосому. Мы можем проследить пол
каждого потомка с момента зачатия: если яйце-
клетку оплодотворил сперматозоид, несущий
Х-хромосому, образуется зигота женского пола,
XX; если же яйцеклетку оплодотворил спермато-
зоид, содержащий Y-хромосому, образуется зи-
гота мужского пола, XY (см. рис. 15.6, а). Таким об-
разом, определение пола — это дело случая, с
вероятностью 50 на 50. Отметим, что X-Y-систе-
ма млекопитающих — не единственная система
определения пола. На рис. 15.6, б-r, проиллюстриро-
ваны три другие системы.
У человека анатомические признаки пола по-
являются по достижению эмбрионом возраста
примерно двух месяцев. До этого зачатки гонад
не дифференцированы — они могут развиться и
в семенники, и в яичники, в зависимости от того,
присутствует Y-хромосома или нет. В 1990 году
группа британских ученых обнаружила ген, рас-
положенный на Y-хромосоме и ответственный за
развитие семенников. Они назвали этот ген SRY,
область Y-хромосомы, определяющая пол (sex-
determining region of У). В отсутствие SRY пер-
вичные гонады развиваются в яичники. Биохи-
мические, физиологические и анатомические
признаки, которые отличают мужчин от женщин,
сложны, в их развитие вовлечено множество ге-
нов. На самом деле, ген SRY кодирует белок, кото-
рый регулирует другие гены.
а) Система Х-Y. У млекопитающих пол потомков зависит от
того, какую хромосому содержит сперматозоид, X или Y.
б) Система Х-0. У кузнечиков, тараканов и некоторых других
насекомых существует только один тип половых хромо-
сом, Х-хромосомы. Самки имеют кариотип XX, у самцов
только одна половая хромосома (ХО). Пол потомков зави-
сит от того, содержит сперматозоид Х-хромосому или нет
в) Система Z-W. У птиц, некоторых рыб и некоторых насеко-
мых пол потомков определяется тем, какая половая хро-
мосома присутствует в яйцеклетке, а не в сперматозоиде.
Половые хромосомы обозначаются Z и W. Самки имеют
кариотип ZW, самцы—ZZ.
г) Гапло-диплоидная система. У большинства видов пчел
и муравьев нет половых хромосом. Самки развиваются
из оплодотворённых яиц и поэтому диплоидны. Самцы
развиваются из неоплодотворенных яиц, следовательно,
гаплоидны, у них нет отцов.
Рис. 15.6. Некоторые системы хромосомного определения
пола. Цифрами указано число аутосом у данного вида. У дро-
зофилы самцы имеют кариотип ХУ, но пол зависит от соотно-
шения между числом Х-хромосом и числом наборов аутосом,
а не просто от наличия или отсутствия У-хромосомы
Ученые отсеквенировали Y-хромосому чело-
века и определили 78 генов, которые кодируют
примерно 25 белков (некоторые гены дуплициро-
ваны). Около половины этих генов экспрессиру-
ются только в семенниках, некоторые необходимы
для нормального функционирования семенников
398 ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования
и образования нормальной семенной жидкости.
Гены, расположенные на половых хромосомах,
называют генами, сцепленными с полом-, рас-
положенные на Y-хромосоме гены называются
Y-сцепленными. Y-хромосома практически без из-
менений передается от отца ко всем его сыновьям.
Так как на ней находится очень мало Y-сцепленных
генов, то от отца к сыну передается очень мало на-
следственных болезней. Редкий пример патоло-
гии — это случай, когда в отсутствие определен-
ных Y-сцепленных генов у человека с кариотипом
XY — мужчины — нарушено образование нор-
мальной спермы.
Х-хромосома человека содержит приблизи-
тельно 1100 генов, которые называются Х-сце-
пленными. То, что мужчины и женщины наследу-
ют разное число Х-хромосом, приводит к картине
наследования, отличающейся от таковой при на-
следовании генов, расположенных на аутосомах.
Наследование Х-сцепленных генов
В то время как большинство Y-сцепленных ге-
нов участвуют в определении пола, Х-хромосо-
мы содержат гены, ответственные за множество
признаков, не связанных с полом. Х-сцепленные
гены у человека наследуются так же, как и локу-
сы цвета глаз, которые Морган изучал у Drosophila
(см. рис. 15.4). Отцы передают Х-сцепленные алле-
ли всем своим дочерям, но никому из сыновей,
матери же могут передать их и сыновьям, и доче-
рям, как показано на рис. 15.7 на примере наследо-
вания дальтонизма (цветовой слепоты) — легкого
Х-сцепленного расстройства зрения.
Если Х-сцепленный признак связан с рецес-
сивным аллелем, он проявляется у женщины,
только если она гомозиготна по этому аллелю.
Поскольку у мужчин имеется только один локус
для Х-сцепленных генов, то термины гомозигота
и гетерозигота не имеют смысла при описании
этих генов; в таких случаях используют термин
гемизигота. У любого мужчины, получивше-
го рецессивный аллель от своей матери, он будет
экспрессироваться. По этой причине Х-сцеплен-
ными рецессивными заболеваниями страдает го-
раздо больше мужчин, чем женщин. Однако, хотя
вероятность того, что женщина унаследует двой-
ной набор мутантных аллелей, намного ниже, чем
вероятность того, что одинарный набор унасле-
дует мужчина, встречаются и женщины с Х-сце-
пленными заболеваниями. Например, цветовая
. а) Мужчина-дальтоник передает
мутантный аллель всем своим
дочерям и никому из сыновей. Если
мать — доминантная гомозигота, то у
всех дочерей будет нормальный
фенотип, но все они будут
носительницами мутации.
б) Если носительница выходит замуж
за мужчину с нормальным цветовым
зрением, то либо (с вероятностью 50%)
их дочери будут носительницами,
как мать, либо (с вероятностью 50%)
сыновья будут дальтониками.
в) Если носительница выходит замуж
за мужчину-дальтоника, то с вероят-
ностью 50% все их дети будут дальто-
никами, независимо от пола. Дочери
с нормальным цветовым зрением
будут носительницами мутации, тогда
как у сыновей с нормальным зрением
рецессивного аллеля не будет.
Рис. 15.7. Наследование рецессивных признаков, сцепленных с Х-хромосомой. На
данной схеме в качестве примера рассмотрена цветовая слепота (дальтонизм).
Надстрочный индекс N обозначает доминантный аллель, отвечающий за нормаль-
ное цветовое зрение, тогда как индекс п обозначает рецессивный аллель, содер-
жащий мутацию, которая определяет цветовую слепоту. Белые клетки соответствуют
людям с нормальным зрением, бледно-оранжевые — носителям дальтонизма, а тем-
но-оранжевые — дальтоникам
] Если женщина-дальтоник выйдет за-
муж за мужчину с нормальным цветовым
зрением, какие фенотипы возможны у их
детей?
ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования 399
слепота почти всегда наследуется как Х-сцеплен-
ный признак. Девочка с этим расстройством мо-
жет родиться у больного отца, если он женится на
носительнице (рис. 15.7, в). Так как Х-сцепленный
аллель цветовой слепоты встречается относи-
тельно редко, то вероятность того, что такие муж-
чина и женщина поженятся, низка.
Некоторые Х-сцепленные человеческие забо-
левания являются гораздо более серьезными, чем
цветовая слепота, например мышечная дистро-
фия Дюшенна, которой болеет примерно один
из 3500 мальчиков, родившихся в США. Для этой
болезни характерны прогрессирующее ослабле-
ние мышц и потеря координации. Люди с таким
заболеванием редко живут дольше 20 лет. Иссле-
дователи установили, что болезнь вызвана от-
сутствием дистрофина — важного белка мышц,
и установили расположение гена этого белка в
специфическом локусе на Х-хромосоме.
Гемофилия — это Х-сцепленное рецессивное
заболевание, при котором отсутствуют один или
несколько белков, участвующих в свертывании
крови. Если больной гемофилией поранится, кро-
вотечение будет более продолжительным из-за
того, что тромб в ране будет образовываться мед-
ленно. Маленькие повреждения кожи обычно не
так страшны, но кровоизлияния в мышцы или су-
ставы болезненны и могут иметь серьезные по-
следствия. В XIX веке гемофилия была распростра-
нена среди королевских семей Европы. Известно,
что королева Великобритании Виктория переда-
ла аллель гемофилии некоторым своим потомкам.
Впоследствии династические браки с членами пра-
вящих фамилий других стран, например, Испании
и России, распространили этот Х-сцепленный при-
знак еще дальше, и эти случаи подробно отражены
в королевских родословных. Несколько лет назад
новые геномные технологии позволили секвени-
ровать крошечные количества ДНК, извлеченной
из останков, принадлежавших членам королев-
ской семьи. На данный момент известны генетиче-
ские основы этой мутации и то, как она приводит
к нарушению работы фактора свертывания крови.
Сегодня пациентам с гемофилией по мере необхо-
димости назначают внутривенные инъекции от-
сутствующего белка.
Инактивация Х-хромосомы
у самок млекопитающих
Самки млекопитающих, включая человека, на-
следуют две Х-хромосомы, что в два раза больше,
чем наследуют самцы, поэтому вы можете задать-
ся вопросом, синтезируется ли у самок в два раза
больше белков, кодируемых Х-сцепленными гена-
ми, по сравнению с самцами. На самом деле, почти
всегда одна из Х-хромосом в каждой клетке сам-
ки инактивируется в ходе раннего эмбриональ-
ного развития. В результате этого клетки и самок,
и самцов имеют одно и то же эффективное коли-
чество (одну копию) большинства Х-сцепленных
генов. Неактивная Х-хромосома в каждой клетке
женского организма конденсируется в компактное
образование, которое называется тельцем Барра
(открыто канадским анатомом Мюрреем Барром)
и располагается внутри ядра. Большинство генов
той Х-хромосомы, которая образует тельце Барра,
не экспрессируются. Однако в яичниках хромо-
сомы из телец Барра реактивируются в тех клет-
ках, которые станут яйцеклетками, поэтому после
мейоза каждая женская гамета (яйцеклетка) со-
держит активную Х-хромосому.
Британский генетик Мэри Лайон продемон-
стрировала, что выбор Х-хромосомы, которая
станет тельцем Барра, осуществляется случайно
и независимо в каждой эмбриональной клетке, в
которой происходит инактивация. Как следствие,
женский организм — это мозаика из двух типов
клеток: тех, которые получили активную Х-хро-
мосому от отца, и тех, кто получил ее от матери.
После того, как Х-хромосома инактивировалась
в конкретной клетке, все митотические потом-
ки этой клетки имеют ту же самую инактивиро-
ванную Х-хромосому. Поэтому, если самка гете-
розиготна по сцепленному с полом признаку, то
примерно половина клеток ее организма будет
экспрессировать один аллель, в то время как дру-
гая половина будет экспрессировать альтернатив-
ный аллель. На рис. 15.8 показано, как подобный
мозаицизм приводит к пятнистой окраске у чере-
паховых кошек. У человека мозаицизм можно на-
блюдать в случае рецессивной Х-сцепленной му-
тации, которая препятствует развитию потовых
желез. У женщин, которые гетерозиготны по это-
му признаку, участки нормальной кожи череду-
ются с участками, лишенными потовых желез.
Инактивация Х-хромосомы сопровождается
модификацией ДНК и связанных с ней белков-
400 ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования
Эмбрион на ранних
стадиях развития:
Х-хромосомы
Аллель рыжей
шерсти
Аллель черной
шерсти
Две популяции клеток
у взрослой кошки:
Деление клеток
и инактивация
Х-хромосомы
Рис. 15.8. Инактивация Х-хромосомы и черепаховая кошка.
Гены, определяющие черепаховую окраску шерсти, находят-
ся на Х-хромосоме, причем черепаховый фенотип возника-
ет при одновременном наличии двух разных аллелей: аллеля,
определяющего рыжий цвет шерсти, и другого аллеля, опре-
деляющего черный цвет. В норме только у кошек могут быть
оба аллеля, потому что у них две Х-хромосомы. Если кошка ге-
терозиготна по гену окраски, то у нее наблюдается черепахо-
вый тип окраски. Рыжие участки образованы популяциями кле-
ток, в которых активна Х-хромосома с рыжим аллелем; черные
участки содержат клетки, где активна хромосома с черным
аллелем (существуют также трехцветные кошки, с участками
белой шерсти, которые определяются другим геном)
гистонов, включая присоединение метильных
групп (-СН?) к нуклеотидам (регуляторная роль
метилирования ДНК будет рассмотрена в гла-
ве 18). Определенный регион Х-хромосомы со-
держит несколько генов, принимающих участие в
инактивации. Две такие области, по одной на ка-
ждую Х-хромосому, контактируют друг с другом
на ранней стадии эмбрионального развития. За-
тем один из генов, называемых XIST (от X-mactive
specific franscript), становится активным только
на той хромосоме, которая превратится в тель-
це Барра. Множественные копии РНК-продукта
транскрипции данного гена связываются, очевид-
но, с той же хромосомой, на которой они синте-
зировались, и покрывают ее практически полно-
стью. Взаимодействие этой РНК с Х-хромосомой
запускает ее инактивацию, а РНК-продукты ря-
дом расположенных генов участвуют в регуляции
данного процесса.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 15.2
Самку дрозофилы с белыми глазами скрестили с красно-
глазым самцом (дикий тип), это скрещивание — реципрок-
ное по отношению к показанному на рис. 15.4. Какие гено-
типы и фенотипы вы можете предположить у потомков?
Ни у Тима, ни у Роды нет мышечной дистрофии Дюшенна,
но их первенец болен. С какой вероятностью их второй ре-
бенок родится больным? С какой вероятностью второй
ребенок будет мальчиком? Девочкой?
Вспомните, что вы узнали о
доминантных и рецессивных аллелях в разделе 14.1 (гла-
ва 14). Если заболевание обусловлено доминантным X-
сцепленным аллелем, как будет отличаться картина насле-
дования от той, которую мы видели для рецессивных Х-сце-
пленных болезней?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Ответы см. в Приложении А.
15.3. Сцепленные гены, как
правило, наследуются совместно,
поскольку они расположены
рядом друг с другом на одной
хромосоме
Число генов в клетке намного больше чис-
ла хромосом; фактически на каждой хромосо-
ме (за исключением Y-хромосомы) расположены
сотни и тысячи генов. Гены, расположенные ря-
дом друг с другом на одной хромосоме, обычно
наследуются совместно в ходе скрещиваний; го-
ворят, что такие гены генетически сцеплены, они
называются сцепленными. Когда генетики следят
за сцепленными генами в экспериментах по скре-
щиванию, результаты отличаются от результатов,
ожидаемых согласно менделевскому закону неза-
висимого наследования.
Как сцепление влияет на наследование
Чтобы понять, как сцепление между генами
влияет на наследование двух разных признаков,
обратимся к другому эксперименту, проведенно-
му Морганом с дрозофилами. В данном случае
отслеживались такие признаки, как цвет тела и
размер крыла, каждый из которых имеет два фе-
нотипических проявления. Мушки дикого типа
имеют серое тело и крылья нормального разме-
ра. Помимо таких мух, Моргану путем скрещива-
ний удалось получить двойного мутанта с черным
телом и крыльями намного меньше нормаль-
ных, так называемыми рудиментарными крылья-
ми. Мутантные аллели являются рецессивными
по отношению к аллелям дикого типа, и оба гена
ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования 401
▼ Рис. 15.9.
Изыскание
Как сцепление двух генов влияет на наследование признаков?
Эксперимент. Морган хотел выяснить, сцеплены ли между собой гены, отвечающие за цвет тела размер крыльев, и если да, то как это
влияет на наследование данных признаков. Аллели, отвечающие за цвет тела, обозначаются как Ь+ (серое тело) и b (черное тело),
а аллели, отвечающие за размер крыльев, — удн- (нормальные крылья) и vg (рудиментарные крылья).
Морган скрещивал между собой
чистые линии мух-родителей (Р) ди-
кого типа и черных мух с рудимен-
тарными крыльями, в результате чего
получались дигетерозиготные потом-
ки первого поколения F-i (b+ b vg*
vg). которые внешне выглядели как
мухи дикого типа.
Затем он скрещивал дигетерозигот-
ных самок из поколения F-i с гомози-
готными рецессивными самцами.
Это анализирующее скрещивание
выявляет генотипы яйцеклеток диге-
терозиготной самки.
Сперматозоиды самца, участвую-
щие в анализирующем скрещива-
нии, несут только рецессивные
аллели, поэтому фенотипы потомков
этого скрещивания отражают гено-
типы яйцеклеток.
Замечание: хотя здесь показаны
только самки (имеют заостренное
брюшко), около половины потом-
ков каждого фенотипического
класса — самцы (имеют закруглен-
ное брюшко).
ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ
СООТНОШЕНИЯ
Родители Р
Потомки
анализирующего
скрещивания
(гомозиготы)
Дикий тип
(серое тело,
нормальные крылья)
b+ b+ ver vg+
Дигибридное анализирующее
скрещивание потомков Е1
Дигетерозигота Fi дикого типа
(серое тело, нормальные крылья)
Яйце-
клетки
Сперма-
тозоиды
Дикий тип
(серое тело,
нормальные
крылья)
b'bvg-vg
Двойной мутант
(черное тело,
рудиментарные крылья)
bbvgvg
Рецессивная
гомозигота
(чёрное тело,
рудиментарные
крылья)
С? b b vg vg
Черное тело,
рудиментар-
ные крылья
Серое тело,
рудиментар-
ныекрылья
Черное тело,
нормальные
крылья
bbvgvg
Результаты
Предполагаемое соотношение при условии,
что гены находятся в разных хромосомах:
Предполагаемое соотношение при условии, что гены
находятся в одной хромосоме, и родительские аллели
всегда наследуются совместно:
Данные эксперимента Моргана:
Выводы. Так как большинство потомков имели родительские
фенотипы (как у поколения Р), Морган пришел к выводу, что ген,
ответственный за цвет тела, сцеплен с геном, отвечающим за
размер крыльев; т.е. эти гены находятся на одной хромосоме.
Несмотря на это, относительно малое число потомков с неро-
дительскими сочетаниями признаков указывает на то, что некий
механизм случайным образом разрушает связь между данными
аллелями генов на одной хромосоме.
1:1:1: 1
А ЧТО, ЕСЛИ?
1:1:0: 0
965 : 944 : 206 : 185
Источник: Т. Н. Morgan and С. J. Lynch, The linkage of two factors
in Drosophila that are not sex-linked, Biological Bulletin 23:174-182
(1912).
Если бы мухи-родители были взяты из двух чи-
стых линий: первой—с серым телом и рудиментарными крылья-
ми, и второй — с черным телом и нормальными крыльями, то ка-
кие фенотипические классы потомков были бы наиболее пред-
ставленными среди потомков анализирующего скрещивания?
402 ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования
расположены на половой хромосоме. Исследуя
эти два гена, Морган проводил скрещивания, по-
казанные на рис. 15.9. Первое из них — это скрещи-
вание родительского поколения Р для получения
дигетерозигот, второе — анализирующее скрещи-
вание потомков Fr
В итоге среди мушек второго поколения доля
комбинаций признаков, характерных для мух по-
коления Р, была намного выше, чем можно было
ожидать при независимом распределении генов.
Из этого наблюдения Морган сделал вывод, что
цвет тела и размер крыльев обычно наследуются
совместно в особых (родительских) комбинациях,
так как гены, ответственные за эти признаки, на-
ходятся рядом друг с другом в одной хромосоме.
При этом, как показано на рис. 15.9, в экспе-
риментах Моргана появлялись обе комбинации
признаков, не встречавшихся у родителей (неро-
дительские фенотипы). Это позволило предполо-
жить, что аллели цвета тела и размера крыльев не
всегда генетически сцеплены. Чтобы понять этот
вывод, нам необходимо глубже исследовать гене-
тическую рекомбинацию — образование потом-
ков с комбинациям признаков, отличающимися от
наблюдаемых у обоих родителей.1
Генетическая рекомбинация
и сцепление
Мейоз и случайное оплодотворение приводят
к генетической изменчивости среди потомков ор-
ганизмов, размножающихся половым путем, бла-
годаря независимому расхождению хромосом,
кроссинговеру в первом делении мейоза, а так-
же возможности оплодотворения любой яйце-
клетки любым сперматозоидом (см. раздел 13.4 в
1 В дальнейшем помните о различии терминов “сцеплен-
ные гены” (два или более генов, расположенных на одной
хромосоме, которые обычно наследуются совместно) и “ген,
сцепленный с полом” (единичный ген, расположенный на
половой хромосоме).
главе 13). Здесь мы рассмотрим хромосомные ос-
новы рекомбинации в связи с генетическими от-
крытиями Менделя и Моргана.
Рекомбинация несцепленных генов:
независимое расхождение хромосом
Из скрещиваний, в которых Мендель следил за
двумя признаками, он заключил, что для некото-
рых потомков характерны комбинации признаков,
которых нет ни у одного из родителей. Например,
рассмотрим дигибридное скрещивание растения
гороха с желтыми и круглыми горошинами, гете-
розиготного и по цвету, и по форме горошин (ге-
нотип YyRr), с растением гороха, гомозиготным
по обоим рецессивным аллелям (т.е. с зелеными
морщинистыми горошинами, уугг). Это скрещи-
вание — анализирующее, потому что результаты
могут указать на генотипы гамет, образованных
дигибридным растением с генотипом YyRr. Пред-
ставим это скрещивание в виде решетки Пеннета
на рисунке ниже.
Гаметы гомо-
зиготного ре-
цессивного
родителя в
анализирую-
щем скрещи-
вании (уугг)
Гаметы дигетерозиготного родителя,
имеющего жёлтые круглые семена (YyRr)
Потомки Рекомбинантные
родительского потомки
типа
В соответствии с данной решеткой Пеннета,
половина потомков ожидаемо унаследует фено-
тип, соответствующий фенотипу одного из рас-
тений родительского поколения Р, которые скре-
щивали для получения дигибридных потомков Fj
(см. рис. 15.2). Такие потомки называются потомка-
ми родительского типа. Однако среди потомков
также обнаруживаются и неродительские фено-
типы. Так как эти потомки имеют новые комби-
нации цвета и формы горошин, они называются
рекомбинантными типами, или, для краткости,
рекомбинантами. Если 50% всех потомков явля-
ются рекомбинантами, как в данном примере, то
на языке генетики мы скажем, что частота реком-
бинации составляет 50%. Предсказанные феноти-
пические соотношения среди потомков похожи
на те, что были обнаружены Менделем в скрещи-
ваниях YyRr х уугг.
ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования 403
Частота рекомбинации в 50% в таких анали-
зирующих скрещиваниях наблюдается для лю-
бых двух генов, которые находятся на разных
хромосомах и поэтому не могут быть сцеплены.
Физическая основа рекомбинации между несце-
пленными генами — это случайная ориентация
хромосом в метафазе I мейоза, которая приводит
к независимому расхождению двух несцепленных
генов (см. рис. 13.11 и вопрос в подписи к рис. 15.2).
Рекомбинация сцепленных генов:
кроссинговер
Теперь объясним результаты анализирующе-
го скрещивания дрозофил, изображенного на
рис. 15.9. Вспомните, большинство потомков это-
го скрещивания демонстрировали родительские
фенотипы по цвету тела и размеру крыльев. Это
указывает на то, что два данных гена находились
на одной хромосоме, так как наличие родитель-
ских типов с частотой более 50% означает, что
гены сцеплены. Но все же 17% потомков были
рекомбинантами. Видя эти результаты, Морган
предположил, что некий процесс должен случай-
ным образом разрушать физическую связь меж-
ду аллелями генов на одной хромосоме. Дальней-
шие эксперименты показали, что этот процесс,
сегодня именуемый кроссинговером, ответстве-
нен за рекомбинацию между сцепленными гена-
ми. Кроссинговер происходит, когда реплициро-
ванные гомологичные хромосомы образуют пары
в профазе I мейоза. В ходе этого процесса опре-
деленный набор белков управляет обменом соот-
ветствующих сегментов материнской и отцовской
хроматид (см. рис. 13.9 в главе 13). В случае, если
произошел единичный перекрест, концевые части
несестринских хроматид меняются местами.
На рис. 15.10 показано, как кроссинговер у ди-
гетерозиготной самки дрозофилы приводит к
появлению рекомбинантных яйцеклеток и, сле-
довательно, рекомбинантных потомков в анали-
зирующих скрещиваниях Моргана.
Большинство яйцеклеток несли хромосо-
мы с родительскими генотипами b+ vg+ или b vg>
но были также и яйцеклетки с рекомбинантны-
ми хромосомами (b+ vg или b vg+). Оплодотворе-
ние всех классов яйцеклеток гомозиготными ре-
цессивными сперматозоидами (b vg) привело к
появлению популяции потомков, среди которых
17% проявили неродительские, рекомбинантные
фенотипы, отражающие комбинации аллелей,
которые не наблюдались прежде ни у одного из
ЭВОЛЮЦИЯ
родителей. В рубрике “Развиваем исследователь-
ские навыки” вы научитесь использовать стати-
стический тест для изучения результатов анали-
зирующего дигибридного скрещивания потомков
поколения F и определять, разделяются ли два
гена независимо или являются сцепленными.
Новые комбинации аллелей:
вариации для естественного отбора
Физическое поведение хромосом в
процессе мейоза оказывает влияние на проявле-
ние изменчивости в потомстве (см. главу 13, раз-
дел 13.4). Каждая пара гомологичных хромосом в
метафазе I выстраивается независимо от других
пар, а кроссинговер перед этим — в профазе I —
приводит к смешиванию и обмену участками ма-
теринских и отцовских гомологов. Элегантные
эксперименты Менделя показали, что поведение
абстрактных сущностей, известных как гены или,
точнее, аллели генов, также приводит к изменчи-
вости потомства (см. главу 14, раздел 14.1). Сегод-
ня, сопоставляя эти различные идеи, вы можете
видеть, что рекомбинантные хромосомы, полу-
чившиеся в результате кроссинговера, могут об-
разовывать новые комбинации аллелей, а после-
дующий мейоз распределяет рекомбинантные
хромосомы по гаметам во множестве комбина-
ций, таких как новые варианты на рис. 15.9 и 15.10.
Затем случайное оплодотворение также увеличи-
вает число возможных комбинаций аллелей.
Такая избыточность генетической изменчиво-
сти предоставляет сырой материал, с которым ра-
ботает естественный отбор. Если признаки, обе-
спеченные определенной комбинацией аллелей,
лучше подходят к данным условиям окружающей
среды, то можно ожидать, что обладающие таким
генотипом организмы будут процветать и оставят
больше потомков, которые обеспечат дальнейшее
существование их генетического набора. Конеч-
но, в следующем поколении аллели будут переме-
шаны заново. В конечном счете, взаимодействие
окружающей среды и генотипа определит, какие
комбинации генов сохранятся во времени.
404 ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования
Рис. 15.10. Основы рекомбинации
сцепленных генов на уровне хро-
мосом. Эти схемы иллюстрируют
анализирующее скрещивание,
изображенное на рис. 15.9, Здесь
показаны как хромосомы, так и
гены. Материнские хромосомы
(присутствующие в дигетерози-
готе F1 дикого типа) обозначены
красным и розовым цветом, что-
бы отличить одну гомологичную
хромосому до кроссинговера в
мейозе от другой. Так как крос-
синговер между локусами b'/b и
vg осуществляется в некото-
рых, но не всех, клетках, дающих
начало яйцеклеткам, то в мате-
ринском организме образуется
больше яйцеклеток с хромосома-
ми родительского типа, нежели с
рекомбинантными. Оплодотворе-
ние яйцеклетки сперматозоидом
с генотипом b vg приводит к об-
разованию некоторого количе-
ства рекомбинантных потомков.
Частота рекомбинации — это
процент рекомбинантных мух от
общего числа потомков
Предположите, что,
как и в вопросе под рис. 15.9, му-
хи-родители (поколение Р) были
из двух чистых линий: одной — с
серым телом и короткими крылья-
ми и другой — с черным телом и
нормальными крыльями. Нарисуй-
те хромосомы каждого из четырех
возможных классов яйцеклеток
самки первого поколения (FJ и
обозначьте родительские и ре-
комбинантные хромосомы.
Родители Р
(гомозиготы)
Дигибридное
анализирующее
скрещивание
потомков
поколения F1
Мейоз I
ИЗОБРАЗИ!
Дикий тип
(серое тело,
нормальные крылья)
Двойной мутант
(чёрное тело,
короткие крылья)
Дигетерозигота дикого типа
из поколения F-j (серое тело,
нормальные крылья)
Удвоение
хромосом
tr
b
Рецессивная гомозигота
(чёрное тело,
рудиментарные крылья)
Мейоз I и П
Мейоз II
Рекомбинантные
Потомки
от анализи-
рующего
скрещивания
965 Дикий тип (серое тело, нормальные крылья) 944 Чёрное тело, рудиментар- ные крылья 206 Серое тело, рудиментар- ные крылья ДИДИ 185 Чёрное тело, нормальные крылья 6 vg* 1 1
b vg b vg i> vg b vg
\а__)
Потомки родительского типа
Рекомбинанты
Частота _ 391 рекомбинант х юр - ^7%
рекомбинации 2300 потомков всего х
Сперматозоиды
ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования 405
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
‘Цсиоль^оёакие юршперцл Хм-idjaipam (ц)
Являются ли два гена сцепленными или нет? Расположение генов
на близком расстоянии на одной хромосоме приводит к появлению
сцепленных аллелей, которые чаще наследуются совместно, чем
по отдельности. Но как понять, наследуются ли определенные алле-
ли совместно, потому что они сцеплены, или просто потому, что так
получилось при независимом расхождении? В этом упражнении вы
будете использовать простой статистический тест (критерий Хи-ква-
драт, х2) для того, чтобы проанализировать фенотипы потомков F1
анализирующего скрещивания и понять, сцеплены два гена или нет.
Проведение эксперимента. Если гены не сцеплены и распределяют-
ся независимо, то ожидается следующее соотношение фенотипов
потомков F1 анализирующего скрещивания — 1:1:1:1 (см. рис. 15.9).
Если же два гена сцеплены, то наблюдаемое фенотипическое со-
отношение не соответствует ожидаемому. При условии, что в данных
эксперимента существуют случайные отклонения, насколько должны
отличаться наблюдаемые соотношения от ожидаемых, чтобы мы мог-
ли заключить, что гены не распределяются независимо, а, напротив,
сцеплены? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые используют ста-
тистический тест. Этот тест, называемый критерием Хи-квадрат (х2),
сравнивает наблюдаемые значения с ожидаемым набором данных,
предсказанных гипотезой (в нашем случае, гипотеза состоит в том, что
гены не сцеплены), и измеряет различия между ними, таким образом
определяя "критерий согласия". Если различия между наблюдае-
мыми и ожидаемыми значениями настолько сильные, что их нельзя
объяснить случайным разбросом, мы говорим, что это статистически
достоверное доказательство, опровергающее гипотезу (или, точнее,
доказательство того, что гены сцеплены). Если же различия малы, то
результаты наших наблюдений можно легко объяснить одним лишь
случайным отклонением. В таком случае мы говорим, что наблюдае-
мые данные согласуются с гипотезой, или что различия статистически
недостоверны. Однако отметим, что согласованность данных с нашей
гипотезой — не то же самое, что и доказательство нашей гипотезы.
Кроме того, важен размер выборки экспериментальных данных: даже
если гены сцеплены (особенно если сцепление слабое), в случае ма-
ленькой выборки (как, например, эта) различие между данными и ги-
потезой об отсутствии сцепления может случайным образом оказать-
ся небольшим. Для простоты здесь мы пренебрежем этим эффектом.
Данные модельного эксперимента. У космеи пурпурные стебли (А)
доминируют над зелеными (а), а короткие лепестки (6) — над длин-
ными лепестками (Ь).
В модельном эксперименте растения с генотипом ААВВ скрещивали
с растениями aabb, чтобы получить дигетерозиготу АаВЬ в первом
поколении, которую подвергли анализирующему скрещиванию
(АаВЬ х aabb). У всех 900 потомков оценивали цвет стебля и длину
лепестков.
Потомки анали- зирующего скре- щивания АаВЬ x aabb Пурпурный стебель, короткие лепестки (Аа-В-) Зеленый стебель, короткие лепестки (оо6~) Пурпурный стебель, длинные лепестки (A-bb) Зеленый стебель, длинные лепестки (aabb)
Ожидаемое со- отношение, если гены не сцеплены 1 1 1 1
Ожидаемое число потомков (из 900)
Наблюдаемое число потомков (из 900) 220 210 231 239
Анализ данных.
1. Результаты в таблице
взяты из модельного
анализирующего скре-
щивания дигетерозиготы
поколения Fr Гипотеза, согласно которой эти гены не сцепле-
ны, предсказывает фенотипическое соотношение потомков
1:1:1:1. Используя это соотношение, посчитайте ожидаемое
число потомков каждого фенотипа из всех 900 потомков и вне-
сите полученные данные в таблицу.
2. Критерий согласия измеряется при помощи х2. Эта статисти-
ческая величина измеряет значение, на которое наблюдае-
мые величины отличаются от ранее предсказанных, чтобы по-
казать, насколько совпадают два набора данных. Формула
для расчета этой величины:
(о~е)2
е
3. где о — наблюдаемое значение, е — ожидаемое. Рассчи-
тайте значение х — квадрат для наших данных, используя
таблицу, приведенную ниже. Заполните таблицу, произведя
действия, обозначенные в верхней строчке. Затем сложите
числа в последней колонке, чтобы получить величину х2.
Потомки ана- лизирующего скрещивания Ожидае- мые значе- ния (е) Наблю- даемые значения (о) Отклоне- ние (о-е) (о-е)2 (о-е)2/е
(А-В-) 220
(ааВ-) 210
(A-bb) 231
(aabb) 239
х’= сумма
4. Сама по себе величина х2 не значит ничего—ее используют, что-
бы определить вероятность того, что набор наблюдаемых данных
мог быть результатом случайных колебаний, если мы примем ги-
потезу верной. Небольшая вероятность подразумевает, что на-
блюдаемые данные не согласуются с гипотезой, и тогда гипотезу
следует отклонить. Стандартная граница, используемая биолога-
ми — это вероятность в 0,05 (5%). Если вероятность, соответству-
ющая значению х2, составляет 5% или ниже, то различия между
наблюдаемыми и ожидаемыми величинами рассматриваются
как статистически достоверные и наша гипотеза (что гены не сце-
плены) должна быть отклонена. Если эта вероятность больше 0,05,
то результаты не являются статистически достоверными, а наблю-
даемые значения согласуются с гипотезой. Чтобы найти эту веро-
ятность, сопоставьте ваш критерий х2 с Таблицей распределения
X2 в Приложении Г. "Степени свободы" (df) вашей выборки — это
число категорий (в нашем случае, 4 фенотипа) минус 1, таким об-
разом, df = 3. а) Определите, между какими значениями в строч-
ке таблицы, соответствующей df = 3. находится ваше значение
X2. б) Заголовки столбцов, где находятся эти значения, покажут
диапазон вероятности для вашего критерия х2. Основываясь на
том, что существуют недостоверные (р > 0,05) или достоверные
(р < 0,05) различия между наблюдаемыми и ожидаемыми значе-
ниями, объясните, согласуются ли данные с гипотезой, что два
гена не сцеплены и распределяются в гаметы независимо, или у
нас есть достаточно доказательств, чтобы отклонить эту гипотезу?
Для дальнейшего чтения: R. A. Sturm, A golden age of human pigmentation
genetics, Trends in Genetics 22:464-468 (2006).
Определение расстояния между
генами при помощи данных
по рекомбинации (научное
исследование)
Открытие сцепленных генов и рекомбина-
ции, связанной с кроссинговером, мотивировало
одного из студентов Моргана, Альфреда Стёрте-
ванта, разработать метод создания генетической
карты, упорядоченного списка генетических ло-
кусов по всей длине конкретной хромосомы.
Стёртевант предположил, что процент реком-
бинантных потомков, т.е. частота рекомбинации,
рассчитанная из экспериментов — подобных тем,
что описаны на рис. 15.9 и 15.10 — зависит от рассто-
яния между генами на хромосоме. Он допустил,
что кроссинговер является случайным событием
с вероятностью, примерно одинаковой в любой
точке хромосомы. Основываясь на этих предпо-
ложениях, Стёртевант предсказал, что, чем даль-
ше гены расположены друг от друга, тем больше
вероятность кроссинговера между ними, и поэто-
му тем больше частота рекомбинации. Его рас-
суждения были просты: чем больше расстояние
между двумя генами, тем больше между ними то-
чек, где может идти кроссинговер. Используя дан-
ные по рекомбинации из разных скрещиваний
плодовых мушек, Стёртевант начал определять
относительное положение генов на одной и той
же хромосоме, т.е. картировать гены.
Генетическая карта, построенная на основе ча-
стот рекомбинации, называется картой сцепле-
ния. На рис. 15.11 показана карта сцепления, со-
ставленную Стёртевантом для трех генов: цвета
тела (Ь) и размера крыльев (yg), изображенных на
рис. 15.10, и еще одного гена, который называется
“киноварным” (от англ, cinnabar, сп). Ген киновар-
ной окраски глаз — один из главных генов у дро-
зофил, отвечающих за цвет глаз. Глаза цвета ки-
новари (мутантный фенотип) — более светлые,
чем глаза дикого типа. Частота рекомбинации
между сп и b — 9%, между сп и vg — 9,5%, между
b и vg — 17%. Иначе говоря, кроссинговеры меж-
ду сп и b и сп и vg происходят примерно в два раза
реже, чем между b и vg. Только карта, на которой
сп расположен примерно посередине между b и
vg, согласуется с этими данными, что вы можете
сами проверить, нарисовав другие варианты карт.
Стёртевант выражал расстояние между генами в
условных единицах карты, принимая одну еди-
ницу равной частоте рекомбинации в 1%.
▼ Рис. 15.11.
Изыскание
Составление генетической карты
Применение на практике Генетическая карта показывает от-
носителы-юе расположение генов на хромосоме.
Описание методики. Принцип построения генетических карт
основан на том, что вероятность кроссинговера между двумя
генетическими локусами пропорциональна расстоянию меж-
ду этими локусами. Частоты рекомбинации, используемые для
построения карты конкретной хромосомы, получают путем
анализа экспериментальных скрещиваний, таких, как скрещи-
вания, изображенные на рис. 15.9 и 15.10. Расстояния между ге-
нами выражаются в условных единицах карты—сантиморгани-
дах, или сантиморганах (сМ). Один сантиморган эквивалентен
частоте рекомбинации в 1%. Гены выстраиваются на хромосо-
ме в том порядке, который наилучшим образом согласуется с
экспериментальными данными.
Результаты. В данном случае наблюдаемые частоты реком-
бинации между тремя парами генов дрозофилы (Ь-сп 9%,
cn-vg 9,5% и b-vg 17%) соответствуют линейному расположе-
нию генов, когда сп находится примерно посередине между
двумя другими генами:
Частоты
рекомбинации
^_9%-э^- 9,5%-►
Хромосомы
------17%------>
7 : Т
ь
сп vg
Частота рекомбинации между b и vg (17%) несколько меньше,
чем сумма частот для пар b-сп и cn-vg (9% + 9,5% = 18,5%) из-
за тех немногих случаев, когда один перекрест происходит
между b и сп, а второй — между сп и vg. Второй перекрест
как бы "нейтрализует" первый, уменьшая наблюдаемую часто-
ту рекомбинации в паре b-vg и одновременно внося вклад в
частоты каждой пары наиболее близко расположенных генов.
Значение 18,5% (18,5 сантиморган) ближе к истинному рассто-
янию между генами. На практике генетик при построении кар-
ты сложил бы меньшие расстояния.
На практике интерпретация данных по реком-
бинации сложнее, чем предполагает этот экспе-
римент. Некоторые гены на хромосоме находятся
так далеко друг от друга, что кроссинговер между
ними происходит всегда. Наблюдаемая частота ре-
комбинации в скрещиваниях, затрагивающих два
таких гена, может достигать максимального зна-
чения 50%, а такой результат нельзя отличить от
результата для генов, находящихся на разных хро-
мосомах. В таком случае физические связи меж-
ду генами на одной хромосоме не отражаются в
ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования 407
результатах генетических скрещиваний. Несмо-
тря на то, что гены находятся на одной хромосоме
и связаны физически, генетически они не сцепле-
ны; аллели таких генов распределяются независи-
мо, как если бы они были на разных хромосомах.
Сегодня нам известно, что как минимум два гена,
отвечающих за признаки у гороха, которые изу-
чал Мендель, находятся на одной хромосоме, но
расстояние между ними так велико, что сцепле-
ние нельзя обнаружить генетическими методами.
В итоге эти гены ведут себя в экспериментах Мен-
деля так, словно они находятся на разных хромо-
сомах. Гены, расположенные далеко друг от друга,
можно картировать, складывая частоты рекомби-
нации из скрещиваний, где наблюдают за близле-
жащими генами, лежащими между двумя отдален-
ными генами.
Используя данные по рекомбинации, Стёрте-
вант и его коллеги могли картировать многочис-
ленные гены дрозофилы в линейные массивы.
Они обнаружили, что эти гены образуют четы-
ре группы сцепленных генов {группы сцепления').
фенотипы дикого типа
Рис. 15.12. Участок генетической карты хромосомы дрозофи-
лы. Эта упрощенная карта показывает только семь генов из
тех, которые были картированы на хромосоме II у дрозофи-
лы (секвенирование ДНК выявило на этой хромосоме более
9000 генов). Число рядом с каждым генным локусом означа-
ет расстояние между этим локусом и локусом длины щетинок
(слева). Обратите внимание, что несколько генов могут влиять
на один признак, например, на цвет глаз
Световая микроскопия уже выявила у дрозофи-
лы четыре пары хромосом; таким образом, кар-
та сцепления стала дополнительным доказатель-
ством того, что гены расположены на хромосомах.
На каждой хромосоме расположен линейный мас-
сив специфических генов, причем каждый ген
имеет свой собственный локус (рис. 15.12).
Так как карта сцепления основана исключи-
тельно на частотах рекомбинации, она дает лишь
приблизительное описание структуры хромосомы.
На самом деле, частота кроссинговера неодинако-
ва на протяжении хромосомы, как предположил
Стертевант, и поэтому условные единицы карты
не соответствуют реальным физическим расстоя-
ниям (в нанометрах, например). Карта сцепления
отражает лишь порядок расположения генов вдоль
хромосомы, но не отражает точное местоположе-
ние этих генов. Другой метод позволяет генетикам
строить цитогенетические карты хромосом, на
которых гены расположены соответственно осо-
бенностям хромосом, таким как окрашенные по-
лоски, которые можно увидеть в микроскопе. Тех-
нический прогресс последней пары десятилетий
чрезвычайно увеличил скорость и доступность
секвенирования ДНК. Сегодня большинство ис-
следователей секвенируют целые геномы, чтобы
картировать гены данного вида. Полная нуклео-
тидная последовательность — это окончательная
физическая карта любой хромосомы, определяю-
щая расстояния между генными локусами в парах
оснований ДНК (см. главу 21, раздел 21.1). Сравни-
вая карту сцепления с такой картой или с цитоге-
нетической картой той же самой хромосомы, мы
обнаруживаем, что линейное расположение генов
одинаково на всех картах, но расстояния между
ними различаются.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 15.3
1.
2.
3.
Если два гена расположены на одной хромосоме, каковы
физические основы образования рекомбинантных потом-
ков в анализирующем скрещивании между дигибридным
родителем и двойным рецессивным мутантом?
Для каждого типа потомков анализирующего скрещивания,
изображенного на рис. 15.9, объясните взаимосвязь меж-
ду фенотипом и аллелями, которые передались потомкам
от матери (полезно будет нарисовать хромосомы каждой
мухи и проследить за аллелями в процессе скрещивания).
Гены А, В и С расположены на одной хро-
мосоме. Анализирующие скрещивания показывают, что
частота рекомбинации между генами А и В составляет
28%, а между генами А и С — 12%. Можете ли вы опреде-
лить линейный порядок генов на хромосоме? Объясните
ваш ответ.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
408 ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования
15.4. Изменение числа хромосом
и их структуры вызывает
генетические расстройства
Как вы уже знаете из предыдущего раздела, на
фенотип любого организма могут влиять неболь-
шие изменения, затрагивающие отдельные гены.
Случайные мутации — это источник новых алле-
лей, которые могут приводить к образованию но-
вых фенотипических признаков.
Крупные хромосомные перестройки так-
же могут влиять на фенотип организма. Физи-
ческие и химические факторы, а также ошибки в
ходе мейоза, могут, главным образом, повреждать
хромосомы, а также изменять их число в клет-
ке. Крупномасштабные хромосомные изменения
у человека и других млекопитающих часто при-
водят к спонтанному прерыванию беременности
(выкидышу), а люди, родившиеся с такими типа-
ми генетических дефектов, часто имеют различ-
ные нарушения развития. Растения выживают с
такими дефектами лучше, чем животные.2
Аномальное число хромосом
В идеале веретено деления распределяет хро-
мосомы по дочерним клеткам без ошибок. Одна-
ко время от времени на этой стадии может про-
исходить поломка, нерасхождение хромосом, при
которой гомологичные хромосомы в паре не рас-
ходятся должным образом в ходе мейоза I или се-
стринские хроматиды не разделяются в мейозе II
(рис. 15.13).
При нерасхождении в одной гамете оказыва-
ются две одинаковые хромосомы, а в другой — ни
одной. Остальные хромосомы, как правило, рас-
пределяются нормально.
Если каждая из аномальных гамет сольется с
нормальной гаметой при оплодотворении, то зи-
гота также будет иметь ненормальное количе-
ство одной из хромосом; такая ситуация называ-
ется анеуппоидией. Оплодотворение, в котором
участвует гамета, не имеющая ни одной копии
2 Отметим, что в русскоязычной литературе принята сле-
дующая классификация мутаций по уровню организации
генетического материала, который затрагивает мутация:
геномные, связанные с изменением числа хромосом; хромо-
сомные, связанные с крупными перестройками хромосом;
генные, затрагивающие одну пару нуклеотидов (точечные
мутации) или небольшой участок гена. Геномные и хромо-
сомные мутации относятся к крупномасштабным хромосо-
мным перестройкам в терминах этой книги. — Примеч. ред.
данной хромосомы, приведет к отсутствию хро-
мосомы в зиготе (таким образом, эта клетка бу-
дет иметь 2и-1 хромосом); такую анеуплоидную
зиготу называют моносомной по этой хромо-
соме. Если хромосома присутствует в зиготе в
трех копиях (тогда в клетке 2и+1 хромосом), та-
кая анеуплоидная клетка называется трисом-
ной по этой хромосоме. Затем митоз перенесет
аномалию во все клетки эмбриона. По оценкам
ученых, моносомии и трисомии возникают в 10-
25% человеческих зачатий, а также являются од-
ной из основных причин прерывания беремен-
ности. Если же организм выживает, то у него
присутствует, как правило, набор признаков, об-
условленный аномальным содержанием генов,
связанным с отсутствием хромосомы или допол-
нительной хромосомой. Синдром Дауна — это
пример трисомии у человека, который мы обсу-
дим позже. Нерасхождение хромосом также мо-
жет происходить в процессе митоза. Если такая
ошибка происходит на ранней стадии эмбрио-
нального развития, то анеуплоидное состояние
распространяется посредством митоза на боль-
шую популяцию клеток и, вероятно, будет вли-
ять на организм впоследствии.
л + 1 л + 1 л-1 л-1 л + 1 л-1 л п
Число хромосом
а) Нерасхождение гомо-
логичных хромосом
в I делении мейоза
б) Нерасхождение
сестринских хроматид
во II делении мейоза
Рис. 15.13. Нерасхождение хромосом в мейозе. Гаметы с
аномальным числом хромосом могут возникать при нерас-
хождении хромосом в I или II делениях мейоза. Для просто-
ты на рисунке не показано формирование спор при мейозе
у растений. В конечном счете нарушения при образовании
спор приведут к тому, что в гаметах также будут присутство-
вать указанные дефекты (см. рис. 13.6)
ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования 409
В соматических клетках некоторых организ-
мов содержится больше двух полных наборов
хромосом. Общий термин для такой ситуации —
полиплоидия, специфические термины трипло-
идия (Зи), тетраплоидия (4и) указывают, соот-
ветственно, на три или четыре набора хромосом.
Один вариант возникновения триплоидной клет-
ки — это оплодотворение аномальной диплоидной
яйцеклетки, образовавшейся в результате нерас-
хождения всех ее хромосом. Причиной тетрапло-
идии может быть ошибка при делении зиготы с
набором хромосом 2п после репликации ее хромо-
сом. Последующий нормальный митоз приведет к
возникновению эмбриона с 4м хромосомами.
Полиплоидия значительно чаще встречается
в царстве растений. Спонтанное возникновение
полиплоидных организмов играет важную роль
в эволюции растений. Многие виды растений, ко-
торые мы употребляем в пищу, полиплоидны: ба-
наны триплоидны, пшеница гексаплоидна (6м),
клубника октоплоидна (8и). Полиплоиды среди
животных встречаются намного реже, однако из-
вестно, что некоторые виды рыб и амфибий по-
липлоидны. В общем, полиплоиды более близки к
норме, чем анеуплоиды. Одна лишняя (или отсут-
ствующая) хромосома, очевидно, сильнее нару-
шает генетический баланс, чем дополнительный
полный набор хромосом.
Изменения в структуре хромосом
Ошибки в мейозе или повреждающие агенты,
такие как радиация, могут вызывать разрыв хро-
мосомы, что может приводить к четырем типам
изменений в структуре хромосом (рис. 15.14).
Делеция происходит, когда теряется фрагмент
хромосомы. Поврежденная хромосома при этом
теряет часть генов. Удаленный фрагмент затем мо-
жет присоединяться как дополнительный сегмент
к сестринской хроматиде, что приводит к дупли-
кации. Кроме этого, удаленный фрагмент может
присоединяться к несестринской хроматиде го-
мологичной хромосомы. В этом случае “дупли-
цированные” сегменты могут быть генетически
не идентичными, потому что гомологи могут не-
сти разные аллели определенных генов. Фрагмент
хромосомы может также соединяться с исходной
хромосомой, но в обратной ориентации, что при-
водит к инверсии. Четвертый возможный резуль-
тат повреждения хромосомы — это присоеди-
нение фрагмента к негомологичной хромосоме,
такую перестройку называют транслокацией.
а) Делеция
(А| B|Cfil EXF | G | Н)
t t
| При делеции сегмент хромосомы выпадает.
(А | В |С | eXf |G| Н)
б) Дупликация
। При дупликации сегмент хромосомы
| дублируется
(А|:И*ЙМ|Р| Е X F I G | Н)
в) Инверсия
(аЯ<4|»1 ГХе |g|h)
t
При инверсии сегмент хромосомы
. переворачивается.
(A|»lM|:irXF|G|H)
г) Транслокация
При транслокации сегмент перемещается
с данной хромосомы на негомологичную
ей хромосому. При реципрокной трансло-
кации. которая наиболее распростране-
на, негомологичные хромосомы обменива-
ются фрагментами.
с | р | еXHgTh) ftWl р IQX'R)
Реже встречается нереципрокная транслокация: хромосома
отдает фрагмент, но взамен ничего не получает (не показано).
Рис. 15.14. Перестройки хромосом. Красные стрелки указы-
вают точки разрыва. Фиолетовым выделены части хромосом,
затронутые перестройками
Во время мейоза с наибольшей вероятностью
происходят делеции и дупликации. В процессе
кроссинговера несестринские хроматиды иногда
обмениваются сегментами ДНК не одинаковой
длины, таким образом, один партнер теряет боль-
ше генов, чем получает. Продуктами такого не-
равномерного кроссинговера являются одна хро-
мосома с делецией и одна — с дупликацией.
Диплоидный эмбрион, который гомозиго-
тен по большой делеции (или у него есть един-
ственная Х-хромосома с большой делецией, в слу-
чае самцов) обычно теряет некоторые важные
гены, а это, как правило, летально. Дупликации и
410 Г ЛАВА 15 Хромосомная теория наследования
транслокации также обычно наносят вред здоро-
вью организма. В случае реципрокных транслока-
ций, когда сегментами обмениваются негомоло-
гичные хромосомы, и инверсий баланс генов не
аномальный — все гены присутствуют в их нор-
мальных количествах. Несмотря на это, трансло-
кации и инверсии могут изменять фенотип, по-
скольку на экспрессию генов серьезное влияние
может оказывать их генное окружение.
Заболевания человека, связанные
с хромосомными перестройками
Изменения числа и структуры хромосом свя-
заны с некоторыми серьезными заболеваниями
человека. Как было сказано ранее, нерасхождение
хромосом в мейозе приводит к анеуплоидии гамет
и получающихся зигот. Хотя частота появления
анеуплоидных зигот у человека может быть до-
вольно высокой, большинство этих хромосомных
перестроек настолько фатальны для развития,
что происходит самопроизвольное прерывание
такой беременности на ранних сроках. Однако не-
которые типы анеуплоидий обычно влияют на ге-
нетический баланс в меньшей степени, чем дру-
гие, и тогда люди с такими анеуплоидиями могут
дожить до рождения и жить дальше. У таких лю-
дей есть набор признаков — синдром — харак-
терный для данного типа анеуплоидии. Генетиче-
ские расстройства, обусловленные анеуплоидией,
можно диагностировать еще до рождения при по-
мощи тестирования плода (см. рис. 14.19 в главе 14).
Синдром Дауна (трисомия по хромосоме 21)
Одно из анеуплоидных состояний, синдром
Дауна, встречается примерно у одного ребенка на
каждые 830 детей, родившихся в США (рис. 15.15).
Причиной синдрома Дауна обычно является до-
бавочная 21 хромосома, поэтому каждая клетка
тела имеет всего 47 хромосом. Так как клетки три-
сомны по хромосоме 21, то синдром Дауна часто
называют трисомией по 21 хромосоме.
Синдром Дауна включает в себя характерные
черты лица, низкий рост, пороки сердца, кото-
рые возможно исправить, и задержки развития.
У людей с синдромом Дауна повышен риск раз-
вития лейкемии или болезни Альцгеймера, но у
них низка вероятность повышенного давления,
атеросклероза (склерозирования артерий), ин-
сульта, а также большинства твердотельных опу-
холей. Хотя люди с синдромом Дауна в среднем
имеют меньшую продолжительность жизни по
сравнению со здоровыми, большинство дожива-
ют до средних лет и дольше при условии должной
медицинской поддержки. Многие живут незави-
симо или дома со своими семьями, трудоустра-
иваются и вносят значимый вклад в общество.
Почти все мужчины и примерно половина жен-
щин с синдромом Дауна сексуально недоразвиты
и стерильны.
Рис. 15.15. Синдром Дауна. Показан кариотип при трисо-
мии 21, наиболее частой причине синдрома Дауна. Черты
лица ребенка характерны для данного заболевания
Частота синдрома Дауна растет с увеличением
возраста матери. Расстройство возникает лишь у
0,04% детей, рожденных матерями в возрасте до
30 лет; к 40 годам риск увеличивается до 0,92% и
продолжает возрастать с увеличением возраста
женщины. Корреляция синдрома Дауна с возрас-
том матери пока еще не объяснена. В большин-
стве случаев причиной является нерасхождение
хромосом в мейозе I, и некоторые исследования
отмечают аномалии мейоза, зависящие от возрас-
та. Трисомии по некоторым другим хромосомам
также чаще возникают с увеличением возраста
матери, но дети с другими аутосомными трисо-
миями редко живут долго. В связи с низким ри-
ском осложнений и высокой информативностью,
пренатальный скрининг трисомий у эмбриона
сегодня предлагают всем беременным женщи-
нам. В 2008 году в США был принят законопро-
ект Кеннеди-Браунбэка (Prenatally and Postnatally
Diagnosed Conditions Awareness Act). Этот закон
гласит, что практикующие врачи должны предо-
ставлять родителям точную и своевременную ин-
формацию о результатах любой пренатальной
или постнатальной диагностики, а также направ-
лять родителей в соответствующие службы под-
держки.
ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования 411
Анеуплоидия половых хромосом
Анеупдоидные состояния, затрагивающие по-
ловые хромосомы, обычно нарушают генетиче-
ский баланс организма меньше, чем анеуплоидии
аутосом. Возможно, это связано с тем, что Y-xpo-
мосома содержит относительно мало генов. Кроме
того, дополнительные копии Х-хромосомы просто
инактивируются, превращаясь в тельца Барра.
Дополнительная Х-хромосома у мальчиков,
дающая генотип XXY, возникает примерно один
раз на каждые 500-1000 родившихся мальчи-
ков. У людей с таким расстройством, синдромом
Клайнфелътера, половые органы мужские, но се-
менники аномально маленькие, а сами мужчины
стерильны. Несмотря на то, что дополнительная
Х-хромосома инактивирована, часто проявляет-
ся увеличение молочных желез и другие женские
черты строения тела. Люди с таким заболеванием
могут иметь сниженные умственные способно-
сти. Примерно один из 1000 мальчиков рождается
с дополнительной Y-хромосомой (XYY). У таких
мальчиков половое развитие проходит нормаль-
но, у них не проявляется какого-либо выраженно-
го синдрома, но обычно их рост выше среднего.
Женщины с трисомией X (XXX), которая воз-
никает примерно один раз на каждую из 1000 ро-
дившихся девочек, здоровы, у них нет физических
особенностей, кроме того, что они также более
высокого роста. Для женщин Х-трисомиков су-
ществует риск плохих способностей к обучению,
но они могут иметь детей. Моносомия X, которая
называется синдромом Тернера, возникает один
раз на каждые 2500 родившихся девочек, и из-
вестна как единственная моносомия у человека,
совместимая с жизнью. Хотя люди с генотипом
Х0 — фенотипические женщины, они стерильны,
потому что их половые органы недоразвиты. Если
провести заместительную терапию эстрогеном,
то у девочек с синдромом Тернера формируются
вторичные половые признаки. У большинства из
них нормальный интеллект.
Расстройства, обусловленные структурными
хромосомными перестройками
Многие делеции в хромосомах человека, даже
в гетерозиготном состоянии, приводят к серьез-
ным проблемам. Один из таких синдромов, из-
вестный как синдром кошачьего крика, обусловлен
характерной делецией на хромосоме 5. Ребенок,
который рождается с этой делецией, имеет силь-
ную умственную отсталость, у него маленькая
1.
голова и необычные черты лица, а его крик похож
на мяуканье кошки. Такие дети часто умирают в
младенчестве или раннем детстве.
Хромосомные транслокации вовлечены и в
развитие некоторых видов рака, включая хрони-
ческий миелоидный лейкоз. Это заболевание воз-
никает при реципрокной транслокации во время
митоза в клетках, которые потом станут лейко-
цитами. В таких клетках обмен большой части
хромосомы 22 на маленький концевой фрагмент
хромосомы 9 приводит к образованию сильно
укороченной, легко узнаваемой 22 хромосомы,
которую называют филадельфийской хромосомой
(рис. 15.16). Такой обмен вызывает рак, активируя
ген, приводящий к неконтролируемому ускоре-
нию клеточного цикла (механизм активации гена
будет обсуждаться в главе 18).
Нормальная хромосома 9
Нормальная хромосома 22
Реципрокная транслокация
т
С.........-г___ . _ д
Хромосома 9 с транслокацией
ОК
Хромосома 22 с транслокацией
(филадельфийская хромосома)
Рис. 15.16. Транслокация, ассоциированная с хроническим
миелоидным лейкозом (ХМА). Раковые клетки почти у всех па-
циентов с ХМЛ содержат аномально короткую хромосому 22,
так называемую филадельфийскую хромосому, а также ано-
мально длинную хромосому 9. Такие измененные хромосомы
являются результатом реципрокной транслокации, изобра-
женной на этом рисунке, которая, как предполагается, про-
исходит в единственной клетке-предшественнице лейкоцитов
в ходе митоза, а затем передается всем клеткам-потомкам
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 15.4
Примерно у 5% пациентов с синдромом Дауна есть хро-
мосомная транслокация, при которой третья копия хро-
мосомы 21 соединяется с хромосомой 14. Если бы такая
транслокация произошла в половых органах родителей,
каким образом она могла бы привести к развитию синдро-
ма Дауна у ребенка?
| Локус групп крови АВО картирован на
хромосоме 9. У отца с группой крови АВ и матери с груп-
пой крови 0 родился ребенок с трисомией 9 хромосомы и
группой крови А. Можете ли вы, используя эту информацию,
А ЧТО, ЕСЛИ?
412 ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
сказать, у кого из родителей произошло нерасхождение
хромосом? Объясните ваш ответ (см. рис. 14.11).
3. Ген, который активируется на
филадельфийской хромосоме, кодирует внутриклеточную
тирозинкиназу. Вспомните обсуждение контроля клеточно-
го цикла в разделе 12.3 (глава 12) и объясните, какой вклад
вносит активация этого гена в развитие рака?
Ответы см. в Приложении А.
15.5. Некоторые типы
наследования не подчиняются
законам Менделя
В предыдущем разделе вы узнали об отклоне-
ниях от обычной картины наследования хромо-
сом, как результате аномальных событий в ми-
тозе и мейозе. Мы подведем итоги этого раздела
описанием двух существующих в природе исклю-
чений из генетики Менделя, одно из них затра-
гивает гены, расположенные в ядре, а другое —
гены, расположенные вне ядра. В обоих случаях
пол родителя, вносящего аллель, является факто-
ром, влияющим на наследование.
Геномный импринтинг
На протяжении нашей дискуссии о генетике
Менделя и хромосомных основах наследствен-
ности мы предполагали, что определенный ал-
лель будет оказывать одинаковое влияние, не-
зависимо от того, наследуется он от матери или
от отца. В большинстве случаев это предположе-
ние, вероятно, правильно. Например, когда Мен-
дель скрещивал горох с фиолетовыми цветками
и горох с белыми цветками, он ожидал получить
одинаковые результаты, независимо от того, ка-
кие гаметы производит растение с фиолетовы-
ми цветами — яйцеклетки или спермии. Однако
в последние годы, генетики обнаружили у мле-
копитающих ряд признаков, которые зависят от
того, от какого родителя были переданы аллели,
ответственные за эти признаки. Такая изменчи-
вость фенотипа, зависящая от того, наследуется
аллель от отца или от матери, называется геном-
ным импринтингом (отметим, что в отличие от
генов, сцепленных с полом, большинство генов,
участвующих в импринтинге, находятся на ау-
тосомах). С использованием более современных
методов, основанных на секвенировании ДНК,
было описано более 60 генов, участвующих в им-
принтинге, причем еще сотни генов находятся
под подозрением.
Геномный импринтинг происходит во вре-
мя формирования гамет и приводит к сайленсин-
гу3 определенного аллеля данного гена. Так как
эти гены подвергаются импринтингу по-разно-
му в сперматозоидах и яйцеклетках, то у потом-
ков экспрессируется только один аллель имприн-
тированного гена, который наследуется или от
отца, или от матери. Затем профиль импринтин-
га распространяется по всем клеткам организ-
ма в ходе развития. В каждом поколении старый
профиль импринтинга “стирается” в клетках —
предшественниках гамет, и хромосомы развиваю-
щихся гамет заново претерпевают импринтинг в
соответствии с полом особи, у которой эти гаме-
ты формируются. У данного биологического вида
импринтированные гены всегда подвергаются им-
принтингу по одному и тому же пути. Например,
ген, после импринтинга которого экспрессируется
материнский аллель, всегда подвергается именно
такому импринтингу, поколение за поколением.
Рассмотрим в качестве примера мышиный
ген инсулиноподобного фактора роста 2 (Igf2),
один из первых обнаруженных импринтирован-
ных генов. Хотя этот фактор необходим для нор-
мального пренатального роста, экспрессируется
только отцовский аллель (рис. 15.17, а). Доказатель-
ство того, что ген Igf2 подвергается импринтин-
гу, берет начало из скрещиваний между мышью
нормального размера (дикий тип) и карликовой
мышью (мутант), гомозиготной по рецессивной
мутации в гене Igf2. Фенотип гетерозиготных по-
томков (с одним нормальным аллелем и одним
мутантным) различался в зависимости от того,
пришел ли мутантный аллель от матери или от
отца (рис. 15.17,6).
Что же такое геномный импринт? Во мно-
гих случаях, он, вероятно, включает метильные
группы (-CFQ, которые присоединяются к цито-
зину в одном из аллелей. Такое метилирование
может вызывать сайленсинг гена, эффект, кото-
рый заключается в том, что сильно метилирован-
ные гены обычно неактивны (см. раздел 18.2, гла-
ва 18). Однако для достаточно большого числа
генов показано, что метилирование активиру-
ет экспрессию их аллелей. Ген Igf2 — один из их
числа: метилирование определенных цитозинов в
отцовской хромосоме приводит к экспрессии от-
цовского аллеля Igf2 при участии непрямого ме-
ханизма, касающегося конденсации хроматина.
5 Сайленсинг — подавление экспрессии, от англ, silence —
“тишина”. — Примеч. ред.
ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования 413
Нормальный аллель Igf2
_ экспрессируется.
Отцовская ।
хромосома-------
Материнская-----• —
хромосома I
Нормальный аллель Igf2
не экспрессируется.
Мышь нормального
размера (дикий тип)
а) Гомозигота. Мышь, гомозиготная по аллелю Igf2 дикого
типа, имеет нормальный размер. При этом экспресси-
руется только отцовский аллель этого гена.
Мутантный аллель Igf2
унаследован от матери
Мутантный аллель Igf2
унаследован от отца
Мышь нормального размера
(дикий тип)
Нормальный аллель Igf2
экспрессируется.
Мутантный аллель Igf2
не экспрессируется.
Карликовая мышь (мутант)
Мутантный аллель Igf2
экспрессируется.
Нормальный аллель Igf2
не экспрессируется.
6) Гетерозиготы. От скрещивания мышей дикого типа и мышей,
гомозиготных по рецессивному мутантному аллелю Igf2,
получается гетерозиготное потомство. Карликовый (мутант-
ный) фенотип проявляется только тогда, когда мутантный
аллель наследуется от отца, потому что материнский ал-
лель не экспрессируется.
Рис. 15.17. Геномный импринтинг гена Igf2y мыши
Считается, что геномный импринтинг влияет
только на малую часть генов в геноме млекопи-
тающих, однако большинство этих генов исклю-
чительно важны для эмбрионального развития.
В экспериментах с мышами эмбрионы, созданные
так, чтобы наследовать обе копии определенной
хромосомы от одного родителя, обычно умирают
до рождения, независимо от того, был ли этим ро-
дителем самец или самка. Однако несколько лет
назад японские исследователи собрали генетиче-
ский материал двух яйцеклеток в одну зиготу, при
этом дав возможность экспрессироваться гену
Igf2 только из одного ядра. Такая зигота разви-
лась в здоровую мышь. Похоже, что для нормаль-
ного эмбрионального развития требуется, чтобы
в клетках эмбриона была только одна активная
копия — не ноль и не две — определенных генов.
Взаимосвязь неправильного импринтинга с ано-
мальным развитием и некоторыми видами рака
стимулирует дальнейшее изучение того, как им-
принтируются разные гены.
Наследование генов органелл
Хотя наше внимание в этом разделе было со-
средоточено на хромосомных основах наслед-
ственности, мы закончим важной поправкой: не
все гены эукариотических клеток расположены на
хромосомах или хотя бы в ядре, некоторые гены
находятся в органеллах в цитоплазме. Так как они
находятся вне ядра, иногда их называют внеядер-
ными, или цитоплазматическими, генами. Мито-
хондрии, так же как и хлоропласты и другие пла-
стиды растений, содержат маленькие кольцевые
молекулы ДНК, которые несут некоторое количе-
ство генов. Эти органеллы воспроизводятся само-
стоятельно и передают свои гены дочерним орга-
неллам. Гены органелл не распределяются среди
потомков по тем законам, которые управляют
распределением ядерных хромосом в мейозе, та-
ким образом внеядерные гены не подчиняются
менделевскому наследованию.
Первый намек на существование внеядерных
генов был сделан в исследовании немецкого уче-
ного Карла Корренса, касающегося наследова-
ния желтых или белых пятен на листьях зеленого
растения. В 1909 году он обнаружил, что окраска
потомков определяется материнским растением
(источником яйцеклетки), а не отцовским (источ-
ником спермия). Последующие исследования по-
казали, что такая окраска, или пестролистность,
связана с мутациями в генах пластид, которые
контролируют пигментацию (рис. 15.18). У боль-
шинства растений зигота получает все свои пла-
стиды из цитоплазмы яйцеклетки и не получает
пластид спермия, вклад которого лишь немногим
больше гаплоидного набора хромосом. Яйцеклет-
ка может содержать пластиды с разными аллеля-
ми генов пигментации. Когда зигота развивается,
пластиды, содержащие мутантные гены пигмен-
тации или гены дикого типа, распределяются по
▼ Рис. 15.18. Пестролистное растение колеуса. Пестрые ли-
стья колеуса Solenostemon scute/larioides — результат мута-
ции, которая влияет на экспрессию генов синтеза пигментов,
находящихся в пластидах. Гены
пластид, как правило,
наследуются по ма-
теринской линии
414 ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования
дочерним клеткам случайным образом. Картина
окраски листьев, которая проявится у растения,
зависит от соотношения пластид дикого типа и
мутантов в разных тканях.
Похожим образом, по материнской линии, как
правило, наследуются митохондриальные гены
большинства растений и животных, так как прак-
тически все митохондриальные гены передают-
ся зиготе с цитоплазмой яйцеклетки (те немногие
митохондрии, которые приходят со сперматозо-
идом, обычно разрушаются в яйцеклетке в про-
цессе аутофагии, см. рис. 6.13 (глава 6)). Продук-
ты большинства митохондриальных генов входят
в состав белковых комплексов электрон-транс-
портной цепи и АТФ-синтазы (см. рис. 9.15 в гла-
ве 9). Повреждения одного или нескольких этих
белков уменьшают количество АТФ, синтезируе-
мое клеткой, кроме того, показано, что такие по-
вреждения служат причиной некоторых заболева-
ний человека. Так как нервная система и мышцы
наиболее чувствительны к потере энергии, боль-
шинство митохондриальных расстройств глав-
ным образом влияет на эти системы. Например,
митохондриальная миопатия вызывает слабость,
непереносимость нагрузок и изнашивание мышц.
Другое митохондриальное расстройство — это
наследственная оптическая нейропатия Леве-
ра, которая может вызывать внезапную слепо-
ту у людей в возрасте 20-30 лет. На сегодняшний
день обнаружены четыре мутации, которые обу-
словливают это заболевание и влияют на окис-
лительное фосфорилирование в ходе клеточно-
го дыхания, очень важную для клетки функцию
(см. главу 9, раздел 9.4).
Помимо тех редких заболеваний, которые оче-
видным образом зависят от дефектов митохон-
дриальной ДНК, митохондриальные мутации,
унаследованные по материнской линии, вносят
вклад в развитие как минимум некоторых форм
диабета и болезней сердца, а также заболеваний,
от которых страдают пожилые люди, например,
болезни Альцгеймера. В течение жизни новые му-
тации постепенно накапливаются в нашей мито-
хондриальной ДНК, и некоторые исследователи
считают, что эти мутации играют роль в нормаль-
ном процессе старения.
Где бы ни находились гены — в ядре или в ор-
ганеллах — их наследование зависит от точной
репликации ДНК. В следующем разделе вы узнае-
те, как именно происходит этот процесс.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 15.5
1.
2.
3.
Доза генов — число копий гена, которые активно экспрес-
сируются, — важна для нормального развития. Определи-
те и опишите два процесса, в ходе которых достигается
правильная доза определенного гена.
Реципрокное скрещивание двух вариантов первоцвета,
А и В, дало следующие результаты: (женское растение) А х
х (мужское растение) В потомки с полностью зелеными
(непестрыми) листьями; (женское растение) В х (мужское
растение) А потомки с пестрыми листьями. Объясните
этот результат.
Митохондриальные гены очень важны для
энергетического метаболизма клетки, но митохондриаль-
ные расстройства, обусловленные мутациями этих генов,
как правило, не смертельны. Почему?
Ответы см. в Приложении А.
А ЧТО, ЕСЛИ?
15 Обзор главы
15.1. МОРГАН ПОКАЗАЛ, ЧТО МЕНДЕЛЕВСКОЕ
НАСЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИ ОБУСЛОВЛЕНО
ПОВЕДЕНИЕМ ХРОМОСОМ (НАУЧНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ)
• Работы Моргана с генами цвета глаз у дрозофилы
привели к развитию хромосомной теории наслед-
ственности, которая постулирует, что гены рас-
полагаются на хромосомах, а поведение хромосом в
мейозе объясняет законы Менделя.
| Какие свойства половых хромосом позволили Мор-
гану связать их поведение с поведением аллелей гена
цвета глаз?
15.2. ГЕНЫ, СЦЕПЛЕННЫЕ С ПОЛОМ,
НАСЛЕДУЮТСЯ ОСОБЫМ ОБРАЗОМ
• Пол часто определяется хромосомами. Люди и
другие млекопитающие имеют X-Y-систему хро-
мосом, в которой пол определяется наличием
ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования 415
Y-хромосомы. У птиц, рыб и насекомых существу-
ют и другие системы.
• Половые хромосомы содержат гены, сцепленные с
полом. Почти все из них находятся на Х-хромосоме
(т.е. Х-сцеплены). У любого самца, который унасле-
довал рецессивный Х-сцепленный аллель от своей
матери, этот признак будет проявляться; например,
так наследуется цветовая слепота.
• У самок млекопитающих одна из двух Х-хромосом в
каждой клетке случайным образом инактивируется
в ходе раннего эмбрионального развития, превра-
щаясь в сильно конденсированное тельце Барра.
2 Почему мужчины гораздо чаще страдают Х-сцеп-
ленными расстройствами, чем женщины?
15.3. СЦЕПЛЕННЫЕ ГЕНЫ, КАК ПРАВИЛО,
НАСЛЕДУЮТСЯ СОВМЕСТНО, ПОСКОЛЬКУ
ОНИ РАСПОЛОЖЕНЫ РЯДОМ ДРУГ С ДРУГОМ
НА ОДНОЙ ХРОМОСОМЕ
Сперматозоид
Эта клетка F1 имеет
2п = 6 хромосом и гетерозиготна
по всем шести показанным генам
(AaBbCcDdEeFf).
Красная — материн-
ская хромосома,
синяя — отцовская
хромосома
Каждая хромосома
содержит сотни -----
или даже тысячи генов.
В этой хромосоме пока-
заны четыре гена (А, В,
C,F).
Родительские
гаметы
Яйцеклетка
Аллели несцепленных генов
находятся либо в разных хромо-
сомах (например, d и е),
либо в одной
(например, с и f),
но настолько
далеко друг от друга,
что они расходятся
независимо.
Гены, аллели которых
- находятся в одной хромо-
соме так близко друг к другу,
что они не наследуются неза-
висимо (такие, как а. b и с),
называют сцепленными.
• Среди потомков F( дигибридного скрещивания по-
томки родительских типов имеют те же самые
комбинации признаков, что и родители Р. У потом-
ков рекомбинантных типов (рекомбинантов)
проявляются новые комбинации признаков, кото-
рых не было ни у одного из родителей. Из-за неза-
висимого расхождения хромосом частота реком-
бинации в гаметах между несцепленными генами
достигает 50%. В случае генетически сцепленных
генов появление рекомбинантов можно объяснить
кроссинговером между несестринскими хромати-
дами в мейозе I, происходящим с частотой всегда
меньше 50%.
• Порядок генов на хромосоме и относительные рас-
стояния между ними можно выяснить исходя из
частот рекомбинаций, наблюдаемых в скрещива-
ниях. Эти данные позволяют строить карты сце-
пления (один из видов генетических карт). Чем
дальше друг от друга находятся гены, тем с большей
вероятностью их аллели будут рекомбинировать в
ходе кроссинговера.
О Почему аллели двух отдаленных генов рекомбини-
руют с большей вероятностью, чем аллели более близ-
корасположенных генов?
15.4. ИЗМЕНЕНИЕ ЧИСЛА ХРОМОСОМ
И ИХ СТРУКТУРЫ ВЫЗЫВАЕТ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ
РАССТРОЙСТВА
• Причиной анеуплоидии, или ненормального числа
хромосом, может быть нерасхождение хромосом в
процессе мейоза. Когда нормальная гамета сливает-
ся с гаметой, содержащей две или ни одной копии
конкретной хромосомы, то образующаяся зигота и
ее потомки содержат дополнительную копию этой
хромосомы (трисомия, 2и+1) или лишены одной
из копий (моносомия, 2/7-1). Полиплоидия (больше,
чем два полных набора хромосом) может быть ре-
зультатом полного нерасхождения хромосом в про-
цессе образования гамет.
• Разрывы хромосом могут приводить к структур-
ным перестройкам хромосом: делециям, дуплика-
циям, инверсиям и транслокациям. Транслокации
могут быть реципрокными и нереципрокными.
• Изменения в числе хромосом на клетку или в струк-
туре отдельных хромосом могут влиять на фенотип и
в некоторых случаях приводить к заболеваниям. Та-
кие изменения обусловливают синдром Дауна (обыч-
но связан с трисомией по 21-й хромосоме), некото-
рые виды рака, ассоциированные с хромосомными
транслокациями, и другие заболевания человека.
D Почему инверсии и реципрокные транслокации ле-
тальны с меньшей вероятностью, чем анеуплоидии,
дупликации, делеции и нереципрокные транслокации?
15.5. НЕКОТОРЫЕ ТИПЫ НАСЛЕДОВАНИЯ
НЕ ПОДЧИНЯЮТСЯ ЗАКОНАМ МЕНДЕЛЯ
• У млекопитающих фенотипические проявления
небольшого числа определенных генов зависят от
того, от какого из родителей наследуется тот или
иной аллель, это явление называется геномным им-
принтингом. Импринты формируются в процессе
образования гамет, в результате чего один аллель
(материнский или отцовский) не экспрессируется у
потомства.
• Наследование признаков, которые контролируются
генами, находящимися в митохондриях или пласти-
дах, происходит только по материнской линии, по-
тому что зигота содержит в цитоплазме те органел-
лы, которые происходят из яйцеклетки. Некоторые
заболевания, затрагивающие нервную и мышечную
системы, обусловлены нарушениями митохондри-
альных генов, что приводит к производству недо-
статочного количества АТФ клеткой.
416 Г ЛАВА 15 Хромосомная теория наследования
Объясните, почему геномный импринтинг и насле-
дование митохондриальной и хлоропластной ДНК яв-
ляются исключениями из менделевского наследования?
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. У мужчины с гемофилией (рецессивное, сцеплен-
ное с полом заболевание) есть дочь с нормальным
фенотипом. Она выходит замуж за мужчину с нор-
мальным фенотипом. С какой вероятностью у их
дочери будет гемофилия? С какой вероятностью у
их сына будет гемофилия? Если у этой пары будет
четверо сыновей, то с какой вероятностью все они
родятся с гемофилией?
2. Псевдогипертрофическая мышечная дистрофия —
это наследственное заболевание, которое являет-
ся причиной постепенного разрушения мышц. Оно
встречается почти исключительно у мальчиков, ро-
дившихся от нормальных по виду родителей, и обыч-
но заканчивается смертью в раннем подростковом
возрасте. Это заболевание обусловлено доминант-
ным или рецессивным аллелем? Оно наследуется по
аутосомному типу или сцеплено с полом? Как вы об
этом догадались? Объясните, почему это заболева-
ние практически никогда не встречается у девочек.
3. Плодовая мушка дикого типа (гетерозигота с серым
телом и нормальными крыльями) была скрещена
с черной мушкой с редуцированными крыльями.
Среди потомства наблюдали следующее фенотипи-
ческое распределение: 778 мух дикого типа, 785 —
с черным телом и редуцированными крыльями,
158 — с черным телом и нормальными крыльями,
162 — с серым телом и редуцированными крылья-
ми. Какова частота рекомбинации между генами,
ответственными за цвет тела и размер крыльев? Со-
гласуется ли этот результат с результатами экспери-
мента, описанного на рис. 15.9?
4. На планете обитают существа, у которых законы
наследственности такие же, как у людей. У них есть
следующие признаки — рост (Т — высокий, t —
карлик), выросты на голове (А — есть антенны, а —
нет антенн) и строение носа (S — вздернутый нос,
$ — опущенный нос). Так как эти существа нераз-
умны, то ученые с Земли могут провести некоторые
эксперименты по контролируемому скрещиванию,
используя в анализирующих скрещиваниях разные
гетерозиготы. У высоких гетерозигот с антеннами
было следующее потомство: 46 высоких с антенна-
ми, 7 карликовых с антеннами, 42 карликовых без
антенн, 5 высоких без антенн. У гетерозигот с ан-
теннами и вздернутым носом было 47 потомков с
антеннами и вздернутым носом, 2 — с антеннами и
опущенным носом, 48 — с опущенным носом и без
антенн, 3 — без антенн и со вздернутым носом. По-
считайте частоты рекомбинации для обоих экспе-
риментов.
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
5. Используя данные из пункта 4, ученые провели сле-
дующее анализирующее скрещивание, в котором
участвовала гетерозигота по росту и форме носа.
Получилось 40 высоких потомков со вздернутым
носом, 9 карликовых со вздернутым носом, 42 кар-
ликовых с опущенным носом, 9 высоких с опущен-
ным носом. Рассчитайте частоты рекомбинации из
этих данных, а затем используйте ваш ответ в пунк-
те 4, чтобы установить правильный порядок этих
трех сцепленных генов.
6. Плодовая мушка дикого типа (гетерозигота с серым
телом и красными глазами) скрещивается с черной
мушкой с пурпурными глазами. Получились следу-
ющие потомки: 721 дикого типа, 751 черные с пур-
пурными глазами, 49 серых с пурпурными глазами,
45 черных с красными глазами. Какова частота ре-
комбинации между этими генами, ответственными
за цвет тела и цвет глаз? Используя данные из пунк-
та 3, ответьте, каких мух (по генотипу и фенотипу)
вы будете скрещивать, чтобы определить, каков на
хромосоме порядок генов, ответственных за цвет
тела, цвет глаз и размер крыльев?
7. Допустим, что гены А и В расположены на одной
хромосоме на расстоянии 50 единиц карты друг от
друга. Животное, гетерозиготное по обоим локу-
сам, скрещивается с рецессивной гомозиготой по
обоим локусам. Сколько процентов потомков будут
иметь рекомбинантные фенотипы вследствие крос-
синговера? Если бы вы не знали, что эти гены нахо-
дятся на одной хромосоме, как бы вы интерпрети-
ровали результаты этого скрещивания?
8. У цветка два гена, один из которых контролирует
окраску лепестков (В — синие, b — белые), а дру-
гой — форму тычинок (R — круглые, г — овальные),
сцеплены и находятся на расстоянии 10 единиц
карты друг от друга. Вы скрещиваете гомозиготное
растение с синими цветками и овальными тычин-
ками и гомозиготное растение с белыми цветками
и круглыми тычинками. Получившиеся потомки F1
скрещиваются с гомозиготой с белыми цветка-
ми и овальными тычинками, при этом получает-
ся 1000 потомков F2. Сколько растений F2 каждого
фенотипа вы ожидаете получить?
9. Вы проводите скрещивание дрозофил для того, что-
бы получить данные по рекомбинации для гена а,
который расположен на хромосоме, показанной на
рис. 5.12. Частота рекомбинации между геном а и ло-
кусом коротких крыльев составляет 14%, а между
геном а и локусом коричневых глаз — 26%. Где при-
близительно на этой хромосоме расположен ген а?
ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования 417
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
10. Растения банана, содержащие триплоидный набор
хромосом, не образуют семян, поэтому они сте-
рильны. Дайте вариант возможного объяснения.
11. Считается, что кроссинго-
вер выгоден с точки зрения эволюции, потому что
он постоянно тасует генетические аллели в новые
комбинации. До недавнего времени полагали, что
гены, расположенные на Y-хромосоме, могут выро-
ждаться, потому что у них нет гомологов на Х-хро-
мосоме, с которыми можно образовывать пары пе-
ред кроссинговером. Однако, когда У-хромосому
отсеквенировали, оказалось, что 8 больших реги-
онов имеют внутреннюю гомологию друг с другом
и довольно многие из 78 генов — это дубликаты.
(Исследователь Y-хромосомы Дэвид Пейдж назвал
ее “залом зеркал”.) Чем могут быть полезны эти ре-
гионы?
12.
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ИЗОБРАЗИ!
Представьте, что вы картируете гены А,
В, С и D у дрозофилы. Вы знаете, что эти гены сце-
плены, и вы определили частоты рекомбинации во
всех парах генов: А — В 8%, А — С 28%, А — D 25%,
В — С 28%, В — D 33%.
а) Опишите, как вы определяли частоты рекомби-
нации для каждой пары генов.
6) Нарисуйте карты хромосомы на основе ваших
данных.
13. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ИНФОРМАЦИЯ”
Преемственность жизни основана на наследствен-
ной информации в форме ДНК. В коротком эссе
(100-150 слов) свяжите структуру и поведение хро-
мосом с наследственностью у организмов, которые
размножаются как половым, так и бесполым путем.
14.
ОБОБЩИ СВОИ ЗНАНИЯ
У бабочек X-Y-система определения пола отличает-
ся от того, как определяется пол у мух или челове-
ка. Бабочки-самки могут иметь генотип и ХУ, и Х0,
тогда как бабочки с двумя или более Х-хромосома-
ми — самцы. На рисунке выше показана гинандро-
морфная бабочка парусник главк, которая наполо-
вину самец (слева) и наполовину самка (справа).
Зная, что первое деление зиготы разделяет эмбрион
на правую и левую половины будущей бабочки, вы-
двинете гипотезу, объясняющую, как нерасхожде-
ние хромосом во время первого митоза может при-
вести к появлению такой необычной бабочки.
Ответы см. в Приложении А.
418 ГЛАВА 15 Хромосомная теория наследования
16
Молекулярные основы
носле
энности
ТЕМЫ ГЛАВЫ
16.1. ДНК —это генетический
материал
16.2. При репликации и репарации
ДНК множество белков
работает совместно
16.3. Хромосома содержит молекулу
ДНК, упакованную вместе с
белками
Рис. 16.1. Какова структура ДНК?
Жизнь: инструкция по эксплуатации
В апреле 1953 года Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик по-
трясли научный мир, представив двухспиральную мо-
дель структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК
(рис. 16.1). На фото ниже показана модель ДНК, собранная
Джеймс Уотсон (слева) и Фрэнсис Крик рядом с соз-
данной ими моделью ДНК
ими из проволоки и листов металла.
За прошедшие 60 лет с момента открытия она превра-
тилась в икону современной биологии. По своей природе
менделевские факторы наследственности и обнаружен-
ные Томасом Хантом Морганом гены в хромосомах — не
что иное, как молекулы ДНК. С химической точки зрения
ваши генетические ресурсы состоят из ДНК, которую вы
унаследовали от родителей. Молекула, обусловливающая
наследственность, стала самой известной молекулой наше-
го времени.
Нуклеиновые кислоты уникальны среди всех природ-
ных молекул тем, что они способны воспроизводить свою
структуру из мономеров с помощью репликации. На самом
деле сходство потомков с родителями основано на точной
репликации ДНК и ее передаче из поколения в поколе-
ние. Наследственная информация, закодированная в ДНК,
определяет развитие биохимических, анатоми-
ческих, физиологических особенностей и вносит
вклад в формирование поведения. В этом разде-
ле вы узнаете, как биологи поняли, что ДНК коди-
рует наследственную информацию, и как Уотсон
и Крик установили ее структуру. Вы также позна-
комитесь с тем, как молекула ДНК копируется в
процессе репликации ДНК и как клетки осущест-
вляют репарацию ошибок в ДНК. И наконец, вы
поймете, как ДНК и белки собираются в структу-
ры, называемые хромосомами.
16.1. ДНК — это генетический
материал
Сегодня о ДНК слышали даже школьники. Для
ученых же стало обычным делом проведение ла-
бораторных экспериментов с ДНК, во время ко-
торых они изменяют наследственные характери-
стики клеток. Однако ранее в XX веке выяснение
того, какая же молекула отвечает за наследование
признаков, было одной из сложнейших задач для
биологов.
Поиск генетического материала
(научное исследование)
С тех пор как группа Моргана доказала, что
гены являются составными частями хромосом
(см. главу 15), два химических компонента хромо-
сом — ДНК и белок — представлялись главными
кандидатами на роль генетического материала. До
1940 года свойства белков казались более подхо-
дящими для этого: биохимики характеризовали
их как класс макромолекул с большой разнород-
ностью и специфичностью функций, что явля-
лось основным требованием для наследственно-
го материала. В то время о нуклеиновых кислотах
было известно мало, а их химические и физиче-
ские свойства казались слишком единообраз-
ными, чтобы соответствовать множеству специ-
фических наследуемых признаков, которыми
обладает каждый организм. Ситуация кардиналь-
но изменилась, когда в экспериментах на бактери-
ях и вирусах, которыми они были инфицированы,
было обнаружено, что ДНК играет важную роль в
наследовании признаков. Эти организмы устрое-
ны намного проще, чем плодовые мушки или че-
ловек. Давайте рассмотрим этапы поиска носи-
теля генетического материала, которые прошли
ученые для решения этой научной задачи.
Доказательство того, что ДНК может
трансформировать бактерию
В 1928 году британский врач и генетик по име-
ни Фредерик Гриффит работал над созданием
вакцины от пневмонии. Он изучал бактерию
Streptococcus pneumoniae, которая вызывает пнев-
монию у млекопитающих. У него было два штам-
ма (разновидности) этой бактерии — патогенный
(вызывающий заболевание) и непатогенный (без-
опасный). Каково же было его удивление, когда он
обнаружил, что если разрушить патогенных бак-
терий нагреванием и смешать обломки их клеток
с живыми бактериями непатогенного штамма, то
часть живых бактерий приобретают свойства па-
тогенов (рис. 16.2).
Кроме того, вновь приобретенное свойство пе-
редавалось по наследству всем следующим поко-
лениям трансформированных бактерий. Видимо,
некоторый химический компонент погибших па-
тогенных клеток вызывал наследственные измене-
ния, хотя происхождение этого вещества не было
известно. Гриффит назвал этот процесс транс-
формацией, под которой в настоящее время под-
разумевают изменение генотипа и фенотипа в ре-
зультате поглощения клеткой чужеродной ДНК.
В более поздних работах Освальд Эвери, Маклин
Мак-Карти и Колин Мак-Леод установили, что
трансформирующим веществом была ДНК.
Тем не менее ученые оставались скептически
настроенными по отношению к этому откры-
тию; многие до сих пор считают, что белки явля-
ются более подходящими кандидатами для хране-
ния генетического материала. Также биологи не
были уверены в том, что геном бактерий схож по
организации и функционированию с геномом бо-
лее сложно устроенных организмов. Но основной
причиной для сомнений являлось то, что о ДНК
было слишком мало известно.
Доказательство того, что вирусная ДНК может
программировать клетки
Дополнительное свидетельство того, что носи-
телем генетической информации является ДНК,
было получено при изучении вирусов, которые
инфицируют бактериальные клетки (рис. 16.3).
Эти вирусы были названы бактериофагами
(что дословно означает “пожиратели бактерий”)
или коротко — фагами. Вирусы устроены гораздо
проще клеток. Вирус — это чуть больше, чем про-
сто ДНК (иногда РНК) в защитной оболочке, кото-
рая чаще всего состоит из белка. Для образования
420 ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
▼ Рис. 16.2.
Изыскание
Возможна ли передача наследственных признаков
от одного штамма бактерий к другому?
Эксперимент. Фредерик Гриффит изучал два штамма бактерий
Streptococcus pneumoniae. S-штамм (от англ, smooth — “глад-
кий", по внешнему виду колоний) вызывает пневмонию у мышей,
его патогенность обусловлена наличием у клеток внешней
капсулы, которая защищает их от иммунной системы животных.
Клетки R-штамма (от англ, rough — "шероховатый") лишены та-
кой капсулы, поэтому они не вызывают заболевания. Гриффит
ввел мышам эти два штамма в следующих сочетаниях, чтобы
проверить их на патогенность:
Живые
R-клетки
(непатогенный
контроль)
Убитые
нагреванием
S-клетки
Смесь убитых
нагреванием
S-клеток с жи-
выми R-клетками
Рис. 16.3. Вирус, инфицирующий бактерию. ФагТ2 прикрепля-
ется к клетке-хозяину и впрыскивает свой генетический ма-
териал через плазматическую мембрану, тогда как головка
и хвостовая часть остаются на поверхности бактерии (окра-
шенный снимок, полученный с помощью трансмиссионной
электронной микроскопии)
Живые
S-клетки
(патогенный
контроль)
Результаты |
Мышь
умирает
Мышь
здорова
Мышь Мышь
В крови мертвых мышей-----((
были обнаружены S-клетки,
которые могли размножаться,
производя новые S-клетки.
Выводы. Живые R-бактерии были превращены в S-бактерии
неизвестным наследственным фактором, который был получен
ими от мертвых S-клеток и позволил R-бактериям образовать
капсулу.
Источник: F. Griffith, The significance of pneumococcal types,
Journal of Hygiene 27:113-159 (1928).
Как данный эксперимент исключил возмож-
ность того, что R-клетки могли просто использовать капсулу
мертвых S-клеток и за счет этого стать патогенными?
А ЧТО, ЕСЛИ?
новых вирусов, вирусу надо обязательно проник-
нуть в клетку (инфицировать ее), чтобы использо-
вать ее метаболический аппарат.
Фаги широко использовались в качестве ин-
струментов для проведения экспериментов в
области молекулярной генетики. В 1952 году
Альфред Херши и Марта Чейз поставили экспе-
римент, показывающий, что ДНК является гене-
тическим компонентом фага, известного как Т2.
Это один из многочисленных фагов, которые ин-
фицируют Escherichia coli (Е. coli) — бактерию,
которая обычно заселяет кишечник млекопита-
ющих и является модельным организмом в иссле-
дованиях молекулярных биологов.
В то время биологи уже знали, что Т2, как и
многие другие фаги, почти полностью состоит из
ДНК и белка. Они также знали, что фаг Т2 может
быстро превратить клетку Е. coli в Т2-продуциру-
ющую фабрику, производящую множество копий
новых фагов при делении клетки. Т2 каким-то об-
разом мог перепрограммировать клетку-хозяина
для производства вирусов. Но какой компонент
вируса — ДНК или белок — отвечал за это?
Херши и Чейз ответили на этот вопрос, по-
ставив эксперимент, показывающий, что только
один из двух компонентов Т2 проникает в клетку
Е. coli при инфицировании (рис. 16.4). Они исполь-
зовали радиоактивный изотоп серы для отсле-
живания белка в одном образце фага Т2 и ради-
оактивный изотоп фосфора для мечения ДНК в
другом образце фага Т2. Так как белок содержит
серу, а ДНК — нет, то атомы радиоактивной серы
встраивались только в белковую часть фага. Ана-
логичным образом атомы радиоактивного фос-
фора маркировали только ДНК, а не белок, пото-
му что почти весь фосфор фага содержится в его
ДНК. В ходе эксперимента один образец нерадио-
активных клеток Е. coli был инфицирован фагом
с помеченным белком, а второй образец — фа-
гом с помеченной ДНК. Вскоре после начала ин-
фицирования исследователи проанализировали
оба образца клеток, чтобы узнать, какой тип мо-
лекул — белок или ДНК — проник в бактериаль-
ные клетки и, следовательно, отвечает за их пере-
программирование.
ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности 421
▼ Рис. 16.4.
Изыскание
Что является генетическим материалом фага—белок или ДНК?
Эксперимент Альфред Херши и Марта Чейз использовали радиоактивный изотоп серы для мечения белков фага Т2 и радиоактивный
изотоп фосфора для мечения его ДНК, что позволило им проследить за судьбой этих молекул в процессе фаговой инфекции. Ученые
хотели установить, какие из этих молекул могут проникать в клетку и, соответственно, способны перепрограммировать ее для воспроиз-
водства новых фагов.
О Меченые фаги смешали
с бактериями. Фаги инфи-
цировали бактерии.
О Смесь фагов с клетками
взбалтывали в блендере,
чтобы отделить частицы
фагов, оставшиеся вне
бактериальных клеток.
Смесь центрифугиро- 0 Измерили
вали, в результате чего
бактерии образовали
осадок на дне пробирки,
а более легкие фаги и
фаговые частицы оста-
радиоактив-
ность в осадке
и в надоса-
дочной жид-
кости.
лись взвешенными в над-
осадочной жидкости.
Бактериальная
клетка
г Радио-
активный
белок
Образец 1: Фаги были
выращены на культуре
бактерий в присут-
ствии радиоактивной
серы C^S). которая
встроилась в фаговые
белки (обозначена
Пустая
белковая
оболочка
Радиоактивность
(фаговых белков)
была обнаружена
в жидкости
розовым)..
Образец?: Фаги были
выращены на культуре
бактерий в присутствии
радиоактивного фос-
фора (32Р), который
встроился в ДНК фага
(обозначен голубым).
клетки и их
содержимое)
Радиоактивность
Осадок (ДНК фага) была
обнаружена
в осадке
Результаты. В том случае, когда были помечены фаговые белки,
радиоактивная метка оставалась снаружи клеток (образец 1),
тогда как в образце 2 с меченой ДНК фага радиоактивная метка
была обнаружена внутри клеток. Бактериальные клетки, содер-
жащие радиоактивно-меченную фаговую ДНК, высвобождали
новые фаги, в которых было обнаружено некоторое количество
радиоактивного фосфора.
Выводы. Фаговая ДНК проникает в бактериальные клетки, а бел-
ки фага — нет. Херши и Чейз пришли к выводу, что именно ДНК, а
не белки, являются генетическим материалом фага 12.
Источник: A. D. Hershey and М. Chase, Independent functions
of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage,
Journal of General Physiology 36:39-56 (1952).
А ЧТО, ЕСЛИ?
Как бы изменились результаты эксперимен-
та, если бы генетическим материалом были белки?
422 ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
Херши и Чейз обнаружили, что ДНК фага про-
никает в хозяйскую клетку, а белок — нет. Более
того, когда зараженные фагом бактерии вернули в
культуральную среду и начался процесс инфици-
рования, Е. coli производили фагов, которые со-
держали некоторое количество радиоактивного
фосфора. Этот результат подтвердил, что содер-
жащаяся в клетке ДНК играет ключевую роль в
процессе инфицирования.
Таким образом Херши и Чейз пришли к вы-
воду, что именно ДНК, введенная в клетку с по-
мощью фага, должна быть той молекулой, кото-
рая переносит генетическую информацию, так
как она заставляет клетки производить вирусную
ДНК и белки. Эксперимент Херши и Чейз стал
ключевым в истории биологии, так как он обеспе-
чил важное доказательство того, что нуклеиновые
кислоты, а не белки, являются наследственным
материалом — по крайней мере, у определенных
вирусов.
Другие доказательства
генетической роли ДНК
Дальнейшие подтверждения того, что ДНК
является носителем генетической информации,
были получены в лаборатории биохимика Эрви-
на Чаргаффа. Уже было известно, что ДНК — это
полимер из нуклеотидов, состоящий из трех ком-
понентов: азотистого основания, пентозы, на-
зываемой дезоксирибозой, и фосфатной группы
(рис. 16.5). Основание может быть представлено
аденином (А), тимином (Т), гуанином (G) или ци-
тозином (С).
Чаргафф проанализировал состав основа-
ний ДНК нескольких различных организмов.
В 1950 году он сообщил, что состав оснований
ДНК у разных организмов различен. Например,
он обнаружил, что аденин содержится в 32% ну-
клеотидов ДНК морского ежа, для человека это
цифра составляет 30,4%, а для Е. coli — всего
24,7%. Результаты Чаргаффа свидетельствовали
о том, что молекулы ДНК имеют различный со-
став у разных видов, хотя большинство ученых
не предсказывало подобного разнообразия. Эти
опыты упрочили позиции ДНК в качестве канди-
дата на роль генетического материала.
Чаргафф также заметил особенную регуляр-
ность в распределении оснований в составе нукле-
отидов. В ДНК каждого вида, который он изучал,
количество адениновых оснований было прибли-
зительно равно количеству тиминовых, а коли-
чество гуаниновых — количеству цитозиновых.
По результатам анализа Чаргаффа у морского ежа
содержание четырех оснований в процентах тако-
во: А = 32,8% и Т = 32,1%; G = 17,7% и С = 17,3%.
(Процентные значения не строго равны из-за огра-
ничений метода, использованного Чаргаффом.)
Сахарофосфатный остов Азотистые основания
5'-конец
Тимин (Т)
Аденин (А)
Цитозин (С)
Гуанин (G)
Рис. 16.5. Структура цепи ДНК. Каждый из четырех нуклеоти-
дов — мономеров ДНК — состоит из азотистого основания
(I А, С или G), сахара дезоксирибозы (синий) и фосфатной
группы (желтая), фосфатная группа одного нуклеотида со-
единяется с сахаром следующего, формируя остов из че-
редующихся фосфатов и сахаров, к которым прикреплены
азотистые основания, выступающие в сторону. Полинукле-
отидная цепь имеет направленность: от 5'-конца (с фосфат-
ной группой) к З'-концу (с -ОН группой сахара). Обозна-
чения 5' и 3' происходят от нумерации атомов углерода в
сахарном кольце
ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности 423
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Paboma с таЬлицами данных
Зная процентное содержание одного нуклеотида в геноме, мо-
жем ли мы предсказать процентное содержание трех других
нуклеотидов? Еще до того момента, когда была установлена
структура ДНК, Эрвин Чаргафф и его коллеги заметили законо-
мерности в наборе нуклеотидов разных организмов: процент
адениновых (А) оснований примерно совпадал с процентом
тиминовых (Т) оснований, а процент цитозиновых (С) оснований
примерно совпадал с процентом гуаниновых (G) оснований. Бо-
лее того, процент каждой пары (А/Т и G/С) варьировал у разных
организмов. Теперь мы знаем, что А/Т и G/С пары присутствуют в
ДНК в отношении 1:1, так как А комплементарно спаривается с Т,
а G — с С, а межвидовые различия связаны с уникальной после-
довательностью нуклеотидов в цепи ДНК. В этом упражнении вы
примените правила Чаргаффа для предсказания нуклеотидного
состава ДНК.
Проведение эксперимента. В экспериментах Чаргаффа ДНК
была выделена из определенного организма, гидролизована
для разрыва связей между отдельными нуклеотидами, а затем
проанализирована с помощью химических методов. (Процент-
ное содержание нуклеотидов, полученное с помощью этих экс-
периментов, было очень приблизительным. В настоящее время
методы полногеномного секвенирования позволяют более точ-
но определить содержание нуклеотидов в ДНК, опираясь непо-
средственно на прочитанную последовательность.)
Полученные экспериментальные данные. Таблица — это удоб-
ный инструмент для представления групп данных одного типа
(в данном случае, процентного содержания оснований А, Т, G,
С в ДНК) для разных образцов (в данном случае, разных видов).
Вы можете использовать указанные значения для установления
отсутствующих. В таблице представлены полные данные по рас-
пределению оснований в ДНК морского ежа и лосося. Чтобы
заполнить пропуски в таблице, вам нужно использовать правило
Чаргаффа.
Источник ДНК Процент оснований
Аденин Гуанин Цитозин Тимин
Морской еж 32,8 17,7 17,3 32,1
Лосось 29,7 20,8 20,4 29,1
Пшеница 28,1 21,8 22,7
Е coli 24,7 26,0
Человек 30,4 30,1
Бык 29,0
Анализ данных.
1. Объясните, как данные по морскому ежу и лососю отражают
оба правила Чаргаффа.
2. Пользуясь правилами Чаргаффа, заполните таблицу, начиная
с генома пшеницы, затем Е со//, человека и быка. Объясните,
как вы получили эти цифры.
3. Если правило Чаргаффа, гласящее "Количество А равно ко-
личеству Т, а количество С равно количеству G", верно, то
гипотетически мы можем применить его к суммарной ДНК
всех живых организмов на Земле (как будто существует один
большой геном Земли). Чтобы проверить, справедливо ли это
предположение для приведенных в таблице данных, посчи-
тайте средний процент по каждому основанию в заполнен-
ной вами таблице, усредняя значения по каждому столбцу.
Правило Чаргаффа по-прежнему верно?
Источник: данные из нескольких статей, например Е. Chargaff et
al., Composition of the desoxypentose nucleic acids of four genera
of sea-urchin, Journal of Biological Chemistry 195:155-160 (1952).
Эти два наблюдения легли в основу правил
Чаргаффа: 1) содержание азотистых оснований
ДНК изменяется от вида к виду; 2) для каждого
вида количество оснований А примерно равно
количеству Т, а количество G примерно равно ко-
личеству С. В рубрике “Развиваем исследователь-
ские навыки” вы сможете использовать правила
Чаргаффа, чтобы предсказать неизвестное про-
центное содержание азотистых оснований. Одна-
ко до открытия двойной спирали ДНК было не-
понятно, что именно лежит в основе этих правил.
Построение модели структуры ДНК
(научное исследование)
Как только большинство биологов убедилось
в том, что генетический материал содержится в
ДНК, то следующей задачей стало выяснить, как
структура ДНК может определять ее роль в насле-
довании. К началу 1950-х годов расположение ко-
валентных связей в нуклеиновых кислотах было
уже хорошо изучено (см. рис. 16.5), и исследовате-
ли сосредоточили свое внимание на расшифровку
трехмерной структуры ДНК.
Среди ученых, работавших над этой пробле-
мой, были Лайнус Полинг из Калифорнийско-
го технологического института, а также Морис
424 ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
Уилкинс и Розалинд Франклин из Королевского
колледжа в Лондоне. Однако первыми, кто нашел
правильный ответ, были два относительно не-
известных на тот момент ученых — американец
Джеймс Уотсон и англичанин Фрэнсис Крик.
Недолгое, но знаменательное сотрудничество,
которое привело к разгадке структуры ДНК, нача-
лось вскоре после поездки Уотсона в Университет
Кембриджа, где Крик изучал структуру белков с по-
мощью рентгеновской кристаллографии (см. рис. 5.22
в главе 5). Во время посещения лаборатории Мори-
са Уилкинса Уотсон увидел дифракционный сни-
мок ДНК, который был получен помощницей Уил-
кинса — Розалинд Франклин (рис. 16.6, а). На самом
деле, изображение, получаемое при рентгеновской
кристаллографии, не отображает молекулы. Пятна
и затемнения на рис. 16.6, б, были образованы рент-
геновскими лучами, которые были рассеяны (диф-
рагированы) при прохождении через вытянутые
фибриллы очищенной ДНК. Уотсон был знаком с
изображениями рентгеновского рассеяния, кото-
рые получаются при прохождении лучей через спи-
ральные структуры, и в результате тщательного из-
учения продемонстрированного Уилкинсом фото
пришел к выводу, что ДНК имеет форму спирали.
а) Розалинд Франклин
Рис. 16.6. Розалинд Франклин и полученная ею дифракцион-
ная рентгенограмма ДНК. Франклин, эксперт в области рент-
геновской кристаллографии, в результате решающих экспе-
риментов получила снимок, на основании которого Уотсон и
Крик смогли заключить, что ДНК представляет собой двойную
спираль
б) Полученная Франклин дифрак-
ционная рентгенограмма ДНК
Это наблюдение дополняло более ранние дан-
ные, полученные Франклин и другими исследо-
вателями, примерно обозначившими ширину
спирали и расстояние между азотистыми осно-
ваниями вдоль нее. Рисунок на этой фотографии
доказывал двухцепочечное устройство спирали,
что опровергало ранее представленную Лайнусом
Полингом трехцепочечную модель ДНК. Наличие
двух цепей легло в основу привычного теперь тер-
мина двойная спираль (рис. 16.7).
Уотсон и Крик начали строить модели двойной
спирали, которые удовлетворяли бы характери-
стикам, выясненным в результате рентгенострук-
турного анализа, и известным тогда химическим
свойствам ДНК, в том числе, правилу Чаргаффа
об эквивалентности содержания азотистых осно-
ваний. Они также прочли неопубликованный го-
довой отчет о работе Франклин, из которого уз-
нали, что она пришла к выводу о расположении
сахарофосфатного остова на внешней стороне мо-
лекулы ДНК. И хотя это противоречило разраба-
тываемой ими модели, предсказанное Франклин
расположение было более убедительным, так как
относительно гидрофобные азотистые основания
оказывались внутри молекулы, защищенными от
окружающего ее водного раствора, а отрицательно
заряженные фосфатные группы не были сближены
друг с другом внутри. Учтя все эти соображения,
Уотсон создал модель, изображенную на фотогра-
фии в начале главы (Джеймс Уотсон и Фрэнсис
Крик рядом с созданной ими моделью ДНК).
В этой модели два сахарофосфатных осто-
ва расположены антипараллельно — это зна-
чит, что структурные единицы цепей направле-
ны в противоположные стороны (см. рис. 16.7, б).
Вы можете представить себе всю конструкцию
как веревочную лестницу с жесткими ступенька-
ми. Боковые веревки образованы сахарофосфат-
ными остовами, ступеньки — парами азотистых
оснований. Теперь представьте, что эта лестни-
ца скручивается, образуя спираль. Данные рент-
геноструктурного анализа Франклин позволили
определить, что спираль делает полный оборот за
3,4 нм. Так как основания расположены на рассто-
янии 0,34 нм, то один виток образован десятью
парами оснований или ступеньками лестницы.
Азотистые основания двойной спирали вза-
имодействуют в специфических комбинациях:
аденин (А) с тимином (Т), а гуанин (G) с цитози-
ном (С). Уотсон и Крик пришли к этому заклю-
чению о главном свойстве ДНК методом проб и
ошибок. Сначала Уотсон представлял, что осно-
вания взаимодействуют случайным образом, на-
пример А с А и С с С. Но эта модель не соответ-
ствовала данным рентгеноструктурного анализа,
согласно которым двойная спираль имела рав-
ный диаметр на всем своем протяжении. Почему
это требование не выполнялось при спаривании
ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности 425
а) Основные характеристики структуры б)
ДНК. Каждая из "лент" на схеме ото-
бражает сахарофосфатный остов
одной из цепей ДНК. Спираль является
правозакрученной. Две цепи удержи-
ваются вместе за счёт водородных
связей (изображены точками) между
азотистыми основаниями, которые
образуют пары внутри двойной
спирали.
Некоторые особенности химической структуры. Для
простоты этот фрагмент двойной спирали ДНК показан
незакрученным. Прочные ковалентные связи соеди-
няют между собой звенья каждой из цепей, тогда как
более слабые водородные связи между основаниями
удерживают две цепи вместе. Обратите внимание на
то, что цепи расположены антипараллельно, то есть
они направлены в противоположные стороны, как
полосы встречного движения на шоссе.
в) Пространственная модель.
На этой компьютерной
пространственной модели
видно, что пары оснований
образуют плотную стопку
(англ, stock). Ван-дер-вааль-
совы связи между соседни-
ми парами оснований играют
важную роль в поддержании
структуры молекулы. Этот тип
связи между парами основа-
ний называют стэкинг-взаимо-
действием.
Рис. 16.7. Структура двойной спирали ДНК
одинаковых оснований? Аденин и гуанин отно-
сятся к пуринам — азотистым основаниям с дву-
мя ароматическими кольцами, тогда как цитозин
и тимин — пиримидины, которые имеют только
одно кольцо. Поэтому пурины (А и G) примерно
в два раза шире пиримидинов (С и Т). Пурин-пу-
риновая пара слишком широка, а пара пиримиди-
на с пиримидином является слишком узкой для
образования 2 нм в диаметре двойной спирали.
Спаривание пурина с пиримидином, однако, дает
равномерный диаметр:
Пурин + пурин: слишком широко
Пиримидин + пиримидин: слишком узко
Пурин + пиримидин: ширина
соответствует рентгеноструктурным
данным
Уотсон и Крик предположили, что должна су-
ществовать дополнительная специфичность спа-
ривания оснований, которая была бы обуслов-
лена их структурой. Каждое основание имеет
дополнительные боковые группы, которые могут
формировать водородные связи с подходящим
партнером: аденин может образовать две водо-
родные связи с тимином и только тимином, гуа-
нин же может образовать три водородные связи с
цитозином и только с ним. Таким образом, А спа-
ривается с Т, a G — с С (рис. 16.8).
Модель Уотсона-Крика также учитывала соот-
ношения Чаргаффа и, с другой стороны, объясняла
их. Если одна цепь молекулы ДНК содержит А, то
в этом же положении вторая цепь содержит Т. Со-
ответственно, G в одной цепи всегда комплемен-
тарно спаривается с С в другой. Именно поэтому
в ДНК любого организма количество аденина рав-
но количеству тимина, а количество гуанина рав-
но количеству цитозина (Современные технологии
секвенирования подтвердили, что количество этих
азотистых оснований абсолютно равны.) Хотя пра-
426 ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
вила комплементарного спаривания оснований
жестко определяют комбинации азотистых осно-
ваний, образующих “ступеньки” двойной спирали,
они не ограничивают состав последовательности
ДНК вдоль каждой цепи ДНК. Линейная последо-
вательность из четырех оснований может образо-
вывать неограниченное число комбинаций, а каж-
дый ген имеет уникальную последовательность
нуклеотидов.
Гуанин (Г) Цитозин (Ц)
Рис. 16.8. Пары оснований в ДНК. Пары азотистых оснований в
двойной спирали ДНК стабилизированы водородными связя-
ми, показанными на рисунке в виде черных пунктирных линий
В апреле 1953 года Уотсон и Крик поразили на-
учный мир краткой статьей, в которой всего на од-
ной странице представили свою модель молекулы
ДНК — двойную спираль, которая с тех самых пор
стала символом молекулярной биологии. За эту ра-
боту Уотсон и Крик вместе с Морисом Уилкинсом в
1962 году были награждены Нобелевской премией.
(К сожалению, Розалинд Франклин умерла в 38 лет
в 1958 году и не могла получить награду.) Особое
изящество модели двойной спирали заключалось в
том, что структура ДНК предопределила разгадку
основного механизма ее репликации.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 16.1
1.
2.
Имеется последовательность нуклеотидов GAATTC. Може-
те ли вы назвать, какой из концов является 5'-концом? Если
нет, какая еще информация вам понадобится, чтобы уста-
новить положение концов? (См. рис. 16.5.)
Гриффит не ожидал, что в его эксперимен-
те произойдет трансформация. Какой результат он прогно-
зировал? Объясните, почему.
Ответы см. в Приложении А.
А ЧТО, ЕСЛИ?
16.2. При репликации
и репарации ДНК множество
белков работает совместно
Взаимосвязь между структурой и функцией яв-
ляется ключевой особенностью двойной спирали.
Идея о специфическом спаривании азотистых осно-
ваний в ДНК стала толчком, который помог Уотсо-
ну и Крику создать модель двойной спирали. В то же
время, исследователи обнаружили в правилах спа-
ривания оснований функциональное зерно. Они за-
вершили свой классический труд следующим вы-
сказыванием: “От нашего внимания не ускользнуло,
что специфическое спаривание оснований лежит в
основе возможного механизма копирования гене-
тической информации”.* 1 В этом разделе вы узнаете
об основных механизмах репликации ДНК и важ-
ных деталях этого процесса.
Основной принцип: комплементарное
спаривание азотистых оснований
с матричной цепью
В своей второй работе Уотсон и Крик высказа-
ли гипотезу о том, как реплицируется ДНК: “Наша
модель дезоксирибонуклеиновой кислоты — это, в
сущности, пара комплементарных друг другу ма-
тричных цепей. Нам представляется, что перед
дупликацией водородные связи разрываются, что
приводит к раскручиванию и разделению цепей.
Затем каждая цепь работает в качестве матрицы
для формирования на ее основе новой дочерней
цепи. Таким образом, там, где была только одна
цепь, мы теперь имеем две. Более того, последова-
тельность пар оснований в новых цепях будет точ-
но соответствовать исходной цепи”.2
Идея Уотсона и Крика проиллюстрирована на
рис.16.9.
Для облегчения понимания мы изобразили
короткий фрагмент ДНК в раскрученном виде.
Обратите внимание, если закрыть одну из двух
цепей на рис. 16.9, а, можно узнать линейную после-
довательность нуклеотидов на недостающей цепи,
применяя для этого правила спаривания основа-
ний. Две цепи комплементарны, каждая содержит
информацию, необходимую для воспроизведе-
ния второй цепи. Когда клетка копирует молекулу
1 J. D. Watson and F. Н. С. Crick, Molecular structure of
nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acids, Nature
171:737-738 (1953).
2 J. D. Watson and E H. C. Crick, Genetical implications of the
structure of deoxyribonucleic acid, Nature 171:964-967 (1953).
ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности 427
а) Исходная молекула состоит из двух
цепей ДНК. Каждое основание одной
цепи специфически связано водород-
ными связями с основанием другой
цепи —AclaGcC.
б) Сначала две цепи ДНК расходятся.
Каждая исходная цепь может служить
матрицей для синтеза новой компле-
ментарной цепи.
в) Нуклеотиды, комплементарные исходной
цепи (синяя), связываются между собой,
образуя сахарофосфатные остовы новых,
“дочерних" цепей (светло-голубые).
Рис. 16.9. Модель репликации ДНК: основной принцип. На этой упрощенной иллюстрации приведен участок незакрученной
ДНК. Фрагменты простых фигур обозначают четыре типа азотистых оснований. Синим обозначены цепи ДНК исходной молеку-
лы, голубым — вновь синтезированная ДНК
ДНК, каждая цепь служит матрицей для присое-
динения нуклеотидов к новой комплементарной
цепи в правильном порядке. Нуклеотиды выстра-
иваются вдоль кодирующей цепи в соответствии
с правилом спаривания оснований и связываются
между собой, чтобы образовать новую цепь. Там,
где в начале процесса была одна двойная спираль
молекулы ДНК, вскоре появляются две, каждая из
которых представляет собой точную копию “ро-
дительской” молекулы. Механизм копирования
аналогичен использованию негатива фотографии
для печати позитивного изображения, которое
затем может быть использовано для того, чтобы
сделать другой негатив, и так далее.
Эта модель репликации ДНК оставалась не-
подтвержденной в течение нескольких лет после
первой публикации о структуре ДНК. Необходи-
мые для подтверждения эксперименты были про-
стыми по смыслу, но сложными для выполнения.
Модель Уотсона и Крика предсказывала, что при
репликации двойной спирали каждая из дочер-
них молекул получит одну старую цепь от роди-
тельской молекулы и одну заново синтезирован-
ную цепь. Этот полуконсервативный механизм
отличается от консервативной модели реплика-
ции, согласно которой две родительские цепи ка-
ким-то образом воссоединяются после прохож-
дения репликации (следовательно, родительская
молекула консервативна). Существовала и третья
модель, называемая дисперсионной, согласно ко-
торой все четыре цепи ДНК, которые участвуют в
репликации, состоят из фрагментов старой и за-
ново синтезированной ДНК. Эти модели показа-
ны на рис. 16.10.
Родительская Первый раунд Второй раунд
клетка репликации репликации
а) Консервативная модель.
Родительские цепи
вновь соединяются
после синтеза
на них новых *Л\/7
цепей ДНК.
б) Полуконсервативная модель.
Обе цепи исходной молекулы
расходятся и служат
матрицами
для синтеза новых
комплементарных
цепей.
в) Дисперсионная модель.
Каждая цепь дочерних
молекул содержит
фрагменты как старой,
так и новой ДНК.
aw
AW
AW
AW
Рис. 16.10. Три альтернативных модели репликации ДНК. Ко-
роткие фрагменты двойной спирали обозначают клеточную
ДНК. Начиная с родительской клетки, мы прослеживаем два
следующих поколения клеток и два раунда репликации. Ро-
дительская ДНК обозначена синим, вновь синтезированная
ДНК — светло-голубым
428 ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
Хотя механизм консервативной или дисперс-
ной репликации ДНК было придумать непросто,
возможность их существования нельзя было от-
рицать, пока не было доказано обратное. После
двух лет предварительной работы в Калифорний-
ском технологическом институте в конце 1950-х
Мэттью Мезельсон и Франклин Сталь придумали
хитрый эксперимент, чтобы найти единственно
правильную модель из трех предложенных. Этот
эксперимент описан на рис. 16.11. Результаты экспе-
римента подтвердили полуконсервативный меха-
низм репликации ДНК, предложенный Уотсоном
и Криком, и были широко признаны среди биоло-
гов в качестве классического примера элегантно
поставленного эксперимента.
Принцип репликации в своей основе очень
прост. Однако, как мы сейчас увидим, сам про-
цесс вовлекает в себя сложные биохимические
каскады.
Репликация ДНК: детальный анализ
Бактерия Е. coli содержит одну хромосому, со-
стоящую из примерно 4,6 миллионов нуклеотид-
ных пар. В благоприятных условиях клетка £. coli
может скопировать всю ДНК и разделиться на две
генетически идентичные дочерние клетки менее,
чем за час. Каждая ваша клетка содержит в своем
ядре 46 молекул ДНК — по одной длинной двой-
ной спирали на каждую хромосому. В целом они
составляют примерно шесть миллиардов нуклео-
тидных пар — это тысячу раз больше ДНК, чем в
бактериальной клетке. Если бы нам пришлось на-
печатать однобуквенные символы этих оснований
(A, G, С, Т) таким же шрифтом, как этот текст, то
шесть миллиардов нуклеотидных пар, кодирую-
щих информацию в диплоидной клетке челове-
ка, могли бы занять около 1400 таких учебников
по биологии. Однако ваши клетки копируют всю
ДНК всего несколько часов. Репликация такого
огромного количества генетической информации
осуществляется с небольшим количеством оши-
бок — всего одна ошибка на 10 миллиардов ну-
клеотидов. Копирование ДНК осуществляется с
большой скоростью и точностью.
В репликации ДНК участвуют более десят-
ка ферментов и других белков. В настоящее вре-
мя мы знаем гораздо больше о том, как работает
“репликационная машина” бактерий (таких, как
Е. coli), чем эукариот. Поэтому основные этапы
этого процесса мы опишем на примере Е. coli, за
исключением некоторых моментов. На основании
▼ Рис. 16.11.
Изыскание
По какому механизму происходит репликация ДНК:
консервативному, полуконсервативному или дис-
персионному механизму?
Эксперимент. Мэтью Мезельсон и Франклин Сталь культиви-
ровали несколько поколений Е. coli на среде, содержащей
предшественники нуклеотидов, помеченные тяжелым изотопом
азота 15N. Затем они поместили бактерии в среду, содержа-
щую только 14N — легкий изотоп азота. Один образец был ото-
бран после первой репликации ДНК, а другой — после второй
репликации. Затем из бактерий, содержавшихся в этих пробах,
была выделена ДНК, и каждый образец был подвергнут центри-
фугированию, чтобы разделить ДНК разной плотности.
О Бактерии
культивиро-
вали в среде
с 15N
(тяжелый
изотоп)
0 Бактерии
перенесли
в среду
с 14N (легкий
. изотоп)
0 Образец
ДНК центри-
фугировали
после
первой
репликации
О Образец
ДНК центри-
фугировали -
после
второй
репликации
ПЛОТНОСТЬ
ниже
Плотность
выше
Выводы. Мезельсон и Сталь сравнили свои результаты с пред-
сказаниями каждой из трех моделей, показанных на рис. 16.10.
Первая репликация в 14N среде привела к появлению полосы ги-
бридной (151\1-14Ь1)-ДНК. Этот эксперимент исключил из рассмо-
трения консервативную модель. Второй раунд репликации при-
вел к образованию легкой и гибридной ДНК, что подтверждало
полуконсервативную модель, но опровергало дисперсионную.
В результате авторы пришли к заключению, что репликация про-
исходит в соответствии с полуконсервативным механизмом.
Первая
Предполагаемые репликация
результаты:
Консервативная
модель
ЛУЛ'
Полуконсервативная Г/Л/'
модель \ / \
Вторая
репликация
Дисперсионная
модель
Источник: The replication of DNA in Escherichia colL Proceedings
of the National Academy of Sciences USA 44:671-682 (1958).
А ЧТО, ЕСЛИ?
______________Если бы Мезельсон и Сталь сначала культи-
вировали клетки в 14Ы-содержащей среде, а перед отбором
проб перенесли их в среду с 15N, то каким оказался бы резуль-
тат эксперимента?
ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
429
информации, которую ученым удалось выяс-
нить о репликации эукариот, можно с уверенно-
стью говорить о том, что механизмы репликации
у прокариот и эукариот, в целом, сходны.
Старт репликации
Репликация хромосом начинается в определен-
ных сайтах ДНК, которые называют точками на-
чала репликации.3 Это короткие фрагменты ДНК,
содержащие специфические последовательности
нуклеотидов. Единственная хромосома Е. coliy как
и другие бактериальные хромосомы, является коль-
цевой и содержит одну точку начала репликации.
Белки, начинающие репликацию ДНК, распозна-
ют эту последовательность и присоединяются к
ДНК, разделяя две цепи и формируя репликацион-
ный “глазок”/1 Затем репликация ДНК идет в обоих
направлениях до тех пор, пока не скопируется вся
молекула (рис. 16.12, а). В отличие от бактериальной
хромосомы, хромосома эукариот может содержать
сотни, а то и тысячи стартов репликации. Образу-
ется множество репликационных глазков, которые
Точка начала репликации Эукариотическая хромосома
I -р— ?
Двухцепочечная ' I , Материнская (матричная) цепь
молекула ДНК ▼ / /Дочерняя (новая) цепь
Репликационный
глазок
(Репликационная
вилка
Две дочерние молекулы ДНК
а) Точка начала репликации (англ, origin, ориджин) клетки
Е. coli. На кольцевой хромосоме Е. coli и многих других бактерий
есть только одна точка начала репликации. В этой точке материн-
ские цепи расходятся, формируя репликационный глазок с
двумя вилками (красные стрелки). Репликация идет в обоих
направлениях до того момента, пока вилки не встретятся на
другой стороне кольца, образуя две дочерние молекулы ДНК.
На снимке, полученном методом трансмиссионной электрон-
ной микроскопии (ТЭМ), изображена бактериальная хромосо-
ма с большим репликационным глазком. Различить новую и
старую цепи с помощью ТЭМ невозможно.
б) Точки начала репликации в клетках эукариот. В каждой
линейной хромосоме эукариот репликация ДНК начинается
с образования репликационных глазков во множестве точек
огромной молекулы ДНК. Глазки расширяются по мере того,
как происходит репликация в обоих направлениях (показаны
красными стрелками). В конечном итоге глазки сливаются, и
синтез дочерних цепей прекращается. На снимке ТЭМ
показаны репликационные глазки, расположенные вдоль
ДНК культивированных клеток китайского хомячка.
Рис. 16.12. Точки начала репликации Е. со//и эукариот. Красны-
ми стрелками обозначено направление движения репликаци-
онных вилок и, соответственно, общее направление реплика-
ции ДНК внутри каждого репликационного глазка
ИЗОБРАЗИ!
На снимке ТЭМ укажите стрелками вилки третьего
репликационного глазка.
3 В русском научном сленге их зачастую называют “орид-
жин” от англ, origin — “начало”. — Примеч. ред.
4 В англоязычной литературе принят термин replication
bubble — “репликационный пузырь”. — Примеч. ред.
430 ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
в итоге сливаются, ускоряя копирование очень
длинных молекул ДНК (рис. 16.12,6).
Так же, как у бактерий, репликация эукарио-
тической ДНК идет в двух направлениях от каж-
дого ориджина.
На каждом конце репликационного глазка
расположена репликационная вилка — Y-подоб-
ный участок, около которого происходит раскру-
чивание родительских цепей ДНК. В процессе
раскручивания участвуют несколько типов бел-
ков (рис. 16.13).
Топоизомераза разрывает,
прокручивает и сшивает
родительскую ДНК перед
репликационной вилкой,
ослабляя напряжение,
вызванное расплетанием
двойной спирали._______
Праймаза синтезирует
РНК-праймеры, используя
материнскую молекулу ДНК
в качестве матрицы.
3'
РНК-
праймер
Репликационная
вилка
5'
3'
5'
Хеликаза расплетает
двойную спираль
и разделяет материн-
ские цепи ДНК.
SSB-белки (белки, связыва-
ющие одноцепочечную ДНК)
стабилизируют раскрученную
материнскую цепь.
Рис. 16.13. Некоторые из белков, участвующих в инициации
репликации ДНК. Одни и те же белки функционируют в обе-
их вилках репликационного глазка. Для упрощения показана
только левая из двух репликационных вилок глазка, а нуклео-
тиды изображены крупнее, чем они есть на самом деле в
сравнении с белками
Хеликазы — это ферменты, которые раскру-
чивают двойную спираль в области репликаци-
онных вилок, разделяя две родительские цепи
таким образом, чтобы они стали доступны в ка-
честве матрицы. После расхождения родитель-
ских цепей белки, связывающие одноцепочечную
ДНК,5 присоединяются к неспаренным основани-
ям, предохраняя их от связывания друг с другом.
Раскручивание двойной спирали в точке начала
репликации способствует более сильному скручи-
ванию, которое распространяется в направлении
от репликационных вилок. Топоизомераза помо-
гает ослабить это напряжение с помощью расще-
пления, раскручивания и восстановления целост-
ности цепи ДНК.
5 Другое название — SSB-белки, от англ, single-strand bind-
ing. — Примеч. ред.
Итак, участок раскрученной родительской
ДНК становится матрицей для синтеза новой
комплементарной ДНК. Однако ферменты, ко-
торые синтезируют ДНК, не могут запустить
синтез полинуклеотидной цепи, они могут толь-
ко добавлять ДНК-нуклеотиды к концу уже су-
ществующей цепи, комплементарно спаренной с
матричной цепью. Исходная цепочка нуклеоти-
дов, которая образуется в процессе синтеза ДНК,
на самом деле представляет короткий фрагмент
РНК, а не ДНК. Этот фрагмент РНК называется
праймером; его синтезирует фермент праймаза
(см. рис. 16.13). Праймаза начинает синтез компле-
ментарной цепи РНК с одного РНК-нуклеоти-
да, добавляя следующие с использованием роди-
тельской цепи ДНК в качестве матрицы. Таким
образом, законченный праймер, имеющий дли-
ну 5-10 нуклеотидов, спарен с матричной цепью.
Синтез новой цепочки ДНК начнется с З'-конца
этого РНК-праймера.
Синтез новой цепи ДНК
Ферменты, которые синтезируют новую цепь
ДНК, называются ДНК-полимеразами; они ка-
тализируют синтез новой ДНК с помощью при-
соединения нуклеотидов к существующей цепи.
У Е. coli есть несколько ДНК-полимераз, но толь-
ко две из них играют ключевую роль в реплика-
ции ДНК: ДНК-полимераза III и ДНК-полиме-
раза I. У эукариот все устроено сложнее — в их
клетке содержится минимум 11 разных ДНК по-
лимераз, но общие принципы их работы одина-
ковы. Большинство ДНК-полимераз требуют на-
личия праймера и матричной цепи ДНК, вдоль
которой выстраиваются комплементарные нукле-
отиды. У Е. coli ДНК-полимераза III добавляет ну-
клеотид ДНК к РНК-праймеру и затем продолжа-
ет добавлять к растущему концу новой цепи ДНК
на матрице родительской цепи. Скорость удлине-
ния цепи у бактерий составляет примерно 500 ну-
клеотидов в секунду, а у человека — 50 нуклеоти-
дов в секунду.
Для того, чтобы быть присоединенным к ра-
стущей цепи ДНК, каждый нуклеотид должен со-
держать сахар, соединенный с основанием и тре-
мя фосфатными группами. Вы уже встречали
подобную молекулу — это АТФ (аденозинтрифос-
фат, см. рис. 8.9 в главе 8). Единственное различие
между используемой в энергетическом метабо-
лизме АТФ и дАТФ, дезоксиаденозинтрифосфа-
том, адениновом нуклеотиде, используемом для
ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности 431
построения ДНК — это сахарный остаток. В стро-
ительных блоках, используемых для образования
ДНК, содержится дезоксирибоза, а в АТФ — ри-
боза. Как и АТФ, участвующие в синтезе ДНК ну-
клеотиды являются химически активными за счет
трифосфатных “хвостов” несущих нестабильный
отрицательный заряд. Так как каждый мономер
присоединяется к растущему концу цепи ДНК,
то происходит отделение двух фосфатных групп
в виде пирофосфата (PPi). Гидролиз пирофосфа-
та на две молекулы неорганического фосфата (Pi)
сопровождается экзотермической реакцией, ко-
торая способствует прохождению реакции поли-
меризации (рис. 16.14).
Новая Матричная
цепь цепь
Рис. 16.14. Включение нового нуклеотида в цепь ДНК. ДНК-
полимераза катализирует добавление нуклеотидов к З'-концу
растущей цепи ДНК, при этом высвобождаются два фосфата
] Используя эту схему, объясните, что имеется в виду, когда
говорят, что каждая цепь имеет определенное направление.
Антипараллельная элонгация
Как мы заметили ранее, два конца цепи ДНК
различаются и задают направление каждой цепи,
подобно улице с односторонним движением
(см. рис. 16.5 выше в этой главе). Кроме того, две
цепи ДНК в двойной спирали антипараллель-
ны — они ориентированы в противоположных
направлениях, как полосы движения на трассе
(см. рис. 16.14). Следовательно, две новые цепи, ко-
торые образуются при репликации ДНК, также
должны быть антипараллельными относительно
матричных цепей.
Как такое строение двойной спирали влияет
на прохождение репликации? Из-за особенности
своей структуры, ДНК-полимеразы могут добав-
лять нуклеотиды только к З'-концу праймера или
растущей цепи ДНК, но никогда не делают это с
5'-конца (см. рис. 16.14). Таким образом, цепь ДНК
может удлиняться только в направлении от 5' к 3'.
Учитывая это, давайте рассмотрим одну из двух
репликационных вилок в “глазке” (рис. 16.15).
Общий вид
Точка начала
Лидирующая репликации Отстающая
цепь ] цепь
Праймер
Отстающая лидирующим
Общее направление цепь
ц репликации *
Точка начала
репликации
О После синтеза РНК-праймера
ДНК-полимераза III начинает
синтез лидирующей цепи.
Рис. 16.15. Синтез лидирующей цепи в процессе репликации
ДНК. На этой схеме изображена левая из репликационных
вилок, показанных на общей схеме в верхней части рисун-
ка. ДНК-полимераза III, изображенная в виде зажатой в ку-
лак руки, связана с белком, называемым “скользящим зажи-
мом", который обхватывает вновь синтезированную двойную
спираль, напоминая пончик. “Скользящий зажим" позволяет
ДНК-полимеразе III перемещаться вдоль матричной цепи ДНК
ДНК-полимераза III может синтезировать ком-
плементарную цепь ДНК вдоль одной матрич-
ной цепи в течение продолжительного времени,
но обязательно в направлении 5'-3'. Она остает-
ся в составе репликационной вилке на матричной
432 ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
Общий вид
цепи и, по мере продвижения вилки, продолжа-
ет добавлять нуклеотиды к новой комплементар-
ной цепи. Цепь ДНК, которая формируется та-
ким образом, называется лидирующей цепью
(см. рис. 16.15).
Для удлинения второй новой цепи ДНК в на-
правлении 5'-3' ДНК-полимераза III должна ра-
ботать вдоль другой матричной цепи, продвига-
ясь в сторону от репликационной вилки. Цепь
ДНК, которая удлиняется в этом направлении,
называется отстающей цепью.6 В отличие от ли-
дирующей цепи, которая удлиняется непрерыв-
но, отстающая цепь синтезируется прерывисто,
как серия фрагментов. Эти фрагменты отстаю-
щей цепи называются фрагментами Оказаки, по
имени открывшего их японского ученого. Фраг-
менты состоят из 1000-2000 нуклеотидов у Е. coli
и 100-200 нуклеотидов у эукариот.
На рис. 16.16 показаны этапы синтеза отстающей
цепи одной вилки репликации.
В то время, как для главной цепи требуется
только один праймер, на отстающей цепи каж-
дый фрагмент Оказаки синтезируется с отдельно-
го праймера (шаги 2 и 4 на рис. 16.16). После того
как ДНК-полимераза III образовала фрагмент
Оказаки (шаги 2-4), другая ДНК-полимераза —
ДНК-полимераза I — замещает РНК-нуклеоти-
ды оставшегося праймера на ДНК-нуклеотиды
(шаг 5). Но ДНК полимераза I не может присое-
динить последний нуклеотид полученного фраг-
мента ДНК к первому нуклеотиду фрагмента
Оказаки. Для этого есть другой фермент, ДНК-
лигаза, которая соединяет сахарофосфатный
остов всех фрагментов Оказаки в длинную цепь
ДНК (шаг 6). Рис. 16.17 и табл. 16.1 обобщают ин-
формацию о репликации ДНК. Внимательно из-
учите их перед переходом к следующему разделу.
Точка начала репликации
Общее направление
"" репликации
цепь
О Праймаза соединяет
РНК-праймер I
для фрагмента 1 1
О ДНК-полимераза III
добавляет дезокси-
рибонуклеотиды к прай-
меру с образованием
фрагмента Оказаки 1.
О После удлинения
цепи до правого
РНК-праймера
ДНК-полимераза III
отделяется от ДНК.
0 Фрагмент 2 гибридизуется
с ДНК. Затем ДНК-полимераза 111
добавляет к нему нуклеотиды
и при достижении праймера
фрагмента 1 отделяется от ДНК.
РНК-праймер
для второй цепи
Фрагмент
3’
,5'
I 0 ДНК-полимераза I заменяет
Т РНК на ДНК, добавляя нуклеотиды
к З'-концу фрагмента 2 (ранее
это был фрагмент 1).
О ДНК-лигаза
катализирует образо-
6 Синтез лидирующей и отстающей цепей происходит
одновременно и с одинаковой скоростью. Отстающая цепь
имеет такое название, потому что синтез каждого ее нового
фрагмента не может начаться до тех пор, пока для реплика-
ционной вилки не появится достаточный участок матрич-
ной цепи, и поэтому ее синтез немного отстает от синтеза
лидирующей цепи. — Примеч. ред.
Общее направление репликации
Рис. 16.16. Синтез отстающей цепи
ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности 433
Общий вид
0 Молекулы SSB-белка
(белка, связывающего
одноцепочечную ДНК),
стабилизируют раскру-
ченные матричные цепи.
© Лидирующая цепь
синтезируется ДНК-
полимеразой III
непрерывно в 5' -> 3'
направлении.________
Матрица
лидирующей
цепи
А Точка начала
Лидирующая репликации
цепь р I ц Отстающая
X ^>17 / цепь
©Хеликаза
раскручивает
материнскую
двойную спираль.
Лидирующая
цепь
Отстающая
цепь Общее направление
* репликации —
з1_______
Лидирующая ГППТТП
цепь 1ЛЛЛЛЛЛДГ
5'
Материнская ДНК
^—ДНК-полимераза III
Праймер Праймаза
• 5 J т
ДНК-полимераза III
Отстающая
цепь
© Праймаза начинает
синтез РНК-праймера для
5-го фрагмента Оказаки.
ДНК-
полимераза I днк-лигаза
~ X п о I______—'TTl 3'
Матрица z
отстающей цепи
© ДНК-полимераза III завершает синтез
фрагмента 4. Когда ДНК-полимераза
доходит до РНК-праймера фрагмента 3,
она отделяется от фрагмента 4 и начи-
О ДНК-полимераза I удаляет праймер
с 5'-конца фрагмента 3, замещая его
дезоксирибонуклеотидами, которые
добавляются один за другим к З'-концу
О ДНК-лигаза соединяет
З'-конец 2-го фрагмента
с б'-концом 1-го фрагмента
нает добавлять нуклеотиды к З'-концу
праймера 5-го фрагмента в репли-
кационной вилке.
фрагмента 3. После добавления по-
следнего нуклеотида З'-конец сахаро-
фосфатного остова этого фрагмента
остается свободным.
Рис. 16.17. Обзор механизма репликации бактериальной ДНК.
Детализированная схема показывает левую вилку репликаци-
онного глазка, изображенного на общей схеме справа ввер-
ху. На общей схеме видно, что половина каждой из дочерних
молекул ДНК синтезируется непрерывно, выступая как ли-
дирующая цепь, а вторая половина той же самой молекулы
по другую сторону точки начала репликации синтезируется
фрагментами, являясь в данном случае отстающей цепью
Нарисуйте похожую схему правой вилки того
же глазка и пронумеруйте фрагменты Оказаки. Укажите 5'- и
3'-концы цепей.
ИЗОБРАЗИ!
Таблица 16.1. Белки, участвующие в репликации ДНК бактерий, и их функции
Белок
Функция
Белок
Функция
Хеликаза
Раскручивает материнскую двойную
спираль в репликационной вилке
ДНК полимераза III
Используя материнскую ДНК в каче-
стве матрицы, синтезирует новую цепь
ДНК, добавляя нуклеотиды к РНК-прай-
меру или к существующей цепи ДНК
SSB-белок
Мй3'
Топоизомераза
Связывает и стабилизирует одноцепо-
чечную ДНК во время ее функциониро-
вания в качестве матрицы
Снимает топологическое напряжение,
связанное с избыточным скручиванием
спирали ДНК перед репликационной
вилкой, разрывая, прокручивая и вновь
сшивая цепи ДНК
ДНК полимераза I
35^в№5-
Удаляет рибонуклеотиды РНК-прай-
мера с 5'-конца и замещает их на
дезоксирибонуклеотиды
ДНК-лигаза
Праймаза
Синтезирует РНК-праймер на 5'-конце
лидирующей цепи и на б'-конце каждого
фрагмента Оказаки отстающей цепи
Сшивает между собой фрагменты
Оказаки отстающей цепи; на лиди-
рующей цепи сшивает З'-конец ДНК,
замещающий праймер, с остальной
частью лидирующей цепи
434 ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
Комплекс репликации ДНК
Было бы удобно представить, что молекулы
ДНК-полимераз — это локомотивы, которые дви-
жутся по ДНК-рельсам, но такая модель неточна
по двум важным причинам. Во-первых, разные
белки, принимающие участие в репликации ДНК,
формируют один большой комплекс — “ДНК-
репликационную машину”. Многие белок-белко-
вые взаимодействия способствуют увеличению
эффективности работы этого комплекса. Напри-
мер, за счет взаимодействий с другими белка-
ми репликационной вилки праймаза выполня-
ет роль молекулярного тормоза, снижая скорость
движения репликационной вилки и координи-
руя расположение праймеров и скорость реплика-
ции на лидирующей и отстающей цепях. Во-вто-
рых, репликационный комплекс не может сам по
себе передвигаться вдоль ДНК; вместо этого ДНК
протаскивается через комплекс в процессе репли-
кации. В клетках эукариот множественные ко-
пии комплекса, скорее всего сгруппированные в
своеобразные “фабрики”, могут заякориваться на
ядерном матриксе — сетке из фибрилл, располо-
женных внутри ядра. Экспериментальные дан-
ные свидетельствуют в пользу модели, согласно
которой две молекулы ДНК-полимеразы, по од-
ной на каждой матричной цепи, втягивают в себя
Рис. 16.18. Современная модель репликационного комплек-
са. Две молекулы ДНК полимеразы III функционируют в соста-
ве единого комплекса вместе с хеликазой и другими белка-
ми. Каждая ДНК-полимераза работает на одной матричной
цепи. Матрица отстающей цепи ДНК в составе репликацион-
ного комплекса изгибается таким образом, что вся структура
напоминает тромбон. Данную структуру часто называют "мо-
делью тромбона'
Проведите линию вдоль всей матрицы отстаю-
щей цепи, изображенной здесь.
ИЗОБРАЗИ!
родительскую ДНК и выдавливают вновь синте-
зированную дочернюю молекулу ДНК. В этой так
называемой “модели тромбона” отстающая цепь
также проходит через комплекс, образуя петлю
(рис. 16.18).
Обнаружение ошибок
и репарация ДНК
Точность репликации ДНК определяется не
только специфичностью спаривания оснований.
Начальные ошибки при спаривании приходящих
нуклеотидов с нуклеотидами матричной цепи
возникают с частотой одна ошибка на 105 нуклео-
тидов. Однако в готовых молекулах ДНК встреча-
ется только одна ошибка на 1010 (10 миллиардов)
нуклеотидов, т.е. в 100 000 раз реже. Это проис-
ходит за счет того, что ДНК-полимеразы сверяют
все нуклеотиды с матрицей по мере их ковалент-
ного присоединения к растущей цепи. При обна-
ружении неправильно спаренного нуклеотида по-
лимераза отщепляет нуклеотид и возобновляет
синтез. (Этот процесс похож на то, как мы удаля-
ем неправильную букву, заметив ошибку в напе-
чатанном слове, а на ее месте печатаем верную.)
Иногда неспаренные основания избегают про-
верку ДНК-полимеразой. При репарации не-
спаренных оснований неправильно спаренные
основания, возникшие в результате ошибок ре-
пликации, отсоединяются и замещаются с уча-
стием других ферментов. Ученые заметили важ-
ность подобных ферментов репарации, когда они
обнаружили, что наследственные дефекты в од-
ном из них обусловливали возникновения одной
из форм рака тонкой кишки. Нарушение в струк-
туре фермента приводило к накоплению связан-
ных с развитием рака ошибок в ДНК быстрее, чем
в норме.
Неправильно спаренные или измененные ну-
клеотиды могут также возникнуть в результате
репликации. На самом деле, для сохранения за-
кодированной в ДНК генетической информации
очень часто требуется исправление различного
рода нарушений. Молекулы ДНК постоянно под-
вергаются потенциально опасным воздействиям
химических или физических агентов, таких как
рентгеновское излучение, которое мы обсудим
более детально в главе 17. Более того, в ходе нор-
мальной жизни клетки основания в составе ДНК
часто подвергаются спонтанным химическим из-
менениям. Обычно эти изменения в ДНК исправ-
ляются до того момента, когда они становятся
ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности 435
постоянными — мутациями, сохраняемыми при
репликации. Каждая клетка постоянно сканирует
и чинит свой генетический материал. Исправле-
ние поврежденной ДНК настолько важно для вы-
живания организма, что возникновение множе-
ства ферментов репарации в процессе эволюции
совсем неудивительно. Почти 100 таких фермен-
тов обнаружено у Е. coli и около 130 — у человека.
Независимо от того, как именно возникли
ошибки — в процессе репликации ДНК или же
в результате ее повреждения — большинство
клеточных систем репарации неправильно спа-
ренных нуклеотидов использует механизм, опи-
рающийся на сформированную спаренными ос-
нованию структуру ДНК. Во многих случаях
поврежденный фрагмент цепи вырезается (удаля-
ется) с помощью режущих ДНК ферментов — нук-
леаз, — а образовавшийся пропуск затем запол-
няется нуклеотидами, которые комплементарно
присоединяются к неповрежденной матричной
цепи. Над заполнением пропуска работают фер-
менты ДНК-полимераза и ДНК-лигаза. Одну из
таких систем назвали эксцизионной репарацией
нуклеотидов в соответствии с особенностями ра-
боты ее механизма7 (рис. 16.19).
Одной из важнейших функций ферментов ре-
парации в клетках нашей кожи является исправ-
ление генетических повреждений, вызванных
ультрафиолетовыми лучами солнечного света.
Одним из таких повреждений, проиллюстриро-
ванных на рис. 16.19, может быть ковалентное свя-
зывание соседних тиминовых оснований в цепи
ДНК. Тиминовые димеры вызывают изгибание
ДНК и препятствуют ее репликации. Важность
исправления подобных нарушений становится
очевидной, если принять во внимание их роль в
развитии заболевания, называемого пигмент-
ной ксеродермой — в большинстве случаев это
заболевание вызвано наследственным наруше-
нием в системе эксцизионной репарации. Люди,
страдающие этим недугом, гиперчувствитель-
ны к солнечному свету, вызванные УФ-излучени-
ем мутации в клетках кожи пациентов остаются
неисправленными, что впоследствии приводит к
раку кожи.
От англ, excision — “вырезание” и лат. reparatio — “вос-
становление”. — Примеч. ред.
0 Группы ферментов распознают
и исправляют повреждения ДНК,
например, такие, как этот тими-
новый димер, который искажает
структуру молекулы ДНК. Тимино-
вые димеры часто образуются
в результате воздействия ультра-
фиолетового излучения.
0 Нуклеаза — это фермент, кото-
рый разрезает поврежденную
цепь ДНК в двух точках, после чего
поврежденный фрагмент удаляется.
0 Репаративный синтез ДНК —
это заполнение недостающих
участков нуклеотидами с помо-
щью ДНК-полимеразы.
0 ДНК-лигаза соединяет свобо-
дный конец новой ДНК со старой
цепью ДНК, восстанавливая це-
лостность цепи.
Рис. 16.19. Эксцизионная репарация повреждений ДНК
эволюция
Эволюционное значение
изменений ДНК
Точность репликации генома и ре-
парации повреждений ДНК важны для функци-
онирования организма и передачи полного и це-
лостного генома следующему поколению. Уровень
ошибок после считывания, проверки и репара-
ции очень низок, но все равно некоторые ошибки
оказываются пропущенными. После репликации
пары неправильно спаренных оснований прои-
зошедшее изменение последовательности сохра-
няется в дочерней молекуле, которая будет содер-
жать неправильные нуклеотиды, а также во всех
ее последующих копиях. Как мы отмечали ранее,
такое сохраняющееся изменение последователь-
ности ДНК называют мутацией.
Мутации могут приводить к изменению фе-
нотипа организма (об этом вы узнаете в главе 17).
Если мутации возникают в зародышевых клетках,
которые являются предшественниками гамет, то
они могут передаваться из поколения в поколе-
ние. Абсолютное большинство таких изменений
436 ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
не оказывает эффекта, либо является вредными,
но существует очень маленький процент мута-
ций, которые могут оказаться выгодными. В этом
случае набор мутаций образует материал для
естественного отбора в ходе эволюции и полно-
стью ответствен за появление новых видов. Ба-
ланс между точностью репликации или репарации
ДНК и низким уровнем мутаций позволил сфор-
мироваться в ходе эволюции большому числу ви-
дов, которые мы сегодня может видеть на Земле.
Репликация концов молекулы ДНК
При репликации линейных ДНК — например,
ДНК в хромосомах эукариот — обычная репли-
кационная машина не может закончить считыва-
ние с 5'-концов дочерних ДНК. Это происходит
из-за того, что ДНК-полимераза может добавлять
нуклеотиды только к З'-концу предшествующе-
го полинуклеотида. Даже если синтез фрагмента
Оказаки начнется с РНК-праймера, связанного с
самым концом матричной цепи, то после удале-
ния праймера будет невозможно заменить его на
ДНК, так как здесь нет З'-конца, к которому мог
бы присоединиться нуклеотид (рис. 16.20). В итоге
повторяющиеся раунды репликации приводят к
укорочению молекул ДНК и образованию неров-
ных (“липких”) концов.
У большинства прокариот кольцевые хромо-
сомы не имеют концов, поэтому их укорочения не
происходит. Но что же защищает от повреждения
при последующих раундах репликации гены, со-
держащиеся в линейных эукариотических хромо-
сомах? На концах молекул эукариотической ДНК
есть специальные нуклеотидные последователь-
ности, которые называют теломерами (рис. 16.21).
Теломеры не содержат генов; вместо этого их ДНК
обычно состоит из многочисленных повторов од-
ной короткой нуклеотидной последовательности.
Например, в каждой теломере человека шестинук-
леотидная последовательность TTAGGG повторя-
ется от 100 до 1000 раз.
Теломеры выполняют две защитные функции.
Во-первых, специфические белки, связанные
с теломерной ДНК, защищают “липкие” концы
дочерней молекулы от активации клеточных си-
стем сканирования повреждений ДНК. (“Липкие”
концы молекулы ДНК, которые часто образуют-
ся в клетке в результате двухцепочечных разры-
вов, могут запускать сигнальные пути, приводя-
щие к остановке клеточного цикла или клеточной
гибели.) Во-вторых, теломерная ДНК играет роль
буферной зоны, которая в определенной степе-
ни защищает гены организма от укорочения, по-
добно тому, как как пластиковые кончики шнур-
ков замедляют растрепывание. Однако теломеры
не предотвращают повреждение генов на концах
хромосом, а только откладывают его.
На рис. 16.20 показано, что теломеры укорачи-
ваются в результате каждого раунда репликации.
Следовательно, теломерная ДНК короче в деля-
щихся соматических клетках взрослых людей и
в культивируемых клетках, которые разделились
уже много раз. Было высказано предположение,
что укорочение теломер тем или иным образом
связано с процессом старения определенных тка-
ней и даже со старением организма в целом.
Концы
матричной
цепи ДНК
Последний Предпоследний
фрагмент фрагмент
Отстающаяцепь. РНК-праймер
ППГ.....ПШД;
Матоичная цепь
Праймер удален,
но он не может быть
замещен ДНК, потому
что нет З'-конца, который
мог бы быть удлинен \
ДНК-полимеразой 5'
3' U1U
Удаление праймеров
и замещение их ДНК там,
где З'-конец может быть
удлинен
шнишишш
I Второй раунд
I репликации
Новая лидирующая цепь з* IIIIIIHIHII
Новая отстающая цепь 5' ц д|д|
з ИШШШт
i Дальнейшие раунды
репликации
Дочерние молекулы
всё короче и короче
Рис. 16.20. Укорочение концов линейной молекулы ДНК. На
этой схеме показано, что происходит с концевым участком
одной цепи ДНК в ходе двух раундов репликации. После пер-
вого раунда новая отстающая цепь становится короче своей
матрицы. После второго раунда обе цепи — лидирующая и
отстающая — стали короче, чем исходная материнская ДНК.
Другие концы этих цепей ДНК также укорачиваются, хотя
здесь они не показаны
ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности 437
hi----1
1 мкм
Рис. 16.21. Теломеры. На концах хромосом эукариот нахо-
дятся повторяющиеся некодирующие последовательности,
называемые теломерами. На снимке, полученном методом
световой микроскопии (СМ), оранжевым помечены теломеры
хромосом мыши
Но что тогда происходит с клетками, чей ге-
ном должен быть неизменным из поколения в
поколение? Если бы хромосомы половых кле-
ток укорачивались в ходе клеточных циклов, за-
ложенные в них гены терялись бы в гаметах,
которые из них образуются. Однако этого не
происходит: фермент, называемый теломера-
зой, катализирует удлинение теломер в эукарио-
тических половых клетках, поддерживая исход-
ную длину и компенсируя укорачивание, которое
происходит при репликации ДНК. Теломераза
неактивна в большинстве соматических клеток,
однако в тканях ее активность различна. Высокая
активность теломеразы в половых клетках при-
водит к формированию зиготы с максимальной
длиной теломер.
Умеренное укорочение теломер может предо-
хранять организм от рака, ограничивая число воз-
можных делений соматической клетки. Клетки
больших опухолей часто содержат необычайно ко-
роткие теломеры, что и следует ожидать для кле-
ток, переживших большое число делений. Даль-
нейшее укорочение теломер, вероятно, привело
бы к разрушению раковых клеток. Но для раковых
клеток характерна очень высокая активность те-
ломеразы, что позволяет им стабилизировать дли-
ну теломер и сохраняться в организме. Большин-
ство раковых клеток способно к неограниченным
клеточным делениям, как это происходит в бес-
смертных (иммортализованных) клеточных лини-
ях (см. главу 12). В течение нескольких лет ученые
изучали возможность ингибирования теломеразы
в качестве одного из методов противораковой те-
рапии. И хотя ингибирование теломеразы приво-
дило к гибели раковых клеток у мышей, рано или
поздно клетки восстанавливали длину теломер
альтернативными способами. В любом случае, эта
область исследований активно развивается и, воз-
можно, поможет улучшить существующие подхо-
ды в лечении рака.
Итак, в этом разделе вы узнали о структуре и
репликации ДНК. В следующем разделе мы вер-
немся на шаг назад и проследим за укладкой ДНК
в хромосомах - структурах более высокого поряд-
ка, хранящих генетическую информацию.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 1.1
1.
2.
3.
4.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
А ЧТО. ЕСЛИ?
Какую роль играет спаривание комплементарных основа-
ний при репликации ДНК?
Назовите две основные функции ДНК полимеразы III в ре-
пликации ДНК.
I Как взаимосвязаны реплика-
ция ДНК и S-фаза клеточного цикла? См. рис. 12.6.
| Если бы ДНК полимераза I была не актив-
на в определенных клетках, как это повлияло бы на син-
тез лидирующей цепи в них? На обобщающей схеме на
рис. 16.17 посмотрите, на каком участке лидирующей цепи
в норме работает ДНК полимераза I.
Ответы см. в Приложении А.
16.3. Хромосома содержит
молекулу ДНК, упакованную
вместе с белками
Главный компонент генома большинства бак-
терий — это одна двуцепочечная кольцевая моле-
кула ДНК, с которой связано небольшое количе-
ство белков. Хотя мы и называем эту структуру
бактериальной хромосомой, она очень отличается
от эукариотической хромосомы, которая состоит
из линейной ДНК, связанной с большим количе-
ством белков. У Е. coli хромосомная ДНК состо-
ит примерно из 4,6 миллиона нуклеотидных пар,
представляющих 4400 генов. Это количество в
100 раз больше, чем ДНК в типичном вирусе, и
примерно в 1000 раз меньше, чем количество ДНК
в человеческой клетке. Тем не менее это огромное
количество ДНК, которое должно быть упаковано
в очень маленькое пространство внутри бактери-
альной клетки.
Если развернуть ДНК Е. coli, то ее длина соста-
вит около миллиметра, т.е. в 500 раз больше дли-
ны клетки. Однако внутри бактерии есть специ-
альные белки, которые вызывают спирализацию
и “суперспирализацию” хромосомы, плотно упа-
ковывая ее таким образом, чтобы она занимала
438 ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
лишь часть объема клетки. В отличие от эукарио-
тической клетки, этот плотный участок ДНК, на-
зываемый бактериальным нуклеоидом, не огра-
ничен мембраной (см. рис. 16.5).
Каждая хромосома эукариот содержит одну
линейную двойную спираль ДНК; у человека она
состоит в среднем из 1,5 х 108 нуклеотидных пар.
В развернутом виде эта огромная ДНК сильно
превышает длину конденсированной хромосомы.
Если полностью расправить молекулу, ее длина
составит примерно 4 см, что в тысячи раз больше
диаметра клеточного ядра — и мы даже не берем
в расчет ДНК другие 45 хромосом человека!
В клетке эукариот ДНК связана со множе-
ством белков. Такой комплекс ДНК и белков, на-
зываемый хроматином, помещается в ядро с
помощью сложной, многоуровневой упаковки.
Современный взгляд на последовательность упа-
ковки ДНК в хромосому представлен на рис. 16.22.
Внимательно изучите эту схему, прежде чем про-
должить чтение.
Степень упаковки хроматина претерпевает
удивительные изменения в ходе клеточного цик-
ла (см. рис. 12.7 в главе 12). В интерфазных клетках,
окрашенных для световой микроскопии, хрома-
тин обычно представлен диффузной массой внут-
ри ядра; это означает, что хроматин достаточно
развернут. При подготовке клеток к митозу хро-
матин спирализуется и конденсируется, в резуль-
тате чего формируется характерное количество
коротких, толстых метафазных хромосом, кото-
рые можно различить при наблюдении в световой
микроскоп (рис. 16.23, а).
Хотя хроматин интерфазных клеток намного
менее конденсированный, чем хроматин митоти-
ческих хромосом, он образован в результате таких
же уровней упаковки ДНК. Некоторое количество
хроматина в составе хромосом представлено в
виде фибриллы длиной 10 нм, но большая часть
компактизована в 30-нм фибриллу, которая в не-
которых участках еще сильнее сворачивается, об-
разуя петлевые домены. Ранее биологи считали,
что интерфазный хроматин представляет собой
переплетенную массу внутри ядра, похожую на
миску со спагетти, но это представление далеко от
правды. Пусть интерфазная хромосома и лишена
четко выраженного каркаса, но петлевые домены
в ее составе явно закреплены на ядерной ламине
с внутренней стороны ядерной оболочки, и, воз-
можно, на ядерном матриксе. Эти контакты мо-
гут играть важную роль в организации участков
хроматина, насыщенных активно работающими
генами. Хроматин в составе каждой хромосомы
занимает определенный ограниченный участок
в интерфазном ядре, и хроматиновые фибриллы
разных хромосом не перекрываются между собой
(рис. 16.23,6).
В период интерфазы центромерные и тело-
мерные участки хромосом, как и другие участ-
ки хромосом в некоторых клетках, находятся в
очень конденсированном состоянии, похожем на
то, которое мы наблюдаем в метафазных хромо-
сомах. Это состояние интерфазного хроматина,
которое в световом микроскопе выглядит как не-
равномерно распределенные сгущения, называ-
ют гетерохроматином, чтобы отличить его от
более рыхлого эухроматина (“настоящего хро-
матина”). Вследствие сильной компактизации,
гетерохроматиновая ДНК становится трудно-
доступной для комплекса белков, отвечающих
за транскрипцию закодированной в ней гене-
тической информации — первый и ключевой
этап экспрессии генов. Более рыхлая упаковка
в эухроматине, напротив, делает ДНК более до-
ступной для белковых комплексов, поэтому рас-
положенные в эухроматиновых участках гены
могут активно транскрибироваться. Хромосо-
ма представляет собой динамическую структуру,
которая по мере необходимости может конден-
сироваться, растягиваться, модифицироваться и
ремоделироваться в зависимости от того, какой
процесс происходит в клетке в данный момент —
митоз, мейоз или регуляция активности генов.
На степень конденсации хроматина влияют мо-
дификации гистонов, которые также оказывают
множество эффектов на активность генов, о чем
вы прочитаете в главе 18.
В этой главе вы узнали, как молекулы ДНК
организуются в хромосомы и каким образом ре-
пликация ДНК производит копии генов, которые
родители передают детям. Однако недостаточ-
но просто скопировать и передать гены; главное,
чтобы закодированная в них информация мог-
ла быть использована клеткой. Другими словами,
гены должны экспрессироваться. В следующей
главе мы проследим за тем, как клетка экспрес-
сирует генетическую информацию, закодирован-
ную в ДНК.
ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности 439
▼ Рис. 16.22
сем упаковка хроматина в хромосомах эукариот
Эта серия схем и микрофотографий, полученных методом трансмиссионной электрон-
ной микроскопии, отражает современные представления о скручивании ДНК и ее трех-
мерной укладке. Масштаб иллюстрации уменьшается от отдельной молекулы ДНК до це-
лой метафазной хромосомы, которая настолько велика, что видна в световой микроскоп.
Нуклеосома
(10 нм в диаметре)
Гистоны
гистонов
Двойная спираль ДНК
Гистоны
Нуклеосомы, или
“бусины на нити”
(10-нанометровая фибрилла)
На данном рисунке показана модель
ДНК, на которой в виде лент изо-
бражены сахарофосфатные остовы
двух цепей. Напомним, что фосфат-
ные группы, расположенные вдоль
остова, несут отрицательный заряд,
локализованный на наружной по-
верхности каждой цепи. На микро-
фотографии, полученной методом
ТЭМ, видна “голая” (без белков)
ДНК; толщина свободной двойной
спирали составляет 2 нм.
Белки, называемые гистонами, от-
вечают за первый уровень упаков-
ки ДНК в хроматин. Несмотря на то,
что каждый гистон содержит всего
примерно 100 аминокислот, общая
масса гистонов хроматина грубо рав-
на массе ДНК. Более !/ гистоновых
аминокислот заряжены положи-
тельно (лизин и аргинин) и поэтому
крепко связываются с отрицатель-
но заряженной ДНК. С ДНК связы-
вается четыре основных типа гисто-
нов: Hl, Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Гистоны
очень схожи среди эукариот; напри-
мер, у коровы и гороха все амино-
кислоты гистона Н4, за исключени-
ем двух, — одинаковые. Очевидное
сохранение генов гистонов в про-
цессе эволюции, возможно, отража-
ет важность их роли в упаковке ДНК
в клетках. Эти четыре вида гистонов
необходимы для следующего этапа
упаковки ДНК. (Пятый тип гисто-
нов, называемый Н1, участвует в сле-
дующем уровне упаковки.)
На электронной микрофотографии
можно видеть деконденсированный
хроматин, нити которого имеют ди-
аметр 10 нм (10-нм фибрилла).
Такой хроматин напоминает буси-
ны на нитке (см. микрофотогра-
фию). Каждая “бусина” — это нук-
леосома, основная единица упа-
ковки ДНК. “Нить" между буси-
нами называется линкерной ДНК.
Нуклеосома включает в себя
ДНК, которая образует два витка
вокруг белковой сердцевины, по-
строенной из восьми молекул ги-
стонов — по две молекулы каждого
из главных типов гистонов (Н2А,
Н2В, НЗ и Н4). Аминокислотный
конец (N-конец) каждого гистона
(гистоновый “хвост") торчит из нук-
леосомы наружу.
В клеточном цикле гистоны от-
деляются от ДНК лишь на корот-
кое время в процессе репликации
ДНК. Также это обычно происхо-
дит во время транскрипции, так как
этот процесс тоже требует доступа
молекулярной машинерии к ДНК.
Нуклеосомы, а точнее, “хвосты” их
гистонов, участвуют в регуляции
экспрессии генов.
440
30-нм фибрилла
Хроматида
(700 нм)
Петли
Белковый каркас
хромосомы (скаффолд)
300-нм фибрилла
30-нм фибрилла
Следующий уровень упаковки до-
стигается путем взаимодействий
между хвостами гистонов одной
нуклеосомы, линкерной ДНК и еле-
дующей нуклеосомой. В этом про-
цессе участвует пятый гистон, Н1.
Эти взаимодействия заставляют
длинную 10-нм фибриллу скручи-
ваться и упаковываться, формируя
хроматиновую фибриллу толщи-
ной около 30 нм, или 30-нм фибрил-
лу. Хотя 30-нм фибриллы широко
представлены в интерфазных ядрах,
взаимное расположение нуклеосом
на этом уровне упаковки хромати-
на до сих пор остается поводом для
дискуссий.
Й&й
S *
Петлевые домены
(300-нм фибрилла)
Метафазная хромосома
на следующем уровне 30-нм фиб-
рилла изгибается, образуя петлевые
домены, закрепленные на белковом
каркасе хромосом, или скаффолде.
В результате образуется 300-нм фиб-
рилла. Скаффолд богат топоизоме-
разой одного из типов. По-видимо-
му, в его составе присутствуют также
молекулы гистона Н1.
Реплици- —
рованная
хромосома
(1400 нм)
В митотической хромосоме петле-
вые домены скручиваются и уклады-
ваются окончательно; способ уклад-
ки пока неизвестен. На этом уровне
весь хроматин компактизуется с об-
разованием метафазной хромосомы,
которая также показана на микро-
фотографии выше. Толщина одной
хроматиды составляет около 700 нм.
Определенные гены всегда распола-
гаются в одних и тех же участках ме-
тафазных хромосом, что говорит о
консервативности и точности меха-
низма компактизации.
441
а) Эти метафазные хромо-
сомы были "раскрашены"
так, что оба гомолога каж-
дой пары имеют одинако-
вый цвет. Выше представлен
снимок препарата меченых
хромосом. На рисунке спра-
ва те же изображения хромо-
сом у
20
кариотип.
ил л
II
12
Рис. 16.23. "Раскрашивание" хромосом. Ученые могут поме-
тить каждую хромосому ("раскрасить") при помощи молеку-
лярных меток, в результате чего каждая пара хромосом ока-
зывается окрашенной в свой цвет
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 16.3
1. Опишите устройство нуклеосомы — основной единицы
упаковки ДНК эукариотических клеток.
2. Какие две черты — структурная и функциональная — отли-
чают гетерохроматин от эухроматина?
б) Используя возможность визуально различить отдельные хро-
мосомы, можно увидеть, как хромосомы расположены внутри
интерфазного ядра. Каждая хромосома в ядре интерфазной
клетки занимает определенную территорию. Можно заметить,
что две гомологичные хромосомы каждой пары располагают-
ся не вместе.
Если вы остановите человеческие
клетки в метафазе f мейоза и примените эту технику, что вы бу-
дете наблюдать? Чем результат будет отличаться от того, что
можно увидеть в метафазе митоза? Обратитесь к рис. 13.8 (гла-
ва 13) и 12.7 (глава 12).
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
3.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Интерфазные хромосомы при-
крепляются к ядерной ламине и, возможно, также к ядерному
матриксу. Опишите эти две структуры, опираясь на рис. 6.9
(глава 6) и относящийся к нему текст.
Ответы см. в Приложении А.
Д u
И
К
И 6 Обзор главы
16.1. ДНК - ЭТО ГЕНЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
• Эксперименты с бактериями и фагами предоста-
вили первое строгое доказательство того, что
генетическим материалом является именно
ДНК.
• Уотсон и Крик установили, что ДНК представля-
ет собой двойную спираль, и построили ее струк-
турную модель. Две антипараллельные сахаро-
фосфатные цепи закручены одна вокруг другой с
наружной стороны молекулы; азотистые основания
ориентированы внутрь молекулы, где они образу-
ют специфические водородные связи между А и Т,
G и С.
| Что мы имеем в виду, когда говорим, что цепи ДНК
двойной спирали антипараллелъны? Как бы выглядели
концы цепей, если бы они были параллельны?
16.2. ПРИ РЕПЛИКАЦИИ И РЕПАРАЦИИ ДНК
МНОЖЕСТВО БЕЛКОВ РАБОТАЮТ ВМЕСТЕ
• Эксперимент Мезельсона и Сталь показал, что ре-
пликация ДНК осуществляется по полуконсерва-
тивному механизму: родительская молекула рас-
442 ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
кручивается, после чего каждая цепь становится
матрицей, на которой синтезируется новая цепь в
соответствии с правилом спаривания оснований.
• Схема репликации ДНК в одной репликационной
вилке обобщена на этом рисунке:
ДНК-полимераза III синтезирует
лидирующую цепь непрерывно
Материн-
ская ДНК
короткий РНК-праймер
3'
5'
ДНК-полимераза I замещает РНК
праймер нуклеотидами ДНК
ДНК-полимераза III начинает синтез
ДНК с З'-конца праймера и продолжает точка начала
-* 3' репликации
Отстающая цепь синтезируется в виде
коротких фрагментов Оказаки, которые
затем соединяются ДНК-лигазой
• ДНК полимеразы проверяют правильность вновь
синтезированной ДНК, замещая неправильные ну-
клеотиды. При репарации неправильно спаренных
оснований ферменты исправляют сохранившиеся
ошибки. Эксцизионная репарация нуклеотидов —
это процесс, при котором нуклеазы вырезают, а
другие ферменты замещают поврежденный фраг-
мент ДНК.
• Концы хромосомной ДНК эукариот укорачивают-
ся с каждым раундом репликации. Наличие те-
ломер — повторяющихся последовательностей на
концах линейных молекул ДНК — помогает генам
дольше сохраняться в своем нормальном состоя-
нии. Теломераза катализирует удлинение теломер в
половых клетках.
О Сравните процессы репликации ДНК на лидирую-
щей и отстающей цепях, опишите сходства и различия.
16.3. ХРОМОСОМА СОДЕРЖИТ МОЛЕКУЛУ ДНК,
УПАКОВАННУЮ ВМЕСТЕ С БЕЛКАМИ
• Хромосома большинства видов бактерий пред-
ставляет собой кольцевую молекулу ДНК, ассоци-
ированную с несколькими белками; вместе они на-
зываются нуклеоидом. Хроматин, образующий
эукариотическую хромосому, состоит из ДНК, ги-
стонов и других белков. Гистоны связываются
между собой и с ДНК, формируя нуклеосомы — ос-
новные единицы упаковки ДНК. Хвосты гистонов
выступают наружу из каждой, похожей на бусинку,
нуклеосомной глобулы. Дополнительная спирали-
зация и сворачивание приводят к формированию
сильно конденсированного состояния хроматина
метафазных хромосом. Хромосомы занимают стро-
го ограниченные участки в интерфазном ядре.
В интерфазных клетках большая часть хроматина
находится в менее упакованном состоянии (эухро-
матин), но также сохраняются участки высоко
конденсированного хроматина (гетерохроматин).
В эухроматиновых участках может осуществляться
транскрипция генов, тогда как гетерохроматин для
нее не доступен.
| Опишите уровни упаковки хроматина, которые
вы ожидаете увидеть в интерфазном ядре.
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. В своей работе с мышами и бактериям, вызываю-
щими пневмонию, Гриффит обнаружил, что:
а) белковая оболочка патогенных клеток могла
трансформировать непатогенные клетки;
б) термически убитые клетки вызвали пневмонию;
в) содержимое патогенных клеток было перенесено
в непатогенные клетки и привело к превращению
их в патогенные д. полисахаридная оболочка бак-
терий вызвала пневмонию.
2. В чем заключается разница между тем, как синтези-
руются лидирующая и отстающая цепи ДНК?
а) Ориджины репликации появляются только на
5'-конце.
б) Хеликазы и белки, связывающие одноцепочеч-
ную ДНК, работают на 5'-конце.
в) ДНК полимераза может присоединять новые ну-
клеотиды только к З'-концу ранее существовав-
шей цепи.
г) ДНК лигаза работает только в направлении 3'->5'.
3. Какой результат анализа числа оснований в образ-
це ДНК будет соответствовать правилу спаривания
оснований?
a) A = G
6)A + G = C + T
b)A + T = G + C
г) А = С
4. Элонгация лидирующей цепи при синтезе ДНК:
а) идет от репликационной вилки
б) происходит в 3' -> 5' направлении
в) не требует матричной цепи
д) зависит от активности ДНК-полимеразы
5. В нуклеосоме ДНК оборачивается вокруг
а)гистонов
б) рибосом
в) молекул полимеразы
г) тиминовых димеров
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
6. Клетки Е. coli, выращенные на 15N среде, были пере-
мещены в ,4N среду и наращивались в ходе двух по-
колений (прошло два раунда репликации). ДНК, из-
влеченная из этих клеток, была центрифугирована.
ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности 443
Какое распределение ДНК по плотности вы ожида-
ете увидеть в этом эксперименте?
а) одна полоса высокой плотности и одна низкой
плотности
6) одна полоса средней плотности
в) одна полоса высокой плотности и одна средней
г) одна полоса низкой плотности и одна средней
7. Биохимик извлекает, очищает и смешивает в про-
бирке множество молекул, которые необходимы
для прохождения репликации. Когда она добавля-
ет к смеси немного ДНК, происходит репликация,
но каждая молекула ДНК оказывается состоящей
из нормальной цепи, спаренной с многочисленны-
ми фрагментами ДНК длиной в нескольких сотен
нуклеотидов. Что она забыла добавить в пробирку?
а) ДНК-полимеразу.
6) ДНК-лигазу.
в) Фрагменты Оказаки.
г) Праймазу.
8. Спонтанная потеря аминогруппы аденина в ДНК
приводит к образованию гипоксантина, редкого ос-
нования, располагающегося напротив тимина. Ка-
кое сочетание белков могло бы исправить такое по-
вреждение?
а) Нуклеаза, ДНК-полимераза, ДНК-лигаза.
6) Теломераза, праймаза, ДНК-полимераза.
в) Теломераза, хеликаза, белки, связывающие одно-
цепочечную ДНК.
г) ДНК-лигаза, белки вилки репликации, аденилат-
циклаза.
9. Хотя белки, которые при-
водят к компактизации хромосомы Е. coli, не явля-
ются гистонами, какое их свойство, по вашему мне-
нию, является общим с гистонами и позволяет им
связывать ДНК (см. рис. 5.14)?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
Некоторые бактерии способны отвечать на стрессо-
вые условия окружающей среды посредством уве-
личения числа мутаций, возникающих при делении
клеток. Как это может происходить? Может ли это
считаться эволюционным преимуществом? Объяс-
ните.
ИЗОБРАЗИ!
Построение модели может быть важ-
ным этапом научного процесса. Иллюстрация, пред-
ставленная выше, — это модель репликационного
комплекса ДНК, полученная на компьютере. Ма-
тричная и новая цепи ДНК окрашены в разные цве-
та, так же как и эти три белка: ДНК-полимераза III,
“скользящий зажим” и белок, связывающий одно-
цепочечную ДНК. Используя информацию из это-
го раздела, определите цепи ДНК и белки на этом
изображении, а также выясните общее направление
синтеза ДНК.
12. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ИНФОРМАЦИЯ"
Преемственность жизни основана на наследовании
информации в виде ДНК, структура и функции ко-
торой взаимосвязаны со всеми уровнями биологи-
ческой организации. В коротком эссе (100-150 слов)
опишите, как структура ДНК связана с ее ролью —
быть молекулярной основой наследственности.
ОБОБЩИ СВОИ ЗНАНИЯ
Данный рисунок пред-
ставляет собой компью-
терную модель взаимо-
действия ДНК с белком
TAL, который относится
к семейству белков, най-
денных только у бакте-
рий Xanthomonas. Эта
бактерия использует по-
добные белки, чтобы на-
ходить определенные по-
следовательности генов
в клетках организмов,
которые она инфици-
рует, таких как томаты,
рис, цитрусовые. Ученые
чрезвычайно заинтере-
сованы в исследовании
этого семейства белков.
Их целью является разработка модифицированных
версий белка, которые смогут присоединяться к
специфическим последовательностям генов. Такие
белки можно было бы использовать в генной те-
рапии, для того чтобы “исправить” мутированные
гены у людей с генетическими заболеваниями. На
основе знаний о структуре ДНК и данного рисунка
предположите, как структура белков TAL связана с
их функцией.
Ответы см. в Приложении А.
444 ГЛАВА 16 Молекулярные основы наследственности
Ж *
Рис. 17.1. Каким образом ошибка всего в одном гене может
привести к тому, что животное становится альбиносом?
◄ Енот-альбинос
ж
генов:
>лку
ТЕМЫ ГЛАВЫ
17.1. Гены определяют структуру
белков посредством
транскрипции и трансляции
Транскрипция — ДНК-зависимый
синтез РНК (детальный анализ)
17.3. В клетках эукариот РНК
подвергается модификации
после транскрипции
17.4. Трансляция — РНК-зависимый
синтез полипептида (детальный
анализ)
17.5. Мутации в одном или нескольких
нуклеотидах могут сильно п
Поток генетической информации
В 2006 году молодой олень-альбинос, резвящийся в го-
рах Восточной Германии в компании нескольких дру-
гих особей обычной окраски, вызвал общественный резо-
нанс (рис. 17.1). Местная охотничья организация объявила,
что олень страдает от “генетического заболевания” и дол-
жен быть убит. Некоторые люди считали, что оленя доста-
точно оградить от скрещиваний с другими оленями, что-
бы защитить генофонд популяции. Другие полагали, что
оленя нужно переселить в заповедник, потому что волно-
вались, что в дикой природе олень слишком заметен для
хищников. А немецкая рок-звезда даже организовала бла-
готворительный концерт, чтобы собрать средства на пере-
езд животного. В чем причина возникновения удивитель-
ного фенотипа этого оленя, ставшего предметом таких
бурных обсуждений?
Из главы 14 вы узнали, что наследуемые черты опреде-
ляются генами и что альбинизм обусловлен рецессивны-
ми аллелями гена пигментации. Информация содержится
в генах в форме специфических последовательностей нук-
леотидов, составляющих цепочки ДНК — генетического
материала. Но как эта информация определя-
ет свойства организма? Или, другими словами,
как именно гены проявляют себя? И как эта ин-
формация преобразуется клетками в индивиду-
альные черты, такие как русые волосы, II группа
крови или, в случае оленя-альбиноса, полное от-
сутствие пигмента? Олень-альбинос обладает де-
фектным вариантом ключевого белка — фермен-
та, необходимого для синтеза пигмента; а белок, в
свою очередь, дефектен из-за того, что кодирую-
щий его ген содержит неверную информацию.
Этот пример иллюстрирует основную мысль
данной главы: организм наследует ДНК, которая
определяет его специфические черты посредством
управления синтезом белков и молекул РНК, во-
влеченных в синтез белков. Другими словами,
белки — это связующее звено между генотипом
и фенотипом. Экспрессия генов — это процесс,
с помощью которого ДНК управляет синтезом
белков (или, в некоторых случаях, только синте-
зом РНК). Экспрессия генов, кодирующих бел-
ки, включает в себя две стадии: транскрипцию и
трансляцию. В этой главе вы узнаете, как инфор-
мация передается от гена к белку и каким обра-
зом генетические мутации влияют на организ-
мы посредством белков. В конце главы, когда вы
усвоите, как протекают процессы экспрессии ге-
нов, схожие для всех трех надцарств жизни, мы
сможем вернуться к концепции гена, чтобы рас-
смотреть ее более подробно.
17.1. Гены определяют
структуру белков посредством
транскрипции и трансляции
Прежде чем углубиться в детали того, как
именно гены направляют синтез белка, давайте
узнаем, как были открыты фундаментальные от-
ношения между генами и белками.
Данные исследований нарушений
метаболизма
В 1902 году британский врач Арчибальд Гаррод
первым предположил, что гены определяют фено-
тип через ферменты, которые катализируют опре-
деленные химические реакции в клетке. Гаррод
утверждал, что симптомы наследственных забо-
леваний отражают неспособность индивидуума
образовывать определенный фермент. Позже он
характеризовал такие болезни, как “врожденные
ошибки метаболизма”. В качестве примера Гаррод
приводил наследственную болезнь под названи-
ем алкаптонурия. Моча пациентов с таким забо-
леванием черная, поскольку содержит алкаптон,
который темнеет на воздухе. Гаррод полагал, что
у большинства людей есть фермент, который ме-
таболизирует алкаптон, тогда как пациенты с ал-
каптонурией унаследовали неспособность обра-
зовывать этот фермент.
Гаррод, вероятно, был первым, кто понял, что
менделевские законы наследования применимы к
людям в той же степени, что и к горошку. Взгляды
Гаррода опередили свое время, но спустя несколь-
ко десятилетий исследования подтвердили его ги-
потезу о том, что любой выбранный ген обуслов-
ливает производство определенного фермента;
позже эту гипотезу назвали один ген — один фер-
мент. Биохимики собрали множество данных о
том, что клетка синтезирует и разрушает боль-
шинство органических молекул в метаболических
, путях, где каждая химическая реакция катали-
зируется определенным ферментом (см. главу 8,
раздел 8.1). Такие метаболические пути ведут, на-
пример, к синтезу пигментов, которые придают
коричневый цвет шерсти оленей на рис. 17.1, или
определяют цвет глаз плодовых мушек дрозофил
(см. главу 15, рис. 15.3). В 1930 году американский
биохимик и генетик Джордж Бидл со своим фран-
цузским коллегой Борисом Эфрусси предположи-
ли, что у дрозофилы каждая из мутаций, влияю-
щих на цвет глаз, блокирует синтез пигмента на
определенном этапе, нарушая образование фер-
мента, который катализирует этот этап. Но в те
времена еще не были известны ни химические ре-
акции синтеза пигментов, ни ферменты, катали-
зирующие эти процессы.
Нарушения питания у нейроспоры
(научное исследование)
Прорыв в исследовании взаимосвязи генов и
белков произошел спустя несколько лет в Стэнд-
фордском университете, где Джордж Бидл и Эду-
ард Тейтум начали работать с хлебной плесенью
Neurospora crassa. Они облучали этот грибок рент-
геновским излучением, которое, как было показа-
но в 1920-х годах, вызывает генетические измене-
ния, а потом искали среди выживших мутантов
те, что изменили свои пищевые потребности по
сравнению с плесенью дикого типа. У нейроспо-
ры дикого типа пищевые потребности скромные.
446 Г ЛАВА 1 7 Экспрессия генов: от гена к бедку
Она может расти в лабораторных условиях на
простых средах, содержащих неорганические
соли, глюкозу, биотин (витамин), а также агар. Из
такого минимального набора компонентов клет-
ки плесени могут синтезировать все другие типы
молекул, которые им необходимы. Бидл и Тейтум
обнаружили мутантов, неспособных жить на ми-
нимальной среде, поскольку такие мутанты не
могли синтезировать определенные важные типы
молекул из ингредиентов минимального набора.
Чтобы обеспечить выживание таких мутантов,
Бидл и Тейтум выращивали их на полной среде, в
которой помимо компонентов минимальной сре-
ды содержались все 20 аминокислот и некоторые
дополнительные питательные вещества. Полная
среда могла поддерживать любых мутантов, не-
способных самостоятельно синтезировать компо-
ненты полноценного питания.
Чтобы охарактеризовать метаболические де-
фекты каждого мутанта, Бидл и Тейтум выра-
щивали их на разных средах. Каждая из них
представляла собой минимальную среду с добав-
лением одного из питательных веществ. Добавка,
которая позволяла мутантам расти, указывала на
дефект их метаболизма. К примеру, если мутант
мог расти только на минимальной среде с добав-
кой аргинина, исследователи делали вывод, что у
него нарушен биохимический путь синтеза этой
аминокислоты.
На самом деле, такие аргинин-зависимые му-
танты были получены и исследованы двумя кол-
легами Бидла и Тейтума, Адрианом Срб и Нор-
маном Хоровицем, которые хотели изучить
биохимические пути синтеза аргинина у нейро-
споры (рис. 17.2). Срб и Хоровиц более детально из-
учили дефекты каждого мутанта, используя до-
полнительные тесты, чтобы выявить три класса
аргинин-зависимых мутантов. Мутанты каждо-
го типа нуждались в определенных компонентах
пути синтеза аргинина, в котором можно выде-
лить три этапа. Эти результаты, как и во многом
сходные эксперименты Бидла и Тейтема, свиде-
тельствуют о том, что мутанты каждого класса
останавливали синтез аргинина на определен-
ной стадии из-за отсутствия катализирующего ее
фермента.
Поскольку каждый мутант был дефектен по
единственному гену, Бидл и Тейтум решили, что
в совокупности полученные результаты говорят
в пользу предложенной ими ранее рабочей гипо-
тезы. Гипотеза “один ген — один фермент” как
они ее назвали, утверждает, что функция гена —
управлять производством определенного белка.
В дальнейшем гипотезу поддержали и экспери-
менты, в которых было установлено, каких имен-
но ферментов не хватало у мутантов. Бидл и Тей-
тем разделили Нобелевскую премию 1958 года за
“открытие того, что гены проявляют себя через
регуляцию определенных химических реакций”
(слова представителей Нобелевского комитета).
Сегодня нам известны бесчисленные приме-
ры того, как мутация в гене вызывает нарушение
функции фермента, которое, в свою очередь, ве-
дет к видимым нарушениям. У оленя-альбиноса
на рис. 17.1 нет ключевого фермента — тирозинки-
назы — в метаболическом пути синтеза темного
пигмента меланина. Отсутствие меланина про-
является в белом цвете шкуры, а также в других
эффектах. Нос оленя, его уши, копыта, а также
глаза розовые из-за отсутствия меланина, кото-
рый в норме маскирует красноватый цвет кро-
веносных сосудов, проходящих через эти части
тела животного.
Продукты экспрессии генов:
незаконченная история
Узнавая о белках все больше, ученые пересма-
тривают гипотезу “один ген — один фермент”.
Во-первых, не все белки — ферменты. Кератин,
структурный белок шерсти животных, и гормон
инсулин — два примера белков, не являющих-
ся ферментами. Поскольку белки, которые не яв-
ляются ферментами, все же представляют собой
продукты работы гена, молекулярные биологи на-
чали мыслить в терминах “один ген — один бе-
лок”. Как бы то ни было, многие белки собираются
из двух и более полипептидных цепочек, и после-
довательность каждого полипептида определяет-
ся собственным геном. Например, гемоглобин —
белок красных кровяных клеток позвоночных
животных, осуществляющий транспорт кисло-
рода, — состоит из полипептидов двух типов,
так что этот белок кодируют два гена (см. рис. 5.18
в главе 5). Поэтому идея Бидла и Тейтума была
переформулирована в “один ген — один поли-
пептид”. Однако и это описание не абсолютно точ-
ное. Во-первых, во многих случаях эукариотиче-
ский ген может кодировать целый набор сходных
полипептидов, благодаря процессу под названием
“альтернативный сплайсинг”, о котором вы узнае-
те позже в этой главе. Во-вторых, существует не-
мало генов, кодирующих молекулы РНК, которые
ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 447
Рис. 17.2.
Изыскание
Могут ли индивидуальные гены определять наборы ферментов, задействованных в том или ином
биохимическом пути?
Эксперимент. Работая в Стэндфордском университете с плесенью Neurospora crassa, Адриан Срб и Норман
Хоровиц использовали экспериментальный подход Бидла и Тейтума, чтобы выделить мутантов, которым не-
обходимо присутствие аргинина в культуральной среде. Исследователи показали, что таких мутантов можно
разделить на три класса, представители каждого из которых дефектны по определенному гену. Исходя из
исследований других ученых, проведенных на клетках печени млекопитающих, они ожидали, что метаболи-
ческий путь биосинтеза аргинина включает в себя молекулу-предшественника и промежуточные молекулы
орнитин и цитруллин, как показано на рисунке ниже.
Здесь показан их наиболее известный эксперимент, в котором была проверена и гипотеза “один ген — один
фермент", и разработанная ими схема биосинтеза аргинина. В этом эксперименте они выращивали три клас-
са мутантов в четырех различных условиях, которые приведены ниже в таблице результатов. Зная, что клетки ди-
кого типа могут расти на минимальной среде (МС), а мутанты — нет, они использовали МС в качестве контроля
Предшественник
Фермент А |
Орнитин
Фермент В j
Цитруллин
Фермент С J
Аргинин
(см. пробирки на рисунке ниже).
Есть рост — — — Нет роста —
клетки дикого мутантные
типа растут ч / клетки
и делятся \ / не могут расти
\^/ и делиться
Контроль: минимальная среда
Результаты. Как показано в таблице
ниже, штаммы дикого типа были способ-
ны расти во всех экспериментальных
условиях, нуждаясь лишь в минимальной
среде. Каждый из трех классов мутантов
требовал определенный набор необ-
ходимых для роста условий. Например,
мутанты, принадлежащие ко II классу,
не были способны к росту, если в мини-
мальную среду был добавлен лишь ор-
нитин, но могли расти при добавлении
цитруллина или аргинина.
Выводы. На основании различий условий,
необходимых для роста мутантов, Срб и
Хоровиц заключили, что представители
каждого класса мутантов были неспо-
собны осуществлять один из этапов пути
синтеза аргинина, предположительно
потому, что не имели соответствующего
фермента (показано в нижней части та-
блицы). Поскольку у каждого мутанта был
изменен только один ген, они сделали
вывод, что каждый из мутировавших генов
должен был в норме контролировать син-
тез одного фермента. Их результаты под-
твердили как предложенную Бидлом и
Тейтумом гипотезу “один ген — один фер-
мент", так и то, что описанный для печени
млекопитающих путь биосинтеза аргини-
на функционирует и у Neurospora. (В та-
блице результатов обратите внимание на
то, что мутант может расти, только если
его снабжают компонентом, образую-
щимся после нарушенного этапа, потому
что с помощью такого компонента можно
перескочить через нарушенный этап.)
Таблица результатов Классы мутантов Neurospora crassa
Дикий тип Мутанты I класса Мутанты II класса Мутанты III класса
Минималь- ная среда (МС) (контроль)
МС + орнитин I &
МС + цитруллин
МС + аргинин I **
Обобще- ние резуль- татов Могут расти и с добавками в среде, и без них Могут расти в при- сутствии орнитина, цитруллина или аргинина Могут расти только в присутствии цитруллина или аргинина Для роста необхо- дим аргинин
Ген (кодирует
соответствую-
щий фермент)
Мутанты I класса Мутанты II класса Мутанты III класса
(мутация в гене А) (мутация в гене В) (мутация в гене С)
Дикий тип
Предшественник
Ген А —г^1Ферм9нтА~| |
Орнитин
Ген 6 ------ [Фермент!] |
Цитруллин
Ген С ----^.Ферменте] I
Аргинин
Предшественник
Орнитин
, Фермент В |
Цитруллин
Фермент С ।
Аргинин
Предшественник
Орнитин
Цитруллин
I Фермент С ] ।
Аргинин
Предшественник
Фермент А ।
Орнитин
Фермент В1 |
Цитруллин
Аргинин
Источник: А. М. Srb and N. Н. Horowitz, The ornithine cycle in Neurospora and its genetic control,
Journal of Biological Chemistry 154:129-139 (1944).
Предположим, эксперимент показал, что мутанты I класса могут расти,
только если в МС добавлены орнитин или аргинин, а мутанты II класса могут расти на МС с
добавкой цитруллина, орнитина или аргинина. Какие выводы о схеме биохимического пути
и о дефектах мутантов I и II класса смогли бы сделать ученые на основе этих результатов?
А ЧТО, ЕСЛИ?
448 Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку
выполняют важные функции в клетках, хотя ни-
когда не транслируются в белки. Сейчас мы оста-
новимся на генах, которые кодируют полипепти-
ды. (Заметьте, что продукты этих генов принято
называть белками — ив этой книге тоже — а не
полипептидами, хотя последнее было бы точнее.)
Основные принципы транскрипции и
трансляции
Гены — это своего рода “инструкции по сбор-
ке” определенных белков. Но ген не участвует в
строительстве белка напрямую. Мостиком меж-
ду ДНК и синтезом белка является нуклеиновая
кислота РНК. РНК химически сходна с ДНК, за
исключением того, что она содержит рибозу, а не
дезоксирибозу в качестве сахара, а также азоти-
стое основание урацил вместо тимина (см. рис. 5.24
в главе 5). Так, каждый нуклеотид цепочки ДНК
содержит A, G, С или Т в качестве основания, а
каждый нуклеотид в цепочке РНК содержит A, G,
С или U. Кроме того, молекула РНК, как правило,
состоит из единственной цепочки.
Поток информации от ДНК к белку принято
описывать в лингвистических терминах, потому
что и нуклеиновые кислоты, и белки — полиме-
ры с определенной последовательностью моно-
меров, которые несут информацию так же, как
и последовательности букв в английском языке.
В ДНК или РНК мономерами служат нуклеотиды
четырех типов, отличающиеся азотистыми осно-
ваниями. Обычная длина гена — сотни или ты-
сячи нуклеотидов, последовательность которых
уникальна для каждого гена. Каждый полипептид
белка тоже состоит из мономеров, расположен-
ных в определенном линейном порядке (первич-
ная структура белка), но эти мономеры — амино-
кислоты. Таким образом, нуклеиновые кислоты
и белки несут информацию, записанную на раз-
ных химических языках. Перевод с языка ДНК на
язык белка происходит в две стадии: транскрип-
ция и трансляция.
Транскрипция' — это синтез РНК с использо-
ванием информации ДНК. Две нуклеиновые кис-
лоты описаны одним языком, но в разной форме,
и информация просто транскрибируется или “пе-
реписывается” с ДНК на РНК. Как и во время ре-
пликации ДНК, когда одна из ее цепочек служит
шаблоном для синтеза новой комплементарной
1 Слово “транскрипция происходит от лат. transcriptio —
“переписывание”. — Примеч. ред.
цепи, ДНК может служить шаблоном и для синте-
за комплементарной последовательности нуклео-
тидов РНК. В случае гена, кодирующего белок,
получившаяся РНК — это точная стенограмма
инструкций гена по синтезу белка. Этот тип мо-
лекул РНК называется матричной РНК (мРНК)2
потому что он передает записанное в гене сооб-
щение (message) от ДНК к белок-синтезирующе-
му аппарату клетки. (Транскрипция — это общий
термин для синтеза любого типа РНК на матрице
ДНК. Позже вы узнаете о нескольких других ти-
пах РНК, которые образуются в результате транс-
крипции.)
Трансляция — это синтез полипептида с ис-
пользованием информации, записанной в мРНК.
В ходе этого процесса язык меняется: клетка долж-
на перевести язык нуклеотидов мРНК в последо-
вательность аминокислот полипептида. Транс-
ляция происходит на рибосомах — молекулярных
комплексах, которые соединяют аминокислоты в
полипептидные цепочки в определенном порядке.
Транскрипция и трансляция происходят во
всех живых организмах — ив тех, у которых нет
окруженного мембраной ядра (бактерии и археи), и
в тех, у кого оно есть (эукариоты). Поскольку боль-
шинство исследований транскрипции и трансля-
ции проводилось на бактериальных и эукарио-
тических клетках, они и будут нашими главными
объектами обсуждения в этой главе. Мы недоста-
точно хорошо понимаем процессы транскрипции
и трансляции у архей, хотя и знаем, что клетки ар-
хей разделяют одни особенности экспрессии генов
с бактериями, а другие — с эукариотами.
Механика процессов транскрипции и транс-
ляции у бактерий и эукариот, в основном сходна,
но есть важное отличие между потоками генети-
ческой информации внутри их клеток. Посколь-
ку у бактерий нет ядра, их ДНК не отделена ядер-
ной мембраной от рибосом и других компонентов
белок-синтезирующего аппарата (рис. 17.3, а). Как
вы увидите позже, такое отсутствие деления клет-
ки на компартменты позволяет начинать транс-
ляцию мРНК еще до того, как она будет полно-
стью синтезирована. В эукариотической клетке,
наоборот, оболочка ядра разделяет транскрип-
цию и трансляцию и в пространстве, и во време-
ни (рис. 17.3,6). Транскрипция происходит в ядре, а
мРНК затем транспортируется в цитоплазму, где
2 Поскольку она используется в качестве матрицы при
синтезе белка; английская версия названия — messenger RNA
(mRNA). — Примеч. ред.
ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 449
происходит трансляция. Но прежде, чем эукарио-
тические РНК — транскрипты генов, кодирующие
белки, — смогут покинуть ядро, они различными
способами модифицируются, чтобы получилась
готовая функциональная мРНК. Транскрипция
кодирующих белок эукариотических генов при-
водит к образованию пре-мРНК, а ее дальнейшие
модификации — к мРНК. РНК-транскрипт како-
го бы то ни было гена, включая гены РНК, не ко-
дирующих белок, обычно называют первичным
транскриптом.
Давайте подведем итог: гены программиру-
ют синтез белка через генетические сообщения в
форме мРНК. Можно сказать и так: клетки управ-
ляются цепочкой молекулярных команд с направ-
ленным потоком генетической информации, по-
казанным стрелками:
ДНК РНК Белок
В 1956 году Фрэнсис Крик назвал это утверж-
дение центральной догмой молекулярной биоло-
гии. Изменилась ли она с тех пор? В 1970-х годах
ученые, к своему удивлению, обнаружили, что су-
ществуют ферменты, которые используют РНК
как матрицу для синтеза ДНК (процесс, о кото-
ром вы прочтете в главе 19). Как бы то ни было,
такие исключения не опровергают идею о том,
что в общем случае поток генетической инфор-
мации направлен от ДНК к РНК, а затем к белку.
В следующем разделе мы обсудим, как инструк-
ции по сборке аминокислот в определенной по-
следовательности закодированы в нуклеиновых
кислотах.
Генетический код
Когда биологи начали догадываться, что ин-
струкции для синтеза белка закодированы в ДНК,
они осознали следующую сложность: есть только
четыре азотистых основания, которыми должны
обозначаться двадцать аминокислот. Таким обра-
зом, генетический код не может быть языком, по-
добным китайскому, в котором каждый символ
обозначает слово. В таком случае сколько нуклео-
тидов соответствует аминокислоте?
а) Бактериальная клетка. В бактериальной клетке нет ядра,
и образующаяся в ходе транскрипции мРНК сразу начи-
нает транслироваться без какой-либо дополнительной
обработки (процессинга).
б) Эукариотическая клетка. Ядро представляет собой отдель-
ный компартмент для транскрипции. Исходный РНК-транскрипт,
называемый пре-мРНК, модифицируется определенным обра-
зом прежде, чем покинуть ядро в виде мРНК.
Рис. 17.3. Обзор: роль транскрипции и трансляции в пере-
даче генетической информации. Наследственная информа-
ция в клетке передается от ДНК к РНК, а затем — к белку. Две
главных стадии передачи информации — это транскрипция и
трансляция. Уменьшенные версии рисунков (а) и (б) будут со-
провождать некоторые из последующих иллюстраций в этой
главе, чтобы помочь вам увидеть, как так или иная иллюстра-
ция вписывается в общую схему
450 Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку
Кодоны: триплеты нуклеотидов
Если бы каждое азотистое основание соответ-
ствовало аминокислоте, можно было бы закоди-
ровать всего четыре аминокислоты, по одной на
азотистое основание. Может быть, подойдет язык
с двухбуквенными словами? Например, последо-
вательность двух нуклеотидов AG будет обозна-
чать одну аминокислоту, а последовательность
GT — другую. Поскольку в каждой из двух пози-
ций может находиться по четыре основания, у нас
будет 16 (4 х 4, или 42) возможных комбинаций —
все еще недостаточно, чтобы закодировать все
20 аминокислот.
Триплеты нуклеотидов — это минимальные
единицы, которые могут кодировать все амино-
кислоты. Если каждый набор из трех последо-
вательных нуклеотидов соответствует амино-
кислоте, то может быть 64 (т.е. 43) возможных
слова — более чем достаточно, чтобы обозначить
все аминокислоты. Эксперименты подтвердили,
что поток информации от гена к белку основан на
триплетном коде: генетические инструкции для
сборки полипептидной цепочки записаны в ДНК
в виде серии неперекрывающихся трехнуклео-
тидных слов. Серии слов гена транскрибируют-
ся в комплементарные серии неперекрывающих-
ся трехнуклеотидных слов мРНК, которая затем
транслируется в цепочку аминокислот (рис. 17.4).
В ходе транскрипции ген определяет поря-
док нуклеотидов в синтезируемой цепочке РНК.
Для каждого гена транскрибируется лишь одна
из двух цепочек ДНК. Эта цепь называется ма-
тричной, потому что она предоставляет шаблон
или матрицу для последовательности нуклеоти-
дов РНК-транскрипта. Для любого выбранного
гена одна и та же цепь используется в качестве
матричной каждый раз, когда ген транскрибиру-
ется. Другой ген на той же молекуле ДНК может
использовать в качестве матричной противопо-
ложную цепочку.
Молекула мРНК комплементарна, но не иден-
тична своей ДНК-матрице, потому что нуклеоти-
ды РНК собираются на матрице в соответствии
с правилами спаривания оснований (см. рис. 17.4).
Пары сходны с теми, которые образуются в ходе
репликации ДНК, за исключением того, что U (ко-
торый заменяет Т в РНК) спаривается с А, и нук-
леотиды мРНК содержат рибозу вместо дезокси-
рибозы. Как и новая цепочка ДНК, молекула РНК
синтезируется в антипараллельном направлении
по отношению к матричной цепи ДНК. (Чтобы
Матричная
мЦмммИнииВ ?
V _ } к _ J I _ J к__I
ТРАНСКРИПЦИЯ
т
мРНК
т
I
Белок
Phe
5'
Кодон
Аминокислота
Рис. 17.4. Триплетный код. В каждом гене одна из цепей ДНК
функционирует как матрица для транскрипции РНК — напри-
мер, мРНК. Правила спаривания оснований в синтезе ДНК
работают и для транскрипции, за исключением того, что в
РНК тимин (Т) заменяется на урацил (U). В ходе трансляции
мРНК считывается как последовательность нуклеотидных три-
плетов, называемых кодонами. Каждый кодон определяет, ка-
кая аминокислота будет добавлена к растущей полипептид-
ной цепи. мРНК считывается в направлении 5'->3'
] Напишите последовательности мРНК и нематричной цепи
ДНК — в обоих случаях в направлении 5'-> З' — и сравните их.
вспомнить, что понимается под “антипараллель-
ностью”, а также 5'- и З'-концами цепи нуклеи-
новой кислоты, см. рис. 16.7). В примере на рис. 17.4
триплет нуклеотидов АСС в ДНК (записан как
5'-АСС-3') служит матрицей для синтеза трипле-
та 5'-UGG-3' в молекуле мРНК. Триплеты нуклео-
тидов мРНК называются кодонами, и их принято
записывать в направлении 5'—>3'. В нашем приме-
ре UGG — это кодон для аминокислоты трипто-
фана (сокращенно Тгр). Термин кодон также ис-
пользуется в отношении триплетов нуклеотидов
ДНК, располагающихся в нематричной цепочке.
Эти кодоны комплементарны матричной цепи и
Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 451
потому идентичны последовательности мРНК, за
исключением того, что в ней встречается Т в тех
местах, где в мРНК будет U (по этой причине не-
матричная цепь часто называется кодирующей).
В ходе трансляции последовательность нуклео-
тидов молекулы мРНК декодируется или, други-
ми словами, транслируется в последовательность
аминокислот, составляющих полипептидную це-
почку. Кодоны считываются аппаратом трансля-
ции в направлении 5'—>3' молекулы мРНК. Каж-
дый кодон определяет, какая из 20 аминокислот
будет встроена в соответствующую позицию по-
липептида. Поскольку кодоны — это триплеты
нуклеотидов, число нуклеотидов, составляющих
генетическое сообщение, должно быть в три раза
больше числа аминокислот в белковом продукте.
Например, потребуется 300 нуклеотидов цепочки
мРНК, чтобы закодировать полипептид длиной в
100 аминокислот.
Расшифровка генетического кода
Молекулярные биологи расшифровали гене-
тический код в начале 1960-х годов, в серии эле-
гантных экспериментов, раскрывших аминокис-
лотный перевод каждого кодона РНК. Первый
кодон был расшифрован в 1961 году Маршаллом
Ниренбергом из Национального Института здо-
ровья совместно с его коллегами. Ниренберг син-
тезировал искусственную мРНК, соединив оди-
наковые нуклеотиды РНК, содержащие урацил в
качестве азотистого основания. Вне зависимости
от того, где это сообщение начиналось и заканчи-
валось, оно могло содержать только один повто-
ряющийся кодон: UUU. Ниренберг добавил такую
поли(и)-молекулу в пробирку с тестовой смесью,
содержащей аминокислоты, рибосомы и другие
компоненты, необходимые для синтеза белка. Его
искусственная система транслировала поли(и)
в полипептид, содержащий множество остатков
аминокислоты фенилаланина (Phe), соединенных
в длинную полифенилаланиновую цепь. Таким
образом Ниренберг определил, что мРНК-кодон
UUU кодирует аминокислоту фенилаланин. Вско-
ре также были определены аминокислоты, соот-
ветствующие кодонам AAA, GGG и ССС.
Хотя для того чтобы декодировать триплеты,
состоящие из разных нуклеотидов — такие, как
AUA или CGA — потребовались более сложные
методы, все 64 кодона были расшифрованы к
середине 1960-х. Как показано на рис. 17.5, 61 из
64 триплетов кодируют аминокислоты.
U
Втооое основание мРНК
U
C
A
G
UUU "I
Phe
иси
UAU "1
иис
UUA “1
Leu
исс
UCA
Ser
UAC
UAA
Туг
UGU
UGC
Cys
U
C
C
A
G
UUG
CUU "1
сис
CUA
Leu
CUG _
AUU “
AUC
lie
AUA _
Met или
AUG стсрт-
кодон
GUU "
GUC
GUA
Vol
GUG _
UCG _
CCU "]
ССС
CCA
Pro
CCG _
ACU 1
ACC
АСА
Thr
ACG _
GCU
GCC
GCA
Ala
GCG _
UAG
Стоп-
кодон
Стоп-
кодон
UGA
UGG
Стоп-
кодон
Trp
A
G
CAU
His
CGU ”
САС
CAA “I
Gin
CAG _
AAU
Asn
AAC
AAA
Lys
AAG J
GAU “
Asp
GAC
GAA
Glu
GAG _
CGC
CGA
CGG _
AGU “I
AGC
AGA
AGG _
GGU "
GGC
GGA
Gly
GGG _
U
C
A
G
Arg
Ser
Arg
U
C
A
G
U
C
A
G
Рис.17.5. Таблица кодонов для мРНК. Три нуклеотида, обра-
зующие кодон мРНК, обозначены здесь как первое, второе и
третье основания, считывающиеся от 5'- к З'-концу мРНК. (По-
тренируйтесь в использовании этой таблицы: найдите кодоны,
изображенные на рис. 17.4.) Кодон AUG не только представ-
ляет аминокислоту метионин (Met), но и работает в качестве
старт-сигнала для рибосом, указывая место начала трансля-
ции мРНК. Три из 64 кодонов функционируют как стоп-сигна-
лы, обозначающие место, где рибосома должна завершить
трансляцию. Список полных названий всех аминокислот вы
можете найти на рис. 5.14
Три кодона, которым не соответствуют ами-
нокислоты — это стоп-сигналы или терминиру-
ющие кодоны, обозначающие конец трансляции.
Заметьте, что у кодона AUG две функции — он
кодирует аминокислоту метионин (Met), а также
функционирует как стартовый сигнал, или ини-
циаторный кодон. Генетические сообщения обыч-
но начинаются с мРНК-кодона AUG, который
сигнализирует белок-синтезирующему аппарату
начинать трансляцию мРНК с этого места. (По-
скольку AUG также обозначает метионин, синтез
полипептидной цепочки начинается с метиони-
на. Однако впоследствии специальный фермент
может удалить этот стартовый аминокислотный
остаток.)
Обратите внимание, что на рис. 17.5 генетиче-
ский код вырожденный, но не двусмысленный.
Например, хотя оба кодона GAA и GAG соответ-
ствуют глутаминовой кислоте (вырожденность),
452 Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку
ни один из них не соответствует какой-либо дру-
гой аминокислоте (отсутствие двусмысленности).
Вырожденность кода неслучайна. Во многих слу-
чаях кодоны, которые соответствуют одной и той
же аминокислоте, различаются только третьим
нуклеотидом триплета. Значение такой избыточ-
ности мы обсудим в этой главе позже.
Наша способность извлекать смысл из пись-
менного сообщения зависит от считывания сим-
волов в виде определенных групп — т.е. от пра-
вильной рамки считывания. Посмотрите на это
предложение: “дым был сер”. Если вы сгруппиру-
ете буквы неправильно, начиная не с той точки,
очень вероятно, что вы получите бессмыслицу,
например, “ымб ылс ер”. Рамка считывания важна
и в молекулярном языке клетки. Фрагмент поли-
пептида, показанный на рис. 17.4, например, будет
синтезирован правильно, только если нуклеоти-
ды мРНК будут считаны слева направо (5'—>3'),
тройками, показанными на рисунке: UGG UUU
GGC UCA. Хотя в генетическом сообщении нет
пробелов между кодонами, белок-синтезирую-
щий аппарат клетки считывает сообщение в виде
серии неперекрывающихся трехбуквенных слов.
Сообщение не считывается в виде серии перекры-
вающихся слов — UGGUUU — и так далее, что
изменило бы его смысл.
Эволюция генетического кода
Генетический код практически уни-
версален — он един для организмов, начиная от
простейших бактерий до наиболее сложно устро-
енных растений и животных. Например, РНК-ко-
дон CCG транслируется в аминокислоту пролин у
всех организмов, чей генетический код был изу-
чен. В лабораторных экспериментах гены могут
транскрибироваться и транслироваться после пе-
реноса от одного вида в другой, иногда с порази-
тельными результатами, такими, как на рис. 17.6.
Для синтеза человеческих белков, имеющих ме-
дицинское значение, таких, как инсулин, можно
запрограммировать бактерии, вводя в них гены
человека. Такие методы легли в основу многих за-
мечательных разработок в области биотехноло-
гии (см. главу 20).
Несмотря на небольшое число исключений,
при которых несколько кодонов отличаются от
стандартных, эволюционное значение практически
полной универсальности генетического кода оче-
видно. Язык, общий для всех живых организмов,
должен был возникнуть в истории жизни очень
эволюция
рано — достаточно рано, чтобы присутствовать у
общего предка всех современных организмов. Об-
щий генетический словарь — это напоминание о
родстве, которое связывает все живое на Земле.
а) Растение табака, экспрес-
сирующее ген светлячка.
Желтое свечение—резуль-
тат химической реакции,
катализируемой белковым
продуктом гена светлячка.
б) Поросенок, экспресси-
рующий ген медузы.
Исследователи ввели в опло-
дотворенную яйцеклетку
свиньи ген медузы, кодиру-
ющий флуоресцентный бе-
лок. Из яйцеклетки развил-
ся этот флуоресцентный
поросенок.
Рис. 17.6. Экспрессия генов других видов. Поскольку различ-
ные формы жизни имеют общий генетический код, то орга-
низм одного вида можно запрограммировать таким образом,
чтобы он производил белок, характерный для другого вида.
Для этого нужно ввести в организм первого вида ДНК второго
2.
3.
4.
ВОПРОСЫ и ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 17.1
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
ИЗОБРАЗИ!
В опубликованной в 1902 году
научной статье, посвященной алкаптонурии, Гаррод пред-
положил, что люди наследуют две "характеристики" (аллеля)
для каждого фермента и что оба родителя должны предоста-
вить дефектные варианты для того, чтобы у ребенка прояви-
лось заболевание. Как назовут сегодня такую болезнь, до-
минантной или рецессивной? (см. главу 14, раздел 14.4.)
Какой полипептидный продукт образуется в результате
трансляции мРНК поли(О) длиной в 30 нуклеотидов?
~] Матричная цепь гена содержит последова-
тельность 3'-TTCAGTCGT-5'. Нарисуйте последовательность
нуклеотидов, которая соответствует нематричной цепи, по-
следовательность мРНК и отметьте 5' и З'-концы каждой из
них. Сравните результаты.
~| Представьте, что нематричная цепь из вопро-
са 3 транскрибировалась вместо матричной. Нарисуйте
последовательность мРНК и результат ее трансляции, ис-
пользуя рис. 17.5. (Обратите внимание на 5'- и З'-концы.)
Предскажите, насколько эффективно будет — и будет ли во-
обще — функционировать белок, синтезированный с немат-
ричной цепи.
Ответы см. в Приложении А
ИЗОБРАЗИ!
ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 453
17.2. Транскрипция —
ДНК-зависимый синтез РНК
(детальный анализ)
Теперь, когда мы узнали о лингвистической
логике и эволюционном значении генетическо-
го кода, мы готовы более подробно рассмотреть
транскрипцию — первую стадию экспрессии генов.
Молекулярные компоненты
транскрипции
Матричная РНК, несущая информацию от
ДНК к белок-синтезирующему аппарату клет-
ки, транскрибируется с матричной цепочки гена.
Фермент РНК-полимераза разделяет две цепочки
ДНК и соединяет нуклеотиды РНК, комплемен-
тарные матричной цепи ДНК, удлиняя РНК-по-
линуклеотид (рис. 17.7). Как и ДНК-полимераза, ко-
торая функционирует в ходе репликации ДНК,
РНК-полимераза может собирать полинуклеотид
только в направлении от 5'-конца к З'-концу. Но
в отличие от ДНК-полимеразы, РНК-полимераза
может начинать синтез цепочки с нуля — други-
ми словами, ей не нужна затравка.
Специфические последовательности нуклео-
тидов в цепочке ДНК являются своего рода зна-
ками, которые отмечают, где должна начи-
наться и заканчиваться транскрипция гена.
Последовательность ДНК, к которой прикрепля-
ется РНК-полимераза и начинает транскрипцию,
называется промотором; у бактерий последо-
вательность, которая сигнализирует об оконча-
нии транскрипции, называется терминатором.
(У эукариот механизм терминации другой, мы
обсудим его позже.) Молекулярные биологи на-
зывают направление транскрипции направлени-
ем “вниз по течению”, “ниже”, а противополож-
ное направление — “вверх по течению”, “выше”.
Эти термины также используются, чтобы описы-
вать позицию последовательностей нуклеотидов
в ДНК или РНК. Так, говорят, что последователь-
ность промотора располагается выше, чем терми-
натор. Участок ДНК ниже промотора, который
транскрибируется в молекулу РНК, называется
транскрипционной единицей.
У бактерий есть лишь один тип РНК-полиме-
разы, которая синтезирует не только мРНК, но и
другие РНК, необходимые для синтеза белка, на-
пример, рибосомальную РНК. А у эукариот в ядре
обнаружено по меньшей мере три типа РНК-по-
лимераз; та из них, что используется для синтеза
мРНК, называется РНК-полимеразой II. Другие
РНК-полимеразы синтезируют молекулы РНК,
которые не транслируются в белок. Дальнейший
рассказ мы начнем с особенностей синтеза мРНК,
общих для бактерий и эукариот, а затем обсудим
их ключевые различия.
Промотор Транскрипционная единица
РНК-полимераза
О Инициация. После связывания
РНК-полимеразы с промотором
цепи ДНК расплетаются, и поли-
мераза начинает синтез РНК в
стартовой точке на матричной
цепи.
Нематричная цепь ДНК
Матричная цепь ДНК
ченнаяДНК Wpnnr
0 Элонгация. Полимераза про-
двигается по цепи, расплетая
ДНК и удлиняя РНК-транскрипт в
направлении 5' —»3'. После окон-
чания транскрипции цепи ДНК
скрученная ДНК * ВН0ВЬ обр03уют АВОЙНУЮ спираль.
РНК-транскрипт
О Терминация. В итоге РНК-
транскрипт высвобождается, и
полимераза отделяется от ДНК.
Готовый РНК-транскрипт
Направление транскрипции ("вниз по течению")
Рис. 17.7. Стадии транскрипции: инициация, элонгация и тер-
минация. Эта общая схема транскрипции применима как к
бактериям, так и к эукариотам, но, как описано в тексте, де-
тали терминации у них различаются. Кроме того, у бактерий
РНК-транскрипт может быть сразу использован как мРНК, а
у эукариот транскрипт должен сначала пройти через про-
цессинг
Сравните использование мат-
ричной цепи в ходе транскрипции и репликации (см. рис. 16.17
в главе 16).
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
454 ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку
Синтез РНК-транскриптов
Три стадии транскрипции, как показано на
рис. 17.7 и описано ниже, — это инициация, элонга-
ция и терминация синтеза РНК. Изучите рис. 17.7,
чтобы ознакомиться со стадиями транскрипции и
с понятиями, которые используются для их опи-
сания.
Связывание РНК-полимеразы
и инициация транскрипции
Промотор гена состоит из точки старта
транскрипции (нуклеотид, с которого начинается
синтез РНК), а также нескольких десятков нуклео-
тидных пар выше стартовой точки. РНК-поли-
мераза связывается со специфическим участком
промотора в определенной ориентации по отно-
шению к нему — и тем самым указывает место,
где начнется транскрипция, а также какая из двух
цепочек ДНК будет использоваться в качестве ма-
тричной.
Некоторые части промотора особенно важ-
ны для связывания РНК-полимеразы. У бактерий
часть РНК-полимеразы специфично распознает
промотор и связывается с ним самостоятельно.
У эукариот набор белков, называемых транскрип-
ционными факторами, опосредует связывание
РНК-полимеразы и инициацию транскрипции.
Только после того, как транскрипционные фак-
торы прикрепились к промотору, с ним связыва-
ется РНК-полимераза II. Комплекс, состоящий
из транскрипционных факторов и РНК-полиме-
разы II, связанных с промотором, называют ком-
плексом инициации транскрипции. На рис. 17.8
показана роль транскрипционных факторов и
ключевой последовательности ДНК промотора —
ТАТА-бокс (ТАТА box) — в формировании иници-
аторного комплекса на эукариотическом промо-
торе.
Взаимодействие между РНК-полимеразой II
и транскрипционными факторами — это при-
мер того, как важны белок-белковые взаимо-
действия в регуляции эукариотической транс-
крипции. Когда подходящие транскрипционные
факторы прочно прикрепляются к ДНК промото-
ра, а РНК-полимераза связана в правильной ори-
ентации, фермент расплетает две цепочки ДНК и
начинает транскрибировать матричную цепь со
стартовой точки.
О Эукариотический промотор
обычно имеет ТАТА-бокс —
последовательность, содер-
жащую нуклеотиды ТАТА и рас-
полагающуюся на расстоянии
примерно 25 нуклеотидов выше
стартовой точки транскрипции.
(В соответствии с общеприня-
тым правилом нуклеотидные
последовательности приведе-
ны в том же направлении, что
и на нематричной цепи.)
ДНК
J.ATAAAAJ
Транскрипционные
факторы
ТАТА-бокс Стартовая Матричная
точка цепь
Промотор' Нематричная цепь
3'
5'
0 Несколько транскрипцион-
ных факторов, один из ко-
торых распознает ТАТА-бокс,
должны связаться с ДНК
прежде, чем РНК-полиме-
раза II сможет присоеди-
ниться в правильной пози-
ции и ориентации.
3'
5'
Дополнительные тран-
скрипционные факторы
(обозначены фиолетовым)
связываются с ДНК вместе
с РНК-полимеразой II, фор-
мируя комплекс инициации
транскрипции. Затем РНК-
полимераза II расплетает
двойную спираль ДНК, и со
стартовой точки на матрич-
ной цепи начинается синтез
г РНК.
Транскрипционные
Комплекс инициации транскрипции
Рис. 17.8. Три альтернативных модели репликации ДНК. Ко-
роткие фрагменты двойной спирали обозначают клеточную
ДНК. Начиная с родительской клетки, мы прослеживаем два
следующих поколения клеток и два раунда репликации. Ро-
дительская ДНК обозначена синим, вновь синтезированная
ДНК — светло-голубым
1 Объясните, как бы отличалось взаимодействие РНК-поли-
меразы с промотором, если бы на рисунке было изображена
инициация транскрипции у бактерий?
ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 455
Элонгация цепи РНК
Двигаясь вдоль ДНК, РНК-полимераза рас-
плетает двойную спираль, открывая одновремен-
но по 10-20 нуклеотидов ДНК для спаривания с
нуклеотидами РНК (рис. 17.9). Фермент добавля-
ет нуклеотиды к З'-концу растущей молекулы
РНК, продолжая движение вдоль двойной спира-
ли. В ходе синтеза новая молекула РНК отделяет-
ся от своей ДНК-матрицы, и ДНК восстанавлива-
ет свою двухцепочечную структуру. У эукариот
транскрипция идет со скоростью приблизительно
40 нуклеотидов в секунду.
Нематричная
цепь ДНК
Рис. 17.9. Элонгация транскрипции. РНК-полимераза дви-
жется вдоль цепочки ДНК, присоединяя комплементарные
ей РНК-нуклеотиды к З'-концу растущего РНК-транскрипта.
Оставшись позади полимеразы, вновь синтезированная РНК
отделяется от матричной цепочки ДНК, которая снова закру-
чивается в двойную спираль с нематричной цепью
Один и тот же ген может одновременно транс-
крибироваться несколькими молекулами РНК-по-
лимеразы, следующими друг за другом, как маши-
ны в колонне. Растущая цепочка РНК тянется от
каждой полимеразы, и длина каждой новой це-
почки отражает, какое расстояние от стартовой
точки прошел по матрице фермент (посмотрите
на молекулы РНК на рис. 17.22). Объединение уси-
лий многих молекул полимераз, одновременно
транскрибирующих один и тот же ген, увеличива-
ет количество синтезированной с него мРНК, что
помогает клетке производить закодированный
белок в больших количествах.
Терминация транскрипции
Механизмы терминации отличаются у бакте-
рий и эукариот. У бактерий транскрипция про-
ходит терминаторную последовательность ДНК.
Транскрибированный терминатор (последователь-
ность РНК) функционирует как сигнал остановки
транскрипции, заставляя полимеразу отделять-
ся от ДНК и высвобождать транскрипт, который
не нуждается в модификациях перед трансляци-
ей. У эукариот РНК-полимераза II транскрибиру-
ет последовательность ДНК, называемую “после-
довательностью сигнала полиаденилирования”,
благодаря чему в пре-мРНК образуется сигнал
полиаденилирования (AAUAAA). Он называется
“сигналом”, потому что как только в РНК появля-
ется эта последовательность из шести нуклеоти-
дов, с ней немедленно связываются специальные
белки клеточного ядра. Они отрезают цепочку
РНК от полимеразы в точке, находящейся на рас-
стоянии 10-35 нуклеотидов ниже AAUAAA. Даль-
ше происходит процессинг пре-мРНК, о котором
пойдет речь в следующем разделе. Хотя разрез
формирует конец мРНК, РНК-полимераза II про-
должает транскрипцию и после него. Но так как
новый 5'-конец РНК не защищен кэпом, фермен-
ты разрушают РНК, начиная с 5'-конца. Полиме-
раза продолжает транскрибировать, преследуемая
этими ферментами, и, когда они догоняют ее, она
диссоциирует от ДНК.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 17.2
1.
2.
3.
Что такое промотор? Располагается ли он выше или ниже
транскрипционной единицы?
Что позволяет РНК-полимеразе бактериальных клеток начи-
нать синтез правильного гена в правильном месте? А РНК-
полимеразе эукариотических клеток?
Предположим, что рентгеновское излуче-
ние вызвало изменения в последовательности ТАТА-бокс
промотора определенного гена. Как это повлияет на транс-
крипцию гена? (см. рис 17.8.)
Ответы см. в Приложении А.
А ЧТО, ЕСЛИ?
17.3. В клетках эукариот РНК
подвергается модификации
после транскрипции
Ферменты в ядре эукариотической клетки осо-
бым образом модифицируют пре-мРНК, прежде
чем генетическое сообщение отправится в цито-
плазму. В ходе этого РНК-процессинга изменяются
456 ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку
оба конца первичного транскрипта. Также в боль-
шинстве случаев вырезаются определенные внут-
ренние участки молекулы РНК, а оставшиеся
части объединяются. Эти модификации подготав-
ливают молекулу мРНК к трансляции.
Изменение концов мРНК
Каждый из концов молекулы пре-мРНК мо-
дифицируется определенным образом (рис. 17.10).
5'-конец синтезируется первым и получа-
ет 5'-кэл-модифицированную форму гуанино-
вого (G) нуклеотида, который добавляется на
5'-конец после транскрипции первых 20-40 нук-
леотидов. З'-Конец молекулы пре-мРНК тоже мо-
дифицируется, прежде чем мРНК покинет ядро.
Вспомните, что пре-мРНК высвобождается вско-
ре после транскрипции сигнала полиаденилиро-
вания — AAUAAA. Специальный фермент до-
бавляет еще 50-250 адениновых (А) нуклеотидов
к ее З'-концу, образуя поли(А)-хвост. 5'-кэп и
поли(А)-хвост имеют несколько важных общих
функций. Во-первых, они способствуют экспор-
ту зрелой мРНК из ядра. Во-вторых, они помога-
ют защищать РНК от разрушения гидролитиче-
скими ферментами. И в-третьих, они помогают
рибосомам прикрепляться к 5'-концу мРНК, ког-
да она попадает в цитоплазму. На рис. 17.10 показа-
на схема эукариотической молекулы мРНК с кэ-
пом и хвостом. На рисунке также изображены
нетранслируемые области (НТО, или UTRs — от
англ, untranslated regions) на 5'- и З'-концах мРНК
(называемые также 5'-UTR и З'-UTR). НТО — это
части РНК, которые не транслируются в белок, но
выполняют другие функции, такие, как связыва-
ние рибосом.
Прерывистые гены и сплайсинг РНК
Важная стадия процессинга РНК в эукарио-
тическом ядре — это удаление больших отрез-
ков изначально синтезированной молекулы РНК.
Эта работа по вырезанию и вставке называется
сплайсингом РНК и ее можно сравнить с процес-
сом редактирования видео (рис. 17.11).
Средняя длина транскрипционных единиц в
ДНК человека — 27 000 пар нуклеотидов, первич-
ные РНК-транскрипты имеют такую же длину.
Однако для кодирования среднего белка длиной
в 400 аминокислотных остатков требуется всего
1200 нуклеотидов РНК (вспомните, что каждая
аминокислота кодируется триплетом нуклео-
тидов). Это означает, что у большинства эука-
риотических генов и их РНК-транскриптов есть
длинные некодирующие последовательности нук-
леотидов — участки, которые не транслируются.
Еще удивительнее то, что большинство этих неко-
дирующих участков располагаются вперемешку с
кодирующими сегментами гена, а потому и между
кодирующими сегментами пре-мРНК. Другими
словами, последовательность нуклеотидов ДНК,
кодирующая эукариотический полипептид, обыч-
но не является непрерывной; она разделена на
сегменты. Некодирующие сегменты нуклеиновой
кислоты, которые лежат между кодирующими ре-
гионами, называются последовательностями-ин-
тервентами, или интронами. Другие регионы
называются экзонами, потому что они экспрес-
сируются, обычно через трансляцию, в последо-
вательности аминокислот. (Исключение — НТО
экзоны на концах РНК, которые входят в состав
мРНК, но не транслируются в белок. Из-за этих
Модифицированный гуаниновый
нуклеотид, добавленный к 5'-концу
50-250 адениновых нуклео-
тидов, добавленных к З'-концу
Область, содержащая участки, Сигнал
кодирующие белок
g -<ЕнЕ)-®-^^И |
Старт-кодон Стоп-кодон
5 -КЭП 5 -U11\
AAUAAA
З'-UTR
полиаденилирования
/--\ о
Поли(А)-хвост
Рис. 17.10. Процессинг РНК: добавление 5'-кэпа и поли(А)-хвоста. Ферменты модифицируют оба конца молекулы эукариотической
пре-мРНК. Модифицированные концы могут способствовать экспорту мРНК из ядра и помогают защищать мРНК от деградации. Ког-
да мРНК попадает в цитоплазму, ее модифицированные концы в комплексе с определенными цитоплазматическими белками спо-
собствуют присоединению рибосом. 5'-кэп и поли(А)-хвост не транслируются в белок, как и участки, называемые 5'-нетранслиру-
емыми областями (5'-UTR) и З'-нетранслируемыми областями (З'-UTR). О сегментах, отмеченных розовым, будет рассказано далее
(см. рис. 17.11)
ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 457
©Pearson Education, Inc.
5'-экзон Интрон Экзон
Пре-мРНК 5-кэп Щ
V—1
Номера кодонов: 1-30 31-104
мРНК
5*-UTR
Интрон Экзон 3'
: ПОЛИ(А)-ХВОСТ
10М46
Интроны вырезаются,
а экзоны сшиваются вместе
5'-кэп
Кодирующий 3 -UTR
участок
(-хвост
Рис. 17.11. Процессинг РНК: сплайсинг. Показанная здесь молекула РНК кодирует р-глобин, один из полипептидов гемоглобина.
Цифры под РНК обозначают кодоны; р-глобин состоит из 146 аминокислотных остатков, р-глобиновый ген и его пре-мРНК транскрип-
ты имеют три экзона, соответствующие последовательностям, которые покинут ядро в виде мРНК (5'-UTR и З'-UTR являются частью
экзонов, поскольку они входят в состав мРНК, но они не кодируют белок). В ходе процессинга РНК интроны вырезаются, а экзоны
сшиваются вместе. Во многих генах интроны значительно длиннее экзонов
исключений лучше запомнить, что экзоны — это
последовательности РНК, которые эмигрируют
из ядра.) Термины экзон и интрон используются
для обозначения как для участков РНК, так и для
участков ДНК, которые их кодируют.
Синтезируя первичный транскрипт гена, РНК-
полимераза II транскрибирует и экзоны, и интро-
ны, но молекула мРНК, которая выходит в ци-
топлазму, — это сокращенная версия. Интроны
вырезаются из молекулы, а экзоны соединяются
вместе, образуя непрерывную кодирующую по-
следовательность. Это и есть процесс сплайсинга
(от англ, splice — “сращивать”).
Компоненты
сплайсосомы
мРНК
Экзон 1 Экзон 2
Вырезанный
интрон
Рис. 17.12. Сплайсосома в процессе сплайсинга пре-мРНК.
На рисунке вы видите часть пре-мРНК-транскрипта с интро-
ном (показан розовым), фланкированным двумя экзонами
(показаны красным). Небольшие РНК внутри сплайсосомы
спариваются с нуклеотидами в специфических сайтах по-
следовательности интрона. После этого сплайсосома ката-
лизирует разрезание пре-мРНК и сшивание экзонов, высво-
бождая интрон для его последующей быстрой деградации
Как осуществляется сплайсинг? Интроны уда-
ляет большой комплекс, состоящий из белков и
малых РНК, и называемый сплайсосомой. Этот
комплекс связывается с несколькими коротки-
ми нуклеотидными последовательностями ин-
трона, включая ключевые последовательности на
его концах (рис. 17.12). Затем интроны вырезаются
(и быстро деградируют), а сплайсосома соединя-
ет два экзона, которые фланкировали (окружали)
интрон. Оказывается, что малые РНК в составе
сплайсосомы не только участвуют в ее сборке и
распознают сайты сплайсинга, но и катализируют
реакцию удаления интронов.
Рибозимы
Идея о каталитической роли РНК-сплайсо-
сом возникла после открытия рибозимов — мо-
лекул РНК, функционирующих в качестве фер-
ментов. У некоторых организмов сплайсинг РНК
может происходить без участия белков и даже без
участия дополнительных молекул РНК: их ин-
троны РНК работают как рибозимы и катализи-
руют собственное удаление! Например, у инфу-
зории Tetrahymena автосплайсинг происходит в
ходе образования рибосомальных РНК (рРНК),
входящих в состав рибосом организма. Фактиче-
ски пре-мРНК удаляет собственные интроны. От-
крытие рибозимов опровергло устаревшую идею
о том, что все биологические катализаторы — это
белки.
Три свойства РНК позволяют некоторым ее
молекулам функционировать в качестве фермен-
тов. Во-первых, поскольку РНК одноцепочеч-
ная, фрагменты ее молекулы могут участвовать
в комплементарных взаимодействиях с другими
458 Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку
эволюция
антипараллельно направленными фрагментами,
которые могут располагаться в любой другой ча-
сти этой же молекулы; такие взаимодействия
создают определенную трехмерную структуру.
Специфическая структура очень важна для ката-
литической функции рибозимов, так же как и для
ферментов белковой природы. Во-вторых, как и
определенные аминокислотные остатки белковых
ферментов, некоторые основания РНК содержат
функциональные группы, которые могут участво-
вать в катализе. В-третьих, способность РНК об-
разовывать водородные связи с другими молеку-
лами нуклеиновых кислот (как ДНК, так и РНК),
формирует ее специфическую каталитическую
активность. Например, спаривание комплемен-
тарных оснований РНК сплайсосомы и РНК пер-
вичного транскрипта точно определяет участок
сплайсинга, который катализирует рибозим. Поз-
же в этой главе вы увидите, как данные свойства
РНК помогают ей выполнять важные некаталити-
ческие функции в клетке, такие, как распознава-
ние трехнуклеотидных кодонов мРНК.
Функциональное и эволюционное
значение интронов
Давал ли сплайсинг РНК и наличие
интронов преимущества при отборе в ходе эво-
люции — это вопрос для обсуждения. Как бы
то ни было, полезно рассмотреть их возмож-
ные адаптивные преимущества. Для большин-
ства интронов не обнаружено специфических
функций, но по меньшей мере некоторые из
них содержат последовательности, которые ре-
гулируют генную экспрессию и могут влиять на
продукты генов.
Одно из важных последствий присутствия ин-
тронов в генах — это то, что один ген приобре-
тает возможность кодировать более одного поли-
пептида. Известно, что многие гены могут давать
два различных полипептида и более, в зависимо-
сти от того, какие сегменты используются как эк-
зоны в ходе процессинга РНК — это явление на-
зывается альтернативным сплайсингом РНК
(см. рис. 18.3 в главе 18). Например, половые раз-
личия у плодовых мушек во многом определяют-
ся различиями в сплайсинге РНК определенных
генов у самцов и самок. Результаты проекта “Ге-
ном человека” позволяют предположить, что аль-
тернативный сплайсинг — это одна из причин, по
которой люди обходятся таким же количеством
генов, как и нематода (круглый червь). Благодаря
альтернативному сплайсингу число различных
белковых продуктов организма может значитель-
но превышать число его генов.
Белкам часто присуща модульная архитектура,
состоящая из дискретных структурных и функци-
ональных областей, называемых доменами. Один
из доменов фермента, к примеру, может вклю-
чать его активный сайт, а другой может позволять
ферменту связываться с клеточной мембраной.
Довольно часто экзоны кодируют определенные
домены белка (рис. 17.13).
Ген
ДНК /-------------- ------------------------>
Экзон 1 Интрон Экзон 2 Интрон Экзон 3 //
Транскрипция |
Процессинг РНК |
Домен 2
Полипептид
> Домен 3
> Домен 1
© Pearson Education, Inc.
Рис. 17.13. Соответствие между экзонами и доменами белка
Наличие интронов в гене может способство-
вать эволюции новых и потенциально выгодных
вариантов белков в результате процесса, извест-
ного как перетасовка экзонов. Интроны увели-
чивают вероятность обмена участками экзонов
между аллелями одного гена, просто предостав-
ляя больше места для образования перекрестов
без нарушения кодирующей последовательности.
Это может привести к появлению новых комби-
наций экзонов и белков с измененными структу-
рами и функциями. Можно также представить
себе обмен экзонами между совершенно разными
(неаллельными) генами. Оба типа перетасовок эк-
зонов могут привести к образованию новых бел-
ков с не встречавшимися раньше комбинациями
функций. Хотя большинство перетасовок приво-
дит к неблагоприятным изменениям, иногда мо-
гут возникать и удачные варианты.
Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 459
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 17.3
1.
2.
3.
Геном человека включает менее 21 000 генов. Каким обра-
зом клетки человека синтезируют 75 000-100 000 различных
белков?
Что общего у сплайсинга РНК и просмотра телепереда-
чи, записанной с помощью цифрового видеорегистратора
(DVR)? Чему соответствуют интроны в этой аналогии?
| Каков будет эффект обработки клеток ве-
ществом, удаляющим кэпы с мРНК?
А ЧТО. ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
17.4. Трансляция — РНК-зависимый
синтез полипептида (детальный
анализ)
Теперь мы подробнее рассмотрим, как генети-
ческая информация передается от мРНК к белку
в ходе процесса, называемого трансляцией. Как
и в случае с транскрипцией, мы сосредоточимся
на основных этапах трансляции, общих для бак-
терий и эукариот, и попутно будем отмечать клю-
чевые различия.
Молекулярные компоненты трансляции
В процессе трансляции клетка “считывает” ге-
нетическое сообщение и строит полипептид в со-
ответствии с “инструкцией” Сообщение — это се-
рия кодонов, расположенных в молекуле РНК, а
“переводчик” — это транспортная РНК (тРНК).
Функция тРНК — это перенос аминокислот из их
цитоплазматического пула (хранилища) в расту-
щий на рибосоме полипептид. Клетка содержит в
цитоплазме запасы всех 20 аминокислот, синтези-
рованных из других веществ или полученных из
окружающей среды. Рибосома — структура, со-
стоящая из белков и РНК, — добавляет каждую
аминокислоту, принесенную тРНК, к растущему
концу полипептидной цепочки (рис. 17.14).
Трансляция проста по своей сути, но сложна с
точки зрения биохимии и механизмов, особенно
в эукариотических клетках. Рассматривая транс-
ляцию, мы сосредоточимся на несколько менее
сложной версии процесса, происходящей у бак-
терий. Сначала мы познакомимся с основными
участниками процесса, а потом рассмотрим, как
они взаимодействуют в ходе синтеза полипептида.
Структура и функции транспортной РНК
Ключ к переводу генетического сообщения в
специфическую последовательность аминокис-
лот — это способность каждой молекулы тРНК
транслировать определенный кодон в соответ-
ствующую аминокислоту. Это возможно, по-
скольку тРНК несет определенную аминокисло-
ту на своем конце, а на другом ее конце находится
триплет нуклеотидов, который может спаривать-
ся с комплементарным кодоном мРНК.
Рис. 17.14. Трансляция: основные принципы. В процессе про-
движения мРНК сквозь рибосому кодоны один за другим
транслируются в аминокислоты. В роли “переводчиков" вы-
ступают молекулы тРНК, каждый тип которых содержит специ-
фический нулкеотидный триплет (антикодон) на одном конце
и соответствующую ему аминокислоту — на другом. Когда ан-
тикодон образует водородные связи с комплементарным ко-
доном мРНК, тРНК добавляет свою аминокислоту к растущей
полипептидной цепи. На следующих рисунках показаны не-
которые детали трансляции в бактериальной клетке
Молекула тРНК состоит из единственной це-
почки РНК длиной всего в 80 нуклеотидов (тогда
как большинство молекул РНК состоит из сотен
нуклеотидов). Из-за присутствия комплементар-
ных последовательностей нуклеотидов, которые
могут образовывать друг с другом водородные
связи, эта единичная цепочка может слипаться
сама с собой, формируя молекулу с трехмерной
структурой. Расправленная на плоскости молеку-
ла тРНК будет похожа на лист клевера (рис. 17.15, а).
На самом деле, тРНК скручена и свернута в ком-
пактную трехмерную структуру, напоминающую
460 Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку
по форме букву L (рис. 17.15, б). Петля на одном из
концов буквы L включает в себя антикодон —
триплет нуклеотидов, который спаривается с
определенным кодоном мРНК. Из другого конца
L-образной молекулы тРНК выступает ее З'-ко-
нец — место прикрепления аминокислоты.
В качестве примера рассмотрим мРНК-кодон
5'-GGC-3', который транслируется в аминокисло-
ту глицин. В тРНК, которая образует водородные
связи с данным кодоном, есть антикодон З'-CCG-
5', на другом своем конце она несет аминокисло-
ту глицин (посмотрите, как такая тРНК подходит
к рибосоме на рис. 17.14). По мере продвижения мо-
лекулы мРНК сквозь рибосому, глицин будет до-
бавляться к полипептидной цепочке каждый раз,
когда кодон GGC будет представлен для трансля-
ции. Кодон за кодоном генетическая информация
транслируется: молекулы тРНК доставляют ами-
нокислоты в том порядке, как он описан мРНК, а
рибосома соединяет аминокислоты в цепочку. Мо-
лекула тРНК является переводчиком в том смысле,
что она может прочитать “слово” в нуклеиновой
кислоте (кодон мРНК) и дать ему интерпретацию
в виде белкового “слова” (аминокислоты).
Как мРНК и другие типы РНК, молекулы тРНК
транскрибируются с ДНК-матриц. В эукариотиче-
ской клетке тРНК, так же, как и мРНК, синтезиру-
ются в ядре, а затем перемещаются в цитоплазму,
где участвуют в процессах трансляции. И в бакте-
риальных, и в эукариотических клетках тРНК ис-
пользуется повторно: она подбирает подходящую
аминокислоту в цитоплазме, приносит ее в рибо-
сому, синтезирующую белок, а затем покидает ри-
босому, готовая подобрать новую аминокислоту.
Точная трансляция генетического сообще-
ния требует правильного молекулярного распоз-
навания на двух этапах. Во-первых, тРНК, кото-
рая связывается с кодоном мРНК, обозначающим
определенную аминокислоту, должна принести в
рибосому именно эту аминокислоту, а не какую-то
другую. Правильное сопоставление аминокислоты
и тРНК — это работа семейства родственных фер-
ментов, называемых аминоацил-тРНК-синтета-
зами (рис. 17.16).
Активный сайт аминоацил-тРНК-синтетазы
каждого типа подходит только для определенной
комбинации аминокислоты и тРНК. Существует
20 различных синтетаз, по одной на каждую ами-
нокислоту; каждая синтетаза способна связывать-
ся со всеми тРНК, кодирующими данную ами-
нокислоту. Синтетаза катализирует ковалентное
G
Место прикрепления
аминокислоты
с
Антикодон
а) Двумерная структура. Для всех тРНК характерны четыре
спаренных участка и три петли, а также общая последо-
вательность нуклеотидов на З'-конце, к которому присо-
единяется аминокислота. Триплет нуклеотидов антико-
дона уникален для тРНК каждого типа, так же, как и неко-
торые участки двух других петель. (Звездочки обозначают
характерные для тРНК химически модифицированные
основания. Модифицированные основания помогают
тРНК выполнять ее функцию, но каким именно образом —
пока не вполне ясно.)
б) Трехмерная структура
в) Символ, исполь-
зуемый в этой книге.
Рис. 17.15. Структура транспортной РНК (тРНК). Антикодо-
ны традиционно записывают в направлении 3'->5', чтобы их
можно было наложить на кодоны, записанные в направлении
5'->3' (см. рис. 17.14). Для комплементарного спаривания це-
почки РНК, также как и ДНК, должны располагаться антипа-
раллельно. Например, антикодон 3'-AAG-5' спаривается с
кодоном мРНК б'-ииС-З'
присоединение аминокислоты к ее тРНК в ходе
процесса, протекающего благодаря использова-
нию энергии гидролиза АТФ. Получившаяся ами-
ноацил-тРНК, также называемая “заряженной”
ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 461
тРНК, высвобождается из фермента, после чего
она может доставить свою аминокислоту в расту-
щую на рибосоме полипептидную цепь.
О Аминокислота и под-
ходящая для неетРНК
входят в активный сайт
соответствующей
синтетазы.
Тирозил-тРНК-синте-
таза — фермент,
который способен
связывать только
тирозин и Туг-тРНК
Антикодон тРНК,
комплементарный
Туг-кодону на мРНК
О Заряженная
своей амино-
кислотой тРНК
высвобождается
синтетазой.
(аминокислота)
ч^АМР + 2®|
Аминоацил-тРНК-
синтетаза
0 Используя
энергию АТФ (АТР),
синтетаза катали-
зирует ковалентное
присоединение ами-
нокислоты к ее тРНК.
Рис. 17.16. Аминоацил-тРНК-синтетазы обеспечивают специ-
фичность присоединения аминокислот к их тРНК. Связывание
тРНК со своей аминокислотой — это эндотермический про-
цесс, который осуществляется с затратой АТФ (АТР), теряю-
щей две фосфатные группы и превращающейся в АМФ (аде-
нозин монофосфат)
Второй случай молекулярного распознава-
ния — это спаривание антикодона тРНК с под-
ходящим кодоном мРНК. Если бы существовало
по одной тРНК на каждый кодон мРНК, кодиру-
ющий аминокислоту, то было бы 61 разных тРНК
(см. рис. 17.5). На самом же деле их около 45, из
чего следует, что некоторые могут связывать бо-
лее одного кодона. Такая гибкость некоторых
тРНК объясняется тем, что правила спаривания
третьего нуклеотида кодона и соответствующего
нуклеотида антикодона тРНК менее строгие, чем
для других позиций кодона. Например, нуклеотид
U на 5'-конце антикодона тРНК может взаимодей-
ствовать как с А, так и с G в третьей позиции (на
З'-конце) кодона мРНК. Лабильные (подвижные)
взаимодействия оснований в этом положении
кодона называются качанием (или прецессией).
Этот феномен объясняет, почему синонимичные
кодоны, кодирующие одну и ту же аминокисло-
ту, чаще всего отличаются третьим нуклеотидом,
но не другими нуклеотидами. Например, тРНК
с антикодоном 5'-UCU-3' может распознавать в
мРНК как кодон 5'-AGA-3', так и кодон 5'-AGG-
3', оба из которых кодируют аргинин (см. рис. 17.5).
Рибосомы
Рибосомы способствуют специфическому свя-
зыванию антикодонов тРНК с кодонами мРНК
в ходе белкового синтеза. Рибосома состоит из
большой и малой субъединиц, каждая из кото-
рых собрана из белков и одной или более рибо-
сомальной РНК (рРНК) (рис. 17.17). У эукариот
сборка рибосомальных субъединиц происходит
в ядре. Рибосомальные гены транскрибируются,
получившаяся РНК проходит процессинг и объ-
единяется с белками, импортированными из ци-
топлазмы. После этого собранные субъединицы
рибосомы экспортируются в цитоплазму через
ядерные поры. Как у бактерий, так и у эукари-
от большая и малая субъединицы соединяются в
функционирующую рибосому только прикрепив-
шись к молекуле мРНК. Около трети массы ри-
босомы приходится на белки, а остальное — на
РНК, три молекулы которой встроены в бактери-
альную рибосому и четыре — в эукариотическую.
Поскольку в большинстве клеток содержатся ты-
сячи рибосом, рРНК — самый распространенный
тип РНК в клетке.
Хотя рибосомы бактерий и эукариот очень
сходны по структуре и функциям, эукариотиче-
ские рибосомы несколько больше по размеру, чем
бактериальные, а также немного отличаются от
них по молекулярному составу. Эти различия яв-
ляются очень важными с точки зрения медицины.
Некоторые антибиотики могут инактивировать
бактериальные рибосомы, не оказывая влияния
на эукариотические. Такие лекарства (например,
тетрациклин и стрептомицин) используются для
борьбы с бактериальными инфекциями.
Структура бактериальных рибосом опреде-
ляется на атомном уровне (см. Интервью с Вен-
ки Рамакришна перед главой 2). Эта структу-
ра четко отражает функцию сближения мРНК
с тРНК, несущей аминокислоту. Помимо сайта
связывания мРНК, у каждой рибосомы есть три
462 Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к бедку
а) Компьютерная модель функционирующей рибосомы.
Это модель бактериальной рибосомы, отражающая ее
общую форму. Эукариотическая рибосома в общих
чертах сходна с ней. Рибосомальные субъединицы —
это комплексы молекул рибосомальных РНК и белков.
P-сайт (место связывания
пептидил-тРНК)
Е-сайт
(место
выхода)
A-сайт (место
связывания
аминоацил-тРНК)
Большая
субъединица
Малая
субъединица
Выходной туннель
Сайт
связывания
мРНК
б) Схематическая модель, показывающая сайты связывания.
У рибосомы есть сайт связывания мРНК, а также три места
связывания тРНК, известные как А-, Р- и Е-сайты. В таком
схематичном виде рибосома будет показана на следую-
щих рисунках.
в) Схематическая модель с мРНК и тРНК. тРНК размещается
в сайте связывания, когда нуклеотиды ее антикодона спа-
риваются с кодоном мРНК. P-сайт содержит тРНК с присо-
единенным к ней растущим полипептидом. A-сайт содер-
жит тРНК, несущую аминокислоту, которая будет добавле-
на в полипептидную цепочку следующей. “Разряженная"
тРНК уходит через Е-сайт. Полипептид растет с карбоксиль-
ного конца.
Рис. 17.17. Анатомия функционирующей рибосомы
сайта связывания тРНК, что показано на рис. 17.17.
P-сайт (сайт связывания пептидил-тРНК (от англ.
peptidyl-tRNA)) содержит тРНК, с которой связа-
на растущая полипептидная цепь, а A-сайт (сайт
связывания аминоацил-тРНК (от англ, aminoacyl-
tRNA)) содержит тРНК, несущую следующую
аминокислоту, которая будет добавлена в цепоч-
ку. “Разряженные” тРНК покидают рибосому че-
рез Е-сайт (сайт выхода, от англ, exit — “выход”).
Рибосома удерживает мРНК и тРНК близко друг
к другу и располагает новую аминокислоту таким
образом, чтобы она могла быть присоединена к
карбоксильному концу растущего полипептида.
Затем она катализирует образование пептидной
связи. По мере удлинения полипептида он прохо-
дит через выходной туннель в большой субъеди-
нице рибосомы. Когда полипептид достраивает-
ся до конца, он высвобождается через выходной
туннель.
Существуют сильные аргументы в поддержку
гипотезы о том, что рРНК, а не белки, определяют
структуру и функцию рибосом. Белки, которые
располагаются в основном на наружной поверх-
ности рибосомы, поддерживают форму молекул
рРНК, которая изменяется, когда молекулы РНК
катализируют реакции трансляции. Рибосомаль-
ная РНК — основной компонент А- и P-сайтов, а
также поверхностей контакта между двумя субъ-
единицами; она также функционирует в качестве
катализатора образования пептидной связи. Та-
ким образом, рибосому можно считать огромным
рибозимом!
Синтез полипептида
Мы можем разделить трансляцию — синтез
полипептидной цепочки — на три стадии: ини-
циацию, элонгацию и терминацию. Все три ста-
дии требуют белковых факторов, которые помо-
гают осуществлять трансляцию. Кроме того, для
некоторых этапов инициации синтеза цепочки и
ее элонгации требуется энергия. Ее приток обе-
спечивается за счет гидролиза гуанозинтрифос-
фата, ГТФ.
Сборка рибосом и инициация трансляции
На стадии инициации трансляции мРНК,
тРНК, несущая первую аминокислоту полипепти-
да, и две рибосомальные субъединицы долж-
ны собраться в единый комплекс (рис. 17.18). Сна-
чала малая субъединица рибосомы связывается
с мРНК и со специальной инициаторной тРНК,
Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к бедку 463
которая несет аминокислоту метионин. У бакте-
рий малая субъединица может связывать мРНК и
инициаторную тРНК в любом порядке; она при-
соединяется к мРНК в определенном месте, рас-
полагающемся выше стартового кодона AUG.
У эукариот малая субъединица с уже присоеди-
ненной инициаторной тРНК связывается с S'-
кэпом мРНК, а затем двигается вниз по молекуле
мРНК (или сканирует ее), пока не достигнет стар-
тового кодона AUG; после этого инициаторная
тРНК образует водородные связи со стартовым
кодоном. В обоих случаях стартовый кодон обо-
значает место начала трансляции; это важно, по-
скольку устанавливает рамку считывания мРНК.
В рубрике “Развиваем исследовательские навы-
ки”, представленной ниже, вы можете поработать
с последовательностями ДНК, кодирующими сай-
ты связывания рибосом в мРНК ряда генов Е. coli.
После объединения мРНК, инициаторной
тРНК и малой рибосомальной субъединицы, к
ним прикрепляется большая рибосомальная еди-
ница, и тем самым завершается сборка комплек-
са инициации трансляции. Для того, чтобы объ-
единить компоненты комплекса необходимы
белки, которые называются факторами иници-
ации. Кроме того, для сборки комплекса клетка
расходует энергию гидролиза ГТФ. После завер-
О Малая субъединица рибосомы связы-
вается с молекулой мРНК. В бактери-
альной клетке сайт связывания мРНК
на этой субъединице распознает
специфическую нуклеотидную после-
довательность мРНК, расположенную
непосредственно перед старт-кодоном.
Инициаторная тРНК с антикодоном UAC
взаимодействует со стартовым кодоном
AUG. Эта РНК несет аминокислоту
метионин (Met).
О Присоединение большой субъединицы
завершает сборку инициирующего ком-
плекса. Для того, чтобы объединить все
компоненты трансляции необходимы белки,
называемые факторами инициации
(не показаны). Гидролиз ГТФ обеспечивает
необходимую для сборки энергию. Ини-
циаторная тРНК находится в Р-сайте;
A-сайт доступен для входа тРНК, несущей
следующую аминокислоту.
шения процесса инициации инициаторная тРНК
располагается в P-сайте рибосомы, а свободный
A-сайт оказывается готов принять следующую
аминоацил-тРНК. Заметьте, что полипептид всег-
да синтезируется в одном направлении — от ини-
циаторного метионина с аминогруппой на конце
(также называемом N-концом) к последней ами-
нокислоте на карбоксильном конце, называемом
С-концом (см. рис. 5.15 в главе 5).
Элонгация полипептидной цепи
На стадии элонгации трансляции аминокис-
лоты одна за другой добавляются к предыдущей
аминокислоте на С-конце растущей цепи. Каждое
присоединение аминокислоты задействует не-
сколько белков, называемых факторами элонга-
ции, и представляет собой трехступенчатый цикл,
изображенный на рис. 17.19. Энергия затрачивает-
ся на первом и третьем этапах цикла. Сначала для
распознавания кодона используется энергия ги-
дролиза одной молекулы ГТФ, благодаря чему по-
вышается точность и эффективность этого этапа.
Еще одна молекула ГТФ гидролизуется, обеспечи-
вая энергией процесс транслокации.
мРНК двигается сквозь рибосому лишь в од-
ном направлении — 5'-концом вперед; это экви-
валентно движению рибосомы от 5'- к З'-концу
мРНК. Важно, что рибосома и
мРНК двигаются друг относи-
тельно друга однонаправленно,
кодон за кодоном. У бактерий
цикл элонгации занимает менее
одной десятой доли секунды и
повторяется для каждой добав-
ляемой аминокислоты, пока по-
липептид не синтезируется пол-
ностью. Пустые тРНК, которые
выходят из Е-сайта, возвраща-
ются в цитоплазму, где снова
будут снабжены подходящими
аминокислотами (см. рис. 17.16).
Терминация трансляции
Завершающая стадия транс-
ляции — терминация (рис. 17.20).
Элонгация продолжается, пока
стоп-кодон мРНК не окажется в
A-сайте рибосомы. Нуклеотид-
ные триплеты UAG, UAA и UGA
Рис. 17.18. Инициация трансляции
не кодируют аминокислоты, но
работают как сигналы остановки
464 ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Диамд мотивов & носледо^аГнельноспш
Как диаграмма мотивов может помочь определить сайт связы-
вания рибосомы? В ходе инициации трансляции рибосомы при-
соединяются к мРНК в сайтах связывания, расположенных выше
стартового кодона AUG. Поскольку рибосома связывается с
мРНК самых различных генов, то в генах, кодирующих эти мРНК,
должны присутствовать сходные последовательности нуклеоти-
дов для связывания рибосом. А это значит, что последователь-
ности, потенциально представляющие собой сайт связывания
рибосомы, могут быть найдены путем сравнения последователь-
ностей ДНК (а значит, и последовательностей мРНК) многих генов
в геноме определенного вида и поиска общих для всех ("кон-
сервативных") последовательностей нуклеотидов в области
выше стартового кодона. В этом задании вы проанализируете
ДНК нескольких таких генов, которые графически представлены
в виде диаграммы мотивов.
Проведение эксперимента. Последовательности ДНК 149 ге-
нов из генома Е. coli были выровнены с помощью компьютерной
программы. Целью эксперимента была идентификация похожих
нуклеотидных последовательностей, расположенных в "пра-
вильной" части каждого гена, как потенциальных сайтов связы-
вания рибосом. Вместо того, чтобы представлять данные в виде
столбца из 149 выровненных последовательностей3, исследова-
тели построили диаграмму мотивов.
Полученные экспериментальные данные. Чтобы вы поняли, как
строятся диаграммы мотивов, на рисунке показаны потенциаль-
ные сайты связывания рибосом 10 генов Е. coll в виде выравни-
вания последовательностей, а ниже представлена диаграмма
мотивов, построенная по результатам этого выравнивания. Об-
ратите внимание, что в соответствии с общепринятым правилом,
представленные последовательности соответствуют нематрич-
ным (кодирующим) цепям ДНК.
thrA ТААС А ТААСААССАТ С А Т
/ОСАСАТААС А Т АТС САТТ А А С А Т
/ОСУ С С ТАА АААТССАТТАТ ТАСТАТ
lacZ Т Т С А С А С А АААСА СТАТ АССАТ
/ос/ С А А Т Т С А Т Т ААТ Т АААССА
recA CAT АСА А ТАААААТ СТАТС
до//? А С С С А С Т А А ТАТТТТСАТ С АСС
metJ А А А АТТАА ТАТСТСАТ СТ АА
lexA А Т А С А С С С А С ААТ А А А С
troR Т А А С А А Т С АСАТАТТАТ СССАА
А Выравнивание последовательностей
3 Молекулярные генетики часто называют его элайментом сик-
венсов, от англ, align — "выравнивать". — Примеч. ред.
а Диаграмма мотивов
Анализ данных.
1. На первой диаграмме (диаграмме мотивов) по оси абсцисс
показана первичная последовательность ДНК в виде нукле-
отидов и их позиций. Буквы, обозначающие нуклеотиды, стоят
в столбике друг над другом, в соответствии с их относитель-
ной частотой встречаемости в данной позиции во всех вы-
равненных последовательностях — наиболее распростра-
ненный нуклеотид представлен в виде самой большой буквы
в вершине столбика. Высота каждой буквы соответствует
относительной частоте встречаемости данного нуклеотида
в данной позиции, а) Используя рисунок с выравниванием
последовательностей, посчитайте, сколько раз каждый
нуклеотид встречается в позиции -9 и расположите их от
наиболее к наименее распространенному. Сравните полу-
чившиеся значения с высотой и положением каждой буквы в
-9 позиции на диаграмме мотивов, б) Сделайте то же самое
для позиций 0 и 1.
2. Высота столбика из букв на диаграмме мотивов свидетель-
ствует о предсказательном потенциале этого столбика (опре-
деляется статистически). Если столбик высокий, то мы можем
с большей достоверностью предсказать, какой нуклеотид
будет находиться в этой позиции при добавлении новой по-
следовательности к диаграмме. Например, во второй пози-
ции у всех 10 последовательностей стоит G, и вероятность об-
наружить в этом месте G у новой последовательности очень
высока — как и столбик из букв в данной точке диаграммы.
В низких столбиках все основания имеют примерно одинако-
вые частоты встречаемости, поэтому предугадать, какое из
оснований мы встретим в данной позиции новой последова-
тельности, довольно сложно, а) В каких двух позициях стоят
ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 465
наиболее достоверно предсказываемые основания? Какие
нуклеотиды, скорее всего, будут находиться в этих позициях в
новоотсеквенированном гене? б) Нуклеотиды в каких 12 пози-
циях сложнее всего предсказать? Как вы узнали об этом? Как
это отражает относительные частоты встречаемости нуклео-
тидов, приведенные в 10 выравненных последовательностях?
Используйте две крайние левые позиции из 12 в качестве при-
меров для своего ответа.
3. В данном эксперименте для построения показанной ниже ди-
аграммы мотивов ученые использовали 149 последовательно-
стей. Поскольку для этого использовалось больше данных, то
в каждой позиции диаграммы есть хотя бы короткий столбик,
а) В каких трех позициях легче всего предсказать нуклеотид?
Назовите самый распространенный нуклеотид для каждой из
них. б) В каких позициях стоят наименее предсказуемые ну-
клеотиды? Как вы это определили?
4. Консенсусная последовательность определяет нуклеотиды,
наиболее часто встречающиеся в каждой позиции набора
последовательностей, а) Напишите консенсусную после-
довательность этой (нематричной) цепи. Во всех позициях,
для которых нельзя определить основание, ставьте прочерк,
б) Что более информативно — консенсусная последователь-
ность или диаграмма мотивов? Что теряется в менее инфор-
мативном способе представления данных?
5. а) Опираясь на диаграмму мотивов, скажите, какие пять со-
седних нуклеотидов в 5'-UTR с наибольшей вероятностью уча-
ствуют в связывании рибосомы? Объясните, почему? б) Что
представляют основания в позициях 0-2?
Дополнительная литература: Т. D. Schneider and R. М. Stephens,
Sequence logos: A new way to display consensus sequences,
Nucleic Acids Research 18:6097-6100 (1990).
трансляции. Фактор терминации — белок, напо-
минающий по форме аминоацил-тРНК, напрямую
связывается со стоп-кодоном в A-сайте. Фактор
терминации вызывает добавление к полипептид-
ной цепочке молекулы воды вместо аминокислоты
(молекулы воды содержатся в клетке в огромных
количествах). Эта реакция разрушает (гидролизу-
ет) связь между готовым полипептидом и тРНК в
P-сайте, высвобождая полипептид через выходной
туннель в большой субъединице рибосомы. После
этого трансляционный аппарат разбирается в ходе
многоэтапного процесса, которому способствуют
другие белковые факторы. Разборка трансляцион-
ного комплекса требует гидролиза еще двух моле-
кул ГТФ.
Завершение синтеза белка
и его отправка к месту назначения
Процесса трансляции часто недостаточно для
того, чтобы получить функциональный белок.
В этом разделе вы узнаете о модификациях, че-
рез которые проходит полипептидная цепь по-
сле трансляции, а также о некоторых механизмах,
которые используются, чтобы направить готовые
белки в определенные части клетки.
Сворачивание (фолдинг)
и посттрансляционные модификации белков
В ходе синтеза полипептидная цепочка вслед-
ствие своей аминокислотной последовательно-
сти (первичной структуры) начинает спонтан-
но сворачиваться, образуя белок определенной
формы — трехмерную молекулу со вторич-
ной и третичной структурами (см. рис. 5.18 в гла-
ве 5). Таким образом ген определяет первич-
ную структуру, а первичная структура, в свою
очередь, определяет форму молекулы белка. Во
многих случаях белки шапероны (шаперонины)
помогают полипептиду правильно свернуться
(см. рис. 5.21 в главе 5).
466 Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку
N-конец z
полипептида
/JLmF
Р- А-
сайт сайт
О Распознавание кодона. Антикодон
входящей аминоацил-тРНК спаривается
с комплементарным кодоном мРНК в
A-сайте. Гидролиз ГТФ повышает точность
и эффективность данного этапа. На ри-
сунке это не показано, но рибосому
окружает множество аминоацил-тРНК,
и только та из них, которая имеет подхо-
дящий антикодон, будет связываться
с кодоном, позволяя продолжить цикл.
Рибосома, готовая
принять следующую
аминоацил-тРНК
ГДФ+ ®,
О Транслокация. Рибосома
перемещает тРНК из А-сайта
в P-сайт. Одновременно с этим
свободная тРНК перемещается
из P-сайта в Е-сайт, через кото-
рый она уходит с рибосомы.
мРНК перемещается вместе
со связанными с ней тРНК,
доставляя следующий кодон
для трансляции в А-сайт.
0 Образование пептидной связи.
Молекула рРНК большой субъ-
единицы рибосомы катализирует
образование пепидной связи
между аминогруппой новой амино-
кислоты в A-сайте и карбоксиль-
ным концом растущего полипеп-
тида в P-сайте. На этом этапе
полипептид отсоединяется от тРНК
находящейся в P-сайте, и стыкует-
ся с аминокислотой, связанной
тРНК в А-сайте.
Рис. 17.19. Элонгационный цикл трансляции. Гидролиз ГТФ играет важную роль в процессе элонгации. Белки, называемые фактора-
ми элонгации, не показаны
Дополнительные этапы — посттрансляцион-
ные модификации — могут быть необходимы для
того, чтобы белок мог приступить к выполнению
своей функции в клетке. Определенные амино-
кислоты могут химически модифицироваться с
помощью присоединения сахаров, липидов, фос-
фатных групп и других добавок. Ферменты могут
удалять одну или большее количество аминокис-
лот с лидирующего (амино-) конца полипептид-
ной цепочки. В некоторых случаях полипептид-
ная цепочка может ферментативно расщепляться
на два и более фрагментов. Например, белок инсу-
лин изначально синтезируется в виде единой по-
липептидной цепи, но становится активным толь-
ко после того, как фермент вырезает центральную
часть цепи, оставляя белок состоящим из двух
полипептидных цепочек, соединенных дисуль-
фидными мостиками. В других случаях два или
большее число полипептидов, синтезированных
по отдельности, могут объединиться, став субъ-
единицами белка с четвертичной структурой. Из-
вестный пример этого — гемоглобин (см. рис. 5.18
в главе 5).
Направление белков в определенные
компартменты клетки
На электронных микрофотографиях эукарио-
тических клеток, синтезирующих белки, хорошо
различимы две популяции рибосом: свободные и
связанные (см. рис. 6.10 в главе 6). Свободные ри-
босомы плавают в цитоплазме и в основном син-
тезируют белки, которые остаются в цитоплазме
Г ЛАВА 1 7 Экспрессия генов: от гена к белку 467
О Когда рибосома, продвигаясь
по мРНК, достигает стоп-кодона,
с A-сайтом рибосомы вместо амино-
ацил-тРНК связывается фактор терми-
нации—белок, напоминающий по
форме тРНК.
© Фактор терминации способствует
гидролизу связи между тРНК в Р-сайте
и последней аминокислотой полипеп-
тида, высвобождая таким образом
полипептид из рибосомы
© Две рибосомальные субъединицы
и другие компоненты комплекса
диссоциируют (распадаются).
Рис. 17.20. Терминация трансляции. Подобно элонгации, для терминации требуются гидролиз ГТФ и дополнительные белковые
факторы, которые не показаны на рисунке
О На свобод-
ной рибосоме
в цитоплазме
начинается
синтез поли-
пептида.
© SRP связывается
с сигнальным пеп-
тидом, моментально
останавливая синтез.
О SRP уходит, и синтез
полипептида возобнов-
ляется с одновременным
переносом новообразова-
нной цепи через мембрану.
© Фермент для отщеп-
ления сигнальных мо-
лекул отрезает сиг-
нальный пептид.
О Готовый полипептид
покидает рибосому
и приобретает свою
итоговую конформацию
Рис. 17.21. Сигнальный механизм доставки белков в ЭР
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Если белок предназначен
для секреции, что произойдет после завершения его син-
теза? (см. рис. 7.9)
0 SRP связывается с рецепторным
белком на мембране ЭР, который
является частью белкового комп-
лекса, образующего пору, и со-
держит фермент для отщепления
сигнальных молекул.
468 ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку
и выполняют в ней свои функции. Связанные ри-
босомы прикреплены к цитоплазматической сто-
роне эндоплазматического ретикулума (ЭПР) или
ядерной мембраны. Связанные рибосомы синте-
зируют белки мембранных систем (ядерной мем-
браны, ЭПР, аппарата Гольджи, лизосом, вакуолей
и плазматической мембраны), а также белки, се-
кретируемые клеткой наружу, такие, как инсулин.
Важно отметить, что свободные и связанные ри-
босомы идентичны и могут перемещаться, иногда
работая в свободном состоянии, а иногда — буду-
чи связанными с мембраной.
Что определяет, свободна рибосома или свя-
зана с гранулярным (шероховатым) ЭПР? Синтез
полипептида всегда начинается в цитоплазме, ког-
да свободная рибосома начинает транслировать
молекулу мРНК. Процесс продолжается до кон-
ца таким образом, только если растущий поли-
пептид не стимулирует прикрепленные рибосомы
к ЭПР. Полипептиды белков, предназначенных
для встраивания в мембраны или для секреции,
имеют в своем составе сигнальный пептид, кото-
рый направляет белок в ЭПР (рис. 17.21). Сигналь-
ный пептид — последовательность из прибли-
зительно 20 аминокислот на лидирующем конце
(N-конце) или рядом с ним — после появления
из рибосомы узнается РНК-белковым комплек-
сом под названием SRP (от англ, signal recognition
particle — “частица, распознающая сигнал”).
Эта частица работает “сопровождающим” кото-
рый доставляет рибосому к рецепторному белку,
встроенному в мембрану ЭПР. Этот рецептор —
часть комплекса транслокации, который состоит
из нескольких белков. Здесь синтез полипептида
продолжается, и растущий полипептид пропол-
зает через мембрану в просвет ЭПР сквозь канал
в белке. Сигнальный пептид обычно удаляется
ферментом. Готовый полипептид, если он пред-
назначен для секреции из клетки, высвобождает-
ся в раствор в просвете ЭПР (как на рис. 17.21). Или
же, если был синтезирован мембранный белок, он
остается частично зафиксированным в мембране
ЭПР. Далее в обоих случаях белок путешествует к
месту назначения в транспортной везикуле (в ка-
честве примера см. рис. 7.9 в главе 7).
Другие виды сигнальных пептидов исполь-
зуются, чтобы направлять полипептиды в мито-
хондрии, хлоропласты, внутрь ядра и в другие
органеллы, которые не являются частью эндомем-
бранной системы. Ключевое отличие в данных
случаях состоит в том, что трансляция завершает-
ся в цитоплазме, прежде чем полипептид импор-
тируется в органеллу. Механизмы транслокации
также отличаются, но во всех изученных на сегод-
няшний день случаях “почтовые индексы” кото-
рые направляют белки на секрецию или в опреде-
ленные части клетки, — это сигнальные пептиды.
Бактерии также используют сигнальные пептиды,
чтобы направлять белки в плазматическую мем-
брану и на секрецию.
Синтез множества полипептидов
у бактерий и эукариот
Из предыдущих разделов вы узнали, как благо-
даря информации, закодированной в мРНК, син-
тезируется молекула полипептида. Однако когда
клетка нуждается в полипептиде, требуется сде-
лать не одну, а множество его копий.
Единичная рибосома может синтезировать по-
липептид среднего размера меньше, чем за мину-
ту. Однако как у бактерий, так и у эукариот, одну
и ту же мРНК одновременно транслирует множе-
ство рибосом (рис. 17.22); другими словами, одна
молекула мРНК используется, чтобы одновре-
менно делать множество копий полипептида. Как
только рибосома отходит достаточно далеко от
стартового кодона, к мРНК может прикрепиться
вторая рибосома, и в конце концов сразу несколь-
ко рибосом едет по одной и той же молекуле РНК.
Такие “бусы” из рибосом, называемые полирибо-
сомами (или полисом ам и), можно увидеть в элек-
тронный микроскоп (рис. 17.22, б). Они позволяют
клетке очень быстро синтезировать много копий
полипептида.
Другой способ получить больше копий по-
липептида, используемый и бактериями, и эука-
риотами, — это синтез множества молекул РНК
с одного и того же гена, как мы уже упоминали
раньше. Однако координация двух процессов —
транскрипции и трансляции — различается у бак-
терий и эукариот. Главное отличие между ними
возникает из-за того, что в бактериальной клет-
ке нет отдельных компартментов. Бактериальная
клетка похожа на цех, в единственном помеще-
нии которого одновременно идут оба процесса.
В отсутствие ядра бактерия может одновременно
транскрибировать и транслировать один и тот же
ген (рис. 17.23), а свежесинтезированный белок мо-
жет быстро диффундировать к своему месту ра-
боты.
ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 469
Готовый
а) Как правило, молекула мРНК транслируется одновременно
несколькими рибосомами в кластерах, называемых поли-
рибосомами.
Рис. 17.23. Транскрипция и трансляция у бактерий тесно свя-
заны. В клетках бактерий трансляция мРНК может начинаться
сразу после того, как лидирующий (5') конец мРНК отделится
от матрицы ДНК. На микрофотографии (ТЭМ) видна цепочка
ДНК Е. coli, транскрибируемая молекулами РНК-полимераз.
К каждой молекуле РНК-полимеразы присоединена расту-
щая цепь мРНК, которая сразу же начинает транслироваться
рибосомами. Вновь синтезированные полипептиды не видны
на микрофотографии, но показаны на диаграмме
1 Какая из молекул мРНК начала синтезироваться первой?
Какая из рибосом на этой мРНК начала транслировать ее
первой?
б) На этой микрофотографии показана крупная ' 0,1 мкм
полирибосома в бактериальной клетке.
Растущие полипептиды здесь не видны (ТЭМ).
Рис. 17.22. Сигнальный механизм доставки белков в ЭР
И наоборот, в эукариотической клетке ядерная
мембрана отделяет транскрипцию от трансляции
и создает компартмент для активного процессин-
га РНК. Эта стадия процессинга включает обсуж-
давшиеся ранее дополнительные этапы, регуля-
ция которых может помогать координировать
сложную деятельность эукариотической клетки.
На рис. 17.24 показан полный путь от гена к поли-
пептиду в эукариотической клетке.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 17.4
1.
2.
3.
4.
Какие два процесса обеспечивают встраивание правиль-
ной аминокислоты в растущую полипептидную цепь?
Расскажите, каким образом структура рРНК способствует
выполнению функций рибосомы.
Нарисуйте тРНК с антикодо-
ном 5’-CGU-3'. С какими двумя различными кодонами она
может связываться? Нарисуйте оба кодона на мРНК, отме-
тив 5'- и З'-концы, тРНК и аминокислоту, которую она несет.
А ЧТО. ЕСЛИ? I ИЗОБРАЗИ!
А ЧТО, ЕСЛИ?
[Установлено, что в эукариотических клет-
ках мРНК замкнуты в кольца, в которых белки удерживают ря-
дом 5'-кэп и поли(А)-хвост. Как это может увеличить эффек-
тивность трансляции?
Ответы см. в Приложении А.
17.5. Мутации в одном
или нескольких нуклеотидах
могут сильно повлиять
на структуру и функции белка
Теперь, когда вы познакомились с процессом
экспрессии гена, можно разобраться в эффектах,
которые производят изменения генетической ин-
формации в клетке. Благодаря изменениям, на-
зываемым мутациями, возникло огромное раз-
нообразие генов живых организмов, поскольку
мутации — это первичный источник новых генов.
Ранее мы обсуждали хромосомные перестройки,
которые воздействуют на протяженные фрагмен-
ты ДНК (см. рис. 15.14 в главе 15), — их относят к
крупномасштабным мутациям. Здесь мы рассмо-
трим менее масштабные мутации — одной или
нескольких нуклеотидных пар, — включая то-
чечные мутации, изменяющие единственную
пару нуклеотидов гена.
470 ГЛАВА 1 7 Экспрессия генов: от гена к белку
транскрибируется РНК.
РНК-полимераза
транскрипт
Экзон
ЯДРО
ЦИТОПЛАЗМА
мРНК
Рибосома
Растущий
полипептид
О Каждая аминокислота
прикрепляется к соответ-
ствующей ей тРНК при
участии специального
фермента и АТФ.
Субъ-
единицы
рибосомы
0 V эукариот РНК-тран-
скрипт (пре-мРНК) под-
вергается сплайсингу
и модификации с обра-
зованием зрелой мРНК,
которая перемещается
из ядра в цитоплазму
© мРНК покидает
ядро и прикрепля-
ется к рибосоме.
Аминоацил-тРНК-
синтетаза
Амино-
ацилированная
(’заряженная") тРНК
© тРНК по очереди добав-
ляют свои аминокислоты
>одон к полипептидной цепочке
по мере того, как мРНК
__ кодон за кодоном движется
сквозь рибосому. Готовый
пептид высвобождается
из рибосомы.
Амино-
кислота
тРНК -
РНК-транскрипт
(пре-мРНК)
- Интрон
ТРАНСКРИПЦИЯ
ПРОЦЕССИНГ РНК
АКТИВАЦИЯ АМИНОКИСЛОТЫ
ТРАНСЛЯЦИЯ
Рис. 17.24. Транскрипция и трансляция в эукариотической клетке. На этом рисунке изображен путь от одного гена к одному поли-
пептиду. Не забывайте, что каждый из генов в ДНК может повторно транскрибироваться с образованием множества идентичных
копий молекул РНК, и что каждая мРНК может затем неоднократно транслироваться, приводя к синтезу одинаковых полипептидов.
(Также помните, что окончательные продукты некоторых генов — это не полипептиды, а молекулы РНК, включая тРНК и рРНК.) В об-
щих чертах, основные этапы транскрипции и трансляции сходны у бактерий, архей и эукариот. Главное отличие состоит в нали-
чии процессинга РНК в ядрах эукариот. Другие существенные различия были обнаружены на стадиях инициации транскрипции и
трансляции, а также терминации транскрипции
Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 471
Если точечная мутация происходит в гамете
или клетке — предшественнике гамет, она может
быть передана потомкам и следующим поколе-
ниям. Если мутация оказывает неблагоприятный
эффект на фенотип человека, наличие мутации
вызывает генетическое нарушение или наслед-
ственное заболевание. Например, мы можем вы-
явить генетическую основу серповидноклеточ-
ной анемии: причина этой болезни — мутация
единственной пары нуклеотидов гена, кодирую-
щего (3-глобиновую цепь гемоглобина. Изменение
единственного нуклеотида в матричной цепи ДНК
приводит к синтезу дефектного белка (рис. 17.25;
также см. рис. 5.19 в главе 5). У людей, гомозиготных
по мутантному аллелю, эритроциты с дефектным
гемоглобином имеют серповидную форму, что
приводит к множеству симптомов, характерных
для серповидноклеточной анемии (см. главу 14,
раздел 14.4). Другое заболевание, возникающее
из-за точечной мутации — это болезнь сердца под
названием семейная кардиомиопатия, из-за кото-
рой иногда неожиданно погибают молодые атле-
ты. Идентифицированы точечные мутации в не-
скольких генах, кодирующих белки мышц; каждая
из таких мутаций может вызвать эту болезнь.
Типы мутаций малого масштаба4
Теперь давайте рассмотрим, как мутации ма-
лого масштаба влияют на белки. Точечные му-
тации генов можно разделить на две категории:
1) замены одной пары нуклеотидов на другую и
2) инсерции или делеции пар нуклеотидов. Воз-
можны инсерции и делеции как одной, так и не-
скольких нуклеотидных пар.
Замены
Замена пары нуклеотидов — это замещение
одного нуклеотида и его партнера на другую пару
нуклеотидов (рис. 17.26, а).
Некоторые замены не изменяют последова-
тельности закодированного белка благодаря вы-
рожденности генетического кода. Например,
если 3'-CCG-5' на матричной цепи мутирует в
3'-ССА-5', кодон мРНК GGC превратится в GGU,
но глицин все равно будет вставлен в правильное
положение в белке (см. рис. 17.5). Другими слова-
ми, изменение пары нуклеотидов может превра-
тить один кодон в другой, но транслируемый в ту
же аминокислоту. Такое изменение — это пример
молчащей мутации, не оказывающей видимого
эффекта на фенотип. (Также молчащие мутации
могут случаться вне генов.) Замены, которые из-
меняют одну аминокислоту на другую, называют-
ся миссенс-мутациями. Такие
р-глобин дикого типа
ДНК р-глобина дикого типа
З'ВНШШ^Мб'
р-глобин серповидных клеток <
ДНК мутантных
ДНК мутантного р-глобина (серповидных)
3* НСЮНН! 5' клеток матричная
цепь ДНК (вверху)
содержит А там,
где в матричной
цепи дикого типа
находится Т.
мРНК
мРНК ___________ в мутантной мРНК
5' Зг в одном из кодонов
вместо А находится II.
Нормальный гемоглобин
Гемоглобин серповидных клеток
В мутантном
р-глобине вместо
глутаминовой кис-
лоты (Glu) находит-
ся валин (Vai).
мутации могут незначительно
влиять на белок, например, в
случае, если новая аминокисло-
та похожа по своим свойствам
на ту, что она заменила, или
если замена произошла в части
белка, для функционирования
которой не важна точная по-
следовательность аминокислот.
Однако самые интересные
точечные замены — это те, ко-
торые оказывают значительное
влияние на белок. Изменение
единственной аминокислоты в
ключевой области белка — та-
кой, как часть ^-глобиновой
цепи гемоглобина, показан-
A G
Рис. 17.25. Молекулярные основы возникновения серповидноклеточной анемии: точеч-
ная мутация. Аллель, приводящий к возникновению серповидноклеточной анемии, от-
личается от аллеля дикого типа (нормального аллеля) единственной парой ДНК-нук-
леотидов. На микрофотографиях показаны результаты сканирующей электронной
микроскопии нормальных красных кровяных клеток (слева) и серповидных красных кро-
вяных клеток (справа) индивидуумов, гомозиготных по аллелям дикого или мутантного ти-
пов, соответственно
ная на рис. 17.25, или такой, как
4 Согласно классификации, при-
нятой в русскоязычной литературе
(см. главу 15, раздел 15.4), мутации
малого масштаба — это генные мута-
ции. — Примеч. ред.
472 Г ЛАВА 1 7 Экспрессия генов: от гена к белку
Дикий тип
Матричная цепь ДНК 3' i ДМЫ1И HWЖЖЖ*Ж>Ж^ЖЛЫМ5'
A A S П 1 G G С Т А А
мРНК 5'ЕЖЖЕ
Белок
N-конец
_А A6U U Кб
Met
(\Стоп-кодон
С-конец
а) Замена пары нуклеотидов
б) Инсерция (вставка) или делеция пары нуклеотидов
Молчащая мутация: не влияет на аминокислотную последова-
тельность
Лишний А
3'
5Г ММЖЖ>МММ«Ж!3
Лишний U
5' I № 13'
СтогГксдон
Сдвиг рамки считывания, приводящий к нонсенс мутации и немед-
ленной остановке трансляции (инсерция одной пары нуклеотидов)
Т вместо С
3' 1»МИМ»ЖМ«М15
5'
А вместо G
|A и 6 А А 6 U U b А^Т
Недостающий И
3'
5'ГЖПЖЖНЖЖЖПШЖЖЖ41ЖЖЛЗ'
Недостающий и
5' mhmif.w.v - • 3'
ВМКВМЯ1Ш
Миссенс-мутация: может приводить к различным эффектам в за-
висимости от расположения внутри белка и идентичности новой
аминокислоты
Сдвиг рамки считывания, вызывающий изменение смысла мно-
гих кодонов (делеция одной пары нуклеотидов)
Недостающие 1ЙЖ4
3' НОБШЮНтИНб'
5' мжжявжммжз
U вместо А
Я Стоп-кодон
Недостающие НВй
Стоп-кодон
Нонсенс-мутация: Эффект зависит от того, насколько близко
расположена мутация к исходному стоп-кодону.
Делеция трех пар нуклеотидов: сдвига рамки считывания
не происходит, но пропадает одна аминокислота. Инсерция
трех пар нуклеотидов (не показана) привела бы к добавлению
лишней аминокислоты.
Рис. 17.26. Типы мутаций малого масштаба, изменяющих последовательность мРНК. Все представленные типы, кроме одного, влия-
ют также на аминокислотную последовательность кодируемого полипептида
активный сайт фермента, показанный на рис. 8.19
(глава 8), — может существенно изменить актив-
ность белка. Иногда такие мутации улучшают ра-
боту белка или придают ему новую функцию, но
намного чаще такие мутации нейтральны или не-
благоприятны и ведут к образованию нерабочего
белка или белка со сниженной активностью, на-
рушающего функционирование клетки.
Обычно замены нуклеотидов — это мис-
сенс-мутации, т.е. измененный кодон все еще ко-
дирует аминокислоту и имеет смысл, но не-
обязательно, что этот смысл — правильный. Но
точечная мутация может превратить кодирую-
щий аминокислоту кодон и в стоп-кодон. Это яв-
ление называется нонсенс-мутацией; оно вызы-
вает преждевременную остановку трансляции;
получившийся полипептид будет короче, чем по-
липептид, который кодировался нормальным ге-
ном. Почти все нонсенс-мутации ведут к образо-
ванию нерабочих белков.
Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 473
Инсерции и делеции
Инсерции и делеции — это добавления или по-
тери пар нуклеотидов в гене (рис. 17.26, б). Эти му-
тации намного чаще имеют более катастрофи-
ческий эффект для получившихся белков, чем
замены. Инсерции и делеции могут изменить
рамку считывания генетического сообщения —
группировку нуклеотидов в триплеты на мРНК,
которая считывается в ходе трансляции. Такие
мутации, называемые мутациями сдвига рамки
считывания происходят, когда число добавлен-
ных или удаленных нуклеотидов не кратно трем.
Все нуклеотиды ниже делеции или инсерции бу-
дут неправильно сгруппированы в кодоны, смысл
большинства из них изменится, и, скорее все-
го, синтез белка рано или поздно преждевремен-
но закончится из-за возникновения стоп-кодона.
В результате таких мутаций белки почти навер-
няка получаются нерабочими, если только сдвиг
рамки считывания не происходит очень близко к
концу гена.
Новые мутации и мутагенез
Мутации могут возникать по разным причи-
нам. Ошибки в ходе репликации или рекомби-
нации ДНК могут привести к заменам нуклео-
тидных пар, инсерциям, делециям, а также к
мутациям, влияющим на более протяженные
участки ДНК. Если, например, в ходе реплика-
ции в растущую цепь добавляется неправильный
нуклеотид, основание такого нуклеотида не бу-
дет сочетаться с основанием нуклеотида в другой
цепи. Во многих случаях ошибка будет исправле-
на системами редактирования и репарации ДНК
(см. главу 16, раздел 16.2). Если этого не произой-
дет, неправильный нуклеотид будет использован
в качестве матрицы в следующем раунде реплика-
ции, приводя к мутации. Такие мутации называ-
ются спонтанными. Сложно вычислить частоту, с
которой возникают спонтанные мутации. Грубые
оценки сделаны для частот возникновения мута-
ций в ходе репликации у Е. coli и эукариот, и они
схожи между собой: мутирует один нуклеотид
приблизительно из 10'°, и это изменение переда-
ется следующим поколениям клеток.
Некоторые физические и химические аген-
ты, называемые мутагенами, взаимодействуют
с ДНК, вызывая мутации. В 1920-х годах Герман
Меллер открыл, что рентгеновские лучи вызыва-
ют генетические изменения у плодовых мушек,
и использовал рентгеновские лучи, чтобы полу-
чать мутантов Drosophila для своих генетических
исследований. Он также понял и тревожное след-
ствие своего открытия: рентгеновские лучи и дру-
гие формы высокоэнергетического излучения
представляют угрозу для генетического матери-
ала людей и лабораторных организмов. К мута-
генному излучению (физическим мутагенам) от-
носится и ультрафиолетовый (УФ) свет, который
может вызвать образование опасных тиминовых
димеров в ДНК (см. рис. 16.19 в главе 16).
Химические мутагены делятся на несколь-
ко категорий. Так, аналоги нуклеотидов химиче-
ски сходны с нормальными нуклеотидами ДНК,
но образуют неправильные пары в ходе реплика-
ции ДНК. Химические мутагены другого вида на-
рушают нормальную репликацию ДНК, встраива-
ясь в ДНК и искажая структуру двойной спирали.
Третьи вызывают химические изменения основа-
ний, влияя на их способности образовывать пары.
Ученые разработали множество методов тес-
тирования мутагенной активности химических
веществ. Основное применение этих тестов — это
предварительный скрининг химических веществ
для выявления потенциальных канцерогенов (ве-
ществ, вызывающих онкологические заболева-
ния). Этот подход имеет смысл, поскольку боль-
шинство канцерогенов являются мутагенами, и
наоборот, многие мутагены являются канцероге-
нами.
Возвращаясь к вопросу
“Что такое ген?”
В течение нескольких последних глав наше
определение гена изменилось, так же, как оно ме-
нялось исторически с развитием генетики. Мы
начали с менделевской концепции гена как дис-
кретной единицы наследственности, которая
влияет на фенотипические черты (глава 14). Мы
увидели, что Морган с коллегами связали такие
гены с определенными участками хромосом (гла-
ва 15). Мы пошли дальше, чтобы рассмотреть ген
в качестве участка определенной последователь-
ности нуклеотидов в молекулах ДНК хромосом
(глава 16). Наконец, в этой главе мы дали функ-
циональное определение гена как последователь-
ности ДНК, кодирующей определенную поли-
пептидную цепь. Все эти определения могут быть
полезны, в зависимости от контекста, в котором
изучается ген.
474 Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку
Теперь мы знаем, что высказывание “ген ко-
дирует полипептидную цепь” — это упрощение.
Большинство эукариотических генов содержит
некодирующие сегменты (такие, как интроны),
так что большим частям этих генов не соответ-
ствуют фрагменты полипептида. Молекулярные
биологи также часто включают промоторы и не-
которые другие регуляторные элементы ДНК в
границы гена. Эти последовательности ДНК не
транскрибируются, но могут считаться частя-
ми функционального гена, поскольку их присут-
ствие необходимо для транскрипции. Также наше
определение гена должно быть достаточно широ-
ким, чтобы включать ДНК, которая транскриби-
руется в рРНК, тРНК и другие нетранслируемые
РНК. У этих генов нет полипептидных продуктов,
но они играют важную роль в клетке. Таким об-
разом, мы приходим к следующему определению:
ген — это участок ДНК, который может экспрес-
сироваться с образованием функционального про-
дукта, который представляет собой полипептид
или молекулу РНК.
Как бы то ни было, когда имеет значение фе-
нотип, часто полезно сначала сфокусироваться на
генах, кодирующих полипептиды. В этой главе вы
узнали о молекулярных механизмах экспрессии
генов — об их транскрипции с образованием РНК
и последующей трансляции в полипептид, кото-
рый образует белок с определенной структурой и
функцией. Белки, в свою очередь, определяют на-
блюдаемый фенотип организма.
Тот или иной тип клеток экспрессирует лишь
часть из набора своих генов. Это важная особен-
ность многоклеточных организмов: у вас были бы
неприятности, если бы клетки вашего хрустали-
ка начали экспрессировать гены белков волос, ко-
торые в норме экспрессируются только в клетках
волосяного фолликула! Экспрессия генов точно
регулируется, и об этом мы поговорим в следую-
щей главе, начиная с более простого примера бак-
терий и заканчивая эукариотами.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 17.5
Что произойдет, если один из нуклеотидов пары, располо-
женной в середине кодирующей последовательности гена,
будет утрачен?
I Люди, гетерозиготные по ал-
лелю серповидноклеточной анемии, в основном, здоровы,
но при некоторых обстоятельствах у них можно наблюдать
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
3.
А ЧТО, ЕСЛИ? I ИЗОБРАЗИ!
фенотипические проявления этого аллеля (см. рис. 14.17 в
главе 14). Объясните это в терминах экспрессии генов.
______________ _ Матричная цепь гена вклю-
чает последовательность: 3'-TACTTGTCCGATATC-5'. Она му-
тировала в последовательность 3'-TACTTGTCCAATATC-5'. Для
нормальной и мутантной последовательностей нарисуйте
двухцепочечные ДНК, соответствующие им мРНК и амино-
кислотные последовательности, которые они кодируют. Ка-
кой эффект имеет мутация на аминокислотную последова-
тельность?
Ответы см. в Приложении А.
J 7 Обзор главы
17.1. ГЕНЫ ОПРЕДЕЛЯЮТ СТРУКТУРУ БЕЛКОВ
ПОСРЕДСТВОМ ТРАНСКРИПЦИИ И ТРАНСЛЯЦИИ
• Исследование Бидлом и Тейтумом мутантных
штаммов Neurospora привело к гипотезе “один
ген — один фермент”. В процессе экспрессии гена
закодированная в гене информация используется
для синтеза определенных полипептидных цепей
(ферментов или других белков) или молекул РНК.
• Транскрипция — это синтез РНК, комплементар-
ной матричной цепи ДНК. Трансляция — это син-
тез полипептида, последовательность аминокислот
в котором определяется последовательностью нук-
леотидов мРНК.
• Генетическая информация закодирована в виде по-
следовательности неперекрывающихся триплетов
нуклеотидов, или кодонов. Кодон в матричной РНК
(мРНК) транслируется в аминокислоту (61 кодон
из 64) либо служит стоп-сигналом (3 кодона). Кодо-
ны должны считываться в правильной рамке счи-
тывания.
| Опишите процесс экспрессии генов, с помощью ко-
торого гены влияют на фенотип организма.
Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 475
17.2. ТРАНСКРИПЦИЯ - ДНК-ЗАВИСИМЫЙ
СИНТЕЗ РНК (ДЕТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ)
• Синтез РНК катализируется РНК-полимеразой, ко-
торая соединяет нуклеотиды РНК комплементар-
но матричной цепи ДНК. Этот процесс подчиняет-
ся тем же правилам спаривания оснований, что и
репликация ДНК, за исключением того, что в РНК
вместо тимина присутствует урацил.
• Три стадии транскрипции — это инициация, элон-
гация и терминация. Промотор определяет, где
начнется синтез РНК, а у эукариот часто включает
последовательность ТАТА-бокс (ТАТА box). Фак-
торы транскрипции помогают эукариотической
РНК-полимеразе узнать последовательность про-
мотора, образуя комплекс инициации транскрип-
ции. Процессы терминации отличаются у бактерий
и эукариот.
D В чем заключаются сходства и различия процессов
инициации транскрипции генов у бактерий и эукариот?
17.3. В КЛЕТКАХ ЭУКАРИОТ РНК ПОДВЕРГАЕТСЯ
МОДИФИКАЦИИ ПОСЛЕ ТРАНСКРИПЦИИ
• Эукариотические РНК подвергаются процессин-
гу РНК, во время которого происходит сплай-
синг РНК, добавление модифицированного нук-
леотида — 5'-кэпа — к 5'-концу и добавление
поли(А)-хвоста к З'-концу.
• Большинство эукариотических генов состоит из от-
дельных сегментов: в них интроны перемешаны с
экзонами (участки, которые включаются в мРНК).
В ходе сплайсинга РНК интроны удаляются, а экзо-
ны сшиваются вместе. РНК-сплайсинг обычно осу-
ществляется сплайсосомами, но в некоторых случа-
ях молекула РНК сама катализирует собственный
сплайсинг. Каталитические способности некоторых
молекул РНК, называемых рибозимами, обеспечи-
ваются свойствами, присущими молекулам РНК.
Наличие интронов создает возможности для аль-
тернативного сплайсинга РНК.
Поли(А)-хвост
5'-кэп
\ 5' Экзон Экзон Интрон Экзон 3' |
Пре-мРНК I - I
Интрон
5'-UTR Кодирующий З’-UTR
участок
| Какие функции выполняют 5'-кэп и поли(А)-хвост
эукариотических мРНК?
17.4. ТРАНСЛЯЦИЯ - РНК-ЗАВИСИМЫЙ СИНТЕЗ
ПОЛИПЕПТИДА (ДЕТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ)
• Клетка “переводит” сообщение, записанное в
мРНК, в последовательность аминокислот белка
с помощью транспортных РНК (тРНК). После
того, как аминоацил-тРНК-синтетаза присоеди-
няет к тРНК соответствующую ей аминокислоту,
тРНК связывается своим антикодоном с компле-
ментарным кодоном мРНК. Рибосома, состоящая
из рибосомальных РНК (рРНК) и белков, способ-
ствует такому взаимодействию, предоставляя сай-
ты связывания для мРНК и тРНК.
• Рибосомы координируют три стадии трансляции:
инициацию, элонгацию и терминацию. Образова-
ние пептидных связей между аминокислотами ка-
тализируется рРНК, а тРНК движутся через А- и
P-сайты и выходят через Е-сайт.
• После трансляции модификации белков могут из-
менить их форму. Синтез всех белков начинается на
свободных рибосомах в цитоплазме; в случае бел-
ков с сигнальным пептидом синтез продолжается
на ЭР.
• Ген может транскрибироваться одновременно не-
сколькими РНК-полимеразами. Одна молекула
мРНК может одновременно транслироваться не-
сколькими рибосомами, в результате чего образует-
ся полирибосома. У бактерий эти процессы проис-
ходят одновременно, а у эукариот они разделены в
пространстве и во времени ядерной мембраной.
| Какую функцию выполняют тРНК в процессе
трансляции?
17.5. МУТАЦИИ В ОДНОМ ИЛИ НЕСКОЛЬКИХ
НУКЛЕОТИДАХ МОГУТ СИЛЬНО ПОВЛИЯТЬ
НА СТРУКТУРУ И ФУНКЦИИ БЕЛКА
• Мутации малого масштаба включают точеч-
ные (генные) мутации — изменения одной пары
нуклеотидов, которые могут привести к синтезу
476 Г ЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку
нерабочего белка. Замены пар нуклеотидов могут
вызывать миссенс и нонсенс-мутации. Инсерции
или делеции пар нуклеотидов могут вызвать мута-
ции сдвига рамки считывания.
• Спонтанные мутации могут возникать в ходе ре-
пликации, рекомбинации и репарации ДНК. Физи-
ческие и химические мутагены повреждают ДНК и
могут изменить гены.
| Каким будет результат химической модификации
одного основания нуклеотида в гене? Какую роль игра-
ют в клетке системы репарации ДНК?
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Транскрипция в эукариотической клетке не может
начаться, пока:
а) две цепи ДНК полностью не разделятся и не от-
кроют промотор;
6) с промотором не свяжется несколько транскрип-
ционных факторов;
в) 5'-кэп не будет удален с мРНК
г) ДНК-интроны не будут удалены из матрицы.
2. Какое утверждение о кодоне неверно?
а) Он может кодировать такую же аминокислоту,
что и другой кодон.
6) Он никогда не кодирует более одной аминокис-
лоты.
в) Он находится на одном из концов молекулы
тРНК.
г) Он — базовая единица генетического кода.
3. Антикодон определенной молекулы тРНК:
а) комплементарен соответствующему кодону
мРНК;
6) комплементарен соответствующему триплету
рРНК;
в) часть тРНК, которая связывает определенную
аминокислоту;
г) каталитический центр, делающий тРНК рибо-
зимом.
4. Что из перечисленного неверно для процессинга РНК?
а) Экзоны вырезаются прежде, чем мРНК покинет
ядро.
6) Нуклеотиды могут добавляться с обоих концов
РНК.
в) Рибозимы могут функционировать в ходе сплай-
синга РНК.
г) Сплайсинг РНК может катализироваться сплай-
сосомой.
5. Какой компонент не вовлечен в трансляцию на-
прямую?
а) ГДФ. в) тРНК
6) ДНК г) Рибосома.
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
6. Используя рис. 17.5, определите 5'—>3' последова-
тельность нуклеотидов матричной цепи ДНК, ко-
дирующую последовательность полипептида Phe-
Pro-Lys.
a) 5'-UUUGGGAAA-3'.
6) 5'-GAACCCCTT-3'.
в) 5'-CTTCGGGAA-3'.
г) 5'-AAACCCUUU-3'.
7. Какая из следующих мутаций с наибольшей вероят-
ностью причинит вред организму?
а) Делеция трех нуклеотидов в середине гена.
6) Делеция одного нуклеотида в середине интрона.
в) Делеция одного нуклеотида рядом с концом ко-
дирующей последовательности.
г) Инсерция одного нуклеотида ниже и вблизи от
начала кодирующей последовательности.
8. Можно ли обнаружить в эукариотической клетке со-
пряжение процессов, показанное на рис. 17.23? Объяс-
ните почему.
9. ПЕВНПВД Заполните таблицу.
ИЗОБРАЗИ!
Тип РНК Функции
Матричная РНК (мРНК)
Транспортная РНК (тРНК)
Выполняет каталитическую (рибо-
зимную) и структурную функции
в рибосомах
Первичный транскрипт
Малые РНК сплайсосом
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
10. Большинство аминокис-
лот кодируется набором сходных кодонов
(см. рис. 17.5). Какое объяснение вы можете дать
этой закономерности с эволюционной точки зре-
ния? (Подсказка: существует одно объяснение, ка-
сающееся происхождения, и несколько менее оче-
видных, относящихся к пониманию о том, что
“форма соответствует функции”.)
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Зная, что генетический
код практически универсален, ученые использо-
вали молекулярно-биологические методы, что-
бы ввести ген р-глобина человека (показанный на
рис. 17.11) в бактериальную клетку, рассчитывая, что
клетка будет экспрессировать его и синтезировать
функциональный белок р-глобин. Вместо этого,
синтезированный белок был нефункциональным и
содержал намного меньше аминокислотных остат-
ков, чем р-глобин, синтезированный в эукариоти-
ческих клетках. Объясните, почему.
ГЛАВА 17 Экспрессия генов: от гена к белку 477
12. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ "ИНФОРМАЦИЯ"
Жизнь едина и вместе с тем разнообразна благода-
ря эволюции, а непрерывность жизни поддержива-
ется благодаря наследственной информации в фор-
ме ДНК. В коротком эссе (100-150 слов) обсудите,
как точность, с которой наследуется ДНК, связа-
на с процессом эволюции. (Вспомните обсуждение
поиска ошибок и репарации ДНК в разделе 16.2
главы 16.)
Некоторые мутации приводят к синтезу белков, ко-
торые хорошо функционируют при одной темпера-
туре, но теряют активность при других (обычно бо-
лее высоких) температурах. У сиамских кошек есть
такая мутация “чувствительности к температуре” в
гене, кодирующем фермент, ответственный за обра-
зование темного пигмента в шерсти. Из-за этой му-
тации возникают характерные для породы темные
пятна, а также более светлый цвет туловища кошки
(см. фото). Используя эту информацию, а также то,
что вы узнали в этой главе, объясните паттерн пиг-
ментации шерсти этих кошек.
Ответы см. в Приложении А.
478 Г ЛАВА 1 7 Экспрессия генов: от гена к белку
18
Регуляция экспрессии генов
ТЕМЫ ГЛАВЫ
Рис. 18.1.3а счет чего глаза этой рыбы видят одинаково
хорошо и в воде, и в воздухе?
L
18.1.
18.2.
18.3.
18.4.
18.5.
Бактерии часто отвечают на
изменение внешних условий за
счет регуляции транскрипции
Экспрессия генов у эукариот
регулируется на многих уровнях
Некодирующие РНК выполняют
множество функций в регуляции
экспрессии генов
Программа дифференциальной
экспрессии генов приводит
к формированию различных
типов клеток многоклеточного
организма
В результате генетических
изменений, влияющих на
контроль клеточного цикла,
развивается рак
Дифференциальная экспрессия генов
Рыба на рис. 18.1 во все глаза следит за хищниками свер-
ху — или, точнее, вполовину каждого глаза! Anableps
anableps, более известная как cuatro ojos (четырехглазка),
обитает в пресноводных озерах и прудах Центральной и
Южной Америки. Каждый ее глаз только наполовину по-
гружен в воду: верхняя часть приспособлена исключитель-
но для видения в воздушной среде, а нижняя — в водной.
Недавно были обнаружены молекулярные основы такой
специализации: клетки разных частей глаза экспрессируют
немного различающийся набор генов, вовлеченных в орга-
низацию зрения, при том, что эти две группы клеток похо-
жи и имеют идентичные геномы. Каков же биологический
механизм, лежащий в основе различий в экспрессии генов
и определяющий такое удивительное свойство глаз?
Общей особенностью и прокариотической, и эукарио-
тической клетки — от бактерии до клетки рыбы — явля-
ется сложная и точная регуляция экспрессии генов. В этой
главе мы начнем с того, что исследуем регуляцию экспрес-
сии бактериальных генов в ответ на различные условия
окружающей среды. Далее мы рассмотрим, как эукариоты
поддерживают дифференциацию клеток с помо-
щью регуляции генной экспрессии, в том числе
с помощью молекул РНК. В двух последних раз-
делах мы рассмотрим эмбриональное развитие в
качестве наилучшего примера точной генной ре-
гуляции и онкогенез в качестве иллюстрации по-
следствий неправильной регуляции. Точная и
согласованная регуляция генов во всех клетках
необходима для выполнения жизненных функ-
ций организма.
18.1. Бактерии часто отвечают
на изменение внешних условий
за счет регуляции транскрипции
Бактериальные клетки, которые умеют эконо-
мить ресурсы и энергию, имеют селективное пре-
имущество перед клетками, лишенными такой
способности. Таким образом, естественный отбор
отдает предпочтение бактериям, экспрессирую-
щим только гены необходимых для клетки про-
дуктов.
Рассмотрим в качестве примера отдельную
клетку Escherichia coli, живущую в изменчивой
среде толстой кишки человека. Ее рацион пита-
ния зависит от того, какую еду предпочитает хо-
зяин. Если в окружающей среде наблюдается не-
достаток триптофана, который необходим для
жизни бактерии, клетка активизирует метаболи-
ческий путь синтеза триптофана из другого суб-
страта. Позднее, если человек-хозяин начнет есть
еду, богатую триптофаном, бактериальная клетка
прекратит производить его, избегая траты ресур-
сов на синтез вещества, легко доступного из окру-
жающего раствора в готовом виде. Это только
один из примеров того, как бактерии регулируют
свой метаболизм в ответ на изменения окружаю-
щей среды.
Метаболический контроль происходит на
двух уровнях, как показано на рис. 18.2 для синтеза
триптофана.
Во-первых, клетка регулирует активность фер-
ментов, уже присутствующих в ней. Это достаточ-
но быстрый ответ, основанный на чувствитель-
ности многих ферментов к химическим сигналам,
повышающим или понижающим их каталитиче-
скую активность (см. главу 8, раздел 8.5). Работа
первого в цепи фермента ингибируется конечным
продуктом метаболического пути (см. рис. 18.2, и).
Таким образом, если накапливается избыток
триптофана в клетке, он выключает дальнейший
синтез аминокислоты, ингибируя работу фермен-
та. Такое ингибирование по принципу обратной
связи, характерное для анаболических (биосинте-
тических) путей, позволяет клетке адаптировать-
ся к кратковременным флуктуациям в снабжении
необходимыми веществами.
Предшественник
Ингиби-
рование
по принципу
обратной
связи
Фермент 1
Регуляция
экспрес-
сии генов
Триптофан
а) Регуляция активности б) Регуляция синтеза
ферментов ферментов
Рис. 18.2. Регуляция метаболического пути. Избыток триптофа-
на может как (а) ингибировать активность первого фермента
метаболического пути синтеза триптофана (ингибирование
по принципу обратной связи), так и (б) подавлять экспрес-
сию генов, кодирующих все субъединицы ферментов это-
го пути (долгосрочный ответ). Гены trpE и trpD кодируют две
субъединицы фермента 1, а гены trpB и trpA — две субъеди-
ницы фермента 3 (гены были названы до того, как была уста-
новлена последовательность их функционирования в цепи).
Символ ф обозначает ингибирование
Во-вторых, клетка может регулировать уро-
вень производства конкретных ферментов,
т.е. экспрессию генов, кодирующих данные белки.
Если в нашем примере среда обеспечивает клет-
ку необходимым триптофаном, клетка останав-
ливает производство фермента, катализирующего
синтез триптофана (рис. 18.2,6). В этом случае кон-
троль осуществляется на уровне транскрипции,
т.е. синтеза матричной РНК, кодирующей дан-
ные ферменты. В целом многие гены в бактери-
альном геноме активируются или деактивируют-
ся в ответ на изменения метаболического статуса
клетки. Один из основных механизмов регуляции
экспрессии генов, названный оперонной моделью,
480 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
был впервые описан в 1961 году Франсуа Жако-
бом и Жаком Моно в институте Пастера в Пари-
же. Давайте рассмотрим, что такое оперон и как
он работает.
Оперон: основные положения
В бактерии Е. coli путь синтеза аминокислоты
триптофана из молекулы-предшественника со-
стоит из трех стадий, показанных на рис. 18.2. Ка-
ждая реакция этого пути катализируется специ-
фическим ферментом, а пять генов, кодирующих
субъединицы этих ферментов, располагаются в
одной области бактериальной хромосомы. Еди-
ный промотор контролирует все пять генов, кото-
рые вместе образуют транскрипционную едини-
цу (как вы помните из главы 17, промотор — это
сайт ДНК для связывания РНК-полимеразы и на-
чала транскрипции (раздел 17.2)). Таким образом,
транскрипция дает начало одной длинной мо-
лекуле мРНК, кодирующей пять полипептидов,
которые, в свою очередь, составляют ферменты
триптофанового пути (рис. 18.3. а).
Клетка может транслировать эту единую
мРНК в пять отдельных полипептидов, посколь-
ку мРНК размечена старт- и стоп-кодонами, сиг-
нализирующими, где начинается и заканчивается
кодирующая последовательность каждого из по-
липептидов.
Ключевым преимуществом группировки ге-
нов, выполняющих родственные функции, в
одну транскрипционную единицу является еди-
ный “выключатель”, контролирующий весь кла-
стер функционально связанных генов; другими
словами, эти гены контролируются согласова-
но. Когда в среде отсутствует триптофан и клетка
Е. coli должна синтезировать его самостоятельно,
все ферменты метаболического пути синтезиру-
ются одновременно. “Включает” синтез сегмент
ДНК, называющийся оператором. Как его место-
нахождение, так и его название соответствуют
его функции: располагающийся внутри промото-
ра, или в некоторых случаях между промотором
и генами, кодирующими белки, оператор контро-
лирует доступность генов для РНК-полимеразы.
frp-оперон
Белок
Неактивный
репрессор
Полипептидные
Л субъединицы ферментов
синтеза триптофана
°) Триптофан отсутствует, репрессор неактивен, оперон работает. РНК-полимераза
присоединяется к ДНК в промоторной области и транскрибирует гены оперона.
(см. предыдущий рисунок)
® Триптофан присутствует, репрессор активен, оперон
выключен. По мере накопления триптофана он ингибирует
собственный синтез активацией белка-репрессора, кото-
рый связывается с оператором, блокируя транскрипцию.
Рис. 18.3. 7/р-оперон Е. coli — пример регуляции синтеза ре-
прессируемых ферментов. Анаболический путь синтеза ами-
нокислоты триптофана катализируется репрессируемы-
ми ферментами, (а) Пять генов, кодирующих полипептидные
субъединицы ферментов этого пути (см. рис. 18.2), вместе с
промотором сгруппированы в frp-оперон. Ггр-оператор (сайт
связывания репрессора) локализован в t/р-промоторе (сайт
связывания РНК-полимеразы). (б) Накопление триптофана,
конечного продукта пути, подавляет (репрессирует) транс-
крипцию frp-оперона, блокируя тем самым синтез всех фер-
ментов пути и выключая производство триптофана
Q Опишите, что происходит с trp-опероном, когда запасы
триптофана в клетке подходят к концу.
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 481
Оператор, промотор и гены, которые они контро-
лируют, — весь участок ДНК, необходимый для
синтеза ферментов триптофанового пути — об-
разуют оперон. Тгр-оперон (от англ, tryptophan —
“триптофан”) — один из множества оперонов в
геноме Е. coli (рис. 18.3).
Если оператор — это переключатель оперо-
на для регуляции транскрипции, то как этот пе-
реключатель работает? Сам по себе trp-оперон
включен, т.е. РНК-полимераза может связывать-
ся с промотором и транскрибировать гены опе-
рона. Оперон может быть выключен с помощью
белка, называемого trp-репрессором. Репрессор
связывается с оператором и блокирует присое-
динение РНК-полимеразы к промотору, предот-
вращая транскрипцию генов (рис. 18.3,6). Белок-ре-
прессор специфически связывается с оператором
конкретного оперона. Например, репрессор, вы-
ключающий f/'р-оперон путем связывания с trp-o-
ператором, не оказывает никакого эффекта на
остальные опероны в геноме Е. coli.
Тгр-репрессор — это белковый продукт регуля-
торного гена trpR, локализованного на некотором
расстоянии от frp-оперона и имеющего собствен-
ный промотор. Регуляторные гены экспрессируют-
ся постоянно, хотя и на низком уровне, и несколь-
ко молекул frp-penpeccopa всегда присутствуют в
клетке Е. coli. Почему в таком случае frp-оперон не
выключен постоянно? Во-первых, связывание ре-
прессоров с операторами обратимо. Оператор мо-
жет находиться в двух состояниях: одно — со свя-
занным репрессором (закрытое), второе — без
репрессора (открытое). Относительная продол-
жительность закрытого состояния повышается в
присутствии большого количества активных мо-
лекул репрессора. Во-вторых, frp-penpeccop, как и
большинство регуляторных белков, является ал-
лостерическим, с двумя альтернативными фор-
мами — активной и неактивной (см. рис. 8.20 в гла-
ве 8). Тгр-репрессор синтезируется в неактивной
форме, которая имеет малое сродство к frp-onepa-
тору. Только когда молекула триптофана связыва-
ется с frp-репрессором в аллостерическом сайте,
белок-репрессор меняет свою форму на активную,
которая может связываться с оператором, выклю-
чая оперон.
Триптофан является в данной системе коре-
прессором, малой молекулой, которая взаимо-
действует с белком-репрессором для выключе-
ния оперона. По мере накопления триптофана,
большее количество молекул триптофана присо-
единяется к молекулам frp-penpeccopa, которые
теперь могут связываться с frp-оператором, вы-
ключая синтез ферментов триптофанового пути.
Когда уровень триптофана в клетке падает, транс-
крипция генов оперона возобновляется. Тгр-опе-
рон — один из примеров того, каким образом экс-
прессия генов может реагировать на изменения
внешней и внутренней среды клетки.
Репрессируемые и индуцируемые
опероны: два типа отрицательной
регуляции генов
Тгр-оперон называют репрессируемым оперо-
ном, так как транскрипция с него обычно включе-
на, но может быть и ингибирована (репрессирова-
на), когда специфичная малая молекула (в данном
случае триптофан) аллостерически связывается с
регуляторным белком. В противоположность это-
му, индуцируемый оперон обычно выключен, од-
нако может быть включен (индуцирован), при
взаимодействии специфической малой молеку-
лы с регуляторным белком. Классический пример
индуцируемого оперона — /ас-оперон (от англ.
lactose — лактоза).
Дисахарид лактоза (молочный сахар) досту-
пен Е. coli в кишечнике человека в том случае,
если организм-хозяин пьет молоко. Метаболизм
лактозы начинается с гидролиза дисахарида на
составляющие моносахариды (глюкоза и галак-
тоза) — реакции, катализируемой ферментом
Р-галактозидазой. В отсутствие лактозы в клетке
Е. coli присутствуют лишь несколько молекул это-
го фермента. Однако если в среду, где растут бак-
терии, добавить лактозу, число молекул Р-галак-
тозидазы в клетке может увеличиться в тысячи
раз в течение 15 минут.
Ген галактозидазы (lacZ) — это часть 1ас-опе-
рона (рис. 18.4), который также включает в себя два
других гена, кодирующих ферменты переработки
лактозы.
Вся транскрипционная единица находится
под управлением одного главного промотора и
оператора. Регуляторный ген, lacl, расположен-
ный за пределами оперона, кодирует аллостери-
ческий белок-репрессор, который может выклю-
чать /лс-оперон путем связывания с оператором.
Таким образом регуляция /ас-оперона очень по-
хожа на регуляцию frp-оперона, однако есть одно
существенное отличие. Напомним, белок-репрес-
сор trp сам по себе неактивен, и для связывания с
оператором ему требуется триптофан в качестве
482 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
корепрессора. Ьлс-репрессор, наоборот, активен
сам по себе — он связывается с оператором и вы-
ключает /яс-оперон. А небольшая специфическая
молекула, называемая индуктором, в этом случае
инактивирует репрессор.
Для /дс-оперона индуктором является аллолак-
тоза, изомер лактозы, образующийся в небольших
количествах из лактозы, поступающей в клетку.
В отсутствии лактозы (и, следовательно, аллолак-
тозы) /яс-репрессор находится в своей активной
форме, а гены /ас-оперона молчат (рис. 18.4, а). При
появлении лактозы, аллолактоза связывается с
/ас-репрессором и изменяет его форму, сводя на
нет способность репрессора присоединяться к
оператору. В отсутствие связанного репрессора
/ас-оперон транскрибируется в мРНК, кодирую-
щую ферменты метаболизма лактозы (рис. 18.4,6).
В контексте регуляции генов ферменты лак-
тозного пути относятся к индуцируемым фермен-
там, так как их синтез индуцируется химическим
а) Лактоза отсутствует, репрессор активен, оперон выключен.
Репрессор /ас изначально активен; в отсутствие лактозы он
выключает оперон, связываясь с оператором.
6) Лактоза присутствует, реперессор неактивен, оперон работает. Аллолактоза,
изомер лактозы, вновь инициирует оперон путем инактивации репрессора.
В этом случае запускается синтез ферментов для переработки лактозы.
сигналом (в данном случае аллолактозой). Анало-
гично ферменты триптофанового пути называют-
ся репрессируемыми. Репрессируемые ферменты
в основном функционируют в путях анаболиз-
ма, которые направлены на синтез важных конеч-
ных продуктов из исходных материалов (пред-
шественников). Когда конечный продукт уже
присутствует в достаточном количестве, клетка
может приостанавливать его синтез, а его органи-
ческие предшественники и энергию направлять
на другие нужды. Индуцируемые ферменты, нао-
борот, обычно функционируют в катаболических
путях, расщепляющих питательные вещества на
более простые молекулы. Так как клетка синте-
зирует соответствующие ферменты только при
наличии питательных веществ, она не расходует
энергию и молекулы-предшественники на синтез
ненужных белков.
Регуляция trp- и /яс-оперонов представляет со-
бой пример отрицательной регуляции генов, так
как опероны выключаются активной формой бел-
ка-репрессора. Более очевидно, почему это опре-
деление используется для frp-оперона, однако оно
верно и для /ас-оперона. Аллолактоза индуцирует
синтез ферментов не с помощью прямой актива-
ции /ас-оперона, а тем, что освобождает его от не-
гативного эффекта репрессора. Регуляция генов
называется положительной только в том случае,
когда регуляторный белок напрямую взаимодей-
ствует с геномом, включая транскрипцию.
Рис. 18.4. Lac-оперон Е со//: регуляция синтеза индуцируе-
мых ферментов. Е. coli использует три фермента, чтобы усваи-
вать лактозу; их гены собраны в /ас-оперон. Первый ген, lacZ,
кодирует р-галактозидазу, которая гидролизирует лактозу до
глюкозы и галактозы. Вто-
рой, lacY, кодирует пер-
меазу, мембранный белок,
транспортирующий лакто-
зу в клетку. Третий, /асА,
кодирует трансацетилазу,
функция которой в метабо-
лизме лактозы неизвестна.
Интересно, что ген /ас-
репрессора, /ас/, примы-
кает к /ас-оперону; функ-
ция бирюзового участка
внутри промотора будет
показана на рис. 18.5
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 483
Положительная регуляция генов
Когда в окружающей среде присутствуют и
глюкоза, и лактоза, Е. coli преимущественно ис-
пользует глюкозу. Ферменты, необходимые для
расщепления глюкозы в процессе гликолиза
(рис. 9.9 в главе 9), постоянно присутствуют в клет-
ке. Е. coli использует лактозу в качестве энергети-
ческого ресурса, только когда глюкоза находит-
ся в дефиците. В этом случае клетка синтезирует
ощутимые количества ферментов для расщепле-
ния лактозы.
Каким образом клетки Е. coli чувствуют кон-
центрацию глюкозы и передают эту информацию
/дс-оперону? Данный механизм также основан на
взаимодействии аллостерического регуляторно-
го белка с небольшой органической молекулой, в
данном случае, циклическим АМФ (цАМФ), ко-
торая накапливается, когда глюкоза находится в
дефиците (строение цАМФ можно посмотреть на
рис. 11.11 в главе 11). Регуляторный белок САР (от
англ, catabolite activator protein — “белок, активи-
рующий катаболитные опероны”) является акти-
ватором, т.е. белком, который связывается с ДНК
и стимулирует транскрипцию гена. Когда цАМФ
связывается с белком САР, белок принимает ак-
тивную форму, в которой он может присоеди-
няться к специфическому сайту в верхней части
/яс-промотора (рис. 18.5, а). Это присоединение по-
вышает сродство РНК-полимеразы к промотору,
которое, на самом деле, является достаточно низ-
ким, даже если к оператору не присоединен ре-
прессор. Облегчая связывание РНК-полимеразы
с промотором и таким образом вызывая повыше-
ние уровня транскрипции, присоединение САР
к промотору напрямую стимулирует экспрессию
генов. Поэтому этот механизм квалифицируется
как положительная регуляция.
Когда количество глюкозы в клетке повыша-
ется, концентрация цАМФ падает; в отсутствие
цАМФ САР отделяется от оперона. Поскольку
САР находится в неактивном состоянии, РНК-по-
лимераза связывается с промотором менее эф-
фективно, и транскрипция /яс-оперона осущест-
вляется на низком уровне, даже если лактоза
присутствует в клетке (рис. 18.5, б). Таким образом,
/дс-оперон находится под двойным контролем:
отрицательным контролем /яс-репрессора и поло-
жительным — с помощью САР. Состояние 1ас-ре-
прессора (с присоединенной аллолактозой или
без нее) определяет уровень транскрипции в слу-
чае, если оперон свободен от репрессора. Это
можно уподобить тому, как если бы оперон имел
и переключатель “включение-выключение”, и “ре-
гулятор громкости”.
Промотор
ДНК
цАМФ
Оператор
Неактивный
/ас-репрессор
РНК-полимераза
связывается
Активный и транскрибирует
САР
Неактивный
САР ’
Аллолактоза
а) Лактоза присутствует, глюкоза в дефиците (уровень цАМФ
высокий): мРНК /ос синтезируется в большом количестве.
Если глюкоза в дефиците, высокий уровень цАМФ активирует
САР, и 1ас-оперон продуцирует большое количество мРНК,
кодирующей ферменты лактозного пути.
Сайт связывания
с САР
Промотор
----л-------\
4 Оператор
РНК полимераза свя-
зывается с меньшей
вероятностью
Неактивный Z ч { Неактивный
и /ас-репрессор
б) Лактоза присутствует, глюкоза присутствует (уровень цАМФ
низкий): синтезируется небольшое количество /ос мРНК.
Когда присутствует глюкоза, цАМФ находится в дефиците,
и САР неспособен стимулировать транскрипцию на доста-
точном уровне, даже если репрессор не присоединен.
Рис. 18.5. Положительный контроль /ас-оперона с помо-
щью белка-активатора САР РНК-полимераза имеет высо-
кое сродство к /ас-промотору только в случае, когда к сайту
ДНК в дистальной части промотора присоединен САР. САР,
в свою очередь, присоединяется к сайту ДНК, только когда
связан с циклическим АМФ (цАМФ), чья концентрация повы-
шается с падением уровня глюкозы. Таким образом, при на-
личии глюкозы, даже если лактоза доступа, клетка преиму-
щественно катаболизирует глюкозу и синтезирует крайне
мало ферментов расщепления лактозы
Помимо контроля работы /яс-оперона, САР
участвует в регуляции других оперонов, коди-
рующих ферменты путей катаболизма. В общей
сложности он может оказывать влияние более
чем на 100 генов Е. coli. При избытке глюкозы и
неактивном САР синтез ферментов, расщепля-
ющих не глюкозу, а другие соединения, как пра-
вило, снижается. Способность катаболизировать
другие соединения, такие как лактоза, позволяет
484 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
выживать лишенной глюкозы клетке. Вещества,
присутствующие в данный момент в клетке, опре-
деляют, какие опероны находятся во включенном
состоянии, посредством простых взаимодействий
белков активаторов и репрессоров с промотора-
ми генов, отвечающих за тот или иной катаболи-
ческий путь.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 18.1
Каким образом связывание корепрессора trp с его ре-
прессором изменяет функционирование репрессора и
транскрипцию? А как связывание /ас-индуктора с его ре-
прессором влияет на репрессор и транскрипцию?
Опишите связывание РНК-полимеразы, репрессоров и ак-
тиваторов с /ас-опероном при дефиците глюкозы и лактозы.
Каким образом данный дефицит ресурсов влияет на транс-
крипцию /ас-оперона?
1 Определенная мутация Е. coli изменяет
/ас-оперон таким образом, что активный репрессор теряет
способность связываться с опероном. Как это повлияет на
синтез клеткой р-галактозидазы?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
18.2. Экспрессия генов
у эукариот регулируется
на многих уровнях
Все организмы, прокариотические и эукарио-
тические, должны регулировать набор генов, ко-
торый экспрессируется в тот или иной момент.
Как одноклеточные, так и многоклеточные орга-
низмы постоянно включают и выключают гены
в ответ на сигналы, получаемые как из внешней,
так и из внутренней среды. Регуляция экспрес-
сии генов также необходима при специализации
клеток в ходе развития многоклеточных организ-
мов, состоящих из различных типов тканей. Что-
бы выполнять свою особую роль, каждому типу
клеток необходимо поддерживать определенный
профиль генной экспрессии, в котором одни гены
экспрессируются, а другие — нет.
Дифференциальная экспрессия генов
В произвольный момент времени типичная
клетка человека экспрессирует около 20% генов,
кодирующих белки. Дифференцированные клет-
ки, такие как мышечные или нервные, экспрес-
сируют даже меньший процент своих генов. Поч-
ти все клетки многоклеточного организма несут в
себе идентичный геном (единственное исключе-
ние — клетки иммунной системы). Тем не менее
набор экспрессируемых генов в клетках каждого
типа уникален, что позволяет разным типам кле-
ток выполнять свои функции. Таким образом,
различия между клетками разных типов обуслов-
лены не набором присутствующих в клетке генов,
а дифференциальной экспрессией генов, т.е. экс-
прессией различных генов в клетках с одинако-
вым геномом.
Функция любой клетки — одноклеточного
эукариота или клетки определенной ткани в мно-
гоклеточном организме — зависит от соответ-
ствующего набора экспрессируемых генов. Транс-
крипционные факторы клетки должны находить
нужные гены в нужное время — задача, сравни-
мая с поиском иголки в стоге сена. Нарушения в
экспрессии генов чреваты серьезными неисправ-
ностями и болезнями, включая рак.
На рис. 18.6 обобщен процесс экспрессии ге-
нов в эукариотической клетке, выделяя ключе-
вые этапы в экспрессии генов, кодирующих бел-
ки. Каждый этап, изображенный на рис. 18.6, — это
потенциальная точка контроля, в ходе которой
экспрессия гена может быть включена или вы-
ключена, усилена или снижена.
Около пятидесяти лет назад понимание меха-
низмов контроля экспрессии генов эукариот каза-
лось почти недостижимым. С тех пор новые мето-
ды исследований, особенно достижения в области
ДНК-технологии (см. главу 20), позволили моле-
кулярным биологам раскрыть множество деталей
регуляции экспрессии генов у эукариот. Экспрес-
сия генов обычно регулируется на уровне транс-
крипции у всех организмов; регуляция на этой
стадии часто возникает в ответ на такие сигналы
окружающей среды, как гормоны или другие сиг-
нальные молекулы. По этой причине термин экс-
прессия генов часто приравнивается к транскрип-
ции как для бактерий, так и для эукариот. Для
бактерий это зачастую справедливо, однако вы-
сокая сложность строения и функционирования
эукариотической клетки позволяет ей также ре-
гулировать экспрессию генов на многих дополни-
тельных стадиях (см. рис. 18.6). В оставшейся части
этого раздела мы более подробно рассмотрим не-
которые важные точки контроля экспрессии ге-
нов у эукариот.
Регуляция структуры хроматина
Напомним, что ДНК в эукариотической клет-
ке упакована с помощью белков в сложный ком-
плекс, называемый хроматином, базовой едини-
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 485
цей которого является нуклеосома (см. рис. 16.22 в
главе 16). Структурная организация ДНК в хро-
матине не только позволяет упаковать ее внутри
ядра клетки, но и способствует регуляции экс-
прессии генов несколькими способами. На транс-
крипцию гена может оказывать влияние располо-
жение промотора по отношению к нуклеосомам
Сигнал
ЦИТОПЛАЗМА
мРНК в цитоплазме
Трансляция
Деградация
белка
Деградация
мРНК
Транспорт в точку
назначения в клетке
Функция, выполняемая
в клетке (например,
структурная или
каталитическая)
Процессинг белка
и к сайтам прикрепления ДНК к хромосомному
каркасу. Кроме того, гены в гетерохроматине, ко-
торый сильно конденсирован, обычно не экспрес-
сируются. Наконец, определенные химические
модификации гистоновых белков и ДНК могут
влиять на структуру хроматина и экспрессию ге-
нов. Здесь мы рассмотрим эффекты данных моди-
фикаций, катализируемых специфическими фер-
ментами.
Модификации гистонов и метилирование ДНК
Существует множество подтверждений того,
что химические модификации гистонов — белков,
вокруг которых закручена ДНК в нуклеосомах, —
непосредственно участвуют в регуляции транс-
крипции генов. Так, N-конец каждой молекулы
гистонов в нуклеосоме торчит наружу из нуклео-
сомной глобулы (рис. 18.7,а).
Эти гистоновые хвосты доступны для раз-
личных модифицирующих ферментов, катализи-
рующих присоединение или удаление специфи-
ческих химических групп, таких как ацетильная
(-COCHJ, метильная и фосфатная группы. Как
правило, ацетилирование гистонов стимулирует
транскрипцию, освобождая доступ к хроматино-
вой структуре (рис. 18.7, б), а добавление метильных
групп может приводить к конденсации хроматина
и снижению уровня транскрипции.
В то время как одни ферменты метилируют
хвосты гистоновых белков, другой набор фер-
ментов может метилировать определенные осно-
вания в самой ДНК, обычно цитозины. Такое ме-
тилирование ДНК встречается у большинства
растений, животных и грибов. Длинные участки
неактивной ДНК, как, например, инактивирован-
ная Х-хромосома млекопитающих (см. рис. 15.8),
обычно более метилированы, чем области актив-
но транскрибируемой ДНК. В меньшем масштабе,
◄ Рис. 18.6. Этапы экспрессии генов, которые могут быть вовле-
чены в регуляцию в эукариотических клетках. На этом рисунке
цветные прямоугольники показывают наиболее часто регули-
руемые процессы; каждый цвет указывает на тип затронутой
молекулы (голубой — ДНК, красный/оранжевый — РНК, фио-
летовый — белок). В эукариотической клетке ядерная обо-
лочка разделяет транскрипцию и трансляцию в пространстве
и во времени, обеспечивая возможность пост-транскрипци-
онного контроля в виде процессинга РНК, отсутствующего
у прокариот. В дополнение к этому эукариоты располагают
большим разнообразием механизмов контроля до транс-
крипции и после трансляции. Экспрессия любого гена, тем
не менее не обязательно включает в себя каждый из показан-
ных этапов; например, во время процессинга некоторые (но
не все) белки расщепляются
486 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
МОДИФИКАЦИЯ
ХРОМАТИНА
4
ТРАНСКРИПЦИЯ
4
ПРОЦЕССИНГРНК
ДЕГРАДАЦИЯ ГРАНСЛЯЦИЯ
мРНК |
ПРОЦЕССИНГ
И ДЕГРАДАЦИЯ БЕЛКА
Гистоновые
хвосты
Аминокислоты,
доступные для
модификации
ДНК
Двойная
спираль ДНК
Ацетильные
группы
Ацетилированные гистоны
Нуклеосома
(вид с торца)
] а) Гистоновые хвосты выступают нару-
жу из нуклеосомы. Аминокислоты
в гистоновых хвостах доступны для
химической модификации.
Неацетилированные
гистоны (вид сбоку)
б) Ацетилирование гистоновых хвостов способствует разруше-
нию хроматиновой структуры, создавая условия для тран-
скрипции. Область хроматина, содержащая неацетилиро-
ванные нуклеосомы, образует компактные структуры (слева),
в которых ДНК транскрибироваться не может. Если же нуклео-
сомы преимущественно ацетилированы (справа), то хроматин
становится менее компактным, и ДНК становится доступной
для транскрипции.
Рис. 18.7. Простая модель гистоновых хвостов и эффект ацетилирования гистонов. Помимо ацетилирования гистоны могут подвер-
гаться нескольким другим видам модификаций, которые также влияют на конфигурацию хроматина в данной области
индивидуальные гены обычно сильнее метили-
рованы в тех клетках, в которых они не экспрес-
сируются. Снятие дополнительных метильных
групп может включить некоторые из этих генов.
Как правило, когда гены метилируются, они
остаются в таком состоянии после всех последую-
щих клеточных делений в течение жизни организ-
ма. В тех сайтах ДНК, где одна цепь уже метили-
рована, ферменты метилируют соответствующую
дочернюю цепь после каждого раунда реплика-
ции. В результате происходит поддержание пат-
тернов метилирования, а клетки специализиро-
ванных тканей сохраняют химическую запись о
том, что произошло во время их эмбрионального
развития. Сохраненные таким образом паттерны
метилирования являются основой геномного им-
Проксимальные
Энхансер (группа дистальных регуляторные Сайт начало Поли-А сигнальная Область
слируемая слируемая хвост
область область
Рис. 18.8. Эукариотический ген и его транскрипт. Каждый эукариотический ген имеет промотор — последовательность ДНК, с кото-
рой связывается РНК-полимераза и где она начинает синтез, продвигаясь “вниз по течению". В регуляцию инициации транскрипции
вовлечен ряд управляющих элементов (оранжевые); эти последовательности ДНК могут располагаться рядом (проксимально) или
далеко (дистально) от промотора. Дистальные регуляторные элементы могут быть сгруппированы вместе в виде энхасеров, один
из которых показан для этого гена. Сигнальная последовательность для полиаденилирования (поли(А)) в последнем экзоне гена
транскрибируется в РНК-последовательность, обозначающую место обрезания транскрипта и добавления поли(А)-хвоста. После
поли(А)-сигнала транскрипция может продолжаться сотни нуклеотидов до терминации. Процессинг первичного РНК-транскрипта
в функциональную мРНК включает в себя три стадии: присоединение 5'-кэпа и поли(А)-хвоста и сплайсинг. В клетке 5'-кэп добав-
ляется вскоре после инициации транскрипции, а сплайсинг начинается, когда транскрипция еще идет полным ходом (рис. 17.10)
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 487
принтинга у млекопитающих, когда метилирова-
ние непрерывно регулирует экспрессию либо ма-
теринского, либо отцовского аллеля отдельных
генов в начале развития конкретного эмбриона
(см. рис. 15.17).
Эпигенетическое наследование
Модификации хроматина, которые мы толь-
ко что обсудили, не вызывают изменений в по-
следовательности ДНК; тем не менее они могут
передаваться следующим поколениям клеток.
Наследование признаков, не зависящее от после-
довательности нуклеотидов как таковой, назы-
вается эпигенетическим наследованием. Если
мутации в последовательности ДНК являются не-
обратимыми изменениями, то модификации хро-
матина — обратимы. Например, большинство
паттернов ДНК метилирования удаляются и зано-
во создаются в ходе гаметогенеза.
У исследователей накапливается все больше
свидетельств того, насколько важна эпигенетиче-
ская информация для регуляции экспрессии ге-
нов. Эпигенетические изменения могут помочь
объяснить, почему у одного из однояйцевых близ-
нецов возникает генетически обусловленное за-
болевание, например, шизофрения, а у второго —
нет, несмотря на идентичные геномы. Изменения
нормального паттерна метилирования ДНК най-
дены при некоторых видах рака, в которых они
ассоциированы с неправильной экспрессией ге-
нов. Очевидно, что ферменты, модифицирующие
хроматиновую структуру — это неотъемлемая
часть аппарата регуляции транскрипции в эука-
риотической клетке.
Регуляция инициации транскрипции
Ферменты, модифицирующие хроматин, обе-
спечивают первоначальный контроль экспрес-
сии генов, делая участки ДНК более или менее
способными связываться с транскрипционным
аппаратом. Когда хроматин того или иного гена
оптимально модифицирован для его экспрес-
сии, следующим значимым этапом, на котором
регулируется экспрессия гена, является иници-
ация транскрипции. Как и у бактерий, регуля-
ция инициации транскрипции у эукариот затра-
гивает белки, связывающиеся с ДНК, которые
либо способствуют, либо препятствуют прикре-
плению РНК-полимеразы. Однако у эукариот
данный процесс намного более сложный. Перед
тем, как мы перейдем к рассмотрению регуляции
транскрипции эукариотической клеткой, давайте
изучим структуру типичного эукариотического
гена и его транскрипта.
Организация типичного
эукариотического гена
На рис. 18.8 показана типичная организация
эукариотического гена и регулирующих его эле-
ментов (сегментов) ДНК. Он позволяет допол-
нить ваши знания об эукариотическом гене, по-
лученные в главе 17.
Напомним, что кластер белков, называемый
комплексом инициации транскрипции, собирает-
ся на промоторной последовательности в верхней
части гена. Один из этих белков, РНК-полимера-
за II, затем начинает транскрибировать ген, син-
тезируя первичный РНК-транскрипт (преРНК).
Процессинг РНК включает в себя ферментативное
присоединение 5'-кэпа и поли(А)-хвоста, а также
сплайсинг интронов и завершается образовани-
ем зрелой мРНК. Большинство эукариотических
генов взаимодействует с многочисленными регу-
ляторными элементами — фрагментами неко-
дирующей ДНК, образующими сайты связывания
для белков, которые регулируют транскрипцию
и называются факторами транскрипции. Регуля-
торные элементы и транскрипционные факторы,
связывающиеся с ними, необходимы для точной
регуляции экспрессии генов в различных типах
клеток.
Роль транскрипционных факторов
Эукариотическая РНК-полимераза нуждается
в помощи транскрипционных факторов для ини-
циации транскрипции. Некоторые транскрипци-
онные факторы (часть из них показана на рис. 17.8)
необходимы для транскрипции всех генов, коди-
рующих белки, поэтому они часто называются
общими транскрипционными факторами. Неко-
торые общие транскрипционные факторы связы-
ваются с последовательностями ДНК, такими как
ТАТА-бокс в промоторе, однако большинство
связывается с белками, в том числе с другими
транскрипционными факторами и РНК-полиме-
разой II. Белок-белковые взаимодействия крайне
важны для инициации транскрипции у эукари-
от. Только когда собран полный комплекс ини-
циации транскрипции, полимераза может начать
движение по кодирующей цепи ДНК, синтезируя
комплементарную цепь РНК.
Взаимодействие общих транскрипционных фак-
торов и РНК-полимеразы II с промотором обычно
приводит к низкой скорости инициации и синтезу
488 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
небольшого количества РНК-транскриптов. У эу-
кариот высокий уровень транскрипции определен-
ных генов в нужное время и в нужном месте зави-
сит от взаимодействия регуляторных элементов
с другим набором белков, которые можно назвать
специфическими транскрипционными факторами.
Энхансеры и специфические транскрипци-
онные факторы. На рис. 18.8 видно, что отдельные
регуляторные элементы, называемые проксималь-
ными регуляторными элементами, располагаются
вплотную к промотору (некоторые биологи рас-
сматривают проксимальные регуляторные эле-
менты как часть промотора, но в этой книге мы не
будем принимать во внимание эту точку зрения).
Более отдаленные дистальные регуляторные эле-
менты, группы которых называют энхансерами
(от англ, enhance — “усиливать”), могут находить-
ся на расстоянии тысячи нуклеотидов выше или
ниже гена или даже внутри интронов. Один ген
может иметь несколько энхансеров, каждый из
которых активен в свое время, в своем типе кле-
ток или месте в организме. Однако каждый энхан-
сер обычно связан только с одним геном и ни с
каким другим.
У эукариот уровень экспрессии гена может
быть значительно повышен или понижен путем
связывания специфических транскрипционных
факторов — либо активаторов, либо ингибито-
ров — с регуляторными элементами энхансеров.
Открыты уже сотни активаторов транскрип-
ции эукариот; структура одного из них показана
на рис. 18.9.
Рис. 18.9. Структура активатора MyoD. Белок MyoD состоит из
двух субъединиц (фиолетовая и розовая) с большими участ-
ками а-спирали. Каждая субъединица имеет один ДНК-свя-
зывающий домен и один активирующий домен. Последний
включает в себя сайты связывания с другой субъединицей и с
другими белками. MyoD вовлечен в развитие мышц у эмбрио-
нов позвоночных (см. раздел 18.4 ниже в этой главе)
Исследователи обнаружили два типа струк-
турных доменов, которые обычно имеются у мно-
гих белков-активаторов. Первый — ДНК-свя-
зывающий домен — представляет собой часть
трехмерной структуры белка, которая связывает-
ся с ДНК; второй домен — активирующий. Акти-
вирующие домены связывают другие регулятор-
ные белки или компоненты транскрипционного
аппарата, способствуя ряду белок-белковых взаи-
модействий, что приводит к повышенной транс-
крипции определенного гена. Транскрипционный
фактор может иметь один или большее число до-
менов разных типов.
На рис. 18.10 показана современная модель того,
как связывание активаторов с энхансером, уда-
ленным от промотора, может влиять на транс-
крипцию.
Считается, что изгибание ДНК, опосредо-
ванное белками, позволяет активаторам контак-
тировать с группой белков-посредников, кото-
рые, в свою очередь, взаимодействуют с белками
на промоторе. Эти белок-белковые взаимодей-
ствия помогают комплексу инициации собраться
и расположиться на промоторе. Данную модель
подтверждают многие исследования: например,
белок-регулятор гена глобина у мыши контакти-
рует как с промотором гена, так и с энхансером,
располагающимся на расстоянии 50 000 нуклео-
тидов. Белковые взаимодействия позволяют этим
двум участкам ДНК оказываться рядом в очень
специфическом положении, несмотря на огром-
ное количество пар нуклеотидов между ними.
В рубрике “Развиваем исследовательские навыки”
вы сможете поработать с данными эксперимента
по поиску регуляторных элементов в энхансере
одного из человеческих генов.
Специфические транскрипционные факторы,
выполняющие роль репрессоров, могут инги-
бировать экспрессию гена несколькими разны-
ми способами. Некоторые репрессоры связы-
ваются напрямую с регуляторными элементами
(в энхансерах или где-нибудь еще), блокируя
связывание активаторов. Другие репрессоры
взаимодействуют с активаторами, мешая им свя-
зываться с ДНК.
Кроме прямого влияния на транскрипцию,
некоторые активаторы и репрессоры изменяют
структуру хроматина. Исследования на клетках
дрожжей и млекопитающих показывают, что не-
которые активаторы привлекают белки, ацетили-
рующие гистоны вблизи промоторов генов, таким
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 489
МОДИФИКАЦИЯ
ХРОМАТИНА
I
ТИЫСХИЦЩИЯ
4
ПРОЦЕССИНГ РЖ
АГРАДАЦИЯ
мРН"
I ТРАНС^ЦЛЯ
I
ПРОЦЕССИНГ
И Д ЕГРАДАЦИЯ БЕЛКА
О Белки-активаторы связыва-
ются с дистальными регулятор-
ными элементами, сгруппиро-
ванными в энхансерной после-
довательности ДНК. Данный
энхансер имеет три сайта
связывания, каждый из которых
называется дистальным
регуляторным элементом.
ДНК
Активаторы
£
Энхансер
Дистальный
регуляторный
элемент
Промотор
ТАТА-бокс
0 ДНК-изгибающий белок
перемещает связанные
активаторы ближе к про-
мотору Общие транскрип-
ционные факторы, белки-
посредники и РНК-
полимераза II распола-
гаются рядом.
ДНК-изгибаю-
щий белок
Общие транскрип-
ционные факторы
посредников
Q Активаторы связываются
со специфическими
белками-посредниками,
помогая им образовать
на промоторе активный
комплекс инициации
транскрипции.
инициации
транскрипции
Рис. 18.10. Модель работы энхасенров и активаторов транскрипции. Изгиб ДНК с помощью белков позволяет энхансерам влиять на
промотор в сотнях и даже тысячах нуклеотидов от них. Специфичные транскрипционные факторы, называемые активаторами, свя-
зываются с последовательностями энхансеров, а затем — с группой белков-посредников, которые, в свою очередь, связываются
с общими транскрипционными факторами и, в конечном счете, с РНК-полимеразой II, собирая комплекс инициации транскрипции.
Эти белок-белковые взаимодействия способствуют правильному размещению комплекса на промоторе и инициации синтеза РНК.
Здесь показан только один энхансер (с тремя элементами желтого цвета), однако ген может иметь несколько энхансеров, дей-
ствующих в разное время или в различных типах клеток
образом содействуя транскрипции (см. рис. 19.7).
Сходным образом некоторые репрессоры привле-
кают белки, удаляющие ацетильные группы с ги-
стонов, что приводит к снижению уровня транс-
крипции; этот феномен известен как сайленсинг
(от англ, silencer — “глушитель”). На самом деле
привлечение белков, модифицирующих хрома-
тин, скорее всего, является самым распростра-
ненным механизмом репрессии в эукариотиче-
ских клетках.
490 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Днали^ экспериментов с делениями ‘ЪНК
Какие регуляторные элемен-
ты влияют на экспрессию
гена mPGES-1? Промотор
гена представляет собой по-
следовательность ДНК непо-
средственно рядом с сай-
том начала транскрипции, в
то время как регуляторные
элементы, изменяющие
уровень транскрипции
данного гена, собранные
в энхансер, могут нахо-
диться на расстоянии ты-
сяч пар нуклеотидов от промотора. Посколь-
ку расстояние между регуляторными элементами затрудняет их
поиск, ученые начали с удаления предполагаемых регуляторных
элементов и измерения эффекта такого действия на экспрессию
гена. В этом упражнении вы проанализируете данные, получен-
ные в экспериментах с делециями для тестирования возможных
регуляторных элементов гена mPGES-1 человека. Этот ген коди-
рует фермент, синтезирующий один из типов простагландинов —
веществ, выделяемых при воспалительных процессах.
Проведение эксперимента. Исследователи предположили,
что в энхансерной области, расположенной на расстоянии
8-9 тысяч пар оснований (т.п.о.) “выше" гена mPGES-1, есть три
возможных регуляторных элемента. Регуляторные элементы
контролируют любые гены, находящиеся в области “ниже" их
самих. Для проверки активности этих элементов ученые спер-
ва синтезировали молекулы ДНК (“конструкции") с исходным
энхансерным участком выше так называемого “репортерного
гена", т.е. гена, количество мРНК-продукта которого можно лег-
ко измерить экспериментально. Далее они синтезировали еще
три ДНК-конструкции, в каждой из которых удаляли по одному из
трех предполагаемых регуляторных элементов (левая сторона
рисунка). Затем исследователи ввели каждую из ДНК-конструк-
ций в разные культуры клеток человека; так искусственные моле-
кулы ДНК попали внутрь клеток. Спустя 48 часов было измерено
количество мРНК репортерного гена. Сравнение этого показа-
теля позволило ученым выяснить, какой эффект имели делеции
на экспрессию репортерного гена. Этот эффект должен соот-
ветствовать эффекту, который делеции оказали бы и на экспрес-
сию гена mPGES-1 (сам ген mPGES-1 не мог быть использован для
измерения уровня экспрессии, так как клетка экспрессирует
собственный ген mPGES-1, мРНК которого создавала бы путани-
цу в результатах).
Полученные экспериментальные данные. Диаграмма в левой
части рисунка показывает исходную последовательность ДНК
(сверху) и три экспериментальных ДНК-конструкции. Красный
«X» поставлен на предполагаемом регуляторном элементе
(1, 2 или 3), который был удален в данных экспериментальных
ДНК конструкциях. Область между косыми чертами содержит
около 8000 пар оснований (часто их называют килобазами —
от англ, kilobase pairs), находящихся между промотором и эн-
хансерным регионом. Горизонтальная столбчатая диаграмма
справа показывает количество мРНК репортерного гена, при-
сутствующей в каждой клеточной культуре через 48 часов, по
сравнению культурой, содержащей исходный энхансерный
регион (верхний столбец = 100%).
Энхансер
с возможными
регуляторными Репор-
элементами герный
J Промотор ген
© 2012 The Biochemical Society
Относительное количество
мРНК репортерного гена
(% от контроля)
Анализ данных.
1. а) Что является независимой переменной на этом графике
(какую переменную варьировали ученые)? б) Что является
зависимой переменной (какая переменная реагировала на
изменения независимой переменной)? в) Что является кон-
тролем в этом эксперименте? Отметьте его на диаграмме.
2. Говорят ли полученные данные о том, что предполагаемые ре-
гуляторные элементы на самом деле являются регуляторными
элементами? Объясните.
3. а) Вызывает ли делеция какого-либо предполагаемого ре-
гуляторного элемента снижение экспрессии репортерного
гена? Если да, то какого (каких) именно и как вы можете это
определить? б) Если потеря регуляторного элемента вызы-
вает снижение экспрессии гена, то какой должна быть нор-
мальная функция этого регуляторного элемента?
4. а) Вызывает ли делеция какого-либо предполагаемого регу-
ляторного элемента увеличение экспрессии репортерного
гена по сравнению с контролем? Если да, то какого(их) имен-
но и как вы можете это определить? б) Если потеря регуля-
торного элемента вызывает увеличение экспрессии гена, то
какой должна быть нормальная функция этого регуляторного
элемента? Предложите биологическое объяснение того, как
утрата регуляторного элемента может приводить к увеличе-
нию экспрессии гена.
Источник данных: J. N. Walters et al., Regulation of human microso-
mal prostaglandin E synthase-1 by IL-1b requires a distal enhancer
element with a unique role for C/EBPb, Biochemical Journal 443:561-
571 (2012)
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 491
Комбинаторный контроль активации генов.
У эукариот регуляция транскрипции во многом
зависит от связывания активаторов с регулятор-
ными элементами ДНК. Учитывая то огромное
число генов, экспрессию которых необходимо ре-
гулировать в типичной животной или раститель-
ной клетке, мы обнаруживаем удивительно ма-
лое количество принципиально отличных друг
от друга по нуклеотидным последовательностям
регуляторных элементов. Около дюжины корот-
ких последовательностей нуклеотидов постоянно
встречается в регуляторных элементах различных
генов. В среднем, каждый энхансер состоит из де-
сяти регуляторных элементов, каждый из кото-
рых может связывать только один или два специ-
фических фактора транскрипции. Важную роль
в регуляции транскрипции гена играет не нали-
чие одного уникального регуляторного элемента,
а особое, связанное с геном сочетание регулятор-
ных элементов в энхансере.
Даже десяток последовательностей регулятор-
ных элементов может создать очень большое ко-
личество комбинаций. Каждая комбинация ре-
гуляторных элементов будет иметь возможность
активировать транскрипцию только в присут-
ствии соответствующих активаторных белков;
последнее может происходить в определенное
время в процессе развития или в конкретном
типе клеток. На рис. 18.11 показано, как использо-
вание различных комбинаций нескольких регу-
ляторных элементов может привести к диффе-
ренциальной регуляции транскрипции в клетках
двух представленных типов — печени и хру-
сталика. Эта регуляция возможна потому, что
каждый тип клеток содержит свою особенную
группу активаторных белков. Хотя все клетки за-
родыша возникают из одной клетки (оплодотво-
ренной яйцеклетки), разнообразные процессы в
ходе эмбрионального развития приводят к фор-
мированию различных смесей белков-активато-
ров в каждом типе клеток. То, как формируются
различия между типами клеток во время диф-
ференциации, будет рассмотрено в разделе 18.4
ниже в этой главе.
ДНК в обоих типах
клеток содержит
гены альбумина
и кристаллина
Регуляторные
элементы
Рис. 18.11. Специфическая транскрипция в клет-
ках определенного типа. И клетки печени, и клет-
ки хрусталика несут гены белков альбумина и кри-
сталлина, однако только клетки печени синтезируют
альбумин (белок крови) и только клетки хрустали-
ка — кристаллин (главный белок хрусталика глаза).
Специфические факторы транскрипции, синтезиру-
емые клеткой, определяют, какие гены экспрессиру-
ются. В этом примере гены альбумина и кристаллина
показаны сверху, каждый со своим энхансером, со-
ЯДРО КЛЕТКИ ПЕЧЕНИ
л Доступные ф
- активаторы
ЯДРО КЛЕТКИ ХРУСТАЛИКА
Доступные
активаторы
Ф О
Ген альбумина
экспрессируется
_________И__ / /
у 1 и;'н z//u-i-
Ген кристаллина
не экспрессируется
б) Клетка хрусталика. Ген кристаллина эк-
спрессируется, а ген альбумина — нет.
а) Клетка печени. Ген альбумина экспрес-
сируется, а ген кристаллина — нет.
стоящим из трех разных регуляторных
элементов. Хотя оба энхансера несут
в себе серый регуляторный элемент,
каждый из них имеет уникальную ком-
бинацию элементов. Все белки-акти-
ваторы, необходимые для экспрессии
альбумина на высоком уровне, присут-
ствуют только в клетках печени (а), тогда
как активаторы, необходимые для экс-
прессии кристаллина имеются только
в клетках хрусталика (б). Для просто-
ты мы рассматриваем влияние только
специфических факторов транскрип-
ции, которые в данном примере выпол-
няют роль активаторов, но репрессоры
также могут влиять на транскрипцию в
разных типах клеток
1 Опишите энхансер для гена альбу-
мина в каждом из типов клеток. Как нук-
леотидная последовательность этого
энхансера выглядит в клетке печени по
сравнению с клеткой хрусталика?
492 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
Согласованный контроль экспрессии
генов эукариот
Как эукариотическая клетка разбирается с
группой функционально связанных генов, кото-
рые должны быть включены или выключены в
одно и то же время? Ранее в этой главе вы узна-
ли, что у бактерий такие согласовано контроли-
руемые гены часто группируются в оперон, кото-
рый регулируется с помощью одного промотора и
транскрибируется в одной молекуле мРНК. Бла-
годаря этому гены экспрессируются совместно,
и кодируемые ими белки производятся одновре-
менно. Опероны, работающие таким образом, за
редким исключением, не были найдены в эукарио-
тических клетках.
Коэкспрессируемые эукариотические гены, та-
кие как гены, кодирующие ферменты одного ме-
таболического пути, как правило, разбросаны по
разных хромосомам. В таком случае согласован-
ная экспрессия генов зависит от связывания кон-
кретной комбинации регуляторных элементов с
каждым геном этой дисперсной группы. Актива-
торные белки, распознающие регуляторные эле-
менты в ядре, связываются с ними, способствуя
одновременной транскрипции генов, независимо
от того, где эти гены находятся в геноме.
Согласованный контроль дисперсной группы
генов в эукариотической клетке часто возникает
в ответ на химические сигналы, приходящие из-
вне клетки. Например, стероидный гормон вхо-
дит в клетку и связывается со специфическим
внутриклеточным рецепторным белком, образуя
комплекс гормон-рецептор, который служит ак-
тиватором транскрипции (см. рис. 11.9 в главе 11).
Каждый ген из группы генов, транскрипция ко-
торых стимулируется определенным стероидным
гормоном, независимо от расположения гена на
хромосомах, имеет регуляторный элемент, рас-
познаваемый комплексом этого гормона с клеточ-
ным рецептором. Именно таким образом эстро-
ген активирует группу генов, стимулирующих
деление клеток в матке, подготавливая ее к бере-
менности.
Многие сигнальные молекулы, такие как несте-
роидные гормоны и факторы роста, связываются с
рецепторами на поверхности клетки и никогда не
проникают внутрь. Такие молекулы могут контро-
лировать экспрессию генов опосредованно, через
активацию сигнальных путей, которые приводят
к активации специфических активаторов или ре-
прессоров транскрипции (см. рис. 11.15 в главе 11).
Согласованная регуляция таких путей похожа
на регуляцию стероидными гормонами: гены со
сходными наборами регуляторных элементов ак-
тивируются одними и теми же химическими сиг-
налами. Поскольку система координированной
регуляции генов весьма широко распространена,
ученые считают, что она, вероятно, возникла в на-
чале эволюционной истории.
Архитектура ядра и экспрессия генов
На рис. 16.23, б, (глава 16) вы видели, что ка-
ждая хромосома в ядре занимает отдельную тер-
риторию. Однако хромосомы не полностью изо-
лированы. В последнее время были разработаны
методики, которые позволяют исследователям
сшивать и идентифицировать участки хромосом,
которые взаимодействуют друг с другом во вре-
мя интерфазы. Эти работы показывают, что пет-
ли хроматина простираются от отдельных хромо-
сомных территорий в определенные места в ядре
(рис. 18.12).
Хромосомы
в интерфазном ядре
(флуоресцентная микрофотография)
5 мкм
Хромосомная
территория
ipOHC'KpHI |циимния
фабрика
Рис. 18.12. Хромосомные взаимодействия в интерфазном
ядре. Несмотря на то. что у каждой хромосомы есть своя
территория (рис. 16.23, б в главе 16), хроматиновые петли мо-
гут распространяться на другие сайты в ядре. Некоторые из
этих сайтов являются транскрипционными фабриками, заня-
тыми несколькими хроматиновыми петлями одной хромосо-
мы (голубые петли) или других хромосом (красная и зеленая
петли)
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 493
Различные петли из одной и той же хромосо-
мы и петли из других хромосом могут собирать-
ся в участках ядра, богатых РНК-полимеразой
и другими ассоциированными с транскрипцией
белками. Как на курорте, где собираются люди из
разных стран, эти так называемые транскрипци-
онные фабрики, как полагают, являются специа-
лизированными участками для выполнения об-
щей функции.
Устаревшая точка зрения, согласно которой
содержимое ядра похоже на миску аморфных хро-
мосомных спагетти, уступила место новой модели
ядра с определенной архитектурой и регулируемым
движением хроматина. Перенос определенных ге-
нов из их хромосомных территорий к транскрип-
ционным фабрикам может быть частью процес-
са подготовки генов к транскрипции. Эта модель
представляет захватывающую область текущих ис-
следований, которая открывает много увлекатель-
ных вопросов для дальнейшего изучения.
Механизмы посттранскрипционной
регуляции
Экспрессия генов заключается не только в
транскрипции. В конечном счете экспрессия гена,
кодирующего белок, измеряется количеством
функционального белка, образуемого клеткой, а
между синтезом транскрипта РНК и появлением
активного белка в клетке должно произойти не-
сколько событий. Многие регуляторные механиз-
мы действуют на разных посттранскрипционных
стадиях (см. рис. 18.6). Эти механизмы позволяют
клетке точно и быстро настроить экспрессию ге-
нов в ответ на изменения окружающей среды, не
изменяя паттерны транскрипции. Здесь мы обсу-
дим, как клетки могут регулировать экспрессию
генов после того, как ген был транскрибирован.
Процессинг РНК
Процессинг РНК в ядре и экспорт зрелой РНК
в цитоплазму обеспечивают несколько возмож-
ностей для регуляции экспрессии генов, которые
не доступны для прокариот. Одним из примеров
регуляции на уровне РНК-процессинга являет-
ся альтернативный сплайсинг РНК, при кото-
ром различные молекулы мРНК получаются из
одного и того же первичного транскрипта в за-
висимости от того, какие сегменты РНК рассма-
триваются как экзоны, а какие — как интроны.
Регуляторные белки, контролирующие диффе-
ренцировку клеток в различные типы, участвуют
в выборе интронов и экзонов путем связывания с
регуляторными последовательностями в первич-
ных транскриптах. Простой пример альтернатив-
ного сплайсинга РНК показан на рис. 18.13 для гена
тропонина Т, который кодирует два различных
(хотя и родственных) белка.
Ген тропонина Т
Первичный
РНК-тран-
скрипт
5
ИЛИ
Рис. 18.13. Альтернативный сплайсинг РНК гена тропонина Т.
Первичный транскрипт данного гена может быть сплайсиро-
ван несколькими способами, образуя различные молекулы
мРНК. Обратите внимание, что одна молекула мРНК в конеч-
ном итоге имеет экзон 3 (зеленый), а другая — экзон 4 (фи-
олетовый). Эти две мРНК транслируются в разные, но род-
ственные мышечные белки
Другие гены кодируют намного больше воз-
можных продуктов. Например, исследователи об-
наружили ген дрозофилы с достаточным коли-
чеством альтернативно сплайсируемых экзонов
для формирования почти 19000 мембранных бел-
ков с различными внеклеточными доменами. По
крайней мере 17 500 (94%) из этих альтернатив-
ных мРНК действительно синтезируются. Каждая
развивающаяся нервная клетка мухи синтезиру-
ет уникальную форму белка, который играет роль
маркера на поверхности клетки.
Совершенно очевидно, что альтернативный
сплайсинг РНК может значительно расширить
“репертуар” эукариотического генома. В действи-
тельности, альтернативный сплайсинг был пред-
ложен в качестве одного из объяснений удиви-
494 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
тельно маленького количества генов человека,
подсчитанных по результатам секвенирования че-
ловеческого генома. Было обнаружено, что коли-
чество человеческих генов сходно с количеством
генов земляного червя (нематоды), растения гор-
чицы или актинии. Это открытие подняло вопрос
о том, что, если не количество генов, объясняет
более сложную морфологию (внешний вид) че-
ловека. Оказывается, что 75-100% человеческих
генов, имеющих по несколько экзонов, вероятно,
проходят альтернативный сплайсинг. Таким обра-
зом, альтернативный сплайсинг многократно уве-
личивает количество возможных человеческих
белков — и это лучше объясняет сложность чело-
веческого организма.
Инициация трансляции и деградация мРНК
Трансляция представляет собой еще одну воз-
можность для регуляции экспрессии генов; эта
регуляция происходит чаще всего на стадии ини-
циации (см. рис. 17.18 в главе 17). Для некоторых
мРНК инициация трансляции может быть забло-
кирована с помощью регуляторных белков, ко-
торые связываются со специфическими после-
довательностями или структурами в пределах
нетранслируемой области (НТО, или UTR) в 5'-
или З'-конце, предотвращая прикрепление рибо-
сом. (Напомним, что 5'-кэп и поли(А)-хвост мо-
лекулы мРНК важны для связывания рибосом,
см. главу 17.)
Как альтернатива, трансляция всех мРНК
в клетке может регулироваться одновременно.
В эукариотической клетке такой “глобальный”
контроль, как правило, представляет собой вклю-
чение или выключение одного или нескольких
белковых факторов, необходимых для инициа-
ции трансляции. Этот механизм участвует в за-
пуске трансляции мРНК, которая хранится в яй-
цеклетке. Сразу после оплодотворения внезапная
активация факторов инициации запускает транс-
ляцию. В ответ наблюдается всплеск синтеза бел-
ков, кодируемых запасенной в яйцеклетке мРНК.
Некоторые растения и водоросли в темное время
запасают мРНК; а после свет вызывает реактива-
цию аппарата трансляции.
Продолжительность жизни молекул мРНК
в цитоплазме имеет важное значение для опре-
деления паттернов синтеза белка в клетке. Бак-
териальные молекулы мРНК, как правило, раз-
рушаются под действием ферментов в течение
нескольких минут с момента синтеза. Такая ко-
роткая продолжительность жизни мРНК являет-
ся одной из причин, по которой бактерии могут
изменять паттерны экспрессии белка в ответ на
изменения окружающей среды так быстро. В от-
личие от прокариот, мРНК многоклеточных эука-
риот, как правило, сохраняется в течение несколь-
ких часов, дней или даже недель. Например, мРНК
полипептидов гемоглобина (а-глобина и р-глоби-
на) необычайно стабильна в развивающихся эри-
троцитах, и эти долгоживущие мРНК транслиру-
ются в них многократно.
Нуклеотидные последовательности, которые
определяют стабильность мРНК, часто встреча-
ются в нетранслируемой области (НТО, или UTR)
на З'-конце молекулы (см. рис. 18.8 ниже в этой
главе). В одном из экспериментов исследовате-
ли переносили такую последовательность из ко-
роткоживущих мРНК фактора роста в З'-конец
нормальной стабильной мРНК глобина. В резуль-
тате мРНК глобина быстро деградировала.
В последние годы были обнаружены и другие
механизмы, которые вызывают деградацию или
блокируют экспрессию молекул мРНК. Эти меха-
низмы включают важную группу недавно откры-
тых молекул РНК, которые регулируют экспрес-
сию генов на нескольких уровнях, и мы обсудим
их позже в этой главе.
Процессинг и деградация белков
Последние возможности по контролю экс-
прессии гена реализуются после трансляции. Ча-
сто эукариотические полипептиды должны быть
процессированны для получения функциональ-
ных белковых молекул. Например, активная фор-
ма гормона инсулина образуется в результате
расщепления исходного полипептида инсулина
(проинсулина). Кроме того, многие белки претер-
певают химические модификации, которые де-
лают их функциональными. Регуляторные белки
обычно обратимо активируются или инактивиру-
ются при добавлении фосфатных групп, а к бел-
кам, предназначенным для поверхности клеток
животных, присоединяются углеводы. Также для
того, чтобы белки клеточной поверхности и мно-
гие другие начали нормально функционировать,
они должны быть доставлены к определенному
месту назначения в клетке. Регуляция может про-
исходить на любом из этапов при модификации
или транспортировке белка.
Наконец, время функционирования каждо-
го белка в клетке строго регулируется с помощью
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 495
селективной деградации. Многие белки, такие как
циклины, участвующие в регуляции клеточного
цикла, должны быть относительно короткоживу-
щими, чтобы клетка могла функционировать над-
лежащим образом (см. рис. 12.16). Чтобы маркиро-
вать определенный белок для деградации, клетка
обычно присоединяет к нему молекулы неболь-
шого белка под названием убиквитин. Гигантские
белковые комплексы — протеасомы — затем рас-
познают меченные убиквитином белки и разру-
шают их.
4.
5.
6.
А ЧТО, ЕСЛИ?
7.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 18.2
. В целом, какой эффект оказывают ацетилирование гистонов
и метилирование ДНК на экспрессию генов?
. Сравните роли общих и специфических факторов транс-
крипции в регуляции экспрессии генов.
Предположите, что вы сравниваете нукле-
отидные последовательности дистальных регуляторных эле-
ментов в энхансерах трех генов, которые экспрессируются
только в мышечных клетках. Что вы ожидали бы обнаружить?
Почему?
Какими четырьмя механизмами может регулироваться коли-
чество активного белка, кодируемого определенной мРНК,
после того как эта мРНК достигает цитоплазмы?
Ответы см. в Приложении А.
18.3. Некодирующие РНК
выполняют множество функций
в регуляции экспрессии генов
Секвенирование генома показало, что коди-
рующая белки ДНК составляет лишь 1,5% гено-
ма человека, и столь же небольшой процент ге-
номов многих других многоклеточных эукариот.
Та малая доля ДНК, которая не кодирует бел-
ки, представлена генами РНК (рибосомальной,
транспортной и др.). До недавнего времени пред-
полагалось, что большая часть ДНК не транс-
крибируется — ученым не были известны белки
или РНК, которые кодирует данная ДНК. Одна-
ко большое количество данных, полученных в по-
следнее время, меняют это представление. Напри-
мер, полномасштабное изучение генома человека,
завершенное в 2012 году, показало, что пример-
но 75% генома транскрибируется в клетках фа-
культативно, т.е. на определенных этапах жизни
клеток. Интроны составляют лишь небольшую
часть этой транскрибируемой, нетранслируемой
РНК. Эти и другие результаты свидетельству-
ют о том, что значительная доля генома может
быть транскрибирована в некодирующие белок
РНК, также известные как некодирующие РНК,
или нкРНК, в том числе различные малые РНК.
Исследователи ежедневно открывают все новые
биологические роли некодирующих РНК, но мно-
гие вопросы о функциях этих молекул до сих пор
остаются без ответа.
Биологи крайне вдохновлены недавними от-
крытиями, указывающими на наличие в клетке
большой разнообразной популяции неизвестных
до последнего времени молекул РНК, которые
играют решающую роль в регуляции экспрессии
генов. Современные исследования привели к пе-
ресмотру устоявшегося мнения о том, что мРНК,
кодирующие белки, являются наиболее важны-
ми РНК, функционирующими в клетке. Благо-
даря этим открытиям, произошел важный сдвиг
в биологическом мышлении, и вы являетесь его
свидетелями. Этот сдвиг можно сравнить с тем,
как если бы на концерте мы переключили фокус
внимания от знаменитой рок-звезды — услышали
других артистов и поняли, что также есть еще ав-
торы музыки и текстов.
Воздействие микроРНК и малых
интерферирующих РНК
на матричную РНК
Как нам уже известно, регуляция посредством
малых и больших нкРНК может происходить
в нескольких точках на пути экспрессии генов,
в том числе в ходе трансляции мРНК и модифи-
кации хроматина. Мы сосредоточимся в основ-
ном на двух типах малых нкРНК, которые были
наиболее тщательно изучены в течение последних
нескольких лет. Значение нкРНК было по досто-
инству оценено в 2006 году, когда за исследование
этих молекул, совершенное всего лишь восемью
годами ранее, была присуждена Нобелевская пре-
мия по физиологии и медицине.
Начиная с 1993 года в ряде исследований были
обнаружены небольшие одноцепочечные моле-
кулы РНК, называемые микроРНК (microRNA,
или сокращенно miRNA, не путать с миРНК,
см. ниже), способные связываться с комплемен-
тарными последовательностями в молекулах мат-
ричной РНК. Более длинный РНК-предшествен-
ник расщепляется клеточными ферментами на
молекулы микроРНК — одноцепочечные РНК
длиной примерно 22 нуклеотида, которые образу-
ют комплекс с одним или несколькими белками.
496 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
МикроРНК обеспечивает связывание комплекса с
любой молекулой мРНК, содержащей по меньшей
мере 7-8 нуклеотидов комплементарной последо-
вательности. МикроРНК-белковый комплекс либо
приводит к разрушению мРНК-мишени, либо бло-
кирует ее трансляцию (рис. 18.14). Было подсчитано,
что экспрессия по меньшей мере половины всех
человеческих генов может регулироваться ми-
кроРНК. Удивительно, что о существовании этих
молекул всего два десятилетия назад еще было не-
известно.
МикроРНК
МикроРНК-
белковый
комплекс
О микроРНК связывается с целе-
вой последовательностью мРНК.
содержащей по меньшей
мере 7 комплементарных
нуклеотидов. *
Деградация
(разрушение) мРНК
ИЛИ
Блокирование
трансляции
Q Если микроРНК и мРНК комплементарны по всей своей длине,
то разрушается мРНК (как показано слева); если совпадение
последовательностей неполное, то блокируется трансляция
(справа).
Рис. 18.14. Регуляция экспрессии генов с помощью микро-
РНК. 22-нуклеотидная микроРНК, полученная в результате
ферментативного расщепления РНК-предшественника, фор-
мирует комплекс с одним или несколькими белками. Этот
комплекс может разрушить целевую мРНК или блокировать
ее трансляцию
Малые РНК, принадлежащие к другому клас-
су, называются малыми интерферирующими
РНК (миРНК, или siRNA, от англ, small interfering
RNA). Они похожи по размеру и функции на ми-
кроРНК — оба класса могут взаимодействовать с
одними и теми же белками, приводя к похожим
результатам. Вообще, если РНК-предшественник
миРНК ввести в клетку, ферменты клетки мо-
гут преобразовать ее в молекулы миРНК, кото-
рые “выключают” экспрессию генов с комплемен-
тарными данным миРНК последовательностями,
аналогично тому, как работают микроРНК. Раз-
ница между микроРНК и миРНК состоит в не-
больших отличиях в структуре их предше-
ственников, которые в обоих случаях являются
молекулами двухцепочечной РНК. Блокирование
экспрессии генов с помощью миРНК называется
РНК-интерференцией (РНКи, или RNAi); это яв-
ление используется в лабораторной практике как
способ отключения специфических генов с целью
исследовать их функцию.
Каким образом возникло и развилось явле-
ние РНК-интерференции? В главе 19 вы узнае-
те о том, что некоторые вирусы имеют геномы из
двухцепочечной РНК. Учитывая, что в процессе
РНК-интерференции в клетке происходит обра-
ботка двухцепочечной РНК и создание “самона-
водящихся” устройств, разрушающих комплемен-
тарные РНК, некоторые ученые считают, что этот
путь, возможно, эволюционировал как естествен-
ная защита против заражения вирусами с двух-
цепочечным РНК-геномом. Однако тот факт, что
РНК-интерференция может также влиять на экс-
прессию невирусных клеточных генов, может от-
ражать другое эволюционное происхождение яв-
ления РНК-интерференции. Кроме того, многие
организмы, в том числе и млекопитающие, по-ви-
димому, производят собственные длинные двух-
цепочечные РНК-предшественники малых РНК,
таких как миРНК. После того, как в определенный
момент эти РНК были произведены, они могут
препятствовать экспрессии генов, влияя не толь-
ко на трансляцию, но и на другие этапы экспрес-
сии генов; обсудим это ниже.
Влияние нкРНК но перестройки
хроматина
Здесь мы обсудим еще один эффект нкРНК,
являющийся одной из распространенных функ-
ций некодирующих РНК в регуляции экспрессии
генов. В дополнение к регуляции мРНК, некото-
рые нкРНК оказывают влияние на процесс пере-
стройки структуры хроматина. Одним из приме-
ров является образование гетерохроматина в
области центромеры, исследованное на дрожжах.
В S-фазе клеточного цикла для осуществления
репликации хромосом центромерные участки
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 497
ДНК должны быть развернуты, а затем снова
сконденсированы в гетерохроматин в ходе под-
готовки к митозу. У некоторых дрожжей миРНК,
синтезируемые самими же клетками, необходи-
мы для формирования гетерохроматина на цен-
тромерах. Модель данного процесса изображена
на рис. 18.15.
На данный момент достоверно неизвестно, как
начинается этот процесс и в каком порядке про-
исходят отдельные события. Но все ученые-био-
логи согласны с общей идеей: система миРНК у
дрожжей взаимодействует с другими некодиру-
ющими РНК и ферментами, модифицирующими
хроматин, что приводит к перестройке структу-
ры хроматина в области центромеры. Насколь-
ко известно на сегодняшний день, в большинстве
клеток млекопитающих миРНК не встречаются,
а механизм конденсации ДНК центромер еще не
изучен. Тем не менее может оказаться, что в этом
процессе задействованы другие малые нкРНК.
Еще один недавно обнаруженный класс малых
нкРНК — это Piwi-взаимодействующие РНК (piP-
НК). (Доктор Хайфан Лин, чье интервью располо-
жено перед главой 6, открыл этот класс молекул и
дал им название.) Эти РНК также приводят к об-
разованию гетерохроматина, блокируя экспрес-
сию некоторых паразитических элементов ДНК в
геноме, известных как транспозоны. (Транспозо-
ны обсуждаются в главе 21.) Piwi-взаимодейству-
ющие РНК, 24-31 нуклеотид в длину, образуются
при расщеплении более длинной, одноцепочечной
молекулы РНК-предшественника. Они выпол-
няют незаменимую роль в зародышевых клетках
многих видов животных, участвуя в восстановле-
нии соответствующих паттернов метилирования в
геноме в процессе формирования гамет.
И, наконец, нкРНК ответственны за инактива-
цию Х-хромосомы у большинства женских особей
млекопитающих, что предотвращает экспрессию
генов, расположенных на одной из Х-хромосом
(рис. 15.8). В данном случае транскрипты гена XIST,
который расположен на инактивируемой хромо-
соме, связываются с хромосомой, что приводит к
конденсации всей хромосомы в гетерохроматин.
► Рис. 18.15. Конденсация хроматина в области цен-
тромеры. В одном из типов дрожжей миРНК и более
длинные некодирующие РНК совместно участву-
ют в процессе, который приводит к формированию
после репликации ДНК сильно конденсированной
формы гетерохроматина в центромерной области
каждой из хроматид
Центромерная ДНК
РНК-полимераза
О РНК-транскрипт
(красный) тран-
скрибируется
с центромерной ДНК.
Сестринские
хроматиды
(две молекулы ДНК)
РНК-------
транскрипт
0 Каждый РНК-транскрипт используется
в качестве матрицы для дрожжевого
фермента, который катализирует синтез
комплементарной цепи с образо-
ванием двухцепочечной РНК.
О Двухцепочечная РНК процессиру-
ется с образованием коротких
одноцепочечных миРНК, которые
затем связываются с белками,
формируя миРНК-белковый
миРНК-
белковый
комплекс
комплекс.
о миРНК-белковый комплекс связывает РНК-
транскрипт, синтезированный на матрице
центромерной ДНК, и таким образом
прикрепляется к области центромеры.
0 Белки миРНК-белкового ком-
плекса привлекают ферменты
(обозначены зелеными круж-
ками), которые химически мо-
дифицируют гистоны хрома-
тина и запускают его
конденсацию.
Центромерная ДНК
Ферменты,
модифицирую-
щие хроматин
0 В итоге этот процесс
приводит к формиро-
ванию гетерохроматина
в области центромеры.
Гетерохроматин
в области центромеры
498 Г ЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
эволюция
В описанных случаях происходит изменение
структуры хроматина в рамках крупных фрагмен-
тов хромосом. Так как структура хроматина вли-
яет на транскрипцию и, таким образом, на экс-
прессию гена, регуляция структуры хроматина
посредством нкРНК, вероятно, играет важную
роль в регуляции экспрессии генов.
Эволюционное значение малых нкРНК
Малые нкРНК могут регулировать
экспрессию генов на нескольких этапах и различ-
ными путями. В общем, дополнительные уровни
регуляции экспрессии генов способствуют раз-
витию более сложных форм жизни. Универсаль-
ность регуляции посредством микроРНК привела
биологов к предположению о том, что увеличение
числа различных форм микроРНК, закодирован-
ных в геном того или иного вида, способствова-
ло усложнению морфологии организмов этого
вида в течение эволюции. В то время как ученые
все еще проверяют эту гипотезу, логично было бы
включить в дискуссию все малые нкРНК. Удиви-
тельные новые методы для быстрого секвениро-
вания геномов позволили биологам разобраться,
какое количество генов нкРНК присутствует в ге-
номе различных видов. Комплексные исследова-
ния различных видов поддерживают идею о том,
что миРНК эволюционировали первыми, затем —
микроРНК, и позже появились Piwi-взаимодей-
ствующие РНК (piPHK), которые встречают-
ся только у животных. Существуют сотни видов
микроРНК, известно около 60 000 видов piPHK,
которые участвуют и делают возможной очень
сложную регуляцию генов.
У нкРНК обширные функции и многие из
них играют важную роль в эмбриональном раз-
витии — к этой теме мы переходим в следующем
разделе. Эмбриональное развитие является, по-
жалуй, самым ярким примером точно регулируе-
мой экспрессии генов.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 18.3
А ЧТО, ЕСЛИ?
1. Сравните микроРНК и миРНК, в том числе и их функции.
2. ЕИ1М1Д1ГСП1 Представьте, что разрушаемая мРНК (см.
рис. 18.14) кодировала белок, который обеспечивает деле-
ние клеток многоклеточного организма. Что произошло бы,
если бы мутация нарушила структуру гена микроРНК, запу-
скающей разрушение мРНК на рисунке?
Ответы см. в Приложении А.
18.4. Программа
дифференциальной экспрессии
генов приводит к формированию
различных типов клеток
многоклеточного организма
В эмбриональном развитии многоклеточных
организмов деление оплодотворенной яйцеклет-
ки (зиготы) приводит к появлению клеток раз-
личных типов, при этом каждому типу клеток
соответствует свое строение и соответствующая
функция. Как правило, клетки организованы в
ткани, ткани — в органы, органы — в системы ор-
ганов, а системы органов — в организм. Таким об-
разом, любая программа развития должна при-
водить к образованию клеток различных типов,
формирующих структуры более высокого уровня,
которые организованы определенным образом в
трех измерениях. В этом разделе мы сосредото-
чимся на программе регуляции экспрессии генов,
контролирующих развитие, используя в качестве
примеров несколько видов животных.
Генетическая программа
эмбрионального развития
Фотографии на рис. 18.16 иллюстрируют порази-
тельную разницу между зиготой лягушки и голо-
вастиком, в которого она превращается. Это заме-
чательное преобразование является результатом
трех взаимосвязанных процессов: клеточного де-
ления, дифференцировки клеток и морфогенеза.
а) Оплодотворенная
яйцеклетка лягушки
б) Вылупившийся недавно
головастик
Рис. 18.16. От оплодотворенной яйцеклетки до животного:
различия, которые могут появиться за четыре дня. Деление
клеток, дифференциация и морфогенез, приводящие к транс-
формации оплодотворенной яйцеклетки лягушки а) в голова-
стика б), занимают всего четыре дня
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 499
Последовательность митотических клеточных
делений зиготы приводит к появлению большо-
го числа клеток. Однако деление клеток само по
себе привело бы лишь к формированию большо-
го шара идентичных клеток, не имеющего ниче-
го общего с головастиком. В ходе эмбрионального
развития происходит не только увеличение чис-
ла клеток, но и их дифференцировка — процесс,
с помощью которого клетки приобретают специа-
лизацию в строении и функции. Кроме того, раз-
личные виды клеток распределены не случайным
образом, но организованы в ткани и органы в
определенной трехмерной структуре. Физические
процессы, которые определяют форму организма,
составляют морфогенез — формирование внеш-
него вида организма и его строения.
Основу всех трех процессов составляет опре-
деленное поведение клеток. Даже процессы мор-
фогенеза — формирования организма — берут
начало в изменениях формы, моторики и дру-
гих характеристик клеток, составляющих эмбри-
он. Вы уже знаете, что деятельность клетки зави-
сит от генов, которые она экспрессирует, и белков,
которые она производит. Практически все клетки
в организме имеют один и тот же геном; следова-
тельно, дифференциальная экспрессия генов яв-
ляется результатом того, что в разных типах кле-
ток гены регулируются по-разному.
На рис. 18.11 вы увидели упрощенное представ-
ление того, как происходит дифференциальная
экспрессия гена в двух типах клеток — клетке пе-
чени и клетке хрусталика. Каждая из этих пол-
ностью дифференцированных клеток содержит
определенное сочетание специфических актива-
торов, которые “включают” экспрессию генов,
продукты которых необходимы клетке. Тот факт,
что обе клетки в результате ряда митозов воз-
никли от одной оплодотворенной яйцеклетки не-
избежно приводит к вопросу: как в двух клетках
формируются различные наборы активаторов?
Оказывается, что материалы, размещенные в
яйцеклетке матери, формируют последовательную
программу генной регуляции, которая осущест-
вляется по мере деления клеток, и эта програм-
ма координирует дифференцировку клеток в ходе
эмбрионального развития. Чтобы понять, как ра-
ботает эта регуляция, мы рассмотрим два основ-
ных процесса развития. Во-первых, мы исследу-
ем, как у клеток, возникающих на ранних этапах
деления эмбриона, формируются различия, кото-
рые направляют каждую клетку вдоль собствен-
ного пути дифференцировки. Во-вторых, мы рас-
смотрим, как дифференцировка клеток приводит
к формированию определенного типа клеток, ис-
пользуя в качестве примера развитие мышц.
Цитоплазматические детерминанты
и индуктивные сигналы
Что создает первые различия между клетками в
раннем эмбрионе? А что контролирует дифферен-
цировку различных типов клеток по мере разви-
тия? На данном этапе чтения главы, вы, вероятно,
может дать такой ответ: специфические гены, экс-
прессируемые какой-либо клеткой развивающе-
гося организма, определяют путь ее развития. Два
источника информации, которые в различной сте-
пени используются разными организмами, “гово-
рят” клетке, какие гены и в какой момент эмбри-
онального развития необходимо экспрессировать.
Одним из этих важных источников информа-
ции на ранних стадиях развития является цито-
плазма яйцеклетки, которая содержит как РНК,
так и белки, кодируемые материнской ДНК. Ци-
топлазма неоплодотворенной яйцеклетки являет-
ся неоднородной. Информационная РНК, белки,
другие вещества, органеллы, неравномерно рас-
пределены в неоплодотворенных яйцеклетках, и
эта неравномерность оказывает основополагаю-
щее влияние на развитие будущего зародыша у
многих видов. Содержащиеся в яйцеклетке мате-
ринские вещества, которые влияют на ход ранне-
го развития зародыша, называются цитоплазма-
тическими детерминантами (рис. 18.17, а). После
оплодотворения ранние митотические деления
распределяют цитоплазму зиготы в отдельные
клетки. Таким образом, ядра этих клеток могут
подвергаться воздействию различных цитоплаз-
матических детерминантов, в зависимости от
того, какую часть зиготической цитоплазмы по-
лучила клетка. Сочетание цитоплазматических
детерминантов помогает клетке определить свое
развитие путем регуляции экспрессии генов в те-
чение процесса дифференцировки клеток.
Другим основным источником информации
о развитии является среда вокруг определенной
клетки, и эта информация становится все более
значимой по мере увеличения количества клеток
в зиготе. Наибольшее влияние имеет воздействие
эмбриональных клеток на клетки, расположенные
в непосредственной близости от них, осуществля-
емое посредством контактов с молекулами клеточ-
ной поверхности соседних клеток и связывание
500 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
а) Цитоплазматические детерминанты в яйцеклетке
Молекулы двух различных цитоплазма-
тических детерминантов
Ядро
Неоплодот- в Оплодотворение
варенная \ 4 Митотические
яйцеклетка 3^ _ < А А клеточные
— - ~ * о деления <
о
Сперматозоид
Зигота
(оплодотворенная
яйцеклетка)
Двухклеточный
эмбрион
В цитоплазме неоплодотворенной яйцеклетки имеются моле-
кулы кодируемые материнскими генами, которые влияют на
развитие. Многие из таких цитоплазматических детерминан-
тов, подобно двум, показанным на рисунке, распределены
по яйцеклетке неравномерно. После оплодотворения и мито-
тических делений ядра клеток эмбриона подвергаются воз-
действию разных наборов цитоплазматических детерминан-
тов, что в результате приводит к экспрессии различных генов.
б) Индукция близлежащими клетками
Ранний эмбрион
(32 клетки)
Клетки, расположенные в нижней части раннего эмбриона,
выделяют молекулы, которые дают сигнал к началу изменений
в генной экспрессии близлежащих клеток.
Рис. 18.17. Источники информации о развитии для раннего
эмбриона
факторов роста, секретируемых соседними клет-
ками (глава И). Такие сигналы вызывают измене-
ния в клетках-мишенях, и этот процесс называют
индукцией (рис. 18.17, б). Молекулы, перемещающие
эти сигналы внутри клетки-мишени, являются ре-
цепторами клеточной поверхности и другими бел-
ками сигнальных каскадов. В общем, сигнальные
молекулы направляют клетку по определенному
пути развития, вызывая изменения в экспрессии
ее генов, которые в итоге приводят к наблюдае-
мым изменениям клетки. Таким образом, взаимо-
действие между эмбриональными клетками мо-
жет индуцировать дифференцировку во многие
типы специализированных клеток, составляющих
новый организм.
Последовательное регулирование
экспрессии генов в ходе
дифференцировки клеток
Наиболее ранние изменения, которые опреде-
ляют путь дифференцировки клетки, можно об-
наружить только на молекулярном уровне. Еще
до того как биологи узнали о тех молекулярных
изменениях, которые происходят в эмбрионах в
ходе развития, они предложили термин детерми-
нация для обозначения момента, начиная с кото-
рого эмбриональная клетка необратимо стремит-
ся сформироваться в определенный тип клеток.
После того как произошла детерминация, эмб-
риональная клетка, будучи экспериментально
помещена в другой участок зародыша, диффе-
ренцируется в тип клеток, определенный в ходе
детерминации. Дифференциация — это процесс
реализации программы формирования опреде-
ленного типа клеток. По мере того как ткани и ор-
ганы эмбриона развиваются и составляющие их
клетки дифференцируются, они приобретают все
более заметные различия в структуре и функции.
Сегодня мы можем описать детерминацию
в терминах молекулярных изменений. По окон-
чании детерминации наблюдается дифферен-
циация клеток, характеризующаяся экспресси-
ей генов тканеспецифичных белков. Эти белки
обнаруживаются только в определенных типах
клеток и задают характерные для клетки струк-
туру и функцию. Первым свидетельством диф-
ференциации является появление в клетке мРНК
данных белков. Со временем дифференциацию
можно наблюдать в микроскоп — как изменяет-
ся клеточная структура. На молекулярном уровне
происходит регулируемая последовательная экс-
прессия различных наборов генов по мере того,
как новые клетки возникают в ходе деления их
предшественников. Экспрессия генов в течение
дифференцировки регулируется на разных эта-
пах, наиболее распространенной является регу-
ляция на этапе транскрипции. В полностью диф-
ференцированной клетке транскрипция остается
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 501
Последовательность митотических клеточных
делений зиготы приводит к появлению большо-
го числа клеток. Однако деление клеток само по
себе привело бы лишь к формированию большо-
го шара идентичных клеток, не имеющего ниче-
го общего с головастиком. В ходе эмбрионального
развития происходит не только увеличение чис-
ла клеток, но и их дифференцировка — процесс,
с помощью которого клетки приобретают специа-
лизацию в строении и функции. Кроме того, раз-
личные виды клеток распределены не случайным
образом, но организованы в ткани и органы в
определенной трехмерной структуре. Физические
процессы, которые определяют форму организма,
составляют морфогенез — формирование внеш-
него вида организма и его строения.
Основу всех трех процессов составляет опре-
деленное поведение клеток. Даже процессы мор-
фогенеза — формирования организма — берут
начало в изменениях формы, моторики и дру-
гих характеристик клеток, составляющих эмбри-
он. Вы уже знаете, что деятельность клетки зави-
сит от генов, которые она экспрессирует, и белков,
которые она производит. Практически все клетки
в организме имеют один и тот же геном; следова-
тельно, дифференциальная экспрессия генов яв-
ляется результатом того, что в разных типах кле-
ток гены регулируются по-разному.
На рис. 18.11 вы увидели упрощенное представ-
ление того, как происходит дифференциальная
экспрессия гена в двух типах клеток — клетке пе-
чени и клетке хрусталика. Каждая из этих пол-
ностью дифференцированных клеток содержит
определенное сочетание специфических актива-
торов, которые “включают” экспрессию генов,
продукты которых необходимы клетке. Тот факт,
что обе клетки в результате ряда митозов воз-
никли от одной оплодотворенной яйцеклетки не-
избежно приводит к вопросу: как в двух клетках
формируются различные наборы активаторов?
Оказывается, что материалы, размещенные в
яйцеклетке матери, формируют последовательную
программу генной регуляции, которая осущест-
вляется по мере деления клеток, и эта програм-
ма координирует дифференцировку клеток в ходе
эмбрионального развития. Чтобы понять, как ра-
ботает эта регуляция, мы рассмотрим два основ-
ных процесса развития. Во-первых, мы исследу-
ем, как у клеток, возникающих на ранних этапах
деления эмбриона, формируются различия, кото-
рые направляют каждую клетку вдоль собствен-
ного пути дифференцировки. Во-вторых, мы рас-
смотрим, как дифференцировка клеток приводит
к формированию определенного типа клеток, ис-
пользуя в качестве примера развитие мышц.
Цитоплазматические детерминанты
и индуктивные сигналы
Что создает первые различия между клетками в
раннем эмбрионе? А что контролирует дифферен-
цировку различных типов клеток по мере разви-
тия? На данном этапе чтения главы, вы, вероятно,
может дать такой ответ: специфические гены, экс-
прессируемые какой-либо клеткой развивающе-
гося организма, определяют путь ее развития. Два
источника информации, которые в различной сте-
пени используются разными организмами, “гово-
рят” клетке, какие гены и в какой момент эмбри-
онального развития необходимо экспрессировать.
Одним из этих важных источников информа-
ции на ранних стадиях развития является цито-
плазма яйцеклетки, которая содержит как РНК,
так и белки, кодируемые материнской ДНК. Ци-
топлазма неоплодотворенной яйцеклетки являет-
ся неоднородной. Информационная РНК, белки,
другие вещества, органеллы, неравномерно рас-
пределены в неоплодотворенных яйцеклетках, и
эта неравномерность оказывает основополагаю-
щее влияние на развитие будущего зародыша у
многих видов. Содержащиеся в яйцеклетке мате-
ринские вещества, которые влияют на ход ранне-
го развития зародыша, называются цитоплазма-
тическими детерминантами (рис. 18.17, а). После
оплодотворения ранние митотические деления
распределяют цитоплазму зиготы в отдельные
клетки. Таким образом, ядра этих клеток могут
подвергаться воздействию различных цитоплаз-
матических детерминантов, в зависимости от
того, какую часть зиготической цитоплазмы по-
лучила клетка. Сочетание цитоплазматических
детерминантов помогает клетке определить свое
развитие путем регуляции экспрессии генов в те-
чение процесса дифференцировки клеток.
Другим основным источником информации
о развитии является среда вокруг определенной
клетки, и эта информация становится все более
значимой по мере увеличения количества клеток
в зиготе. Наибольшее влияние имеет воздействие
эмбриональных клеток на клетки, расположенные
в непосредственной близости от них, осуществля-
емое посредством контактов с молекулами клеточ-
ной поверхности соседних клеток и связывание
500 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
а) Цитоплазматические детерминанты в яйцеклетке
Молекулы двух различных цитоплазма-
тических детерминантов
Ядро
Неоплодот- 1 Оплодотворение
воренная \ Митотические
яйцеклетка^ * Ч |<леточные
▼ до деления
о
о
Сперматозоид
Зигота
(оплодотворенная
яйцеклетка)
Двухклеточный
эмбрион
В цитоплазме неоплодотворенной яйцеклетки имеются моле-
кулы, кодируемые материнскими генами, которые влияют на
развитие. Многие из таких цитоплазматических детерминан-
тов, подобно двум, показанным на рисунке, распределены
по яйцеклетке неравномерно. После оплодотворения и мито-
тических делений ядра клеток эмбриона подвергаются воз-
действию разных наборов цитоплазматических детерминан-
тов, что в результате приводит к экспрессии различных генов
б) Индукция близлежащими клетками
Ранний эмбрион
(32 клетки)
Клетки, расположенные в нижней части раннего эмбриона,
выделяют молекулы, которые дают сигнал к началу изменений
в генной экспрессии близлежащих клеток.
Рис. 18.17. Источники информации о развитии для раннего
эмбриона
факторов роста, секретируемых соседними клет-
ками (глава 11). Такие сигналы вызывают измене-
ния в клетках-мишенях, и этот процесс называют
индукцией (рис. 18.17, б). Молекулы, перемещающие
эти сигналы внутри клетки-мишени, являются ре-
цепторами клеточной поверхности и другими бел-
ками сигнальных каскадов. В общем, сигнальные
молекулы направляют клетку по определенному
пути развития, вызывая изменения в экспрессии
ее генов, которые в итоге приводят к наблюдае-
мым изменениям клетки. Таким образом, взаимо-
действие между эмбриональными клетками мо-
жет индуцировать дифференцировку во многие
типы специализированных клеток, составляющих
новый организм.
Последовательное регулирование
экспрессии генов в ходе
дифференцировки клеток
Наиболее ранние изменения, которые опреде-
ляют путь дифференцировки клетки, можно об-
наружить только на молекулярном уровне. Еще
до того как биологи узнали о тех молекулярных
изменениях, которые происходят в эмбрионах в
ходе развития, они предложили термин детерми-
нация для обозначения момента, начиная с кото-
рого эмбриональная клетка необратимо стремит-
ся сформироваться в определенный тип клеток.
После того как произошла детерминация, эмб-
риональная клетка, будучи экспериментально
помещена в другой участок зародыша, диффе-
ренцируется в тип клеток, определенный в ходе
детерминации. Дифференциация — это процесс
реализации программы формирования опреде-
ленного типа клеток. Но мере того как ткани и ор-
ганы эмбриона развиваются и составляющие их
клетки дифференцируются, они приобретают все
более заметные различия в структуре и функции.
Сегодня мы можем описать детерминацию
в терминах молекулярных изменений. По окон-
чании детерминации наблюдается дифферен-
циация клеток, характеризующаяся экспресси-
ей генов тканеспецифичных белков. Эти белки
обнаруживаются только в определенных типах
клеток и задают характерные для клетки струк-
туру и функцию. Первым свидетельством диф-
ференциации является появление в клетке мРНК
данных белков. Со временем дифференциацию
можно наблюдать в микроскоп — как изменяет-
ся клеточная структура. На молекулярном уровне
происходит регулируемая последовательная экс-
прессия различных наборов генов по мере того,
как новые клетки возникают в ходе деления их
предшественников. Экспрессия генов в течение
дифференцировки регулируется на разных эта-
пах, наиболее распространенной является регу-
ляция на этапе транскрипции. В полностью диф-
ференцированной клетке транскрипция остается
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 501
главным регуляторным этапом для поддержания
соответствующего профиля экспрессии генов.
Дифференцированные клетки являются
специалистами в изготовлении тканеспецифич-
ных белков. Например, клетки печени специали-
зируются в экспрессии альбумина, а клетки хру-
сталика — на синтезе кристаллина (см. рис. 18.11).
Мышечные клетки скелетных мышц у позвоноч-
ных являются еще одним показательным приме-
ром. Каждая из этих клеток представляет собой
длинное волокно, содержащее много ядер в пре-
делах одной плазматической мембраны. Мышеч-
ные клетки скелетных мышц содержат высокие
концентрации специфических для мышц сокра-
тительных белков — миозина и актина, — а также
мембранных белков-рецепторов, которые детек-
тируют сигналы от нервных клеток.
Мышечные клетки развиваются из эмбрио-
нальных клеток-предшественников, которые име-
ют потенциал для развития в широкий спектр
клеток, в том числе в хрящевые и жировые, но
конкретные условия дифференциации определя-
ют формирование именно мышечных клеток. Не-
смотря на то, что клетка с уже детерминирован-
ным путем дифференциации не отличается от
других клеток при рассмотрении под микроско-
пом, она уже является миобластом. Со временем
миобласты накопят большие количества специ-
фических для мышц белков и сольются с образо-
ванием зрелых удлиненных многоядерных клеток
скелетных мышц.
Исследователи выяснили, что происходит на
молекулярном уровне в ходе детерминации пути
развития мышечных клеток, путем выращивания
Ядро
Эмбриональная
клетка-предше-
л ственник
Детерминация. Сигналы от
других клеток приводят к акти-
вации ключевого регулятор-
ного гена myoD, и клетка син- 1
тезирует белок MyoD—спе-
цифический фактор транскрип-
ции, действующий как актива-
тор. Клетка, которая теперь
называется миобластом, Миобласт
необратимо превращается (детермини-
в клетку скелетных мышц. рованный)
Ключевой регуляторный
ген myoD
днк !
Другие специфические для мышц гены
ВЫКЛ ВЫКЛ
V
мРНК ВЫКЛ
□ Белок MyoD
(фактор транскрипции)
0 Дифференциация. Далее белок
MyoD стимулирует работу гена
myoD и активирует гены, коди-
рующие другие специфические
для мышц факторы транскрип-
ции, которые, в свою очередь,
активируют гены мышечных бел-
ков. MyoD также "запускает"
гены, которые блокируют
клеточный цикл таким об-
разом, что клетка пере-
стает делиться. Более
неспособные к делению
миобласты сливаются
в зрелые многоядерные
мышечные клетки, также
называемые мышечными
Часть мышечной
фибриллы
(полностью дифферен-
цированная клетка)
фибриллами.
Рис. 18.18. Детерминация и дифференциация мышечных клеток. бы произошло, если бы мутация в гене
Клетки скелетных мышц происходят от эмбриональных клеток в myoD привела к образованию белка MyoD, не способного
результате изменений в экспрессии генов. (На данной иллюстра- активировать ген myoD?
ции процесс активации генов значительно упрощен.)
А ЧТО, ЕСЛИ?
502 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
миобластов в культуре и анализа клеток с помо-
щью молекулярных методов, о которых вы узнае-
те в главе 20. В серии экспериментов они выделяли
различные гены и стимулировали их экспрессию
в эмбриональных клетках-предшественниках, а
затем наблюдали за дифференцировкой клеток в
миобласты и мышечные клетки. Они определи-
ли несколько ключевых регуляторных генов, чьи
белковые продукты определяют дифференциров-
ку клеток в клетки скелетных мышц. Таким обра-
зом, в случае мышечных клеток, молекулярной
основой детерминации является экспрессия од-
ного или нескольких из этих основных регулятор-
ных генов.
Чтобы лучше разобраться в том, как происхо-
дит детерминация дифференцировки мышечных
клеток, давайте сосредоточимся на главном регу-
ляторном гене под названием myoD (рис. 18.19).
Этот ген кодирует белок MyoD — фактор тран-
скрипции, который связывается с определенными
регуляторными элементами в энхансерах различ-
ных генов-мишеней и стимулирует их экспрес-
сию (см. рис. 18.9). Некоторые гены-мишени белка
MyoD кодируют другие специфические для мышц
факторы транскрипции. Кроме того, MyoD сти-
мулирует экспрессию собственного гена, myoD,
что является примером положительной обратной
связи, которая укрепляет влияние MyoD на под-
держание дифференцированного состояния клет-
ки. Предположительно, все гены, которые активи-
руются MyoD, имеют энхансерные регуляторные
элементы, узнаваемые MyoD и, таким образом,
находятся под контролем данного белка. И, на-
конец, вторичные факторы транскрипции акти-
вируют гены, экспрессирующие такие белки, как
миозин и актин, которые формируют уникальные
свойства скелетных мышечных клеток.
Ген myoD можно считать одним из ключевых
регуляторных генов. Исследователи показали, что
MyoD способен превратить некоторые виды пол-
ностью дифференцированных немышечных кле-
ток, таких как жировые клетки и клетки печени,
в мышечные клетки. Почему это не работает для
всех видов клеток? Одним из возможных объяс-
нений является тот факт, что активация специ-
фических для мышц генов зависит не только от
MyoD, но требует определенной комбинации ре-
гуляторных белков, некоторые из которых отсут-
ствуют в клетках, не реагирующих на MyoD. Де-
терминация и дифференциация других видов
тканей может происходить подобным образом.
Мы уже видели, как различные программы
экспрессии генов, которые активируются в опло-
дотворенной яйцеклетке, могут привести к раз-
витию дифференцированных клеток и тканей. Но
для того, чтобы ткани эффективно функциониро-
вали в целом организме, необходимо установить
и наложить на процесс дифференцировки план
строения тела — его общую трехмерную структу-
ру. Далее мы изучим молекулярные основы созда-
ния плана тела, в качестве примера используя хо-
рошо изученную плодовую мушку дрозофилу.
Формирование паттернов:
создание плана тела
Цитоплазматические детерминанты и индук-
тивные сигналы способствуют развитию про-
странственной структуры, в которой все ткани и
органы организма находятся на положенных ме-
стах. Этот процесс называется формированием
паттернов.
Подобно тому как фронтальная, задняя и бо-
ковые стороны нового здания определяются до
начала строительства, формирование плана тела
у животных начинается в раннем эмбрионе, ког-
да закладываются главные оси тела животного.
У двустороннесимметричного животного относи-
тельные положения головы и хвоста, правой и ле-
вой, передней и задней сторон — трех основных
осей тела — определяются до появления органов.
Молекулярные сигналы, которые контролируют
формирование паттерна, называются позицион-
ной информацией и обеспечиваются цитоплазма-
тическими детерминантами и индуктивными сиг-
налами (см. рис. 18.17). Эти сигналы информируют
клетку о ее расположении относительно осей тела
и соседних клеток и определяют то, как клетка и
ее потомство будет реагировать на последующие
молекулярные сигналы.
В течение первой половины XX века класси-
ческие эмбриологи провели подробные анатоми-
ческие наблюдения за эмбриональным развитием
ряда видов и эксперименты, в которых они мани-
пулировали эмбриональными тканями. Хотя эти
исследования заложили основу понимания меха-
низмов развития, они не выявили специфических
молекул, направляющих развитие или определя-
ющих формирование паттернов.
Позже, в 1940-х годах, ученые начали исполь-
зовать генетический подход — изучение мутан-
тов — в исследованиях развития дрозофилы. Дан-
ный подход имел впечатляющий успех. В этих
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 503
исследованиях было установлено, что гены кон-
тролируют развитие, а специфические молекулы
играют ключевую роль в определении позиции и
направления дифференциации. Объединив ана-
томические, генетические и биохимические под-
ходы в изучении развития дрозофилы, исследова-
тели обнаружили принципы развития, общие для
многих других организмов, включая человека.
Жизненный цикл дрозофилы
Плодовые мушки и другие членистоногие име-
ют модульное строение, упорядоченный набор
сегментов. Эти сегменты составляют три основ-
ные части тела: голова, грудь (средняя часть тела,
на которой расположены крылья и ноги), и брюш-
ко (рис. 18.19, о). Как и другие двустороннесиммет-
ричные животные, дрозофила имеет передне-за-
днюю ось (от головы к хвосту), спинно-брюшную
ось, и лево-правую ось. Цитоплазматические де-
терминанты дрозофилы, локализованные в неоп-
лодотворенной яйцеклетке, обеспечивают пози-
ционную информацию для размещения перед-
не-задней и спинно-брюшной осей еще до опло-
дотворения. Здесь мы сосредоточимся на рас-
смотрении молекул, участвующих в определении
передне-задней оси.
Яйцеклетка дрозофилы развивается в яични-
ке самки, в окружении клеток яичника, называе-
мых трофоцитами и фолликулярными клетками
(рис. 18.19, б, вверху). Эти клетки снабжают яйце-
клетку питательными веществами, мРНК и дру-
гими веществами, необходимыми для развития
и формирования яйцевых оболочек. После опло-
дотворения и откладки яйца, эмбриональное раз-
витие приводит к формированию сегментирован-
ной личинки, которая проходит три личиночных
стадии. Затем в результате сходного процесса, ли-
чинка мухи преобразовывается в куколку, кото-
рая превращается во взрослую муху, изображен-
ную на рис. 18.19,0.
Генетический анализ раннего развития
(научное исследование)
Эдвард Льюис — проницательный американ-
ский биолог, в 1940-х годах впервые продемон-
стрировавший значение генетического подхода в
исследовании эмбрионального развития дрозо-
филы. Льюис изучал необычных мутантных мух с
дефектами развития, которые привели к форми-
рованию дополнительных крыльев или лапок в
неправильных местах тела (рис. 18.20).
ОСИ
ТЕЛА
Спинная
а Правая
Передняя —— s > Задняя
Левая х 1 г
Брюшная
а) Взрослое насекомое. Тело взрослой мухи сегментировано
и содержит три основных части — голову, грудь и брюшко.
Оси тела показаны стрелками.
Фолликулярные
клетки
Развивающаяся яйцеклетка
в фолликуле яичника
Трофоциты
Зрелая, неопло- /
дотворенная (л /
яйцеклетка Истощенные
трофоциты
-—Оболочка
яйца
I Оплодотворение
I Откладка яиц
€ Оплодотворенная
яйцеклетка
О Личинка
О Сегментированный
эмбрион
б) Развитие от стадии яйца до личинки. О Яйцеклетка (желтая)
в яичнике матери окружена поддерживающими (фолликуляр-
ными) клетками. 0 Развивающаяся яйцеклетка увеличивается
в размерах по мере поступления питательных веществ и мРНК
из трофоцитов и истощения последних. 0 Оплодотворение
яйцеклетки происходит внутри матери, после чего происхо-
дит откладка яйца. Яйцо развивается в ©сегментированного
эмбриона и, затем, в ©личинку, которая проходит три стадии.
Третья стадия формирует куколку (не показана), внутри кото-
рой с личинкой происходит метаморфоз во взрослое насе-
комое, показанное на (а).
Рис. 18.19. Ключевые события жизненных циклов дрозофилы с
точки зрения развития
504 Г ЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
Рис. 18.20. Аномальное формирование паттернов у дрозофи-
лы. Мутации в определенных регуляторных генах, называемых
гомеозисными, приводят к аномальному расположению струк-
тур на теле животного. На этой расцвеченной сканирующей
электронной микрофотографии приведено сравнение головы
дрозофилы дикого типа и гомеозисного мутанта (мухи с мутаци-
ей в одном гене), имеющего пару лапок (ног) на месте антенн
Он определял положение мутации на гене-
тической карте мухи, таким образом связывая
аномалии развития с конкретными генами. Это
исследование представило первые точные дока-
зательства того, что гены каким-то образом на-
правляют процессы развития, изучаемые эмбрио-
логами. Гены, открытые Льюисом, называются
гомеозисными генами-, они контролируют фор-
мирование паттернов в поздних эмбрионах, ли-
чинке и взрослом насекомом.
Прорыв в понимании формирования паттер-
нов на ранних стадиях эмбрионального развития
произошел через 30 лет, когда два исследовате-
ля из Германии, Кристиана Нюсляйн-Фольхард и
Эрик Вишаус, решили определить все гены, кото-
рые влияют на формирование сегментов у дрозо-
филы. Этот проект казался устрашающим по трем
причинам. Первая причина состоит в огромном
количестве генов дрозофилы, в настоящее вре-
мя их известно около 14 тысяч. Гены, влияющие
на сегментацию, могли быть лишь несколькими
иглами в стоге сена или, наоборот, могли быть на-
столько многочисленными и разнообразными,
что ученые не смогли бы их определить. Во-вто-
рых, мутации, влияющие на такой основополага-
ющий процесс как сегментация, несомненно, бу-
дут эмбриональными деталями, мутациями с
фенотипами, приводящим к смерти на эмбрио-
нальной или личиночной стадии. Поскольку ор-
ганизмы с эмбриональными летальными мута-
циями никогда не размножаются, их невозможно
вывести в стабильную линию, подходящую для
исследования. Исследователи пытались решить
эти проблемы путем поиска рецессивных мута-
ций, которые могут быть размножены в гетеро-
зиготных мухах, играющих роль генетических
носителей. В-третьих, было известно, что ци-
топлазматические детерминанты в яйцеклетке
определяют закладку осей тела, поэтому исследо-
ватели знали, что им необходимо изучить как ма-
теринские, так и эмбриональные гены. Далее мы
сосредоточимся на обсуждении именно материн-
ских генов в контексте развития передне-задней
оси тела в развивающейся яйцеклетке.
Нюсляйн-Фольхард и Вишаус начали поиск
генов, ответственных за формирование сегмен-
тации, подвергая мух воздействию мутагенного
химического вещества, влияющего в первую оче-
редь на гаметы мух. Они скрещивали мутантных
мух, а затем анализировали мертвых эмбрионов
и личинок с аномальной сегментацией или дру-
гими дефектами среди их потомков. Например,
чтобы найти гены, влияющие на формирование
передне-задней оси тела, они искали эмбрионы
и личинки с аномальными концами тела, напри-
мер, с двумя головами и двумя задними частями
тела. Они предполагали, что такие аномалии бу-
дут возникать вследствие мутаций в материнских
генах, необходимых для правильной закладки пе-
редне-задней оси у потомства.
Используя этот подход, Нюсляйн-Фольхард и
Вишаус в итоге выявили около 1200 генов, необ-
ходимых для формирования паттернов в ходе эмб-
рионального развития. Из них около 120 генов
были необходимы для нормальной сегментации.
Через несколько лет исследователи смогли сгруп-
пировать гены, ответственные за сегментацию, по
функциям, картировать и клонировать многие из
них для дальнейшего изучения в лаборатории. Ре-
зультатом данной работы стало детальное пони-
мание ранних стадий формирования паттерна у
дрозофилы на молекулярном уровне.
Когда результаты Нюсляйн-Фольхард и Вишаус
были объединены с более ранней работой Льюиса,
сформировалась связанная картина развития дро-
зофилы. В знак признания их открытий в 1995 году
эти три исследователя были удостоены Нобелев-
ской премии. Теперь давайте на конкретном при-
мере рассмотрим гены, которые обнаружили Нюс-
ляйн-Фольхард, Вишаус и их сотрудники.
Закладка оси тела
Как мы уже упоминали ранее, цитоплазма-
тические детерминанты в яйцеклетке являют-
ся веществами, которые первыми устанавливают
оси тела дрозофилы. Эти вещества кодируются
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 505
генами матери, называемыми генами материн-
ского эффекта. Ген материнского эффекта пред-
ставляет собой ген, который, будучи мутантным
у матери, приводит к появлению мутантного фе-
нотипа у потомства, независимо от собственного
генотипа потомства. В ходе развития дрозофилы,
мРНК или белковые продукты генов материнско-
го эффекта помещаются в яйцеклетку, пока она
находится в яичнике матери. Если в таком гене у
матери имеется мутация, она производит дефект-
ный генный продукт (или не производит его со-
всем), а ее яйцеклетки формируются неполно-
ценными; после оплодотворения, они не могут
развиваться должным образом.
Так как гены материнского эффекта опреде-
ляют полярность яйцеклетки и эмбриона, такие
гены также называют генами полярности яйце-
клетки. Одна из групп этих генов задает перед-
не-заднюю ось эмбриона, в то время как вторая
группа устанавливает спинно-брюшную ось. Как
и мутации в генах сегментации, мутации в генах
материнского эффекта, как правило, являются
эмбриональными леталями.
Bicoid: морфоген, определяющий структуру
головы. Чтобы подробнее рассмотреть, как гены
материнского эффекта определяют оси тела по-
томства, мы остановимся на одном из таких ге-
нов, который называется bicoid, т.е. “двухвостый”.
У эмбриона или личинки, чья мать имеет два му-
тантных аллеля bicoid, не хватает передней части
тела, они имеют структуры, аналогичные задней
части тела, на обоих его концах (рис. 18.21).
Рис. 18.21. Влияние гена bicoid на развитие дрозофилы. Ли-
чинка дрозофилы дикого типа имеет голову три грудных сег-
мента (Т), восемь сегментов брюшка (А) и хвост. Личинка, чья
мать имела два мутантных аллеля гена bicoid, имеет два хво-
ста, и у нее отсутствуют структуры передней части тела
Исследуя этот фенотип, Нюсляйн-Фольхард и
ее коллеги предположили, что продукт материн-
ского гена bicoid имеет важное значение в заклад-
ке переднего конца тела и может быть сконцент-
рирован на будущем переднем конце зародыша.
Эта гипотеза является примером гипотезы гра-
диента морфогенов, впервые предложенной эм-
бриологами около века назад, согласно которой
градиенты веществ, называемых морфогенами,
определяют положение осей тела эмбриона и дру-
гих особенностей его формы.
ДНК-технологии и другие современные био-
химические методы позволили ученым прове-
рить, действительно ли продукт гена bicoid, белок
Bicoid, является морфогеном, который определя-
ет передний конец тела у мухи. Сперва они зада-
ли вопрос: действительно ли мРНК и белковые
продукты этого гена расположены в яйцеклет-
ке в положении, соответствующем гипотезе. Они
обнаружили, что мРНК bicoid сконцентрирова-
на на крайнем переднем конце зрелой яйцеклет-
ки (рис. 18.22). После оплодотворения яйцеклетки,
мРНК транслируется в белок. Затем белок Bicoid
диффундирует от переднего конца к заднему, что
приводит к формированию градиента белка в
ранних эмбрионах, и самая высокая его концен-
трация находится на переднем конце тела. Эти ре-
зультаты согласуются с гипотезой о том, что бе-
лок Bicoid определяет передний конец тела мухи.
Чтобы проверить свою гипотезу иным образом,
ученые вводили чистую мРНК bicoid в различные
части ранних эмбрионов. Белок, который транс-
лировался с данной мРНК, вызвал формирование
структур передней части тела в местах инъекций.
Исследование bicoid являлось новаторским по
нескольким причинам. Во-первых, оно привело
к идентификации специфического белка, необхо-
димого на самых ранних этапах формирования
паттернов. Это позволило понять, как различные
области яйцеклетки дают начало самым разно-
образным дифференцированным типам клеток.
Во-вторых, это исследование расширило наше по-
нимание важнейшей роли матери на начальных
этапах эмбрионального развития. И, наконец, для
ряда видов было показано, что градиент морфо-
генов может определить полярность и положение
оси тела. Это является ключевой идей в понима-
нии развития осей, как и полагали ранние работы
эмбриологов.
Материнские мРНК играют решающую роль
в процессе развития многих видов. У дрозофилы
506 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
Изыскание
Может ли Bicoid быть морфогеном, определяющим
передний конец тела мухи?
Эксперимент. Используя генетический подход в изучении раз-
вития Drosophila, Кристина Нюсляйн-Фольхард и ее коллеги в
двух исследовательских институтах Германии проанализиро-
вали экспрессию гена bicoid. Исследователи предположили,
что bicoid в норме кодирует морфоген, определяющий голов-
ную (переднюю) часть эмбриона. Для проверки этой гипотезы
они использовали молекулярные методы обнаружения мРНК и
белка, кодируемого данным геном, в передней части оплодот-
воренной яйцеклетки или раннего эмбриона мухи дикого типа.
Результаты. мРНК bicoid (темно-синяя на световой микрофото-
графии и рисунке) оказалась сконцентрирована у переднего
конца неоплодотворенной яйцеклетки. На более поздних ста-
диях развития белок Bicoid был обнаружен сконцентрирован-
ным в клетках переднего конца тела эмбриона.
ЭВОЛЮЦИЯ
100 мкм
Оплодотво-
рение, транс-
ляция мРНК
мРНК bicoid в зрелой biC0ld
неоплодотворенной
яйцеклетке
Передний
конец
Белок Bicoid в раннем
эмбрионе
Выводы. Локализация мРНК bicoid и диффузный градиент белка
Bicoid, который можно увидеть позже, соответствуют гипотезе
о том, что белок Bicoid является морфогеном, определяющим
формирование головных структур.
Источник: Nusslein-Volhard et al.. Determination of anteroposterior
polarity in Drosophila, Science 238:1675-1681 (1987); W. Driever
and C. Niisslein-Volhard, A gradient of bicoid protein in Drosophila
embryos, Cell 54:83-93 (1988); T. Berleth et al.. The role of localization
of bicoid RNA in organizing the anterior pattern of the Drosophila
embryo, EMBO Journal 7:1749-1756 (1988).
Исследователям потребовались дополни-
тельные доказательства, и они ввели мРНК bicoid в передний
конец яйцеклетки самки с мутацией, выключающей ген bicoid.
Зная, что результаты эксперимента согласуются с гипотезой,
что, по вашему мнению, они увидели?
А ЧТО, ЕСЛИ?
генов, и материнские мРНК разрушаются. (У дро-
зофилы и других видов в этом процессе участву-
ют микроРНК.) Позже закодированная в генах
эмбриона позиционная информация, действуя на
более мелком масштабе, определяет нужное ко-
личество правильно ориентированных сегмен-
тов и вызывает формирование характерных для
каждого сегмента структур. Аномальные гены,
принимающие участие в этой конечной стадии
формирования плана тела, приводят к развитию
аномального взрослого насекомого, что вы виде-
ли на рис. 18.20.
Эволюционная биология развития (“Evo-Devo”)
Муха с лапками на голове на рис. 18.20
является результатом одиночной мутации в одном
гене. Однако этот ген кодирует не белок усика. Он
кодирует фактор транскрипции, который регули-
рует другие гены, и его неисправность приводит к
развитию аномальных структур, таких как лапки
вместо усиков. Тот факт, что изменения в регуляции
генов в процессе развития могут привести к таким
фантастическим изменениям формы тела, заставил
некоторых ученых рассмотреть вопрос о том, целе-
сообразны ли такого рода мутации и могут ли они
способствовать эволюции путем создания новых
форм тела. В конце концов, это направление иссле-
дований породило область эволюционной биоло-
гии развития, так называемую “evo-devo”, которая
будет подробнее рассмотрена в главе 21.
В данном разделе мы увидели, как тщатель-
но спланированная программа последовательно-
го регулирования экспрессии гена контролиру-
ет превращение оплодотворенной яйцеклетки в
многоклеточный организм. Эта программа тща-
тельно сбалансирована и в нужное время про-
водит включение одних генов, необходимых для
дифференцировки, выключая другие гены. Даже
тогда, когда организм полностью развит, экспрес-
сия генов регулируется таким же тонко настро-
енным образом. В разделе 18.5 данной главы мы
узнаем, насколько совершенна эта настройка, на
примере изменений в экспрессии нескольких ге-
нов, которые могут привести к развитию рака.
градиенты специфических белков, кодируемых
материнскими мРНК, не только определяют поло-
жение заднего и переднего конца тела, но и уста-
навливают спинно-брюшную ось. По мере роста
эмбриона мухи, наступает момент когда в игру
вступает эмбриональная программа экспрессии
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 18.4
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Как вы узнали из главы 12, ми-
тоз приводит к образованию дочерних клеток, генетически
идентичных родительской клетке. Однако вы сами, как ре-
зультат многих митотических делений, состоите отнюдь не из
идентичных клеток. Почему?
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 507
2.
3.
4.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Объясните, кок сигнальные
молекулы, выделяемые эмбриональными клетками, могут
запустить изменения в соседних клетках, не попадая внутрь
них (см. рис. 11.15 и рис. 11.16).
Почему гены материнского эффекта дрозофилы называют
генами полярности яйца?
На рис. 18.17, б, нижняя клетка синтезиру-
ет сигнальные молекулы, в то время как верхняя клетка эк-
спрессирует рецепторы к ним. В контексте регуляции генов
и цитоплазматических детерминантов, объясните, как полу-
чилось, что данные клетки синтезируют разные молекулы.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
18.5. В результате генетических
изменений, влияющих на
контроль клеточного цикла,
развивается рак
В главе 12 мы рассматривали рак как тип забо-
левания, при котором клетки избегают действия
механизмов контроля, в норме ограничивающий
их рост. Теперь в ходе обсуждения молекулярных
основ экспрессии генов и ее регуляции, мы готовы
посмотреть на это заболевание более вниматель-
но. Механизмы регуляции работы генов, которые
нарушены в раковых клетках, — это те же меха-
низмы, что играют важную роль в эмбриональ-
ном развитии, формировании иммунного отве-
та и во многих других биологических процессах.
Таким образом, с одной стороны, исследования в
области молекулярных основ рака использовали
знания, полученные в различных областях биоло-
гии, а с другой — обогатили их.
Типы генов, ассоциированных с раком
К генам, регулирующим рост и деление клеток
во время клеточного цикла, относятся гены фак-
торов роста, их рецепторов и внутриклеточных
молекул сигнальных путей. (Для получения ин-
формации о клеточной сигнализации — см. гла-
ву 11, о клеточном цикле — см. главу 12.) Мута-
ции в каком-либо из этих генов в соматических
клетках могут привести к раку. Такие мутации
могут возникать случайным образом. Кроме того,
возникновение раковых мутаций возможно в ре-
зультате воздействий окружающей среды, таких
как химические канцерогены, рентгеновские лучи
и другие типы высокоэнергетических излучений,
а также некоторых вирусов.
Исследования заболевания привели к откры-
тию вызывающих рак генов, которые называют
онкогенами (от греч. онко — “опухоль”), находя-
щихся в некоторых типах вирусов (см. главу 19).
Впоследствии близкие аналоги вирусных онкоге-
нов были обнаружены в геномах людей и других
животных. Нормальные варианты клеточных ге-
нов, называемых протоонкогенами, кодируют
белки, которые стимулируют нормальный рост и
деление клеток.
Как может протоонкоген, который выполня-
ет важную функцию в нормальных клетках, пре-
вратиться в онкоген — ген, вызывающий рак?
В общих случаях онкоген возникает в результа-
те генетических изменений, которые приводят к
увеличению либо количества белкового продук-
та протоонкогена, либо собственной активности
молекулы белка протоонкогена. Генетические из-
менения, которые преобразуют протоонкогены в
онкогены, делятся на три основные категории: пе-
ремещение ДНК в пределах генома, увеличение
количества копий протоонкогена в геноме, точеч-
ные мутации в регуляторном элементе или в са-
мом протоонкогене (рис. 18.23).
В раковых клетках часто обнаруживают хро-
мосомы, которые были разорваны и неправиль-
но соединены, что привело к транслокации (пере-
мещению) фрагментов ДНК из одной хромосомы
в другую (см. рис. 15.14 в главе 15). Изучив то, как
регулируется экспрессия генов, вы можете пред-
ставить возможные последствия таких трансло-
каций. Если вставка протоонкогена происходит
вблизи особо активного промотора (или другого
регуляторного элемента), транскрипция гена, ко-
торый он контролирует, может увеличиться, пре-
вращая этот ген в онкоген. Второй основной тип
генетических изменений — амплификация, или
увеличение числа копий, протоонкогенов в клет-
ке путем многократного дублирования генов (об-
суждается в главе 21). Третьим вариантом явля-
ется точечная мутация либо 1) в промоторе или
энхансере, регулирующем протоонкоген, что при-
водит к увеличению его экспрессии, либо 2) в ко-
дирующей последовательности протоонкогена,
приводя к экспрессии более активного белка или
белка, более устойчивого к расщеплению по срав-
нению с нормальным белком. Эти механизмы
могут привести к аномальной стимуляции кле-
точного цикла и направить клетку на путь пре-
вращения ее в раковую.
Гены — супрессоры опухолей
В дополнение к генам, чьи продукты в норме
стимулируют деление клеток, клетки содержат
508 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
Протоонкоген
Транслокация
или транспозиция
ген перемещается
в новый локус, под контроль
новых регуляторных
элементов
Протоонкоген
Протоонкоген
Точечная мутация
Новый Онкоген
Избыток нормального
белка — фактора роста
Амплификация гена
несколько копий гена
Рис. 18.23. Генетические изменения, которые могут превратить протоонкоген в онкоген
Внутри регуляторного
элемента
Онкоген
Избыток нормального
белка — фактора роста
Внутри гена
Онкоген
Гиперактивный
или устойчивый
к деградации белок
t
гены, нормальные продукты которых ингибируют
клеточное деление. Такие гены называются гена-
ми — супрессорами опухолей, так как кодируемые
ими белки могут предотвратить неконтролиру-
емый рост клеток. Любая мутация, которая сни-
жает нормальную активность белка — супрессора
опухолей, может способствовать возникновению
рака, фактически стимулируя рост клеток за счет
отсутствия его подавления.
Белковые продукты генов — супрессоров опу-
холей выполняют различные функции. Некото-
рые белки — супрессоры опухолей восстанав-
ливают поврежденные ДНК, что предотвращает
накопление вызывающих рак мутаций. Другие
белки — супрессоры опухолей контролируют ад-
гезию (прикрепление) клеток друг к другу или
к внеклеточному матриксу; прикрепление кле-
ток очень важно для формирования нормальных
тканей, и оно часто отсутствует в раковых обра-
зованиях. Кроме того, другие белки — супрессо-
ры опухолей являются компонентами клеточных
сигнальных путей, которые ингибируют клеточ-
ный цикл.
Вмешательство в нормальные
сигнальные пути клетки
Белки, кодируемые многими протоонкогена-
ми и генами — супрессорами опухолей, являют-
ся компонентами клеточных сигнальных путей.
Давайте внимательнее рассмотрим, как такие бел-
ки функционируют в нормальных клетках и что
происходит с их функциями в раковых клетках.
Мы сосредоточимся на продуктах двух ключевых
генов — протоонкогена ras и гена — супрессора
опухолей р53. Мутации ras встречаются прибли-
зительно в 30% раковых заболеваний человека, а
мутации р53 в более чем 50%.
Белок Ras, кодируемый геном ras (название
произошло от rat sarcoma — “саркома крысы”, рак
соединительной ткани), является G-белком, кото-
рый ретранслирует сигнал от рецептора фактора
роста на плазматической мембране к каскаду про-
теинкиназ (см. рис. 11.8, 2-5, в главе 11). Клеточным
ответом в конце этого сигнального пути является
синтез белка, стимулирующего клеточный цикл
(рис. 18.24, а). Как правило, такой каскад не работа-
ет в отсутствии соответствующего фактора роста.
Но некоторые мутации в гене ras могут привести
к образованию гиперактивного белка Ras, кото-
рый запускает киназный каскад даже в отсутствие
фактора роста, что приводит к избыточному деле-
нию клеток (рис. 18.24,6). В действительности и му-
тации в гене ras, и избыточное количество любого
из компонентов данного сигнального пути могут
привести к одному и тому же результату — чрез-
мерному делению клеток.
На рис. 18.25,0, показан сигнальный каскад, в ко-
тором внутриклеточный сигнал приводит к син-
тезу белка, подавляющего клеточный цикл. В дан-
ном случае сигналом является повреждение ДНК
клетки, возможно, в результате воздействия уль-
трафиолетового света. Работа этого сигнального
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 509
пути блокирует клеточный цикл до момента репа-
рации повреждения. В противном случае, это по-
вреждение может способствовать образованию
опухоли, приводя к мутациям или хромосомным
перестройкам. Таким образом, гены компонен-
тов сигнального пути выступают в качестве ге-
нов-супрессоров опухолей. Ген р53> чей белковый
продукт имеет молекулярную массу в 53 000 даль-
тонов, представляет собой ген — супрессор опу-
холей. Белок р53 является специфическим факто-
ром транскрипции, который способствует синтезу
белков-ингибиторов клеточного цикла. Поэтому
мутация, которая выводит из строя ген р53, как
и мутация, которая приводит к гиперактивности
О G-белок
0 Фактор ^ДР'
транскрипции
(активатор)
Q Белок,
стимули-
рующий
клеточный
цикл
Рис. 18.24. Нормальный и О Фактор
мутантный пути стимуляции роста
клеточного цикла, (а) Нор-
мальный путь запускает-
ся фактором роста О. который
связывается со своим рецепто-
ром © на плазматической мемб-
ране. Сигнал передается G-бел-
ку © под названием Ras. Как и все
G-белки, Ras активируется при
связывании с ПФ. Ras переда-
ет сигнал на последовательность
белков-киназ 0. Последняя из них
О Рецептор q Протеинкиназы
а) Нормальный путь стимуляции клеточного цикла
активирует фактор транскрипции
(активатор) ©, включающий один
или несколько генов белков, сти-
мулирующих клеточный цикл О.
(б) Если в результате мутации Ras
или другой компонент пути стано-
вится гиперактивным, может на-
чаться гиперактивное деление
клеток и развиться рак
Нормальное
деление клеток
Гиперактивный белок Ras
(продукт онкогена) передает сигнал
вне зависимости от того, связан ли
фактор роста с рецептором.
Фактор <
транскрипции
(активатор)
Непрерывная
экспрессия
белка (овер-
экспрессия)
Избыточное
деление клеток
б) Мутантный путь стимуляции клеточного цикла
Рис. 18.25. Нормальный и мутантный
путь ингибирования клеточного цик-
ла. (а) Нормальный путь запускается
внутриклеточным сигналом повреж-
дения ДНК О, который передается к
белкам-киназам 0, что приводит к ак-
тивации р53 ©. Активированный р53
обеспечивает транскрипцию© гена
белка, ингибирующего клеточный цикл
©. Ингибирование клеточного цикла
предотвращает репликацию повре-
жденной ДНК. Если повреждение ДНК
невозможно исправить, р53 запуска-
ет программируемую смерть клетки
(апоптоз), (б) Мутации, которые при-
водят к недостатку компонентов дан-
ного сигнального пути, могут способ-
ствовать развитию рака
] Объясните, вероятно ли, что мута-
ции в генах — супрессорах опухолей,
таких как р53, окажутся доминантными
(или рецессивными)?
0 Протеинкиназы
/ А
уг -*. 0 Белок
5Ц Z ингибирует
Уф 1.- " / \ ЯЛР0 клеточный
IQ Повреждение 0 Активная 0 Тран-
I геномной ДНК форма рбЗ скрипция
а) Нормальный путь ингибирования клеточного цикла
УФ
свет
Повреждение
I геномной ДНК
МУТАЦИЯ
Дефектный или
отсутствующий
фактор транскрип-
ции, такой как р53. •
не способен акти-
вировать тран-
скрипцию.
б) Мутантный путь ингибирования клеточного цикла
Поврежденная
ДНК не репли-
цируется
Клетки
не делятся
Ингибирование
Белок-
ингибитор
отсутствует
клеточного
цикла отсут-
ствует
Избыточное
деление
клеток
510 Г ЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
белка Ras, может привести к чрезмерному росту
клеток и развитию рака (рис. 18.25,6).
Ген р53 называют “ангелом-хранителем гено-
ма” После того, как ген активировался, например,
в результате повреждения ДНК, белок р53 высту-
пает в качестве активатора нескольких других ге-
нов. Часто он активирует ген под названием р21у
чей белковый продукт останавливает клеточный
цикл путем связывания с циклин-зависимыми
киназами, таким образом предоставляя клетке
время на восстановление ДНК. Недавно исследо-
ватели показали, что р53 также активирует экс-
прессию группы микроРНК, которые, в свою оче-
редь, тормозят клеточный цикл. Кроме того,
белок р53 может включать гены, непосредственно
участвующие в репарации ДНК. Наконец, когда
поврежденную ДНК нельзя восстановить, рЗЗ ак-
тивирует гены “самоубийства”, чьи белковые про-
дукты вызывают запрограммированную гибель
клеток (апоптоз, см. рис. 11.20 в главе 11). Таким об-
разом, чтобы предотвратить передачу мутаций,
возникших в результате повреждения ДНК, р53
действует несколькими способами. Если мутации
накапливаются и клетка проходит через множе-
ство делений, что наиболее вероятно, когда ген —
супрессор опухолей р53 неисправен или отсут-
ствует, может возникнуть рак. Многие функции
р53 предполагают сложную картину регуляции в
нормальных клетках, которую мы еще не в состо-
янии понять в полной мере.
Схемы на рис. 18.24 и рис. 18.25 демонстрируют со-
временное общее представление о том, как мута-
ции могут способствовать развитию рака; одна-
ко, на данный момент мы не можем точно сказать,
как отдельная клетка становится раковой. По
мере обнаружения ранее неизвестных аспектов
регуляции генов, ученые изучают их роль в воз-
никновении рака. Такие исследования показали,
например, что паттерны метилирования ДНК и
модификации гистонов отличаются в нормаль-
ных и раковых клетках, и что микроРНК, вероят-
но, участвуют в развитии рака. Изучая пути пе-
редачи внутриклеточных сигналов, мы узнали о
раке много нового, и многое другое нам все еще
предстоит о нем понять.
Многоступенчатая модель
развития рака
Как правило, для возникновения изменений,
свойственных полноценной раковой клетке, тре-
буется более одной соматической мутации. Этим
можно объяснить значительное увеличение забо-
леваемости раком с возрастом. Если рак возника-
ет в результате накопления мутаций, и если му-
тации происходят на протяжении всей жизни, то
чем дольше мы живем, тем больше вероятность
того, что у нас разовьется рак.
Многоступенчатая модель развития рака под-
тверждается исследованиями одного из наибо-
лее изученных видов человеческого рака: коло-
ректального рака, который поражает толстую
кишку и/или прямую кишку. Каждый год в США
диагностируется около 140 000 новых случаев ко-
лоректального рака; эта болезнь вызывает до
50 000 смертей в год. Как и большинство видов
рака, колоректальный рак развивается постепен-
но (рис. 18.26). Первым признаком часто является
полип — небольшое доброкачественное образо-
кишечника (или другого)
Рис. 18.26. Многоступенчатая модель развития колоректального рака. Этот тип рака
является одним из наиболее изученных. Изменения в структуре опухоли происходят
параллельно с сериями генетических изменений, включая мутации в ряде генов — су-
прессоров опухолей (таких как р53) и протоонкогене ras. Мутации генов — супрес-
соров опухолей часто представляют собой потерю (делецию) генов. АРС (от англ.
adenomatous polyposis coli) является геном — супрессором опухолей, a SMAD4 — ген,
участвующий в сигнальном пути, приводящем к апоптозу. Мутации в других последова-
тельностях также могут приводить к развитию колоректального рака
0 Активация
протоонкогена
ras
Нормальные эпите-
лиальные клетки
© Pearson Education, Inc.
О Потеря гена-
супрессора
Небольшое опухолей SMAD4
доброкачественное
образование (полип)
Более крупное
О Потеря гена-
супрессора
опухолей р53
0 Дополни-
тельные мутации
Злокачественная
опухоль
(карцинома)
доброкачественное
образование (аденома)
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 511
вание в эпителии толстой кишки. Клетки полипа
выглядят нормальными, хотя делятся необычно
часто. Опухоль растет и со временем может стать
злокачественной, врастающей в другие ткани.
Развитие злокачественной опухоли происходит
одновременно с постепенным накоплением мута-
ций, которые превращают протоонкогены в онко-
гены и выводят из строя гены — супрессоры опу-
холей. Онкоген ras и мутантный ген — супрессор
опухолей р53 часто вовлечены в эти процессы.
Около полудюжины изменений должны про-
изойти на уровне ДНК для того, чтобы клет-
ки стали полностью злокачественными. Эти из-
менения, как правило, включают появление по
крайней мере одного активного онкогена и мута-
цию или потерю нескольких генов — супрессоров
опухолей. Кроме того, так как мутантные алле-
ли в генах — супрессорах опухолей обычно ре-
цессивные, в большинстве случаев для того, что-
бы блокировать супрессию опухолей, мутации
должны блокировать обе аллели в геноме клетки.
(С другой стороны, большинство онкогенов, ве-
дут себя как доминантные аллели.) Порядок, в ко-
тором должны произойти эти изменения, и отно-
сительная значимость различных мутаций до сих
пор находятся в процессе изучения.
Так как мы понимаем механизм развития это-
го типа рака, рекомендуется регулярно проходить
стандартную процедуру наблюдения для выявле-
ния и устранения любых подозрительных поли-
пов. Коэффициент смертности от колоректаль-
ного рака снижается в течение последних 20 лет
в результате улучшения процедур наблюдения и
методов лечения. Лечение других видов рака так-
же совершенствуется. Прорывные технические
достижения в методах секвенирования ДНК и
мРНК позволили медицинским исследователям
сравнивать гены, экспрессируемые различными
типами опухолей и одним и тем же типом опу-
холи у разных пациентов. Эти сравнительные ис-
следования привели к созданию персонализиро-
ванного лечения рака на основе молекулярных
характеристик опухоли человека.
Рак молочной железы является второй наи-
более распространенной формой рака в США, и
первой по частоте встречаемости среди женщин.
Каждый год этот вид рака поражает более 230 ты-
сяч женщин (и некоторых мужчин) и убивает
40 тысяч человек в США (смертность по всему
миру — 450 тысяч человек). Одной из основных
проблем в понимании развития рака молочной
железы является гетерогенность данного вариан-
та рака: опухоли у разных пациентов существен-
ным образом отличаются друг от друга. Опре-
деление различий между типами рака молочной
железы, как ожидается, поможет повысить эффек-
тивность лечения и снизить уровень смертности.
В ноябре 2012 года были опубликованы результа-
ты исследования “Атлас ракового генома” {Cancer
Genome Atlas Network), которое проводилось под
эгидой Национального института здоровья. Не-
скольких команд ученых использовали геномный
подход для формирования совокупности параме-
тров подтипов рака молочной железы на основе
их молекулярных подписей. В результате этой ра-
боты были выявлены четыре основных типа рака
молочной железы (рис. 18.27).
Наследственная
предрасположенность
и экологические факторы,
способствующие заболеванию раком
Тот факт, что для получения раковых клеток
необходимы множественные генетические изме-
нения, помогает объяснить, почему раковые забо-
левания часто связаны с наследственной предрас-
положенностью. Наследуя онкоген или мутантный
аллель гена — супрессора опухолей, человек ста-
новится на один шаг ближе к накоплению мута-
ций, необходимых для развития рака, по сравне-
нию с людьми без каких-либо подобных мутаций.
Генетики прилагают значительные усилия для
выявления наследуемых аллелей рака, чтобы ста-
ло возможным обнаружить предрасположенность
к некоторым видам рака в раннем возрасте. Око-
ло 15% случаев колоректального рака, например,
содержат унаследованные мутации. Многие из них
влияют на ген — супрессор опухоли под названи-
ем АРС {adenomatous polyposis coli) (см. рис. 18.26).
Этот ген имеет несколько функций в клетке, в том
числе он участвует в регуляции клеточной мигра-
ции и адгезии. Даже у пациентов, не имеющих этой
болезни в семейной истории, ген АРС мутирует в
60% случаев колоректального рака. Для того, что-
бы в этом случае ген утратил свою функцию, в
обоих аллелях АРС должны произойти новые му-
тации. Так как только 15% случаев колоректально-
го рака связаны с известными наследуемыми му-
тациями, исследователи продолжают проводить
работы по выявлению маркеров, которые мог-
ли бы предсказать риск развития этого вида рака.
512 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
▼ Рис. 18.27_____________
[УСТАНОВИ взаимосвязи
Геномика, передача
клеточных сигналов и рак
Современная медицина сочетает молекулярные ис-
следования генома с исследованиями сигнальных
путей в клетках, тем самым совершенствуя подходы
к лечению многих заболеваний, например, рака мо-
лочной железы. С помощью анализа на микрочипах
( ) и других методов исследователи измери-
ли относительные уровни экспрессии транскриптов
мРНК для каждого гена в большом количестве раз-
личных образцов опухолей молочной железы. Они
определили четыре основных подтипа рака молоч-
ной железы, показанные ниже, которые отличаются по
уровню экспрессии трех сигнальных рецепторов, уча-
ствующих в регуляции клеточного роста и деления клеток
(см. рис. 11.28 и 11.2! в главе 11). Нормальные уровни экс-
прессии этих сигнальных рецепторов (обозначенные зна-
ком +) для здоровой клетки молочной железы представле-
ны справа. Отсутствие (-) или избыток экспрессии (++ или
+++) этих рецепторов может привести к аномальной работе
сигнальных путей в клетках, что в ряде случаев способству-
ет нежелательному активному делению клеток и развитию
рака (см. ). Лечение рака молочной железы стано-
вится все более эффективным, так как его удается адапти-
ровать к определенному подтипу рака.
1
Проток
железы
. FRcr
Альфа-рецептор
эстрогена (ERa)
Рецептор
прогестерона (PR)
HER2 (рецептор
с тирозинкиназной
активностью)
Поддерживающая
клетка
Внеклеточный
матрикс
железы
• лучший прогноз
железы
более агрессивный; худший прогноз
по сравнению с другими подтипами
железы
прогноз хуже, чем в случае
люминального А-подтипа
железы
прогноз хуже, чем в случае
люминального А-подтипа
Оба люминальных подтипа гиперэкспрессируют ERa
(люминальный подтип А больше, чем подтип В) и PR, и, *
как правило, не экспрессируют HER2. Оба подтипа лечат
с помощью препаратов, которые нацелены на инактивацию
ERa; наиболее известным препаратом является Тамоксифен.
Эти подтипы также можно лечить с помощью препаратов,
ингибирующих синтез эстрогена.
установи взаимосвязи Когда исследователи сравни-
ли экспрессию генов в здоровых клетках молочной желе-
зы и в клетках рака молочной железы, они обнаружили, что
гены, имеющие наиболее значимые отличия в экспрессии,
кодируют сигнальные рецепторы, показанные на рисунке.
Учитывая то, что вы узнали в главах 11, 12, и в данной главе,
объясните, почему этот результат является ожидаемым.
Подтип HER2 гиперэкспрес-
сирует HER2. Клетки подтипа
HER2 не реагируют на тера-
пию, направленную против ERa
или PR, потому что эти рецеп-
торы не экспрессируются в дан-
ном подтипе рака. Тем не менее,
пациентов с подтипом HER2
можно лечить с помощью Герцеп-
тина - антитела, которое инак-
тивирует активность тирозин-
киназы HER2 (см. раздел 12.3).
Базально-подобный подтип
является “тройным негатив-
ным” - он не экспрессирует ERa,
PR и HER2. Клетки этого подтипа
часто имеют мутацию в гене-
супрессоре опухолей BRCA1
(см. раздел 18.5). Лечение, наце-
ленное на ERa, PR или HER2, не
является эффективным, но в на-
стоящее время разрабатываются
новые методы терапии. Сегодня
лечение пациентов с данным под-
типом рака проводится с помо-
щью цитостатической химио-
терапии, которая избирательно
уничтожает быстро растущие
клетки.
Учитывая распространенность и значение рака
молочной железы, не удивительно, что он был од-
ним из первых видов рака, для которого была ис-
следована роль наследственности. Оказывается,
что у 5-10% пациентов с раком молочной желе-
зы имеется сильная наследственная предрасполо-
женность. Генетик Мэри-Клер Кинг начала рабо-
тать над этой проблемой в середине 1970-х годов.
После 16 лет исследований она смогла убедитель-
но доказать, что мутации в одном гене, BRCA1 (от
англ, breast cancer — “рак молочной железы”), свя-
заны с повышенной восприимчивостью к раку
молочной железы — открытие, неожиданное для
медицинского общества того времени. Мутации
в этом гене или в гене под названием BRCA2 об-
наружены по меньшей мере в половине унасле-
дованных случаев развития рака молочной желе-
зы; данные мутации возможно обнаружить при
секвенировании ДНК. У женщины, которая на-
следует один мутантный аллель BRCA1, рак мо-
лочной железы разовьется в возрасте до 50 лет с
вероятностью 60%, по сравнению с 2%-ной веро-
ятностью развития этого вида рака у женщины,
гомозиготной по нормальному аллелю.
BRCA1 и BRCA2 считаются генами — супрессо-
рами опухолей, потому что их аллели дикого типа
защищают от развития рака молочной железы, а
их мутантные аллели являются рецессивными.
(Обратите внимание на то, что мутации в BRCA1
обычно встречаются в геномах клеток базально-
клеточного рака молочной железы, см. рис. 18.27)
Белки BRCA1 и BRCA2 участвуют в репарации по-
вреждений ДНК. BRCA2 изучен лучше: в сочета-
нии с другим белком он помогает восстанавливать
двухцепочечные разрывы ДНК; эта репарацион-
ная функция имеет решающее значение для под-
держания целостности ДНК в ядре клетки.
Поскольку разрывы ДНК могут способство-
вать развитию рака, сведение к минимуму воздей-
ствий на ДНК повреждающих агентов, таких как
ультрафиолетовое излучение солнечного света
или химические вещества, обнаруженные в сига-
ретном дыме, может снизить риск развития онко-
логического заболевания. Новые полногеномные
методы анализа отдельных видов рака, описанные
на рис. 18.27, способствуют как ранней диагностике,
так и разработке методов лечения, которые влия-
ют на экспрессию ключевых генов опухолей. В ко-
нечном счете ожидается, что такие подходы помо-
гут снизить уровень смертности от рака.
Роль вирусов в развитии рака
Изучение генов, связанных с раком, содержа-
щих наследуемые изменения или нет, расширяет
наши представления о том, как нарушение нор-
мальной регуляции генов может привести к тако-
му заболеванию. В дополнение к мутациям и дру-
гим генетическим изменениям, описанным в этом
разделе, у различных животных, включая челове-
ка, рак может быть вызван рядом опухолевых ви-
русов. Один из самых ранних прорывов в понима-
нии происхождения рака произошел в 1911 году,
когда Пейтон Роус, американский патолог, обна-
ружил вирус, который вызывает рак у кур. Позже
была установлена связь вируса Эпштейна-Барр,
вызывающего инфекционный мононуклеоз, с не-
сколькими типами рака у человека, в частности с
лимфомой Беркитта. Вирус папилломы ассоции-
рован с раком шейки матки, а вирус под названи-
ем HTLV-1 вызывает определенный тип лейкоза у
взрослых. Похоже, что вирусы вызывают разви-
тие около 15% случаев рака человека в мире.
На первый взгляд, вирусы могут показаться
довольно необычной причиной рака по сравне-
нию с мутациями. Тем не менее, как нам сейчас
известно, если вирусы интегрируют свой генети-
ческий материал в ДНК клетки, они могут мешать
регуляции генов разными способами. Интеграция
вируса может привнести в клетку онкоген, нару-
шить структуру гена — супрессора опухолей или
преобразовать протоонкоген в онкоген. Кроме
того, некоторые вирусы производят белки, кото-
рые инактивируют р53 и другие белки — супрес-
соры опухолей, что создает для клетки предраспо-
ложенность к тому, чтобы стать злокачественной.
Вирусы являются мощными биологическими
агентами, об их функциях вы подробнее узнаете
в главе 19.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 18.5
1.
2.
3.
Белок р53 может активировать
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
гены, участвующие в апоптозе (программируемой смер-
ти клетки). Обсудите, как мутации в генах, ответственных за
апоптоз, могут привести к раку (см. главу 11, раздел 11.5).
При каких условиях считается, что человек имеет предрас-
положенность к развитию рака?
Вызывающие рак мутации влияют на ак-
А ЧТО, ЕСЛИ?
тивность белков, кодируемых протоонкогенами, иначе, чем
на белки — супрессоры опухолей. Объясните.
Ответы см. в Приложении А.
514 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
Обзор главы
18.1. БАКТЕРИИ ЧАСТО ОТВЕЧАЮТ НА ИЗМЕНЕНИЕ
ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ ЗА СЧЕТ РЕГУЛЯЦИИ
ТРАНСКРИПЦИИ
• Клетки контролируют метаболизм, регулируя ак-
тивность ферментов или экспрессию генов, коди-
рующих ферменты. В бактериях гены часто кла-
стеризованы в опероны с одним промотором на
несколько ближайших генов. Сайт-оператор на ДНК
может включать и выключать работу оперона, что
приводит к координированной регуляции генов.
• Некоторые опероны также являются объектами для
положительной регуляции генов посредством сти-
мулирующих активаторов, таких как белок, ак-
тивирующий метаболизм (САР, от англ, catabolite
activator protein), который, будучи активированным
с циклическим АМФ, связывается с сайтом внутри
промотора и стимулирует транскрипцию.
| Сравните роли корепрессора и индуктора в отри-
цательной регуляции оперона.
Оперон
18.2. ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ У ЭУКАРИОТ
РЕГУЛИРУЕТСЯ НА МНОГИХ УРОВНЯХ
Модификация хроматина
Транскрипция
• Как репрессируемые, так и индуцируемые опероны
являются примером отрицательной регуляции ге-
нов. В любом из этих случаев связывание специаль-
ного репрессора с сайтом-оператором выключает
транскрипцию. (Репрессор кодируется отдельным
регуляторным геном). В репрессируемом опероне
репрессор активен, будучи связанным с корепрес-
сором, который обычно является конечным про-
дуктом анаболического пути.
Репрессируемый оперон:
Гены не экспрессируются
Гены экспрессируются
Промотор
М Неактивный репрессор:
корепрессор отсутствует
Активный репрессор:
связан с корепрес-
сором
Корепрессор
В индуцируемом опероне связывание индуктора
• Гены в компактизирован-
ном гетерохроматине
обычно не транскрибиру-
ются.
• Ацетилирование .
гистонов декомпак- л
тизирует структуру хро-
матина, активизируя тран-
скрипцию.
• Метилирование ДНК
обычно подавляет
транскрипцию.
МОД/ФИКАЦИ1 ХРОМАТИНА
дГ*АДАЦИ1 И ТАчС- ЯЦНУ
ТРАНСКР1Щ1Я
♦
мРНК
ПРОЦЕССИНГ
| И ДЕГРАДАЦИЯ БЕЛКА
деградация мРнк
• Регуляция инициации транскрипции:
регуляторные
ДНК-элементы | L
в энхансерах
связывают
определенные
факторы транскрипции. Связывание
с ДНК позволяет активаторам контакти-
ровать с белками на промоторе, иниции-
руя транскрипцию.
• Координированная регуляция:
Энхансеры генов,
специфичных
для печени
Энхансеры генов,
специфичных
для хрусталика
1вссингРНК
• Альтернативный сплайсинг РНК:
Первичный РНК-
транскрипт
X
или
• КаждаямРНК имеет
характерное время жизни,
отчасти определяемое
последовательностями на
5* и З'-нетранслируемых
областях (НТО. или UTR)
• Инициация трансляции может регули-
роваться специальными факторами
инициации.
• Процессинг и деградация белков—
регулируемые этапы
ессинг и деградация белка
Трансляция
с исходно активным репрессором приводит к его
инактивации и включает транскрипцию. Индуци-
руемые ферменты часто функционируют в катабо-
лических путях.
Индуцируемый оперон:
Q Опишите, что должно произойти для того, что-
бы специфичный для клеточного типа ген оказался экс-
прессирован в данном типе клеток.
0^°Р Гены
Гены не экспрессируются
Промотор
Активный репрессор:
индуктор отсутствует
Гены экспрессируются
Неактивный реп-
рессор: связан
Индуктор с индуктором
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 515
18.3. НЕКОДИРУЮЩИЕ РНК ВЫПОЛНЯЮТ
МНОЖЕСТВО ФУНКЦИЙ В РЕГУЛЯЦИИ
ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ
:ация хроматина
• Малые и/или крупные некодирующие
РНК могут способствовать образованию
гетерохроматина в определенных учас-
тках, что может блокировать транскрипцию.
Деградация мРНК
• микроРНК и миРНК могут прицельно разрушать
те или иные мРНК.
Трансляция
• микроРНК и миРНК могут блокировать
трансляцию специфических мРНК.
□ Почему микроРНК называют некодирующими РНК?
Объясните, как они участвуют в регуляции генов.
18.4. ПРОГРАММА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ
ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ ПРИВОДИТ
К ФОРМИРОВАНИЮ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ КЛЕТОК
МНОГОКЛЕТОЧНОГО ОРГАНИЗМА
• Эмбриональные клетки направляются по опреде-
ленному пути развития (детерминация) и проходят
дифференцировку, становясь специализированными
по своему строению и функциям. Клетки имеют раз-
личное строение и функции не потому, что содержат
различные геномы, а потому, что экспрессируют раз-
личные гены. Морфогенез представляет собой про-
цесс формирования тела и его различных структур.
• Цитоплазматические детерминанты в неопло-
дотворенной яйцеклетке регулируют экспрессию
генов в зиготе и эмбрионе, что влияет на направле-
ние развития зародышевых клеток. В ходе процесса
под названием индукция сигнальные молекулы эмб-
риональных клеток вызывают изменения в транс-
крипции соседних клеток.
• О завершении дифференциации возвещает появ-
ление тканеспецифичных белков, которые позво-
ляют дифференцированным клеткам выполнять их
специализированные роли.
• У животных формирование паттернов, т.е. разви-
тие пространственной организации тканей и орга-
нов, начинается в раннем эмбрионе. Позиционная
информация — молекулярный сигнал, контролиру-
ющий формирование паттернов — уведомляет клет-
ку о ее положении относительно осей тела и других
клеток. У дрозофилы положение осей тела опреде-
ляется градиентом морфюгенов, кодируемых генами
материнского эффекта. Например, градиент белка
Bicoid определяет передне-заднюю ось тела.
| Опишите два основных процесса, приводящих к вы-
бору эмбриональными клетками определенных путей
дифференцировки.
18.5. В РЕЗУЛЬТАТЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ,
ВЛИЯЮЩИХ НА КОНТРОЛЬ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА,
РАЗВИВАЕТСЯ РАК
• Продукты протоонкогенов и генов — супрессоров
опухолей контролируют деление клеток. Изменение
в ДНК, приводящее к чрезмерной активности про-
тоонкогена, превращает его в онкоген, который мо-
жет стимулировать клетку к активному делению и
развитию рака. Ген — супрессор опухолей кодиру-
ет белок, подавляющий аномальное деление клет-
ки. Мутация в гене — супрессоре опухолей, снижа-
ющая активность его белкового продукта, может
привести к избыточному делению клеток и возмож-
ному развитию рака.
• Многие протоонкогены и гены — супрессоры опу-
холей кодируют компоненты стимулирующих и по-
давляющих рост метаболических путей, соответ-
ственно, и мутации в данных генах могут нарушить
нормальную работу сигнальных путей клетки. Ги-
перактивная версия белка стимулирующего пути,
такого как Ras (G-белок), работает как белок-он-
коген. Дефектный вариант белка, ингибирующего
пути, такого как р53 (активатор транскрипции), не
может выполнять функции супрессора опухолей.
Отсутствие белка
ЭФФЕКТЫ МУТАЦИЙ
Избыточная
экспрессия белка
►►► —
Гиперстимуляция
клеточного цикла деление клеток
Отсутствие
ингибирования
клеточного цикла
• В многоступенчатой модели развития рака нор-
мальные клетки превращаются в раковые в ходе на-
копления мутаций, поражающих протоонкогены и
гены — супрессоры опухолей. Прорывные техниче-
ские достижения в методах секвенирования ДНК и
мРНК позволяют разрабатывать более персонали-
зированное лечение рака.
• Полногеномные исследования позволили ученым
обнаружить четыре подтипа рака молочной железы
на основании экспрессии генов клетками опухоли.
• Люди, наследующие мутантные аллели протоон-
когенов и генов — супрессоров опухолей, имеют
предрасположенность к развитию определенных
типов рака. Некоторые вирусы вызывают развитие
рака, интегрируя свою ДНК в геном клетки.
Сравните обычные функции белков, кодируемых
протоонкогенами, с функциями белков, кодируемых ге-
нами-супрессорами опухолей.
516 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Если определенный оперон кодирует ферменты
синтеза незаменимых аминокислот и регулируется,
как оперон frp, то:
а) аминокислоты инактивируют репрессор;
6) репрессор активен в отсутствии аминокислот;
в) аминокислоты выступают в роли корепрессоров;
г) аминокислоты включают транскрипцию оперона.
2. Клетки мышц отличаются от нервных клеток в ос-
новном потому, что они:
а) экспрессируют другие гены;
б) содержат другие гены;
в) используют другой генетический код;
г) имеют уникальные рибосомы.
3. Работа энхансеров является примером
а) эукариотического эквивалента функционирова-
ния промотора прокариот;
б) транскрипционной регуляции экспрессии генов;
в) стимуляции транскрипции факторами инициа-
ции;
г) пост-трансляционного контроля, активирующе-
го определенные белки.
4. Дифференциация клеток всегда включает:
а) транскрипцию гена myoD;
б) движение клеток;
в) продукцию тканеспецифических белков;
г) избирательную потерю генов из генома.
5. Что из ниже перечисленного является примером пост-
транскрипционного контроля экспрессии генов?
а) Присоединение метильной группы к остаткам
цитозина в ДНК.
б) Связывание факторов транскрипции с промото-
рами.
в) Удаление интронов и альтернативный сплайсинг
экзонов.
г) Амплификация гена, приводящего к раку.
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
6. Что произойдет, если репрессор индуцируемого
оперона мутирует и не сможет связать оператор?
а) Необратимое связывание репрессором промотора,
б) Снижение транскрипции генов оперона.
в) Накопление субстрата метаболического пути,
контролируемого опероном.
г) Продолжительная транскрипция генов оперона.
7. Отсутствие мРНК bicoid в яйцеклетке дрозофилы
приводит к отсутствию переднего конца тела ли-
чинки и зеркальному удвоению ее задней части.
Это является свидетельством того, что продукт гена
bicoid...
а) ... в норме участвует в формировании структур
головы.
б) ... в норме участвует в формировании задней ча-
сти тела.
в) ... транскрибируется в раннем эмбрионе.
г) ... это белок, содержащийся в структурах головы.
8. Какое из следующих суждений о ДНК в клетках ва-
шего мозга правдиво?
а) Большая часть ДНК кодирует белки.
б) Большинство генов транскрибируются.
в) Она такая же, как и в клетках вашей печени.
г) Каждый ген находится в непосредственной бли-
зости от энхансера.
9. В клетке количество белка, синтезируемое с данной
молекулы мРНК, зависит отчасти от:
а) степени метилирования ДНК;
б) степени деградации мРНК;
в) количества интронов в мРНК;
г) типа рибосом, присутствующих в цитоплазме.
10. Протоонкогены могут превращаться в онкогены,
которые приводят к развитию рака. Какое из следу-
ющих утверждений лучше всего объясняет присут-
ствие в эукариотической клетке таких потенциаль-
ных бомб?
а) Протоонкогены впервые возникли в результате
вирусных инфекций.
б) Протоонкогены являются мутантными версиями
нормальных генов.
в) Протоонкогены являются генетическим “мусором”,
г) В норме протоонкогены помогают контролиро-
вать деление клеток.
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
ИЗОБРАЗИ!
включает пять генов и их энхансеры из геномов
определенных видов. Представьте, что существуют
оранжевые, синие, зеленые, черные, красные и фи-
олетовые активаторные белки, которые могут свя-
зать соответствующие им по цвету регуляторные
элементы в энхансерах данных генов.
а) Нарисуйте X выше энхансерных элементов (зе-
леные), с которыми будут связаны активаторы в
ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов 517
клетке, в которой транскрибируется только ген 5.
Какие цветные активаторы будут присутство-
вать?
6) Нарисуйте точку над всеми энхансерами, с кото-
рыми свяжутся активаторы в клетке, в которой
присутствуют зеленые, синие и оранжевые ак-
тиваторные белки. Какой ген (гены) будет транс-
крибироваться?
в) Представьте, что гены 1, 2 и 4 кодируют белки,
специфичные для нервной ткани, а гены 3 и 5 —
белки, специфичные для кожи. Какие активаторы
должны присутствовать в каждом из этих типов
клеток, чтобы происходила транскрипция соот-
ветствующих генов?
iCT ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
Последовательность ДНК
можно считать кассетой, на которую записаны
все произошедшие с ней эволюционные измене-
ния (см. главу 5). Ученые, анализирующие после-
довательность генома человека, с удивлением об-
наружили, что некоторые более консервативные
(сходные с соответствующими участками геномов
других видов) участки генома человека не кодиру-
ют белки. Предложите возможное объяснение это-
му наблюдению.
13.
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Клеткам простаты для
существования обычно необходимы тестостерон
и андрогены. Но некоторые клетки рака простаты
выживают несмотря на лечение, уничтожающее ан-
дрогены. Одна из гипотез состоит в том, что эстро-
ген, часто считаемый женским гормоном, может
активировать гены, в норме контролируемые ан-
дрогеном, в данном типе рака. Опишите один или
несколько экспериментов, необходимых для про-
верки данной гипотезы. (Для получения инфор-
мации о действии данных стероидных гормонов
см. рис. 11.9 в главе 11.)
14 НАУКА, ТЕХНОЛОГИЯ И ОБЩЕСТВО
В дефолианте Agent Orange, распыленном в ходе
войны во Вьетнаме, были обнаружены следовые ко-
личества диоксина. Исследования на животных по-
казали, что диоксин может приводить к дефектам
развития, раку, повреждениям печени и тимуса,
угнетению иммунной системы, что иногда приво-
дит к смерти. Но тесты на животных являются не-
однозначными; на хомячка не оказывает влияния
доза, которая убила бы морскую свинку. Диоксин
функционирует как стероидный гормон, поступая
в клетку и связывая цитоплазматический рецептор,
который затем привлекается к ДНК. Как этот меха-
низм может помочь объяснить разнообразие эф-
фектов диоксина на различные системы органов и
организмы животных? Как бы вы определили, что
заболевание связано с действием диоксина? Как бы
вы определили, что определенный человек заболел
вследствие действия диоксина? Что было бы слож-
нее продемонстрировать? Почему?
15. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ"
В коротком эссе (100-150 слов) обсудите, почему
процесс, изображенный на рис. 18.2, является приме-
ром механизма регуляции биологических систем в
бактериях по принципу обратной связи.
Рыба-фонарик имеет под глазом орган, испускаю-
щий свет, который отпугивает хищников, привле-
кает добычу и позволяет таким рыбам общаться
между собой. Некоторые виды могут подворачи-
вать этот орган внутрь и выворачивать наружу, что
приводит к миганию света. Однако свет испускает-
ся не самой рыбой, а бактериями, живущими в этом
органе в симбиотических отношениях с рыбой.
(Обеспечивая рыбу светом, они, в свою очередь,
получают от ее питательные вещества и фактиче-
ски не способны существовать вне ее.) Бактерии де-
лятся до тех пор, пока не достигнут определенной
плотности в этом органе (“кворум” см. главу 11,
раздел 11.1), при которой они одновременно начи-
нают испускать свет. Существует группа примерно
из шести генов /w.v, чьи белковые продукты требу-
ются для испускания света. Зная, что данные гены
регулируются совместно, предложите гипотезу о
том, как эти гены организованы и регулируются.
Ответы см. в Приложении А.
518 ГЛАВА 18 Регуляция экспрессии генов
Рис. 19.1. Являются ли живыми вирусы (показаны крас-
ным), которые отпочковываются от этой клетки?
' . I. Вирус состоит из нуклеиновой
кислоты, окруженной белковой
оболочкой
19.2. Вирусы реплицируются только в
клетках организма-хозяина
», Вирусы, вироиды и прионы —
грозные патогены животных и
растений
Жизнь взаймы
На рис. 19.2 продемонстрировано удивительное событие:
слева показана клетка иммунной системы человека, ко-
торая подверглась атаке. К тому же из нее высвобождают-
ся десятки паразитов, которые инфицируют другие клетки.
Атакующая сторона (показана красным) — вирус имму-
нодефицита человека (ВИЧ). (Это же событие показано на
микрофотографии ниже.)
Когда вирусная частица впрыскивает свою генетиче-
скую информацию в клетку, она захватывает эту клетку
и использует ее аппарат для того, чтобы получить мно-
го новых вирусных частиц и обеспечить развитие инфек-
ции. При отсутствии лечения ВИЧ уничтожает важнейшие
клетки иммунной системы, что приводит к развитию син-
дрома приобретенного иммунодефицита (СПИДа).
Вирусы намного меньше эукариотических, и даже про-
кариотических, клеток и проще устроены. Вирусы не име-
ют структур и систем метаболизма, характерных для клет-
ки; они представляют собой инфекционные частицы,
которые состоят почти исключительно из генов в белковой
оболочке.
Являются вирусы живыми или неживыми ор-
ганизмами? Вирусы способны вызывать многие
болезни, поэтому в конце 1800-х годов исследо-
ватели провели параллель с бактериями и пред-
положили, что вирусы являются простейшей из
форм жизни. Тем не менее вирусы не способны к
размножению и метаболизму вне клеток хозяина.
Большинство биологов, изучающих вирусы в на-
стоящее время, скорее всего бы сошлись во мне-
нии, что это неживые организмы, которые, одна-
ко, занимают промежуточное положение между
жизненными формами и химическими вещества-
ми. Простая фраза, которая недавно была исполь-
зована двумя исследователями, довольно метко
описывает их: “Вирусы живут взаймы”.
По большому счету, молекулярная биология
зародилась в лабораториях биологов, которые
изучали вирусы, инфицирующие бактерии. Экс-
перименты с такими вирусами подтвердили, что
гены состоят из нуклеиновых кислот. Вирусы так-
же сыграли важную роль в установлении моле-
кулярных механизмов таких фундаментальных
процессов как репликация ДНК, транскрипция и
трансляция.
Помимо того, что вирусы являются ценны-
ми модельными системами, они обладают уни-
кальными генетическими механизмами, которые
представляют интерес сами по себе и помогают
понять природу возникновения вирусных болез-
ней. Кроме того, изучение вирусов привело к раз-
витию методов, позволивших ученым работать с
генами и переносить их между разными организ-
мами. Эти методы играют важную роль в фун-
даментальных исследованиях, биотехнологии и
медицине. Например, вирусы используются как
переносчики генов при генной терапии (см. гла-
ву 20, раздел 20.4).
В этой главе мы рассмотрим биологию виру-
сов, начиная с их структуры и описания репли-
кации. Затем мы обсудим значение вирусов как
возбудителей болезней — патогенов, и закончим
рассмотрением некоторых более просто устроен-
ных инфекционных агентов, называемых вирои-
дами и прионами.
19.1. Вирус состоит
из нуклеиновой кислоты,
окруженной белковой оболочкой
Ученые могли косвенно определить присут-
ствие вирусов задолго до того, как увидели их во-
очию. История открытия вирусов начинается при-
мерно в конце XIX века.
Открытие вирусов (научное
исследование)
Мозаика табака замедляет рост растений таба-
ка и вызывает пятнистую, или мозаичную, окра-
ску его листьев. В 1883 году немецкий ученый
Адольф Майер обнаружил, что можно передать
болезнь от растения к растению путем втирания
сока, полученного из зараженных листьев, в ли-
стья незаряженных растений. После безуспешных
попыток обнаружить в этом соке инфекционный
микроорганизм Майер предположил, что болезнь
могла быть вызвана бактериями необычно мало-
го размера, которые нельзя увидеть в микроскоп.
Эта гипотеза десять лет спустя была проверена
Дмитрием Ивановским, русским биологом, ко-
торый смог пропустить сок зараженных листьев
табака через фильтр, задерживающий бактерии.
После фильтрации сок по-прежнему приводил к
развитию мозаики.
Но Ивановский зацепился за гипотезу о том,
что именно бактерии являются возбудителями
мозаики табака. Возможно, — рассуждал он ло-
гически — эти бактерии были достаточно неболь-
шими, чтобы проходить через фильтры, или вы-
деляли токсин, который проходил через фильтры.
Вторая гипотеза была отклонена после того, как
голландский ботаник Мартин Бейеринк провел
классическую серию экспериментов, показавших,
что инфекционный микроорганизм из профиль-
трованного сока способен к репликации (рис. 19.2).
На самом деле, патоген реплицировался толь-
ко в инфицируемом им организме-хозяине.
В дальнейших экспериментах Бейеринк показал,
что, в отличие от бактерий, с которыми на тот мо-
мент работали в лаборатории, таинственный воз-
будитель мозаики не мог быть культивирован на
питательной среде в пробирках или чашках Пет-
ри. Бейеринк представлял себе реплицирующую-
ся частицу значительно меньше и проще, чем бак-
терии, и он считается первым ученым, который
озвучил понятие вируса. Его предположения по-
лучили подтверждение в 1935 году, когда амери-
канский ученый Уэнделл Стэнли кристаллизо-
вал инфекционную частицу, в настоящее время
известную, как вирус табачной мозаики (ВТМ).
Впоследствии изображения ВТМ и многих других
вирусов были получены с помощью электронного
микроскопа.
520 ГЛАВА 19 Вирусы
▼ Рис. 19.2.
Изыскание
Чем вызвана мозаичная болезнь табака?
Эксперимент. В конце 1800-х годов, Мартин Бейеринк из
Технического Университета Дельфта в Нидерландах изучал
свойства возбудителя мозаики табака (пятнистости табака,
как ее называли в то время).
о Сок, полученный
из растений
табака, заражен-
ных мозаичной
болезнью
0 Сок, пропу-
щенный через
фарфоровый
фильтр, который
задерживает
бактерии
0 Профильтро-
ванный сок был
втерт в листья
здоровых ра-
стений табака
О Здоровые растения
были заражены
Результаты. После втирания профильтрованного сока в ли-
стья здоровых растений они оказывались зараженными.
Выделенный из них сок, который был затем профильтрован
таким же образом, мог служить источником заражения для
другой группы растений. В каждой последующей заражен-
ной группе растений болезнь развивалась так же, как и в
ранее инфицированных группах.
Выводы. Возбудитель инфекции, очевидно, не относился к
бактериям, так как он был способен проходить через задер-
живающий бактерии фильтр. Патоген должен был размно-
жаться в растениях, так как его способность к инфициро-
ванию сохранялась на прежнем уровне после нескольких
актов передачи от растения к растению.
Источник: М. J. Beijerinck, Concerning а contagium vivum
fluidum as cause of the spot disease of tobacco leaves,
Verhandelingen der Koninkyke akademie Wettenschappen
te Amsterdam 65:3-21 (1898). Перевод на англ, опубли-
кован в Phyfopathological Classics № 7 (1942), American
Phytopathological Society Press, St. Paul, MN.
Предположим, Бейеринк наблюдал бы бо-
лее слабое инфицирование каждой последующей группы
по сравнению с предыдущей, и в какой-то момент сок боль-
ше не вызывал бы инфицирование. Какой вывод он мог бы
сделать в таком случае?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Структура вирусов
Минимальный размер вируса — всего 20 нм
в диаметре; это меньше, чем размер рибосомы.
Миллионы частиц такого размера легко поме-
стятся на булавочной головке. Даже самый боль-
шой из известных вирусов диаметром несколько
сот нанометров едва виден в световой микроскоп.
Стэнли обнаружил, что некоторые вирусы могут
быть кристаллизованы, что подогрело интерес ис-
следователей и озадачило их. Даже простейшие
клетки не могут агрегировать в регулярные кри-
сталлы. Но если вирусы не являются клетками, то
что же они из себя представляют? Более подроб-
ное изучение структуры вируса показывает, что
это инфекционная частица, состоящая из нукле-
иновой кислоты внутри белковой оболочки, ко-
торая у некоторых вирусов окружена мембраной.
Вирусные геномы
Общепринято представление о том, что гены
состоят из двухцепочечной ДНК, но многие ви-
русы бросают вызов этой условности. Их геномы
могут состоять из двухцепочечной ДНК, одноце-
почечной ДНК, двухцепочечной РНК или одноце-
почечной РНК, в зависимости от типа вируса. Ви-
рус называется ДНК-вирусом или РНК-вирусом
в соответствии с тем, какой нуклеиновой кисло-
той представлен его геном. В обоих случаях геном
обычно представлен одной молекулой нуклеино-
вой кислоты, линейной или кольцевой, хотя ге-
номы некоторых вирусов состоят из нескольких
молекул. Самые маленькие из известных виру-
сов имеют только три гена в составе генома, в то
время как самые большие вирусы содержат от
нескольких сот до тысячи генов. Для сравнения,
бактериальные геномы содержат от 200 до не-
скольких тысяч генов.
Капсиды и оболочки
Белковая оболочка, окружающая вирусный ге-
ном, называется капсидом. В зависимости от типа
вируса капсид может быть палочковидным, мно-
гогранным или более сложной формы. Капсиды
строятся из большого количества белковых субъ-
единиц, называемых капсомерами, но количество
разных типов белков в капсиде обычно невелико.
Вирус табачной мозаики имеет жесткий палоч-
ковидный капсид, состоящий из более, чем тыся-
чи молекул белка одного типа, которые уложены
в виде спирали; по этой причине палочковидные
вирусы обычно называются вирусами со спираль-
ной симметрией (рис. 19.3, а).
ГЛАВА 19 Вирусы 521
а) Вирус табачной мозаики
упакован в спиральный
капсид, имеющий форму
жесткого стержня.
50 нм
б) Аденовирусы имеют икоса-
эдрический капсид с глико-
протеиновыми отростками
на каждой из его вершин.
80-200 нм (диаметр)
।----------1
50 нм
в) Вирусы гриппа имеют восемь
различных молекул РНК, каж-
дая из которых заключена
в спиральный капсид, и вне-
шнюю оболочку, покрытую
гликопротеиновыми отрос-
тками.
г) Бактериофаг Т4, как и другие
Т-четные фаги, имеет сложный
капсид, состоящий из икоса-
эдрической головки и хвосто-
вого аппарата.
Рис. 19.3. Строение вирусов. Вирусы состоят из нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключенных в белковую оболочку (капсид), и
иногда могут быть дополнительно упакованы в мембранную оболочку. Отдельные субъединицы белков, формирующие капсид, на-
зывают капсомерами. Хотя вирусы и различаются по размеру и форме, у них есть много общих структурных особенностей. (Все
окрашенные микрофотографии получены с помощью трансмиссионного электронного микроскопа.)
Аденовирусы, которые инфицируют респи-
раторный тракт животных, содержат 252 иден-
тичных белковых молекулы, организованных в
икосаэдр — полиэдрический капсид с 20 треу-
гольными гранями; поэтому эти и другие вирусы
похожей формы относят к вирусам с икосаэдриче-
ской симметрией (рис. 19.3,6).
Некоторые вирусы имеют вспомогательные
структуры, которые способствуют инфицирова-
нию их хозяев. Например, капсиды вирусов грип-
па и многих других вирусов животных окружены
мембранной оболочкой (рис. 19.3, в). Подобные ви-
русные оболочки, которые образуются из мемб-
ран хозяйских клеток, содержат фосфолипиды и
мембранные белки хозяйских клеток. Они так-
же содержат белки и гликопротеины вирусно-
го происхождения. (Гликопротеины — это бел-
ки с ковалентно присоединенными углеводами.)
Некоторые вирусы содержат несколько молекул
вирусного фермента внутри капсидов.
Многие из наиболее сложных капсидов харак-
терны для вирусов, инфицирующих бактерии, —
бактериофагов, или просто фагов. Первые
исследованные фаги включали семь видов, инфи-
цирующих Escherichia coli. Эти семь видов фагов
получили названия тип 1 (Т1), тип 2 (Т2) и так да-
лее, в соответствии с порядком открытия. Первые
три Т-четных фага (Т2, Т4 и Тб) оказались очень
сходными по структуре. Их капсиды состоят из
удлиненных икосаэдрических головок, покры-
вающих их ДНК. К головке присоединена часть
белкового хвоста с нитями, с помощью которых
фаги прикрепляются к бактериальным клеткам
(рис. 19.3, г). В следующем разделе мы рассмотрим,
как эти части вируса взаимодействуют с клеточ-
ными компонентами, обеспечивая большое коли-
чество вирусных потомков.
522 Г ЛАВА 19 Вирусы
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 19.1
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
1. Сравните структуры вируса табачной мозаики (ВТМ) и виру-
са гриппа (см. рис. 19.3).
2. QQQQJQZlinnZEQHEI Бактериофаги были использо-
ваны для доказательства того, что ДНК содержит генетиче-
скую информацию (см. рис. 16.4 в главе 16). Кратко опиши-
те эксперимент, поставленный Херши и Чейзом, и включите в
свое описание объяснение того, почему исследователи вы-
брали фагов.
Ответы см. в Приложении А.
19.2. Вирусы реплицируются
только клетках организма-
хозяина
Вирусы не имеют ферментов метаболизма и
аппарата для синтеза белков, в частности, рибо-
сом. Они являются облигатными внутриклеточ-
ными паразитами; другими словами, они способ-
ны к репликации только внутри клетки хозяина.
Можно утверждать, что выделенные вирусы —
просто упакованные наборы генов, которые пере-
мещаются от одной клетки хозяина к другой.
Каждый отдельный вирус может инфициро-
вать клетки только ограниченного набора хозяев,
называемого кругом хозяев вируса. Такая специ-
фичность к хозяину обусловливается эволюцией
вирусных систем узнавания. Обычно вирусы уз-
нают клетки хозяев благодаря соответствию по
типу “ключ-замок” между поверхностными бел-
ками вируса и специфическими молекулами ре-
цепторов на внешней поверхности клеток. (Со-
гласно одной из гипотез, такие рецепторные
молекулы изначально несли функции, полезные
для клеток хозяина, но позже вирусы стали ис-
пользовать их как входные ворота.) Некоторые
вирусы имеют широкий круг хозяев. Например,
вирус лихорадки Западного Нила и вирус энцефа-
лита лошадей — совершенно разные вирусы, каж-
дый из которых может инфицировать комаров,
птиц, лошадей и людей. Другие вирусы имеют на-
столько узкий круг хозяев, что способны инфи-
цировать лишь один вид организмов. Например,
вирус кори может заражать только людей. К тому
же вирусная инфекция многоклеточных эукариот
обычно ограничивается определенными тканями.
Вирусы простуды человека инфицируют только
клетки, выстилающие верхние дыхательные пути,
а вирус иммунодефицита человека связывается с
рецепторами, представленными только на опре-
деленных типах клеток иммунной системы.
Общие черты репликативных
циклов вирусов
Вирусная инфекция начинается с момента, ког-
да вирус связывается с клеткой хозяина и вирус-
ный геном проникает внутрь клетки (рис. 19.4).
о Вирус проникает 0 в то же время фер-
в клетку и лишается менты клетки-хозяина
оболочки, высвобож- транскрибируют вирус-
дая вирусную ДНК ВИРУС ный геном с образова-
и белки капсида. ДНК^ЧЙЧ^ нием вирусной мРНК,
Эл ' g которая используется
Капсид рибосомами клетки-
хозяина для синтеза
большего количества
капсидных белков.____
О Ферменты
клетки-хозяина
обеспечивают
репликацию ви-
русного
Белки
капсида аооов?о°»
Вирусная zwvw\
ДНК
АААЛАА
О Вирусные геномы
и капсидные белки
в результате само-
сборки образуют
новые вирусные
частицы, которые
покидают клетку.
Рис. 19.4. Упрощенный репликативный цикл вируса. Вирус —
это внутриклеточный паразит, использующий аппарат и ма-
лые молекулы клетки-хозяина для собственной репликации.
В представленном на рисунке простейшем вирусном цикле
паразитом является ДНК-содержащий вирус, капсид которо-
го состоит всего из одного типа белка
Подпишите каждую из прямых черных стрелок
одним словом, описывающим название происходящего про-
цесса (см. рис. 17.24 в главе 17).
ИЗОБРАЗИ!
Механизм проникновения генома зависит от
типа вируса и типа клетки хозяина. Например,
Т-четные фаги используют свой сложный хво-
стовой аппарат, чтобы ввести ДНК в бактерию
ГЛАВА 19 Вирусы 523
(см. рис. 19.3, г). Другие вирусы захватываются при
эндоцитозе или, в случае оболочечных вирусов,
при слиянии вирусной оболочки с мембраной
клетки хозяина. Как только вирусный геном по-
падает внутрь, закодированные в нем белки мо-
гут захватить клетку хозяина, перепрограмми-
руя ее на копирование вирусного генома и синтез
вирусных белков. Клетка хозяина обеспечива-
ет нуклеотиды для синтеза вирусных нуклеино-
вых кислот, а также ферменты, рибосомы, тРНК,
аминокислоты, АТФ и другие компоненты, необ-
ходимые для получения вирусных белков. Мно-
гие ДНК-вирусы используют ДНК-полимеразы
клеток хозяина для синтеза новых геномов на
матрицах вирусных ДНК. В то же время для ре-
пликации своих геномов РНК-вирусы обычно
используют кодируемые ими РНК-полимеразы,
которые могут использовать РНК в качестве ма-
трицы. (Клетки, не инфицированные вирусом,
как правило, не образуют ферментов для осу-
ществления этого процесса.)
После образования молекул вирусных нукле-
иновых кислот и капсомеров случайным образом
происходит их сборка в новые вирусы. Более того,
исследователи могут разделить РНК и капсоме-
ры ВТМ и затем снова собрать полноценные ви-
русы путем простого перемешивания этих ком-
понентов в определенных условиях. Простейший
репликативный цикл вируса завершается выхо-
дом сотен или тысяч вирусов из инфицирован-
ной клетки хозяина; в результате этого процесса
клетка часто повреждается или разрушается. По-
вреждение и смерть клетки, а также ответ орга-
низма на это разрушение, вызывают множество
симптомов, связанных с вирусными инфекциями.
Вирусное потомство, покидающее клетку, способ-
но инфицировать и другие клетки, распространяя
вирусную инфекцию.
Существует много разновидностей простей-
шего репликативного цикла вируса, который
описан выше. Теперь мы рассмотрим некоторые
разновидности этого цикла в вирусах бактерий
(фагах) и вирусах животных; позже в этой главе
мы рассмотрим и вирусы растений.
Репликативные циклы фагов
Фаги являются наиболее изученными из всех
вирусов, хотя среди них есть и наиболее слож-
но устроенные. В результате исследований фагов
было сделано открытие, что некоторые вирусы с
двухцепочечной ДНК могут реплицироваться, ис-
пользуя два альтернативных механизма: литиче-
ский цикл и лизогенный цикл.
Литический цикл
Репликативный цикл фага, который завер-
шается смертью клетки-хозяина, называется ли-
тическим циклом (от греч. lytikos — “способный
растворять”), (рис. 19.5). Этот термин относится к
последней стадии инфекции, во время которой
бактерия лизируется (разрывается) и высвобож-
дает фаги, образованные внутри клетки. Каждый
из этих фагов может затем инфицировать здоро-
вую клетку, а несколько последовательных лити-
ческих циклов могут разрушить целую популя-
цию бактерий всего лишь за несколько часов. Фаг,
реплицирующийся только по литическому циклу,
является вирулентным (от лат. virulentus — “ядо-
витый”). На рис. 19.5 показаны главные этапы лити-
ческого цикла фага Т4, типичного вирулентного
фага. Изучите этот рисунок, прежде чем продол-
жить чтение.
После того как вы прочтете о литическом ци-
кле, вас может заинтересовать, почему фаги не
уничтожают все бактерии. Причина заключает-
ся в том, что у бактерий есть собственные защит-
ные механизмы. Во-первых, естественный отбор
дает преимущество мутантам бактерий с поверх-
ностными белками-рецепторами, которые пе-
рестали узнаваться определенным типом фага.
Во-вторых, когда фаговая ДНК проникает в бак-
терию, она часто узнается как чужеродная и раз-
резается клеточными ферментами, называемыми
рестриктазами (от англ, restrict — “ограничи-
вать”); название ферментов обусловлено тем, что
их активность ограничивает способность фага
реплицироваться внутри бактерии. Собственная
ДНК бактериальной клетки метилирована таким
образом, что не может быть атакована своими ре-
стриктазами. Но естественный отбор дает преи-
мущество как бактерии с рецепторами, изменен-
ными в результате мутации, или с эффективными
рестриктазами, так и фаговым мутантам, которые
могут связаться с измененными рецепторами или
устойчивы к определенным рестриктазам. Таким
образом, взаимодействие паразит-хозяин нахо-
дится в постоянном эволюционном движении.
При этом существует и третье важное объяс-
нение того, что бактерии не вымирают в результа-
те фаговой активности. Вместо лизирования кле-
ток хозяев, многие фаги сосуществуют с ними в
состоянии, называемом лизогенным, которое мы
сейчас обсудим.
524 Г ЛАВА 1 9 Вирусы
Рис. 19.5. Литический цикл вирулентного фого Т4. Фаг 14 со-
держит почти 300 генов, которые транскрибируются и транс-
лируются с помощью аппарата клетки-хозяина. Один из генов,
транслируемых в первую очередь после проникновения ви-
русной ДНК в клетку-хозяина, кодирует фермент, который раз-
О Присоединение. ТИФагТД исполь-
зует свои хвостовые нити, чтобы
связаться со специфическими
белками поверхности клетки Е. coli,
которые выполняют функцию
рушает клеточную ДНК (этап ©);
фаговая ДНК при этом защищена
от разрушения, так как содержит
модифицированную форму цито-
зина, которая не узнается фаговым
ферментом. Полный литический
цикл, от первого контакта фага с
клеточной поверхностью до лизи-
са клетки, при температуре 37°С
занимает всего 20-30 минут
рецепторов.
Выход. Фаг вызывает синтез
фермента, который разру-
шает клеточную стенку
бактерии, позволяя жидкости
проникнуть внутрь. Клетка
набухает и в конечном счете
разрывается, высвобождая
от 100 до 200 фаговых частиц.
0 Проникновение фаговой ДНК
и деградация ДНК клетки-
хозяина. Хвостовой чехол
сжимается, впрыскивая
фаговую ДНК внутрь клетки.
При этом пустой капсид
остается снаружи. Клеточ-
ная ДНК гидролизуется.
О Самосборка. В самосборке принимают
участие три отдельных набора белков,
каждый из которых состоит из трех
компонентов. При этом формируются
головка фага, его хвост и хвостовые нити.
Фаговый геном упаковывается внутрь
капсида в процессе формирования головки.
О Синтез вирусных геномов и белков.
Фаговая ДНК обеспечивает продук-
цию фаговых белков и копий фагово-
го генома с помощью как вирусных
ферментов, так и ферментов хозяина,
используя содержащиеся в клетке
компоненты.
Лизогенный цикл
В отличие от литического цикла, в результа-
те которого клетка хозяина погибает, лизогенный
цикл обеспечивает репликацию фагового генома
без разрушения клеток хозяина. Фаги, способные
использовать обе модели репликации внутри бак-
терии, называются умеренными. Умеренный фаг
лямбда, обозначаемый греческой буквой X, широ-
ко используется в биологических исследованиях.
Фаг X похож на Т4, но имеет лишь одну короткую
хвостовую нить.
Инфицирование клетки Е. coli фагом X начи-
нается со связывания фага с клеточной поверхно-
стью и впрыскивания фагового линейного ДНК
генома (рис. 19.6).
Внутри клетки-хозяина молекула ДНК фага X
замыкается в кольцо. Дальнейшие события зави-
сят от типа репликации: литического или лизоген-
ного цикла. В ходе литического цикла вирусные
гены немедленно превращают клетку-хозяина в
Х-продуцирующую фабрику, и в скором времени
клетка лизируется и высвобождает вирусное по-
томство. В то же время в ходе лизогенного цикла
молекула ДНК А, встраивается в специфический
сайт на хромосоме Е. coli с помощью вирусных
белков, которые разрушают обе кольцевые моле-
кулы ДНК и сцепляют их вместе. Вирусная ДНК,
встроенная в бактериальную хромосому таким
образом, называется профагом. Один из профа-
говых генов кодирует белок, который предотвра-
щает транскрипцию большинства других генов
профага. Таким образом, большую часть време-
ни фаговый геном внутри бактерии является мол-
чащим. Каждый раз перед делением клетка Е. coli
реплицирует фаговую ДНК вместе с собственной
хромосомой, так, что каждая дочерняя клетка на-
следует профаг. Одна инфицированная клетка мо-
жет быстро дать начало большой популяции бак-
глава 19 Вирусы 525
Дочерняя клетка
с профагом
бождая фаговые частицы
индукция или вступление Профаг
литического в лизогенный
Большое число кле-
точных делений при-
водит к образованию
большой популяции
инфицированных
профагом бактерий
Бактерии размножаются обычным
способом, копируя профаг и
передавая его дочерним клеткам
Синтезируются новая фаговая
ДНК и белки, а затем проис-
ходит их самосборка в фаго-
вые частицы
Фаговая ДНК интегрируется
в бактериальную хромосому
и становится профагом
Рис. 19.6. Литический и лизогенный циклы умеренного фага к После проникновения в бактериальную клетку и замыкания в кольцо,
ДНК фага I может сразу же начать продукцию большого числа фагов-потомков (литический цикл) или же интегрироваться в бак-
териальную хромосому (лизогенный цикл). В большинстве случаев, фаг л идет по литическому пути, который сходен с описанным
на рис. 19.5. Тем не менее если лизогенный цикл все же начался, то профаг может сохраняться в хромосоме клетки-хозяина в тече-
ние многих поколений. Фаг 1 имеет один основной хвостовой отросток небольшой длины
терий-носителей вируса в форме профага. Этот
механизм позволяет вирусам размножаться, не
убивая клетки хозяина, от которых они зависят.
Термин лизогенный означает, что профаг мо-
жет образовывать активные фаги, которые лизи-
руют клетки своих хозяев. Это происходит при
индукции выщепления генома X (или генома дру-
гого умеренного фага) из бактериальной хромо-
сомы и инициации литического цикла. Сигнал из
внешней среды, такой как химическая радиация
или излучение высокой энергии, обычно включа-
ет переход с лизогенной на литическую модель.
Во время лизогенного цикла помимо гена ви-
русных белков, блокирующего транскрипцию, мо-
гут быть экспрессированы и другие гены профага.
Экспрессия этих генов может изменить фенотип
клетки-хозяина; подобный феномен может иметь
важное медицинское значение. Например, три
вида бактерий, вызывающих такие болезни че-
ловека, как дифтерия, ботулизм и скарлатина, не
приносили бы столько вреда человеку, если бы не
определенные гены профага, из-за которых бакте-
рия-хозяин производит токсины. Различие меж-
ду линией Е. coli в нашем кишечнике и линией
О157:Н7, приведшей к нескольким случаям смер-
ти в результате пищевого отравления, как оказа-
лось, связано с присутствием профаговых генов
токсина в линии О157:Н7.
Репликативные циклы вирусов
животных
Каждый из нас переносил вирусные инфекции,
такие как герпес губ, грипп или обыкновенную
простуду. Как и все другие, вирусы, инфицирую-
щие людей и животных, могут реплицироваться
внутри клеток хозяев. Среди вирусов животных
представлены многие разновидности базовой
схемы вирусной инфекции и репликации. Един-
ственное ключевое различие, которое лежит в
основе общей классификации вирусов, показан-
ной в табл. 19.1, — это природа вирусного гено-
ма (двух- или одноцепочечная ДНК или РНК).
526 ГЛАВА 19 Вирусы
Вирусы с одноцепочечной РНК далее подразделя-
ются на три класса (IV-VI), в соответствии с тем,
как РНК-геном функционирует в клетке хозяина.
Таблица 19.1 Классы вирусов животных
Класс/семейство Есть ли оболочка? Примеры, вызывающие болезни у людей
I. Двухцепочечная ДНК (дцДНК)
Аденовирус Нет Респираторные вирусы вирусы
(см. рис. 19.3, б) вызывающие опухоли
Папилломавирус Нет Бородавки, рак шейки матки
Полиомавирус Нет Опухоли
Герпесвирус Да Вирусы простого герпеса I и II (герпес губ, генитальная язва); вирус ветряной оспы (опоясы- вающий лишай, ветряная оспа); вирус Эпштейна-Барр (монону- клеоз, лимфома Беркитта)
Поксвирус Да Вирус натуральной оспы, вирус коровьей оспы
II. Одноцепочечная ДНК (оцДНК)
Парвовирус Нет В19 парвовирус (легкая сыпь)
III. Двухцепочечная РНК (дцРНК)
Реовирусы Нет Ротавирус (диарея), вирус коло-
радской клещевой лихорадки
IV. Одноцепочечная (оцРНК); служит в качестве мРНК
Пикорнавирус Нет Риновирус (насморк); полиови- рус; вирус гепатита А; кишечные вирусы
Коронавирус Да Тяжелый острый респираторный синдром (ТОРС)
Флавивирус Да Вирус желтой лихорадки; вирус лихорадки Западного Нила; вирус гепатита С
Тогавирус Да Вирус краснухи; конский энцефалит
V. оцРНК, служит в качестве матрицы для синтеза мРНК
Филовирус Да Вирус Эбола (геморрагическая лихорадка)
Ортомиксовирус Да Вирус гриппа (см. рис. 19.3, в и а)
Парамиксовирус Да Вирус кори; вирус свинки
Рабдовирус Да Вирус бешенства
VI. оцРНК, служит в качестве матрицы для синтеза ДНК
Ретровирус Да Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ/СПИД; см. рис. 19.8); опухо- левые РНК-вирусы (лейкемия)
В то время как немногие бактериофаги имеют
оболочку или РНК-геном, многие вирусы живот-
ных имеют и то, и то. На самом деле почти все виру-
сы животных с РНК-геномами и некоторые вирусы
с ДНК-геномами имеют оболочку (см. табл. 19.1).
Вместо того чтобы рассматривать все механиз-
мы вирусной инфекции и репликации, мы в пер-
вую очередь сфокусируемся на роли вирусных
оболочек, а затем на том, как РНК функционирует
в качестве генетического материала у многих ви-
русов животных.
Вирусные оболочки
Вирус животного имеет оболочку, которая
представляет собой внешнюю мембрану; он ис-
пользует ее для входа в клетку-хозяина. На внеш-
ней стороне оболочки выступают гликопротеины,
которые связываются со специфическими рецеп-
торными молекулами на поверхности клетки-хо-
зяина. На рис. 19.7 показаны события репликатив-
ного цикла оболочечного вируса с РНК-геномом.
Рибосомы, связанные с эндоплазматическим
ретикулумом (ЭПР) клетки-хозяина, образуют
белковые части оболочечных гликопротеинов;
затем в ЭПР и аппарате Гольджи клеточные фер-
менты добавляют к ним сахара. Образующиеся
при этом вирусные гликопротеины, встроенные
в мембрану клеточного происхождения, транс-
портируются к клеточной поверхности. В ходе
процесса, во многом похожего на экзоцитоз, но-
вые вирусные капсиды окружаются мембраной
по мере того, как отпочковываются от клетки.
Другими словами, оболочка вируса, как правило,
происходит из плазматической мембраны клет-
ки хозяина, хотя все или большинство ее молекул
определяются вирусными генами. К этому момен-
ту оболочечные вирусы могут инфицировать дру-
гие клетки. Такой репликативный цикл не обя-
зательно убивает клетку хозяина, в отличие от
литического цикла фагов.
Некоторые вирусы имеют оболочки, кото-
рые образованы не из плазматической мембра-
ны. Например, герпес-вирусы имеют временную
мембрану, происходящую из ядерной оболочки
клетки-хозяина; затем они теряют эту мембра-
ну в цитоплазме и получают новую оболочку, об-
разованную из мембраны аппарата Гольджи. Эти
вирусы имеют двухцепочечный ДНК-геном и ре-
плицируются внутри ядра клетки-хозяина, ис-
пользуя и вирусные, и клеточные ферменты для
репликации и транскрипции своей ДНК. В случае
вирусов герпеса копии вирусной ДНК могут оста-
ваться в ядре по аналогии с микрохромосомами
в ядрах определенных нервных клеток. Там они
остаются латентными до тех пор, пока какой-ли-
бо физический стресс или нервное напряжение не
ГЛАВА 19 Вирусы 527
Э Гликопротеины вирусной
оболочки связываются со спе-
цифическими рецепторными
молекулами (не показаны)
на поверхности клетки-хозяина,
обеспечивая захват вируса клеткой
Капсид
РНК
Оболочка
(с гликопротеинами)
КЛЕТКА ХОЗЯИНА
О Капсид и вирусный геном входят в клетку.
Расщепление капсида клеточными фермен-
тами приводит к выходу вирусного генома.
0 Комплементарные
цепи РНК функционируют
также как и мРНК, которая
транслируется в капсидные
белки (в цитозоле) и глико-
протеины вирусной оболочки
(в ЭПР и аппарате Гольджи).
Матрица
мРНК
Глико-
протеиньГЛ а о
/wwv\ Вирусный
I геном (PH
Белки
капсида
0 На матрице комплемен-
тарных цепей РНК синтези-
руются новые копии РНК
вирусного генома.
0 Вирусный геном (показан
красным) служит матрицей
для синтеза комплементарных
цепей РНК (показаны розовым)
вирусной РНК-полимеразой.
ЭПР
О Везикулы транспортируют
гликопротеины оболочки
к плазматической мембране.
О Вокруг каждой молекулы /
вирусного генома прайс- 7
ходит сборка капсида.
Копии генома
(РНК)
0 Каждый новый вирус
отпочковывается от клетки
Его оболочка покрыта
вирусными гликопротеи-
нами, встроенными
в мембрану, которая
была частью хозяйской
клетки.
Рис. 19.7. Репликативный цикл оболочечного РНК-вируса. Геном вируса, показанного на этом рисунке, представлен одноцепочеч-
ной РНК, которая служит матрицей для синтеза мРНК (класс V в табл. 19.1). Некоторые оболочечные вирусы проникают в клетку-хо-
зяина путем слияния оболочки с плазматической мембраной клетки, другие — посредством эндоцитоза. Новые оболочки виру-
сов-потомков у всех оболочечных РНК-вирусов образуются по механизму, изображенному на этом рисунке
] Назовите вирус, который ранее инфицировал вас и чей репликативный цикл сходен с описанным на рисунке. (Совет: посмот-
рите табл. 19.1.)
запустят новый раунд активной продукции виру-
са. Инфицирование других клеток такими новы-
ми вирусами приводит к образованию пузырьков,
характерных для герпеса, в частности для герпеса
губ или генитальной язвы. Заразившись вирусом
герпеса однажды, человек на протяжении всей
жизни может испытывать обострения инфекции.
РНК как генетический материал вирусов
Хотя некоторые фаги и большинство вирусов
растений относятся к РНК-вирусам, самое широ-
кое разнообразие РНК-геномов обнаружено сре-
ди вирусов животных. Для вирусов животных ха-
рактерны три типа одноцепочечных РНК-геномов.
Геномы IV класса вирусов могут непосредственно
играть роль мРНК, благодаря чему сразу же по-
сле инфекции могут транслироваться в вирусный
белок. Между тем, на рис. 19.7 показан вирус клас-
са V, у которого РНК геном служит матрицей для
синтеза мРНК. РНК геном транскрибируется в
комплементарные РНК-цепи, которые функцио-
нируют и как мРНК, и как матрица для синтеза до-
полнительных копий геномной РНК. Для всех ви-
русов, у которых РНК-геном служит матрицей для
транскрипции мРНК, необходим синтез по схе-
ме РНК^РНК. Эти вирусы используют вирусный
фермент, способный к такому синтезу; в большин-
стве клеток таких ферментов нет. Фермент, кото-
рый используется в этом процессе, вместе с гено-
мом упаковывается внутрь вирусного капсида во
время самосборки вируса.
Ретровирусы — РНК-вирусы животных с
наиболее сложными репликативными циклами
(класс VI). Эти вирусы имеют фермент обратную
528 ГЛАВА 19 Вирусы
транскриптазу, который транскрибирует РНК-
матрицу в ДНК, обеспечивая передачу информа-
ции по схеме РНК-»ДНК, противоположной стан-
дартному направлению. Этот необычный фено-
мен послужил причиной названия ретровирусов
(“ретро” означает “в обратном направлении”).
Особенное медицинское значение имеет ВИЧ (ви-
рус иммунодефицита человека), который являет-
ся ретровирусом, вызывающим СПИД (синдром
приобретенного иммунодефицита)-, показан на
рис. 19.1. ВИЧ и другие ретровирусы являются обо-
лочечными вирусами с двумя идентичными моле-
кулами одноцепочечной РНК и двумя молекула-
ми обратной транскриптазы.
Репликативный цикл ВИЧ (прослежен на рис. 19.8)
является типичным для ретровируса.
После того как ВИЧ проникает в клетку-хо-
зяина, в цитоплазме высвобождаются молекулы
обратной транскриптазы, где они катализируют
синтез вирусной ДНК. Затем новообразованная
вирусная ДНК проникает в клеточное ядро и
интегрируется в хромосомную ДНК. Интегри-
рованная вирусная ДНК, называемая провиру-
сом, никогда не выщепляется из хозяйского ге-
нома, оставаясь постоянным обитателем клетки.
(Вспомните, что профаг, наоборот, покидает хо-
зяйский геном в начале литического цикла.) При
транскрипции провирусной ДНК с помощью хо-
зяйской РНК-полимеразы образуются молеку-
лы РНК, которые могут функционировать и как
мРНК для синтеза вирусных белков, и как геномы
новых вирусов, которые будут собраны и высво-
бождены из клетки.
Эволюция вирусов
Мы начали эту главу с вопроса о том,
являются ли вирусы живыми организмами. Дей-
ствительно, вирусы не подходят под наше опреде-
ление живых организмов. Изолированный вирус
биологически инертен, неспособен к реплика-
ции своих генов или к обновлению своей АТФ.
При этом он имеет генетическую программу, на-
писанную на универсальном языке жизни. Стоит
ли считать вирусы природными, наиболее слож-
ными комплексами молекул или самыми просты-
ми формами жизни? В любом случае мы должны
изменить привычные нам определения. Хотя ви-
русы и неспособны к независимой репликации и
метаболически неактивны, сложно отрицать их
эволюционную связь с живым миром, так как они
используют генетический код.
ЭВОЛЮЦИЯ
Откуда произошли вирусы? Было обнаружено,
что вирусы способны инфицировать любую форму
жизни — не только бактерии и растения, но так-
же и археи, грибы, водоросли и другие протисты.
Так как их размножение зависит от клеток, похоже,
что вирусы не являются потомками доклеточных
форм жизни, они возникли после появления пер-
вых клеток (и, возможно, эволюционировали мно-
жество раз). Большинство молекулярных биологов
придерживаются гипотезы о том, что вирусы про-
изошли от фрагментов клеточных нуклеиновых
кислот без оболочки, которые перемещались от
одной клетки к другой, возможно, через повреж-
денные клеточные поверхности. Благодаря эво-
люции генов, кодирующих белки капсидов, виру-
сы могут связываться с клеточными мембранами,
способствуя инфекции неповрежденных клеток.
Возможными исходными источниками вирус-
ных геномов могут быть плазмиды и транспозоны.
Плазмиды — это маленькие, кольцевые молекулы
ДНК, обнаруженные у бактерий и у одноклеточ-
ных эукариот, называемых дрожжами. Плазмиды
существуют независимо и могут реплицировать-
ся отдельно от бактериальной хромосомы, а также
случайно переноситься между клетками. Транспо-
зоны представляют собой ДНК-элементы, кото-
рые могут перемещаться из одного расположения
в другое в пределах клеточного генома; это явле-
ние будет рассмотрено подробнее в главе 21. Та-
ким образом, плазмиды, транспозоны и вирусы
имеют одну основную особенность: они являются
мобильными генетическими элементами.
С учетом того, что существуют такие части
ДНК, которые перемещаются от клетки к клетке,
было сделано наблюдение, что вирусный геном
может иметь больше общего с геномом своего хо-
зяина, чем с геномами вирусов, инфицирующих
других хозяев. Действительно, некоторые вирус-
ные гены фактически идентичны генам хозяина.
С другой стороны, недавно проведенное секве-
нирование многих вирусных геномов показало,
что генетические последовательности некоторых
вирусов практически идентичны последователь-
ностям вирусов, которые кажутся родственно
далекими; например, некоторые вирусы живот-
ных имеют те же последовательности, что и виру-
сы растений. Такое генетическое сходство может
свидетельствовать об устойчивости групп вирус-
ных генов, выбранных в ходе естественного отбо-
ра при эволюции как вирусов, так и эукариотиче-
ских клеток — их хозяев.
ГЛАВА 19 Вирусы 529
Гликопротеин z Вирусная
\ / оболочка
Капсид
0,25 мкм
0 Гликопротеины оболочки
позволяют вирусу связываться
со специфическими рецепто-
рами (не показаны) на поверх-
ности определенных лейкоцитов.
Мембрана
ВИЧ лейкоцита
/vww\
Новый ВИЧ покидает клетку
0 Вокруг вирусных
геномов и молекул
обратной транскриптазы
формируются капсиды.
□Ч Reverse
transcripta
ф Новые вирусы, содержащие
вирусные гликопротеины
оболочки, отпочковываются
Обратная
транскриптаза вич
ВИЧ проникает в клетку
РНК (две иден-
-9 тичные цепи)
Вирусная РНК
РНК-ДНК
гибрид
ДНК
РНК-геном
для вирусов-
потомков
от клетки-хозяина.
0 Вирус связывается с плазматической
мембраной клетки. Белки капсида удаляются,
высвобождая вирусные белки и РНК.
КЛЕТКА
• ХОЗЯИНА
Хромосомная
ДНК
ЯДРО
тт— Провирус
мРНК лллллл
0 Обратная транскриптаза
катализирует синтез цепи ДНК,
комплементарной вирусной РНК.
О Обратная тран-
скриптаза ката-
лизирует синтез
второй цепи ДНК,
которая компле-
ментарна первой.
0 Двухцепо-
чечная ДНК
в качестве
провируса
встраивается
в клеточную ДНК.
©Провирусные
гены транскри-
бируются в моле-
кулы РНК, которые
служат геномами
для следующего
поколения вирусов
и выполняют роль мРНК
для трансляции
вирусных белков.
| К вирусным белкам
относятся белки капсида,
обратная транскриптаза
(синтезируется в цитозоле)
и оболочечные гликопротеины
(синтезированные в ЭПР).
0 Везикулы траспортируют
гликопротеины к плазмати-
ческой мембране клетки.
Рис. 19.8. Репликативный цикл ВИЧ — ретровируса, вызывающего СПИД. Обратите внимание на этап 0, когда синтезируемая с ви-
русного РНК-генома ДНК в виде провируса интегрируется в хромосомную ДНК клетки-хозяина — это является уникальной особен-
ностью ретровирусов. Для упрощения белки клеточной поверхности, служащие рецепторами для ВИЧ, на рисунке не показаны. На
фото слева (искусственно окрашенный снимок, полученный с помощью трансмиссионного электронного микроскопа) изображе-
ны вход и выход ВИЧ из лейкоцитов человека
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Опишите, что известно о связывании ВИЧ с клетками иммунной системы (см. рис. 7.8). Как это было
обнаружено?
530 ГЛАВА 19 Вирусы
Спор о происхождении вирусов был возоб-
новлен в 2003 году в связи с сообщением об од-
ном из крупнейших когда-либо открытых ви-
русов — мимивирусе — с двухцепочечной ДНК
(дцДНК) и икосаэдрическим капсидом 400 нм в
диаметре, т.е. размером с малую бактерию. Его ге-
ном содержит 1,2 млн оснований (Мб), что при-
близительно в сто раз больше, чем геном вируса
гриппа, и около 1000 генов. Тем не менее возмож-
но, наиболее удивительное свойство мимивируса
состоит в том, что в его геноме есть гены, кото-
рые ранее находили только в клеточных геномах.
Некоторые из этих генов кодируют белки, уча-
ствующие в трансляции, репарации ДНК, уклад-
ке белков и синтезе полисахаридов. Мимивирус
либо сформировался до первых клеток и затем
эксплуатировал их, либо он возник не так давно
и выброшенные гены его хозяев еще не закрепи-
лись. В 2013 году был открыт вирус еще больше-
го размера, который нельзя отнести ни к одному
из известных существующих ныне вирусов. Этот
вирус 1 мкм (1000 нм) в диаметре, с дцДНК гено-
мом размером около 2-2,5 Мб, что больше, чем у
некоторых эукариот малого размера. Кроме того,
более 90% из его 2000 (приблизительно) генов, не
имеют никакого отношения к клеточным генам,
что послужило причиной дать ему название пан-
доравирус. Интригующим и нерешенным вопро-
сом остается то, как этот и другие вирусы отно-
сятся к древу жизни.
Развитие эволюционных взаимодействий меж-
ду вирусами и геномами их клеток-хозяев дела-
ет вирусы очень удобным материалом для прове-
дения экспериментов в молекулярной биологии.
Знания о вирусах также предоставляют множе-
ство практических применений, так как из-за сво-
ей способности вызывать болезни вирусы имеют
огромное воздействие на организмы.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 19.2
1.
2.
3.
4.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Сравните эффект на клетку хозяина литического (вирулент-
ного) фага и лизогенного (умеренного) фага.
| РНК-вирус на рис. 19.7 имеет
вирусную РНК-полимеразу, которая функционирует на эта-
пе 3 вирусного репликативного цикла. Сравните ее с кле-
точной РНК-полимеразой с точки зрения матрицы и специ-
альных функций (см. рис. 19.7).
Почему ВИЧ называется ретровирусом?
| Если бы вы были исследователем, который
пытается бороться с ВИЧ-инфекцией, какие молекулярные
процессы вы бы пытались блокировать (см. рис. 19.8)?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
19.3. Вирусы, вироиды и прионы —
грозные патогены животных
и растений
Болезни, вызываемые вирусными инфекция-
ми, во всем мире наносят вред человеку, сельско-
хозяйственным культурам и домашнему скоту.
Существуют организмы меньшего размера и бо-
лее просто устроенные, которые также вызывают
болезни у растений и животных — это вироиды и
прионы, соответственно.
Вирусные болезни животных
Вирусная инфекция приводит к симптомам,
проявляющимся разными способами. Вирусы мо-
гут повреждать или убивать клетки, что приводит
к высвобождению гидролитических ферментов из
лизосом. Некоторые вирусы вызывают продук-
цию токсинов инфицированными клетками, что
проявляется симптоматически, а некоторые —
имеют токсичные молекулярные компоненты, в
частности, белки оболочки. Степень поврежде-
ния, вызываемого вирусом, частично зависит от
способности инфицированных тканей к регенера-
ции при делении клеток. Как правило, люди пол-
ностью выздоравливают от простуды, так как ин-
фицированный эпителий респираторного тракта
способен к эффективному самовосстановлению.
Напротив, повреждения зрелых нервных клеток,
вызываемые полиовирусами, необратимы, так
как эти клетки не делятся и, как правило, не мо-
гут быть замещены другими клетками. Многие
временные симптомы вирусных инфекций, такие
как лихорадка и боли в теле, на самом деле, ско-
рее, связаны с попытками самого организма за-
щититься от инфекции, чем с попытками предот-
вратить смерть клеток от вирусов.
Иммунная система — сложная и важнейшая
часть естественных защитных механизмов орга-
низма. Иммунная система также составляет ос-
нову для главного медицинского инструмента,
используемого для предотвращения вирусных ин-
фекций — вакцин. Вакцина — это безопасный
вариант патогена или его модификация, которая
стимулирует усиление механизмов иммунной си-
стемы для защиты против опасных патогенов.
Благодаря программе Всемирной организации
здравоохранения (ВОЗ) по вакцинации была лик-
видирована натуральная оспа — вирусная бо-
лезнь, которая в прошлом являлась разруши-
тельной силой во многих частях света. Важным
ГЛАВА 19 Вирусы 531
фактором успеха этой программы стал очень уз-
кий набор хозяев вируса натуральной оспы — он
инфицирует только людей. В настоящее время
проводятся аналогичные всемирные кампании
по вакцинации для ликвидации полиомиелита и
кори. Также доступны эффективные вакцины для
защиты против краснухи, свинки, гепатита В и
ряда других вирусных заболеваний.
Хотя вакцины могут предотвращать опреде-
ленные вирусные заболевания, после появления
симптомов большинства вирусных инфекций
медицинские технологии оказываются практи-
чески бессильными при лечении. Антибиотики,
способствующие выздоровлению от бактериаль-
ных инфекций, беспомощны в борьбе с вирусами.
Антибиотики убивают бактерии путем ингиби-
рования ферментов, специфичных для бактерий,
но не влияют на ферменты, кодируемые эукарио-
тами или вирусами. Тем не менее некоторые фер-
менты, кодируемые только вирусами, могут по-
служить мишенью при создании других лекарств.
Большинство противовирусных препаратов схо-
жи с нуклеозидами и благодаря этому препят-
ствуют синтезу вирусных нуклеиновых кислот.
Один из таких препаратов — ацикловир; он бло-
кирует репликацию герпес-вируса, ингибируя ви-
русную полимеразу, синтезирующую вирусную,
но не эукариотическую, ДНК. Сходным образом
азидотимидин (АЗТ) сдерживает репликацию
ВИЧ, блокируя синтез ДНК обратной транскрип-
тазой. За последние два десятилетия предприня-
то много попыток разработать препараты против
ВИЧ. В настоящее время наиболее эффективной
признана мультилекарственная терапия, иногда
называемая “коктейлем”. Стандартная терапия
включает комбинацию двух аналогов нуклеози-
дов и протеазный ингибитор, блокирующий фер-
мент, который необходим для сборки вирусов.
Возникающие вирусы
Вирусы, которые проявляются внезапно, ча-
сто относят к возникающим вирусам. Вирус СПИ-
Да, ВИЧ — это классический пример: этот вирус
возник в Сан-Франциско в ранние 1980-е годы,
как будто из ниоткуда, но более поздние иссле-
дования выявили случай заражения этим виру-
сом в Бельгийском Конго в 1959 году. Смертельно
опасный вирус Эбола, изначально обнаружен-
ный в Центральной Африке, является одним из
нескольких возникающих вирусов, вызывающих
геморрагическую лихорадку, во многих случаях
фатальную болезнь, для которой характерны та-
кие симптомы, как жар, тошнота, сильное кровот-
ечение и нарушения в работе сердечно-сосуди-
стой системы. Ряд других опасных возникающих
вирусов вызывает энцефалит (воспаление моз-
га). Один из примеров таких вирусов — вирус
лихорадки Западного Нила, который появился в
1999 году и к настоящему моменту распростра-
нен во всех 48 соприкасающихся штатах в США,
а в 2012 году привел к 5000 случаев заболевания и
почти 300 смертельным случаям.
В 2009 году в Мехико и в США произошла ши-
рокая вспышка, или эпидемия, болезни, похожей
на грипп. Инфекционный агент быстро иденти-
фицировали как вирус гриппа, из группы виру-
сов, вызывающих сезонный грипп (рис. 19.9, а).
а) Вирус гриппа AH1N1,
который вызвал панде-
мию в 2009 году. На этом
окрашенном снимке,
сделанном с помощью
сканирующего электрон-
ного микроскопа, видны
вирусы (показаны голубым)
на поверхности инфициро-
ванной клетки (показана
зеленым).
6) Проверка пассажиров во
время пандемии 2009 года.
Для выявления пассажиров
с высокой температурой, ко-
торые могли быть заражены
вирусом гриппа H1N1, в аэро-
порту Южной Кореи были ис-
пользованы сканирующие
тепловизоры.
Рис. 19.9. Грипп у человека
Причины, по которым этот вирус назван H1N1
будут изложены ниже. Болезнь распространялась
быстро, что вскоре побудило ВОЗ объявить гло-
бальную эпидемию, или пандемию. Через пол-
года болезнь распространилась в 207 странах,
в результате было инфицировано более 600 ты-
сяч человек, а погибло почти 8000. Организации
общественного здравоохранения быстро отре-
агировали указаниями закрыть школы и другие
общественные места, а также были ускорены раз-
работка вакцин и мероприятия по скринингу
(рис. 19.9, б).
532 ГЛАВА 19 Вирусы
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Дналиу фило генетическою Depcfia, сосанною на основе
секвенирования с целью понять эволюцию вирусов
Как можно использовать данные секвенирования, чтобы про-
следить эволюцию вируса гриппа во время волн пандемии?
В 2009 году вирус гриппа A H1N1 стал причиной пандемии, и в
гемагглютина (НА)
и, основываясь на
возникших мута-
разных странах снова и снова происходили вспышки болезни.
Исследователей из Тайваня заинтересовало, почему вирус про-
должал проявляться, несмотря на повсеместные программы по
вакцинации против гриппа. Они предположили, что новые воз-
никающие вариантные штаммы вируса H1N1 могли ускользать
от защитных механизмов иммунной системы человека. Для про-
верки этой гипотезы им нужно было определить, была ли каждая
вспышка гриппа вызвана новым вариантным штаммом H1N1.
циях, упорядочи-
ли изоляты в фи ж Вакцинация против гриппа H1N1
логенетическое
дерево.
Полученные экспериментальные данные. На рисунке ниже по-
казано филогенетическое дерево; каждая верхушка ветви — это
один из вариантных штаммов вируса H1N1 с уникальной последо-
вательностью гена НА.
A/California/07/2009 } Группа 1
A/Toiwan/1164/2010 "У Группа 3
A/Taiwan/T 1773/200& Группа 6
A/Taiwan/T 1338/2009
ж A/Taiwan/T0724/2009
_ A/Taiwan/T 1821/2009
_ A/Taiwan/T1339/2009
, А/Taiwan/940/2009
1 А/Taiwan/7418/2009
A/Taiwan/8575/2009
. A/Taiwan/4909/2009
A/Taiwan/ 8542/2009
► Группа?
A/Taiwan/2826/2009 1
А/Taiwan/1018/201П
A/Taiwan/552/2011 /
Группа 9
A/Taiwan/T0826/2009
А/Taiwan/1017/2009
А/Taiwan/7873/2009
А/Taiwan/11706/2009
IА/Taiwan/6078/2009
— A/Taiwan/6341/2009
A/Taiwan/6200/2009
Группа 8
A/Taiwan/5270/2010 ' Irnvnnnfi 1
A/Taiwan/3994/2010 /'РУ™8'1
A/Taiwan/2649/2011 \ 1Q
A/Taiwan/1102/2011 j lpynna 1U
A/Taiwan/4501/2011
A/Taiwan/67/2011
A/Taiwan/1749/2011
A/Toiwon/4611/2011
—A/Taiwan/5506/2011
—_ A/Taiwan/1150/2011
A/Taiwan/2883/2011
•Группа 11
Период
S ° M'h'h'a'c'o'h'A^ WA'M'n'M'A'c'o'H'Alq'C'M'A'
2009 I 2010 I 2011
(D Ученые графически изобразили количество изолятов по месяцам
и годам, когда они были выделены, чтобы показать период, когда
данная вирусная линия была активным инфекционным агентом
Проведение эксперимента. Ученые получили последователь-
ности геномов 4703 вирусных изолятов, которые были взяты на
Тайване от пациентов с гриппом штамма H1N1. Они сравнили
последовательности разных вирусных линий по гену вирусного
Дерево позволяет наглядно представить рабочую гипотезу об
эволюционных связях между вариантами H1N1.
Анализ данных.
1 Филогенетическое дерево показывает предполагаемую
эволюционную связь между вариантными штаммами вируса
H1N1. Чем ближе связь между двумя вариантами, тем более
вероятно сходство последовательностей их генов НА. Каждая
вилка в ветви, называемая узлом, показывает, в каком месте
из-за разных накопленных мутаций расходятся две вирус-
ные линии. Длина ветвей — это мера того, сколько различий
имеется в последовательностях между вариантами, показы-
вающая, насколько далеко их родство. Возвращаясь к фило-
генетическому дереву, какие из вариантов имеют самое близ-
кое родство: A/Taiwan 1018/2011 и A/Taiwan/552/2011 или А/
Taiwan 1018/2011 и A/Taiwan/8542/2009? Объясните ваш ответ.
2. Ученые объединили ветви в группы, включающие один предко-
вый вариант и всех его потомков с мутациями. На рисунке они
показаны цветом. Используя группу 11 в качестве примера,
проследите происхождение этих вариантов, а) Все ли узлы
имеют одинаковое количество ветвей или вершин ветвей?
б) Все ли ветви в группе одной длины? в) О чем свидетельству-
ют эти результаты?
3. График, приведенный ниже, по оси У показывает количество
выделенных изолятов (каждый от одного больного пациента),
а по оси X — месяц и год, когда были выделены изоляты. Ка-
ждая группа вариантов отдельно обозначена линией того же
цвета, что и на диаграмме дерева, а) Какая группа вариантов
раньше других вызвала первую волну эпидемии H1N1 более
чем у 100 пациентов на Тайване? б) После того как пик чис-
ла инфекций, вызванных любой из групп вариантов, пройден,
приводили ли члены этой же группы к другой (более поздней)
волне инфекции? в) Один из вариантов в группе 1 (зеленая
верхняя ветвь) был использован при создании вакцины, кото-
рую заблаговременно распространили во время пандемии.
Можно ли сказать, была ли эта вакцина эффективной, основы-
ваясь на графических данных?
4. Группы 9, 10 и 11 включают H1N1 варианты, которые в одно
время вызвали на Тайване большое число инфекций. Озна-
чает ли это, что гипотеза ученых о том, что новые варианты
приводят к новым волнам инфекции, была неверной? Объяс-
ните ваш ответ.
Источник данных: J.-R. Yang at all. New variants and age shift to
high fatality groups contribute to severe successive waves in the 2009
influenza pandemic in Taiwan, PLoS ONE 6 (11): e28288 (2011).
Каким образом подобные вирусы возникают
среди людей подобно вспышкам, вызывая опас-
ные болезни, ранее редкие или даже неизвест-
ные? На возникновение вирусных заболеваний
оказывают влияние три процесса. Первый и, воз-
можно, самый важный, — это мутации существу-
ющих вирусов. РНК-вирусы имеют тенденцию к
необычно высокой скорости мутаций, так как ви-
русные РНК-полимеразы не корректируют и не
исправляют ошибки при репликации РНК-гено-
мов. Некоторые мутации модифицируют суще-
ствующие вирусы в новые генетические варианты
(линии), которые могут вызывать болезнь даже у
индивидуумов с иммунитетом к вирусам-предше-
ственникам. Так, сезонная эпидемия гриппа обу-
словлена новыми линиями вируса гриппа, кото-
рые генетически довольно сильно отличаются от
более ранних линий, поэтому иммунитет у людей
к таким новым линиям невелик. Пример подоб-
ного процесса вы увидите в рубрике “Развиваем
исследовательские навыки”, где вы проанализи-
руете генетические изменения вариантов вируса
гриппа штамма H1N1 2009 года и отыщите взаи-
мосвязь с распространением болезни.
Как можно видеть, “возникающие” вирусы
в целом не являются новыми вирусами; скорее,
они относятся к существующим вирусам, кото-
рые мутируют, более широко распространяются в
своих хозяевах или передаются новым хозяевам.
Поведенческие изменения хозяев или изменения
внешней среды могут усилить передачу вирусов,
ассоциированных с болезнями. Например, строи-
тельство новых дорог в отдаленных районах мо-
жет привести к распространению вируса среди
человеческих популяций, ранее изолирован-
ных друг от друга. Кроме того, разрушение
лесов для расширения сельскохозяйствен-
ных угодий приводит к контакту людей с
другими животными, которые могут быть
хозяевами вирусов, способных к инфи-
цированию человека.
Вирусные заболевания
растений
Известно более 2000 типов вирус-
ных болезней растений, и за год во
всем мире на них приходится убыток
приблизительно в 15 миллиардов дол-
ларов в силу того, что эти вирусы при-
водят к разрушению сельскохозяйствен-
ных и плодовых культур. Бесцветные или
коричневые пятна на листьях и фруктах (как на
тыкве, показанной ниже), задержка роста и по-
врежденные цветки или корни — все это рас-
пространенные признаки вирусной инфекции,
каждый из которых может уменьшить объем и
качество урожая.
Типы структур и схемы репликации вирусов
растений сходны с вирусами животных. Боль-
шинство вирусов растений, открытых до настоя-
щего момента, включая вирус табачной мозаики
(ВТМ), имеют РНК-геном. Многие имеют спи-
ральный капсид, как ВТМ, в то время как у дру-
гих вирусов капсид икосаэдрический (см. рис. 19.3).
Вирусные болезни растений передаются двумя
основными способами. При первом способе, на-
зываемом горизонтальным переносом, растение
заражается от внешнего источника вируса. Так
как атакующий вирус должен пройти через внеш-
ний защитный слой клеток растения (эпидермис),
растение становится более восприимчивым к ви-
русным инфекциям после повреждения ветром
или травоядными животными. Травоядные, осо-
бенно насекомые, представляют двойную угрозу,
так как они могут быть переносчиками вирусов,
передавая болезнь от растения к растению. Бо-
лее того, фермеры и садоводы могут случайно пе-
редать вирусы растений садовыми ножницами и
другими предметами. Другой способ передачи ви-
русной инфекции — вертикальный перенос, когда
растение наследует вирусную инфекцию от
родительского растения. Вертикаль-
ный перенос может происходить при
вегетативном размножении (напри-
мер, через черенки) или при половом
размножении через зараженные семена.
Как только вирус проникает в расти-
тельную клетку и начинает репликацию,
вирусные геномы и связанные с ними бел-
ки могут распространяться по растению
через плазмодесмы — цитоплазматиче-
ские мостики, проходящие через стен-
ки между соседними клетками рас-
тений. Белки, кодируемые вирусом,
могут вызывать расширение плаз-
модесм и способствовать прохо-
ждению вирусных макромолекул от
клетки к клетке. Для большинства
вирусных заболеваний растений уче-
ные еще не разработали лечение. По-
этому исследовательские работы в боль-
шей степени фокусируются на сокращении
534 ГЛАВА 19 Вирусы
распространения этих заболеваний и на выращи-
вании устойчивых вариантов сельскохозяйствен-
ных культур.
Вироиды и прионы: простейшие
инфекционные агенты
Вирусы — организмы малого размера с про-
стой структурой, а патогены другой группы — ви-
роидов — еще меньше. Вироиды — это маленькие
кольцевые молекулы РНК всего лишь несколько
сот нуклеотидов длиной, которые инфицируют
растения. Вироиды не кодируют белки, но могут
реплицироваться в клетках растений-хозяев, по
всей видимости, используя ферменты хозяйских
клеток. Похоже, что эти маленькие РНК молеку-
лы приводят к ошибкам в регуляторных систе-
мах, контролирующих рост растений; типичные
признаки вироидных болезней — это аномальное
развитие и задержки в росте. Из-за болезни ка-
данг, вызываемой вироидами, на Филиппинах по-
гибло более 10 миллионов кокосовых пальм.
Из знаний о вироидах можно извлечь один
важный урок: даже одна молекула может быть
инфекционным агентом-распространителем бо-
лезни. Однако способность к репликации нукле-
иновых кислот, из которых состоят вироиды, хо-
роша известна. Намного больше удивляют факты
об инфекционных белках, называемых прионами,
которые, по всей видимости, вызывают ряд деге-
неративных заболеваний мозга у разных видов
животных. Это такие болезни, как скрэйпи овец,
бешенство коров, которое в последние годы не-
гативно влияет на производство говядины в Ев-
ропе, и болезнь Крейтцфельда-Якоба у людей,
которая стала причиной около 150 смертельных
случаев в Великобритании. Прионы могут пе-
редаваться через еду, как это происходит в слу-
чае, когда люди питаются говядиной, зараженной
прионами коровьего бешенства. Другая прион-
ная болезнь человека — куру — была идентифи-
цирована в начале 1900-х годов у племени Южно-
го Форе аборигенов Новой Гвинеи. Пик эпидемии
куру пришелся на 1960-е годы, что озадачило уче-
ных, которые сначала считали, что болезнь име-
ет генетическое происхождение. Тем не менее со
временем антропологические исследования выя-
вили механизм распространения болезни: риту-
альный каннибализм, распространенная в то вре-
мя практика среди народа Южный Форе в Новой
Гвинее.
Особенно настораживают два свойства при-
онов. Во-первых, прионы действуют очень мед-
ленно, развитию симптомов предшествует ин-
кубационный период в 10 лет. Длительный
инкубационный период предотвращает обнару-
жение источников инфекции в течение долгого
времени до проявления первых симптомов, что
приводит к намного большему числу заражений.
Во-вторых, прионы практически невозможно раз-
рушить; они не уничтожаются и не инактивиру-
ются при нагревании до стандартных температур
приготовления пищи. К настоящему моменту не
существует препаратов против прионных болез-
ней, а единственная надежда на развитие эффек-
тивного лечения связана с пониманием инфекци-
онного процесса.
Как белок, неспособный к самостоятельной
репликации, может быть заразным патогеном?
Согласно основной модели, прион — это белок с
неправильной укладкой, который в нормальном
состоянии присутствует в клетках мозга. Когда
прион попадает в клетку с белком в нормальной
форме, он каким-то образом модифицирует мо-
лекулы нормального белка в прионовые версии с
неправильной укладкой. Затем некоторые прионы
собираются в комплекс, который может превра-
щать нормальные белки в прионы, включающие-
ся в цепь (рис. 19.10).
Рис. 19.10. Модель размножения прионов.
Прионы — это варианты обычных белков
мозга с неправильной укладкой. Когда
прион контактирует с правильно уложен-
ным вариантом того же белка, он может
заставить нормальный белок принять ано-
мальную конформацию. Запускающаяся
в результате цепная реакция может про-
должаться до тех пор, пока характерный
для прионов высокий уровень агрегации
не приведет к нарушению функций клеток
и, в конечном итоге, к разрушению мозга
ГЛАВА 19 Вирусы 535
Агрегация прионов влияет на нормальные кле-
точные функции и приводит к появлению симпто-
мов болезни. Эта модель была встречена с большим
скептицизмом, когда она была впервые предложе-
на Стэнли Прузинером в начале 1980-х годов, но
теперь получила широкое признание. В 1997 году
Прузинер был удостоен Нобелевской премии за
свою работу по прионам. Недавно он предполо-
жил, что прионы также вовлечены в нейроде-
генеративные заболевания, такие как болезни
Альцгеймер и Паркинсона. С этими мелкими воз-
будителями инфекций связано еще много неразре-
шенных вопросов.
1.
2.
3.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 19.3
Опишите два пути, по которым ранее существовавший ви-
рус может становиться возникающим вирусом.
Сравните горизонтальный и вертикальный перенос вирусов
растений.
А ЧТО. ЕСЛИ2
ВТМ был выделен буквально из всех ком-
мерческих табачных изделий. Почему же инфекция ВТМ не
является дополнительным вредным фактором для куриль-
щиков?
Ответы см. в Приложении А.
'9 Обзор главы
19.1 ВИРУС СОСТОИТ ИЗ НУКЛЕИНОВОЙ
КИСЛОТЫ, ОКРУЖЕННОЙ БЕЛКОВОЙ ОБОЛОЧКОЙ
• Исследователи открыли вирусы в конце XIX века
при изучении мозаики табака — болезни растений.
• Вирус — это геном из небольшой нуклеиновой кис-
лоты, заключенный в белковый капсид и, в ряде
случаев, в мембранную вирусную оболочку. Геном
может быть представлен одно- или двухцепочечны-
ми ДНК или РНК.
Q Согласно общепринятым взглядам, считаются ли ви-
русы живыми или неживыми организмами? Объясните.
19.2. ВИРУСЫ РЕПЛИЦИРУЮТСЯ ТОЛЬКО
В КЛЕТКАХ ОРГАНИЗМА-ХОЗЯИНА
• Для синтеза вирусного потомства в ходе реплика-
ции вирусы используют ферменты, рибосомы и не-
большие молекулы клеток хозяина. Каждый тип ви-
руса имеет характерный круг хозяев.
• Фаги (вирусы, инфицирующие бактерии) реплици-
руются по двум альтернативным механизмам: ли-
тическому и лизогенному циклу.
• Многие вирусы животных имеют оболочку. Рет-
ровирусы (ВИЧ) используют фермент обратную
транскриптазу для копирования РНК-генома в
ДНК, которая в виде провируса будет интегрирова-
на в геном хозяина.
• Так как вирусы могут реплицироваться только внут-
ри клеток, возможно, они сформировались после
того, как появились первые клетки; предположи-
тельно, они возникли как упакованные фрагменты
клеточных нуклеиновых кислот.
Литический цикл
• Вирулентный или умеренный фаг
• Разрушение ДНК клетки-хозяина
• Продукция новых фагов
• Лизис клетки-хозяина приводит
к высвобождению фагов-потомков
Лизогенный цикл
• Только умеренный фаг
• Геном интегрируется в бак-
териальную хромосому
в виде профага, который
1) реплицируется и пере-
дается дочерним клеткам и
2) при индукции может поки-
нуть хромосому и иницииро-
вать литический цикл
Опишите ферменты, не обнаруженные в большин-
стве клеток, но необходимые для репликации опреде-
ленных типов вирусов.
19.3. ВИРУСЫ, ВИРОИДЫ И ПРИОНЫ - ГРОЗНЫЕ
ПАТОГЕНЫ ЖИВОТНЫХ И РАСТЕНИЙ
• Симптомы вирусных заболеваний могут быть об-
условлены непосредственно негативным воздей-
ствием вирусов на клетки или иммунным ответом
организма. Вакцины стимулируют иммунную си-
стему к защите хозяина от специфических вирусов.
• Эпидемия — вспышка болезни, получившая повсе-
местное распространение, может перейти в панде-
мию — глобальную эпидемию.
536 ГЛАВА 19 Вирусы
• Вспышки возникающих вирусных заболеваний у лю-
дей чаще всего не являются новыми, а, наоборот, вы-
званы существующими вирусами, расширившими
свой диапазон хозяев. Вирус гриппа H1N1 2009 года
был новым сочетанием генов вирусов свиней, чело-
века и птиц, которые вызвали эпидемию. Вирус пти-
чьего гриппа H5N1 имеет потенциал вызвать панде-
мию гриппа с высокой смертностью.
• Вирусы проникают в клетки растений через пов-
режденные клеточные стенки (горизонтальный пе-
ренос) или наследуются от родительских растений
(вертикальный перенос).
• Вироиды — лишенные оболочки молекулы РНК, ко-
торые инфицируют растения и тормозят их рост.
Прионы — медленно действующие, практически не
поддающиеся разрушению инфекционные белки, ко-
торые вызывают болезни мозга у млекопитающих.
i Благодаря какому свойству вероятность стать
возникающим у PH К-вируса больше, чем у ДНК-вируса?
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Какая/какой из следующих особенностей, структур
или процессов является общей/общим для бакте-
рий и вирусов?
а) метаболизм;
б) рибосомы;
в) генетический материал, состоящий из нуклеино-
вых кислот;
г) деление клеток.
2. Возникающие вирусы появляются в результате:
а) мутаций существующих вирусов;
б) распространения существующих вирусов на но-
вые виды хозяев;
в) более масштабного распространения существую-
щих вирусов в рамках видов их хозяев;
г) всего вышеперечисленного.
3. Чтобы привести к пандемии у людей, вирус птичье-
го гриппа H5N1 должен
а) распространиться на приматов, в частности,
шимпанзе;
6) стать вирусом с другим кругом хозяев;
в) приобрести способность передаваться от челове-
ка к человеку;
г) значительно повысить свою патогенность.
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
4. Бактерию инфицировали экспериментально полу-
ченным бактериофагом, состоящим из белковой
оболочки фага Т2 и фаговой ДНК фага Т4. Образу-
ющиеся новые фаги будут иметь:
а) Т2 белки и Т4 ДНК; в) Т4 белки и Т4 ДНК;
б) Т2 белки и Т2 ДНК; г) Т4 белки и Т2 ДНК.
5. РНК-вирусам необходим свой собственный набор
определенных ферментов, так как:
а) клетки хозяина быстро разрушают вирусы;
б) клетки хозяина не имеют ферментов, которые
могут реплицировать вирусный геном;
в) эти ферменты транслируют вирусную мРНК в белки;
г) эти ферменты проникают в клеточные мембра-
ны хозяев.
6. На основании рис. 19.7 нарисуйте репли-
кативный цикл вируса с одноцепочечным геномом,
выполняющим функции мРНК (класс вирусов IV).
ИЗОБРАЗИ!
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
7. Процветание некоторых
вирусов связано с их способностью быстро размно-
жаться в хозяине. Такой вирус уходит от защитных
механизмов хозяина, мутируя и продуцируя боль-
шое число модифицированного вирусного потом-
ства до того момента, как организм сможет совер-
шить на него атаку. Таким образом, вирусы поздней
инфекции отличаются от вирусов, инфицировав-
ших организм ранее. Обсудите этот случай как при-
мер эволюции микрокосма. Какие из вирусных ли-
ний имеют склонность доминировать?
После того, как животное было инфицировано ви-
рулентным вирусом с литическим репликативным
циклом, в течение некоторого времени ничто не
указывает на инфекцию. Затем количество вирусов
резко возрастает и в дальнейшем увеличивается в
серии скачков (график Б). Объясните разницу меж-
ду кривыми.
8. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ОРГАНИЗАЦИЯ”
Хотя большинство ученых предполагают, что ви-
русы — неживые организмы, они проявляют неко-
торые свойства живого, в частности, взаимосвязь
структуры и функций. В небольшом эссе (100-
150 слов) рассмотрите, как структура вируса взаи-
мосвязана с его функциями.
9.
Осельтамивир (Тамиф-
лю) — противовирус-
ный препарат, назна-
чаемый против гриппа;
его действие основа-
но на ингибировании
фермента нейраминидазы. Объясните, как этот пре-
парат может предотвратить проникновение инфек-
ции в человека или сократить продолжительность
гриппа у инфицированного пациента (две причины,
по которым он может быть назначен).
Ответы см. в Приложении А.
ОБОБЩИ СВОИ ЗНАНИЯ
ГЛАВА 19 Вирусы 537
20
ДНК-инаюументы
и биа^Й^логия
ТЕМЫ ГЛАВЫ
20.1 . Секвенирование и
клонирование ДНК — ценные
инструменты для генной
инженерии и биологических
исследований
20.2. Биологи используют
ДНК-технологии для
изучения экспрессии и
функционирования генов
I Клонированные организмы
и стволовые клетки могут
быть использованы для
фундаментальных исследований
и других приложений
) Прикладные ДНК-технологии во
многих отношениях влияют на
нашу жизнь
Рис. 20.1. Кок может метод, изображенный на данной
модели, увеличить скорость секвенирования ДНК?
ДНК-инструментарий
За последние 5-10 лет были совершены выдающиеся от-
крытия в биологии: определены полные последователь-
ности ДНК нескольких вымерших видов, в том числе шер-
стистых мамонтов (см. ниже), неандертальцев и лошади,
возраст которой составляет свыше 700 000 лет. Решающую
роль в этих исследованиях сыграло секвенирование гено-
ма человека, завершенное в 2003 году. Это достижение оз-
наменовало поворотный момент в биологии, так как при-
вело к феноменальному технологическому прогрессу в
секвенировании ДНК.
Секвенирование первого генома человека заняло не-
сколько лет и стоило миллиард долларов; с тех пор сто-
имость секвенирования генома и время, необходимое
для этого, постоянно сокращаются. На рис. 20.1 показа-
на схема технологии секвенирования, в которой нуклео-
тиды одноцепочечной молекулы ДНК проходят один за
другим сквозь крохотную пору в мембране, и вызывае-
мые при этом небольшие изменения в значении электри-
ческого тока используют для определения нуклеотидной
последовательности. В этой главе вы более под-
робно узнаете об этой технологии. Ее разработчи-
ки утверждают, что в конечном итоге мы сможем
определять последовательность генома человека
примерно за шесть часов, используя устройство
стоимостью 900 долларов и размером с пачку же-
вательной резинки.
В этой главе мы сначала опишем основные
технологии секвенирования и манипулирования
ДНК — ДНК-технологии — и посмотрим, как
их используют для анализа экспрессии генов. За-
тем мы изучим достижения в клонировании орга-
низмов и получении стволовых клеток — эти два
метода расширили наше понимание основ био-
логии и развили наши возможности для реше-
ния глобальных проблем. В последнем разделе мы
проведем обзор практических приложений био-
технологии — науки об использовании живых
организмов или их компонентов для производ-
ства полезных продуктов, основанных на свой-
ствах ДНК. Сегодня практические приложения
ДНК-технологий влияют на все сферы деятельно-
сти человека от сельского хозяйства до кримино-
логии и медицинских исследований.
20.1. Секвенирование
и клонирование ДНК —
ценные инструменты для генной
инженерии и биологических
исследований
Определение структуры молекулы ДНК, со-
стоящей из двух комплементарных цепей, откры-
ло двери для разработки методов секвенирования
ДНК и многих других методов, используемых в
биологии сегодня. Ключевым принципом, лежа-
щим в основе многих технологий, является ги-
бридизация нуклеиновых кислот — спаривание
оснований одной цепи нуклеиновой кислоты с
комплементарной последовательностью основа-
ний другой молекулы нуклеиновой кислоты. В дан-
ном разделе мы расскажем о технологиях секвени-
рования ДНК. Затем мы проанализируем другие
важные методы, используемые в генной инжене-
рии — непосредственном манипулировании гена-
ми в практических целях.
Секвенирование ДНК
Исследователи могут применять принцип ком-
плементарного спаривания азотистых оснований
для определения полной последовательности мо-
лекулы ДНК. Этот процесс называется секвениро-
ванием ДНК. Сначала молекулу ДНК расщепляют
на фрагменты, затем каждый фрагмент секвени-
руют. На сегодняшний день секвенирование осу-
ществляют приборы (рис. 20.2).
а) Стандартный секвенатор
б) Секвенаторы “нового поколения”
Рис. 20.2. Приборы для секвенирования ДНК (секвенаторы),
а) Этот стандартный секвенатор использует дидезоксинук-
леотидный метод “обрыва" цепи (рис. 20.3). Он может про-
честь до 120 000 нуклеотидов за 10 часов и используется для
секвенирования небольшого количества образцов с корот-
кими последовательностями, б) Секвенаторы нового поко-
ления используют “секвенирование посредством синтеза"
(рис. 20.4). Современные приборы за 10 часов могут отсекве-
нировать до 700-900 миллионов нуклеотидов и используются
для более масштабных задач
Первый автоматизированный протокол секве-
нирования использует технологию под названи-
ем дидезоксинуклеотидный метод “обрыва цепи”.
В данном методе одна из цепей ДНК-фрагмен-
та используется как матрица для синтеза набора
комплементарных фрагментов разной длины; да-
лее фрагменты анализируют для получения по-
следовательности, как показано на рис. 20.3.
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 539
▼ Рис. 20.3.
Метод исследований
Дидезоксинуклеотидный метод “обрыва цепи” для секвенирования ДНК
Применение на практике. Последовательность нуклеотидов в любом фрагменте ДНК длиной до 800-1000 пар оснований можно быстро
определить с помощью приборов, которые осуществляют реакции секвенирования и разделяют меченые продукты реакции в соответ-
ствии с их длиной.
Описание методики. Этот метод основан на синтезе множества цепочек ДНК, комплементарных одной из цепей фрагмента ДНК. Ка-
ждая новая цепь начинается с одного и того же праймера и заканчивается дидезоксирибонуклеотидом (ddNTP), который представляет
собой модифицированный дезоксирибонуклотид (dNTP). Включение ddNTP приводит к остановке синтеза цепи ДНК из-за отсутствия у
него З'-ОН группы — места присоединения следующего нуклеотида (см. рис. 16.14). В итоге позиция каждого нуклеотида в исходной по-
следовательности представлена цепями, заканчивающимися в этой точке на комплементарном ddNTP. Так как каждый из четырех ddNTP
помечен своим флуоресцентным красителем, можно определить концевые нуклеотиды каждой новой цепи и в итоге прочесть исходную
последовательность целиком.
о Фрагмент ДНК, последовательность кото-
рого необходимо определить, подвергают
денатурации для разделения цепей
и инкубируют в пробирке с необходимыми
для синтеза ДНК компонентами: прайме-
ром, подобранным таким образом, чтобы
он комплементарно спаривался с извест-
ным З'-концом матричной нити; ДНК-поли-
меразой; четырьмя стандартными нуклео-
тидами (dNTP) и четырьмя ddNTP,
каждый из которых помечен
специфической флуоресцент-
ной молекулой.
ДНК
(матричная цепь)
5' С
Т
G
А
С
Т
Т
С
G
А
С
А
3'А
Праймер Дезоксирибонуклеотиды
т3'
f dATP
Т 5- dCTP
dTTP
ДНК-полимераза
Дидезоксирибо-
нуклеотиды
(флуоресцентно-
меченые)
ddATP
ddCTP
ddTTP
ddGTP
dGTP
Q Синтез каждой новой цепи начинается
с З'-конца праймера и продолжается
до включения ddNTP вместо соответст-
вующего dNTP. Встраивание ddNTP
предотвращает дальнейшую элонгацию
цепи. В итоге образуется набор меченых
цепей всех возможных длин, цвет метки
которых соответствует последнему
нуклеотиду в цепи.
короткая
длинная
О Смесь меченых цепей разделяют, пропуская
через гель, в котором короткие фрагменты
движутся быстрее, чем длинные. Гель, исполь-
зуемый для секвенирования ДНК, помещен
в узкую капиллярную трубку, малый диаметр
которой позволяет флуоресцентному детек-
тору считывать цвет флуоресцентной метки
Направление
движения
Самая длинная меченая цепь
Детектор
каждого нуклеотида при прохождении через
неё цепей ДНК. Таким способом можно отде-
лить друг от друга цепи, длина которых разли-
чается всего на один нуклеотид.
Лазер
Результаты. Цвет флуоресцентной метки на каждой из
цепей позволяет идентифицировать нуклеотид, находя-
щийся на ее З'-конце. Результаты секвенирования мож-
но распечатать в виде спектрограммы (часто ее назы-
вают хроматограммой) и затем с ее помощью прочесть
последовательность, комплементарную матричной
цепи исходного фрагмента ДНК. Последовательность
читают снизу вверх (от наиболее коротких к наиболее
длинным последовательностям). (Обратите внимание,
что в этом случае секвенируется только та последо-
Последний
нуклеотид
самой длинной
меченой цепи
Последний
нуклеотид
самой короткой
меченой цепи
-—G
А
С
Т
G
А
А
G
--С
Самая короткая меченая цепь
вательность, которая начинается после праймера.)
▼ Рис. 20.4.
Метод исследований
Секвенирование нового поколения
0> Геномная ДНК фрагментируется,
и для секвенирования отбираются
фрагменты длиной от 400 до 1000 пар
оснований.
0 Каждый фрагмент прикрепляется
к отдельному шарику, который
находится в капле водного раствора.
0 Фрагмент многократно копируется с помо-
щью технологии ПЦР (будет описана позже).
Все 5'-концы одной цепи специфически
"захватываются" поверхностью шарика.
В итоге к шарику оказываются прикреплены
порядка 106 идентичных копий одноцепо-
чечной ДНК, которая будет в дальнейшем
использована в качестве матричной цепи.
О Шарик помещается в маленькую лунку
вместе с ДНК-полимеразами и праймерами,
которые могут гибридизоваться с З'-концом
матричной цепи.
0 Эта лунка является одной из двух миллионов лунок
на специальном планшете, в каждой из них находит-
ся свой фрагмент ДНК для секвенирования. Раствор
одного из четырёх нуклеотидов одновременно пода-
ется во все лунки и затем отмывается. Эта операция
последовательно проводится для всех четырёх
нуклеотидов: dATP, dTTR dGTP и затем dCTP. А затем
весь процесс повторяется заново.
Применение на практике. При секвенировании на приборах
нового поколения каждый фрагмент имеет длину 400-1000 нук-
леотидов; с помощью параллельного секвенирования таких
фрагментов за 10 часов может быть определена последова-
тельность 700-900 миллионов нуклеотидов.
Описание методики. Посмотрите на пронумерованные этапы
и рисунки.
Результаты Каждая из 2 000 000 лунок многолуночного план-
шета содержит уникальный фрагмент ДНК и на выходе дает
уникальную последовательность. Результаты секвенирования
одного фрагмента ДНК показаны ниже в виде подобия хро-
матограммы. Последовательности всего набора фрагментов
анализируют с помощью специального программного обе-
спечения, которое "сшивает" их вместе в целую последова-
тельность — в данном случае, в геном.
Анализ данных. Если в матричной цепи присутствуют два или бо-
лее одинаковых нуклеотида подряд, то комплементарные им ну-
клеотиды будут включаться один за другим на одном этапе. Как
можно определить включение двух или более одинаковых нук-
леотидов подряд по хроматограмме (см. правую часть хрома-
тограммы)? Напишите последовательность первых 25 нуклеоти-
дов в показанной выше хроматограмме начиная с ее левой сто-
роны. (Не обращайте внимания на слишком короткие линии.)
/--'•GC РР|
ДНК- Х
полимераза 77 „ „
Праймер
0 В каждой из лунок происходит присоеди-
нение к растущей цепи того нуклеотида
(в данном примере это А), который компле-
ментарен следующему за праймером
основанию в последовательности матрич-
ной цепи (здесь это Т). Эта реакция идёт
с высвобождением РРН что приводит к обра-
зованию световой вспышки, которая и реги-
стрируется прибором.
О Нуклеотид отмывают и
добавляют другой нуклеотид
(здесь это dTTP). Если добав-
ленный нуклеотид не компле-
ментарен следующему
основанию на матричной
цепи (здесь G), то он не при-
соединяется к цепи и вспыш-
ки не происходит.
0 Процесс добавления и отмывания четырёх
нуклеотидов повторяется до тех пор, пока для
каждого из исходных фрагментов полностью
не будет синтезирована комплементарная цепь.
Итоговая комбинация полученных световых сиг-
налов дает информацию о последовательности
исходного фрагмента ДНК, содержавшегося
в каждой из лунок.
В 1980 году за разработку этого метода био-
химик Фредерик Сэнгер получил Нобелевскую
премию. Дидезоксинуклеотидное секвенирова-
ние до сих пор широко используют для рутин-
ных небольшого объема работ по секвенирова-
нию на приборах, подобных тем, что изображены
на рис. 20.2, а.
За последние десять лет были разработа-
ны технологии “секвенирования нового поко-
ления”, которые не основаны на методе “обрыва
цепи”. Вместо этого, ДНК-фрагменты подверга-
ются амплификации (копированию) для получе-
ния огромного количества идентичных фрагмен-
тов (рис. 20.4).
Одна из цепочек каждого фрагмента “приши-
вается” к подложке, а комплементарная ей — син-
тезируется нуклеотид за нуклеотидом. С помо-
щью определенного химического метода можно
определить, какой из четырех нуклеотидов вклю-
чается в цепь, электронные мониторы позволя-
ют следить за этим процессом в режиме реаль-
ного времени. Таким образом данный подход
называется секвенированием посредством синте-
за. Тысячи или сотни тысяч фрагментов, длиной
от 400 до 1000 нуклеотидов каждый, параллель-
но секвенируются в приборах, таких, как показан
на рис. 20.2, б, что обеспечивает высокую скорость
секвенирования. Это пример “высокопроизводи-
тельной” технологии. На сегодняшний день секве-
нирование нового поколения используется для
того, чтобы определить последовательность боль-
шого количества образцов ДНК — иногда состав-
ляющих последовательность всего генома.
Дальнейшие технические разработки дали на-
чало методам секвенирования третьего поколе-
ния, и каждый новый метод становится быстрее
и дешевле предшествующих. В новейших методи-
ках ДНК не подвергают расщеплению или ампли-
фикации. Вместо этого секвенируется одиночная,
очень длинная молекула ДНК. Несколько групп
ученых работают над идеей протаскивания одно-
цепочечной молекулы ДНК через очень малень-
кую пору (нанопору) в мембране. При этом осно-
вания определяют одно за другим по степени их
влияния на величину электрического тока в на-
нопоре. В одном из методов в рамках данной кон-
цепции (см. схему на рис. 20.1) пора — это белко-
вый канал, погруженный в липидную мембрану.
(Другие исследователи используют искусствен-
ные мембраны и нанопоры.) Идея состоит в том,
что каждый тип основания, проходя через пору,
будет изменять ток, проходящий через нее, на не-
много различную продолжительность времени.
Этот пример является одним из многих подходов
к дальнейшему увеличению скорости и снижению
стоимости секвенирования.
Усовершенствование технологий секвенирова-
ния ДНК изменило наш подход к изучению фун-
даментальных биологических вопросов об эво-
люции и о том, как устроена жизнь. Немногим
больше чем через десятилетие после публикации
последовательности генома человека исследовате-
ли завершили секвенирование примерно 4000 бак-
териальных геномов, 190 геномов архей и 180 гено-
мов эукариот; полным ходом идет секвенирование
геномов еще более, чем 17 000 видов. Полные по-
следовательности геномов были определены для
клеток нескольких типов рака, для древних людей
и для множества бактерий, живущих в кишечни-
ке человека. В главе 21 вы более подробно узнаете
о том, какую информацию дали нам новые техно-
логии секвенирования об эволюции видов и их ге-
номов. А сейчас давайте рассмотрим, как изучают
индивидуальные гены.
Создание нескольких копий гена
или другого фрагмента ДНК
Молекулярный биолог, изучающий определен-
ный ген или группу генов, сталкивается со слож-
ной задачей. Природные молекулы ДНК очень
длинные, и в одной молекуле обычно содержится
несколько сотен или даже тысяч генов. Более того,
во многих эукариотических геномах, гены, коди-
рующие белки, занимают только небольшую долю
хромосомной ДНК, а оставшуюся часть составля-
ют некодирующие последовательности нуклеоти-
дов. Одиночный ген человека, например, может
составлять всего 1/100 000 доли хромосомной мо-
лекулы ДНК. Более того, различия между геном и
окружающей ДНК едва уловимы и представлены
только отличием в последовательности нуклео-
тидов. Для того, чтобы работать непосредственно
с генами, ученые разработали методы, позволя-
ющие выделить строго определенный фрагмент
ДНК в виде множества идентичных копий — этот
процесс называется клонированием ДНК.
Большинство методов клонирования фраг-
ментов ДНК в лаборатории имеют ряд общих осо-
бенностей. Одним из распространенных подходов
является использование бактерий — чаще всего,
кишечной палочки Escherichia coli. Напомним, что
изображенная на рис. 16.12 хромосома Е. coli явля-
542 ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
ется большой кольцевой молекулой ДНК. Е. coli и
многие другие бактерии имеют не только бакте-
риальные хромосомы, но и плазмиды — малень-
кие кольцевые молекулы ДНК, которые реплици-
руются отдельно. Плазмида содержит небольшое
количество генов; эти гены могут быть полезны
при попадании бактерии в определенные условия
окружающей среды, но при этом могут не требо-
ваться для выживания или размножения в боль-
шинстве условий.
Чтобы клонировать фрагменты ДНК, иссле-
дователи берут плазмиду (первоначально выде-
ленную из бактериальной клетки и генетически
измененную для эффективного клонирования)
и вставляют в нее ДНК, полученную из другого
источника (“чужеродную” ДНК), (рис. 20.5). В ре-
зультате эта плазмида становится рекомбинант-
ной молекулой ДНК — молекулой, содержащей
ДНК из двух различных источников, очень ча-
сто — разных биологических видов.
Затем плазмиду возвращают в клетку бакте-
рии, создавая рекомбинантную бактерию. Эта от-
дельная клетка размножается посредством повто-
ряющихся делений, формируя клон — популяцию
генетически идентичных клеток. Так как деляща-
яся бактерия реплицирует рекомбинантную плаз-
миду и передает ее своим потомкам, то клониро-
вание “чужеродной” ДНК и всех генов, которые
она несет, происходит в одно и то же время. Про-
изводство нескольких копий одного гена является
типом клонирования ДНК, называемым клониро-
ванием генов.
В нашем примере на рис. 20.5 плазмида высту-
пает в роли вектора для клонирования, т.е. мо-
лекулы ДНК, которая может вносить “чужерод-
ную” ДНК в клетку-хозяина и реплицироваться в
ней. Бактериальные плазмиды широко использу-
ются как векторы для клонирования по несколь-
ким причинам: они легко могут быть получены
от коммерческих поставщиков, а затем оптими-
зированы для получения рекомбинантных плаз-
мид путем вставки “чужеродной” ДНК в пробир-
ке (in vitro, от латинского “в стекле”) и введены в
клетки бактерий. Более того, вследствие высокой
скорости деления хозяйских (бактериальных) кле-
ток, рекомбинантные бактериальные плазмиды (и
“чужеродная” ДНК, которую они несут) быстро
увеличиваются в числе. “Чужеродная” ДНК на
рис. 20.5 — это ген из эукариотической клетки; под-
робнее о том, как был получен фрагмент чужерод-
ной ДНК, мы расскажем позже в этой главе.
Клетка,
Бактерия
О Ген, встроенный
содержащая
целевой ген
Бактериальная
хромосома ।
Рекомбинантная
ДНК
(плазмида)
ДНК
хромосомы
("чужеродная”
0 Плазмида, ДНЮ
помещённая
в бактериальную
клетку
Q Происходит накопление
культуры клетки-хозяина
и формируется клон клеток,
содержащих "клонированный"
г целевой ген
Целевой ген
Белок, экспресси-
рующийся с целе-
вого гена
1
Копии гена V?
О Фундамен-
тальные иссле-
дования
и различные
практические
приложения
Полученный белок
Растения со встроенным
геном устойчивости
к пестицидам
Бактерии с изменённым
геномом, способные
перерабатывать
токсичные отходы
Гормон роста человека,
который используется
для лечения задержки роста
Белок, растворяющий
сгустки крови (используется
при лечении инфаркта)
Рис. 20.5. Клонирование генов и некоторые варианты использо-
вания клонированных генов. На этой упрощенной схеме клони-
рования гена мы начинаем с плазмиды (исходно выделенной
из бактериальной клетки) и интересующего нас гена друго-
го организма. В верхней части рисунка изображены только
одна плазмида и одна копия гена, однако в реальности ис-
ходный материал включает множество копий каждой молекулы
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 543
Клонирование генов используется для двух ос-
новных целей: создать много копий конкретного
гена, т.е. амплифицироватъ его, и произвести бел-
ковый продукт (см. рис. 20.5). Исследователи могут
выделить копии клонированного гена из бактерии
для использования в фундаментальных исследо-
ваниях или для того, чтобы наделить другой орга-
низм новыми метаболическими возможностями,
такими как устойчивость к сельскохозяйствен-
ным вредителям. Например, ген устойчивости,
присутствующий в одном виде культур, может
быть клонирован и перенесен в растения друго-
го вида. Кроме того, белок, применяющийся в ме-
дицинских целях, такой как гормон роста челове-
ка, может быть получен в больших количествах из
культур бактерий, несущих клонированный ген
белка. (Мы опишем методику экспрессии клони-
рованных генов позднее.) Так как один ген пред-
ставляет лишь очень небольшую часть от общего
количества ДНК в клетке, возможность амплифи-
цировать такие редкие фрагменты ДНК — путем
клонирования или другими способами — имеет
решающее значение для любой практической за-
дачи с использованием одиночного гена.
Использование ферментов
рестрикции для получения плазмиды
с рекомбинантной ДНК
В целом клонирование генов и генная инже-
нерия основаны на использовании ферментов,
которые разрезают молекулы ДНК в небольшом
числе специфических участков. Эти ферменты,
называемые эндонуклеазами рестрикции, или
ферментами рестрикции, были обнаружены в
конце 1960-х годов биологами, исследовавшими
бактерии. Ферменты рестрикции защищают бак-
териальную клетку за счет разрезания чужерод-
ной ДНК, происходящей из других организмов
или фагов (см. главу 19, раздел 19.2).
Были обнаружены и изолированы сотни раз-
личных ферментов рестрикции. Каждый фермент
рестрикции обладает очень высокой специфич-
ностью: он узнает особую короткую последова-
тельность ДНК — сайт рестрикции — и разре-
зает обе цепи ДНК в определенных точках внутри
этой последовательности. ДНК клетки бактерии
защищается от собственных ферментов рестрик-
ции путем добавления метильных групп (-СНЗ)
к аденинам или цитозинам в последовательности,
которую узнает фермент.
На рис. 20.6 показано, как используют фермен-
ты рестрикции для того, чтобы соединить вместе
фрагменты нуклеиновой кислоты в процессе кло-
нирования ДНК.
В верхней части рисунка изображена бакте-
риальная плазмида (как на рис. 20.5) с одиночным
сайтом рестрикции, который узнает определен-
ный фермент рестрикции Е. coli. Как показано на
рис. 20.6, большинство сайтов рестрикции являют-
ся симметричными. Другими словами, последова-
тельность нуклеотидов одинакова на обеих цепях
ДНК при чтении в направлении 5'-»3'. Наиболее
часто используемые ферменты рестрикции узна-
ют последовательности, содержащие 4-8 пар ну-
клеотидов. Так как в длинной молекуле ДНК такая
короткая последовательность, как правило, встре-
чается (случайно) много раз, фермент рестрикции
делает много разрезов в молекуле ДНК, приводя
к образованию набора рестрикционных фрагмен-
тов. Любая копия данной молекулы ДНК дает один
и тот же набор рестрикционных фрагментов при
обработке одним и тем же ферментом рестрикции.
Наиболее часто используемые ферменты ре-
стрикции расщепляют сахарофосфатный остов
двух цепей ДНК со смещением, как показано на
рис. 20.6. Полученные двухцепочечные рестрик-
ционные фрагменты имеют по меньшей мере
один одноцепочечный конец, который называ-
ется “липким” концом. Эти короткие выступаю-
щие части могут образовывать водородные свя-
зи с основаниями комплементарных им “липких”
концов других молекул ДНК, разрезанных тем же
ферментом. Связи, образованные таким образом,
являются временными, но с помощью фермента
ДНК-лигазы могут быть превращены в постоян-
ные. ДНК-лигаза катализирует образование кова-
лентных связей, которые соединяют сахарофос-
фатные остовы цепей ДНК (см. рис. 16.16 в главе 16).
В нижней части рис. 20.6 вы можете видеть, что ка-
тализируемое лигазой соединение ДНК из двух
различных источников приводит к образованию
стабильной рекомбинантной молекулы ДНК, в
данном случае — рекомбинантной плазмиды.
Для того, чтобы проверить рекомбинантную
плазмиду после того, как она была многократно
скопирована в клетках-хозяевах (рис. 20.5), иссле-
дователь может снова порезать ее, используя тот
же фермент рестрикции. Ожидается, что в резуль-
тате будут получены два вида фрагментов ДНК:
один размером с исходную плазмиду и второй —
соответствующий по размеру вставленному в
544 Г ЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
Бактериальная
плазмида
Сайт рестрикции
5' ' 3'
I WlIIC I
I СI T7TAS I
3’ t 5-
О Фермент рестрикции
разрезает сахарофосфатный
остов в местах, отмеченных
стрелками.
конец
0 В раствор добавляется
фрагмент ДНК, которую мы
хотим вставить. Липкие концы
фрагментов комплементарно
спариваются в различных
комбинациях.
5' 3' 5'
Фрагмент ДНК для вставки
вырезается с помощью
того же фермента рестрикции
I GIIAATTCZ 5]1ААТТ С I
I . . _С TTAAI[5~ С~ТТАА1|G I
3' 5’ 3' 5' 3' 5'
Одна из возможных комбинаций
0ДНК-лигаза |
сшивает цепи.
5' * 3'
Рекомбинантная молекула ДНК
Рекомбинантная
плазмида
Рис. 20.6. Использование фермента рестрикции и ДНК-лигазы
для получения рекомбинантной ДНК-плазмиды. Показанный
на этом рисунке фермент рестрикции (он называется Есо/?1)
узнает специфическую последовательность из шести нукле-
отидов (сайт рестрикции), которая находится на плазмиде
только в одном месте. Фермент делает ступенчатые разрывы
в сахарофосфатном остове внутри данной последователь-
ности, образуя фрагменты с "липкими" концами. Фрагмент
чужеродной ДНК с комплементарными "липкими" концами
может спариваться с концами плазмиды. Полученный в ре-
зультате сшивания концов (лигирования) продукт представ-
ляет собой рекомбинантную плазмиду. (Два "липких" конца
плазмиды также могут гибридизоваться между собой, обра-
зуя кольцо. В таком случае лигирование приведет к образо-
ванию исходной, а не рекомбинантной плазмиды)
Фермент рестрикции Hind III узнает последова-
тельность 5'-AAGCTT-3', разрезая ее между двумя А. Нарисуй-
те двухцепочечную последовательность до и после разреза-
ния этим ферментом.
ИЗОБРАЗИ!
Смесь
молекул ДНК
разного"
размера
а) Каждый образец, представляющий собой смесь различных
молекул ДНК, вносят в отдельный карман, расположенный
вблизи одного из краев тонкой пластины агарозного геля.
Гель помещают на небольшую пластмассовую основу и по-
гружают в водный буферный раствор, находящийся в камере
с электродами на каждом конце. Затем включают источник
тока, который заставляет отрицательно заряженные молекулы
ДНК двигаться в направлении положительно заряженного
электрода.
б) Более короткие молекулы меньше задерживаются порами
геля, чем длинные, поэтому в геле они движутся быстрее.
После выключения тока добавляется ДНК-связывающий
краситель, который в проходящем УФ-свете флуоресцирует
розовым цветом. Каждая розовая полоска соответствует
многим тысячам молекул ДНК одинаковой длины. Горизон-
тальные полосы в левой части геля представляют собой
набор рестрикционных фрагментов известного размера —
они используются для сравнения с образцами, длина кото-
рых неизвестна.
Рис. 20.7. Гель-электрофорез. Гель на основе полимера ис-
пользуется в качестве молекулярного сита для разделения
смеси нуклеиновых кислот (или белков), различающихся по
размеру, электрическому заряду или другим физическим
свойствам, во время их движения в электрическом поле.
Здесь показан пример разделения молекул ДНК по их длине
в геле, приготовленном из полисахарида, который называет-
ся агарозой
плазмиду фрагменту ДНК (два исходных компо-
нента клонирования в верхней части рис. 20.6). Что-
бы разделить и визуализировать фрагменты ДНК
различной длины, исследователи используют ме-
тод, называемый гель-электрофорезом. С помо-
щью полимерного геля, играющего роль молеку-
лярного “сита”, смеси нуклеиновых кислот (или
белков) разделяются на группы в зависимости от
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 545
▼ Рис. 20.8.
Метод исследований
размера, электрического заряда или
других физических свойств (рис. 20.7).
Гель-электрофорез используется в мо-
лекулярной биологии вместе с мно-
жеством различных методов, включая
секвенирование ДНК (см. рис. 20.3).
Теперь, когда мы в некоторых дета-
лях обсудили векторы для клонирова-
ния, давайте рассмотрим, какие “чуже-
родные” молекулы ДНК используются
в качестве вставок. Наиболее распро-
страненным способом получить много
копий гена для клонирования являет-
ся метод ПЦР, описанный ниже.
Амплификация
ДНК: полимеразная
цепная реакция (ПЦР)
и ее использование
в клонировании ДНК
Сегодня у большинства исследова-
телей есть информация о последова-
тельности гена или другого фрагмента
ДНК, который они хотят клонировать.
Используя данную информацию, они
могут начать с суммарной геномной
ДНК интересующего их вида и полу-
чить множество копий выбранного
гена, используя метод под названием
полимеразная цепная реакция (ПЦР).
На рис. 20.8 показаны стадии ПЦР. С по-
мощью этого метода в течение не-
скольких часов можно создать милли-
арды копий целевого фрагмента ДНК,
даже если данный фрагмент составля-
ет менее 0,001% всей ДНК в образце.
В методе ПЦР в ходе трехстадийного
цикла осуществляется цепная реакция,
которая производит экспоненциально
растущую популяцию идентичных мо-
лекул ДНК. В течение каждого цикла
реакционную смесь нагревают до тем-
пературы денатурации (разделения)
двухцепочечной ДНК, а затем охлаж-
дают, чтобы произошел отжиг (обра-
зование водородных связей) коротких,
одноцепочечных ДНК-праймеров, ком-
плементарных последовательностям на
противоположных цепях на каждом из
концов целевой последовательности;
Цикл1
приводит
к синтезу 2
молекул
Полимеразная цепная реакция (ПЦР)
Применение на практике. С помощью ПЦР любой специфический фрагмент
(так называемая целевая последовательность) в образце ДНК может быть
многократно копирован (амплифицирован). Весь процесс происходит in vitro.
Описание методики. Для ПЦР необходимы двухцепочечная ДНК, содер-
жащая целевую последовательность, термостабильная ДНК-полимераза,
четыре нуклеотида и две одноцепочечные ДНК длиной 15-20 нуклеотидов в
качестве праймеров. Один праймер комплементарен левому концу целевой
последовательности на одной цепи; второй праймер комплементарен пра-
вому концу последовательности на другой цепи.
Геномная ДНК
о Денатурация: 5'
кратковременное
нагревание образца
приводит к разделению
цепей ДНК.
3'
Целевая
’ последовательность
5'
Q Отжиг: образец
нужно охладить чтобы
праймеры могли обра-
зовать водородные
связи с комплемен-
тарными им концами
целевой последова-
тельности.
О Элонгация:
ДНК-полимераза
достраивает нуклео-
тиды к З'-концу каж-
дого праймера.
Второй цикл
приводит
к образованию
4 молекул
Третий цикл
приводит к обра-
зованию 8 моле-
кул; 2 молекулы <
(выделены белым)
соответствуют
целевой после-
довательности
© Pearson Education, Inc.
Результаты. После трех циклов две молекулы точно соответствуют целевой по-
следовательности. После еще 30 циклов целевой последовательности соот-
ветствуют более 109 молекул.
546 Г ЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
в конце цикла, термостабильная ДНК-полимераза
удлиняет праймеры в направлении 5'->3'. Стандарт-
ная ДНК-полимераза денатурировала бы вместе с
ДНК во время первого этапа нагрева, и необходимо
было бы заменять ее после каждого цикла. Ключом
к автоматизации ПЦР было открытие необычной
термостойкой ДНК полимеразы, которая называет-
ся Taq-полимеразой, в честь вида бактерий, из кото-
рого она была впервые выделена. Этот вид, Thermus
aquaticus, живет в горячих источниках, и стабиль-
ность его ДНК-полимеразы при высоких темпера-
турах является эволюционной адаптацией, которая
позволяет бактерии выжить и размножаться при
температурах до 95°С.
ПЦР — быстрая и очень специфичная реак-
ция. Необходимо лишь незначительное количе-
ство ДНК в исходном материале, и эта ДНК мо-
жет быть частично разрушена, при условии, что в
образце присутствует хотя бы несколько молекул,
которые содержат всю целевую последователь-
ность. Ключом к высокой специфичности реак-
ции является пара праймеров, используемых для
каждой ПЦР амплификации. Последовательности
праймеров выбраны так, что они гибридизируют-
ся только с последовательностями на противопо-
ложных концах целевого сегмента, по одному на
З'-конце каждой цепи (чтобы специфичность ре-
акции была высокой, праймеры должны быть по
меньшей мере 15 нуклеотидов в длину). К кон-
цу третьего цикла одна четвертая доля молекул
идентична целевому фрагменту, и обе цепи ДНК
имеют соответствующую длину. С каждым допол-
нительным циклом, количество целевых молекул
правильной длины удваивается, таким образом
количество молекул равно 2", где п — это количе-
ство циклов ПЦР. После еще 30 циклов в реакции
присутствует около миллиарда копий последова-
тельности-мишени!
Несмотря на скорость и специфичность, ПЦР
амплификация не может заменить клонирование
гена в клетках, когда требуется большое количе-
ство последовательности гена. Причиной являет-
ся то, что случайные ошибки в ходе репликации
с помощью ПЦР ограничивают количество хо-
роших копий и длину фрагментов ДНК, которые
могут быть скопированы. Вместо этого, ПЦР ис-
пользуется для получения определенного фраг-
мента ДНК для клонирования. ПЦР-праймеры
синтезируют так, чтобы присоединить к каждо-
му из концов фрагмента ДНК сайты рестрикции,
которые соответствуют сайтам рестрикции в век-
торе для клонирования. После этого фрагмент и
вектор разрезают, позволяют гибридизоваться и
лигируют их друг с другом (рис. 20.9). Плазмиды из
получившихся бактериальных клонов секвениру-
ют — таким образом можно отобрать клоны, не-
сущие плазмиды с безошибочными вставками.
На плазмиде
находится
ген, который
делает бакте-
риальные
клетки устой-
чивыми
к антибиотику
Праймеры для ПЦР
подбирают таким
образом, чтобы
полученные в ПЦР
фрагменты ДНК на
каждом конце
содержали сайт
рестрикции,
аналогичный вектору
для клонирования.
Фрагменты
разрезают тем
же ферментом
рестрикции,
что и вектор
Вектор для клони-
рования (бакте-
риальная плазмида)
Смешивание
и лигирование
Рекомбинантная
ДНК-плазмида
Рекомбинантные ДНК-плаз-
миды добавляют к бактери-
альным клеткам-хозяевам,
которые затем выращивают
на среде с антибиотиком.
В таких условиях будут
расти только клетки, несу-
щие плазмиду благодаря
наличию в ней гена устой-
чивости к антибиотику.
Рис. 20.9. Использование ферментов рестрикции и ПЦР в кло-
нировании генов. Рассмотрим более детально процесс, по-
казанный в верхней части рис. 20.5. С помощью ПЦР получа-
ют множество копий фрагмента ДНК или целевого гена. При
этом концы фрагментов содержат те же сайты рестрикции,
что и вектор для клонирования. Плазмиду и фрагменты ДНК
разрезают одними и теми же рестриктазами, подобранными
таким образом, чтобы образовавшиеся "липкие" концы могли
гибридизоваться друг с другом. После рестрикции плазмиду
и фрагменты ДНК смешивают, лигируют и вводят в бактериаль-
ные клетки. Плазмида содержит ген устойчивости к антибио-
тику, благодаря чему в присутствии антибиотика в среде вы-
живают только те клетки, в которые встроилась плазмида. Для
того, чтобы устранить клетки с нерекомбинантными плазми-
дами, используются другие методы генной инженерии
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 547
Разработанная в 1985 году ПЦР оказала ог-
ромное влияние на биологические исследования
и генную инженерия. ПЦР была использована для
амплификации ДНК из широкого спектра источ-
ников: из сорокатысячелетнего замерзшего шер-
стистого мамонта (см. фотографию в начале гла-
вы); с отпечатков пальцев или из крошечного
количества крови, ткани или спермы, найден-
ных на месте преступления; из единичных эм-
бриональных клеток для быстрой пренаталь-
ной диагностики наследственных заболеваний
(см. рис. 14.19 в главе 14); а также из клеток, инфи-
цированных вирусами, такими, как ВИЧ, которые
трудно обнаружить. (При тестировании на ВИЧ
амплифицируют вирусные гены.) Позже мы еще
вернемся к практическим приложениям ПЦР.
Экспрессия клонированных
эукариотических генов
После того, как ген был клонирован в клет-
ках-хозяевах, его белковый продукт может быть
получен в больших количествах для научных ис-
следований или практических приложений, ко-
торые мы рассмотрим в разделе 20.4. Клониро-
ванные гены могут быть экспрессированы как в
бактериальной, так и в эукариотической клетке;
каждый вариант имеет свои преимущества и не-
достатки.
Бактериальные системы экспрессии
Получение клонированного эукариотическо-
го гена, функционирующего в бактериальных
клетках, может быть затруднительно, потому что
определенные аспекты экспрессии генов различ-
ны у эукариот и бактерий. Чтобы преодолеть те
сложности, которые связаны с различием в про-
моторах и других регуляторных последователь-
ностях ДНК, ученые, как правило, используют
экспрессионный вектор, т.е. вектор для клониро-
вания, который содержит в своем составе очень
активный бактериальный промотор непосред-
ственно перед сайтом рестрикции, по которому
можно вставить эукариотический ген в правиль-
ной рамке считывания. Бактериальная клетка-хо-
зяин распознает промотор и приступит к экс-
прессии чужеродного гена, связанного теперь с
промотором. Такие экспрессионные векторы де-
лают возможным синтез многих эукариотических
белков в бактериальных клетках.
Еще одной проблемой экспрессии клониро-
ванных эукариотических генов в бактериях яв-
ляется наличие некодирующих областей (интро-
нов; см. раздел 17.3 в главе 17) в большинстве
эукариотических генов. Интроны делают эука-
риотические гены очень длинными, громоздки-
ми и препятствуют правильной экспрессии гена
бактериальными клетками, у которых отсутству-
ет система сплайсинга РНК. Эту проблему можно
преодолеть, используя форму гена, которая состо-
ит только из экзонов (она называется комплемен-
тарной ДНК, или кДНК-, см. рис. 20.11).
Клонирование ДНК эукариот и системы
экспрессии
Молекулярные биологи могут избежать не-
совместимости между эукариотами и бактерия-
ми, используя такие эукариотические клетки, как
дрожжи, в качестве клеток для клонирования и
экспрессии интересующих эукариотических ге-
нов. Дрожжи — одноклеточные грибы — имеют
два преимущества: их, как и бактерии, легко вы-
ращивать, и они имеют плазмиды — редкость
среди эукариот. Ученые даже создали рекомби-
нантные плазмиды, которые сочетают в себе ДНК
дрожжей и бактерий и могут реплицироваться в
любом из этих типов клеток.
Другой аргументов в пользу использования
эукариотических клеток-хозяев для экспрессии кло-
нированных эукариотических генов является то,
что многие эукариотические белки не будут функ-
ционировать, пока не пройдут модифицирование
после трансляции — например, путем добавления
углеводородных (гликозилирование) или липид-
ных групп. Бактериальные клетки не способны осу-
ществлять эти модификации, и если ген, продукт
которого необходимо модифицировать, выделен из
млекопитающих, то даже дрожжевые клетки могут
оказаться не в состоянии правильно модифициро-
вать белок. Несколько типов культивируемых кле-
ток оказались успешными для этой цели, в том чис-
ле некоторые клеточные линии млекопитающих и
клеточная линия насекомых, которая может быть
заражена вирусом (так называемый бакуловирус),
несущим рекомбинантную ДНК.
Кроме использования векторов, ученые раз-
работали множество методов для внесения ре-
комбинантной ДНК в эукариотические клетки.
При электропорации короткий электрический
импульс, приложенный к раствору, содержаще-
му клетки, создает временные поры в плазмати-
ческой мембране, через которые ДНК может про-
никнуть внутрь. (Этот метод широко используют
548 ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
и для бактерий.) В качестве альтернативы ученые
могут вводить ДНК непосредственно в одиночную
эукариотическую клетку, используя микроскопи-
чески тонкие иголки. Другой метод для внесения
ДНК в клетки растений состоит в использовании
почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens, его
мы обсудим позже. Каким бы ни был метод, если
внесенная ДНК встроится в геном клетки посред-
ством генетической рекомбинации, то она сможет
быть экспрессирована клеткой.
Для изучения функций конкретного белка ис-
следователи могут вносить различные мутант-
ные формы гена этого белка в эукариотические
клетки. Клетки экспрессируют различные фор-
мы белка, и получающийся в результате фенотип
предоставляет нам информацию о функции нор-
мального белка. Для этих целей исследователи мо-
гут использовать вектор для клонирования с ви-
русными последовательностями ДНК, которые
позволят внесенной в клетку ДНК интегриро-
ваться в хромосому и стабильно экспрессировать-
ся. Тот же самый подход может быть использован,
чтобы экспрессировать некодирующие РНК с це-
лью изучить их роль как факторов регуляции ге-
нов в клетке. (Некодирующие РНК обсуждаются
в разделе 18.3 главы 18.)
Межвидовая экспрессия генов
и эволюционная родословная
Способность производить эукари-
отические белки в бактериях (даже если белки
не модифицированы должным образом) являет-
ся весьма примечательной, если учесть, насколь-
ко различными являются клетки эукариот и бак-
териальные клетки. В самом деле, имеется масса
примеров генов, которые взяты из одного вида и
безупречно функционируют при переносе в со-
вершенно другой вид. Эти наблюдения подчерки-
вают общую эволюционную родословную видов,
живущих сегодня.
Одним из примеров является ген под названи-
ем Рах-6, который был обнаружен у таких различ-
ных животных, как позвоночные и плодовые муш-
ки дрозофилы. У позвоночных продукт гена Рах-6
(белок РАХ-6) запускает комплексную программу
экспрессии генов, приводящую к формированию
глаза позвоночных, который имеет один хруста-
лик. Экспрессия гена Рах-6 у дрозофилы приво-
дит к образованию многофасетного глаза мухи,
который отличается от глаза позвоночных. Когда
ген Рах-6 мыши клонировали и внесли в эмбрион
эволюция
мухи, так что он заменил собственный Рах-6 дро-
зофилы, исследователи с удивлением обнаружили,
что мышиная версия гена приводит к образованию
многофасетного глаза дрозофилы. И наоборот,
когда ген Рах-6 мухи перенесли в эмбрион позво-
ночного — лягушки, сформировался глаз лягуш-
ки. Хотя генетические программы, запускающиеся
у позвоночных и дрозофилы, приводят к форми-
рованию очень разных глаз, две версии гена Рах-6
могут заменять друг с друга в регуляции формиро-
вания глаз, что свидетельствует об их эволюции от
гена очень древнего общего предка.
Более простые примеры можно видеть на
рис. 17.6 (глава 17), где ген светлячка экспрессиру-
ется в растении табака, а ген медузы — в свинье.
Благодаря своим древним эволюционным корням
все живые организмы разделяют одни и те же ос-
новные механизмы экспрессии генов. Эта общ-
ность является основой многих методов работы
с рекомбинантной ДНК, описанных в этой главе.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 20.1
ИЗОБРАЗИ!
Сайт рестрикции для фермента Pvu\ представлен следую-
щей последовательностью:
5'-CGATCG-3'
3'-GCTAGC-5'
Смещенные разрезы вносятся между Т и С на каждой цепи.
Какой тип связи при этом расщепляется?
"1 Одна из цепей молекулы ДНК имеет следую-
щую последовательность: 54XTTGACGATCGTTACCG-3'. На-
пишите последовательность комплементарной цепи ДНК.
Будет ли Pvu\ расщеплять данную молекулу? Если да, напи-
шите, какие получатся продукты.
Какие потенциальные трудности могут возникнуть при ис-
пользовании плазмид-векторов и бактериальных клеток
для получения больших количеств белков с клонированных
эукариотических генов?
| Сравните рис. 20.8 с рис. 16.20
(глава 16). Каким образом репликация ДНК во время ПЦР за-
канчивается без укорочения фрагментов с каждым разом?
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Ответы см. в Приложении А.
20.2. Биологи используют
ДНК-технологии для изучения
экспрессии и функционирования
генов
Чтобы выяснить, как работает та или иная био-
логическая система, ученые пытаются разобраться
в функционировании составных частей этой систе-
мы. Анализ того, где и когда экспрессируется ген
или группа генов, может подсказать их функции.
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 549
Анализ экспрессии генов
Биологи, движимые желанием постичь мно-
гообразие типов клеток многоклеточного орга-
низма, раковых клеток или развивающихся тка-
ней эмбриона, сначала пытаются выяснить, какие
гены экспрессируются в интересующих их клет-
ках. Как правило, самый простой способ сделать
это — определить, какая мРНК синтезируется в
данных клетках. Сначала мы изучим методы, с по-
мощью которых определяют паттерны экспрес-
сии конкретных индивидуальных генов. Затем мы
рассмотрим, как можно характеризовать группы
генов, которые экспрессируются в интересующих
нас клетках или тканях. Как вы увидите, все эти
процедуры так или иначе зависят от спаривания
оснований комплементарных последовательно-
стей нуклеотидов.
Изучение экспрессии единичных генов
Предположим, что мы клонировали ген, ко-
торый подозреваем в выполнении важной роли в
эмбриональном развитии Drosophila melanogaster.
Первое, что мы хотели бы узнать, это какие имен-
но эмбриональные клетки экспрессируют ген —
или, другими словами, где в эмбрионе можно най-
ти соответствующую мРНК. мРНК может быть
обнаружена с помощью гибридизации с нуклеино-
вой кислотой, имеющей комплементарную после-
довательность, за которой можно следить тем или
иным образом. Такая комплементарная молекула,
представляющая собой короткую, одноцепочеч-
ную нуклеиновую кислоту (РНК или ДНК), назы-
вается нуклеотидным зондом. Используя клони-
рованный ген как матрицу, можно синтезировать
зонд, комплементарный мРНК. Например, если
часть мРНК имеет последовательность
-CUCAUCACCGGC-
можно было бы синтезировать одноцепочечный
ДНК-зонд
3' IGAGTAGTGGCCG I 5'
В ходе синтеза к каждой молекуле зонда при-
соединяют флуоресцентную метку, чтобы отсле-
живать молекулу в экспериментах. Раствор, содер-
жащий молекулы зонда, добавляют к эмбрионам
дрозофилы, чтобы зонд специфически гибриди-
зовался со всеми комплементарными последова-
тельностями множества молекул мРНК эмбрио-
нальных клеток, экспрессирующих данный ген.
Так как данный метод позволяет нам наблюдать
мРНК в определенном месте неповрежденного ор-
ганизма, его называют гибридизацией in situ (от
лат. in situ — “на своем месте”). Различные зонды
могут быть помечены различными флуоресцент-
ными красителями, что иногда приводит к получе-
нию поразительно красивых результатов (рис. 20.10).
Зонд с жёлтой меткой
гибридизуется с мРНК
в клетках, экспрессирующих
ген wingless (wg), который
кодирует секретируемый
сигнальный белок._
?X 5’
ITAACGGTTCCAGC I
I ATTGCCAAGGTCG I
5' / 3'
wg-мРНК
Клетки, экспрес- -
сирующие ген wg
Зонд, помеченный синей
меткой, гибридизуется
с мРНК в клетках, экспрес-
сирующих ген engrailed (еп),
кодирующий транскрип-
ционный фактор.
/
3' ____ 4 _ 5'
ictcaagttgctct I
IGAGTTCAACGAGA~I
5' \ 3-
еп-мРНК
\ Клетки, экспрес-
ПИ/ сирующие ген еп
Рис. 20.10. Определение локализации экспрессии генов с по-
мощью in situ гибридизации. Эмбрион дрозофилы был проин-
кубирован в растворе, содержащем зонды к пяти различным
мРНК, каждый из которых был помечен флуоресцентной мет-
кой определенного цвета. После этого эмбрион поместили
под флуоресцентный микроскоп со стороны брюшка (с вент-
ральной стороны); полученная в результате флуоресцентная
микрофотография показана выше в центре рисунка. Каждый
цвет маркирует место, где находится мРНК того или иного гена
(таким образом, детектируется экспрессия гена на уровне
мРНК). Стрелки, отходящие от групп клеток желтого и синего
цвета, указывают на увеличенное изображение результата
гибридизации нуклеиновых кислот, помеченных флуоресцент-
ной меткой соответствующего цвета, с мРНК. Желтые клетки
(экспрессирующие ген wg) взаимодействуют с синими (экс-
прессирующими ген еп); их взаимодействие помогает выявить
специфический рисунок в сегментах тела. Схема в нижней
части рисунка более наглядно иллюстрирует расположение
восьми сегментов, видимых на микрофотографии
550 Г А АВ А 20 ДНК-инструменты и биотехнология
Другие методы обнаружения мРНК могут
быть успешно использованы для сравнения ко-
личества специфической мРНК одновременно в
нескольких образцах — например, в различных
типах клеток или в эмбрионах на разных этапах
развития. Один из широко используемых методов
называется полимеразной цепной реакцией с об-
ратной транскрипцией, или ОТ-ПЦР.
ОТ-ПЦР начинается с перевода всей совокуп-
ности фрагментов мРНК, присутствующих в об-
разце, в двухцепочечные ДНК, соответствующие
им по последовательности. Для этого вначале с
помощью фермента обратной транскриптазы
(этот фермент получен из ретровируса; см. рис. 19.8
в главе 19) in vitro синтезируются одноцепочеч-
ные молекулы ДНК — обратные транскрипты
каждой из молекул мРНК (рис. 20.11).
Q В пробирку со-
держащую выделен-
ную из образца кле-
ток мРНК, добавляют
обратную транскрип-
тазу
О Обратная тран-
скриптаза синтезирует
первую цепь ДНК,
используя мРНК
в качестве матрицы
и короткую последо-
ательность поли(бТ) —
в качестве праймера.
Q мРНК расщепля-
ется с помощью
другого фермента.
о ДНК-полимераза
синтезирует вторую
цепь ДНК, используя
присутствующий
в реакционной смеси
праймер. (Существует
несколько вариантов
использования прай-
меров.)
©Результатом реак-
ции является кДНК,
которая несёт полную
последовательность
гена, но не содержит
интронов.
Обратная Поли(А)-
транскриптаза хвост
мннк j ।
'в^ИАААААА 3'
3' 233Е’ T Т Т TJ 5'
ДНК- Праймер
I поли- (полиСбТ))
у мераза
АЛА А А А 3'
3' т т т т т 5'
Рис. 20.11. Получение комплементарной ДНК (кДНК) эука-
риотических генов. Комплементарную ДНК синтезируют in
vitro, используя мРНК в качестве матрицы для синтеза первой
цепи. мРНК содержит только экзоны, поэтому итоговая двух-
цепочечная кДНК несет непрерывную кодирующую после-
довательность гена. На рисунке показана только одна мРНК,
в реальности же в итоговом наборе синтезированных кДНК
будут отражены все имеющиеся в клетке молекулы мРНК. На
рис. 20.12 показано, как можно идентифицировать интересу-
ющую нас кДНК
Напомним, что З'-конец мРНК содержит уча-
сток аденининовых (А) нуклеотидов, который
называется поли(А)-хвостом. Это позволяет ис-
пользовать короткую комплементарную цепь ти-
миновых дезоксирибонуклеотидов (поли(сГГ))
в качестве праймера для синтеза этой цепи
ДНК. После ферментативной деградация мРНК,
ДНК-полимераза синтезирует вторую цепь ДНК,
комплементарную первой. Получившаяся в ре-
зультате двухцепочечная ДНК называется ком-
плементарной ДНК (кДНК). (Созданная на осно-
ве мРНК, кДНК не имеет интронов и может быть
использована для экспрессии белка в бактериях,
как уже упоминалось ранее.) Чтобы проанали-
зировать изменение экспрессии интересующего
нас гена дрозофилы во времени, мы можем сна-
чала выделить всю мРНК из эмбрионов дрозофи-
лы разных стадий развития и получить кДНК для
каждой из стадий (рис. 20.12). Затем можно исполь-
зовать ПЦР, чтобы определить, присутствует ли в
образце кДНК интересующего нас гена.
Как вы помните (см. рис. 20.8), ПЦР является
способом быстрого получения множества копий
одного специфического участка двухцепочечной
молекулы ДНК, при котором используются прай-
меры, гибридизующиеся с концами интересующе-
го фрагмента. В нашем случае можно добавить в
реакцию праймеры, соответствующие фрагменту
нашего гена дрозофилы, и использовать кДНК из
каждой эмбриональной стадии в качестве матри-
цы для ПЦР амплификации. При анализе продук-
тов ПЦР полосы в геле, содержащие копии ампли-
фицированного фрагмента могут присутствовать
только в образцах, исходно содержавших мРНК
интересующего нас гена.
Недавнее усовершенствование метода состо-
ит в использовании флуоресцентного красите-
ля, который флуоресцирует только тогда, когда
связан с двухцепочечным ПЦР-продуктом. Но-
вые приборы ПЦР могут детектировать флуорес-
ценцию и определять количество продукта ПЦР,
что позволяет избежать необходимости проведе-
ния электрофореза, а также предоставляет коли-
чественные данные — а это большое преимуще-
ство. Также ОТ-ПЦР можно проводить, используя
мРНК, полученную из различных тканей, чтобы
выяснить, какие ткани экспрессируют специфиче-
скую мРНК.
В рубрике “Развиваем исследовательские на-
выки”, вы можете поработать с данными экспери-
мента, в котором анализируют экспрессию гена,
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 551
Метод исследований
ОТ-ПЦР анализ экспрессии единичных генов
Применение на практике. В ОТ-ПЦР используется фермент об-
ратная транскриптаза (ОТ), которая осуществляет реакцию
обратной транскрипции, после чего проводится ПЦР и гель-
электрофорез. ОТ-ПЦР можно использовать для сравнения
уровней экспрессии гена в разных образцах — например, на
разных эмбриональных стадиях, в разных тканях или в одном и
том же типе клеток в разных условиях.
Описание методики. В данном примере образцы, содержа-
щие мРНК из эмбрионов дрозофилы на шести стадиях развития,
были проанализированы на наличие специфической мРНК, как
показано ниже. (На этапах 1 и 2 показан только один образец
мРНК, выделенный из эмбриона на одной стадии развития.)
Q Синтез кДНК осуществля- мррц<
ется с помощью инкубации
мРНК с обратной транскрип-
тазой и другими необходимы-
ми компонентами.
0 ПЦР-амплификация
образца проводится
с использованием
праймеров, специфич-
ных к интересующему
нас гену дрозофилы.
0 Гель-электрофорез
выявит наличие ампли-
фицированных фраг-
ментов ДНК только в тех
образцах, которые ис-
ходно содержали мРНК,
транскрибированную
с исследуемого гена
дрозофилы.
Специфический
ген
Стадии эмбрионального развития
1 2 3 4 5 6
Результаты. мРНК данного гена начинает экспрессироваться
на стадии 2 и продолжает экспрессироваться на всех по-
следующих стадиях до шестой. Размер амплифицированного
фрагмента (который можно оценить по его положению на геле)
зависит от расстояния между праймерами, которые были ис-
пользованы для ПЦР (а не от размеров мРНК).
вовлеченного в формирование лапы у мыши. В ис-
следовании изучался уровень экспрессии мРНК
с использованием двух методов: один из этих ме-
тодов был качественным (гибридизация in situ), в
то время как другой подход был количественным
(ПЦР).
Изучение экспрессии
взаимодействующих групп генов
Основная цель биологов состоит в том, что-
бы узнать, как гены действуют вместе при форми-
ровании и поддержании функционирования ор-
ганизма. Сейчас, когда геномы ряда видов были
секвенированы, стало возможно изучать экспрес-
сию больших групп генов в рамках так называемо-
го системного подхода. Исследователи используют
то, что известно о целом геноме, чтобы узнать, ка-
кие гены транскрибируются в различных тканях
или на разных стадиях развития. Одной из задач
является выявление взаимосвязанных сетей экс-
прессии генов в масштабах всего генома.
Полногеномные исследования экспрессии мо-
гут быть осуществлены с использованием ана-
лиза ДНК-микрочипов. ДНК-микрочип состоит
из множества одноцепочечных фрагментов ДНК,
представляющих различные гены, прикреплен-
ных к стеклу в ничтожных количествах и обра-
зующих плотную сетку, или решетку (микрочи-
пы также называют ДНК-чипами по аналогии с
компьютерным чипом). В идеале, эти фрагменты
представляют все гены организма.
Основная стратегия в таких исследованиях
состоит в том, чтобы изолировать мРНК, синте-
зированную в интересующей клетке, и исполь-
зовать эти молекулы в качестве матриц для по-
лучения соответствующих кДНК с помощью
обратной транскрипции. При анализе микрочи-
пов, такие кДНК метят флуоресцентными моле-
кулами, а затем гибридизуют с ДНК-микрочипом.
Чаще всего, кДНК из двух образцов (например,
из различных тканей) метят молекулами, которые
испускают излучение разных цветов, и тестируют
на одном микрочипе. На рис. 20.13 показан резуль-
тат такого эксперимента — определение набора
генов в геноме, которые экспрессирует одна ткань
по сравнению с другой. ДНК-технология делает
возможными такие исследования; будучи автома-
тизированными, они легко выполняются в круп-
ном масштабе. В настоящее время ученые могут
измерять экспрессию тысяч генов одновременно.
Кроме того, с появлением быстрых и недоро-
гих методов секвенирования ДНК, исследовате-
ли могут позволить себе просто отсеквенировать
образцы кДНК из различных тканей или из раз-
личных эмбриональных стадий, чтобы выяснить,
какие гены экспрессируются. Этот простой метод
называется РНК-секвенирование или РНК-сек,
552 ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
Дналир филоюнетн^сскою дерева,
созданною на основе секвенирования
с целью понять эволюцию вирусов
Как регулируется отдельный Нох-ген в ходе раз-
вития лапы? Нох-гены кодируют белки — факторы
транскрипции, которые, в свою очередь, контроли-
руют набор генов, важных для развития животных.
Одна из групп Нох-генов, гены Hox-d, играют роль в
формировании пальцев рук и ног. В отличие от гена
mPGES-1, упомянутого в рубрике “Развиваем иссле-
довательские навыки" в главе 18, Нох-гены имеют
очень большие, сложные регуляторные участки, в том
числе элементы контроля локуса, которые могут быть
удалены на сотни тысяч пар нуклеотидов (т.п.н., или
кб (килобаз)) от гена.
Как в подобных случаях биологи находят сегмен-
ты ДНК, которые содержат важные элементы? Они
начинают с удаления крупных сегментов ДНК и изу-
чения влияния удалений на экспрессию генов. В этом
упражнении вы сравните данные из двух разных, но
взаимодополняющих подходов, в которых рассмат-
ривается экспрессия специфического Hoxd-гена
(Hoxd13). Один подход позволяет количественно определить
уровень экспрессии; другой же подход менее количественный,
но зато предоставляет важную информацию о пространствен-
ной локализации.
Проведение эксперимента. Исследователи, интересующиеся
регуляцией экспрессии гена Hoxd13, с помощью методов генной
инженерии получили набор мышей (трансгенных мышей), у кото-
рых были удалены различные сегменты ДНК перед геном. Затем
они сравнили уровни и характер экспрессии гена Hoxd13 в раз-
вивающихся лапах 12,5-дневных эмбрионов трансгенных мышей
(с делециями ДНК) с теми, которые наблюдаются у эмбрионов
мышей дикого типа того же возраста.
Они использовали два различных подхода: у некоторых мы-
шей, они выделили мРНК из лапы эмбриона и определили общий
уровень мРНК Hoxd13 в целой лапе с использованием количе-
ственной ОТ-ПЦР. В другом наборе таких же трансгенных мышей,
они использовали in situ гибридизацию, чтобы точно определить,
где в лапах экспрессируется мРНК гена Hoxd13. В методе, кото-
рый был использован, мРНК гена Hoxd13 окрашивалась в синий
или черный цвет (самый высокий уровень мРНК).
Полученные экспериментальные данные. На схеме ниже
изображена очень большая регуляторная область выше гена
Hoxd13. Область между косыми чертами представляет собой
длинную цепь ДНК, расположенную между промотором и регу-
ляторной областью.
Диаграммы в левой части гистограммы показывают, во-пер-
вых, ДНК без изменений (830 кб) и затем три измененные после-
довательности ДНК. (Каждая называется “делецией", потому
что из нее был удален определенный участок ДНК.) Красный X
обозначает сегмент (А, В и/или С), который был удален в каждом
из экспериментов.
Горизонтальная гистограмма показывает количество Hoxd13
мРНК, которое присутствовало в зоне образования пальцев для
каждого из мутантных 12,5-дневных эмбрионов по отношению к
количеству, которое было в зоне образования пальцев у мышей с
нетронутыми регуляторными областями (верхний столбик = 100%).
На рисунках справа изображены флуоресцентные микрофо-
тографии лап эмбриона, на которых показано расположение
Регуляторная область » Промотор
г-------А------a z/ t—> Ген
а вс 7/
Варианты делеции
а в
Тестируемые сегменты
_____________\ /
А б
------------7\
НокИЗ
НохсКЗмРНК
Относительное количество мРНК
гена Hoxd13
мРНК НохсПЗ
Белые треугольни-
ки—расположе-
ние будущего
большого пальца
мРНК Hoxd13 (окрашена синим или черным). Белые треугольники
указывают на место, где образуется большой палец.
Анализ данных.
1. Исследователи предположили, что все три регуляторных сег-
мента (А, В и С) необходимы для полной экспрессии гена
Hoxd13. Измеряя количество мРНК Hoxd13 в зоне лапы эмбрио-
на, где развиваются пальцы, они могли измерить влияние регу-
ляторных сегментов как поодиночке, так и в комбинации. Чтобы
ответить на следующие вопросы, обратитесь к схеме, приняв
во внимание то, что тестируемые сегменты показаны на верти-
кальной оси, а относительное количество мРНК Hoxd13 — на
горизонтальной, а) Какой из четырех вариантов использовали в
качестве контроля в эксперименте? б) Под держивается ли ре-
зультатами исследования гипотеза о том, что все три сегмента
совместно необходимы для поддержания самого высокого
уровня экспрессии гена Hoxd13? Объясните свой ответ.
2. а) Какой эффект на количество мРНК Hoxd13 оказывает удале-
ние сегментов В и С по сравнению с контролем? б) Виден ли
этот эффект в окрашенных синим областях in situ гибридиза-
ции? Как бы вы описали пространственную картину экспрес-
сии гена в лапах эмбрионов, у которых отсутствуют сегмен-
ты В и С? (Внимательно рассмотрите разные области каждой
лапы и различия между ними.)
3. а) Какой эффект на количество мРНК Hoxd13 оказывает уда-
ление только сегмента С по сравнению с контролем? б) Ви-
ден ли этот эффект в гибридизации in situ? Как бы вы описали
пространственную картину экспрессии генов в лапах заро-
дышей, у которых отсутствует только сегмент С по сравнению
с контролем и по сравнению с лапами, в которых отсутствуют
оба сегмента В и С?
4. Если бы исследователи измерили только количество мРНК
Hoxd13t но не проводили in situ гибридизацию, какая важная
информация о роли регуляторных сегментов в экспрессии
генов Hoxd13 во время развития лапы была бы упущена? И на-
оборот, если бы исследователи провели только in situ гибри-
дизацию, какая информация оказалась бы недоступна?
Источник данных: Т. Montavon et al., A regulatory archipelago
controls Hox genes transcription in digits, Cell 147:1132-1145 (2011).
Рис. 20.13. Анализ уровня экспрессии ге-
нов с помощью ДНК-микрочипов. Исполь-
зуя мРНК, выделенную из двух различных
тканей человека, исследователи синтези-
ровали два набора кДНК, которые были
затем помечены красным или желтым флу-
оресцентным красителем. Эти кДНК были
прогибридизованы с микрочипом, содер-
жащим 5760 генов человека (около 25%
всех генов), в результате чего получился
показанный здесь узор (паттерн). Интен-
сивность флуоресценции в каждой точке
является показателем относительной экс-
прессии находящегося в этой точке гена
в двух образцах: красный цвет означает
экспрессию данного гена в одном образ-
це, зеленый — в другом; желтая флуорес-
ценция свидетельствует о том, что ген экс-
прессируется в обоих образцах, а черный
цвет говорит об отсутствии экспрессии
Каждая точка представляет
собой лунку, содержащую
идентичные копии фрагментов ДНК
определённого гена.
п (реальный
Гены в зелёных лунках
экспрессируются в дру-
гой ткани и гибридизу-
юся с "зелёными" кДНК.
Гены в красных лунках
экспрессируются
в одной ткани и гибри-
дизуются с кДНК,
помеченными крас-
ной меткой.
Гены в жёлтых лунках
экспрессируются обеими
тканями и гибридизуются
с кДНК, помеченными как
красным, так и зелёным
красителем: это приводит
к появлению жёлтого цвета.
Гены в чёрных лунках
не экспрессируются ни
в одной из тканей и не
гибридизуются ни с одной
из кДНК.
хоть и на самом деле секвенированию подверга-
ется последовательность кДНК. Поскольку цена
секвенирования ДНК падает, этот метод находит
все более широкое применение во многих практи-
ческих приложениях. В большинстве случаев, од-
нако, экспрессия отдельных генов все еще должна
быть подтверждена в экспериментах ОТ-ПЦР.
Анализ ДНК-микрочипов и секвенирование
РНК раскрывают подробности взаимодействия
генов и предоставляют ключи к разгадке спосо-
бов функционирования генов, способствуя, та-
ким образом, лучшему пониманию механизмов
развития болезней и разработкам новых мето-
дов диагностики и лечения. Например, сравнение
паттернов экспрессии генов в опухолях молочной
железы и нераковых тканях молочной железы уже
привело к разработке более продуманных и эф-
фективных протоколов лечения (рис. 18.27 в гла-
ве 18). В конечном счете информация, предостав-
ляемая этими методами, должна обеспечить более
ясное понимание того, как взаимодействуют ан-
самбли генов, чтобы образовать организм и под-
держивать работу его жизненно важных систем.
Определение функции гена
Как ученые определяют функции интересую-
щего их гена, после того, как они определили сам
ген? Последовательность гена можно сравнить с
последовательностями ДНК других биологиче-
ских видов. Если функция сходного гена в других
видах известна, можно предположить, что про-
дукт интересующего гена выполняет похожую за-
дачу. Данные о месте и времени экспрессии гена
могут поддержать гипотезу о предполагаемой
функции. Один из способов получить более убе-
дительные доказательства, заключается в том,
чтобы отключить ген, а затем наблюдать за по-
следствиями в клетке или организме. В одном из
таких методов, называемом в in vitro мутагенез,
в клонированный ген вводят специфические му-
тации, и мутантный ген возвращают в клетку та-
ким образом, что он отключает (нокаутирует, от
англ, knock out — “выбивать”) нормальные кле-
точные копии того же гена. Если введенные му-
тации изменяют или нарушают функцию генно-
го продукта, фенотип мутантной клетки может
помочь выявить функцию отсутствующего нор-
мального белка. Используя молекулярно-гене-
тические методы, разработанные в 1980-х годах,
исследователи могут генерировать мышей с на-
рушенной структурой любого гена для того, что-
бы изучить роль этого гена и в развитии взрос-
лого организма. Марио Капеччи, Мартин Эванс и
Оливер Смитис получили Нобелевскую премию в
2007 году за разработку этой методики.
Более новый метод подавления (или сайлен-
синга, от англ, silence — “заглушать” “подавлять”)
экспрессии отдельных генов использует феномен
РНК-интерференции (РНКи), описанный в гла-
ве 18. Этот экспериментальный подход применя-
ет синтетические двухцепочечные молекулы РНК,
соответствующие последовательности определен-
554 Г ЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
ного гена, чтобы вызвать разрушение мРНК гена
или блокировать ее трансляцию. Для таких орга-
низмов, как нематоды и плодовая мушка, метод
РНКи уже доказал свою ценность при крупномас-
штабном анализе функций генов.
В случае человека, этические соображения за-
прещают нокаут генов с целью определения их
функции. Альтернативный подход заключается в
анализе геномов большого числа людей с опреде-
ленными фенотипическими состояниями или за-
болеваниями, такими как болезни сердца или диа-
бет, чтобы попытаться найти отличия, которые все
они имеют по сравнению с людьми без этих забо-
леваний. Предполагается, что эти различия могут
быть связаны с одним или более неисправным ге-
ном, которые в некотором смысле являются есте-
ственными нокаутами. Такой крупномасштабный
анализ, называемый полногеномным ассоциатив-
ным анализом, не требует полной последователь-
ности всех геномов этих двух групп людей. Вме-
сто этого исследователи проверяют генетические
маркёры — последовательности ДНК, которые ва-
рьируются в популяции. Такие вариации последо-
вательности лежат в основе различий между ал-
лелями одного гена, что мы видели на примере
серповидно-клеточной анемии (рис. 17.25). И так же
как в кодирующих последовательностях генов, не-
кодирующая ДНК в определенных локусах хромо-
сомы может демонстрировать небольшие разли-
чия в нуклеотидном составе у особей одного вида.
Вариации в последовательности кодирующей и
некодирующей ДНК внутри одной популяции на-
зывают полиморфизмами (от греч. “много форм”).
Одними из самых полезных генетических мар-
кёров в отслеживании генов, которые способству-
ют возникновению заболеваний и расстройств,
являются однонуклеотидные вариации в геномах
человеческой популяции. Одиночная пара нуклео-
тидов, вариация которой присутствует по край-
ней мере у 1% населения, называется однонуклео-
тидным полиморфизмом (SNP, произносится как
“снип” от англ, single nucleotide polymorphism — од-
нонуклеотидный полиморфизм). Несколько мил-
лионов SNP встречаются в человеческом геноме
с частотой примерно один на 100-300 пар основа-
ний, как в кодирующих, так и в некодирующих по-
следовательностях ДНК. Чтобы найти SNP, необя-
зательно секвенировать ДНК нескольких человек;
сегодня SNP могут быть обнаружены с помощью
очень чувствительного метода анализа микрочи-
пов или с помощью ПЦР.
После определения SNP, имеющегося у всех
пораженных болезнью людей, исследователи со-
средотачивают свое внимание на области, в ко-
торой он находится, и секвенируют ее. Почти во
всех случаях сам SNP не является непосредствен-
ной причиной возникновения заболевания пу-
тем изменения кодирующей последовательности
белка; на самом деле, большинство SNP находят-
ся в некодирующих областях генома. Если SNP и
приводящий к развитию болезни аллель располо-
жены достаточно близко, ученые могут восполь-
зоваться преимуществом того факта, что вероят-
ность кроссинговера между маркёром и геном во
время формирования гамет очень низка. Таким
образом, маркёр и ген почти всегда будут насле-
доваться вместе, даже если маркёр не является ча-
стью гена (рис. 20.14). Были найдены SNP, связан-
ные с диабетом, болезнями сердца и некоторыми
видами рака; ведутся поиски генов, которые мог-
ли бы быть вовлечены в развитие данных заболе-
ваний.
Рис. 20.14. Однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) кок гене-
тические маркёры патологических аллелей. На данной схе-
ме изображены гомологичные участки ДНК двух групп людей,
представители одной из которых имеют определенное гене-
тически обусловленное заболевание или предрасположен-
ность к нему. У людей, не имеющих предрасположенности к
заболеванию, в определенном SNP-локусе находится пара
нуклеотидов А/Т, в то время как у подверженных заболева-
нию — пара G/С. Варьирующийся подобным образом SNP,
вероятно, тесно связан с одним или более аллелями генов,
которые вносят вклад в развитие изучаемого заболевания
Чю для SNP означает быть "тесно
связанным" с болезнетворным аллелем и как это позволяет
SNP выполнять функцию генетического маркёра? (см. раз-
дел 15.3 в главе 15)
Экспериментальные подходы, о которых вы
узнали к этому времени, основаны на работе с
молекулами, главным образом, ДНК и белками.
В параллельной линии исследований, биологи за-
нимаются разработкой мощных методов для кло-
нирования целых многоклеточных организмов.
Одной из целей этой работы является получение
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 555
специальных типов клеток, называемых стволо-
выми клетками, которые могут дать начало всем
типам тканей. Будучи в состоянии управлять
стволовыми клетками, ученые смогут использо-
вать ранее рассмотренные нами методы на основе
ДНК, чтобы изменить стволовые клетки для лече-
ния заболеваний. Методы, связанные с клониро-
ванием организмов и получением стволовых кле-
ток, являются темой следующего раздела.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 20.2
А ЧТО, ЕСЛИ?
1. Опишите значение комплементарного спаривания основа-
ний в методе ОТ-ПЦР и в методе анализа ДНК-микрочипов.
2. Рассмотрим микрочип на рис. 20.13. Если
образец из нормальной ткани помечен зеленым флуорес-
центным красителем, а образец из злокачественной ткани
помечен красным, точки какого цвета будут представлять
гены, в которых вы были бы заинтересованы, если изучали
бы рак? Объясните.
Ответы см. в Приложении А.
специализированные клетки одного или более ти-
пов в подходящих условиях. Стволовые клетки
имеют огромный потенциал для регенерации по-
врежденных тканей.
Попытка клонировать растения и живот-
ных впервые была предпринята более 50 лет на-
зад в экспериментах, призванных ответить на
основные биологические вопросы. Например, ис-
следователи задавались вопросом, все ли клет-
ки организма имеют одни и те же гены, или же
клетки теряют гены в процессе дифференциации
(см. раздел 18.4 в главе 18). Один из способов от-
ветить на этот вопрос состоит в том, чтобы про-
верить, сможет ли дифференцированная клетка
воссоздать весь организм; другими словами, явля-
ется ли возможным клонирование организма. Да-
вайте обсудим эти ранние эксперименты, преж-
де чем рассмотрим современное развитие области
организменного клонирования и методов получе-
ния стволовых клеток.
20.3. Клонированные организмы
и стволовые клетки могут
быть использованы для
фундаментальных исследований
и других приложений
Наряду с достижениями в области ДНК-тех-
нологий, ученые занимаются разработкой и со-
вершенствованием методов клонирования це-
лых многоклеточных организмов из отдельных
клеток. В данном контексте клонирование при-
водит к получению одного или нескольких орга-
низмов, которые генетически идентичны “родите-
лям” — донорам одиночной клетки. Этот процесс
часто называют клонированием организмов, что-
бы отличать его от клонирования генов и, что бо-
лее важно, от клонирования клеток — деления
вегетативно размножающейся клетки с образо-
ванием группы генетически идентичных клеток.
(Общим является то, что результат клонирова-
ния генетически идентичен родителю. Слово
клон происходит от греческого klon, что означа-
ет “ветка”) В настоящее время интерес к клони-
рованию организмов возникает, прежде всего,
из-за возможностей метода создавать стволо-
вые клетки. Стволовая клетка является относи-
тельно неспециализированной клеткой, которая
может как воспроизводить себя неограничен-
ное множество раз, так и дифференцироваться в
Клонирование растений:
одноклеточные культуры
Успех в клонировании целых растений из от-
дельных дифференцированных клеток был достиг-
нут в 1950-х годах Ф. К. Стюардом и его учениками
в Корнельском университете, которые работали с
растениями моркови (рис. 20.15).
Небольшие
фрагменты
Фрагменты Свободные
культивировали одиночные
в питательной клетки
среде; переме- в растворе
шивание приве- начали
ло к переходу делиться.
ток в раствор.
Поперечный разрез
корня моркови
Зародыш рас-
тения, который
развился из оди-
ночной клетки
в процессе
культивиро-
Росток культи-
вировали
- наагаризо-
ванной среде.
Позже его
пересадили
одиночных кле- вания.
Взрослое
растение
Рис. 20.15. Клонирование целого
растения моркови из одной клет-
ки моркови
556 Г ЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
Они обнаружили, что дифференцированные
клетки, взятые из корня (моркови) и проинкуби-
рованные в культуральной среде, могут вырасти в
нормальные взрослые растения, каждое из кото-
рых генетически идентично исходному растению.
Эти результаты показали, что дифференциация
необязательно предполагает необратимые изме-
нения в ДНК. По крайней мере, у растений зре-
лые клетки могут “де-дифференцироваться” а за-
тем образовать любые специализированные типы
клеток организма. Любая клетка с таким потен-
циалом дифференцировки называется тотипо-
тентной.
Клонирование растений широко использу-
ется в сельском хозяйстве. Для таких растений,
как орхидеи, клонирование является единствен-
ным коммерчески удобным средством воспроиз-
ведения растений. В других случаях клонирова-
ние используют для воспроизведения растений,
обладающих ценными свойствами, такими как
устойчивость к патогенам растений. Вы можете
сами клонировать растение: если вы когда-либо
выращивали новое растение от черенка — вы как
раз и практиковались в клонировании!
Клонирование животных:
ядерная трансплантация
Как правило, дифференцированные клет-
ки животных не делятся в культуре, и тем более
не могут развиться в различные типы клеток но-
вого организма. Таким образом исследователи
на начальном этапе должны были использовать
другой подход, чтобы ответить на вопрос, явля-
ются ли дифференцированные клетки животных
тотипотентными. При этом подходе из неопло-
дотворенной или оплодотворенной яйцеклетки
удаляют ядро и заменяют его ядром дифферен-
цированной клетки; эта процедура называется
ядерной трансплантацией. Если ядро из диффе-
ренцированной клетки-донора сохраняет свою
полную генетическую тотипотентность, то оно
должно быть в состоянии направить дифферен-
цировку клетки-реципиента в любые ткани и ор-
ганы организма.
Такие эксперименты были проведены на ля-
гушке вида Rana pipiens Робертом Бриггсом и То-
масом Кингом в 1950 году и на лягушке друго-
го вида (Xenopus laevis) — Джоном Гёрдоном в
1970 году (рис. 20.16). Эти исследователи пересажи-
вали ядра из клеток эмбриона или головастика в
яйцеклетку того же вида, из которой было уда-
лено ядро. В экспериментах Гёрдона пересажен-
ное ядро часто оказывалось в состоянии под-
держивать нормальное развитие яйцеклетки в
головастика. Однако он обнаружил, что потенци-
ал трансплантированных ядер направлять нор-
мальное развитие находился в обратно пропор-
циональной зависимости от возраста донора: чем
старше донорское ядро, тем ниже процент нор-
мально развивающихся головастиков (рис. 20.16).
Исходя из этих результатов, Гёрдон сделал вы-
вод, что что-то в ядре изменяется в процессе диф-
ференцировки клеток животных. У лягушек и
большинства других животных, ядерный потен-
циал, как правило, ограничивается все больше и
больше в ходе эмбрионального развития и диффе-
ренциации клеток. Это были основополагающие
эксперименты, которые в конечном счете приве-
ли к разработке технологий получения стволовых
клеток, и за эту работу Гёрдон получил Нобелев-
скую премию 2012 года в области медицины.
Репродуктивное клонирование
млекопитающих
Помимо клонирования лягушки, исследова-
тели уже давно смогли клонировать млекопита-
ющих путем пересадки ядра или клетки из раз-
личных эмбрионов на ранних стадиях развития
в яйцеклетки с удаленными из них ядрами. Одна-
ко не было известно, может ли ядро из полностью
дифференцированной клетки быть перепрограм-
мировано, чтобы успешно выступать в качестве
ядра-донора. В 1997 году исследователи из Ин-
ститута Рослин в Шотландии заполонили газет-
ные полосы новостью о рождении Долли, ягнен-
ка, клонированного из взрослой овцы с помощью
трансплантации ядра из дифференцированной
клетки (рис. 20.17). Эти исследователи достигли не-
обходимой степени де-дифференцировки донор-
ских ядер путем культивирования клеток молоч-
ной железы в бедной питательными веществами
среде. Затем они слили эти клетки с безъядерны-
ми яйцеклетками овцы. Получившиеся в резуль-
тате диплоидные клетки делились и формировали
эмбрионы ранних стадий развития, которые были
имплантированы суррогатным матерям. Из не-
скольких сотен эмбрионов нормальное развитие
успешно завершил один, и так родилась Долли.
Последующий анализ показал, что хромосо-
мная ДНК Долли действительно идентична ДНК
донора (митохондриальную ДНК Долли, как и
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 557
▼ Рис. 20.16.
Изыскание
Может ли ядро из дифференцированной животной
клетки определять направление развития организма?
Эксперимент. Джон Гёрдон и его коллеги из Оксфордского
университета в Англии разрушили ядра яйцеклеток лягушки
(Xenopus laevis) с помощью облучения ультрафиолетом. После
этого они пересадили ядра из клеток эмбрионов лягушки и го-
ловастиков в безъядерные яйцеклетки.
Яйцеклетка
лягушки
Головастик
лягушки
Полностью
дифференци-
рованная клетка
/ (клетка желудочно-
/ кишечного тракта)
Эмбрион
лягушки
Менее
дифференци-
рованная
клетка
Пере-
садка
ядра
донора
Безъядерная
яйцеклетка
Ч
Яйцеклетка с пересаженным
ядром донора активируется
и начинает развитие
Пере-
садка
ядра
донора
Большинство клеток
развивается
в головастиков
Развитие большинства
клеток останавливается
перед стадией головастика.
Результаты. Если ядро было пересажено из эмбриона, на-
ходящегося на ранней стадии развития, клетки которого
практически недифференцированы, то большинство яйцекле-
ток-реципиентов развивалось в головастиков. Но если ядро
пересаживали из полностью дифференцированных клеток
желудочно-кишечного тракта головастиков, то в нормальных
головастиков превращалось менее 2% яйцеклеток. Развитие
большинства эмбрионов останавливалось на гораздо более
ранних стадиях.
Выводы. Ядро из дифференцированной клетки лягушки может
направлять развитие яйцеклетки в головастика. Однако на-
правляющая способность снижается по мере дифференци-
ровки клетки донора. Вероятно, это происходит вследствие
происходящих в ядре изменений.
Источник: J. В. Gurdon et al., The developmental capacity of
nuclei transplanted from keratinized cells of adult frogs, Journal of
Embryology and Experimental Morphology 34:93-112 (1975).
Если бы каждая клетка четырехклеточно-
го эмбриона уже была настолько специализированной, что
не имела бы тотипотентных свойств, то какие результаты можно
было бы ожидать для эксперимента, показанного в левой части
рисунка?
А ЧТО, ЕСЛИ?
ожидалось, получила от донора яйцеклетки).
В возрасте шести лет Долли страдала от осложне-
ний болезни легких, которая обычно наблюдает-
ся у овец старшего возраста, и была подвергну-
та эвтаназии. Преждевременная смерть Долли,
а также поражения суставов, привели к предпо-
ложению, что ее клетки в каком-то смысле были
не настолько здоровы, насколько клетки нор-
мальной овцы, что, возможно, отражает неполное
перепрограммирование исходного транспланти-
рованного ядра.
С того времени, исследователи клонировали
множество других млекопитающих, в том чис-
ле мышей, кошек, коров, лошадей, свиней, собак
и обезьян. В большинстве случаев, целью ученых
было получение новых особей; этот процесс изве-
стен как репродуктивное клонирование. Мы уже
многое узнали о таких экспериментах. Например,
клонированные животные одного вида не всег-
да выглядят или ведут себя одинаково. В стаде
коров, клонированных из одной линии культи-
вируемых клеток, некоторые коровы являются
доминирующими в поведении, а другие более по-
корными. Другой пример нетождественности
клонов — первая клонированная кошка, назван-
ная СиСи (от англ. Carbon Сору (СС) — “сделан-
ная под копирку”) (рис. 20.18).
Она пятнистая, как и ее родитель, но цвет и
рисунок отличается из-за случайной инактивации
Х-хромосомы, что является нормальным явлени-
ем во время эмбрионального развития (рис. 15.8 в
главе 15). Даже однояйцовые человеческие близ-
нецы, которые являются естественно получив-
шимися “клонами” всегда слегка различаются.
Очевидно, что влияние окружающей среды и слу-
чайные явления играют значительную роль в про-
цессе индивидуального развития.
Неправильная регуляция генов
в клонированных животных
В большинстве современных исследований по
ядерной трансплантации только небольшой про-
цент клонированных эмбрионов развивается нор-
мально до рождения. И как у Долли, у многих
клонированных животных обнаруживаются по-
роки развития. Клонированные мыши, например,
склонны к ожирению, пневмонии, печеночной не-
достаточности и преждевременной смерти. Уче-
ные утверждают, что даже те клонированные жи-
вотные, которые кажутся нормальными, скорее
всего, имеют легкие отклонения от нормы.
558 Г ЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
▼ Рис. 20.17.
Метод исследований
Репродуктивное клонирование млекопитающих
с помощью трансплантации ядер
Применение на практике. Данный метод позволяет получать
клонированных животных с ядерными генами, идентичными ге-
нам животного, которое служило донором ядра.
Описание методики. Здесь показана процедура, использо-
ванная для получения овечки Долли — первого известного слу-
чая клонирования млекопитающего с использованием ядра
дифференцированной клетки.
питательных веществ,
что приводит к остановке
клеточного цикла и возвра-
щению к недифференциро-
ванному состоянию.
Клетки молоч-
ной железы
культивируются
в условиях недостатка
I
------Ядро из клетки
молочной железы
о Рост в культуре
Эмбрион на ранней
стадии развития
0 Пересадка в матку
третьей овцы
Суррогатная
мать
0 Эмбриональное
развитие
Ягненок (Долли),
генетически идентичный
донору клетки молочной
железы
Результаты Набор генов в геноме клонированного животного
идентичен набору генов животного-донора ядра, но отличается
от набора генов донора яйцеклетки и суррогатной матери. (Ими в
данном случае были овцы породы "шотландская черномордая".)
Рис. 20.18. СС (СиСи) — первая клонированная кошка со сво-
им единственным родителем. Кошка по кличке Радуга (слева)
была донором ядра для процедуры клонирования, в резуль-
тате которой появилась кошка по кличке СС (справа). Одна-
ко эти две кошки совсем не идентичны: Радуга имеет класси-
ческий окрас "коленкор" с рыжими пятнами на белом меху
и замкнутый характер, а СиСи серо-белого цвета и более
игрива
В последние годы мы начали понимать неко-
торые причины низкой эффективности клони-
рования и высокой частоты аномалий развития.
В ядрах полностью дифференцированных кле-
ток работает небольшой набор генов, а экспрес-
сия остальной части подавляется. Такая регуля-
ция часто является результатом эпигенетических
изменений в хроматине, таких как ацетилирова-
ние гистонов или метилирование ДНК (см. рис. 18.7
в главе 18). Во время процедуры переноса ядра
поздней стадии дифференцировки из живот-
ного-донора многие из этих изменений должны
быть отменены, чтобы гены могли экспрессиро-
ваться или подвергаться репрессии на ранних
стадиях развития в правильном порядке. Иссле-
дователи обнаружили, что ДНК в клетках кло-
нированных эмбрионов, как и в дифференциро-
ванных клетках, часто имеет больше метильных
групп, чем ДНК в эквивалентных клетках нор-
мальных эмбрионов того же вида. Этот факт по-
зволяет предположить, что перепрограммиро-
вание донорского ядра требует более точной и
полной перестройки хроматина, чем той, что
происходит во время процедуры клонирования.
Поскольку метилирование ДНК участвует в ре-
гуляции экспрессии генов, потеря или допол-
нительное включение метильных групп в ДНК
ядер-доноров может привести к нарушению пат-
терна экспрессии генов, необходимого для нор-
ГЛАВА20 ДНК-инструменты и биотехнология 559
мального эмбрионального развития. Во многом
успех попытки клонирования может зависеть в
значительной степени от того, насколько успешно
может быть искусственно изменен хроматин в до-
норском ядре, чтобы соответствовать хроматину
недавно оплодотворенной яйцеклетки.
Стволовые клетки животных
Прогресс в области клонирования эмбрионов
млекопитающих, в том числе приматов, привел к
росту числа рассуждений о клонировании чело-
века, которое еще не было выполнено. Основной
целью исследователей, которые пытаются клони-
ровать человеческие эмбрионы, является не вос-
произведение, но производство стволовых клеток
для лечения заболеваний человека. Напомним,
что стволовые клетки являются относительно не-
специализированными клетками, которые могут
воспроизводить себя неограниченное множество
раз и в подходящих условиях дифференцировать-
ся в специализированные клетки одного или бо-
лее типов (рис. 20.19). Таким образом, стволовые
клетки способны как пополнять собственную по-
пуляцию, так и создавать клетки, которые прохо-
дят последующую специфическую дифференци-
ровку.
О Стволовая клетка может поделить-
ся на новую стволовую клетку и клетку-
предшественник (или же с образова-
нием двух стволовых клеток, или двух
клеток-предшественников).
Стволовые клетки из эмбрионов
и из взрослых организмов
Эмбрионы ранних стадий развития многих
животных содержат стволовые клетки, способные
порождать дифференцированные клетки любого
типа. Стволовые клетки могут быть выделены из
ранних эмбрионов на стадии, называемой стади-
ей бластулы, а в случае человека — бластоцисты.
В культуре клеток, эти эмбриональные стволовые
(ЭС) клетки размножаются неопределенно долго;
в зависимости от условий культивирования они
могут быть направлено дифференцированы в са-
мые разнообразные специализированные клетки
(рис. 20.20), включая яйцеклетки и сперматозоиды.
Эмбриональные
стволовые клетки
Человеческий эмбрион
на стадии бластоцисты
(эквивалент бластулы
у млекопитающих)
Зрелые стволовые клетки
В данном примере,
из клеток костного мозга
Культивируемые
стволовые клетки
Стволовая клетка
Клеточное
деление
Q В зависимости от факто-
ров среды клетка-пред-
шественник может диф-
ференцироваться в один
из нескольких типов клеток.
Клетка Здесь П0|<азан пРимеР
предшественник Дифференцировки
стволовой клетки
костного мозга.
Различные
условия
культиви-
рования
Стволовая
клетка
Костные ИЛИ Лейкоциты
клетки
Жировые ИЛИ
клетки
Рис. 20.19. Как стволовые клетки поддерживают собственную
популяцию и создают дифференцированные клетки
Различные
типы дифферен-
цированных
клеток
Клетки
печени
I
Нервные
клетки
Рис. 20.20. Работа со стволовыми клетками, Стволовые клетки
животных, которые могут быть выделены как из эмбрионов на
ранних стадиях развития, так и из тканей взрослого животного,
затем культивированы в искусственных условиях, являются са-
мообновляющимися и относительно недифференцированны-
ми. Эмбриональные стволовые клетки легче поддаются культи-
вированию, чем зрелые стволовые клетки, и теоретически могут
служить началом для всех типов клеток в организме. При этом
мы до сих пор не до конца понимаем, какие же типы клеток
могут образоваться из стволовых клеток взрослого животного
560
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
В теле взрослых организмов также имеют-
ся стволовые клетки, которые по мере необхо-
димости служат для замены неразмножающих-
ся специализированных клеток. В отличие от
ЭС-клеток, стволовые клетки взрослых организ-
мов не способны сформировать все типы клеток
в организме, но могут дифференцироваться в не-
сколько типов. Например, один из нескольких
типов стволовых клеток костного мозга может
формировать все виды клеток крови (рис. 20.20),
а другой может дифференцироваться в кости,
хрящи, жир, мышцы и эндотелий кровеносных
сосудов. К удивлению многих, было установлено,
что мозг взрослого человека содержит стволовые
клетки, которые продолжают производить опре-
деленные виды нервных клеток. Исследователи
также сообщили об обнаружении стволовых кле-
ток в коже, волосах, глазах, и пульпе зубов. Хотя
взрослые животные имеют лишь крошечное ко-
личество стволовых клеток, ученые учатся иден-
тифицировать и выделять эти клетки из различ-
ных тканей, а в некоторых случаях выращивать их
в культуре. При правильных условиях культиви-
рования (например, при добавлении специфиче-
ских факторов роста) культивируемые стволовые
клетки из взрослых животных можно направить
дифференцироваться в нескольких типов специа-
лизированных клеток, хотя они и не являются та-
кими универсальными, как ЭС-клетки.
Исследование эмбриональных или взрослых
стволовых клеток является источником ценных
сведений о дифференциации и имеет огромный
потенциал для применения в медицине. Конечной
целью является получение клеток для восстанов-
ления поврежденных или больных органов, на-
пример инсулин-продуцирующих клеток подже-
лудочной железы для людей с диабетом первого
типа или определенных видов клеток головного
мозга для людей с болезнью Паркинсона или бо-
лезнью Хантингтона. Взрослые стволовые клетки
из костного мозга уже давно используются в ка-
честве источника клеток иммунной системы для
пациентов, чья собственная иммунная система
не функционирует из-за генетических нарушений
или лучевой терапии рака.
Потенциал развития взрослых стволовых кле-
ток ограничен определенными типами тканей.
ЭС-клетки являются более многообещающими для
использования в медицине, чем стволовые клетки
взрослых организмов, потому что ЭС-клетки яв-
ляются плюрипотентными, т.е. способными диф-
ференцироваться во множество различных типов
клеток. До сих пор единственный способ получить
ЭС-клетки состоит в том, чтобы выделить их из че-
ловеческих эмбрионов, что поднимает этические и
политические вопросы.
В настоящее время ЭС-клетки получают из эм-
брионов, пожертвованных пациентами, перенес-
шими лечение бесплодия, или из долгосрочных
клеточных культур, первоначально созданных
из клеток, выделенных из донорских эмбрионов.
Если бы ученые имели возможность клонировать
человеческие эмбрионы до стадии бластоцисты,
они могли бы использовать такие клоны в каче-
стве источника ЭС-клеток в будущем. Кроме того,
с ядром-донором от человека с конкретным за-
болеванием они могли бы производить ЭС-клет-
ки, которые подходят пациенту и, таким образом,
не отторгаются его или ее иммунной системой при
лечении. Если главной целью клонирования явля-
ется получение ЭС-клеток для лечения болезней,
эту процедуру называют терапевтическое клони-
рование. Хотя большинство людей считают, что
репродуктивное клонирование человека являет-
ся неэтичным, мнения о моральной допустимости
терапевтического клонирования расходятся.
Индуцированные плюрипотентные
стволовые (иПС) клетки
Этические споры теперь стали менее актуаль-
ными, потому что исследователи научились по-
ворачивать время вспять для полностью диффе-
ренцированных клеток, перепрограммируя их до
состояния ЭС-клеток. О завершении этого под-
вига, сопровождавшегося трудно преодолимы-
ми препятствиями, было объявлено в 2007 году
сначала лабораториями, использующими клетки
кожи мыши, а затем другими группами, исполь-
зующими клетки кожи человека и других органов
или тканей. Во всех этих экспериментах исследо-
ватели превратили дифференцированные клетки
в ЭС-клетки, используя ретровирусы для внесения
дополнительных клонированных копий четырех
“главных регуляторных генов стволовых клеток”.
Такие “перепрограммированные” клетки извест-
ны как индуцированные плюрипотентные ство-
ловые (иПС) клетки, потому что при помощи этой
довольно простой лабораторной процедуры их
возвращают в недифференцированное состояние,
в результате чего происходит восстановление плю-
рипотентности. Эксперименты, которые впервые
привели к трансформации дифференцированных
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 561
▼ Рис. 20.21.
Изыскание
клеток человека в плюрипотентные
клетки, описаны на рис. 20.21. За эту ра-
боту Шинья Яманака получил Нобе-
левскую премию в 2012 году в области
медицины совместно с Джоном Гёрдо-
ном, о работе которого рассказывает
рис. 20.16.
По многим критериям иПС-клетки
могут выполнять большинство функ-
ций ЭС-клеток, но есть некоторые
различия в экспрессии генов и других
клеточных функциях, таких как деле-
ние клеток. По крайней мере, до тех
пор, пока эти различия не будут пол-
ностью поняты, исследование ЭС-кле-
ток будет продолжать вносить важный
вклад в развитие терапии с использо-
ванием стволовых клеток (весьма ве-
роятно, что ЭС-клетки всегда будут
также и в центре внимания фундамен-
тальных исследований). В то же время
работы с использованием иПС-клеток,
которые были получены эксперимен-
тально, продолжаются.
Существует два основных потен-
циальных применения человеческих
иПС-клеток. Во-первых, клетки от па-
циентов, страдающих какими-либо
заболеваниями, могут быть перепро-
граммированы в иПС-клетки, кото-
рые могут выступать в качестве моде-
ли клеток для изучения заболевания
и потенциального лечения. Уже по-
лучены клеточные линии иПС-кле-
ток от пациентов с сахарным диабетом
первого типа, болезнью Паркинсона,
и, по крайней мере, дюжиной дру-
гих заболеваний. Во-вторых, в обла-
сти регенеративной медицины соб-
ственные клетки пациента можно
перепрограммировать в иПС-клетки,
а затем использовать для замены не-
функциональных тканей, таких как
инсулин-продуцирующие клетки под-
желудочной железы.
Недавно в другом удивительном ис-
следовании ученые смогли идентифи-
цировать гены, которые способны не-
посредственно перепрограммировать
дифференцированную клетку в диффе-
ренцированную клетку другого типа,
Можно ли полностью дифференцированные клетки человека
“перепрограммировать” в стволовые клетки?
Эксперимент. Шинья Яманака и его коллеги из Университета Киото в Японии
использовали ретровирусный вектор для внесения четырех генов в полностью
дифференцированные фибробласты кожи человека. После этого клетки культи-
вировали в среде, поддерживающей рост стволовых клеток.
Стволовая
клетка
Клетка-
предшественник
I
Фибробласт
кожи
Четыре регуляторных гена,
которые запускают произ-
водство стволовых клеток,
были введены в клетку с помо-
щью ретровирусного вектора.
Индуциро-
ванная плю-
рипотентная
стволовая
(иПС) клетка
Результаты. Две недели спустя клетки по внешнему виду напоминали эмбрио-
нальные стволовые клетки и активно делились. Профили экспрессии их генов,
профили метилирования генов и другие характеристики также соответствова-
ли показателям эмбриональных стволовых клеток. иПС-клетки были способны
дифференцироваться в клетки сердечной мышцы, а также в другие типы клеток.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Выводы. Четыре гена индуцировали превращение дифференцированных кле-
ток кожи в плюрипотентные стволовые клетки, свойства которых соответствова-
ли эмбриональным стволовым клеткам.
Источник: Takahashi et al.. Induction of pluripotent stem cells from adult human
fibroblasts by defined factors, Cell 131:861-872 (2007).
Пациенты с такими заболеваниями, как болезни сердца, диа-
бет или болезнь Альцгеймера могут получить иПС клетки из своих собственных
перепрограммированных клеток кожи. Теперь, когда были разработаны про-
цедуры для преобразования иПС клеток в сердце, поджелудочную железу или
клетки нервной системы, собственные иПС клетки пациентов могут быть исполь-
зованы для лечения их заболеваний. Когда органы пересаживают от донора к
больному реципиенту, иммунная система реципиента может отторгнуть транс-
плантат; это состояние чревато серьезными и часто фатальными последствия-
ми. Будет ли использование иПС клеток сопряжено с таким же риском? Почему
да, или почему нет? Учитывая, что эти клетки активно делящиеся и недифферен-
цированные, какие риски может нести данная процедура?
562 ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
минуя плюрипотентное состояние. В первом сооб-
щении на эту тему один тип клеток поджелудоч-
ной железы был преобразован в другой тип. Од-
нако два типа клеток необязательно должны быть
тесно связаны: другая группа исследователей смог-
ла напрямую перепрограммировать фибробласты
кожи в нейроны. В настоящее время активно и до-
вольно успешно разрабатываются методики, ко-
торые направляют дифференцировку иПС-клеток
или даже полностью дифференцированных клеток
в определенные типы клеток с целью использова-
ния в регенеративной медицине. Индуцированные
плюрипотентные стволовые клетки, созданные та-
ким образом, в конечном счете могут обеспечить
индивидуальную “замену” клеток для пациентов
без использования каких-либо человеческих яйце-
клеток или эмбрионов в обход большинства этиче-
ских возражений.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 20.3
1.
2.
3.
Основываясь на современных знаниях, как бы вы объяснили
разницу в количестве головастиков, которые развились из
двух видов ядер-доноров на рис. 20.16?
Если бы вы клонировали морковь, используя методику, пока-
занную на рис. 20.15, были бы все растения-потомки ("кло-
ны") одинаковыми на вид? Почему да, или почему нет?
Сравните индивидуальную клет-
ку моркови на рис. 20.15 с полностью дифференцированной
мышечной клеткой на рис. 18.18 (глава 18), с точки зрения их
потенциала дифференцировки в различные типы клеток.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Ответы см. в Приложении А.
20.4. Прикладные ДНК-технологии
во многих отношениях влияют
на нашу жизнь
Сообщения о ДНК-технологиях встречаются
в новостях почти каждый день. Чаще всего речь
идет о новом весьма перспективном использо-
вании их в медицине, но это всего лишь одна из
многочисленных сфер человеческой деятельно-
сти, в которых ДНК-технологии и генная инжене-
рия могут приносить пользу.
Применение в медицине
Одним из важных приложений ДНК-техноло-
гий является идентификация человеческих генов,
мутации которых играют роль в развитии генети-
ческих заболеваний. Открытия в этой области мо-
гут привести к созданию способов диагностики,
лечения и даже предотвращения таких заболева-
ний. ДНК-технологии также вносят вклад в наше
понимание “негенетических” болезней, от артрита
до СПИДа, так как гены человека влияют на вос-
приимчивость к этим болезням. Кроме того, за-
болевания всех видов связаны с изменениями в
экспрессии генов в пораженных клетках и — зача-
стую — в пределах иммунной системы пациента.
Используя анализ ДНК-микрочипов (см. рис. 20.13)
или другие методы, чтобы сравнить экспрессию ге-
нов в здоровых и пораженных тканях, исследова-
тели надеются найти подмножества генов, которые
активны или, наоборот, репрессированы при опре-
деленных заболеваниях. Такие гены и их продукты
являются потенциальными мишенями для профи-
лактики или терапии заболевания.
Диагностика и лечение заболеваний
С помощью ДНК-технологий, в частности,
благодаря использованию ПЦР и меченых зон-
дов нуклеиновых кислот для отслеживания па-
тогенов, была открыта новая глава в диагностике
инфекционных заболеваний. Например, так как
последовательность РНК генома вируса ВИЧ из-
вестна, метод ОТ-ПЦР может быть использован
для амплификации и обнаружения РНК ВИЧ в
крови или в тканях (см. рис. 20.12). ОТ-ПЦР часто
является лучшим способом обнаружить неулови-
мый другими методами инфекционный агент.
Сейчас ученые-медики могут диагностиро-
вать сотни генетических нарушений у человека с
использованием ПЦР с праймерами, которые на-
целены на гены, связанные с этими нарушения-
ми. Амплифицированный ДНК-продукт затем
секвенируют, чтобы показать наличие или отсут-
ствие мутации, вызывающей заболевание. Среди
генов заболеваний человека, которые были опре-
делены, значатся гены, ассоциированные с сер-
повидно-клеточной анемией, гемофилией, муко-
висцидозом, болезнью Хантингтона и мышечной
дистрофией Дюшенна. Люди, страдающие та-
кими заболеваниями, часто могут быть выявле-
ны до появления симптомов и даже до рождения
(см. рис. 14.19 в главе 14). Метод ПЦР также может
быть использован для идентификации бессимп-
томных носителей потенциально вредных рецес-
сивных аллелей.
Как вы узнали ранее, полногеномный ассо-
циативный анализ точно определил положения
SNP (однонуклеотидных полиморфизмов), кото-
рые связаны с аллелями, приводящими к возник-
новению заболеваний (см. рис. 20.13). С помощью
ПЦР и секвенирования человек может проверить
наличие у себя в геноме SNP, коррелирующих с
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 563
аномальными аллелями. Наличие определенных
SNP коррелирует с повышенным риском заболева-
ний, таких как болезни сердца, болезнь Альцгей-
мера и некоторые виды рака. Компании, которые
предлагают индивидуальное генетическое тести-
рование факторов риска возникновения таких бо-
лезней, ориентируются на ранее выявленные, свя-
занные с заболеваниями SNP. Для людей может
быть полезно знать о рисках для их здоровья, но
следует понимать, что такие генетические тесты
лишь отражают корреляции и не дают прогнозов.
Методы, описанные в этой главе, также при-
вели к улучшениям в лечении заболеваний. Пу-
тем анализа экспрессии многих генов у больных
раком молочной железы, исследователи смогли
уточнить свое представление о различных подти-
пах этого типа рака (см. рис. 18.27 в главе 18). Зна-
ние уровня экспрессии определенных генов мо-
жет помочь врачам определить вероятность того,
что рак будет рецидивировать, тем самым позво-
ляя им разработать подходящее лечение. Учиты-
вая, что для некоторых пациентов с низким уров-
нем риска выживаемость в отсутствии лечения на
десятилетний период составляет 96%, анализ экс-
прессии генов открывает врачам и пациентам до-
ступ к ценной информации при рассмотрении ва-
риантов лечения.
Многие представляют себе будущее “персона-
лизированной медицины” в котором генетиче-
ский профиль каждого человека несет информа-
цию о болезнях или предрасположенностях к ним
и может помочь человеку выбрать лечение. Поз-
же в этой главе мы обсудим, что в настоящее вре-
мя под генетическим профилем принято понимать
набор генетических маркёров, таких как SNP. Од-
нако в перспективе генетический профиль, веро-
ятно, будет содержать полную последовательность
ДНК индивидуума — как только секвенирова-
ние станет достаточно недорогим (см. интервью с
Чарльзом Ротими перед главой 13). Наше умение
быстро и недорого секвенировать геном человека
развивается быстрее, чем наши разработки под-
ходящих способов лечения заболеваний, которые
мы описываем. Тем не менее идентификация ге-
нов, участвующих в возникновении этих заболе-
ваний, обеспечивает нас пригодными для терапев-
тического вмешательства мишенями.
Генная терапия человека
Генная терапия — введение генов в клетки
пораженного болезнью человека в терапевтиче-
ских целях — имеет большой потенциал для лече-
ния относительно небольшого количества нару-
шений, связываемых с одним дефектным геном.
В теории нормальный аллель дефектного гена мо-
жет быть вставлен в соматические клетки ткани,
пораженной заболеванием.
Чтобы генная терапия соматических клеток
была долговременной, клетки, в которые вносится
нормальный аллель, должны делиться на протя-
жении всей жизни пациента. Главные кандидаты
на эту роль — клетки костного мозга, в том чис-
ле стволовые клетки, которые дают начало всем
клеткам крови и иммунной системы. На рис. 20.22
описан один из генно-терапевтических подходов
к лечению человека, клетки костного мозга кото-
рого не производят какой-либо жизненно необхо-
димый фермент из-за одного дефектного гена.
Клонированный ген (нормальный аллель,
который отсутствует в клетках пациента)
Вирусная РНК
О Вставляем РНК-версию нормального
аллеля в ретровирусный вектор или
вектор на основе другого вируса.
Вирусный
капсид
0 Позволяем вирусу инфицировать
клетки костного мозга, которые были
выделены из организма пациента
затем культивированы.
Клетка
костного
мозга пациента
© Вирусная ДНК, несущая
нормальный аллель, интегри-
руется в хромосому.
Рис. 20.22. Генная терапия с использованием ретровирусных
векторов. Этот метод основан на способности предваритель-
но обезвреженного ретровируса интегрировать ДНК-транс-
крипт своего РНК-генома в хромосомную ДНК клетки-хозяина
(см. рис. 19.8 в главе 19). Если переносимый ретровирусным
вектором чужеродный ген будет экспрессироваться, то клет-
ка и ее потомки будут содержать продукт данного гена. Клет-
ки, которые делятся на протяжении всей жизни, — например,
клетки костного мозга — являются идеальными для использо-
вания в генной терапии
О Вводим модифицированные
клетки в организм пациента.
564 ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
Один из типов тяжелого комбинированного
иммунодефицита (ТКИД) вызван дефектом тако-
го рода. Если лечение окажется успешным, клетки
костного мозга пациента начнут производить не-
достающий белок, и пациент сможет быть излечен.
Процедура, показанная на рис. 20.22, была ис-
пользована в испытаниях генной терапии тяжело-
го комбинированного иммунодефицита. В иссле-
довании, начатом во Франции в 2000 году, десять
детей раннего возраста с ТКИД лечили по этой
методике. У девяти из этих пациентов наблюда-
лось значительное улучшение состояния после
двух лет лечения; это было первым бесспорным
успехом генной терапии. Тем не менее у трех из
пациентов впоследствии развился лейкоз (раз-
новидность рака крови), и один из них умер. Ис-
следователи пришли к выводу, что вставка ретро-
вирусного вектора, вероятно, произошла вблизи
гена, который вызывает пролиферацию клеток
крови. Используя вирусный вектор, полученный
не из ретровируса, клинические исследователи
лечили с некоторым успехом по меньшей мере
еще три других генетических заболевания: один
из типов прогрессирующей слепоты, дегенератив-
ное заболевание нервной системы и болезнь кро-
ви, затрагивающую ген 0-глобина. В этих успеш-
ных испытаниях принимало участие небольшое
количество пациентов, но все же их результат вы-
зывает умеренный оптимизм.
Перед генной терапией стоит ряд технических
вопросов. Например, как можно регулировать ак-
тивность перенесенного гена таким образом, что-
бы клетки производили необходимое количество
продукта гена в нужное время и в нужном месте?
Как мы можем быть уверены, что введение тера-
певтического гена не навредит каким-либо дру-
гим важным функциям клетки? По мере накопле-
ния информации о регуляторных элементах ДНК
и о взаимодействиях генов у исследователей появ-
ляется возможность ответить на такие вопросы.
В дополнение к техническим проблемам, ген-
ная терапия вызывает этические вопросы. Не-
которые критики считают, что манипуляции с
генами человека в любом случае являются амо-
ральными или неэтичными. Другие наблюдатели
не видят принципиальной разницы между транс-
плантации генов в соматические клетки и транс-
плантацией органов. Вы можете задаться во-
просом, рассматривают ли ученые возможность
получения клеток зародышевой линии человека
в надежде исправить недостатки в будущих поко-
лениях. В настоящее время никто в основной ча-
сти научного сообщества не преследует эту цель,
она считается слишком рискованной. Однако та-
кая генная инженерия регулярно проводится для
лабораторных мышей, и технические проблемы,
связанные с подобными экспериментами для лю-
дей, в конечном итоге будут решены. При каких
обстоятельствах, если таковые имеются, мы мо-
жем изменять геномы репродуктивных линий
клеток человека? Приведет ли это неизбежно к
практике евгеники, целенаправленным усилиям
по контролю генетического состава популяции
человека? Мы не сможем решить эти вопросы
прямо сейчас, однако с ними необходимо счи-
таться, потому что, вероятно, они будут подняты
вновь в определенный момент в будущем.
Фармацевтическая продукция
Фармацевтическая промышленность развива-
ется благодаря достижениям в области ДНК-тех-
нологий и генетических исследований, исполь-
зуя их в разработке лекарств. Фармацевтическую
продукцию синтезируют с использованием мето-
дов органической химии или биотехнологии, в за-
висимости от природы продукта.
Синтез небольших молекул для использова-
ния в качестве лекарственных средств. Опре-
деление последовательности и структуры бел-
ков, важных для выживания опухолевых клеток,
привело к идентификации малых молекул, блоки-
рующих функции этих белков; эти молекулы ис-
пользуют для борьбы с некоторыми видами рака.
Один из таких препаратов — иматиниб (торговое
название Гливек (Gleevec)) — представляет собой
небольшую молекулу, которая ингибирует специ-
фическую рецепторную тирозинкиназу (рис. 11.8,
6-10, глава 11). Избыточная экспрессия этого ре-
цептора вследствие хромосомной транслокации
играет важную роль в возникновении хрониче-
ского миелолейкоза (ХМЛ; см. рис. 15.16 в главе 15).
Пациенты на ранних стадиях ХМЛ, которых лечи-
ли иматинибом, демонстрируют состояние почти
завершенной, стойкой ремиссии рака. Препараты,
работающие аналогичным образом, были также с
успехом использованы для лечения несколько ти-
пов рака легких и молочной железы. Применение
этого подхода является возможным только в от-
ношении типов рака, молекулярная основа воз-
никновения которых достаточно хорошо изучена.
Во многих случаях лечения таких опухолей, тем
не менее, возникают клетки, устойчивые к новому
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 565
препарату. В одном исследовании весь геном опу-
холевых клеток секвенировали как до, так и после
появления лекарственной устойчивости. Сравне-
ние последовательностей показало генетические
изменения, которые позволили опухолевым клет-
кам обойти ингибирование белка лекарством.
Таким образом, мы можем видеть, что раковые
клетки демонстрируют принципы эволюции: не-
которые опухолевые клетки имеют случайную
мутацию, которая позволяет им выживать в при-
сутствии конкретного препарата, и как следствие
естественного отбора в присутствии препарата эти
клетки выживают и размножаются.
Производство белка в клеточных культу-
рах. Фармацевтические продукты, являющиеся
по своей природе белками, обычно синтезиру-
ют в большом масштабе с использованием кле-
точных культур. Ранее в этой главе вы узнали о
клонировании ДНК и системах экспрессии генов
для производства большого количества выбран-
ного белка, присутствующего в природе в малых
количествах. Клетки-хозяева, используемые в та-
ких системах экспрессии, могут даже быть дора-
ботаны так, чтобы секретировать белок по мере
его синтеза в клетке, тем самым упрощая задачу
его очистки с помощью традиционных биохими-
ческих методов.
Одними из первых фармацевтических препа-
ратов, изготовленных таким образом, были чело-
веческий инсулин и гормон роста человека (со-
матотропный гормон, СТГ). В США примерно
два миллиона человек больны сахарным диабе-
том, и им жизненно необходим инсулин. Гормон
роста человека был спасением для детей, рожден-
ных с формой карликовости, вызванной понижен-
ным количеством гормона роста. Другим важным
фармацевтическим продуктом, полученным пу-
тем генной инженерии, является тканевый акти-
ватор плазминогена (ТАП). Если его вводить сразу
после сердечного приступа, ТАП помогает раство-
рять сгустки крови и снижает риск последующих
сердечных приступов.
В последние 25 лет ученые также работали над
производством белков в растительных клеточных
культурах. Они использовали недавние успехи в
биотехнологии, чтобы с помощью культуры кле-
ток моркови синтезировать фермент, участвую-
щий в расщеплении жира, который используется
для лечения редких заболеваний человека. Расти-
тельные клетки легко выращивать в культуре (см.
рис. 20.15), они менее требовательны к условиям
культивирования, чем клетки животных. Кроме
того, они не подвержены заражению вирусами,
которые могут инфицировать животных — ситу-
ация, которая может внезапно остановить произ-
водство фермента на некоторое время. Вероятно,
в будущем эти методы будут распространены на
другие терапевтические белки.
Производство белка “фармацевтическими99
животными. В некоторых случаях вместо исполь-
зования клеточных систем для получения боль-
ших количеств белковых продуктов, ученые-фар-
мацевты могут использовать целых животных.
Они могут ввести ген из животного одного ге-
нотипа в геном другого животного, часто друго-
го вида; последняя особь в таком случае называ-
ется трансгенным животным. Для этого ученые
сначала отбирают яйцеклетки женской особи ви-
да-реципиента и оплодотворяют их in vitro. В то
же время они клонируют нужный ген из организ-
ма-донора. Затем они вводят клонированную ДНК
непосредственно в ядра оплодотворенных яйце-
клеток. Некоторые из клеток интегрируют чуже-
родную ДНК — трансген — в свой геном и ока-
зываются способны экспрессировать чужеродный
ген. Полученные генно-инженерным образом эм-
брионы, которые развиваются из зигот, затем им-
плантируют суррогатной матери. Если зародыш
развивается успешно, в результате получается
трансгенное животное, которое экспрессирует но-
вый, “чужой” ген.
Если предположить, что введенный ген ко-
дирует белок, который необходимо получить в
больших количествах, то такие трансгенные жи-
вотные могут выступать в качестве фармацевти-
ческих “заводов”. Например, трансген для белка
крови человека антитромбина, который предот-
вращает образование тромбов, может быть ин-
тегрирован в геном козы таким образом, что
продукт трансгена секретируется в молоко жи-
вотного (рис. 20.23).
Затем белок выделяют из молока (что проще,
чем выделение из клеточной культуры). Белки че-
ловека, продуцируемые в трансгенных сельско-
хозяйственных животных для использования в
организме человека, могут отличаться в некото-
рых отношениях от естественно произведенных
белков человека, возможно, из-за тонких разли-
чий в модификации белка. Поэтому такие белки
должны быть очень тщательно проверены, чтобы
убедиться, что они (или загрязняющие вещества
из сельскохозяйственных животных) не вызовут
566 ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
аллергические реакции или другие побочные эф-
фекты у пациентов, которые их получают.
Рис. 20.23. Козы как “фармацевтические" животные. В гено-
ме этой трансгенной козы содержится ген, экспрессирую-
щий антитромбин (белок крови человека), который она се-
кретирует в молоко. Пациенты с редким наследственным
расстройством, для которого характерно отсутствие этого
белка, страдают от образования тромбов в кровеносных со-
судах. Антитромбин можно легко выделить из козьего моло-
ка и затем использовать для предотвращения образования
тромбов у таких пациентов в ходе операций или родов
Судебные доказательства
и генетические профили
В преступлениях с применением насилия био-
логические жидкости или маленькие кусочки тка-
ни могут быть оставлены на месте или на одежде
или других вещах потерпевшего или нападающе-
го. Если имеется достаточное количество крови,
спермы или ткани, лаборатория судебной экспер-
тизы может определить тип крови или тип тка-
ни с использованием антител для обнаружения
специфических белков клеточной поверхности.
Однако для таких тестов требуются довольно све-
жие образцы в относительно больших количе-
ствах. Кроме того, поскольку многие люди имеют
одну и ту же группу крови или тип тканей, этот
подход может только исключить подозреваемо-
го, но не может обеспечить убедительные доказа-
тельства вины.
С другой стороны, по анализу ДНК можно
определить виновного с высокой степенью досто-
верности, потому что последовательность ДНК
каждого человека уникальна (исключением яв-
ляются близнецы). Изменяющиеся в популяции
генетические маркёры определенного человека
могут быть проанализированы для того, чтобы
установить его уникальный набор генетических
маркёров, или генетический профиль. (Судеб-
но-медицинские эксперты предпочитают именно
этот термин, так как он подчеркивает наследуе-
мую природу этих маркёров, в отличие от терми-
на “ДНК-фингерпринтинг” который указывает на
то, что маркёры представляют собой набор по-
лос в геле, который, как отпечатки пальцев, мож-
но визуально распознать.) ФБР начали применять
ДНК-технологии в судебно-медицинской экспер-
тизе в 1988 году, используя метод, включающий
гель-электрофорез и гибридизацию нуклеиновых
кислот для обнаружения сходств и различий в об-
разцах ДНК. Этот метод требует гораздо меньших
количеств образца крови или ткани, чем в преды-
дущих методах — лишь около 1000 клеток.
Сегодня судебно-медицинские эксперты ис-
пользуют еще более чувствительный метод, в
основе которого лежат вариации в длине гене-
тических маркёров, называемых короткие тан-
демные повторы (short tandem repeats — STR).
Это блоки от двух до пяти нуклеотидов, тандем-
но повторяющиеся в определенных областях ге-
нома. Количество повторов, присутствующих в
этих областях, сильно варьируется от человека к
человеку (полиморфизм), и даже для одного че-
ловека, два аллеля STR могут отличаться друг от
друга. Например, один человек может иметь по-
следовательность АСАТ, повторяющуюся 30 раз
в одном локусе генома и 15 раз в том же локусе
другой гомологичной хромосомы, в то время как
другой человек может иметь 18 повторов в этом
локусе каждого гомолога. (Эти два генотипа мож-
но описать двумя парами цифр: 30,15 и 18,18.) Для
амплификации определенных STR используют
ПЦР с соответствующими наборами праймеров,
которые содержат в своем составе разноцветные
флуоресцентные метки; длина области и соответ-
ственно количество повторов могут быть опреде-
лены с помощью электрофореза. Наличие стадии
ПЦР позволяет использовать этот метод, даже
если ДНК находится в плохом состоянии или
только в незначительных количествах. Образец
ткани, содержащей всего 20 клеток, может быть
достаточным для ПЦР-амплификации.
В деле об убийстве, например, этот метод мо-
жет быть использован для сравнения образцов
ДНК подозреваемого, потерпевшего и неболь-
шого количества крови, обнаруженного на месте
преступления. Судебно-медицинские эксперты
тестируют лишь несколько отдельных участков
ДНК — обычно 13 STR-маркёров. Тем не менее
даже этот небольшой набор маркёров может обес-
печить необходимый для криминалистов генети-
ГААВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 567
ческий профиль, так как вероятность того, что
два человека (которые не являются идентичны-
ми близнецами) будут иметь одинаковый набор
STR-маркёров невероятно мала. “Проект Невино-
вность” — некоммерческая организация, занима-
ющаяся отменой несправедливых осуждений, ис-
пользует STR-анализ архивных образцов с мест
преступлений при пересмотре старых судебных
дел. По состоянию на 2013 год более 300 невин-
ных людей были освобождены из тюрьмы в ре-
зультате судебно-правовой работы этой группы
(рис. 20.24).
а) В1984 году Эрл Вашингтон
был осужден и приговорен
к смертной казни за изнаси-
лование и убийство Ребекки
Уильямс, которое он якобы
совершил в 1982 году В связи
с появившимися сомнениями
относительно доказательств
в 1993 году приговор был за-
менен на пожизненное за-
ключение. В 2000 году судебно-
медицинские эксперты из
проекта “Невиновность"
провели STR-анализ, результа-
ты которого убедительно свидетельствовали о его невиновно-
сти. Эта фотография Эрла Вашингтона была сделана перед
его освобождением в 2001 году, после 17 лет, проведённых
в тюрьме.
Откуда был взят образец STR-маркер 1 STR-маркер 2 STR-маркер 3
Сперма на жертве 17,19 13,16 12,12
Эрл Вашингтон 16,18 14,15 11,12
Кеннет Тинсли 17,19 13,16 12,12
б) В ходе STR-анализа выбранные участки STR-маркеров в образ-
це ДНК амплифицируют с помощью ПЦР, после чего продукты
разделяют посредством электрофореза. В результате мы мо-
жем понять, сколько повторов присутствует в образце для каж-
дого STR-локуса. Человек имеет два аллеля на каждый STR-локус,
каждый из которых содержит определённое число повторов.
В этой таблице приведено количество повторов для трёх STR-
маркеров в трёх образцах: образец спермы, найденной
на жертве; образец, взятый у Вашингтона, и образец, взятый
у другого человека (Кеннета Тинсли), который сидел в тюрьме
по причине, не связанной с данным делом. Эти и другие дан-
ные STR-анализа (не показаны) привели к оправданию Вашинг-
тона и признанию Тинсли виновным в убийстве.
Рис. 20.24. STR-анализ помог освободить невиновного челове-
ка из тюрьмы
Генетические профили также могут быть по-
лезны для решения других задач. Сравнение ДНК
матери, ее ребенка, а также предполагаемого отца
может окончательно решить вопрос об отцов-
стве. Иногда отцовство представляет историче-
ский интерес: генетические профили убедитель-
но показали, что Томас Джефферсон или один из
его близких родственников мужского пола был
отцом по крайней мере одного из детей его рабы-
ни Салли Хемингс. Генетические профили также
могут помочь идентифицировать жертв массовых
катастроф. Крупнейшая из таких работ была вы-
полнена после нападения на Всемирный торговый
центр в 2001 году; более 10 000 образцов останков
погибших были сопоставлены с образцами ДНК
на личных вещах, таких как электрические зуб-
ные щетки, предоставленных членами их семей.
В итоге судебно-медицинским экспертам удалось
идентифицировать почти 3000 жертв, используя
эти методы.
Насколько надежен генетический профиль?
Чем больше количество маркёров проверено в об-
разце ДНК, тем более вероятно, что профиль яв-
ляется уникальным для одного человека. В судеб-
но-медицинской практике при использовании
STR-анализа 13 маркёров вероятность появления
двух людей, имеющих одинаковые ДНК-профили,
находится где-то между одним случаем на 10 мил-
лиардов и одним на несколько триллионов. (На-
селение Земли составляет от 7 до 8 миллиардов
человек.) Точная вероятность зависит от средней
частоты этих маркёров в популяции. Важной яв-
ляется информация о том, как часто различные
маркёры встречаются внутри разных групп лю-
дей, так как частоты маркёров могут значитель-
но различаться между этническими группами,
внутри определенной этнической группы и сре-
ди населения в целом. С увеличением доступно-
сти данных о частоте встречаемости, судебно-ме-
дицинские эксперты смогут делать очень точные
статистические расчеты. Таким образом, несмот-
ря на проблемы, которые все еще могут возникать
из-за недостатка данных, человеческих ошибок
или недостатка доказательств, генетические про-
фили теперь принимаются экспертами и учеными
как неопровержимые доказательства в правовых
вопросах.
Очистка окружающей среды
Все чаще замечательная способность некото-
рых микроорганизмов преобразовывать химиче-
ские вещества используется для очищения окру-
жающей среды. Если условия, необходимые для
выращивания таких микробов, делают их непри-
568 ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
годными для непосредственного использования,
ученые могут передать гены, обеспечивающие их
ценные метаболические свойства, другим микро-
организмам, которые затем могут быть использо-
ваны для решения проблем окружающей среды.
Например, многие бактерии способны извлекать
тяжелые металлы, такие как медь, свинец и ни-
кель, из окружающей среды и включать их в та-
кие соединения, как сульфат меди или сульфата
свинца, которые можно легко переработать. По-
лученные с помощью генетической инженерии
микробы могут играть важную роль как в гор-
нодобывающей промышленности (особенно по
мере истощения запасов руды), так и в процес-
се очистки высокотоксичных отходов горнодо-
бывающей промышленности. Биотехнологи так-
же пытаются создать микроорганизмы, которые
смогли бы перерабатывать хлорированные угле-
водороды и другие вредные соединения. Эти
микроорганизмы могут быть использованы при
очистке сточных вод или на производствах до
того, как вредные соединения попадут в окружа-
ющую среду.
Применение в сельском хозяйстве
Ученые работают над тем, чтобы расширять
свои знания о геномах наиболее важных с сель-
скохозяйственной точки зрения растений и жи-
вотных. В течение ряда лет они использовали
ДНК-технологии в целях повышения продуктив-
ности сельского хозяйства. Селекция как в жи-
вотноводстве, так и в культурах сельскохозяй-
ственных растений, использовала естественно
возникающие мутации и генетические рекомби-
нации в течение тысячелетий.
Как было описано ранее, ДНК-технологии по-
зволяют ученым получать трансгенных живот-
ных, что ускоряет процесс селекции. Цели соз-
дания трансгенных животных часто совпадают с
целями традиционной селекции, например выве-
сти овец с лучшим качеством шерсти, свиньей с
более постным мясом или коров, которые дости-
гали бы зрелости в более короткие сроки. Ученые
могли бы, например, идентифицировать и клони-
ровать ген, который вызывает развитие крупных
мышц (мышцы составляют большую часть мяса,
которое мы едим), в одну породу крупного рога-
того скота и передать его другим породам круп-
ного рогатого скота или даже овцам. Тем не ме-
нее такие проблемы, как низкая рождаемость
или повышенная восприимчивость к болезням,
не являются редкостью среди сельскохозяйствен-
ных животных, несущих гены от других видов.
Здоровье и благополучие животных являются
важными вопросами, которые следует учитывать
при разработке трансгенных животных.
Ученые-агротехники уже вывели ряд куль-
турных растений с генами желаемых призна-
ков, таких как более длительное плодоношение и
устойчивость к болезням или гниению, а также
к засухам. Наиболее часто используемым векто-
ром для введения новых генов в клетки растений
является Ti-плазмида, выделенная из почвенной
бактерии Agrobacterium tumefaciens. Эта плазми-
да интегрирует сегмент своей ДНК в хромосо-
мную ДНК растительной клетки-хозяина. Для
того чтобы получить трансгенное растение, ис-
следователи создают плазмиду, несущую пред-
ставляющие интерес гены, и вводят ее в клетки.
Для многих видов растений одиночная клет-
ка, выращенная в культуре, может развиться во
взрослое растение (см. рис. 20.15). Таким образом
генетические манипуляции могут быть выпол-
нены на обычной соматической клетке, а затем
клетка используется для создания организма с
новыми признаками.
Генная инженерия быстро вытесняет традици-
онные программы селекции растений, особенно
в случае таких полезных признаков, как устойчи-
вость к гербицидам или к вредителям, определяе-
мая одним или несколькими генами. Злаки, моди-
фицированные бактериальным геном, делающим
растения устойчивыми к гербицидам, могут бла-
гополучно расти на поле, в то время как сорняки
будут уничтожаться, а генетически модифициро-
ванные культуры, устойчивые к вредным насе-
комым, уменьшат потребность в химических ин-
сектицидах. В Индии вставка гена устойчивости
к солености из мангрового дерева в геномы не-
скольких сортов риса привела к появлению расте-
ний риса, которые могут расти в воде в три раза
более соленой, чем морская. Исследовательский
фонд, который осуществил этот подвиг генной
инженерии, считает, что одна треть всех ороша-
емых земель имеет высокую соленость из-за из-
быточного полива и интенсивного использования
химических удобрений, представляющих серьез-
ную угрозу снабжению продовольствием. Таким
образом, устойчивые к солености культурные
растения будут чрезвычайно востребованы во
всем мире.
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 569
Безопасность и этические вопросы,
поднимаемые ДНК-технологиями
Первые опасения по поводу возможных опас-
ностей технологий рекомбинантной ДНК, были
связаны с вероятностью того, что могут быть соз-
даны новые опасные патогены. Что могло бы про-
изойти, например, если бы гены раковых клеток
оказались переданы в бактерии или вирусы? Что-
бы защититься от таких микробов-изгоев, уче-
ные разработали набор руководящих принципов,
которые были приняты в качестве официальных
правительственных постановлений в США и не-
которых других странах. Одна из мер безопасно-
сти представляет собой множество строгих ла-
бораторных процедур, предназначенных для
защиты исследователей от заражения созданны-
ми микробами и предотвращения случайного пе-
реноса микробов за пределы лаборатории. Кроме
того, штаммы микроорганизмов, которые исполь-
зуют в экспериментах с рекомбинантными ДНК,
генетически повреждены, чтобы гарантировать,
что они не смогут выжить вне лаборатории. Нако-
нец, некоторые, очевидно опасные эксперименты
были запрещены.
Сегодня большая доля беспокойства обще-
ственности по поводу возможных опасностей со-
средоточена не на рекомбинантных микроорга-
низмах, а на генетически-модифицированных
(ГМ) организмах, используемых в качестве пищи.
ГМ-организм — это организм, который искус-
ственным путем приобрел один или несколько
генов других видов или даже другого сорта того
же вида. Некоторые лососи, например, были гене-
тически модифицированы при добавлении более
активного гена гормона роста лосося. Тем не ме-
нее, большинство ГМ-организмов, которые пред-
ставлены среди наших продуктов питания, — это
не животные, а культурные растения.
ГМ-зерновые растения широко распростране-
ны в США, Аргентине и Бразилии; вместе на эти
страны приходится более 80% посевных площадей
таких растений в мире. В США большая часть ку-
курузы, сои, рапса и злаков генетически модифи-
цированы, а ГМ-продукты не обязательно должны
быть маркированы на упаковках товаров в настоя-
щее время. Тем не менее те же самые продукты яв-
ляются постоянным предметом споров в Европе,
где “ГМ-революция” встретила сильную оппози-
цию. Многие европейцы обеспокоены безопасно-
стью генетически модифицированных пищевых
продуктов и возможными экологическими послед-
ствиями выращивания ГМ-растений. В 2000 году,
переговорщики из 130 стран договорились о про-
токоле по обеспечению биобезопасности, который
требует от экспортеров маркировать продукты,
содержащие в своем составе генетически модифи-
цированные организмы, присутствующих в боль-
шой доле поставок продовольствия, и позволя-
ет странам-импортерам решать, представляют ли
данные продукты риски для окружающей среды
или здоровья. (Хотя США отказались подписать
данное соглашение, оно тем не менее вступило в
силу, так как большинство стран выступило в его
пользу.) С тех пор европейские страны отказались
от импорта злаковых культур из США и некото-
рых других стран, что привело к торговым спорам.
Хотя небольшое количество ГМ-злаковых культур
было выращено на европейской почве, эти про-
дукты, как правило, не пользуются спросом на
местных рынках, и будущее ГМ-культур в Европе
остается неопределенным.
Сторонники осторожного подхода к ГМ-зла-
ковым культурам опасаются, что трансгенные
растения могут передать свои новые гены их
близким дикорастущим родственникам в близле-
жащих местах. Мы знаем, что газонные травы и
злаковые культуры обычно обмениваются гена-
ми со своими дикорастущими родственниками с
помощью передачи пыльцы. Если бы культурные
растения, несущие гены устойчивости к герби-
цидам, болезням и насекомым-вредителям, опы-
лили дикорастущие растения, потомством могли
бы стать “суперсорняки” которые было бы очень
трудно контролировать. Также представляют бес-
покойство возможные риски ГМ-продуктов для
здоровья человека. Некоторые люди опасаются,
что белковые продукты трансгенов могут приве-
сти к аллергическим реакциям. Хотя есть некото-
рые свидетельства того, что это может произойти,
сторонники ГМ-продуктов утверждают, что эти
белки могут быть проверены заранее, чтобы избе-
жать получения продуктов, вызывающих аллер-
гические реакции.
Сегодня правительства и регулирующие ор-
ганы во всем мире борются над тем, как облег-
чить использование биотехнологии в сельском
хозяйстве, промышленности, медицине, обеспе-
чивая при этом безопасность новых продуктов и
методов. В США такие приложения биотехноло-
гии оцениваются на предмет потенциальных ри-
сков различными регулирующими органами, в
570 ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
том числе Агентством пищевых продуктов и ме-
дикаментов, Агентством по охране окружающей
среды, Национальным институтом здравоохране-
ния и Министерством сельского хозяйства. Меж-
ду тем эти же агентства и общественность долж-
ны учитывать этические последствия применения
биотехнологий.
Успехи в области биотехнологий позволили
нам получить полные последовательности генома
человека и многих других видов — это огромный
информационный клад. Мы можем спросить, чем
определенные гены отличаются от вида к виду, а
также как протекает эволюция генов и в конечном
счете целых геномов. (Данные вопросы обсужда-
ются в главе 21.) В то же время, увеличение скоро-
сти и падение стоимости секвенирования геномов
индивидуумов поднимает значительные этиче-
ские вопросы. Кто может иметь право исследовать
чью-то еще генетическую информацию? Как сле-
дует использовать эту информацию? Может ли
геном человека быть фактором, определяющим
пригодность при приеме на работу или при стра-
ховании? Этические соображения, а также опасе-
ния по поводу возможной опасности для экологии
или здоровья, скорее всего, замедлят некоторые
приложения биотехнологии. Всегда существует
опасность, что слишком большое количество ре-
гулирующих процедур задушат фундаментальные
исследования и их потенциальные преимущества.
Тем не менее мощь ДНК-технологий и генной ин-
женерии — нашей способности глубоко и быстро
изменять виды, которые эволюционировали на
протяжении тысячелетий — требуют от нас как
скромности, так и осторожности.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 20.4
1.
2.
3.
А ЧТО, ЕСЛИ?
Каковы преимущества использования стволовых клеток в
генной терапии?
Перечислите по меньшей мере три различных свойства,
приобретенных зерновыми культурами с помощью генной
инженерии.
Представьте, что вы являетесь врачом, и у
вас есть пациент с симптомами, подходящими под описа-
ние гепатита А, но вы не смогли обнаружить белки вируса в
крови. Помня о том, что гепатит А является РНК-вирусом, ка-
кие лабораторные тесты вы могли бы провести, чтобы про-
верить свой диагноз? Объясните результаты, которые под-
держали бы ваше предположение.
Ответы см. в Приложении А.
Обзор главы
20.1. СЕКВЕНИРОВАНИЕ И КЛОНИРОВАНИЕ ДНК -
ЦЕННЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ
И БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
• Гибридизация нуклеиновых кислот — комплемен-
тарное спаривание одной цепи нуклеиновой кисло-
ты с комплементарной последовательностью цепи
другой молекулы нуклеиновой кислоты — широко
используется в ДНК-технологиях.
• Секвенирование ДНК может быть проведено с ис-
пользованием метода дидезоксинуклеотидного “об-
рыва'* 1 * * цепи в автоматических секвенаторах.
• Методы секвенирования нового поколения (высо-
копроизводительного секвенирования) основаны
на секвенировании посредством синтеза: ДНК-по-
лимеразу используют для синтеза фрагмента ДНК
на одноцепочечной матрице, при этом порядок до-
бавления нуклеотидов в процессе синтеза отражает
последовательность исходной ДНК.
• Клонирование генов (или ДНК-клонирование) при-
водит к получению нескольких копий гена (или ДНК-
фрагмента), которые можно использовать при ана-
лизе и манипулировании ДНК, что в результате мо-
жет дать новый продукт или организм с полезными
свойствами.
• В генной инженерии бактериальные ферменты ре-
стрикции используют для разрезания молекулы
ДНК в пределах короткой специфической последо-
вательности нуклеотидов (сайт рестрикции), что
в результате дает двухцепочечный фрагмент ре-
стрикции с одноцепочечными “липкими” концами:
5' 3' 5’ 3'
Г • 1ААТТС □
। citato —।
3' 5' / 3' 5'
Липкий конец
• “Липкий” конец фрагмента рестрикции из одного
источника ДНК может гибридизоваться с компле-
ментарным “липким” концом фрагментов других
молекул ДНК. Сшивание гибридизующихся фраг-
ментов ДНК-лигазой приводит к образованию ре-
комбинантной молекулы ДНК.
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 571
• Фрагменты рестрикции ДНК разных длин могут
быть разделены с помощью гелъ-электрофореза.
• Полимеразная цепная реакция (ПЦР) может при-
вести к получению многих копий специфического
целевого фрагмента ДНК in vitro (амплификация) с
помощью праймеров к выбранной области и термо-
стабильной ДНК-полимеразы.
• Чтобы клонировать эукариотический ген, рекомби-
нантные плазмиды помещают в хозяйские клетки,
каждая из которых делится, формируя клон клеток.
Вектор
для кло- .
нирования [
(часто это V
бактериаль-
ная плазмида)
Фрагменты ДНК, полученные
с помощью ПЦР или каким-либо
другим способом (разрезаются
тем же ферментом рестрикции,
что и вектор)
Смешиваем и лигируем
Рекомбинантные плазмиды
• Несколько технических трудностей препятствуют
экспрессии клонированных эукариотических генов
в бактериальных клетках-хозяевах. Использование
культивируемых эукариотических клеток совмест-
но с подходящими экспрессионными векторами
помогает избежать данные проблемы.
а Опишите, как процесс клонирования генов приво-
дит к появлению клона клетки, содержащего рекомби-
нантную плазмиду.
20.2. БИОЛОГИ ИСПОЛЬЗУЮТ ДНК-
ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭКСПРЕССИИ
И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГЕНОВ
• Несколько различных методов используют гибри-
дизацию нуклеотидных зондов для детектирова-
ния определенных мРНК.
• Гибридизация in situ и ОТ-ПЦР могут определить
присутствие данной мРНК в ткани и в образце
мРНК, соответственно.
• ДНК-микрочипы используют для идентификации
наборов генов, ко-экспрессирующихся группами
клеток. Также кДНК из этих клеток можно секвени-
ровать (PHK-seq).
• Для гена с неизвестной функцией эксперименталь-
ная инактивация гена (“нокаут” гена) и наблюдение
за получившимися в результате фенотипически-
ми эффектами может дать подсказку относитель-
но функции гена. У человека полногеномный ассо-
циативный анализ использует однонуклеотидные
полиморфизмы (SNP) как генетические маркёры
аллелей, ассоциированных с определенными забо-
леваниями.
п Какая важная информация может быть получена
при определении уровня экспрессии тех или иных генов?
20.3. КЛОНИРОВАННЫЕ ОРГАНИЗМЫ
И СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ МОГУТ БЫТЬ
ИСПОЛЬЗОВАНЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ДРУГИХ ПРАКТИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
• Вопрос о том, все ли клетки в организме имеют оди-
наковый геном, послужил причиной для первых по-
пыток клонирования организмов.
• Одиночные дифференцированные клетки растений
часто тотипотентны: они способны дать начало
любой ткани нового растения.
• Перенос ядра из дифференцированной клетки жи-
вотного в лишенную ядра яйцеклетку может иногда
привести к появлению нового животного.
• Определенные эмбриональные стволовые клет-
ки (ЭС-клетки) из эмбрионов животных и отдель-
ные стволовые клетки взрослых организмов могут
делиться и дифференцироваться как в лаборато-
рии, так и в организме, представляя потенциал для
медицинского применения. ЭС-клетки являются
плюрипотентными, и их сложно выделить. Ин-
дуцированные плюрипотентные стволовые клетки
(иПС-клетки), полученные за счет перепрограмми-
рования дифференцированных клеток, напоминают
ЭС-клетки тем, что они могут дифференцировать-
ся. Некоторые дифференцированные клетки были
непосредственно перепрограммированы в клетки
других типов. Эти клетки и иПС-клетки открывают
многообещающие перспективы для медицинских
исследований и регенеративной медицины.
D Опишите, как исследователь может провести
1) клонирование организма; 2) получение ЭС клеток;
3) получение иПС клеток, останавливаясь подробнее
на том, как можно перепрограммировать клетки, и ис-
пользуя в качестве примера мышей. (В основных чертах
методы одинаковы для людей и мышей.)
20.4. ПРИКЛАДНЫЕ ДНК-ТЕХНОЛОГИИ ВО МНОГИХ
ОТНОШЕНИЯХ ВЛИЯЮТ НА НАШУ ЖИЗНЬ
• ДНК-технологии, включая анализ генетических
маркёров, таких как SNP, все чаще используют для
диагностики генетических и других заболеваний;
они предоставляют потенциал для лучшего лечения
генетических расстройств (или полного исцеления
с помощью генной терапии), а также позволяют
получить информацию для более разумного выбора
лечения рака. ДНК-технологии используют в куль-
турах клеток для получения больших количеств
572 ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
гормонов и других терапевтических белков. Неко-
торые лекарственные белки получают в трансген-
ных “фармацевтических” животных.
• Анализ генетических маркёров, таких как корот-
кие тандемные повторы (STR), в ДНК, выделен-
ных из тканей или физиологических жидкостей,
найденных на месте преступления, привел к фор-
мированию понятия генетический профиль. Ис-
пользование генетических профилей может слу-
жить определяющим доказательством виновности
или невинности подозреваемого в преступлении.
Такой анализ также полезен при определении от-
цовства или идентификации останков жертв пре-
ступлений.
• Созданные с помощью генной инженерии микроор-
ганизмы могут быть использованы при добыче ми-
неральных веществ из окружающей среды или при
переработке различных типов токсичных отходов.
• Целью получения трансгенных растений и живот-
ных является улучшение сельскохозяйственной про-
дуктивности и качества пищи.
• Потенциальные преимущества генной инженерии
должны быть внимательно сопоставлены с потенци-
альным вредом для человека и окружающей среды.
Какие факторы влияют на то, будет ли успешным
лечение определенного генетического расстройства с
помощью генной терапии?
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. В ДНК-технологиях термин вектор может отно-
ситься к:
а) ферменту, который режет ДНК на фрагменты ре-
стрикции;
6) “липким” концам ДНК-фрагмента;
в) “липким” концам ДНК-фрагмента;
г) плазмиде, которая используется для переноса
ДНК в живые клетки.
2. Для какого из следующих инструментов ДНК-тех-
нологий неверно указано его применение?
а) Электрофорез — разделение ДНК-фрагментов.
6) ДНК-лигаза — разрезание ДНК с созданием
“липких” концов фрагмента рестрикции.
в) ДНК-полимераза — полимеразная цепная реак-
ция, чтобы амплифицировать фрагменты ДНК.
г) Обратная транскриптаза — создание кДНК на
матрице мРНК.
3. Растения легче использовать в генной инженерии,
чем животных, потому что
а) гены растений не содержат интронов;
б) для растений доступно большее количество век-
торов для переноса рекомбинантной ДНК;
в) соматическая клетка растения часто может сфор-
мировать целое растение;
г) клетки растений содержат более крупные ядра.
4. Палеонтологам удалось выделить небольшой ку-
сочек ткани из сохранившейся кожи 400-летней
вымершей птицы додо. Какой из следующих мето-
дов является более полезным для увеличения ко-
личества ДНК додо, доступного для исследования,
при сравнении специфических областей ДНК дан-
ного образца с ДНК ныне живущих птиц?
а) SNP-анализ.
6) Полимеразная цепная реакция (ПЦР).
в) Электропорация.
г) Гель-электрофорез.
5. ДНК-технологии имеют множество применений в
медицине. Какое, из приведенных ниже, не являет-
ся повсеместно применяемым на данный момент?
а) Получение гормонов для лечения карликовости и
диабета.
б) Получение микробов, перерабатывающих токсины,
в) Введение полученных с помощью генной инже-
нерии генов в половые клетки человека.
г) Пренатальная диагностика аллелей генетических
заболеваний.
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
6. Что из следующих утверждений неверно для кДНК,
полученной из мозга человека?
а) Она может быть амплифицирована полимераз-
ной цепной реакцией.
6) Она была получена из пре-мРНК с помощью об-
ратной транскрипции.
в) Она может быть помечена и использована, как
зонд, чтобы определить гены, которые экспресси-
руются в мозге.
г) В ней отсутствуют интроны пре-мРНК.
7. Экспрессия клонированного эукариотического гена
в бактериях сопряжена со многими трудностями.
Использование мРНК и обратной транскриптазы
является частью стратегии решения проблемы...
а) ...пост-транскрипционного процессинга;
б) ...пост-трансляционного процессинга;
в) ...гибридизации нуклеиновых кислот;
г) ...гибридизации нуклеиновых кислот.
8. Какая из следующих последовательностей в двух-
цепочечной ДНК наиболее вероятно узнается фер-
ментом рестрикции как сайт рестрикции?
a) AAGG б) GGCC в) АССА г) АААА
ТТСС CCGG TGGT ТТТТ
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Представьте, что вы изу-
чаете один из кристаллинов человека — белков,
присутствующих в хрусталике глаза (см. рис. 1.8).
ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология 573
ИЗОБРАЗИ!
Чтобы получить достаточное количество интересу-
ющего вас белка, вы решаете клонировать ген, кото-
рый кодирует данный белок. Предположим, что вам
известна последовательность гена. Какова страте-
гия вашей работы в таком случае?
10. Представьте, что вы клонируете ген
трубкозуба, используя бактериальную плазмиду,
как вектор. На зеленой схеме представлена плазми-
да, содержащая сайт рестрикции фермента, исполь-
зованного на рис. 20.6. Выше плазмиды изображен
линейный фрагмент ДНК трубкозуба, синтезиро-
ванный с помощью ПЦР.
5' GAAT TCTAAAGCGCT TATGAAT ТС 3'
3' СТ TAAGAT Т Т CGCGAA Т AC Т Т AAG 5'
ДНК трубкозуба
Плазмида
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Нарисуйте процесс клонирования с указанием того,
что будет происходить с данными молекулами в те-
чение каждого этапа. Используйте один цвет для
ДНК трубкозуба и другой цвет для плазмиды. От-
метьте каждый этап и все 5'- и З'-концы.
11. Упуская этические аспек-
ты, ответьте, как широкое распространение ДНК-
технологий сможет изменить направление эволю-
ции по сравнению с эволюционными механизмами,
работавшими последние четыре миллиарда лет?
12. 1!ГЛ1!1!МДРЯЯ^^:М!1Я1 Вы надеетесь изучить ген,
кодирующий белок-нейромедиатор, который экс-
прессируется в клетках мозга человека. Вы знаете
аминокислотную последовательность белка. Объяс-
ните, как бы вы а) определили, какие гены экспрес-
сируются в определенных клетках мозга, б) опре-
делили и изолировали ген этого нейромедиатора,
в) получили множество копий гена для дальнейше-
го исследования, и г) получили большие количества
нейромедиатора для оценки потенциальной лекар-
ственной значимости.
13. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ИНФОРМАЦИЯ”
В коротком эссе (100-150 слов) обсудите, почему
генетические основы жизни играют центральную
роль в биотехнологии.
Вода в Йеллоустонском национальном парке горя-
чих источников, показанном на рисунке, имеет тем-
пературу около 70°С.
Биологи предполагали, что ни один вид организ-
мов не может жить в воде выше примерно 55°С, и
были удивлены, обнаружив здесь несколько видов
бактерий, теперь называемых термофилами. Вы
изучили в этой главе, как фермент, полученный из
одного вида, Thermus aquaticus, сделал возможным
один из наиболее важных методов на основе ДНК,
используемых в лабораториях сегодня. Что это за
фермент, и какое значение имело его получение из
термофильной бактерии? Можете ли вы назвать
причины, по которым другие ферменты этой бак-
терии (или других термофилов) также могут быть
ценными?
Ответы см. в Приложении А.
574 ГЛАВА 20 ДНК-инструменты и биотехнология
Геномы и их эволюция
Рис. 21.1. Какая информация в геномах человека
и шимпанзе делает их отличными друг от друга?
21.1. Проект Теном человека" стал
стимулом для развития более
быстрых и дешевых технологий
секвенирования
21.2. Ученые используют
биоинформатику для анализа
геномов и их функций
21.3. Геномы различаются по
размеру числу генов и
плотности их расположения
21.4. Геномы многоклеточных
эукариот содержат
множество некодирующих
последовательностей ДНК и
мультигенных семейств
21.5. Дупликации, рекомбинации и
мутационные изменения ДНК
способствуют эволюции генома
21.6. Сравнение геномных
последовательностей дает
ключи к пониманию процессов
эволюции и развития
Читая листья древа жизни
Шимпанзе (Pan troglodytes) — наш ближайший род-
ственник на эволюционном древе жизни. Мальчик
на рис. 21.1 и его приятель-шимпанзе внимательно смотрят
на один и тот же лист, но только один из них может рас-
сказать об этом. Что отвечает за различие между двумя
приматами, у которых так много общего эволюционного
прошлого? Появление технологий быстрого полногеном-
ного секвенирования позволило нам начать рассуждать о
генетической основе таких различий.
Геном шимпанзе был секвенирован через два года после
того, как был в общих чертах закончен проект секвенирова-
ния генома человека. Теперь мы можем сравнить геномы че-
ловека и шимпанзе, основание за основанием, и попытаться
подойти к более общей задаче — понять, какие
различия в генетической информа-
ции ответственны за признаки,
различающиеся у этих двух
видов приматов.
◄ Домовая мышь (Mus musculus)
Кроме определения последовательности гено-
мов человека и шимпанзе, исследователи получи-
ли полные геномы кишечной палочки Escherichia
coli и многих других прокариот, а также таких
эукариот, как кукуруза Zea mays, плодовая мушка
дрозофила Drosophila melanogaster, домовая мышь
(на рис. выше), Mas musculus и орангутан Pongo
pygmaeus.
В 2010 году был опубликован черновой вариант
генома неандертальца Homo neanderthalensis —
вымершего вида, близко родственного современ-
ному человеку.
Эти полные и частичные геномы интерес-
ны и сами по себе, но они также дают возмож-
ность глубже понять эволюцию и другие биоло-
гические процессы. Распространение сравнения
геномов, начатое с геномов человека и шимпан-
зе, на геномы более далеких животных поможет
обнаружить гены, отвечающие за характеристи-
ки крупных систематических групп. Кроме того,
сравнение с геномами бактерий, архей, грибов,
простейших и растений поможет нам проследить
долгую эволюционную историю общих древних
генов и их продуктов.
Секвенированные геномы многих видов дают
ученым возможность изучать большие наборы
генов и их взаимодействия. Этот подход называ-
ется геномикой. Эксперименты по секвенирова-
нию геномов, на которых основан этот подход,
уже породили и продолжают порождать огром-
ные массивы данных. Необходимость работать
с постоянно увеличивающимся потоком инфор-
мации сформировала такую область науки, как
биоинформатика, применяющую компьютер-
ные методы к хранению и анализу биологических
данных.
Эту главу мы начнем с обсуждения двух под-
ходов к секвенированию геномов, а также успе-
хов биоинформатики и ее практического приме-
нения. Далее мы суммируем вкратце те знания,
которые удалось получить из геномов, секвениро-
ванных к настоящему времени. Затем мы опишем
примерное устройство генома человека как пред-
ставителя сложных многоклеточных эукариот.
И, наконец, мы обсудим современные представ-
ления об эволюции геномов и эволюции механиз-
мов развития, которые породили все огромное
многообразие существующих форм жизни.
211. Проект “Геном человека”
стал стимулом для развития
более быстрых и дешевых
технологий секвенирования
Проект “Геном человека” — амбициозное пред-
приятие по секвенированию человеческого гено-
ма — официально стартовал в 1990 году. В этом
проекте, организованном международным обще-
ственно-финансируемым консорциумом ученых
из университетов и исследовательских институ-
тов, участвовало 20 крупных центров секвениро-
вания из шести стран, а также множество других
лабораторий, работавших над более мелкими за-
дачами проекта.
После того как секвенирование генома чело-
века было в основном закончено в 2003 году, пос-
ледовательность каждой хромосомы была описана
и проанализирована в серии статей, последняя из
которых, описывающая хромосому 1, была опуб-
ликована в 2006 году. После этого уточнения
участники проекта сочли секвенирование челове-
ческого генома практически завершенным.
Конечной целью секвенирования любого ге-
нома является определение полной нуклеотидной
последовательности каждой хромосомы. Для ге-
нома человека эта задача была решена с помощью
автоматического секвенирования (см. рис. 20.2 в
главе 20) с использованием дидезоксинуклеотид-
ного метода “обрыва цепи”, описанного на рис. 20.3
(глава 20). Тем не менее даже с использованием
автоматических секвенаторов задача секвениро-
вать все три миллиарда пар оснований гаплоид-
ного набора хромосом человека представляла со-
бой серьезный вызов.
В самом деле, основным прорывом в проек-
те “Геном человека” была разработка техноло-
гии более быстрого секвенирования, описанная
в главе 20. С годами все трудоемкие этапы секве-
нирования были улучшены, что привело к суще-
ственному ускорению процесса: в то время как
хорошая лаборатория в 1980-х годах могла секве-
нировать по 1000 оснований в день, к 2000 году
каждый исследовательский центр, участвовав-
ший в проекте “Геном человека”, секвенировал по
1000 пар оснований в секунду 24 часа в день 7 дней
в неделю. Подобные технологии, дающие воз-
можность анализировать биологические матери-
алы очень быстро и получать огромные объемы
данных, называют высокопроизводительными.
576 Г ЛАВА 21 Геномы и их эволюция
Примером высокопроизводительных устройств
служат автоматические секвенаторы.
Для получения полной последовательности ге-
нома было использовано два дополняющих друг
друга подхода. Исходный подход, основанный на
методе “обрыва цепи” заложил основы прочтения
человеческого генома. Однако в 1998 году молеку-
лярный биолог Крейг Вентер основал компанию
Селера Дженомикс (Celera Genomics) и обнаро-
довал свое намерение секвенировать весь геном
человека с помощью альтернативной стратегии.
Полногеномное шот-ган секвенирование начина-
ется с клонирования и секвенирования разрезан-
ных случайным образом фрагментов ДНК. Затем
мощные компьютерные программы собирают по-
лучившееся огромное количество коротких пере-
крывающихся последовательностей в одну непре-
рывную последовательность (рис. 21.2).
О Дробление множе-
ства копий хромосом-
ной ДНК на перекрывающиеся
фрагменты, достаточно короткие
для секвенирования.
© Клонирование
фрагментов в плазмиды
или в другие вектора.
0 Секвениро-
вание каждого
фрагмента.
CGCr ATCAGT ДВ И ACGATACTGGT
AGTCCGCTATACGA
О Сборка после-
довательностей
фрагментов в одну
итоговую последо-
вательность с ис-
пользованием 1
II II
II II
-CGCCATCABCCGCTATACGATACWei-
компьютерных программ.
Рис. 21.2. Метод полногеномного шот-ган секвенирования.
В данном подходе, разработанном Дж. Крейгом Бентером
и коллегами из компании Celera Genomics, случайные фраг-
менты ДНК клонируют (см. рис. 20.5 в главе 20), секвенируют
(см. рис. 20.3 в главе 20), а затем упорядочивают относитель-
но друг друга
Q Фрагменты на этапе 2 данного рисунка расположены ха-
отично, а не упорядочено. Каким образом такое изображе-
ние отражает данный подход?
Хотя в настоящее время полногеномное шот-
ган секвенирование по-прежнему широко при-
меняется для некоторых задач, например, для
секвенирования областей с повторяющимися по-
следовательностями, в то же время использу-
ются и другие подходы. Разработка новых тех-
нологий секвенирования, основанных на синтезе
(см. рис. 20.4), привела к существенному увеличе-
нию скорости секвенирования и падению цены на
секвенирование даже целых геномов. Эти новые
технологии основаны на том, что одновременно
идет секвенирование огромного количества очень
маленьких фрагментов ДНК (порезанных случай-
ным образом, каждый длиной около 400-1000 пар
оснований), а потом компьютерные програм-
мы быстро собирают их в полную последователь-
ность. Благодаря чувствительности этих методов
секвенированы могут быть сами фрагменты ДНК,
а стадия клонирования (стадия 2 на рис. 21.2 в гла-
ве 20) перестает быть необходимой. В то время как
секвенирование первого генома человека заняло
13 лет и стоило 100 миллионов долларов, геном
Джеймса Уотсона был секвенирован за 4 месяца
и миллион долларов в 2007 году, и стремительно
приближается тот день, когда индивидуальный че-
ловеческий геном будет секвенирован за считан-
ные часы и сумму меньше 1000 долларов.
Этот технологический прорыв также поро-
дил подход, названный метагеномикой (от грече-
ского meta — “поверх”), когда секвенируют ДНК
целой группы видов (метагеном), взятых из ка-
кой-либо природной выборки. В этом случае за-
дачи отбора последовательностей, принадлежа-
щих тому или иному виду, и сборки их в геном
(полный или частичный) выполняют компьютер-
ные программы. Метагеномный подход был при-
менен для изучения микробных сообществ таких
разных местообитаний, как Саргассово море и че-
ловеческий кишечник. В исследовании 2012 года
было описано потрясающее разнообразие челове-
ческого “микробиома” — многочисленных видов
бактерий, сосуществующих внутри нашего тела и
на его поверхности и участвующих в нашей жиз-
ни. Возможность секвенировать ДНК смешанных
популяций устраняет необходимость в раздель-
ном культивировании каждого вида в лаборато-
рии, которая очень затрудняет исследование мно-
гих видов микроорганизмов.
На первый взгляд, последовательности гено-
мов человека и других организмов — это просто
“сухие” страницы нуклеотидных букв — миллио-
ны А, Т, G и С в невообразимой последовательно-
сти. Решающими для извлечения смысла из этих
массивов информации оказались новые методы
анализа данных, которые мы обсудим ниже.
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 577
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 21.1
1. Опишите полногеномный шот-гон подход к секвенированию
генома.
Ответы см. в Приложении А.
21.2. Ученые используют
биоинформатику для анализа
геномов и их функций
Каждый из 20 центров секвенирования по все-
му миру, работавших над проектом “Геном чело-
века”, день за днем выдавал огромные количества
сиквенсов. По мере накопления данных стала оче-
видна необходимость координации усилий по
установлению судьбы каждой последовательно-
сти. Благодаря дальновидности ученых и прави-
тельственных чиновников, участвующих в проекте
“Геном человека”, в цели проекта вошло создание
банков, или баз, данных, а также создание ком-
пьютерных программ для их анализа. Эти базы
данных и программы затем должны были стать
централизованными и легко доступными в Ин-
тернете. Выполнение этой задачи способствовало
быстрому прогрессу в анализе последовательно-
стей ДНК, поскольку биоинформатические ресур-
сы стали доступными ученым по всему миру и зна-
чительно ускорили распространение информации.
Централизованные ресурсы
для анализа геномных
последовательностей
Финансируемые правительствами агентства
выполнили свои обязательства по созданию баз
данных и обеспечению доступа к программным
продуктам, с помощью которых ученые могут ана-
лизировать данные последовательностей. Напри-
мер, в США совместные усилия Национальной ме-
дицинской библиотеки (National Library of Medicine,
NLM) и Национального института здоровья
(National Institute of Health, NIH) позволили создать
Национальный центр биотехнологической ин-
формации США (National Center for Biotechnology
Information, NCBI), который поддерживает веб-
сайт (www.ncbi.nlm.nih.gov) с большим коли-
чеством биоинформатических ресурсов. На этом
сайте размещены ссылки на базы данных, про-
граммы и большое количество информации о ге-
номах и смежным темам. Похожие веб-сайты были
созданы Европейской молекулярно-биологической
лабораторией (European Molecular Biology Labora-
tory, EMBL), Японским банком данных ДНК (DNA
Data Bank of Japan), а также BGI (ранее извест-
ный как Пекинский геномный институт, Beijing
Genome Institute) в Шэньчжэне (Китай) — тремя
геномными центрами, с которыми сотрудничает
Национальный центр биотехнологической инфор-
мации США. Эти крупные ресурсы дополняются
другими сайтами, которые поддерживают отдель-
ные лаборатории или небольшие группу. Неболь-
шие веб-сайты часто предоставляют базы данных
и программы для более узких целей, например для
изучения генетических и геномных перестроек в
клетках определенного типа рака.
База данных последовательностей, хранящих-
ся в NCBI, называется GenBank. На июль 2013 года
она включала в себя 165 миллионов фрагмен-
тов геномной ДНК, состоящих из 153 миллиарда
пар оснований. GenBank постоянно обновляет-
ся, и количество данных, которые в нем содержат-
ся, удваивается примерно каждые 18 месяцев. Ка-
ждая последовательность в базе данных может
быть скачана с сайта и исследована с помощью
программ, также размещенных на сайте NCBI или
на других сайтах.
Одна из программ, доступных на вебсайте
NCBI, — BLAST, позволяет посетителю сайта
сравнивать нужную ему последовательность ДНК
с любой последовательностью из GenBank, осно-
вание за основанием. Исследователь может искать
сходные области в других генах того же вида или
в геномах других видов. Другая программа позво-
ляет сравнивать предсказанные белковые после-
довательности. Третья может искать в любой бел-
ковой последовательности определенные группы
аминокислот (домены), для которых известна или
предполагается определенная функция, а также
она может построить трехмерную модель, снаб-
див ее важной информацией (рис. 21.3).
Существуют даже программы, которые могут
сравнить набор последовательностей, как нуклео-
тидных, так и аминокислотных, и представить их
в виде эволюционного дерева, построенного на
основании сходства последовательностей. (Одна
из таких диаграмм показана на рис. 21.17.)
Два американских научно-исследовательских
института — Университет Ратгерса и Университет
Калифорнии в Сан-Диего — также поддержива-
ют всемирный Белковый банк данных (Protein Data
Bank, PDB) — базу данных всех известных трех-
мерных структур белков. (База данных доступна
578 ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция
о В этом окне часть аминокислотной последователь-
ности неизвестного белка мускусной дыни ("Query")
выравнена с последовательностями других белков,
которые компьютерная программа сочла подобными
ей. Каждая последовательность представляет собой
домен, называемый WD40.
Q Четыре идентификатора домена WD40
выделены жёлтым. (Сходство последователь-
ностей основано на химических свойствах
аминокислот, поэтому аминокислоты регионов-
идентификаторов не полностью идентичны.)
□ В этом окне
содержится
информация
о домене WD40
43 Базы консер-
вативных доме-
нов (Conserved
Domain Data-
base, CDD).
О Программа Cn3D
отображает трёхмер-
ную модель белковой
цепитрансдуцина коро-
вы (белок выделен фио-
летовым в Sequence
Alignment Viewer). Это
единственный из пока-
занных белков, для
которого определена
структура. Сходство
последовательностей
других белков с после-
довательностью коро-
вьего трансдуцина
предполагает, что их
структуры также похожи.
О Трансдуцин коровы
содержит семь доменов
WD40, один из которых
выделен серым.
О Жёлтые сегменты
соответствуют иден-
тификаторам домена
WD40, выделенным
жёлтым в верхнем окне.
Рис. 21.3. Биоинформатические инструменты, доступные в Интернете. Веб-сайт, поддерживаемый Национальным центром биотех-
нологической информации США (National Center for Biotechnology Information — NCBI), предоставляет ученым и общественности
доступ к последовательностям ДНК и белков, а также к другим данным. Сайт содержит ссылки на базу данных структур белков
(База консервативных доменов, или CDD, от англ. Conserved Domain Database), которая осуществляет поиск и описывает схожие
домены в родственных белках, а также ссылку на приложение Cn3D ("See in 3D" — "смотри в 3D"), которое отображает трехмер-
ные модели доменов, для которых была определена структура. На рисунке показаны некоторые результаты поиска регионов бел-
ков, сходных по последовательности с белком мускусной дыни. Домен WD40 — один из самых распространенных в белках, коди-
руемых эукариотическими геномами. В этих белках домен WD40 часто играет ключевую роль в молекулярных взаимодействиях во
время передачи сигнала в клетках
по адресу www.pdb.org.) В специальном окне на
сайте PDB данных структуры можно вращать, что-
бы рассмотреть все стороны белка. В этой книге вы
найдете изображения структур белков, получен-
ные из PDB. Также существует большое количество
других бесплатных ресурсов, доступных ученым во
всем мире. Давайте посмотрим, ответы на какие во-
просы можно получить с их помощью.
Идентификация белок-кодирующих
генов и определение их функции
С помощью доступных последовательностей
ДНК генетики могут изучать непосредствен-
но гены, вместо того, чтобы применять подходы
классической генетики, требующие отличать ге-
нотип от фенотипа. Но этот более новый подход
порождает и новые сложности. Что же этот ген на
самом деле делает? Получив длинную последова-
тельность ДНК из GenBank, ученый ставит перед
собой задачу идентифицировать все гены, коди-
рующие белки в этой последовательности и опре-
делить их функции. Этот процесс называется ан-
нотацией генов.
В прошлом аннотация генов была трудоемким
процессом, который выполняли ученые, заинте-
ресованные в установлении функций конкретно-
го гена, но теперь этот процесс в значительной
степени автоматизирован. Обычно используются
специальные программы, просматривающие по-
следовательности в поисках мест начала и конца
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 579
транскрипции и трансляции, сайтов сплайсинга
РНК и других сигналов, выдающих наличие ге-
нов, кодирующих белки. Также эти программы
ищут определенные короткие последовательно-
сти, отличающие известные мРНК. Тысячи таких
последовательностей, называющихся маркёра-
ми эскпрессирующихся последовательностей, или
EST (от англ, expressed sequence tags), были счита-
ны с последовательностей кДНК и организованы
в компьютерные базы данных. С помощью тако-
го анализа можно идентифицировать последова-
тельности, которые могут оказаться ранее неиз-
вестными генами, кодирующими белки.
Функции и последовательности примерно по-
ловины человеческих генов были известны еще до
того, как начался проект “Геном человека”. А что
с остальными, ранее неизвестными генами, обна-
руженными с помощью анализа последовательно-
стей ДНК? Предположения об их идентичности и
функциях основаны на проведенном с помощью
описанных выше программ сравнения последова-
тельностей предполагаемых генов с известными
генами других организмов. Благодаря избыточно-
сти генетического кода последовательность ДНК
может отличаться у разных видов гораздо силь-
нее, чем последовательность аминокислот в белке.
Поэтому исследователи часто сравнивают пред-
сказанную на основании ДНК аминокислотную
последовательность белка с белками других орга-
низмов, если их интересуют именно белки.
Иногда вновь обнаруженная последователь-
ность совпадает, по крайней мере, частично, с по-
следовательностью гена или белка с известной
функцией, описанного у другого вида. Например,
ученые, изучающие сигнальные пути у мускусной
дыни, будут приятно удивлены, когда окажется,
что идентифицированный ими ген частично со-
впадает по соответствующей ему аминокислотной
последовательности с известной последователь-
ностью других видов, кодирующей так называе-
мый \УБ40-домен (см. рис. 21.3). Такие УУО40-доме-
ны присутствуют у многих эукариот, и известно
их участие в сигнальных путях. С другой стороны,
последовательность нового гена может быть сход-
ной с уже известной последовательностью, функ-
ция которой так и остается неизвестной. Еще воз-
можен случай, что последовательность окажется
не похожей ни на что, известное до сих пор. В ге-
номе кишечной палочки на момент его секвени-
рования таких генов была треть. В таком случае
функции белка могут быть предсказаны, исходя
из биохимических и функциональных исследова-
ний. Биохимический подход ставит своей целью
определение трехмерной структуры белка и дру-
гих его свойств, таких как потенциальные сай-
ты связывания с другими молекулами. Функцио-
нальные исследования обычно включают в себя
блокирование или повреждение гена в организме
и наблюдение за получившимся фенотипом. Опи-
санная в разделе 18.3 (глава 18) РНК-интерферен-
ция является одной из экспериментальных мето-
дик, используемых для блокирования генов.
Представление о генах и экспрессии
генов на системном уровне
Впечатляющая мощь компьютерных инстру-
ментов биоинформатики позволяет анализиро-
вать целые наборы генов и их взаимодействия, а
также сравнивать геномы различных видов. Гено-
мика предоставляет огромные возможности для
понимания таких фундаментальных вопросов,
как организация генома, регуляция экспрессии
генов, эмбриональное развитие и эволюция. Один
из таких подходов был использован проектом
ENCODE (от англ. Encyclopedia of DNA Elements —
“Энциклопедия элементов ДНК”), стартовавшем
в 2003 году. Целью этого проекта было получение
всей возможной информации о функциональ-
но значимых элементах человеческого генома с
помощью всех доступных экспериментальных
подходов. Исследователи намеревались иденти-
фицировать гены, кодирующие белки, и гены не-
кодирующих РНК, а также последовательности,
регулирующие экспрессию генов, такие как эн-
хансеры и промоторы. В дополнение к анализу
последовательностей они подробно описали мо-
дификации ДНК и гистонов и структуру хромати-
на. Вторая стадия проекта, над которой работали
более 440 ученых из 32 исследовательских групп, в
2012 году увенчалась одновременной публикаци-
ей более 30 работ, описывающих более 1600 боль-
ших наборов данных. Сильной стороной этого
проекта оказалась возможность сравнить друг с
другом результаты отдельных проектов, что по-
зволило получить гораздо более полную картину
экспрессии генома.
Пожалуй, самым удивительным оказалось то,
хотя все необходимые белки закодированы менее
чем в 2% генома, транскрипция осуществляется с
75% геномных последовательностей — по край-
ней мере, в одном из изученных типов клеток. Бо-
лее того, биохимические функции были описаны
580 ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция
для элементов ДНК, составляющих не менее 80%
генома. Чтобы больше узнать о различных типах
функциональных элементов, параллельные про-
екты одинаковым образом анализировали гено-
мы двух модельных организмов — почвенной не-
матоды Caenorabditis elegans и плодовой мушки
Drosophila melanogaster. Поскольку на этих модель-
ных видах могут быть проведены генетические
и биохимические эксперименты, использующие
ДНК-технологии, ожидается, что проверка актив-
ности потенциально функциональных элементов
ДНК в них поможет пролить свет и на работу че-
ловеческого генома.
Дальнейшее развитие науки, связанное с
секвенированием геномов и анализом больших
наборов генов, воодушевило ученых на приме-
нение подобных систематических исследований
к наборам белков и их свойствам (таким как ко-
личество, химические модификации и взаимо-
действия); этот подход называется протеомикой.
(Протеомом называют полный набор белков, экс-
прессируемых в данной клетке или группе кле-
ток.) Именно белки, а не кодирующие их гены,
выполняют в клетке основные функции. Поэтому
для того, чтобы понять, как функционируют клет-
ки и организмы, мы должны выяснить, когда и
где белки синтезируются в организме, а также как
они взаимодействуют между собой.
Как происходит изучение систем: пример
Изучение модельных организмов с помощью
геномики и протеомики модельных организмов
дает возможность молекулярным биологам по-
дойти к изучению жизни с более глобальных по-
зиций. С помощью описанных выше инструмен-
тов биологи начали составлять каталоги генов и
белков — перечни компонентов, обеспечиваю-
щих функционирование клеток, тканей и организ-
мов. Имея на руках такие каталоги, можно пере-
ходить от изучения отдельных блоков к изучению
их функционального участия в биологических си-
стемах. Как вы помните, в главе 1 мы обсуждали
этот подход — он называется системной биологи-
ей и ставит своей целью моделирование динами-
ческого поведения целых биологических систем,
основываясь на изучении взаимодействий между
их частями. Поскольку такой анализ генерирует
огромное количество данных, прогресс в компью-
терных технологиях и биоинформатике был кри-
тическим условием для рождения системной био-
логии.
Одно из ее важных направлений — это опреде-
ление сетей взаимодействий генов и белков. Так,
например, чтобы составить сеть взаимодействий
белков в дрожжах Saccharomyces cerevisiae, иссле-
дователи используют сложные технологии вы-
ключения (нокаутирования) пар генов, создавая
двойных мутантов. Далее сравнивают приспосо-
бленность каждого двойного мутанта (отчасти на
основании размера образованной им колонии) с
его приспособленностью, предсказанной на ос-
новании приспособленностей обоих одинарных
мутантов. Если приспособленность двойного му-
танта соответствует предсказанной, значит, про-
дукты этих двух генов не взаимодействуют, но
если она больше или меньше предсказанной, зна-
чит, в клетке происходит взаимодействие генных
продуктов. Затем с помощью компьютерных про-
грамм строится графическая схема, и генные про-
дукты помещаются в определенные места этой
схемы в зависимости от сходства их взаимодей-
ствий. Получается сетевидная “функциональная
карта” белковых взаимодействий, показанная на
рис. 21.4.
Обработка огромного количества белок-бел-
ковых взаимодействий, полученных в этих экс-
периментах, и интеграция их в полную карту
требует мощных компьютеров, математических
инструментов и новых компьютерных программ.
Применение системной биологии в медицине
Атлас раковых геномов представляет еще
один пример того, как работает системная биоло-
гия, когда одновременно анализируются большие
группы взаимодействий генов и генных продук-
тов. Этот проект, возглавляемый в США совмест-
но Национальным институтом рака (National
Cancer Institute) и Национальным институтом
здоровья (National Institute of Health — NIH), ста-
вит своей целью определить, как изменения в
биологических системах приводят к раку. В ре-
зультате трехлетнего пилотного проекта, начато-
го в 2010 году, были обнаружены общие мутации
в трех типах раков — раке легкого, раке яичников
и глиобластоме (раке мозга) — с помощью срав-
нения последовательностей генов и паттернов
генной экспрессии в раковых клетках с последо-
вательностями, экспрессирующимися в нормаль-
ных клетках. Работы по глиобластоме подтвер-
дили роль некоторых генов, для которых ранее
предполагалось участие в развитии рака, и иден-
тифицировали ряд ранее неизвестных генов, вов-
ГААВА21 Геномы и их эволюция 581
Трансляция Функции
и функции рибосом митохондрий
Транскрипция
и функции,
связанные
с хроматином
Ядерная миграция
и деградация белков
цитоплазматический!
транспорт
Процессинг РНК
Клеточная
полярность
и морфогенез
Репликация
и репарация ДНК
Функции
перосксисом
Секреция
и везикулярный
транспорт
Сворачивание
и гликозилирование белков,
биосинтез клеточной стенки
Метаболизм
и биосинтез
аминокислот
Слияние
везикул
Транспорт аминокислот
посредством пермеаз
р,Биосинтез
серина
и родственных
соединений^
Биосинтез^
глутаминовой
кислоты
Рис. 21.4. Системно-биологический подход к белковым взаимодействиям. Данная глобальная карта белковых взаимодействий по-
казывает предположительные взаимодействия (линии) между примерно 4500 генными продуктами (показаны в виде точек) пекар-
ских дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Точки одного цвета обозначают генный продукт, обеспечивающий одну из 13 выделенных
цветом клеточных функций, перечисленных по периметру карты. Белые точки означают белки, для которых не показано участие ни
в одной из обозначенных функций. Увеличенный фрагмент (справа) детально показывает выделенную область, в которой располо-
жены генные продукты, отвечающие за биосинтез и усвоение аминокислот, а также выполняющие другие функции, связанные с их
метаболизмом (голубые точки)
леченных в процессы онкогенеза, что позволи-
ло предложить несколько новых терапевтических
мишеней. Показавший свою плодотворность под-
ход был расширен и включил в себя десять дру-
гих типов опухолей, выбранных в связи с их ча-
стой встречаемостью и высокой летальностью у
человека.
По мере удешевления и ускорения технологий
полногеномного секвенирования они будут все
более широко применяться для решения пробле-
мы возникновения и терапии рака. В отличие от
секвенирования только белок-кодирующих генов,
полное секвенирование последовательности ДНК
клеток многих опухолей определенного типа по-
зволяет ученым обнаруживать общие для этого
типа хромосомные аномалии, а также другие по-
вторяющиеся черты аберрантных геномов.
В дополнение к полногеномному секвениро-
ванию для анализа паттерна экспрессии генов в
опухолевых клетках и при других заболеваниях
также используются кремниевые и стеклянные
чипы, содержащие фрагменты большей части из-
вестных генов человека (“микрочипы”) (рис.21.5).
Понимание того, какие гены недостаточно или
избыточно экспрессируются в данной конкретной
опухоли, может дать возможность врачам “подо-
гнать” лечение конкретного пациента по его уни-
кальному генетическому профилю и специфике
его опухоли. Такой подход уже начинают исполь-
зовать для характеристики определенных подти-
пов раков, что позволяет назначать более точное
лечение, одним из таких примеров является рак
груди (см. рис. 18.27 в главе 18).
В конечном счете медицинская информация
будет включать в себя последовательность ДНК
человека — разновидность генетического бар-кода
с выделенными обла-
стями, отвечающими
за предрасположен-
ность к определенным
◄ Рис. 21.5. Микрочип для ге-
нов человека. Крошечные
пятна ДНК, расположенные
на силиконовой подложке,
представляют практически
все гены человеческого ге-
нома. С помощью этого чи-
па исследователи могут
анализировать паттерны
экспрессии всех этих ге-
нов одновременно
582 ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция
болезням. Использование таких последовательно-
стей для персонализированной медицины — как
предотвращения, так и лечения заболеваний —
несет в себе большой потенциал (см. интервью с
Чарльзом Ротими перед главой 13).
Системная биология — это еще и очень эф-
фективное средство для изучения эмерджент-
ных свойств систем на молекулярном уровне.
Напомним, что в главе 1 мы давали определение
эмерджентных свойств как новых свойств, воз-
никающих на каждом последующем уровне био-
логической сложности как результат новой орга-
низации строительных блоков, сформированных
на предыдущем уровне. Чем больше мы сможем
узнать об организации и взаимодействиях ком-
понентов генетических систем, тем глубже будет
наше понимание целых организмов. Остаток этой
главы мы посвятим краткой проверке ваших зна-
ний о геномных исследованиях.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 21.2
1.
2.
3.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Какую роль играет интернет в современной геномике и про-
теомике?
Опишите преимущества системно-биологического подхо-
да к изучению рака по сравнению с изучением только од-
ного гена.
Объясните результат проекта
ENCODE, обнаружившего, что по меньшей мере 75% генома
транскрибируется в РНК, что гораздо больше, чем мы могли
предположить, изучая гены, кодирующие белки. Перечитай-
те разделы 17.3 (глава 17) и 18.3 (глава 18) и предложите не-
сколько функций, которые могли бы выполнять такие РНК.
| Вспомните, что вы узнали из
раздела 20.2 (глава 20) об исследовании полногеномных
ассоциаций. Объясните, как в этих исследованиях исполь-
зуется системно-биологический подход.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Ответы см. в Приложении А.
21.3. Геномы различаются
по размеру, числу генов
и плотности их расположения
К апрелю 2013 года было завершено секвени-
рование более чем 4300 геномов, и около 9600 ге-
номов и 370 метагеномов находились на стадии
разработки. К группе полностью отсеквениро-
ванных геномов относятся около 4000 геномов
бактерий и 186 геномов архей. Среди 183 видов в
группе отсеквенированных эукариот имеются по-
звоночные, беспозвоночные, протисты, грибы и
растения. Накопленные последовательности гено-
мов содержат огромное количество информации,
которую мы сейчас начинаем обрабатывать. Что
нам удалось узнать на данный момент, сравнивая
геномы, которые были отсеквенированы? В этом
разделе мы рассмотрим такие характеристики ге-
нома, как размер, число генов и плотность генов.
Поскольку эти характеристики являются доволь-
но широкими, мы остановимся на общих тенден-
циях, для которых, однако, часто встречаются ис-
ключения.
Размер генома
Сравнивая три домена (бактерии, археи и
эукариоты), можно обнаружить различия в раз-
мерах генома прокариот и эукариот (табл. 21.1).
За исключением некоторых примеров, большин-
ство бактериальных геномов имеют размер от 1 до
6 миллионов пар оснований (п.о.), или 6 мегабаз
(Мб); геном кишечной палочки Е. coli, например
составляет 4,6 Мб. Геномы архей, по большей ча-
сти, имеют размер в пределах диапазона размеров
бактериальных геномов. (Однако имейте в виду,
что геномов архей было отсеквенировано намно-
го меньше, чем геномов бактерий, поэтому такая
закономерность может измениться со временем.)
Геномы эукариот, как правило, больше: геном од-
ноклеточных грибов — дрожжей Saccharomyces
cerevisiae — имеет размер около 12 Мб, в то время
как большинство животных и растений являют-
ся многоклеточными и имеют геномы по крайней
мере в 100 Мб. Геном плодовой мушки составляет
165 Мб, в то время как геном человека имеет раз-
мер в 3000 Мб, примерно в 500-3000 раз больше,
чем у генома типичной бактерии.
Помимо этой общей разницы между прокари-
отами и эукариотами, сравнение размеров гено-
ма у эукариот не выявляет каких-либо система-
тических взаимосвязей между размером генома
и фенотипом организма. Например, геном расте-
ния Paris japonica, японского представителя рода
Вороний глаз, содержит 149 млрд пар оснований
(149000 Мб), что примерно в 50 раз больше ге-
нома человека. Еще более поразительными яв-
ляются одноклеточные амебы, Polychaos dubium,
размер генома которых был оценен в 670 млрд
пар оснований (670000 Мб). (Этот геном еще
не секвенировали.) Если внимательнее рассмо-
треть геномы двух видов насекомых — сверчка
(Anabrus simplex) и фруктовой мушки Drosophila
melanogaster — оказывается, что первый геном в
11 раз больше генома дрозофилы. Размеры гено-
ма в пределах групп одноклеточных эукариот,
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 583
насекомых, земноводных и растений различаются
в широком диапазоне, диапазон различий гено-
мов млекопитающих и рептилий намного меньше.
Таблица 21.1. Размеры геномов и оценочные количества генов*
Организм Размер гапло- идного генома, Мб Количество генов Генов на Мб
Бактерии
Haemophilus influenzae 1,8 1700 940
Escherichia coli 4,6 4400 950
Археи
Archaeoglobus fu/gidus 2,2 2500 1130
Methanosarcina barkeri 4,8 3600 750
Эукариоты
Saccharomyces cerevisiae 12 6300 525
(дрожжи, грибы) Caenorhabditis elegans (нематода) 100 20100 200
Arabidopsis thaliana (расте- ние. родственное горчице) 120 27000 225
Daphnia pulex (во- дяная блоха) 200 31000 155
Drosophila melanogaster^o- довая мушка) 165 14000 85
Oryzasativotpwc) 430 42000 98
Zea mays (кукуруза) 2300 32000 14
Ailuropodo melonoleuca (ги- гантская панда) 2400 21000 9
Homo sapiens (человек) 3000 <21000 7
Parisjaponica 149000 НО НО
(японское расте-
ние. родственное
вороньему глазу)
* Некоторые оценки, приведенные здесь, вероятно, будут пере-
смотрены в ходе дальнейшего анализа геномов. Мб — миллион
пар оснований (мегабаз), НО — не определено
Количество генов
Число генов у прокариот и эукариот также ва-
рьирует: бактерии и археи в целом имеют мень-
ше генов, чем эукариоты. Свободноживущие бак-
терии и археи имеют от 1500 до 7500 генов, в то
время как число генов у эукариот в диапазоне от
приблизительно 5000 для одноклеточных грибов
(дрожжи) до, по меньшей мере, 40 000 для некото-
рых многоклеточных эукариот.
У эукариот число генов у видов часто ниже,
чем можно ожидать, зная размер генома. Глядя
на табл. 21.1, вы можете заметить, что геном не-
матоды С. elegans составляет 100 Мб и содержит
примерно 20 100 генов. По сравнению с ним геном
дрозофилы намного больше (165 Мб), но имеет
лишь около двух третей от числа генов немато-
ды — 14 000 генов.
Давайте рассмотрим более близкий для нас
пример и вспомним, что геном человека содер-
жит 3000 Мб и более чем в десять раз превышает
размер геномов дрозофилы и С. elegans. В начале
проекта “Геном человека” биологи, основываясь
на количестве известных человеческих белков,
ожидали, что в завершенной последовательно-
сти будут определены от 50 000 до 100 000 генов.
По мере развития проекта эта оценка была пере-
смотрена в сторону понижения прогнозируемого
числа генов в несколько раз, а проект ENCODE,
обсуждаемый выше, установил число генов чело-
века на уровне менее чем 21 000. Это относитель-
но небольшое число, аналогичное числу генов не-
матоды С. elegans, удивило биологов, ожидавших
гораздо большего количества человеческих генов.
Какие генетические признаки позволяют лю-
дям (и другим позвоночным животным) суще-
ствовать с количеством генов не большим, чем
у нематод? Важным фактором является то, что
геномы позвоночных животных более разно-
образно используют свои кодирующие последо-
вательности за счет обширно распространенного
альтернативного сплайсинга РНК-транскриптов.
Напомним, что этот процесс приводит к образо-
ванию более чем одного полипептида из одного
гена (рис. 18.13 в главе 18). Типичный ген человека
содержит около десяти экзонов, и примерно 90%
или более из этих мультиэкзонных генов сплайси-
руются по меньшей мере двумя различными спо-
собами. Некоторые гены экспрессируются в сот-
нях форм альтернативного сплайсинга, другие в
двух. Ученые еще не определили все различные
формы, но совершенно очевидно, что количество
различных белков, кодируемых геномом челове-
ка, значительно превышает предложенное коли-
чество генов.
Дополнительное разнообразие полипепти-
дов может быть результатом посттрансляцион-
ных модификаций, таких как расщепление или
584 Г ЛАВА 21 Геномы и их эволюция
присоединение углеводных групп в различных
типах клеток или на разных стадиях развития.
И, наконец, открытие микроРНК и других малых
РНК, играющих регуляторную роль, добавили но-
вую переменную в это уравнение (см. раздел 18.3
в главе 18). Некоторые ученые считают, что при-
сутствие этого дополнительного уровня регуля-
ции может способствовать большей сложности
организма при заданном числе генов.
Плотность генов и некодирующая ДНК
Размер генома и количество генов можно
учесть путем сравнения плотности генов у раз-
личных видов. Другими словами, мы можем за-
дать вопрос о том, сколько генов находится в ДНК
той или иной длины. Сравнивая геномы бакте-
рий, архей и эукариот, мы видим, что эукариоты
обычно имеют большие геномы, но меньше генов
в заданном числе пар оснований. Как мы уже от-
мечали, люди имеют в сотни и тысячи раз больше
пар оснований в геноме, чем большинство бакте-
рий, но лишь в 5-15 раз больше генов; таким об-
разом, плотность генов у людей меньше, чем у
бактерий (табл. 21.1). Даже одноклеточные эука-
риоты, такие как дрожжи, имеют меньшую плот-
ность генов, чем бактерии и археи. Среди геномов,
которые полностью отсеквенированы на данный
момент, у людей и других млекопитающих плот-
ность расположения генов является наименьшей.
Во всех бактериальных геномах, изученных до
настоящего времени, большая часть ДНК состоит
из генов белков, тРНК и рРНК; небольшое коли-
чество оставшейся ДНК в основном образовано
нетранскрибируемыми регуляторными последо-
вательностями, такими, как промоторы. После-
довательность нуклеотидов бактериального бе-
лок-кодирующего гена не прерывается от начала
до конца некодирующими последовательностями
(интронами). В эукариотических геномах, напро-
тив, большая часть ДНК не кодирует ни белок, ни
молекулы РНК известной функции, и ДНК вклю-
чает в себя более сложные регуляторные после-
довательности. На самом деле человек имеет в
10 000 раз больше некодирующей ДНК, чем бакте-
рии. Некоторая часть этой ДНК у многоклеточных
эукариот присутствует в виде интронов внутри
генов. Действительно, интроны ответственны за
большую часть разницы в средней длине гена че-
ловека (27 000 пар оснований) в сравнении с бак-
териальными генами (1000 пар оснований). В до-
полнение к интронам многоклеточные эукариоты
имеют огромное количество некодирующей бел-
ков ДНК между генами. В следующем разделе мы
опишем состав и расположение этих крупных
участков ДНК в геноме человека.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 21.3
1.
2.
Согласно наиболее достоверным современным оценкам,
геном человека содержит менее 21 000 генов. Однако име-
ются свидетельства того, что человеческий организм произ-
водит намного больше, чем 21 000 различных полипептидов.
Какие процессы ответственны за такое различие?
Количество отсеквенированных геномов постоянно обнов-
ляется. Пройдите ПО ссылке www.genomesonline.org,
чтобы проверить количество завершенных геномов и гено-
мов, секвенирование которых еще не закончено (подсказ-
ка: найдите страницу "Complete Projects", а на странице
"Incomplete Projects" нажмите на "In progress", чтобы узнать
наиболее свежую информацию).
Какой эволюционный процесс может быть
ответственен за то, что геном прокариотов меньше, чем ге-
ном эукариотов?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
21.4. Геномы многоклеточных
эукариот содержат
множество некодирующих
последовательностей ДНК
и мультигенных семейств
Большую часть этой главы наше внимание
было сконцентрировано на генах, которые коди-
руют белки. Тем не менее кодирующие области
генов и гены, кодирующие РНК-продукты, такие
как рРНК, тРНК и микроРНК, составляют лишь
небольшую часть в геномах большинства много-
клеточных эукариот. Например, после заверше-
ния секвенирования генома человека выяснилось,
что лишь небольшая часть, около 1,5% генома, ко-
дирует белки или транскрибируется в рРНК или
тРНК. На рис. 21.6 показано, что известно о составе
оставшихся 98,5% генома.
Связанные с генами регуляторные последо-
вательности и интроны составляют, соответ-
ственно, 5 и около 20% генома человека. Осталь-
ные последовательности, расположенные между
функциональными генами, включают в себя не-
которые уникальные (единственные копии) не-
кодирующие ДНК, такие как фрагменты генов и
псевдогены — бывшие гены, в которых в течение
длительного времени накапливались мутации,
и они больше не производят функциональные
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 585
белки. (Гены, которые производят небольшие не-
кодирующие РНК, составляют небольшой про-
цент генома и распределены между 20% интронов
и 15% уникальной некодирующей ДНК.) Боль-
шинство межгенной ДНК, тем не менее представ-
ляет собой ДНК-повторы, которые состоят из
последовательностей, присутствующих в геноме
в виде нескольких копий. Удивительно, но около
75% этой повторяющейся ДНК (44% всего гено-
ма человека) состоит из элементов, называемых
транспозонами, и последовательностей, связан-
ных с ними.
Экзоны (участки генов,
кодирующие белки. Регуляторные после-
вательности ДНК (3%)
дупликации (5-6%)
Рис. 21.6. Типы последовательностей ДНК в геноме челове-
ка. Последовательности генов, кодирующих белки или ри-
босомные и транспортные РНК, составляют лишь около 1,5%
человеческого генома (темно-фиолетовый цвет на круговой
диаграмме), в то время как интроны и регуляторные после-
довательности, ассоциированные с генами (светло-фиолето-
вый цвет), составляют около четверти генома. Большая часть
человеческого генома не кодирует белки или известные РНК,
и большая часть этой ДНК — это повторяющиеся последова-
тельности (темно-зеленый, светло-зеленый и зеленовато-го-
лубой). Поскольку повторяющаяся ДНК — самая трудная для
секвенирования и анализа, классификация этой части гено-
ма еще будет уточняться, и процентное содержание каждого
из типов повторяющихся элементов может немного меняться
по мере дальнейшего развития анализа геномов
Основная часть многих эукариотических ге-
номов состоит из ДНК-последовательностей, ко-
торые не кодируют ни белки, ни РНК с извест-
ными функциями; эта некодирующая ДНК часто
описывалась в прошлом как “ДНК-мусор”. Одна-
ко сравнения геномов, проведенные за последние
10 лет, показали сохранение этой ДНК в геномах
различных организмов на протяжении многих со-
тен поколений. Например, геномы людей, крыс и
мышей содержат почти 500 областей некодирую-
щей ДНК, которые идентичны по последователь-
ности во всех трех видах, — это более высокий
уровень консервативности последовательности,
чем для белок-кодирующих областей этих мле-
копитающих. Данное наблюдение является аргу-
ментом в пользу того, что некодирующие обла-
сти исполняют важные функции. Данные проекта
ENCODE, о котором мы рассказывали выше, под-
черкнули ключевые роли, которые играет в клет-
ке значительная часть этой некодирующей ДНК.
Далее мы рассмотрим, как гены и последователь-
ности некодирующей ДНК организованы в гено-
мах многоклеточных эукариот, используя чело-
веческий геном в качестве основного примера.
Устройство генома предоставляет нам информа-
цию о том, как он развивался и продолжает раз-
виваться, что мы обсудим в разделе 21.5.
Транспозоны и родственные
последовательности
Как прокариоты, так и эукариоты имеют
участки ДНК, которые могут перемещаться из од-
ного места в другое в пределах генома. Эти участ-
ки известны как мобильные генетические элемен-
ты, или просто мобильные элементы. В ходе
процесса, сходного с рекомбинацией и называе-
мого транспозицией, мобильный элемент пере-
мещается из одного участка ДНК клетки в другой.
Мобильные элементы иногда называют “пры-
гающими генами”, но на самом деле они никогда
не отделяются от ДНК клетки полностью. Вместо
этого исходные и новые участки ДНК сближают-
ся под действием ферментов и других белков, из-
гибающих ДНК.
Первые доказательства существования стран-
ствующих элементов ДНК появились в ходе се-
лекционных экспериментов американского гене-
тика Барбары Мак-Клинток с кукурузой в 1940-х
и 1950-х годах (рис. 21.7).
Поскольку Мак-Клинток наблюдала за расте-
ниями кукурузы в течение нескольких поколений,
она заметила изменения цвета кукурузных зерен,
которое можно было объяснить, только тем, что
существуют генетические элементы, способные
перемещаться из других мест в геноме в гены для
586 ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция
Рис. 21.7. Влияние мобильных элементов на цвет зерна куку-
рузы. Барбара Мак-Клинток впервые высказала идею о су-
ществовании мобильных генетических элементов по резуль-
татам наблюдений за изменчивостью цвета зерен в початке
кукурузы (справа)
цвета зерен, что приводило к нарушению рабо-
ты этих генов и изменению цвета зерен кукурузы.
Открытие Мак-Клинток было встречено с боль-
шим скептицизмом и практически не было при-
знано в то время. Ее тщательная работа и про-
ницательные идеи были окончательно признаны
много лет спустя, когда мобильные элементы
были обнаружены у бактерий. В 1983 году в воз-
расте 81 года Мак-Клинток получила Нобелев-
скую премию за свои новаторские исследования.
Перемещение транспозонов
и ретротранспозонов
Существуют два типа эукариотических мо-
бильных элементов. Первый тип транспозо-
нов перемещается в пределах генома с помощью
ДНК-интермедиатов. Транспозоны могут переме-
щаться по механизму “вырезания-вставки”, ко-
торый удаляет элемент из исходного сайта, или
с помощью механизма “копирования-вставки”,
который оставляет исходную копию на месте
(рис. 21.8). Для обоих механизмов требуется фер-
мент транспозаза, который, как правило, кодиру-
ет транспозон.
Большинство мобильных элементов эукари-
отических геномов относятся ко второму типу;
это — ретротранспозоны, перемещающиеся с
помощью промежуточного РНК-продукта, кото-
рый является транскриптом ДНК-ретротранспо-
зона. Таким образом, во время транспозиции ре-
тротранспозоны всегда оставляют копию в ДНК
на исходном месте (рис. 21.9).
Транспозон
Геномная
ДНК Транспозон
копируется
Новая копия
транспозона
Инсерция
Мобильная копия транспозона
©Pearson Education, Inc.
Рис. 21.8. Перемещение транспозонов. Возможны два меха-
низма перемещения транспозонов: “копирование-вставка"
(показан на рисунке) и “вырезание-вставка". В обоих случа-
ях перемещение происходит с образованием двухцепочеч-
ной ДНК-посредника, которая встраивается в геном
1 Как изменится рисунок, если мы захотим изобразить ме-
ханизм "вырезания-вставки"?
Чтобы вставить транспозон в другой участок
генома, промежуточный РНК-продукт снача-
ла превращается обратно в ДНК с помощью об-
ратной транскриптазы — фермента, кодируемо-
го ретротранспозоном. (Обратная транскриптаза
также кодируется ретровирусами, о чем вы узна-
ли в разделе 19.2 (глава 19). На самом деле ретро-
вирусы, вероятно, являются производными рет-
ротранспозонов.) Еще один клеточный фермент
катализирует введение новосинтезированного об-
ратного траскрипта ДНК в новый участок генома.
Ретротранспозон
Новая копия
ретротранспозона
Синтез
одноцепочечного
РНК-интермедиата
РНК
Обратная
транскриптаза
Мобильная копия
ретротранспозона
© Pearson Education. Inc.
Рис. 21.9. Перемещение ретротранспозонов. Движение начи-
нается с синтеза одноцепочечного РНК-посредника. Осталь-
ные стадии по существу идентичны части репликативного
цикла ретровирусов (см. рис. 19.8 в главе 19)
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 587
Последовательности, родственные
мобильным элементам
Множество копий мобильных элементов и по-
следовательностей, родственных им, разбросаны
по всему эукариотическому геному. Как правило,
одиночный экземпляр насчитывает от сотен до
тысяч пар оснований в длину, “копии” похожи, но
обычно не идентичны друг другу. Некоторые из
них являются мобильными элементами, которые
могут перемещаться; ферменты, необходимые для
этого перемещения, могут быть закодированы в
любом мобильном элементе, включая тот, кото-
рый перемещается в данный момент. К другим
элементам относят последовательности, которые
потеряли способность перемещаться. Мобиль-
ные элементы и родственные им последователь-
ности составляют 25-50% большинства геномов
млекопитающих (см. рис. 21.6) и еще более высокий
процент в геномах амфибий и многих растений.
В действительности, причиной очень больших
размеров геномов некоторых растений являет-
ся не наличие дополнительных генов, а большое
количество мобильных элементов. Например,
транспозоны составляют 85% генома кукурузы!
В организме человека и других приматов боль-
шая часть ДНК родственных транспозонам эле-
ментов представлена семейством похожих после-
довательностей, называемых А 1и-элементами. На
одни эти последовательности приходится около
10% генома человека. Длина A/u-элементов со-
ставляет около 300 нуклеотидов, что намного ко-
роче, чем большинство функциональных транс-
позонов. А/м-элементы не кодируют никакие
белки. Тем не менее многие А/п-элементы транс-
крибируются в РНК, и по крайней мере некото-
рые из этих РНК, как полагают, участвуют в регу-
ляции экспрессии генов.
Еще больший процент (17%) генома человека
образован ретротранспозонами под названием
LINE-1 у или L1. Эти последовательности намного
длиннее А/и-элементов — около 6500 пар основа-
ний — и, как правило, для них характерен очень
низкий уровень транспозиции. Однако иссле-
дователи, работающие с крысами, обнаружили,
что U-ретротранспозоны достаточно активны
в клетках развивающегося мозга. Они предполо-
жили, что различные эффекты /Л-ретротранспо-
зонов на экспрессию генов в развивающихся ней-
ронах вносят вклад в увеличение разнообразия
нейрональных типов клеток.
Хоть многие мобильные элементы и кодируют
белки, эти белки не выполняют нормальные кле-
точные функции. Поэтому мобильные элемен-
ты обычно относят к категории “некодирующей”
ДНК, наряду с другими повторяющимися после-
довательностями.
Другие ДНК-повторы,
включая тандемные повторы
ДНК-повторы, не связанные с мобильными
элементами, вероятно, возникли вследствие оши-
бок в ходе репликации или рекомбинации ДНК.
Такая ДНК составляет около 14% генома челове-
ка (см. рис. 21.6). Примерно треть этого количества
(5-6% генома человека) состоит из дуплицирован-
ных длинных отрезков ДНК, каждый в пределах
от 10 000 до 300 000 пар оснований. Эти длинные
последовательности выглядят скопированными
из одного положения на хромосоме в другое на
той же или иной хромосоме и, вероятно, включа-
ют в себя несколько функциональных генов.
В отличие от разбросанных по геному копий
длинных последовательностей, ДНК-минисател-
литы содержат множество копий тандемно по-
вторяющихся коротких последовательностей,
что показано в следующем примере (изображена
только одна цепь ДНК):
...GTTACGTTACGTTACGTTACGTTACGTTAC...
В этом случае повторяющийся блок (GTTAC)
состоит из пяти нуклеотидов. Повторяющиеся
единицы могут содержать до 500 нуклеотидов, но
часто содержат менее 15, как в этом примере. Ког-
да блок содержит от двух до пяти нуклеотидов, се-
рия повторов называется коротким тандемным
повтором, или микросателлитом (англ, short
tandem repeats — STR)-, мы обсуждали использова-
ние анализа STR при создании генетических про-
филей в разделе 20.4 (глава 20). Число копий по-
вторяющегося элемента варьируется для разных
элементов в пределах данного генома. Один STR
может состоять из нескольких сотен тысяч по-
второв блока GTTAC, а в другом может присут-
ствовать лишь половина этих повторов. Анализ
STR выполняется на участках с относительно не-
большим числом повторов. Количество повто-
ров может изменяться от человека к человеку, и,
так как люди диплоидны, каждый человек имеет
по два аллеля каждого сайта, которые могут от-
личаться. Эти отличия приводят к разнообразию
588 ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция
генетических профилей в STR-анализе. В целом
ДНК тандемных повторов составляет 3% генома
человека.
Большая часть тандемных повторов ДНК в ге-
номе находится в теломерах и центромерах хро-
мосом. Это позволяет предположить, что такая
ДНК играет определенную структурную роль в
хромосомах. ДНК центромер имеет важное зна-
чение для разделения хроматид в ходе деления
клеток (см. раздел 12.2, глава 12). Центромерная
ДНК, наряду с другими тандемными повторами,
может принимать участие в организации струк-
туры хроматина в интерфазном ядре. Тандемные
повторы теломер — на концах хромосом — пре-
дотвращают потерю генов при укорочении ДНК
в каждом раунде репликации (см. главу 16, раз-
дел 16.2). Теломерная ДНК также связывает бел-
ки, которые защищают концы хромосом от дегра-
дации и от присоединения к другим хромосомам.
Короткие повторяющиеся последовательно-
сти, описанные в этом разделе, бросают вызов
полногеномному секвенированию, так как на-
личие множества коротких повторов затрудняет
точную сборку фрагментов последовательности с
помощью компьютеров. Также участки ДНК-по-
второв вносят наибольшую неопределенность в
оценку размеров геномов.
Гены и мультигенные семейства
Заканчивая наше обсуждение различных ти-
пов последовательностей ДНК в геномах эукари-
от, рассмотрим более подробно типы генов. На-
помним, что последовательности ДНК, которые
кодируют белки или транскрибируют тРНК или
рРНК, составляют лишь 1,5% генома человека
(см. рис. 216). Если к этому количеству добавить
интроны и регуляторные последовательности, ас-
социированные с генами, общее количество ДНК,
связанной с работой генов, возрастает до пример-
но 25% генома человека. Другими словами, только
около 6% (1,5 из 25%) длины среднего гена пред-
ставлено в конечном продукте гена.
Как и гены бактерий, многие эукариотические
гены присутствуют в геноме в виде уникальных
последовательностей — только одной копии на га-
плоидный набор хромосом. Но в геноме человека
и многих других животных и растений одиночные
гены составляют менее половины от общего коли-
чества ДНК генов. Остальные гены входят в состав
мультигенных семейств — совокупностей двух
или более одинаковых или очень похожих генов.
В мультигенных семействах, состоящих из
идентичных последовательностей ДНК, эти по-
следовательности, как правило, группируются
тандемно и, за исключением генов для белков ги-
стонов, в качестве конечного продукта образуют
РНК. Примером может служить семейство оди-
наковых последовательностей ДНК, которое об-
разовано генами трех самых крупных молекул
рРНК (рис. 2110, а). Эти молекулы рРНК транскри-
бируются с одной транскрипционной единицы,
которая повторяется тандемно от сотен до тысяч
раз в одном или нескольких кластерах в геноме
многоклеточных эукариот. Многочисленные ко-
пии этой транскрипционной единицы рРНК по-
могают клеткам быстро собирать миллионы ри-
босом, необходимых для активного синтеза белка.
Первичный транскрипт расщепляется на три мо-
лекулы рРНК, которые связываются с белками и
еще одним видом рРНК (5S рРНК), образуя рибо-
сомальные субъединицы.
Классическими примерами мультигенных се-
мейств, состоящих из неидентичных генов, яв-
ляются два родственных семейства генов, ко-
дирующих глобины — группу белков, которые
включают а- и р-полипептидные субъединицы
гемоглобина. Одно из этих семейств, расположен-
ное на хромосоме 16 в организме человека, коди-
рует различные формы ос-глобина; другое семей-
ство, расположенное на хромосоме 11, кодирует
формы р-глобина (рис. 2110, б). В разное время в
процессе развития экспрессируются различные
формы каждого глобина, что позволяет гемогло-
бину эффективно функционировать в меняю-
щихся условиях в развивающемся животном. На-
пример, в организме человека эмбриональные
формы гемоглобина имеют более высокое срод-
ство к кислороду, чем взрослые формы, обеспечи-
вая эффективную передачу кислорода от матери
к плоду. Также в генном семействе глобинов об-
наружено несколько псевдогенов. Эволюция этих
двух семейств генов глобина будет рассмотрена
более подробно в разделе 21.5.
Анализ расположения генов в генных семей-
ствах сформировал представление биологов об
эволюции геномов. Мы рассмотрим некоторые из
процессов, сформировавших геномы разных ви-
дов в ходе эволюции, в следующем разделе.
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 589
т ’ AUI? Направление транскрипции
& /Анк /. . ' ’
-’-чйРНК транскрипты *
Нетранскрибируемый --------v-—
спейсер Транскрипционная
\ единица
18S 5.8S 28S
рРНК шаш маш
Генное семейство а-глобинов Генное семейство р-глобинов
Хромосома 16 Хромосома 11
I 1 I I I
£ V; Va, ¥а, щ а, Ve * Ау \|/р &
fl I
Плод и взрослый | I
Эмбрион организм Эмбрион Плод Взрослый
организм
а) Один из членов семейства генов рибосомальных РНК.
На электронной микрофотографии вверху изображены три
из сотен копий транскрипционных единиц в семействе генов
рибосомальной РНК саламандры. Каждое "перо" соответ-
ствует одной единице, которая транскрибируется пример-
но сотней молекул РНК-полимеразы (тёмные точки вдоль ДНК),
движущихся слева направо (красная стрелка). Растущие
РНК-транскрипты расходятся в стороны от ДНК. На схеме
транскрипционной единицы, расположенной под микро-
фотографией, гены трёх типов рРНК (синие) прилегают к ре-
гионам, которые транскрибируются, но впоследствии будут
удалены (голубые). Единый транскрипт подвергается процес-
сингу, в результате чего образуются три типа рРНК (красные) -
ключевые компоненты рибосомы.
б) Семейства а- и р-глобиновых генов человека. Как можно
видеть на молекулярной модели, гемоглобин взрослого чело-
века состоит из двух а-глобиновых и двух р-глобиновых поли-
пептидных субъединиц. Гены, кодирующие а- и р-глобины
(тёмно-голубой), образуют два семейства, организованные,
как показано на рисунке. Некодирующая ДНК (светло-голубая),
разделяющая функциональные гены внутри каждого семей-
ства, включает в себя и выделенные жёлтым псевдогены (у) -
версии функциональных генов, больше не кодирующие фун-
кциональных полипептидов. Гены и псевдогены обозначены
буквами греческого алфавита, как уже упомянутые а- и р-глобины.
Некоторые гены экспрессируются только на стадии эмбриона
или плода.
Рис. 21.10. Генные семейства
Q Как бы вы определили направление транскрипции генов на рисунке (о),
если бы оно не было отмечено стрелками?
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 21.4
1.
2.
3.
4.
Обсудите характеристики геномов млекопитающих, кото-
рые делают их крупнее, чем геномы прокариот.
Какой из трех механизмов, описанных на рис. 21.8 и 21.9,
оставляет копию в исходном сайте и вставляет копию в но-
вый сайт?
Сравните устройство генного семейства рРНК и генного се-
мейства глобинов. Для каждого из них объясните, почему
организм выигрывает от существования семейства.
| Распределите каждый из фраг-
ментов ДНК из верхней части рис. 18.8 (глава 18) между сек-
торами круговой диаграммы на рис. 21.6.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Ответы см. в Приложении А.
21.5. Дупликации, рекомбинации
и мутационные изменения ДНК
способствуют эволюции генома
Теперь, когда мы в качестве примера
исследовали состав генома человека, давайте по-
смотрим, что состав генома может рассказать нам
эволюция
о его развитии. В основе изменений и эволюции
генома лежат мутации. Вполне вероятно, что са-
мые ранние формы жизни имели минимальное
число генов — только те, что необходимы для вы-
живания и размножения. Если бы это действи-
тельно было так, то одним из аспектов эволюции
должно являться увеличение размера генома и
образование дополнительного генетического ма-
териала, способствующего повышению разно-
образия генов. В этом разделе мы сначала опи-
шем, как могут возникнуть дополнительные
копии всего генома или его части, а затем рассмо-
трим последующие процессы, которые могут при-
вести к появлению белков (или РНК) с несколько
иными или совершенно новыми функциями.
Дупликации целых наборов хромосом
Случайные ошибки в ходе мейоза могут при-
вести к одному или более дополнительным на-
борам хромосом; это состояние известно как по-
липлоидия. Чаще всего такие ошибки являются
590 ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция
летальными, однако в редких случаях могут спо-
собствовать эволюции генов. В полиплоидном
организме необходимые для организма функции
может обеспечить один набор генов. Гены одно-
го или нескольких дополнительных наборов мо-
гут дивергировать (приобретать различия) пу-
тем накопления мутаций; эти изменения могут
сохраняться, если несущий их организм выжи-
вет и произведет потомство. Таким образом мо-
гут сформироваться гены с новыми функциями.
До тех пор пока одна копия важного для клетки
гена экспрессируется, дивергенция другой копии
может привести к тому, что кодируемый ею белок
приобретет новую функцию, тем самым изменяя
фенотип организма.
Результатом этого накопления мутаций может
быть появление нового вида. Полиплоидия, буду-
чи редкой среди животных, является относитель-
но распространенной среди растений, особен-
но цветковых. Некоторые ботаники считают, что
80% ныне живущих видов растений содержат в
геноме свидетельства полиплоидизации, произо-
шедшей с их предковыми видами.
Изменения структуры хромосом
В связи с недавним прорывом в способах по-
лучения информации о последовательностях ге-
номов, стало возможно детально сравнить ор-
ганизацию хромосом многих различных видов.
Эта информация позволяет нам сделать вывод об
эволюционных процессах, которые формируют
хромосомы и могут управлять видообразовани-
ем. Например, ученым уже давно известно, что в
определенный момент примерно 6 миллионов лет
назад, когда предки человека и шимпанзе разде-
лились как виды, слияние двух хромосом в линии
человека привело к различному гаплоидному чис-
лу хромосом у людей (и = 23) и шимпанзе (и = 24).
Набор полос при дифференциальном окраши-
вании хромосом позволяет предположить, что
хромосома 2 у родоначальника человека образо-
валась в результате слияния концов исходных ва-
риантов хромосом шимпанзе 12 и 13. Секвениро-
вание и анализ человеческой хромосомы 2 в ходе
проекта ‘Теном человека” подтвердило модель,
которую мы описали в рис. 21.11.
В другом исследовании большего масштаба
ученые сравнили последовательность ДНК ка-
ждой хромосомы человека с последовательно-
стью генома мыши (рис. 21.12). В части этого иссле-
дования было показано, что крупные блоки генов
хромосомы 16 человека находятся и на четырех
мышиных хромосомах; это указывает на то, что
гены в каждом блоке остались сцеплены у мыши
и человека в ходе их дивергентной эволюции от
общего предка.
Хромосома
шимпанзе
Хромосома
человека
Теломеро-
подобная
последова-
тельность
Последова-
тельность
теломеры
Последова-
тельность
центромеры
Центромеро-
подобная
последова-
тельность
Рис. 21.11. Хромосомы человека и шимпанзе. Позиции тело-
мероподобных и центромероподобных последовательно-
стей на человеческой хромосоме 2 (слева) совпадают с те-
ломерами на 12 и 13 хромосомах шимпанзе и центромерой
на 13 хромосоме шимпанзе (справа). Это позволяет пред-
положить, что хромосомы 12 и 13 у предка человека слились
концами и сформировали человеческую хромосому 2. Цен-
тромера предковой хромосомы 12 осталась функционирую-
щей на человеческой хромосоме 2, в то время как центроме-
ра предковой хромосомы 13 функциональность утратила
Хромосомы
человека Хромосомы мыши
Рис. 21.12. Хромосомы человека и мыши. На этом рисунке мы
видим, что последовательности ДНК, очень схожие с протя-
женными участками 16-й хромосомы человека (цветные бло-
ки на этой диаграмме), обнаруживаются на 7-й, 8-й, 16-й и
17-й хромосомах мыши. Это позволяет предположить, что по-
следовательности ДНК в каждом блоке сохраняются с того
времени, когда линии мыши и человека дивергировали от об-
щего предка
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 591
Проведение такого же сравнительного анализа
хромосом человека и шести других видов млеко-
питающих позволило исследователям реконстру-
ировать эволюционную историю хромосомных
перестроек в этих восьми видах. Они нашли мно-
жество дупликаций и инверсий крупных участ-
ков хромосом, результат ошибок рекомбинации в
мейозе, при которых в ДНК происходили разры-
вы и неправильное соединение концов. Частота
этих событий, похоже, начала увеличиваться око-
ло 100 миллионов лет назад, за 35 миллионов лет
до того, как вымерли крупные динозавры, а число
видов млекопитающих начало быстро расти. Оче-
видное совпадение интересно тем, что хромосом-
ные перестройки, как полагают, способствуют об-
разованию новых видов. Две особи с различной
организацией хромосом все еще могут спаривать-
ся и производить потомство, но это потомство бу-
дет иметь два неэквивалентных набора хромосом,
что делает мейоз неэффективным или даже не-
возможным. Таким образом, хромосомные пере-
стройки привели бы к формированию двух групп
особей, которые не могли бы успешно спаривать-
ся друг с другом, что стало бы шагом на пути к их
становлению как двух отдельных видов.
В этом же исследовании был обнаружен сце-
нарий, имеющий медицинское значение. Анализ
участков хромосом, связанных с перестройками,
показал, что одни и те же специфические сайты
были неоднократно использованы в ходе эволю-
ции. Некоторые из этих “горячих точек” реком-
бинации в геноме человека соответствуют ме-
стам хромосомных перестроек, которые связаны
с врожденными заболеваниями (см. раздел 15.4 в
главе 15).
Дупликация и дивергенция участков
ДНК генного размера
Ошибки во время мейоза могут также приве-
сти к дупликации небольших областей хромосом,
в том числе сегментов длиной в ген. Неравномер-
ный кроссинговер во время профазы I мейоза, на-
пример, может привести к появлению одной хро-
мосомы с делецией, а другой — с дублированием
определенного гена. Мобильные элементы могут
создать гомологичные участки, по которым воз-
можен кроссинговер несестринских хроматид
даже в отсутствие правильного выравнивания
других хроматидных участков (рис. 21.13).
Рис. 21.13. Дупликации генов вследствие неравного крос-
синговера. Один из механизмов, благодаря которым ген (или
другой участок ДНК) может быть дуплицирован, — это ре-
комбинация, происходящая во время мейоза между копия-
ми мобильных элементов, фланкирующими какой-либо ген.
В результате рекомбинации между неправильно спаренными
несестринскими хроматидами гомологичных хромосом полу-
чается одна хроматида с двумя копиями гена и одна хрома-
тида, где этот ген отсутствует
Изучите процесс кроссингове-
ра изображенный на рис. 13.9 (глава 13) В средней части
схемы рис. 21.13 проведите линию, разделяющую точку крос-
синговера, ток, чтобы образовалась хроматида, изображен-
ная в нижней части схемы. Выполните аналогичную процедуру
для второй хроматиды, используя другой цвет.
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Кроме того, во время репликации ДНК может
происходить проскальзывание таким образом,
что матрица сдвигается относительно новой ком-
плементарной цепи, и часть матричной нити либо
пропускается, либо проходится машиной репли-
кации дважды. В результате фрагмент ДНК либо
удаляется, либо дублируется. Легко представить,
как такие ошибки могут произойти в областях с
ДНК-повторами. Переменное число повторяю-
щихся единиц тандемных повторов ДНК в опре-
деленном сайте, используемое для анализа STR,
вероятно, возникает вследствие ошибок, подоб-
ных этим. Свидетельством того, что неравный
кроссинговер и проскальзывание матрицы во
время репликации ДНК приводят к дупликации
генов, является существование мультигенных се-
мейств, таких как глобиновое семейство.
592 Г ЛАВА 21 Геномы и их эволюция
Эволюция генов с близкими функциями: гены
глобинов человека
На рис. 2110, б, представлена схема семейств ге-
нов а- и р-глобинов в том виде, в котором они су-
ществуют в геноме человека. Теперь давайте рас-
смотрим, как такие события, как дупликация,
могут привести к эволюции генов с близкими
функциями, например, генов глобинов. Сравне-
ние последовательностей генов мультигенного се-
мейства может указать порядок, в котором в ходе
эволюции возникли гены. Воссоздание эволюци-
онной истории глобиновых генов с использовани-
ем этого подхода указывает на то, что все эти гены
произошли от одного общего предкового гена
глобина, прошедшего дупликацию и дивергенцию
в предковые а- и (3-глобины около 450-500 мил-
лионов лет назад. Каждый из этих генов был впо-
следствии дуплицирован несколько раз, после
чего копии расходились друг от друга по последо-
вательности, что привело к появлению нынешних
членов семейства (рис. 21.14). Общий предковый
ген глобина также дал начало миоглобину — бел-
ку мышц, связывающему кислород, и белку расте-
ний легоглобину. Последние два белка функцио-
нируют в виде мономеров, и их гены включены в
“суперсемейство глобинов”.
После дупликации различия между генами в
семействе глобинов, несомненно, возникли в ре-
зультате мутаций, которые накапливаются в ко-
пиях генов в течение многих поколений. Текущая
модель состоит в том, что необходимая функция,
Предковый глобиновый ген
о
о
8
§
Дупликация
предкового гена
Мутации
в обеих копиях
Транспозиция
на разные хромосомы
Дальнейшие дупли-
кации и мутации
О
Vp о Р
р-глобиновое семейство
генов на 11 хромосоме
М<Ла2а1Уе
а-глобиновое семейство
генов на 16 хромосоме
Рис. 21.14. Модель эволюции семейств а- и р-глобиновых генов от одного предко-
вого глобинового гена
D Желтым выделены псевдогены. Объясните, каким образом они могли произой-
ти в результате дупликаций генов.
обеспечиваемая белком ос-глобином, реализу-
ется одним геном, в то время как другие копии
гена ос-глобина накапливают случайные мутации.
Многие мутации могли отрицательно сказаться
на организме, другие могли не иметь никакого эф-
фекта, но небольшое количество мутаций должно
было изменить функции белкового продукта та-
ким образом, чтобы это было выгодно для орга-
низма на определенной стадии развития, но без
существенного изменения способности белка пе-
реносить кислород. Вероятно, естественный от-
бор действовал на эти измененные гены так, что
они сохранялись в популяции.
В рубрике “Развиваем исследовательские на-
выки” вы можете сравнить аминокислотные по-
следовательности членов глобинового семейства
и изучить, как такое сравнение было использо-
вано для создания модели эволюции генов гло-
бинов, показанной на рис. 21.14. Существование
нескольких псевдогенов среди функциональных
генов глобина предоставляет дополнительное до-
казательство в пользу этой модели: случайные му-
тации в таких “генах” в ходе эволюции уничтожи-
ли их функцию.
Эволюция генов с новыми функциями
В эволюции семейства глобиновых генов дуп-
ликации генов с последующей дивергенцией при-
вели к появлению членов семейства, чьи белковые
продукты выполняли функции, аналогичные друг
другу (транспорт кислорода). Однако альтерна-
тивный сценарий состоит в том, что одна из ко-
пий дуплицированного гена может
подвергаться изменениям, которые
приводят к совершенно новой функ-
ции белкового продукта. Гены лизо-
цима и ос-лактальбумина являются
хорошими примерами такого рода
ситуации.
Лизоцим является ферментом, ко-
торый помогает животным защищать
себя от бактериальной инфекции, гид-
ролизуя стенки бактериальных кле-
ток (рис. 5.16 в главе 5); а-лактальбу-
мин является неферментативным
белком, который участвует в произ-
водстве молока у млекопитающих.
Два белка весьма схожи в своих ами-
нокислотных последовательностях и
трехмерной структуре (рис. 21.15).
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 593
Лизоцим 1
a-Лактальбумин 1
Лизоцим 51
a-Лактальбумин 51
Лизоцим 101
a-Лактальбумин 101
KVF ERCE LAP
KQF ТКСЕ LSQ
S TDYGI FQ I N
STEYGLFQIS
RDPQGIRAWV
D-IKGI DYWL
Т L KR LGMDGY
L L К--DIDGY
SRYWCNDGKT
NKLWCKSSQV
AWRNRCQ-NR
AHKALCT--E
RG I S LANWMC
GGIALPE L I С
PGAVNACH L S
PQSRNI CD I S
DVRQYVQGCG
КLEQWLCЕКL
LAKWE SGYNT
TMFHTSGYDT
CSAL LQDNI А
CDK F LDDDI Т
V
RATNYNAGDR
QAIVENN--E
DAVACAКRVV
DDIМСАККIL
в) Выравнивание аминокислотных последовательностей лизоцима и а-лактальбумина
Рис. 21.15. Сравнение белков лизоцима и a-лактальбумина. Ком-
пьютерные модели схожих структур (а) лизоцима и (б) а-лак-
тальбумина показаны вместе с выровненными аминокислотными
последовательностями этих двух белков. Аминокислоты распо-
ложены группами по 10 для удобства чтения, использован од-
нобуквенный код для обозначения аминокислот (см. рис. 5.14).
Идентичные аминокислоты выделены желтым, прочерки обозна-
чают пропуски в одной из последовательностей, добавленные
компьютерной программой для оптимизации выравнивания
УСТАНОВИ ВЗАИМОСВЯЗИ
Даже если две аминокислоты
не идентичны, они могут быть сходны структурно и по химиче-
ским свойствам и, таким образом, могут вести себя похожим
образом. Пользуясь рис. 5.14 (глава 5), исследуйте неиден-
тичные аминокислоты в позициях 1-30 и определите, в каких
случаях аминокислоты в двух последовательностях можно
считать сходными.
Оба гена встречаются у млекопитающих, в то
время как у птиц встречается только ген лизоци-
ма. Эти данные позволяют предположить, что через
некоторое время после разделения эволюционных
групп млекопитающих и птиц произошла дуплика-
ция гена лизоцима у млекопитающих, но не у птиц.
Впоследствии одна из копий дуплицированно-
го гена лизоцима превратилась в ген, кодирующий
a-лактальбумин, белок с совершенно иной функ-
цией. В недавнем исследовании биологи, изучаю-
щие эволюцию, провели поиск генов с аналогичны-
ми последовательностями в геномах позвоночных.
Было показано, что существует по крайней мере
восемь членов семейства лизоцима; некоторые из
родственных генов были найдены у разных млеко-
питающих. Функции продуктов этих генов пока не-
известны, но чрезвычайно интересен вопрос, будут
ли эти функции настолько же различны, насколько
различны лизоцим и ос-лактальбумин.
Помимо дупликации и дивергенции генов,
вклад в эволюцию генома также вносит перегруп-
пировка существующих последовательностей
ДНК. Наличие интронов, вероятно, способство-
вало эволюции новых белков путем дупликации и
перетасовки экзонов, что мы обсудим далее.
Перестановки частей генов:
дупликация и перетасовка экзонов
Вспомните из раздела 7.3 главы 17, что экзон
часто кодирует домен белка — отдельную струк-
турную и функциональную область белковой
молекулы. Мы уже видели, что неравный крос-
синговер во время мейоза может привести к ду-
блированию гена на одной хромосоме и его поте-
ре в гомологичной хромосоме (см. рис. 21.13). В ходе
аналогичного процесса отдельный экзон гена мо-
жет быть продублирован на одной хромосоме и
удален из другой. Ген с дублированным экзоном
594 Г ЛАВА 21 Геномы и их эволюция
кодировал бы белок, содержащий вторую копию
закодированного домена. Это изменение в струк-
туре белка потенциально могло бы усилить его
функцию путем повышения его стабильности и
способности связывать определенный лиганд или
же путем изменения какого-либо другого свой-
ства. Довольно немного генов, кодирующих бел-
ки, имеют множественные копии родственных
экзонов, которые, вероятно, возникли в результа-
те дупликации, а затем дивергировали. Хорошим
примером этого служит ген, кодирующий колла-
ген, белок внеклеточного матрикса. Коллаген яв-
ляется структурным белком с высокой степенью
повторяемости аминокислотной последователь-
ности, что отражает повторяющийся паттерн эк-
зонов в гене коллагена.
С другой стороны, мы можем представить
случайное комбинирование различных экзонов
внутри одного гена либо между двумя различ-
ными (неаллельными) генами, произошедшее из-
за ошибок в мейотической рекомбинации. Этот
процесс, названный перетасовкой экзонов, мо-
жет привести к появлению новых белков с новы-
ми комбинациями функций. В качестве примера
давайте рассмотрим ген тканевого активатора
плазминогена (tissue plasminogen activator — ТРА).
Белок ТРА является внеклеточным белком, уча-
ствующим в регуляции свертывания крови. Он
состоит из четырех доменов трех типов, каж-
дый из которых кодируется экзоном; один экзон
присутствует в двух экземплярах. Поскольку каж-
дый тип экзона встречается также и в других
белках, текущая версия гена ТРА, как полагают,
возникла в результате нескольких случаев перета-
совки экзонов и дупликации (рис. 2116).
=EGF EGF EGF EGF
Ген эпидермального
фактора роста с множес-
твенными EGF экзонами .
F F F F
Ген фибронектина с мно-
жественными экзонами
“пальцев'_________
к
Ген плазминогена с крингл-
экзоном (двойная петля)
Перетасовка
экзонов
Дупликация
экзонов
Части предковых генов
Ген ТРА в том виде,
в котором он существует
в настоящее время
Рис. 21.16. Происхождение новых генов путем перетасовки
экзонов. В результате перетасовки экзонов, каждый из кото-
рых кодирует определенный домен белка, они могли переме-
ститься из предковых генов эпидермального фактора роста
(фибронектина) и плазминогена (слева) — в эволюциониру-
ющий ген тканевого активатора плазминогена ТРА (справа).
Причиной появления двух копий этого экзона в ныне существу-
ющем гене ТРА может быть дупликация крингл-экзона (К) из
гена плазминогена, случившаяся уже после его перемещения
] Как наличие мобильных элементов внутри интронов могло
бы ускорить показанную на рисунке перетасовку экзонов?
РАЗВИВАЕМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ НАВЫКИ
' Рассматриваем таЬмщу идентичности аминоыслотньтх носае2о£атсммостеи
Каким образом аминокислотные последовательности генов
человеческих глобинов расходились в процессе эволюции?
Чтобы построить модель эволюционной истории глобиновых ге-
нов (рис. 21.14), исследователи сравнили аминокислотные по-
следовательности полипептидов, которые они кодируют. В этом
упражнении вы проанализируете результаты сравнения амино-
кислотных последовательностей полипептидов глобина с целью
выявления их эволюционных взаимоотношений.
Проведение эксперимента. Ученые получили последовательно-
сти ДНК для каждого из восьми глобиновых генов и "перевели” их
в аминокислотные последовательности. Затем они использовали
компьютерную программу для выравнивания последовательно-
стей (прочерки указывают на пробелы в одной из последова-
тельностей) и вычислили значение
процента идентичности для каждой
пары глобинов. Процент идентично-
сти отражает количество позиций с
идентичными аминокислотами по
отношению к общему количеству А гемоглобин
аминокислот в полипептиде глоби-
на. Данные отображены в таблице парных выравниваний.
Полученные экспериментальные данные. Следующая таблица
представляет пример попарного выравнивания аминокислотных
последовательностей — оц-глобина (альфа-1-глобина) и ^-глоби-
на (зета-глобина)—с использованием стандартных однобуквен-
ных символов для аминокислот.
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 595
Глобин Выравнивание последовательностей аминокислот
«1 1 MVLSPADKTNVKAAWGKVGAHAGEYGAEAL
£ 1 MSLTKTERTIIVSMWAKISTQADTIGTETL
«1 31 ERMFLSFPTTKTYFPHFDLSH-GSAQVKGH
£ 31 ERLFLSHPQTKTYFPHFDL-HPGSAQLRAH
«1 61 GKKVADALTNAVAHVDDMPNALSALSDLHA
5 61 GSKVVAAVGDAVKSIDDIGGALSKLSELHA
а1 91 HKLRVDPVNFKLLSHCLLVTLAAHLPAEFT
I 91 YILRVDPVNFKLLSHCLLVTLAARFPADFT
а1 121 PAVHASLDKFLASVSTVLTSKYR
£ 121 AEAHAAWDKFLSVVSSVLTEKYR
Слева от каждой строки аминокислотной последовательности
указан порядковый номер первой аминокислоты в этой строке.
Значение процента идентичности для аминокислотных после-
довательностей и ^-глобина вычисляли путем подсчета числа
позиций с идентичными аминокислотами (87, выделены желтым
цветом), деления на общее число аминокислотных позиций (143)
и умножения на 100. Это привело к получению процента иден-
тичности 61% для пары с^- и С-глобина, что отражено в таблице
идентичности аминокислот в нижней части страницы. Значения
процента идентичности для других пар глобина были вычислены
таким же образом.
Анализ данных.
1. Обратите внимание, что в таблице выравнивания данные рас-
положены таким образом, что можно сравнить каждую пару
глобинов, а) Обратите внимание на то, что в некоторых клетках
в таблице имеются прочерки. С учетом пар, которые сравни-
ваются в этих клетках, какое значение процента идентичности
подразумевается под прочерками? б) Обратите внимание на
то, что клетки в нижней левой части таблицы являются пустыми.
Используя информацию, уже представленную в таблице, за-
полните недостающие значения. Почему имеет смысл оста-
вить данные клетки пустыми?
2. Чем раньше два гена возникли из дуплицированного гена,
тем больше различие их нуклеотидных последовательностей,
приводящее к различиям аминокислот в белковых продуктах,
а) На основе этой предпосылки определите, какие два гена
являются наиболее далеко разошедшимися друг от друга.
Каков процент идентичности аминокислот в их полипептидах?
б) Используя тот же подход, определите, какие два гена гло-
бинов являются дуплицированными в самое недавнее время.
Каков процент идентичности между ними?
3. Модель эволюции глобиновых генов, показанная на рис. 21.14,
позволяет предположить, что предковый ген был дуплициро-
ван и мутировал, чтобы дать гены а- и р-глобина, а затем каж-
дый из них был дополнительно дуплицирован и мутировал.
Какие особенности имеющегося набора данных поддержи-
вают такую модель?
4. Составьте список всех значений процента идентичности та-
блицы, начиная со 100% в ее верхней части. Рядом с каждым
значением напишите пару(ы) глобинов с этим значением про-
цента идентичности. Используйте один цвет для глобинов а-се-
мейства и другой цвет для глобинов р-семейства. а) Сравните
порядок пар в вашем списке с их положением в модели, по-
казанной на рис. 21.14. Описывает ли порядок пар ту же отно-
сительную “близость" членов семейства глобинов, что и в мо-
дели? б) Сравните значения процента идентичности для пар
внутри а- и р- групп с его значением для межгрупповых пар.
Данные взяты из базы данных NCBI. Для более подробной инфор-
мации: R. С. Hardison, Globin genes on the move, Journal of Biology
7:35.1-35.5(2008).
Таблица идентичности аминокислотных последовательностей глобинов
а-Семейство р-Семейство
а1 (альфа 1) а2 (альфа 2) с (зэта) ₽ (бэта) S (дельта) е (эпсилон) д (гамма А) Gr (гамма G)
а-Семейство а1 — 100 61 45 44 39 42 42
а2 — 61 45 44 39 42 42
С — 38 40 41 41 41
I р-Семейство р j 93 76 73 73
5 73 L I I 71 72
е — 80 80
Ау 1 99
Gy —
596 ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция
Как мобильные элементы вносят
вклад в эволюцию генома
Сохранение мобильных элементов как крупной
фракции некоторых эукариотических геномов со-
гласуется с идеей о том, что эти элементы играют
важную роль в формировании генома в ходе эво-
люции. Мобильные элементы могут способство-
вать эволюции генома несколькими способами.
Они могут обеспечивать рекомбинацию, нарушать
последовательность генов или регуляторных эле-
ментов клетки, а также переносить целые гены или
отдельные экзоны в новые положения в геноме.
Схожие по последовательности мобильные
элементы, разбросанные по всему геному, способ-
ствуют рекомбинации между разными хромосо-
мами, представляя собой гомологичные участки,
необходимые для кроссинговера. Большинство
таких событий рекомбинации, вероятно, наносит
ущерб, вызывая хромосомные перестройки и дру-
гие изменения в геноме, которые могут привести
к смерти организма. Но в масштабе эволюцион-
ного времени случайное событие рекомбинации
такого рода может быть полезным для организма.
(Конечно, для того, чтобы изменение было насле-
дуемым, оно должно произойти в клетке, образу-
ющей гаметы.)
Перемещение мобильного элемента может
иметь различные последствия. Например, если
транспозон “вставляется” в середину последова-
тельности, кодирующей белок, он будет препят-
ствовать производству нормального транскрипта
гена. Если транспозон интегрируется в регуля-
торную последовательность, транспозиция мо-
жет привести к увеличению или снижению уров-
ня экспрессии одного или нескольких белков.
Транспозиция оказала оба типа воздействий на
гены, кодирующие ферменты синтеза пигментов,
в кукурузных зернах Мак-Клинток. Хотя, как пра-
вило, такие изменения вредны, в конечном сче-
те некоторые из них могут оказаться полезными,
обеспечивая преимущество в выживании.
Во время транспозиции мобильный элемент
может перенести с собой ген или даже группу ге-
нов в новое положение в геноме. Этот механизм,
возможно, объясняет расположение а- и р-глоби-
новых семейств генов на разных хромосомах че-
ловека, а также дисперсию генов некоторых дру-
гих генных семейств. С помощью аналогичного
процесса экзон из одного гена может быть встав-
лен в другой ген благодаря механизму, сходному
с перетасовкой экзонов во время рекомбина-
ции. Например, экзон может быть вставлен пу-
тем транспозиции в интрон гена, кодирующе-
го белок. Если вставленный экзон удерживается
в РНК-транскрипте в процессе сплайсинга РНК,
синтезируемый белок будет иметь дополнитель-
ный домен, который может обеспечить ему новую
функцию.
Все процессы, обсуждаемые в этом разде-
ле, наиболее часто имеют либо вредные эффек-
ты, которые могут привести к летальному исходу,
либо не имеют вообще никакого эффекта. Одна-
ко в некоторых случаях могут произойти неболь-
шие наследственные изменения, которые являют-
ся полезными. На протяжении многих поколений,
полученное генетическое разнообразие предо-
ставляет ценное сырье для естественного отбора.
Увеличение разнообразия генов и их продуктов
является важным фактором развития новых ви-
дов. Таким образом, накопление изменений в ге-
номе каждого вида представляет запись эволюци-
онной истории. Чтобы прочитать эту запись, мы
должны быть в состоянии определить геномные
изменения. Сравнение геномов различных видов
позволяет нам сделать это и развивает наше по-
нимание того, как эволюционируют геномы. Бо-
лее подробно вы узнаете об этих темах в следую-
щем разделе.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 21.4
1.
2.
3.
4.
Опишите три варианта ошибок в клеточных процессах, кото-
рые приводят к дупликациям ДНК.
Объясните, как могли появиться множественные экзоны у
предковых генов эпидермального фактора роста и фибро-
нектина, показанных в левой части рис. 21.16.
Какими тремя способами мобильные элементы могут, как
предполагается, участвовать в эволюции геномов?
В 2005 году исландские ученые сообщи-
ли о том, что нашли крупную хромосомную инверсию, при-
сутствующую у 20% северных европейцев; они заметили, что
исландские женщины с такой инверсией имеют значитель-
но большее количество детей, чем женщины без нее. Что,
по вашему мнению, произойдет с частотой встречаемости
данной инверсии в будущих поколениях?
А ЧТО, ЕСЛИ?
Ответы см. в Приложении А.
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 597
ЭВОЛЮЦИЯ
21.6. Сравнение геномных
последовательностей дает
ключи к пониманию процессов
эволюции и развития
Один из исследователей сравнил ны-
нешнее состояние биологии с эпохой Великих
географических открытий XV века, которая на-
ступила вскоре после значительного прорыва в
навигации и конструировании кораблей. Послед-
ние 25 лет мы наблюдаем быстрый прогресс в об-
ласти секвенирования геномов и сбора данных,
новых методов полногеномной оценки активно-
сти генов и совершенствования подходов к по-
ниманию того, как гены и их продукты совмест-
но функционируют в рамках сложных систем. Мы
действительно стоим на пороге открытия нового
мира.
Сравнение последовательностей геномов раз-
личных видов представляет много информации
об эволюционной истории жизни, от самых древ-
них до более поздних форм. Аналогичным обра-
зом сравнительные исследования генетических
программ, управляющих эмбриональным разви-
тием у разных видов, позволяют выяснить меха-
низмы, порождающие огромное разнообразие
форм жизни на Земле. В этом заключительном
разделе главы мы обсудим, что нового мы узнали
с помощью этих двух подходов.
Сравнивая геномы
Чем более похожи последовательности генов и
геномов двух видов, тем более тесной является их
связь в эволюционной истории. Сравнение гено-
мов близкородственных видов проливает свет на
более поздние эволюционные события, в то время
как сравнение геномов очень отдаленно родствен-
ных видов помогает нам разобраться в древней
истории эволюции жизни. В любом случае знания
о характеристиках — общих или дивергировав-
ших — у различных групп организмов детализи-
рует представляемую нами картину их эволюции
и биологических процессов. В главе 1 вы узнали,
что эволюционные взаимосвязи между видами
могут быть представлены в виде древовидной ди-
аграммы (часто изображается повернутой на 90°),
каждая точка ветвления которой отмечает рас-
хождение двух эволюционных линий. На рис. 21.17
показаны эволюционные отношения некоторых
групп и видов, которые мы обсудим далее.
Самый
недавний
общий
предок
всех
живых
существ
Бактерии
С] Эукариоты
Археи
4 3 2 Г О
Рис. 21.17. Эволюционные связи трех доменов жизни. Диа-
грамма в верхней части рисунка отражает древнюю дивер-
генцию бактерий, архей и эукариот. Внизу показана увели-
ченная часть линии эволюции эукариот, демонстрирующая
относительно недавнюю дивергенцию трех видов млекопита-
ющих, обсуждаемую в данной главе
Сравнение отдаленно родственных видов
Определение того, какие гены остаются похо-
жими — т.е. высоко консервативными — у отда-
ленно родственных видов, может помочь прояс-
нить эволюционные взаимосвязи между видами,
которые давно дивергировали друг от друга. Дей-
ствительно, сравнение специфических последова-
тельностей генов бактерий, архей и эукариот ука-
зывает на то, что эти три группы разошлись от 2
до 4 миллиардов лет назад, и решительно поддер-
живает теорию, что они являются фундаменталь-
ными доменами жизни (см. рис. 21.17).
Сравнительные исследования геномов име-
ют важное значение не только для эволюцион-
ной биологии, но и для опытов на модельных ор-
ганизмах с целью лучшего понимания биологии
в целом и биологии человека в частности. Очень
древние гены могут быть удивительно похожи у
очень отдаленных видов. Например, несколько
генов дрожжей настолько похожи на некоторые
гены заболеваний человека (гены, мутации в ко-
торых приводят к развитию болезни), что иссле-
дователи определили функции генов человека, из-
учив их дрожжевые аналоги. Этот поразительный
результат подчеркивает общее происхождение
этих двух отдаленно родственных видов.
598 ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция
Сравнение близкородственных видов
Геномы двух близкородственных видов, веро-
ятно, будут организованы схожим образом, так
как их дивергенция произошла относительно не-
давно. В прошлом этот вид сходства позволил
полностью секвенировать геном одного вида, ис-
пользуя в качестве основы для сборки известную
последовательность генома близкородственного
вида, что ускорило картирование нового генома.
Например, используя последовательность челове-
ческого генома в качестве основы, исследователи
смогли быстро собрать последовательность гено-
ма шимпанзе. С появлением новых и более бы-
стрых методов секвенирования большинство ге-
номов собирают в индивидуальном порядке, как
это недавно было сделано для геномов бонобо и
гориллы. (Наряду с шимпанзе, бонобо и другие
африканские виды обезьян являются ближайши-
ми живыми родственниками человека.)
Недавнее расхождение двух близкородствен-
ных видов также является причиной небольшо-
го числа различий генов, которое обнаружива-
ется при сравнении их геномов. Следовательно,
определенные генетические различия можно бо-
лее уверенно связать с фенотипическими разли-
чиями этих двух видов. Захватывающее примене-
ние этого типа анализа можно наблюдать, когда
исследователи сравнивают геном человека с гено-
мами шимпанзе, мыши, крысы и других млекопи-
тающих. Идентификация генов, общих для всех
этих видов, но не для не-млекопитающих, помога-
ет разгадать, что необходимо для формирования
млекопитающего, в то время как гены, общие для
шимпанзе и человека, но не для них и грызунов,
могут рассказать нам о приматах. И, конечно же,
сравнив геном человека и шимпанзе, мы сможем
ответить на каверзный вопрос, заданный в начале
главы: какая информация в геноме определяет его
носителя как человека, и какая — как шимпанзе?
Анализ общего состава геномов человека и
шимпанзе, которые, как полагают, разошлись все-
го около 6 миллионов лет назад (см. рис. 21.17), по-
казывает некоторые базовые различия. С учетом
однонуклеотидных замен, два генома различа-
ются лишь на 1,2%. Однако когда исследователи
рассмотрели более длинные участки ДНК, они
с удивлением обнаружили различие в 2,7%, об-
условленное вставками и выпаданиями круп-
ных областей в геноме то одного, то другого вида;
многие из вставок были дупликациями или дру-
гими повторяющимися ДНК. Фактически одна
треть дупликаций человека отсутствует в геноме
шимпанзе, и некоторые из этих дупликаций со-
держат области, связанные с заболеваниями че-
ловека. В геноме человека больше А/и-элементов,
чем в геноме шимпанзе, который, в свою очередь,
содержит множество копий ретровирусного про-
вируса, отсутствующих у человека. Все эти наблю-
дения дают ключ к пониманию процессов, при-
ведших к расхождению двух геномов, но полной
картины этого явления у нас пока нет.
Секвенирование генома бонобо, завершенное
в 2012 году, показало, что в некоторых областях
последовательность генома человека более тесно
связана с последовательностями шимпанзе и бо-
нобо, чем последовательности шимпанзе и боно-
бо связаны между собой. Такое аккуратное срав-
нение трех близкородственных видов позволяет
создать еще более детальную реконструкцию их
эволюционной истории.
Нам также неизвестно, как генетические раз-
личия, выявленные при секвенировании геномов,
могут являться причиной отличительных осо-
бенностей каждого вида. Чтобы определить ос-
нову фенотипических различий между шимпан-
зе и человеком, биологи изучают специфические
гены и типы генов, которые отличаются у этих
двух видов, и сравнивают их с эквивалентны-
ми генами других млекопитающих. Такой подход
позволил выявить ряд генов, которые, по-види-
мому, изменяются (эволюционируют) у человека
быстрее, чем у шимпанзе или мыши. Среди них
имеются гены, участвующие в защите от малярии
и туберкулеза, а также по меньшей мере один ген,
который регулирует размер мозга. Если класси-
фицировать гены по функции, наиболее быстро
эволюционирующими оказываются гены, кото-
рые кодируют факторы транскрипции. Это от-
крытие имеет смысл, поскольку факторы транс-
крипции регулируют экспрессию генов и, таким
образом, играют ключевую роль в реализации об-
щей генетической программы.
Один из факторов транскрипции, чей ген у че-
ловека содержит свидетельство быстрых эволю-
ционных изменений, называется FOXP2 (рис. 21.18).
Имеются несколько доказательств, указываю-
щих на то, что ген FOXP2 участвует в формиро-
вании голоса у позвоночных. Во-первых, мутации
в этом гене могут привести к выраженным нару-
шениям речи у человека. Во-вторых, ген FOXP2
экспрессируется в мозге зябликов и канареек в то
время, когда эти певчие птицы разучивают свои
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 599
▼ Рис. 21.18.
Изыскание
Какова функция гена (FOXP2), быстро эволюционирующего в эволюционной линии человека?
Эксперимент. Есть несколько доказательств, свидетельствующих об участии гена
FOXP2 в развитии речи и языка у человека, а также в издавании звуков другими позво-
ночными. В 2005 году Джозеф Баксбаум с коллегами из Медицинской школы Маунт-
Синай и других институтов исследовали функции FOXP2. В качестве модельного орга-
низма была выбрана мышь, поскольку ее гены можно легко выключить с помощью тех-
нологии нокаута, а также на мышах можно изучать вокализацию позвоночных: мыши
издают ультразвуковой писк (свист) для сообщения о стрессе.
Дикий тип:
две нормальные копии
FOXP2
Гетерозигота:
одна копия FOXP2
разрушена
Гомозигота:
обе копии FOXP2
разрушены
Исследователи генетически модифицировали мышей так, что одна или обе копии
гена FOXP2 у них оказались поврежденными.
Далее ученые сравнили фенотипы этих мышей. Здесь приведены два признака из тех,
по которым сравнивали полученных мышей — анатомия мозга и вокализация.
Эксперимент 1. Исследователи делали тонкий срез мозга и красили его
реактивами, позволяющими увидеть анатомию мозга в УФ флюоресцентном
микроскопе
Результаты
Эксперимент 2. Исследователи разлу-
чали новорожденных мышат с матеря-
ми и фиксировали количество издавае-
мых детенышами ультразвуковых писков.
Результаты эксперимента 1. Разрушение обеих копий FOXP2 ведет к ненормаль-
ному развитию мозга вследствие нарушения взаимного расположения клеток.
Гетерозиготы с одной разрушенной копией гена имеют менее выраженный
фенотип. (Каждый цвет на фотографии внизу обозначает различные типы клеток
или тканей.)
Результаты эксперимента 2. Разруше-
ние обеих копий FOXP2 привело к отсут-
ствию ультразвуковой сигнализации
в ответ на стресс. Влияние на вокализа-
цию гетерозиготности также было
значительным.
-М1.Г » ' АОЗИЮГС
Выводы. Ген FOXP2 играет значительную роль в развитии систем функциональной коммуникации у мышей. Эти результаты вместе с
данными, полученными на птицах и людях, поддерживают гипотезу о том, что FOXP2 может действовать похожим образом в различных
организмах.
Источник: \N. Shu et al.. Altered ultrasonic vocalization in mice with a disruption in the Foxp2 gene, Proceedings of the National Academy of
Sciences 102:9643-9648 (2005).
Поскольку эти результаты свидетельствуют о значении, которое имеет FOXP2 для вокализации мышей, мы можем
спросить себя, не является ли белок FOXP2 ключевым регулятором речи у человека. Если вы получите аминокислотную последова-
тельность белка дикого типа и мутантного белка FOXP2 человека и дикого типа этого белка для шимпанзе, как вы будете исследовать
этот вопрос? Какие еще выводы вы сможете получить из сравнения этих последовательностей с последовательностью FOXP2 мыши?
А ЧТО, ЕСЛИ?
600 Г ЛАВА 21 Геномы и их эволюция
песни. Но, пожалуй, самое сильное доказатель-
ство представляет эксперимент по нокауту, в ко-
тором исследователи выключали ген FOXP2 у мы-
шей и анализировали полученный в результате
фенотип (см. ниже). Гомозиготные мутантные
мыши имели деформированную структуру мозга
и не издавали нормальных ультразвуковых сиг-
налов, а мыши с одной неисправной копией гена
также имели значительные проблемы с издавани-
ем звуков (вокализацией). Эти результаты под-
тверждают идею о том, что продукт гена FOXP2
“включает” гены, участвующие в формировании
речи.
Недавно другая группа ученых, пытаясь рас-
ширить это исследование, заменила ген FOXP2 у
мышей на “человеческую” копию, кодирующую
характерную для человека версию двух амино-
кислот, различных у человека и шимпанзе; эти
изменения потенциально ответственны за спо-
собность человека говорить. Хотя мыши оказа-
лись здоровыми, как правило, у них слегка разли-
чались вокализации и наблюдались изменения в
клетках головного мозга в цепях, связанных с ре-
чью у человека.
В 2010 году очень небольшое количество со-
хранной геномной ДНК позволило получить по-
следовательность генома неандертальца. Неандер-
тальцы (Homo neanderthalensis) являются членами
того же рода, к которому относятся современные
люди (Homo Sapiens). Реконструкция их эволюци-
онной истории на основе сравнений геномов этих
двух видов позволяет предположить, что неко-
торые группы людей и неандертальцев сосуще-
ствовали и скрещивались в течение определенно-
го периода времени, прежде чем неандертальцы
вымерли около 30 000 лет назад. Иногда неандер-
тальцы изображаются как примитивные суще-
ства, способные издавать только нечленораздель-
ные звуки, однако последовательность их гена
FOXP2 кодирует белок, идентичный белку чело-
века. Это говорит о том, что неандертальцы, воз-
можно, обладали определенным типом речи, что,
наряду с другими наблюдаемыми элементами ге-
нетического сходства, заставляет нас пересмо-
треть образ наших недавно вымерших родствен-
ников.
История гена FOXP2 является прекрасным
примером того, как различные подходы могут до-
полнять друг друга в раскрытии биологических
явлений широчайшего значения. В эксперимен-
тах с геном FOXP2 в качестве модельных орга-
низмов использовали мышей, потому что было
бы неэтично (а также и нецелесообразно) про-
водить такие эксперименты на людях. Мыши и
люди дивергировали около 65,5 млн лет назад
(см. рис. 21.17) и имеют около 85% общих генов.
Это генетическое сходство может быть исполь-
зовано при изучении генетических заболеваний
человека. Если исследователи знают орган или
ткань, которые поражаются при определенном
генетическом заболевании, они могут изучить
гены, которые экспрессируются в данных тканях
или органах у мышей.
В настоящее время продолжается расшире-
ние исследований геномов многих других видов,
в том числе и забытых, относящихся к различным
ветвям древа жизни. Эти исследования продол-
жат развивать наше понимание эволюции, а так-
же всех аспектов биологии — от здоровья челове-
ка до экологии.
Сравнение геномов в пределах вида
Еще одним интересным следствием возмож-
ности анализировать геномы является наше раз-
вивающееся понимание спектра генетической из-
менчивости у человека. История человеческого
рода достаточно коротка и, вероятно, составля-
ет около 200 000 лет, поэтому количество вариа-
ций в последовательности ДНК среди людей мало
по сравнению со многими другими видами. Боль-
шую часть нашего генетического разнообразия,
похоже, составляют однонуклеотидные полимор-
физмы (SNP). SNP — это единичные пары основа-
ний, в которых обнаружены вариации у по край-
ней мере 1% населения (см. раздел 20.2 в главе 20);
они обычно определяются путем секвенирования
ДНК. В человеческом геноме SNP встречаются в
среднем примерно раз в 100-300 пар оснований.
Ученые уже определили местонахождение не-
скольких миллионов сайтов SNP в геноме челове-
ка и продолжают находить новые SNP.
В ходе этого исследования ученые также на-
шли другие вариации — в числе хромосомных
областей с инверсиями, делециями и дупликаци-
ями. Самым удивительным было открытие широ-
кого распространения вариаций числа копий ге-
нов (copy-number variants — CNVs) — локусов, в
которых у людей может находиться одна или не-
сколько копий определенного гена или генети-
ческой области, а не стандартные две копии (по
одному на каждой гомологичной хромосоме).
CNVs являются результатом непоследовательной
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 601
дупликации или удаления областей генома в по-
пуляции. В недавнем исследовании у 40 человек
нашли более 8000 CNVs с участием 13% генов в ге-
номе, и эти CNVs, вероятно, представляют собой
лишь небольшую часть от общего числа. Так как
эти вариации охватывают гораздо более длинные
участки ДНК, чем однонуклеотидные полимор-
физмы, CNVs, скорее всего, имеют фенотипиче-
ские последствия и играют определенную роль в
сложных заболеваниях и расстройствах. По край-
ней мере высокая частота вариаций числа копий
генов ставит под сомнение смысл фразы “геном
нормального человека”.
Вариации числа копий генов, SNP и вариации
в повторяющейся ДНК, такой как короткие тан-
демные повторы (STR), являются полезными ге-
нетическими маркёрами для изучения эволюции
человека. В одном исследовании были отсеквени-
рованы геномы двух африканцев из разных об-
щин: архиепископа Десмонда Туту, южноафри-
канского гражданского адвоката и члена племени
Банту — основной популяции южной части Афри-
ки, и Гибу, охотника-собирателя из общины Кой-
сан в Намибии, небольшого африканского народа,
вероятно, являющегося группой людей с наиболее
древней известной родословной. Сравнение пока-
зало много различий, как и можно было бы ожи-
дать. Затем анализ был расширен, чтобы сравнить
области генома Гибу, кодирующие белки, с тремя
другими членами общины Койсан (самоиденти-
фицируются как бушмены), живущими поблизо-
сти. Примечательно, что эти четыре африканских
генома отличались друг от друга в большей степе-
ни, чем европейские геномы отличаются от ази-
атских. Эти данные подчеркивают широкое раз-
нообразие африканских геномов. Развитие этого
подхода поможет нам ответить на важные вопро-
сы о различиях между человеческими популяция-
ми и о миграционных путях человеческих популя-
ций на протяжении нашей истории.
Широко распространенная
консервативность генов развития
среди животных
Биологи эволюционной биологии развития,
или evo-devo, как часто называют эту область,
сравнивают процессы развития различных мно-
гоклеточных организмов. Цель этого состоит в
том, чтобы понять, как развивались процессы и
как изменения в них могут изменить существую-
щие функции организма или привести к появле-
нию новых. В связи с появлением молекулярных
методов и недавним значительным увеличением
геномной информации мы начинаем понимать,
что геномы родственных видов поразительно
различного фенотипа могут иметь лишь незна-
чительные различия в последовательности генов
или, что, возможно, более важно, в их регуляции.
Обнаружение молекулярных основ этих разли-
чий, в свою очередь, помогает нам понять истоки
происхождения многочисленных разнообразных
форм, которые живут на этой планете, тем самым
наполняя новым пониманием наше исследование
эволюции.
В главе 18 вы узнали о гомеозисных генах Dro-
sophila melanogaster, которые определяют тип
сегментов тела у плодовой мушки (см. рис. 18.20).
Молекулярный анализ гомеозисных генов у дро-
зофилы показал, что все они включают в себя
180-нуклеотидную последовательность, называ-
емую гомеобоксом, который кодирует 60-амино-
кислотный гомеодомен в белках гомеозисных ге-
нов. В гомеозисных генах многих беспозвоночных
и позвоночных были обнаружены идентичные
или очень похожие нуклеотидные последователь-
ности. Гомеозисные последовательности у людей
и плодовых мух настолько похожи, что один ис-
следователь назвал мух “маленькими людьми с
крыльями” Сходство распространяется даже на
организацию этих генов: гены позвоночных, го-
мологичные гомеозисным генам плодовой муш-
ки, сохранили ту же хромосомную организацию
(рис. 21.19).
Последовательности, содержащие гомеобокс,
были также обнаружены в регуляторных генах
гораздо более отдаленно родственных эукариот,
в том числе растений и дрожжей. На основании
этих общих особенностей мы можем сделать вы-
вод, что последовательность гомеобоксной ДНК
развилась очень рано в истории жизни и оказа-
лась достаточно ценной для организмов и поэто-
му сохранялась у животных и растений практиче-
ски без изменений в течение сотен миллионов лет.
Гомеозисные гены у животных были названы
Нох-генами (сокращение от ЛотеоЬох-содержа-
щий): первые обнаруженные гомеозисные гены
содержали эту последовательность. Позже были
обнаружены другие гомеобокс-содержащие гены,
функционирующие иначе, чем гомеозисные —
они не контролируют напрямую определение ти-
пов частей тела. Тем не менее большинство этих
602 Г ЛАВА 21 Геномы и их эволюция
генов у животных связаны с развитием, что сви-
детельствует об их древнем и фундаментальном
значении в этом процессе. У дрозофилы, напри-
мер, гомеобоксы присутствуют не только в гомео-
зисных генах, но и в гене полярности яйцеклетки
bicoid (см. рис. 18.21 и 18.22 в главе 18), в некоторых
из генов сегментации, а также в ключевом регуля-
торном гене развития глаз.
Взрослая
плодовая
мушка
Эмбрион
плодовой мушки
(10 часов)
Хромосома
плодовой мушки
I //
Взрослая
мышь
Хромосомы
мыши <
Эмбрион мыши
(12 дней)
Рис. 21.19. Консерватизм гомеозисных генов у плодовой муш-
ки и мыши. Гомеозисные гены, контролирующие развитие пе-
редних и задних структур тела, расположены в одной и той
же линейной последовательности на хромосомах дрозофи-
лы и мыши. Каждая цветная полоска на хромосоме обозна-
чает гомеозисный ген. У дрозофилы все гомеозисные гены
расположены на одной хромосоме. У мыши и других млеко-
питающих аналогичный или схожий набор генов располага-
ется на четырех хромосомах. Цветами также обозначены ча-
сти эмбриона, в которых экспрессируются соответствующие
по цвету гены, а также те части взрослого организма, кото-
рые развиваются из этих эмбриональных закладок. Все ука-
занные гены у мухи и мыши, по сути, аналогичны, за исклю-
чением генов, представленных черными полосками — они
менее подобны
Исследователи обнаружили, что гомеобокс-со-
держащий гомеодомен связывается с ДНК, когда
белок выполняет функции фактора транскрип-
ции. В другом месте в белке располагаются более
вариабельные домены, которые взаимодействуют
с другими факторами транскрипции, что позво-
ляет белкам, содержащим гомеодомены, распоз-
навать определенные энхансеры и регулировать
соответствующие гены. Белки с гомеодоменами,
вероятно, регулируют развитие путем коорди-
нации транскрипции блоков генов развития, их
включения или выключения. У эмбрионов дрозо-
филы и других видов животных, в разных частях
зародыша активны различные комбинации гоме-
обоксных генов. Такая избирательная экспрессия
регуляторных генов, изменяющаяся во времени
и в пространстве, занимает центральное место в
формировании паттернов.
Биологи, изучающие развитие организмов, об-
наружили, что, в дополнение к гомеозисным ге-
нам, многие другие гены, вовлеченные в разви-
тие, высоко консервативны у разных видов. К ним
относятся многочисленные гены, кодирующие
компоненты сигнальных путей. Необычайное
сходство между некоторыми генами развития у
разных видов животных подводит нас к вопросу:
как одни и те же гены могут участвовать в разви-
тии животных, фенотипы которых так сильно от-
личаются друг от друга?
Текущие исследования предлагают несколько
вариантов ответов на этот вопрос. В некоторых
случаях небольшие изменения в регуляторных
последовательностях определенных генов приво-
дят к изменениям в характере экспрессии генов,
которые могут привести к серьезным изменениям
формы тела. Например, различные паттерны экс-
прессии Нох-генов вдоль оси тела у насекомых и
ракообразных могут объяснить различия в коли-
честве сегментов, несущих лапки, у этих живот-
ных (рис. 21.20).
В других случаях сходные гены направляют
различные процессы развития в различных ор-
ганизмах, что в результате приводит к форми-
рованию разнообразных форм тела. Например,
несколько Нох-генов, экспрессируется на эмбри-
ональной и личиночной стадии у морского ежа,
несегментированного животного, которое имеет
план тела, весьма отличный от насекомых и мы-
шей. Взрослые морские ежи образуют подушко-
образную раковину, которую вы наверняка виде-
ли на пляже (см. рис. 8.4 в главе 8); два вида живых
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 603
морских ежей показаны на фотографии ниже.
Морские ежи относятся к организмам, которых
давно используют в классических эмбриологиче-
ских исследованиях.
В этой заключительной главе модуля о генети-
ке вы узнали о том, как изучение геномного соста-
ва и сравнение геномов различных видов может
прояснить ход процесса эволюции геномов. Кро-
ме того, сравнив программы развития, мы видим,
что единство жизни находит свое отражение в
сходстве молекулярных и клеточных механизмов,
используемых для установления структуры тела,
хотя гены, направляющие развитие, могут разли-
чаться у разных организмов. Сходство геномов
отражает общее происхождение жизни на Зем-
ле. Но различия также являются очень важными:
они сформировали огромное разнообразие орга-
низмов, которое продолжает эволюционировать.
В оставшейся части книги мы расширим наши
представления, перейдя от уровня молекул, кле-
ток и генов к исследованию разнообразия, суще-
ствующего на следующем, организменном уровне.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 21.6
а) Экспрессия четырёх Нох-генов у рачка Artemia
б) Экспрессия тех же четырёх Нох-генов у кузнечика
© 1995 The Royal Society
1 Как вы считаете, геном макаки (обезьяны) более похож на
геном мыши или на геном человека? Почему?
2. Последовательности ДНК, называемые гомеобоксами, кото-
3.
А ЧТО, ЕСЛИ?
рые помогают гомеозисным генам животных направлять раз-
витие, сходны у мух и мышей. Имея в виду данное сходство,
объясните, почему эти животные так сильно различаются.
1 В геноме человека имеется в три раза
больше A/u-элементов, чем в геноме шимпанзе. Как вы ду-
маете, каким образом эти А/и-элементы появились в геноме
человека? Предложите роль, которую они могли бы играть в
расхождении двух этих видов.
Рис. 21.20. Влияние различий в экспрессии Нох-генов на ра-
кообразных и насекомых. В процессе эволюции паперны
экспрессии Нох-генов изменились. Эти изменения частично
ответственны за различия в сегментации у представителей ра-
кообразных — креветки Artemia (вверху) и насекомых — куз-
нечика. Цветом выделены отделы тела взрослого организма,
в которых экспрессируются четыре Нох-гена, определяющие
формирование частей тела во время эмбрионального разви-
тия. Каждый цвет соответствует определенному Нох-гену. Цвет-
ные полоски, в которые окрашен грудной отдел Artemia. обо-
значают совместную экспрессию трех Нох-генов
604 ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция
Обзор главы
21.1. ПРОЕКТ “ГЕНОМ ЧЕЛОВЕКА” СТАЛ
СТИМУЛОМ ДЛЯ РАЗВИТИЯ БОЛЕЕ БЫСТРЫХ
И ДЕШЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СЕКВЕНИРОВАНИЯ
• Проект “Геном человека” был в целом завершен в
2003 году благодаря крупным достижениям в тех-
нологии секвенирования.
• В полногеномном иют-ган подходе весь геном ре-
жется на множество мелких, перекрывающихся
фрагментов, которые секвенируются; затем про-
граммное обеспечение собирает отдельные фраг-
менты в последовательность генома.
1 Каким образом проект “Геном человека ” привел к раз-
работке быстрой и более дешевой технологии секвениро-
вания ДНК?
21.2. УЧЕНЫЕ ИСПОЛЬЗУЮТ БИОИНФОРМАТИКУ
ДЛЯ АНАЛИЗА ГЕНОМОВ И ИХ ФУНКЦИЙ
• Компьютерный анализ последовательностей гено-
мов ставит своей целью аннотацию генов, опре-
деление белок-кодирующих последовательностей.
Методы определения функций генов включают
сравнение последовательностей новооткрытых ге-
нов с известными генами других видов и наблюде-
ние эффекта экспериментальной инактивации гена.
• В системной биологии используют компьютерные
методы биоинформатики для сравнения геномов
и изучения наборов генов и белков как целостной
системы (геномика и протеомика). Исследования
включают в себя полномасштабный анализ белко-
вых взаимодействий, функциональных элементов
ДНК и генов, влияющих на развитие заболеваний.
Что является наиболее значимым открытием про-
екта ENCODE? Почему проект затронул другие, нечело-
веческие виды?
21.3. ГЕНОМЫ РАЗЛИЧАЮТСЯ ПО РАЗМЕРУ,
ЧИСЛУ ГЕНОВ И ПЛОТНОСТИ ИХ РАСПОЛОЖЕНИЯ
Бактерии Археи Эукариоты
Размер Преимущественно Преимущественно
генома 1-6 Мб 10-4000 Мб, но у неко- торых намного больше
Количество генов 1500-1700 5000-40000
Плотность генов Выше, чем у эукариот Ниже, чем у прокариот (меньшая плотность генов у эукариот связана с боль- шим размером геномов)
Окончание таблицы
Бактерии Археи Эукариоты
Интроны Отсутству ют в генах, кодирую- щих белок Присут- ствуют в некото- рых генах Присутствуют в большинстве генов многоклеточных эука- риот и в отдельных генах од- ноклеточных
Другая не- кодирую- щая ДНК Очень мало Может присутствовать в больших количествах; обычно некодирующих ДНК-повторов больше у многоклеточных эукариот
| Сравните размер генома, количество и плотность
генов а) в трех доменах и б) среди эукариот.
21.4. ГЕНОМЫ МНОГОКЛЕТОЧНЫХ ЭУКАРИОТ
СОДЕРЖАТ МНОЖЕСТВО НЕКОДИРУЮЩИХ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ДНК И МУЛЬТИГЕННЫХ
СЕМЕЙСТВ
• Только 1,5% генома человека кодирует белки или
рРНК и тРНК; оставшаяся часть некодирующей
ДНК включает псевдогены и ДНК-повторы неиз-
вестной функции.
• Наиболее часто встречающийся тип ДНК-повторов у
многоклеточных эукариот представлен мобильными
элементами и родственными им последовательно-
стями. У эукариот встречается два типа мобильных
элементов: транспозоны, которые перемещаются
посредством ДНК-интермедиата, и ретротранспо-
зоны, которые являются более распространенными
и перемещаются с помощью РНК-интермедиатов.
• Другие ДНК-повторы включают в себя короткие не-
кодирующие последовательности, тандемно повто-
ренные тысячи раз (тандемные повторы, включая
STRs)-, эти последовательности представлены преи-
мущественно в центромерах и теломерах, где они,
вероятно, играют определенную роль в поддержа-
нии структуры хромосом.
• Хотя многие эукариотические гены представлены
единичной версией на гаплоидный набор, другие
гены (подавляющее большинство у некоторых ви-
дов) являются членами генных семейств, таких, как
генное семейство глобинов у человека:
Генное семейство а-глобинов Генное семейство р-глобинов
Хромосома 16 Хромосома 11
Е I I I I I
s V: Va, V0| а, а, Ve G Gy Ау М
| Объясните, какие функции мобильных элементов
обеспечили их преобладание среди последовательностей
некодирующей ДНК у человека.
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 605
21.5. ДУПЛИКАЦИИ, РЕКОМБИНАЦИИ
И МУТАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ДНК
СПОСОБСТВУЮТ ЭВОЛЮЦИИ ГЕНОМА
• Ошибки в делении клеток могут привести к по-
явлению дополнительных копий всего или части
хромосомного набора, который в дальнейшем мо-
жет претерпеть дивергенцию, если изменения в
последовательности будут накапливаться в одном
из наборов. Полиплоидия чаще встречается среди
растений, чем среди животных, и вносит вклад в
видообразование.
• Хромосомную организацию геномов можно срав-
нить у разных видов для получения информации
об их эволюционных взаимоотношениях. В преде-
лах данных видов хромосомные перестройки могут
вносить вклад в возникновение новых видов.
• Гены, кодирующие родственные, но различные бел-
ки-глобины, эволюционировали от одного общего
предкового глобинового гена, который был дупли-
цирован и дивергировал в древние а- и Р-глоби-
новые гены. Последовательная дупликация и слу-
чайные мутации дали начало современным генам
глобинов, которые являются белками, связываю-
щими кислород. Копии некоторых других дупли-
цированных генов разошлись настолько, что функ-
ции кодируемых ими белков (таких, как лизоцим и
ос-лактальбумин) сейчас значительно различаются.
• Перестройки экзонов внутри и между генами в ходе
эволюции привели к появлению генов, содержащих
множественные копии сходных экзонов и/или не-
сколько различных экзонов, произошедших от дру-
гого гена.
• Перемещение мобильных элементов и рекомбина-
ция между копиями одного элемента может приве-
сти к возникновению новой комбинации последо-
вательностей, выигрышной для организма. Все это
может изменять функции генов или паттерны их
экспрессии и регуляции.
В Как хромосомные перестройки могут привести к
возникновению новых видов?
21.5. СРАВНЕНИЕ ГЕНОМНЫХ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ДАЕТ КЛЮЧИ
К ПОНИМАНИЮ ПРОЦЕССОВ ЭВОЛЮЦИИ
И РАЗВИТИЯ
• Сравнение геномов давно разделившихся и близ-
кородственных видов дает ценную информацию о
древней и более новой эволюционной истории, со-
ответственно. Анализ однонуклеотидных поли-
морфизмов (SNP) и вариаций числа копий генов
(CNVs) у особей вида может также пролить свет на
эволюцию данных видов.
• Биологи, изучающие эволюционное развитие видов
(эво-дево), показали, что гомеозисные гены и не-
которые гены, связанные с развитием у животных,
содержат участок гомеобокса, чья последователь-
ность является высоко консервативной у разных
видов. Родственные последовательности имеются в
геномах растений и дрожжей.
п Какой тип информации может быть получен пу-
тем сравнения геномов близкородственных видов?
Очень отдаленно родственных видов?
ПРОВЕРЬ СЕБЯ!
УРОВЕНЬ 1: УСВОЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. Биоинформатика включает все перечисленное, кроме
а) использования компьютерных программ для вы-
равнивания ДНК;
б) использования ДНК технологий для получения
новой комбинированной ДНК из двух различных
источников в пробирке;
в) использования ДНК технологий для получения
новой комбинированной ДНК из двух различных
источников в пробирке;
г) использования математических подходов в изу-
чении биологических систем.
2. Гомеозисные гены:
а) ... кодируют факторы транскрипции, которые
контролируют экспрессию генов ответственных
за развитие определенных анатомических струк-
тур.
б) ... обнаружены только у дрозофилы и других
членистоногих.
в) ... являются единственными генами, содержащи-
ми гомеобокс-домен.
г) ... кодируют белки, формирующие структуры
тела у мухи.
УРОВЕНЬ 2: ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
ИЗОБРАЗИ!
3. Два белка эукариот имеют один общий домен, но в
остальном различаются. Какой из следующих процес-
сов наиболее вероятно внес вклад в данное сходство?
а) Дупликация генов.
6) Сплайсинг РНК.
в) Перетасовка экзонов.
г) Случайная точечная мутация.
4. BFPHXFBII Ниже представлены аминокислотные
последовательности (был использован однобук-
венный код аминокислот, см. рис. 5.14 в главе 5) че-
тырех коротких фрагментов белка FOXP2 из шести
различных видов: шимпанзе (С), орангутан (О),
горилла (G), макака-резус (R), мышь (М) и чело-
век (Н). Эти фрагменты содержат все различия в
последовательности аминокислот белков FOXP2 у
данных видов.
606 Г ЛАВА 21 Геномы и их эволюция
1. ATETI ... PKSSD ... TSSTT ... NARRD
2. ATETI ... PKSSE ...TSSTT ... NARRD
3. ATETI ... PKSSD ... TSSTT ... NARRD
4. ATETI ... PKSSD ...TSSNT ... SARRD
5. ATETI ... PKSSD ...TSSTT ... NARRD
6. VTETI ... PKSSD ...TSSTT ... NARRD
5. Используйте маркёр для того, чтобы выделить все
различающиеся среди видов аминокислоты. (От-
метьте данные аминокислоты во всех последова-
тельностях.)
а) Последовательности С, G, R идентичны. Какие
строки соответствуют данным последовательно-
стям?
б) Последовательность Н отличается от таковых для
видов С, G, R по двум аминокислотам. Подчер-
кните два отличия последовательности Н.
в) Последовательность О отличается от С, G, R
по одной аминокислоте (V вместо А) и по трем
аминокислотам отличается от последовательно-
сти Н. Которая из строк соответствует последо-
вательности О?
г) В последовательности М обведите в кружок ами-
нокислоту(ы), отличающие ее от последователь-
ностей С, G, R, и обведите в квадрат аминокисло-
ту(ы), отличающие ее от последовательности Н.
д) Приматы и грызуны разошлись примерно 60-
100 млн лет назад, а люди и шимпанзе — около
6 млн лет назад. Какой вывод вы можете сде-
лать, сравнив аминокислотные различия меж-
ду видами С, G, R и мышью, и различия между
человеком и видами С, G, R?
УРОВЕНЬ 3: ОБОБЩЕНИЕ И АНАЛИЗ
8. НАПИШИ ЭССЕ НА ТЕМУ “ИНФОРМАЦИЯ”
Непрерывность жизни основана на наследовании
информации в форме ДНК. В коротком эссе (100—
150 слов), объясните, как мутации в белок-кодирую-
щей и регуляторной ДНК вносят вклад в эволюцию.
Насекомые имеют три грудных сегмента. Ученые
обнаружили ископаемые остатки насекомых с кры-
льями на каждом из этих сегментов, тогда как со-
временные насекомые несут крылья или родствен-
ные им структуры только на втором и третьем
сегментах. Оказывается, у современных насекомых
продукты Нох-генов ингибируют развитие крыльев
на первом сегменте. Насекомое горбатка (см. фото)
является исключением. В дополнение к крыльям на
втором сегменте, на первом сегменте горбатка име-
ет декоративный шлем, напоминающий набор ши-
пов, которые, как было обнаружено в недавнем ис-
следовании, являются видоизмененной, слитой
парой “крыльев”. Подобные шипам структуры ма-
скируют горбатку в ветвях деревьев, таким образом
снижая риск оказаться съеденным хищником. Объ-
ясните, как изменения в регуляции экспрессии ге-
нов могли привести к развитию таких структур.
Ответы см. в Приложении А.
6. НД1>ПЯППП Гены, важные для эмбрио-
нального развития животных, такие как гомео-
бокс-содержащие гены, являются относительно вы-
соко консервативными в ходе эволюции; поэтому
они являются более сходными у разных видов по
сравнению со многими другими генами. Почему так
происходит?
ЧЕРЕЗ ПРИЗМУ ЭВОЛЮЦИИ
7.
в геноме человека, обратили внимание на то,
группы SNP имеют свойство наследоваться
вместно блоками, известными как гаплотипы,
рьирующими по длине от 5000 до 200 000 пар
нований. В пределах гаплотипа можно обнаружить
не более 4-5 комбинаций SNR Объединив все то,
НАУЧНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Ученые, картирующие SNP
что
со-
ва-
ос-
что вы узнали в этой главе и в этом модуле, предло-
жите возможное объяснение данному наблюдению.
ГЛАВА 21 Геномы и их эволюция 607
ПРИЛОЖЕНИЕ /А Ответы
Ответы к главе 1
Вопросы и задания к разделу 1.1
1. Примеры: молекула состоит из связанных
друг с другом атомов. Каждый органоид состо-
ит из молекул, упорядоченных определенным об-
разом. Фотосинтетические клетки растений со-
держат органоиды, называемые хлоропластами.
Ткань — это совокупность схожих клеток. Орга-
ны, такие как сердце, состоят из нескольких тка-
ней. Сложный многоклеточный организм, такой
как растение, имеет определенный набор органов,
например, листья и корни. Популяция — это со-
вокупность организмов одного вида. Сообщество
состоит из популяций разных видов, населяющих
определенную территорию. Экосистема состоит
из природного сообщества и абиотических фак-
торов, необходимых для жизни, таких как воздух,
почва и вода. Биосфера включает в себя все эко-
системы Земли. 2. а) На следующих друг за дру-
гом уровнях биологической организации воз-
никают новые свойства: структура и функции
связаны между собой, б) Процесс жизни вклю-
чает в себя экспрессию и передачу генетической
информации, в) Для жизни необходимы процес-
сы передачи и превращения энергии и вещества.
3. Возможные ответы: Организация (новые свой-
ства): для реализации способности человеческо-
го сердца перекачивать кровь необходимо целое
сердце, эта способность не присуща ни одной из
тканей сердца и ни одному из типов клеток в от-
дельности. Организация (структура и функция):
крепкие и острые зубы волка хорошо подходят
для поимки и расчленения добычи. Информация:
цвет глаз человека определяется комбинацией ге-
нов, полученных от обоих родителей. Энергия и
вещество: растение, например, осока, поглощает
энергию солнечного света и превращает ее в хи-
мическую энергию молекул, используемых как
топливо. Животные могут поедать это растение
и использовать энергию питательных веществ
для своих нужд. Взаимодействия (экосистемы):
мышь потребляет пищу (например, орехи и тра-
вы), превращая часть пищи в отходы (кал и мочу).
Устройство гнезда трансформирует физическую
среду и может ускорить разрушение некоторых ее
компонентов. Мышь также может служить пищей
хищникам. Взаимодействия (молекулы): когда
ваш желудок полон, он посылает сигнал уменьше-
ния аппетита в мозг. Эволюция: все растения име-
ют хлоропласты, что указывает на их происхож-
дение от общего предка.
Вопросы и задания к разделу 1.2
1. Адрес указывает на местоположение от бо-
лее широких категорий к более узким — страна,
город, индекс, улица и номер дома. Это похоже на
группы, входящие в более крупные группы в так-
сономической системе. 2. Естественно встречаю-
щаяся наследственная изменчивость в популяции
“редактируется” естественным отбором, посколь-
ку особи с наследственными чертами, лучше под-
ходящими для их среды, размножаются эффек-
тивнее, чем остальные. Со временем доля более
приспособленных особей в популяции возрастает,
а менее приспособленных становится меньше. Это
можно считать “редактированием” популяции.
3.
Предковые
формы эукариот
Растения
Грибы
Животные
Вопросы и задания к разделу 1.3
1. В ходе индуктивного рассуждения обобще-
ния строятся на основе частных случаев; для де-
дуктивного рассуждения на основе общих пред-
посылок предсказываются частные исходы.
2. Окраска “шерсти” моделей хомячков — неза-
висимая переменная, поскольку именно ее целе-
направленно варьировали в ходе эксперимента.
Интенсивность охоты, выраженная в количестве
атакованных моделей — это зависимая перемен-
ная, которую при этом измеряли. 3. В отличие от
гипотезы, научная теория обычно охватывает бо-
лее широкий спектр явлений и подтверждает-
ся более существенными свидетельствами. Есте-
ственный отбор — это объяснение, применимое
ко всем организмам, и в пользу него есть множе-
ство различных доказательств. 4. На основании
окраса хомячков, представленного на рис. 1.25,
можно предположить, что особи, живущие на
песчаных почвах, будут светлее тех, которые жи-
вут на участках с застывшей лавой. Именно такую
картину и обнаружили исследователи. Вы также
можете предположить, что в чужой среде совы бу-
дут нападать на хомячков более интенсивно, чем
в “родной” для них. (Результаты исследования
подтверждают и это предположение.) Можно по-
вторить эксперимент с моделями, окрашенными
подобно двум группам хомячков. Или же перене-
сти представителей каждой из популяций в среду,
не соответствующую им по цвету, и подсчитать
количество особей, которых удастся отловить
за последующие несколько дней, а затем срав-
нить четыре группы, как и в эксперименте Хопи
Хокстра. (Модели “отлавливать” конечно же, лег-
че!) В случае с живыми хомячками нужен также
контроль для поправки на то, что перенесенные
хомячки оказываются в новой незнакомой среде.
Контролем может стать группа светлых хомяч-
ков, перенесенных из одной песчаной зоны в дру-
гую, удаленную от первой, а также группа особей
с темным окрасом, транспортированных из одной
области с вулканическими камнями — в другую.
Вопросы и задания к разделу 1.4
1. Наука нацелена на понимание природы яв-
лений, а технология подразумевает использо-
вание научных открытий для решения опре-
деленных задач. 2. Вероятно, здесь действует
естественный отбор. Малярия распространена
в Африке, к югу от Сахары, и возможно, люди с
таким аллелем имеют преимущество в выжива-
нии и передаче своих генов потомкам. Но у лю-
дей африканского происхождения, проживающих
в США, где нет малярии, наличие данного аллеля
перестает быть преимуществом, и поэтому отбор
скорее работает против закрепления такого при-
знака, и, соответственно, в сторону уменьшения
частоты встречаемости гена серповидно-клеточ-
ной анемии.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 1.1. Эволюция объясняет наиболее фун-
даментальные черты жизни на Земле, характерные
для всех живых организмов, поскольку они про-
исходят от общего предка, и также эволюция яв-
ляется причиной разнообразия жизненных форм
на планете. Раздел 1.2. Возможно, предки оду-
ванчиков различались по способности их семян
находить плодородную почву для прорастания.
Те растения, семена которых имели приспособле-
ния для переноса на больше расстояния, с больше
вероятностью могли попасть в плодородную поч-
ву и произвести больше потомства. Со временем
все большая доля особей в популяции стала об-
ладать парашютоподобными структурами на се-
менах для их распространения. Раздел 1.3. Сбор
и анализ данных лежат в сердцевине научного
процесса. Они тесно связаны с тремя другими его
областями: исследованиями и открытиями, вза-
имодействием и получением обратной связи от
научного сообщества, а также с последствиями
и выгодами для социума. Раздел 1.4. Множество
подходов, которые используются учеными для
изучения природных явлений на разных уров-
нях, дополняют друг друга, и таким образом, ка-
ждая тема может быть раскрыта более полно. Так-
же разнообразие опыта ученых может привести к
возникновению перспективных идей, также как и
к важным инновациям, которые зачастую взра-
щиваются в мульти-культурной среде, где есть
место разнообразным взглядам и пониманиям.
Вопросы в “Проверь себя!”
1. б. 2. г. 3. а. 4. в. 5. в. 6. в. 7. б. 8. в. 9. а. 10. г.
11. На вашем рисунке должно быть отмечено:
1) для биосферного уровня: Земля со стрелкой, вы-
ходящей из океана в тропических широтах; 2) в ка-
честве экосистемы: общий план кораллового рифа;
3) в качестве сообщества: набор животных и водо-
рослей на рифе: кораллы, рыбы, растения и другие
организмы; 4) в качестве популяции: группа рыб
одного вида; 5) в качестве организма: одна рыба из
популяции; 6) в качестве органа: желудок рыбы, а
в качестве системы органов — пищеварительный
тракт целиком; 7) в качестве ткани — группу по-
хожих клеток желудка; 8) в качестве клетки: одну
клетку с ядром и другими органеллами; 9) в каче-
стве органеллы: ядро, где находится большая часть
ДНК клетки; и 10) в качестве молекулы — двойную
спираль ДНК. Ваш рисунок может быть очень схе-
матичным.
Ответы к главе 2
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 2.7. Атомный номер = 12; 12 протонов, 12
электронов; 3 электронные оболочки; 2 валент-
ных электрона. Рис. 2.14. Один из возможных вари-
антов ответа:
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 609
Рис. 2.17. Растение погружено в воду (Е^О), в ко-
торой растворен СО,. Солнечная энергия использу-
ется растением для производства сахара, который
накапливается в его тканях и может выступать в ка-
честве питательного вещества как для самого рас-
тения, так и для животных, которые им питаются.
Кислород (О,) присутствует в пузырьках.
Вопросы и задания к разделу 2.1
1. Поваренная соль (хлорид натрия) состоит из
натрия и хлора. Факт того, что это соединение для
нас съедобно, показывает, что его свойства отлич-
ны от составляющих его элементов: металла (нат-
рия) и ядовитого газа (хлор). 2. Да, потому что ор-
ганизму нужны микроэлементы, даже в небольших
количествах. 3. Человек с дефицитом железа, веро-
ятно, будет проявлять признаки усталости и дру-
гие симптомы, обусловленные низким содержани-
ем кислорода в крови. (Такое состояние организма
называется анемия, оно может быть также прояв-
лением низкой концентрации красных кровяных
клеток или гемоглобина.) 4. Различные предковые
растения, которые проявляли устойчивость к по-
вышенному содержанию токсичных элементов в
серпентиновых скалах, смогли там вырасти и раз-
множиться. (Не следует ожидать, что растения,
которые были хорошо приспособлены к росту на
других почвах, смогли бы там выжить.) Потомство
предковых растений также проходило через от-
бор: растения, которые лучше росли, были способ-
ны и к более эффективному размножению. В ре-
зультате смены многих поколений, это, вероятно,
привело к такой степени приспособленности ви-
дов к серпентину, которую мы наблюдаем сегодня.
Вопросы и задания к разделу 2.2
1. 7. 2. JN. 3. 9 электронов; две электронные
оболочки; IS, 2S, 2Р (три орбитали); 1 электрон
необходим для заполнения валентной оболочки.
4. Все элементы в ряду имеют одинаковое число
электронных оболочек. А в столбце все элементы
имеют одинаковое число электронов на своих ва-
лентных оболочках.
Вопросы и задания к разделу 2.3
1. Каждый атом углерода имеет только три
ковалентные связи вместо требуемых четырех.
2. Притяжение между противоположно заряжен-
ными ионами, за счет которого образуются ион-
ные связи. 3. Если бы вы могли синтезировать мо-
лекулы, которые имитируют эти структуры, вы
бы могли лечить заболевания или состояния, при
которых организм сам не способен к синтезу та-
ких молекул.
Вопросы и задания к разделу 2.4
н
2Н2 02 2Н2О
2. В состоянии равновесия прямая и обрат-
ная реакции происходят с одинаковой скоростью.
3. C6HpOf + 6 О2 -> 6 СО2 + 6 Н,О + Энергия. Глю-
коза и кислород реагируют с образованием угле-
кислого газа и воды, и с выделением энергии. Мы
вдыхаем кислород, потому что он запускает эту
реакцию, и выдыхаем углекислый газ, потому что
он является побочным продуктом этой реакции.
(Сама реакция называется клеточным дыханием;
вы узнаете подробности этого процесса в главе 9.)
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 2.1. Йод (входящий в состав гормона
щитовидной железы) и железо (часть гемоглоби-
на крови) являются микроэлементами, необходи-
мыми в ничтожно малых количествах. Кальций и
фосфор (компоненты костей и зубов) необходи-
мы организму в гораздо больших количествах.
Раздел 2.2.
Неон (wNe) Аргон (18Аг)
Как неон, так и аргон имеют заполненные ва-
лентные оболочки, содержащие по 8 электро-
нов. У них нет неспаренных электронов, которые
могли бы образовывать химические связи. Раз-
дел 2.3. В неполярной ковалентной связи элек-
троны равномерно распределяются между двумя
610 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
атомами. В полярной ковалентной связи электро-
ны располагаются ближе к более электроотрица-
тельному атому. При образовании ионов валент-
ные электроны полностью переходят на внешнюю
оболочку атома, обладающего гораздо большей
электроотрицательностью. Раздел 2.4. По мере
добавления реагентов в реакционную смесь кон-
центрация продуктов реакции будет возрастать,
поскольку реагенты преобразуются в продук-
ты реакции. В итоге вновь будет достигнуто со-
стояние равновесия, в котором прямая и обрат-
ная реакции будут идти с одинаковой скоростью,
а относительные концентрации реагентов и про-
дуктов будут такими же, как перед добавлением
реагентов.
Вопросы в “Проверь себя!”
1. а. 2. г. 3. б. 4. а. 5. г. 6. б. 7. в. 8. г.
.. н н..
9. a) H:Q:C:C;Q: Эта структура может существовать,
Н ' поскольку все электронные оболочки
заполнены, и во всех связях указано
правильное число электронов.
Н н
б) Н:С:Н.С-"О /-Эта структура существовать не может,
Н __________у поскольку у водорода есть всего
1 электрон для образования связи,
таким образом, он не может быть
связан с 2 атомами.
Ответы к главе 3
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 3.2. Один из возможных вариантов ответа:
Рис. 3.6. Без водородных связей молекулы воды
бы вели себя подобно другим небольшим молеку-
лам, и твердая фаза (лед) была бы более плотной,
чем жидкая вода. Тогда лед опускался бы на дно и
уже не мог бы изолировать бы водную толщу от
замерзания; в итоге, она бы промерзла до дна, так
как среднегодовая температура на Южном полю-
се составляет —50°С. Криль не смог бы выжить в
таких условиях. Рис. 3.7. Нагревание раствора при-
ведет к более быстрому испарению воды, чем при
комнатной температуре. В определенный момент
количество молекул воды станет недостаточным,
чтобы поддерживать в растворе все имеющие-
ся ионы соли. Молекулы соли начнут выпадать в
осадок и рекристаллизоваться. В итоге, вся вода
испарится, и останутся только кристаллы соли,
как и вначале.
Вопросы и задания к разделу 3.1
1. Электроотрицательность — это сила при-
тяжения атомом электронов ковалентной связи.
Поскольку кислород является более электроот-
рицательным, чем водород, атом кислорода в Н,О
притягивает к себе электроны, что приводит к ча-
стичному отрицательному заряду на атоме кис-
лорода и частичным положительным зарядам на
атомах водорода. Атомы соседних молекул воды,
имеющие противоположные заряды, притяги-
ваются друг к другу, образуя водородную связь.
2. Атомы водорода одной молекулы, имеющие ча-
стичные положительные заряды, будут отталки-
вать атомы водорода соседней молекулы. 3. Ко-
валентные связи в молекулах воды не были бы
полярными, и молекулы воды не образовывали
бы водородные связи друг с другом.
Вопросы и задания к разделу 3.2
1. Водородные связи удерживают вместе со-
седние молекулы воды. Это сцепление (когезия)
помогает цепочкам молекул воды продвигаться
вверх против гравитационных сил в водопрово-
дящих клетках растений, по мере того, как вода
испаряется из листьев. Адгезия (слипание) меж-
ду молекулами воды и стенками водопроводящих
клеток также помогает преодолеть гравитацию.
2. Высокая влажность препятствует охлажде-
нию, подавляя испарение пота. 3. При замерза-
нии вода расширяется, поскольку молекулы воды
расходятся все дальше друг от друга в ходе фор-
мирования кристаллов льда. Если вода присут-
ствует в расщелине валуна, то в результате уве-
личения ее объема при замерзании валун может
треснуть. 4. Гидрофобное вещество отталкивает
воду и таким образом защищает кончики ног от
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 611
намокания, удерживая их на поверхности воды.
Если бы ноги водомерки были бы покрыты гидро-
фильным веществом, то они бы ушли под воду, а
это воспрепятствовало бы ее “прогулкам по воде”.
Вопросы и задания к разделу 3.3
1. 105, или 100 000. 2. [Н4] = 0.01 М = 102 М, та-
ким образом: pH = 2. 3. СН,СООН =; СН3СОО~ +
+ Н4. СН3СООН — кислота (донор Н+), а
СН^СОО — основание (акцептор Н+). 4. pH воды
должно упасть с 7 до 2, при этом pH раствора ук-
сусной кислоты уменьшится ненамного, поскольку
уксусная кислота — слабая, и она действует как бу-
фер. Реакция, приведенная в п. 3, сместится влево,
при этом СН3СОО будет принимать ион водорода
и превращаться в молекулу СН,СООН.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 3.1.
Нет. Ковалентная связь является сильной
связью, в которой электроны распределены меж-
ду двумя атомами. Водородная связь является
слабой связью и не имеет дела с общими пара-
ми электронов, это просто притяжение между
двумя частичными зарядами на соседних ато-
мах. Раздел 3.2. Ионы растворяются в воде, когда
полярные молекулы воды образуют вокруг них
гидратную оболочку. Полярные молекулы рас-
творяются благодаря образованию водородных
связей с молекулами воды, которые их окружа-
ют. Растворы являются однородными (гомоген-
ными) смесями, состоящими из растворенного
вещества и растворителя. Раздел 3.3. СО, реа-
гирует с Н,О с образованием угольной кислоты
(Н,СОЯ)> которая диссоциирует на Н+ и гидро-
карбонат (НСО* ). Несмотря на то, что систе-
ма “угольная кислота-гидрокарбонат” являет-
ся буферной, добавление СО, смещает реакцию
вправо, что приводит к высвобождению боль-
шего количества ионов Н+ и снижению pH. Из-
быточные протоны (Н+) затем объединяются с
СО^2 и образуют ионы гидрокарбоната, снижая
таким образом концентрацию ионов карбоната,
доступных для образования кораллами карбона-
та кальция (т.е. кальцификации).
Вопросы в “Проверь себя!”
1. в. 2. г. 3. в. 4. а. 5. г.
6.
7. Благодаря межмолекулярным водородным
связям вода имеет высокую удельную теплоем-
кость (количество тепла, необходимое для по-
вышения температуры воды на 1°С). При нагре-
вании воды большая часть поглощаемого тепла
расходуется на разрыв водородных связей, и толь-
ко после этого молекулы начинают двигаться ак-
тивнее и происходит повышение температуры.
Если же вода охлаждается, то образуется большое
количество водородных связей, в результате чего
высвобождается значительное количество тепло-
вой энергии. Выделение тепла может до некото-
рой степени предупредить замерзание листьев
растений, таким образом, защищая их клетки от
повреждения.
Ответы к главе 4
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 4.2. Поскольку равновесие реакции зависит
от концентрации реагентов (как описано в гла-
ве 2), то, вероятно, образовалось бы больше HCN,
чем СН,О, так как концентрация вступающего в
реакцию азотсодержащего газа была бы более вы-
сокой.
Рис. 4.5. Ncr -р* •§: *С1:
Рис. 4.6. Хвосты жиров содержат только угле-
род-водородные связи, которые относительно
неполярны. Поскольку хвосты занимают основ-
ную часть молекулы жира, они делают молекулу
612 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
неполярной в целом и, следовательно, не способ-
ной к образованию водородных связей с водой.
аминогруппа заменяется на карбоксильную, этот
атом углерода перестает быть асимметрическим.
Рис. 4.7.
но сн2 он
SH
Вопросы и задания к разделу 4.1
1. До начала эксперимента Вёлера преоблада-
ло мнение, что “органические” соединения могут
синтезировать только живые организмы. Вёлер
синтезировал мочевину (органическое соедине-
ние) без участия живых организмов. 2. Электри-
ческий разряд создает энергию, необходимую для
начала взаимодействия неорганических молекул
в атмосфере. (Вы узнаете больше об энергии и хи-
мических реакциях в главе 8).
Вопросы и задания к разделу 4.2
1. а) Н Н б) н а
хс=с/ хс=сх
н н с/ хн
2. Формы С Н10 на рисунке б являются струк-
турными изомерами, как и бутилены на рисун-
ке в. 3. Оба состоят в основном из углеводородных
цепей. 4. Нет. Имеющихся атомов для этого недо-
статочно. Для трех атомов углерода существует
только одна форма — линейная. В этой молекуле
также нет двойных связей, поэтому образование
цнс-трднс-изомеров невозможно. Каждый угле-
род имеет по меньшей мере два атома водорода,
присоединенных к нему, так что молекула симме-
трична и не может иметь энантиомеров.
Вопросы и задания к разделу 4.3
1. Она имеет как аминогруппу (-NHJ, что де-
лает ее амином, так и карбоксильную группу (-
СООН), что наделяет ее свойствами карбоновой
кислоты. 2. Молекула АТФ теряет фосфат и пре-
вращается в АДФ. 3. Химическая группа, которая
может выступать в качестве основания, была за-
менена группой, которая может выступать в ка-
честве кислоты, тем самым кислотные свойства
молекулы возросли. Форма молекулы будет изме-
няться. Вероятно, также произойдут изменения
молекул, с которыми она может взаимодейство-
вать. Исходная молекула цистеина имеет асиммет-
рический атом углерода в центре. После того, как
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 4.1. Миллер показал, что органические
молекулы могут образовываться при физико-хи-
мических условиях, присущих ранней Земле.
Этот абиотический синтез органических молекул
мог быть первым шагом зарождения жизни. Раз-
дел 4.2. Ацетон и пропаналь — структурные изо-
меры. Уксусная кислота и глицин не имеют асим-
метрических атомов углерода, в то время как у
глицерофосфата есть один такой атом. Таким об-
разом, глицерофосфат может существовать в виде
энантиомеров, а уксусная кислота и глицин —
нет. Раздел 4.3. Метильная группа неполярна и не
вступает в реакцию. Остальные шесть групп на-
зываются функциональными группами, так как
они могут принимать участие в химических ре-
акциях. Кроме того, все группы, за исключением
сульфгидрильной, являются гидрофильными, по-
этому они увеличивают растворимость органиче-
ских соединений в воде.
Вопросы в “Проверь себя!”
1. б. 2. б. 3. в. 4. в. 5. а. 6. б. 7. а. 8. Молекула
справа; средний углерод является асимметриче-
ским. 9. У кремния, Si, четыре валентных электро-
на — столько же, сколько и у углерода. Поэтому
кремний может создавать длинные цепочки, в том
числе разветвленные, которые могут выступать в
качестве основы для больших молекул. Кремний
лучше подходит для этого, чем неон (без валент-
ных электронов) или алюминий (с тремя валент-
ными электронами).
•Si-
приложение А Ответы 613
Ответы к главе 5
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 5.3. Глюкоза и фруктоза —
изомеры.
структурные
Рис. 5.4.
Линейная форма
Н
Формирование кольца
Кольцевая форма
6сн2он
Н- С~ ОН
2С=О
I
он-3с-н
н - 4с- он
I
н-5с-он
I
н-6с-он
\ / О
/5С Н НО
Н \ | I / \
4С—3С СН2ОН
I I
он н
6СН9ОН
\ он
" ‘Г
Г\Н НО,\
н\' 3;/1си2он
ОН
Н
Рис. 5.11.
н
Обратите
атоме углерода потерял свой протон, а кислород,
бывший в составе карбонильной группы и соеди-
ненный со вторым атомом углерода, получил про-
тон. Четыре атома углерода находятся в кольце
фруктозы, а два — нет. (Последние два атома угле-
внимание, что кислород
на пятом
Мет(М) Тир (Y)
Рис. 5.15
рода присоединены ко второму и пятому атомам
углерода, которые находятся в кольце.) Кольцевая
форма фруктозы отличается от кольцевой формы
глюкозы, которая имеет пять атомов углерода в
кольце и один внешний атом углерода. (Обратите
внимание, что эта молекула фруктозы переверну-
та по горизонтали по сравнению с молекулой на
рис. 5.5, б.)
Рис. 5.5.
СНз
I
S
Аминогруппа
Цис (С)
SH
I
сн2
I
сн2
I
сн2
Карбоксильная
Пептидная группа
связь
Рис. 5.19. R-rpynna глутаминовой кислоты яв-
ляется кислой и гидрофильной, в то время как
валин является неполярным и гидрофобным.
Поэтому маловероятно, что валин и глутами-
(Обратите внимание, что молекула фруктозы
ориентирована отлично от молекулы глюкозы на
рис. 5.5, б, и от молекулы фруктозы, показанной в
ответе к рис. 5.4, см. выше.)
новая кислота участвуют в одних и тех же вну-
тримолекулярных взаимодействиях. Изменение
этих взаимодействий может вызвать нарушение
молекулярной структуры (что и происходит).
Рис. 5.22. Спиральные участки — это а-спирали;
они могут быть хорошо видны во многих местах
614 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
в модели РНК-полимеразы II, например внизу по-
середине, вверху справа и в области внизу справа.
Несмотря на то, что р-складки могут присутство-
вать, их не так легко увидеть. Рис. 5.26. Примене-
ние методов геномики позволяет использовать
последовательности генов для идентификации
видов, а также получать информацию об эволю-
ционных отношениях между двумя любыми ви-
дами. Это возможно, поскольку все виды связаны
эволюционно, и в последовательности ДНК есть
доказательства этого. Протеомика — это изуче-
ние экспрессии белков; такой подход позволяет
получить информацию о том, как организмы или
клетки функционируют в данный момент време-
ни или взаимодействуют с другими видами.
Вопросы и задания к разделу 5.1
1. Четыре основных класса: белки, углеводы,
липиды и нуклеиновые кислоты. Липиды не явля-
ются полимерами. 2. Девять; одна молекула воды
требуется, чтобы гидролизовать каждую из свя-
зей между смежными мономерами. 3. Аминокис-
лоты в белке рыбы должны быть освобождены в
результате реакций гидролиза и включены в дру-
гие белки с помощью реакции дегидратации.
Вопросы и задания к разделу 5.2
1. С Н Ov 2. CLHO... 3. Лечение антибиоти-
ками, вероятно, убило прокариот, перевариваю-
щих целлюлозу в кишечнике коровы. Отсутствие
этих прокариот будет препятствовать способно-
сти коровы получать энергию из пищи и может
привести к потере веса и, возможно, смерти. Та-
ким образом, культуры кишечных прокариот ко-
ров даются им в соответствующих комбинациях
при лечении антибиотиками.
Вопросы и задания к разделу 5.3
1. Оба имеют молекулы глицерина, прикре-
пленных к жирным кислотам. Глицерин в мо-
лекуле жира имеет три присоединенные к нему
жирные кислоты, в то время как глицерин фос-
фолипида присоединен к двум жирными кислота-
ми и одной фосфатной группе. 2. Половые гормо-
ны человека являются стероидами (гидрофобным
типом соединения), таким образом, они класси-
фицируются как липиды. 3. Мембрана капельки
масла может состоять из одного слоя фосфоли-
пидов, а не бислоя. Причина этого в том, что кон-
струкция, в которой гидрофобные хвосты мемб-
ранных фосфолипидов находятся в контакте с
углеводородными участками молекул масла, бо-
лее стабильна.
Вопросы и задания к разделу 5.4
1. Вторичная структура включает в себя во-
дородные связи между атомами полипептидной
цепи. Третичная структура включает в себя вза-
имодействие между атомами боковых цепей ами-
нокислотных субъединиц. 2. Две кольцевые фор-
мы глюкозы называются а и р, в зависимости от
того, какая гликозидная связь диктует положение
гидроксильной группы. Белки имеют а-спирали и
р-складки, это два типа повторяющихся структур,
найденные в полипептидах из-за взаимодействия
между повторяющимися компонентами цепи (не
боковыми цепями). Молекула гемоглобина состо-
ит из двух типов полипептидов, содержащих по
две молекулы а-глобина и р-глобина. 3. Все они
относятся к неполярным гидрофобным амино-
кислотам, так что можно предположить, что эта
часть молекулы будет расположена во внутренней
части собранного полипептида, где она не будет
контактировать с водной средой внутри клетки.
Вопросы и задания к разделу 5.5
2. 5'-TAGGCCT-3'
3'-ATCCGGA-5'
Вопросы и задания к разделу 5.6
1. ДНК организма кодирует все его белки, а
белки являются молекулами, которые обеспечи-
вают работу клеток, независимо от того, является
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 615
ли организм одноклеточным или многоклеточ-
ным. Зная последовательность ДНК организ-
ма, ученые смогут также каталогизировать бел-
ковые последовательности. 2. В конечном счете,
последовательность ДНК несет в себе информа-
цию, необходимую, чтобы сформировались бел-
ки, которые определяют черты конкретного вида.
Поскольку черты обоих видов похожи, можно
ожидать, что и белки тоже будут похожими, а сле-
довательно, и генные последовательности также
должны иметь высокую степень сходства.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 5.1. Полимеры больших молекул угле-
водов (полисахаридов), белков и нуклеиновых
кислот построены из трех различных типов мо-
номеров (моносахариды, аминокислоты и нуклео-
тиды, соответственно). Раздел 5.2. Как крахмал,
так и целлюлоза представляют собой полимеры
глюкозы, но в крахмале мономеры глюкозы нахо-
дятся в конфигурации а, а в целлюлозе — в кон-
фигурации (3. Гликозидные мостики, таким об-
разом, формируют пространственно различные
молекулы, обладающие различными свойствами.
Крахмал — это энергозапасающая молекула рас-
тений; целлюлоза является структурным компо-
нентом их клеточных стенок. Люди могут гидро-
лизовать крахмал, чтобы получить энергию, но не
могут гидролизовать целлюлозу. Целлюлоза по-
могает в прохождении пищи через желудочно-ки-
шечный тракт. Раздел 5.3. Липиды не являются
полимерами, поскольку они не существуют в виде
цепочки связанных мономеров. Они также не
считаются макромолекулами, так как они не до-
стигают гигантских размеров, присущих многим
полисахаридам, белкам и нуклеиновым кислотам.
Раздел 5.4. Полипептид может состоять из сотен
аминокислот в определенной последовательности
(первичная структура), имеет участки спиралей
и складок (вторичная структура), которые затем
складываются в нерегулярные извивы (третич-
ная структура) и могут быть связаны с другими
полипептидами с помощью нековалентных свя-
зей (четвертичная структура). Линейный поря-
док аминокислот с изменяющимися свойствами
их боковых цепей (R-группы) определяет, какая
вторичная и третичная структура будет форми-
роваться у создаваемого белка. Полученные уни-
кальные трехмерные формы белков являются
ключевыми для выполнения ими конкретных и
разнообразных функций. Раздел 5.5. Спаривание
оснований двух комплементарных нитей ДНК де-
лает возможным точную репликацию ДНК каж-
дый раз, когда клетка делится, гарантируя тем са-
мым, что генетическая информация передается
верно. В некоторых типах РНК спаривание ком-
плементарных оснований позволяет молекулам
РНК создать специфические трехмерные формы,
которые затем выполняют разнообразные функ-
ции. Раздел 5.6. Можно ожидать, что человече-
ский геном должен быть наиболее похож на геном
мыши (другого млекопитающего), чем на геном
рыбы (другого позвоночного), и менее всего по-
хож на геном плодовой мушки (беспозвоночно-
го).
Вопросы в “Проверь себя!”
1. г. 2. а. 3. б. 4. а. 5. б. 6. б. 7. в.
8.
Мономеры или компоненты Полимер или большая молекула Типы связей
Углеводы Моно- сахариды Поли- сахариды Гликозидные мостики
Липиды Жирные кислоты Триацил- глицериды Гликозидные мостики
Белки Амино- кислоты Полипептиды Пептидные связи
Нуклеиновые кислоты Нуклеотиды Поли- нуклеотиды Фосфо- диэфирные мостики
616 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
Ответы к главе 6
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 6.6. Фосфолипид представляет собой липид,
состоящий из молекулы глицерина, присоединен-
ной к двум жирным кислотам и одной фосфатной
группе. Глицерин и фосфатный конец фосфоли-
пида вместе формируют “голову” которая являет-
ся гидрофильной, в то время как углеводородные
цепи в жирных кислотах образуют гидрофобные
“хвосты” Присутствие в одной молекуле гидро-
фильной и гидрофобной частей делает молекулу
идеально подходящей для роли основного строи-
тельного блока мембраны клетки или органеллы,
которая представляет собой фосфолипидный бис-
лой. В этом бислое гидрофобные участки могут
связываться друг с другом на внутренней стороне
мембраны, в то время как гидрофильный участок
каждой молекулы может находиться в контак-
те с водным раствором по обе стороны мембраны.
Рис. 6.9. ДНК в хромосоме направляет синтез матрич-
ной РНК (мРНК) молекулы, которая затем выходит
в цитоплазму. Там информация используется для
производства на рибосомах белков, выполняющих
в клетке различные функции. Рис. 6.22. Каждая цен-
триоль имеет девять комплектов триплетов микро-
трубочек, так что вся центросома (две центриоли)
имеет 54 микротрубочки. Каждая микротрубочка
состоит из спирали, состоящей из димеров тубули-
на (как показано в табл. 6.1).
Рис. 6.24.
Две центральные микротрубочки оканчива-
ются над базальным телом, так что они не при-
сутствуют на уровне поперечного сечения через
базальное тело, обозначенное красным прямо-
угольником внизу на рисунке в части а.
Вопросы и задания к разделу 6.1
1. Красители, используемые для световой ми-
кроскопии, окрашивают молекулы, которые свя-
зываются с клеточными компонентами, прелом-
ляя проходящий через них свет, в то время как
красители, используемые для электронной ми-
кроскопии, содержат в составе тяжелые металлы,
воздействующие на пучки электронов. 2. а) Све-
товой микроскоп, б) сканирующий электронный
микроскоп.
Вопросы и задания к разделу 6.2
1. См. рис. 6.8.
2. | - 125 ---->|
ф 11 1
Эта клетка имела бы такой же объем, что и
клетки в столбцах №2 и №3, но занимала бы про-
порционально большую площадь поверхности,
чем клетка в столбце №2, и меньшую, чем клетка
в столбце №3. Таким образом, отношение поверх-
ности к объему должно быть больше 1,2, но мень-
ше 6. Для того чтобы получить площадь поверхно-
сти, необходимо просуммировать площади шести
сторон (вверху, внизу, и с боков): 125 + 125 + 125 +
+ 125 + 1 + 1 = 502. Отношение поверхности к объ-
ему равно 4 (502, разделенное на объем 125).
Вопросы и задания к разделу 6.3
1. Находящиеся в цитоплазме рибосомы пере-
водят генетическое сообщение, полученное по-
средством мРНК от расположенной в ядре ДНК,
в полипептидную цепь. 2. Ядрышки состоят из
ДНК и синтезированной в соответствии с зако-
дированной на ней инструкцией рибосомаль-
ной РНК (рРНК), а также из белков, импортиру-
емых из цитоплазмы. Белки и рРНК собираются
вместе и формируют большую и малую субъеди-
ницы рибосом. (Субъединицы экспортируются
через ядерные поры в цитоплазму, где они прини-
мают участие в синтезе полипептидов.) 3. Каждая
хромосома состоит из одной длинной молекулы
ДНК, прикрепленной к многочисленным белко-
вым молекулам — хроматина. Как только клетка
начинает деление, каждая хромосома становится
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 617
“конденсированной” — это происходит в резуль-
тате упаковки диффузной массы хроматина.
Вопросы и задания к разделу 6.4
1. Основное различие между шероховатым
и гладким ЭПР — присутствие на шероховатом
ЭПР связанных с ним рибосом. Оба типа ЭПР
участвуют в синтезе фосфолипидов, но мембран-
ные и секреторные белки синтезируются именно
рибосомами на шероховатом ЭПР. Гладкий ЭПР
также принимает участие в детоксикации, угле-
водном обмене и служит хранилищем ионов каль-
ция. 2. Транспортные пузырьки переносят со-
держащиеся в них мембраны и вещества между
другими компонентами эндомембранной систе-
мы. 3. мРНК синтезируется в ядре и затем выхо-
дит через ядерную пору для связывания с рибосо-
мой, прикрепленной к шероховатому ЭПР. Белок
синтезируется в люмене ЭПР и, возможно, имен-
но там происходит его модификация. Транспорт-
ный пузырек переносит его в аппарат Гольд-
жи. После дальнейшей модификации в аппарате
Гольджи другой транспортный пузырек перено-
сит белок обратно в ЭПР, где он будет выполнять
свою функцию.
Вопросы и задания к разделу 6.5
1. Обе органеллы участвуют в трансформации
энергии: митохондрии — в процессе клеточного
дыхания, а хлоропласты — в фотосинтезе. Они
обе имеют несколько мембран, разделяющих их
внутреннее пространство на отсеки. В обоих ор-
ганеллах присутствуют внутренние мембраны:
кристы (или складки внутренней мембраны) —
в митохондриях и тилакоиды — в хлоропластах.
Эти мембраны имеют большую площадь внутрен-
ней поверхности, в которую встроены фермен-
ты, отвечающие за основные функции митохон-
дрий и хлоропластов. 2. Да. Растительные клетки
способны синтезировать свой собственный са-
хар в процессе фотосинтеза, но в этих эукарио-
тических клетках именно митохондрии являют-
ся органеллами, способными создавать из сахаров
энергию — т.е. выполнять функцию, которая не-
обходима всем клеткам. 3. Митохондрии и хлоро-
пласты не выводятся из ЭПР, они также не соеди-
нены физически или посредством транспортных
пузырьков с органеллами эндомембранной си-
стемы. Митохондрии и хлоропласты структурно
довольно сильно отличаются от отшнуровываю-
щихся от ЭПР пузырьков, которые ограничены
всего одной мембраной.
Вопросы и задания к разделу 6.6
1. В обе системы движения вовлечены длин-
ные филаменты — они перемещаются относитель-
но друг друга с помощью моторных белков, кото-
рые захватывают, выпускают и снова захватывают
соседние полимеры. 2. Такие люди имеют дефекты
в движении микротрубочек в ресничках и жгути-
ках. В результате сперма не может двигаться из-за
сбоев в работе жгутиков или из-за их отсутствия,
а дыхательные пути оказываются под угрозой, так
как реснички, выстилающие трахеи, работают не-
правильно или вообще не существуют, и поэтому
слизь не может быть удалена из легких.
Вопросы и задания к разделу 6.7
1. Наиболее очевидным отличием является на-
личие прямых цитоплазматических соединений
между клетками растений (плазмодесмы) и жи-
вотных (щелевое соединение). Эти соединения
приводят к тому, что цитоплазма между сосед-
ними клетками непрерывна. 2. Клетка не сможет
функционировать должным образом, и, вероят-
но, скоро погибнет, так как для обмена веществ
между клеткой и внешней средой клеточная стен-
ка или внеклеточный матрикс должны быть про-
ницаемыми. Молекулы, участвующие в производ-
стве и использовании энергии, должны проникать
в клетку, как и молекулы, которые несут в себе ин-
формацию об окружающей среде клетки. Другие
молекулы, например, продукты, синтезируемые
клеткой для экспорта, а также побочные продук-
ты клеточного дыхания, должны иметь возмож-
ность покинуть клетку. 3. Можно предположить,
что те части молекулы белка, которые соприкаса-
ются с водной средой, имеют полярные или заря-
женные (гидрофильные) аминокислоты, в то вре-
мя как части, которые проходят через мембрану,
несут неполярные (гидрофобные) аминокислоты.
Можно было бы предположить наличие поляр-
ных или заряженных аминокислот в каждом кон-
це (хвосте), в области цитоплазматической пет-
ли, а также в области двух внеклеточных петель.
Можно также предположить наличие неполяр-
ных аминокислот в четырех областях молекулы,
которые проходят через мембрану между хвоста-
ми и петлями.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 6.1. Как световая, так и электронная
микроскопия позволяют нам визуально изучать
клетки, тем самым помогая понять внутреннюю
618 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
клеточную структуру и расположение клеточных
компонентов. Методы фракционирования клеток
помогают разделить клеточные компоненты, ко-
торые затем могут быть подвергнуты биохимиче-
скому анализу для определения их функций. Ис-
пользование методов микроскопии для изучения
определенной клеточной фракции помогает соот-
нести биохимическую функцию с ответственным
за нее компонентом клетки. Раздел 6.2. Разделе-
ние функций для их выполнения разными орга-
неллами имеет несколько преимуществ. Вещества
и ферменты могут быть сконцентрированы в од-
ном месте, вместо того, чтобы быть распределен-
ными по всей клетке. Реакции, которые требуют
особых условий, таких, как более низкое значение
pH, могут быть отделены от внутренней среды
клетки. А ферменты для специфических реакций
часто встроены в мембраны, которые окружа-
ют или отделяют органеллу. Раздел 6.3. Ядро со-
держит генетический материал клетки в форме
ДНК, которая кодирует мРНК, в свою очередь,
содержащую “инструкции” для синтеза белков (в
том числе, белков, входящих в состав рибосом).
ДНК также кодирует рибосомальную РНК, ко-
торая в ядрышках объединяется с белками и со-
ставляет субъединицы рибосом. В цитоплазме
рибосомы присоединяются к мРНК, в результате
чего на основе закодированной в мРНК генетиче-
ской информации синтезируются полипептиды.
Раздел 6.4. Транспортные пузырьки перемеща-
ют синтезированные на шероховатом ЭПР белки
и мембраны к комплексу Гольджи для дальней-
шей обработки, а затем перемещают их к плаз-
матической мембране и лизосомам, или в дру-
гие места в клетке, в том числе, и обратно в ЭПР.
Раздел 6.5. Согласно теории эндосимбиоза, ми-
тохондрии возникли из использующей кисло-
род прокариотической клетки, которая была за-
хвачена предковой эукариотической клеткой. Со
временем хозяин и эндосимбионт превратились
в единый организм. Хлоропласты возникли, ког-
да по крайней мере одна из этих эукариотических
клеток, содержащих митохондрии, захватила, а
затем сохранила фотосинтетическую прокари-
оту. Раздел 6.6. Для перемещения частей клет-
ки моторные белки внутри нее взаимодействуют
с компонентами цитоскелета. Моторные белки
“прогуливают” везикулы вдоль микротрубочек.
Движение цитоплазмы в клетке включает взаи-
модействие двигательного белка миозина и ми-
крофиламентов (актиновых филаментов). Целые
клетки могут быть перемещены с помощью бы-
строго изгибания жгутиков или ресничек, ко-
торое вызывается скольжением микротрубочек
внутри этих структур за счет моторных белков.
Движение клетки также может возникать, когда
на одном из ее концов формируется псевдоподия
(в результате полимеризации актина в сеть фила-
ментов), затем клетка сжимается в этом направ-
лении; это происходит за счет взаимодействия
микрофиламентов с миозином. Взаимодействие
моторных белков и микрофиламентов в мышеч-
ных клетках может вызвать сокращение мышц,
которые могут обеспечивать движение целого ор-
ганизма (например, при ходьбе или плавании).
Раздел 6.7. Клеточная стенка растений в основ-
ном состоит из микрофибрилл целлюлозы, встро-
енных в другие полисахариды и белки. ВКМ жи-
вотных клеток, в основном, состоит из коллагена
и других белковых волокон, таких как фиброне-
ктины и прочие гликопротеины. Эти волокна
встроены в сеть богатых углеводами протеогли-
канов. Стенка растительной клетки обеспечивает
структурную поддержку для самой клетки и, в со-
вокупности, для всего растения. Кроме поддержа-
ния формы, ВКМ животной клетки обеспечивает
получение информации об изменении внешней
среды клеткой.
Вопросы в “Проверь себя!”
1. б. 2. в. 3. б. 4. а. 5. а. 6. в. 7. в. 8. См. рис. 6.8.
Ответы к главе 7
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 7.2.
Гидрофильная часть находится в контакте
с водной средой (цитозолем или внеклеточной
жидкостью), а гидрофобная часть находится в
контакте с гидрофобными участками других фос-
фолипидов внутри бислоя.
Рис. 7.4. Вы не можете исключить перемещение
белков в мембранах того же вида. Можно предпо-
ложить, что мембранные липиды и белки одного
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 619
вида не могут смешиваться с белками и липида-
ми других видов из-за некоторой несовместимо-
сти. Рис. 7.7. Транс-мембранный белок, так же как
и димер на рис. е может изменить свою форму по-
сле связывания с определенной молекулой ВКМ.
Новая форма может позволить внутренней части
белка связываться со вторым, цитоплазматиче-
ским белком, который будет транслировать сооб-
щение во внутреннюю часть клетки, как показано
на рис. в. Рис. 7.8. Форма белка на поверхности ВИЧ,
вероятно, будет комплементарна форме рецептора
(CD4), а также форме ко-рецептора (CCR5). Моле-
кула, которая имеет форму, аналогичную поверх-
ностному белку ВИЧ, могла бы связывать CCR5,
блокируя тем самым связывание ВИЧ. (Другой ва-
риант ответа: молекула, которая связана с CCR5 и
изменяет ее форму, так что этот ко-рецептор боль-
ше не может связываться с ВИЧ.)
Рис. 7.9.
Белок должен контактировать с внеклеточ-
ной жидкостью. Молекула белка простирается в
просвет ЭПИ После того как пузырек сливается
с плазматической мембраной, “изнанка” мембра-
ны ЭПР, т.е. сторона, обращенная к просвету, ста-
новится “наружной” плазматической мембраной,
обращенной к внеклеточной жидкости.
Рис. 7.11. Оранжевый краситель будет равномер-
но распределен в растворе по обе стороны мемб-
раны. Уровни раствора не будут затронуты, так
как оранжевый краситель может диффундиро-
вать через мембрану и выравнивать концентра-
цию. Таким образом, никакого дополнительного
осмоса не возникнет ни в одном из направлений.
Рис. 7.16. Растворенное вещество, обозначенное
квадратами, движется в клетку (вниз), растворен-
ное вещество, обозначенное кружками, движется
из клетки (вверх); оба вещества движутся против
градиента их концентрации.
Вопросы и задания к разделу 7.1
1. Они находятся на внутренней стороне
мембраны транспортного пузырька. 2. Злаки, ра-
стущие в более прохладном регионе, скорее всего,
будут содержать больше ненасыщенных жирных
кислот в мембранах, так как эти жирные кисло-
ты остаются жидкими при более низких темпера-
турах. Злаки, растущие в непосредственной бли-
зости от горячих источников, скорее всего, будут
содержать больше насыщенных жирных кислот,
которые могли бы ’’упаковываться” более тес-
но, делая мембраны менее текучими и, следова-
тельно, помогая им оставаться цельными при бо-
лее высоких температурах. (Холестерин не может
быть использован для ослабления влияния темпе-
ратуры на текучесть мембран, так как он не най-
ден в клеточных мембранах растений.)
Вопросы и задания к разделу 7.2
1. О, и СО, — неполярные молекулы, которые
могут легко проходить через гидрофобную внут-
реннюю часть мембраны. 2. Вода — полярная мо-
лекула, поэтому она не может быстро проходить
через гидрофобную область в середине фосфоли-
пидного бислоя. 3. Ион гидроксония заряжен, а
глицерин — нет. Для вывода через канал аквапо-
рина заряд, вероятно, более значим, чем размер.
Вопросы и задания к разделу 7.3
1. СО, — неполярная молекула, которая может
диффундировать через плазматическую мемб-
рану. Углекислый газ диффундирует из клетки, и
он будет выходить из нее, пока его концентрация
остается низкой снаружи клетки. (В случае О,,
описанном в этом разделе, ситуация будет прямо
противоположна.) 2. Активность сократительной
вакуоли инфузории-туфельки будет уменьшаться.
Вакуоль откачивает лишнюю воду, которая нака-
пливается в клетке; это накопление происходит
только в гипотонической среде.
Вопросы и задания к разделу 7.4
1. Насос использует АТФ. Для создания напря-
жения ионы должны быть накачаны против их
градиентов, этот процесс требует затрат энергии.
2. Каждый ион транспортируется против элек-
трохимического градиента. Если какой-либо ион
транспортируется вдоль электрохимического гра-
диента, это будет совместный транспорт. 3. Внут-
ренняя среда лизосом является кислой, так что
она имеет более высокую концентрацию Н+, чем
620 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
цитоплазма. Таким образом, можно ожидать, что
мембрана лизосом будет иметь протонный насос
(аналогично показанному на рис. 7.17), чтобы нака-
чать Н+ в лизосомы.
Вопросы и задания к разделу 7.5
1. Экзоцитоз. Когда транспортный пузырек
сливается с плазматической мембраной, мембра-
на пузырька становится частью плазматической
мембраны.
2.
3. Гликопротеин будет синтезироваться в про-
свете ЭПР, пройдет через аппарат Гольджи, а за-
тем отправится в пузырьке к плазматической
мембране, где он подвергнется экзоцитозу и ста-
нет частью ВКМ.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 7.1. Плазматические мембраны обо-
значают границы клетки, отделяя клеточные
компоненты от внешней среды. Это позволяет
контролировать условия внутри клеток за счет
мембранных белков, которые регулируют посту-
пление молекул внутрь клетки и их выход; мем-
бранные белки регулируют даже функции клеток
(рис. 7.7). Жизненные процессы могут осущест-
вляться внутри контролируемой среды клетки,
поэтому мембраны имеют решающее значение.
У эукариот мембраны также разделяют цитоплаз-
му на различные “отсеки” где могут происходить
разнообразные процессы, в том числе при различ-
ных условиях, таких как pH. Раздел 7.2. Аквапо-
рины — это белки-каналы, они значительно уве-
личивают проницаемость мембраны для молекул
воды, которые являются полярными и поэтому
не могут легко диффундировать через гидрофоб-
ную внутреннюю часть мембраны. Раздел 7.3. Это
будет суммарная диффузия воды из клетки в ги-
пертонический раствор. Концентрация свобод-
ной воды выше внутри клетки, чем в растворе (где
молекулы воды несвободные, но группируются
вокруг более высокой концентрации частиц рас-
творенного вещества). Раздел 7.4. Одно из раство-
ренных веществ, перемещаемых с помощью со-пе-
реносчика, активно транспортируется против его
градиента концентрации. Энергия для этого пере-
мещения поступает от градиента концентрации
другого растворенного вещества; в свою очередь,
этот градиент возник при помощи электрогенно-
го насоса, который используется для транспорти-
ровки другого растворенного вещества через мем-
брану. Раздел 7.5. В рецептор-опосредованном
эндоцитозе специфические молекулы действуют
в качестве лигандов, когда они связываются с ре-
цепторами на плазматической мембране. Клет-
ка может обзавестись достаточным количеством
этих молекул, когда впячивание на мембране об-
разует пузырек и доставляет связанные молекулы
в клетку.
Вопросы в “Проверь себя!”
1. б. 2. в. 3. а. 4. в. 5. б.
6. а)
“Клетка"
0,03 М сахароза
0,02 М глюкоза —
А
“Окружающая среда"
0,01 М сахароза
0,01 М глюкоза
0,01 М фруктоза
б) Раствор снаружи гипотонический. В нем
растворено меньше сахарозы — растворенно-
го вещества, не проникающего через мембрану.
в) См. ответ (а), г) Искусственная клетка будет
иметь больший тургор, д) В итоге оба раствора
будут иметь одинаковые концентрации раство-
ренного вещества. Даже учитывая, что сахаро-
за не может перемещаться через мембрану, поток
воды (осмос) приведет к возникновению изото-
нических условий.
Ответы к главе 8
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 8.5. С помощью протонной помпы (рис. 7.17)
энергия, запасенная в АТФ, используется для пе-
рекачки протонов через мембрану, — это созда-
ет более высокую (неслучайную) концентрацию
ионов снаружи клетки, поэтому этот процесс
приводит к увеличению свободной энергии. Ког-
да молекулы растворенного вещества (аналогич-
ного ионам Н+) распределены равномерно, подоб-
но случайному распределению в нижней части
рисунка (б), то система имеет меньше свободной
энергии, чем в его верхней части (б). Система в
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 621
нижней части не может работать. Поскольку гра-
диент концентрации, создаваемый с помощью
протонной помпы (рис. 7.17), имеет более высокую
свободную энергию, эта система имеет потенциал
для работы (как вы увидите в главе 9). Рис. 8.10. Глу-
таминовая кислота имеет карбоксильную группу
в конце своей jR-группы. Глютамин имеет точно
такую же структуру, как глутаминовая кислота,
за исключением того, что -ОН на К-группе заме-
нен на аминогруппу. (Атом кислорода на Д-группе
уходит во время реакции синтеза.)
Рис. 8.13.
Фермент-субстратный
комплекс
/Переходное
состояние
Продукты
Вопросы и задания к разделу 8.1
1. Второй закон термодинамики говорит о тен-
денции к увеличению неупорядоченности (или
возрастанию энтропии). Когда концентрации ве-
щества по обе стороны мембраны равны, то рас-
пределение является более случайным по срав-
нению с той ситуацией, когда они не равны. При
диффузии вещества в область, где оно изначально
имеет меньшую концентрацию, энтропия возрас-
тает, что делает этот (спонтанный) процесс энер-
гетически выгодным, как и описано во втором за-
коне. Это объясняет процесс, изображенный на
рис. 7.10. 2. У яблока есть потенциальная энергия,
когда оно висит на дереве, а также есть химиче-
ская энергия в виде сахара и других питательных
веществ. У яблока есть кинетическая энергия, ког-
да оно падает с дерева на землю. И, наконец, ког-
да яблоко переваривается и его молекулы распа-
даются, часть химической энергии используется
для выполнения работы, а остальное рассеивает-
ся в виде тепловой энергии. 3. Кристаллы саха-
ра становятся менее упорядоченными (энтропия
возрастает) по мере того, как они растворяются
в воде и становятся беспорядочно распределен-
ными. Со временем вода испаряется, а кристаллы
образуются снова, так как объема воды недоста-
точно, чтобы удерживать их в растворе. Появле-
ние новых кристаллов сахара может представлять
собой “спонтанное” увеличение порядка (умень-
шение энтропии), это компенсируется снижением
порядка (увеличением энтропии) молекул воды,
которая изменяется с относительно компактной
жидкой формы в гораздо более неупорядоченную
форму в виде водяного пара, где молекулы воды
сильно рассредоточены.
Вопросы и задания к разделу 8.2
1. Клеточное дыхание является спонтанным
и экзергоническим процессом. Энергия, выделя-
ющаяся из глюкозы, используется, чтобы совер-
шить работу в клетке, или рассеивается в виде
тепла. 2. Катаболизм разрушает органические мо-
лекулы, высвобождая их химическую энергию, в
результате чего образуются более мелкие продук-
ты с большей энтропией, как показано для пере-
хода от верхней части к нижней части (в). В ходе
анаболизма энергия потребляется для синтеза
больших молекул из более простых, как показано
при переходе от нижней части к верхней части (в).
3. Эта реакция экзергоническая, потому что в ре-
зультате нее энергия высвобождается — в данном
622 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
случае, в виде света. (Это небиологическое объяс-
нение биолюминесценции, показанной на рис. 8.1.)
Вопросы и задания к разделу 8.3
1. Как правило, АТФ передает энергию для
осуществления эндергонических процессов с по-
мощью фосфорилирования других молекул (до-
бавления к ним фосфатных групп). (Экзергони-
ческие процессы фосфорилируют АДФ, чтобы
регенерировать АТФ). 2. Цепь сопряженных ре-
акций может превратить первую смесь во вторую.
Так как в целом это экзергонический процесс, то
AG — отрицательна, и первая смесь должна иметь
больше свободной энергии (рис. 8.10). 3. Активный
транспорт: растворенное вещество транспорти-
руется против своего градиента концентрации;
это требует энергии, получаемой за счет гидроли-
за АТФ.
Вопросы и задания к разделу 8.4
1. Спонтанная реакция — это экзергоническая
реакция. Тем не менее если она имеет высокую
энергию активации, которая достигается редко,
скорость реакции может быть низкой. 2. Только
специфический(ие) субстрат(ы) будут подходить
должным образом к активному центру фермента,
т.е. к той части фермента, которая осуществляет
катализ. 3. В присутствии эфира малоновой кис-
лоты увеличьте концентрацию нормального суб-
страта (сукцината) и посмотрите, увеличивает-
ся ли скорость реакции. Если это произойдет, то
малонат является конкурентным ингибитором.
4. Если бы лактоза не присутствовала в окружа-
ющей среде в качестве источника пищи, а была
доступна содержащая дисахарид фукоза, то бак-
терии, которые переваривают фукозу, росли и
размножались бы лучше, чем те, которые не спо-
собны к ее утилизации.
Вопросы и задания к разделу 8.5
1. Активатор связывается таким образом, что
он стабилизирует активную форму фермента, в
то время как ингибитор стабилизирует неактив-
ную форму. 2. Катаболический путь разрушает
органические молекулы, производя энергию, ко-
торая хранится в молекулах АТФ. При ингибиро-
вании такого пути по принципу обратной связи
АТФ (один из его продуктов) будет действовать
в качестве аллостерического ингибитора фермен-
та, катализирующего более раннюю стадию дан-
ного катаболического процесса. Когда накопится
достаточное количество АТФ, реакция остано-
вится, и больше ничего происходить не будет.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 8.1. Процесс “упорядочения” структу-
ры клетки сопровождается увеличением энтро-
пии или беспорядка во Вселенной. Например,
клетка животного принимает высоко упорядочен-
ные органические молекулы в качестве источни-
ка материи и энергии, используемой для создания
и поддержания ее структур. В том же самом про-
цессе, тем не менее, клетка высвобождает тепло и
выделяет в окружающую среду простые молеку-
лы углекислого газа и воды. Увеличение энтропии
последнего процесса компенсирует уменьшение
энтропии в первом. Раздел 8.2. Спонтанная реак-
ция имеет отрицательную AG и является экзерго-
нической. В химической реакции, протекающей с
выделением свободной энергии (AG), энтальпия
или полная энергия системы должны уменьшать-
ся (АН), и/или энтропия или неупорядоченность
должны возрастать (в последнем случае это TAS).
Спонтанные реакции поставляют энергию для ра-
боты клетки. Раздел 8.3. Свободная энергия, вы-
деляемая в результате гидролиза АТФ, может за-
пускать эндергонические реакции посредством
переноса фосфатной группы на молекулу реаген-
та с образованием более реакционно-способного
фосфорилированного интермедиата (промежу-
точного продукта). Гидролиз АТФ также обеспе-
чивает энергией механическую и транспортную
работу клетки, часто за счет того, что дает энер-
гию для изменений формы соответствующих мо-
торных белков. Клеточное дыхание (катаболи-
ческий распад глюкозы) обеспечивает энергию
для процесса эндергонической регенерации АТФ
из АДФ и Р. Раздел 8.4. Барьеры энергии акти-
вации препятствуют тому, чтобы сложные моле-
кулы клетки, богатые свободной энергией, спон-
танно распадались на менее упорядоченные и
более стабильные молекулы. Ферменты позволя-
ют регулировать метаболизм путем связывания
со специфическими субстратами и формирова-
ния фермент-субстратных комплексов, которые
селективно понижают Ел в химических реакциях,
протекающих в клетке. Раздел 8.5. Клетка жест-
ко регулирует свои метаболические пути в зави-
симости от меняющихся потребностей в энергии
и веществе. Связывание активаторов или инги-
биторов с регуляторными участками аллостери-
ческих ферментов стабилизирует активную либо
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 623
неактивную форму их субъединиц. Например, в
клетке с избытком АТФ связывание АТФ с фер-
ментом катаболического пути будет ингибиро-
вать данный путь. Такие типы ингибирования
по принципу обратной связи позволяют сохра-
нять химические ресурсы внутри клетки. Если
же запасы АТФ истощаются, то связывание АДФ
с регуляторными участками катаболических фер-
ментов будет активировать путь катаболизма,
создавая больше АТФ.
А. Молекулы субстрата проникают в клетку,
пока ни один продукт не произведен. Б. Суще-
ствует достаточное количество субстрата, реак-
ция протекает с максимальной скоростью. В. По
мере расходования субстрата скорость уменьша-
ется (наклон менее крутой). Г. Линия плоская, по-
тому что никакого субстрата не осталось и, таким
образом, не появляется новый продукт.
Ответы к главе 9
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 9.4. Восстановленная форма содержит до-
полнительный атом водорода и два электрона,
связанные с атомом углерода в никотинамиде
(напротив N). В двух формах различается чис-
ло и расположение двойных связей: в окислен-
ной форме в кольце есть три двойные связи, а в
восстановленной — только две. (Из курса орга-
нической химии вы знаете, что три двойные свя-
зи в кольце могут “резонировать” и работать как
кольцо электронов.) В окисленной форме на ато-
ме азота есть положительный заряд (поскольку
он участвует в образовании четырех электрон-
ных пар с другими атомами), в то время как в вос-
становленной форме у него три общие электрон-
ные пары (а одна пара образована электронами,
принадлежащими только ему самому). Рис. 9.7. По-
скольку для этой реакции нет внешнего источни-
ка энергии, она должна быть экзергонической, и
реагенты должны иметь более высокий энергети-
ческий уровень, чем продукты. Рис. 9.9. Удаление
дигидроксиацетонфосфата, скорее всего, приве-
дет к остановке гликолиза или значительному его
замедлению, так как это повлечет за собой сдвиг
равновесия реакции на стадии 5 в сторону обра-
зования дигидроксиацетонфосфата. Если гли-
церальдегид-3-фосфат отсутствует (или его не-
достаточно), стадия 6 станет невозможна (или
сильно замедлится). Рис. 9.15. Сначала немного АТФ
все же сможет синтезироваться, поскольку транс-
порт электронов сможет дойти до комплекса III, и
небольшой протонный градиент может накопить-
ся. Однако вскоре электроны не смогут перейти
на комплекс III, так как он будет неспособен вер-
нуться в окисленное состояние, передавая элек-
троны на комплекс IV. Рис. 9.16. Во-первых, 2 моле-
кулы НАДН образуются при окислении пирувата
и 6 НАДН молекул в цикле Кребса; 8 НАДН х
х 2,5 АТФ/НАДН = 20 АТФ. Во-вторых, из цикла
Кребса приходит 2 ФАДН,; 2 ФАДНП х 1,5 АТФ/
ФАДН, = 3 АТФ. В-третьих, 3 НАДН из гликолиза
входят в митохондрии с помощью одного из двух
транспортеров. Они передают электроны либо на
2 ФАД, который становится ФАДН, и дает 3 АТФ,
или на 2 НАД+, который восстанавливается до
НАДН и дает 5 АТФ. Итого 20 + 3 + 3 = 26 АТФ,
или 20 + 3 + 5 = 28 АТФ из всех молекул НАДН и
фадн2.
624 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
Вопросы и задания к разделу 9.1
1. Оба процесса включают в себя гликолиз,
цикл Кребса и окислительное фосфорилирова-
ние. При аэробном дыхании конечным акцепто-
ром является молекулярный кислород (О2); при
анаэробном дыхании конечным акцептором яв-
ляется другая молекула. 2. CfHfO4 окисляется, а
НАД* — восстанавливается.
Вопросы и задания к разделу 9.2
1. НАД4 является окислителем на стадии 6,
принимая электроны от глицеральдегид-3-фос-
фата, который, в свою очередь, является восста-
новителем.
Вопросы и задания к разделу 9.3
1. НАДН и ФАДН2; они передадут электроны
на электрон-транспортную цепь. 2. СОТ выделя-
ется из пирувата (конечного продукта гликоли-
за) и в цикле Кребса. 3. В обоих случаях молеку-
ла-предшественник теряет СО, и затем на стадии
окисления передает электроны на переносчик.
Кроме того, продукт реакции активируется при-
соединением СоА.
Вопросы и задания к разделу 9.4
1. Окислительное фосфорилирование рано
или поздно прекратится. Если кислород не будет
стягивать электроны “вниз” по электрон-транс-
портной цепи, ионы Н+ не будут перекачиваться в
межмембранное пространство митохондрий, и хе-
миосмос будет невозможен. 2. Уменьшение pH оз-
начает добавление Н+. Это установит протонный
градиент даже без работающей электрон-транс-
портной цепи, и можно ожидать, что АТФ-синтаза
будет работать, образуя АТФ. (В действительности
подобные эксперименты были аргументом в поль-
зу хемиосмотического механизма сопряжения
энергии.) 3. Один из компонентов электрон-транс-
портной цепи — убихинон (Q) — должен иметь
возможность диффундировать в мембране. Он не
смог бы двигаться в жесткой мембране.
Вопросы и задания к разделу 9.5
1. Производное пирувата (например, ацеталь-
дегид при спиртовом брожении) или сам пируват
при молочнокислом брожении; кислород.
2. Клетке придется поглощать глюкозу при-
мерно в 16 раз быстрее, чем в аэробной среде
(2 АТФ образуются при брожении, в то время как
при дыхании синтезируется 32 АТФ).
Вопросы и задания к разделу 9.6
1. Атомы углерода в жирах гораздо более вос-
становлены; в них много -СН,- звеньев, в кото-
рых электроны равномерно распределены между
связями. Электроны в углеводах немного окис-
лены (распределены неравномерно), поскольку
часть из них смещена к атомам кислорода. Равно-
мерно распределенные электроны, как в жирах,
обладают более высокой энергией, чем неравно-
мерно распределенные, как в углеводах. Поэто-
му жиры являются значительно лучшим топли-
вом, чем углеводы. 2. Если мы потребляем больше
пищи, чем необходимо для покрытия энергетиче-
ских нужд, организм вырабатывает жир, запасая
энергию на будущее. 3. АМФ будет накапливать-
ся, стимулируя фосфофруктокиназу и ускоряя
гликолиз. Поскольку кислород отсутствует, пи-
руват будет превращаться в лактат в ходе молоч-
нокислого брожения, и синтез АТФ продолжит-
ся. 4. В присутствие кислорода жирные кислоты,
содержащие большую часть энергии в молекуле
жира, окисляются и направляются в цикл Кребса,
а затем в электрон-транспортную цепь. Однако
при интенсивных нагрузках содержание кислоро-
да в мышечных клетках невысоко, и АТФ обра-
зуется только в ходе гликолиза. Только глицерол,
очень небольшая часть молекулы жира, может
быть окислен в гликолизе, но содержание энергии
в нем пренебрежимо мало по сравнению с жир-
ными кислотами. (Умеренные нагрузки, до 70% от
максимальной частоты пульса, предпочтительны
для сжигания жира, поскольку для мышц остает-
ся достаточно кислорода.)
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 9.1. Большая часть АТФ, синтезирован-
ного в ходе дыхания, образуется в ходе окисли-
тельного фосфорилирования, когда энергия, вы-
делившаяся в окислительно-восстановительных
реакциях электрон-транспортной цепи, исполь-
зуется для синтеза АТФ. При субстратном фосфо-
рилировании фермент переносит фосфат с фос-
форилированного субстрата напрямую на АДФ.
Весь образованный в гликолизе АТФ фосфори-
лируется на уровне субстрата; этот способ фос-
форилирования работает также в цикле Кребса.
Раздел 9.2. При окислении трехуглеродного саха-
ра глицеральдегид-3-фосфат дает энергию. При
окислении электроны и Н4 переносятся на НАД4,
образуя НАДН, а фосфатная группа присоединя-
ется к окисленному субстрату. АТФ затем фосфо-
ПРИАОЖЕНИЕ А Ответы 625
рилируется на уровне субстрата, когда фосфат пе-
реносится на АДФ. Раздел 9.3. Выделение шести
молекул СО, отражает полное окисление глюкозы.
При превращении двух молекул пирувата в аце-
тил-СоА полностью окисленные карбоксигруп-
пы (-СОО ) выделяются в виде 2 СО,. Оставшие-
ся четыре атома углерода выделяются в виде СО,
в цикле Кребса, когда цитрат окисляется обратно
до оксалоацетата. Раздел 9.4. Движение Н+ через
канал АТФ-синтазы заставляет ротор и присоеди-
ненный к нему стержень вращаться, открывая ка-
талитические сайты в “шляпке” для синтеза АТФ
из АДФ и Р. ATP-синтазы находятся на внутрен-
ней мембране митохондрий, плазматической мем-
бране прокариот и мембранах внутри хлоропла-
стов. Раздел 9.5. Анаэробное дыхание дает больше
АТФ. Две молекулы АТФ, фосфорилированные на
уровне субстрата в гликолизе, — это весь энергети-
ческий выход брожения. НАДН передает свои “вы-
сокоэнергетические” электроны на пируват или
его производное, восполняя запас НАД+ для гли-
колиза. При анаэробном дыхании НАДН, образо-
ванный в гликолизе и в ходе окисления пирувата,
идет на синтез АТФ. Электрон-транспортная цепь
использует энергию электронов НАДН в серии
окислительно-восстановительных реакций, и элек-
троны в итоге попадают на отличную от кислорода
электроотрицательную молекулу. Раздел 9.6. Энер-
гия АТФ, произведенного в катаболических путях,
используется в анаболических путях. Кроме того,
многие промежуточные продукты гликолиза и
цикла Кребса используются для биосинтеза других
необходимых клетке молекул.
Вопросы в “Проверь себя!”
1. в. 2. в. 3. а. 4. 6. 5. г. 6. а. 7. 6. 8. Поскольку гли-
колиз идет с образованием АТФ, разумно предпо-
ложить, что он замедлится при значительном по-
вышении уровня АТФ. Таким образом, можно
ожидать, что АТФ будет аллостерически ингиби-
ровать фосфофруктокиназу. 9. Протонная пом-
па на рис. 7.17 осуществляет активный транспорт,
используя энергию гидролиза АТФ для перека-
чивания протонов против их концентрационно-
го градиента. Это активный транспорт протонов,
так как при этом тратится АТФ. АТФ-синтаза на
рис. 9.14 использует движение протонов по гради-
енту концентрации для синтеза АТФ. Поскольку
протоны движутся по градиенту своей концен-
трации, это не требует затрат энергии, т.е. это пас-
сивный транспорт.
Ионы Н+ продолжат перекачиваться в меж-
мембранное пространство, и разность pH между
матриксом и межмембранным пространством бу-
дет расти. Ионы Н+ не смогут вернуться обратно
через АТФ-синтазу, поскольку она заблокирована
ядом, и поэтому разница pH будет увеличивать-
ся, вместо того, чтобы оставаться постоянной.
(В итоге концентрация протонов в межмембран-
ном пространстве станет высока настолько, что
они больше не смогут двигаться против концен-
трационного градиента, но это не показано на
графике.)
Ответы к главе 10
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 10.3. Располагать контейнеры с водорос-
лями рядом с источниками выброса СО, име-
ет смысл, поскольку СО, нужен водорослям для
фотосинтеза. Чем выше скорость фотосинтеза,
тем больше масел они смогут образовать. Одно-
временно они будут поглощать СО,, выброшен-
ный предприятиями и двигателями автомобилей,
и тем самым снижать его количество в атмосфе-
ре. Рис. 10.12. В листе большая часть возбужден-
ных электронов хлорофилла используется в све-
товых реакциях фотосинтеза. Рис. 10.15. Человечек
на вершине башни “Фотосистема I” будет бро-
сать электрон не в корзинку слева от него, а на-
право — на верхушку желоба, идущего вниз от
вершины башни “Фотосистема П”. Электрон будет
скатываться по желобу, получать дополнительную
энергию от фотона и возвращаться обратно к че-
ловечку. Этот цикл будет продолжаться, пока есть
626 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
свет (поэтому такой транспорт электронов назы-
вается циклическим). Рис. 10.22. Да, растения могут
использовать углеводы в форме глюкозы в кле-
точном дыхании. В результате образуется АТФ,
которую можно потратить на различные процес-
сы в клетке: эндергонические химические реак-
ции, транспорт веществ через мембрану, переме-
щение молекул и т.д. В некоторых клетках АТФ
также тратится на передвижение хлоропластов
(см. рис. 6.26). Рис. 10.23. Ген, кодирующий гексокина-
зу, — это участок ДНК одной из хромосом в ядре.
Он транскрибируется с образованием мРНК, ко-
торая переносится в цитоплазму и на свободной
рибосоме транслируется в полипептид. Поли-
пептид складывается в работающий белок со вто-
ричной и третичной структурой. Сформирован-
ный белок начинает осуществлять в цитоплазме
первую реакцию гликолиза.
Вопросы и задания к разделу 10.1
1. СО, попадает в лист через устьица. Вода вса-
сывается корнями и переносится в листья по про-
водящим тканям. 2. Используя 18О (тяжелый изо-
топ кислорода) в качестве метки, ученые смогли
подтвердить гипотезу ван Ниля. Гипотеза заклю-
чалась в том, что кислород, выделяемый при фо-
тосинтезе, образуется из воды, а не из углекислого
газа. 3. Световые реакции не могут производить
НАДФН и АТФ без НАДФ+, АДФ и Фн, которые
образуются в цикле Кальвина. Эти два процесса
взаимозависимы.
Вопросы и задания к разделу 10.2
1. Зеленый, поскольку большая его часть про-
пускается или отражается, но не поглощается
фотосинтетическими пигментами. 2. Исходный
донор электрона — вода (Н,О). В конце элек-
трон-транспортной цепи электрон принимает
НАДФ+, восстанавливаясь до НАДФН. 3. В таком
эксперименте скорость синтеза АТФ будет сни-
жаться, и со временем процесс остановится. По-
скольку вещество не позволит сформировать на
мембране протонный градиент, АТФ-синтаза не
сможет катализировать синтез АТФ.
Вопросы и задания к разделу 10.3
1. 6, 8, 12. 2. Чем больше энергии запасено в
молекуле, тем больше энергии и восстановитель-
ных эквивалентов нужно для ее образования. Глю-
коза — ценный источник энергии, поскольку она
сильно восстановлена, и в ее электронах запасено
много энергии. Для восстановления СО, до глюко-
зы требуется много энергии и восстановительных
эквивалентов — АТФ и НАДФН. 3. Для световых
реакций нужны АДФ и НАДФ+. Они не смогут об-
разоваться в достаточных количествах из АТФ и
НАДФН, если цикл Кальвина остановится.
В цикл входят три атома углерода по одному, в
виде молекул СО„ и выходят из цикла в виде од-
ной трехуглеродной молекулы (ГЗФ) на каждые
три оборота цикла.
5. В гликолизе ГЗФ служит промежуточным
продуктом. Шестиуглеродный сахар фруктозо-
1,6-бисфосфат расщепляется на два трехуглерод-
ных сахара, один из которых — ГЗФ, а второй —
его изомер дигидроксиацетонфосфат (ДГАФ).
ДГАФ может переходить в ГЗФ с помощью изоме-
разы. Поскольку ГЗФ — субстрат для следующе-
го фермента гликолиза, он постоянно удаляется,
и равновесие реакции изомеризации смещает-
ся в сторону образования ГЗФ из ДГАФ. В цикле
Кальвина ГЗФ может быть как промежуточным,
так и окончательным продуктом. На каждые три
молекулы СО,, вошедшие в цикл, образуется
шесть молекул ГЗФ. Пять из них остаются в цикле
и используются для регенерации трех пятиугле-
родных молекул РуБФ. Одна оставшаяся молеку-
ла ГЗФ — продукт цикла. Ее можно рассматри-
вать как результат восстановления трех молекул
СО,, вошедших в цикл, до трехуглеродного саха-
ра, который затем можно использовать как источ-
ник энергии.
Вопросы и задания к разделу 10.4
1. Фотодыхание снижает выход фотосинте-
за, поскольку при фотодыхании в цикл Кальви-
на включается не углекислый газ, а кислород. При
этом не образуются углеводы (не фиксируется
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 627
углерод), а О, тратится, а не образуется. 2. Без ФС
II в клетках обкладки не образуется О . Таким об-
разом, он не конкурирует с СО, за рубиско. 3. Обе
проблемы вызваны значительным изменением
состава атмосферы Земли из-за сжигания иско-
паемого топлива. Возрастание концентрации СО,
воздействует на химический состав океана, сни-
жая его pH и влияя на образование карбонатных
скелетов морскими организмами. Наземные рас-
тения приспособлены к определенной концен-
трации СО, и температуре воздуха, и изменение
этих параметров существенно повлияет на фо-
тосинтез. Другими словами, изменение этих двух
базовых факторов может оказать существенное
влияние на живые организмы по всей планете в
разных местообитаниях. 4. С - и САМ-растения
займут место многих С,-растений.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 10.1. СО, и Н,О в дыхании — продук-
ты, а в фотосинтезе — исходные вещества. В ды-
хании глюкоза окисляется до СО,, а ее электро-
ны переносятся по электрон-транспортной цепи
на О, с образованием Н,О. В фотосинтезе Н,О —
источник электронов, которые получают энергию
света, временно запасаются в NADPH и исполь-
зуются для восстановления СО, до углеводов.
Раздел 10.2. Спектр действия фотосинтеза ука-
зывает на то, что свет некоторых длин волн не
поглощается хлорофиллом я, но все равно мо-
жет эффективно использоваться в фотосинтезе.
Светособирающие комплексы фотосистем содер-
жат вспомогательные пигменты, такие как хлоро-
филл б и каротиноиды. Они поглощают свет раз-
ных длин волн и передают энергию на хлорофилл
я, таким образом расширяя диапазон длин волн
света, пригодного для фотосинтеза.
Раздел 10.3.
1 ГЗФ (30
На стадии восстановления цикла Кальвина
АТФ фосфорилирует трехуглеродное соедине-
ние, а НАДФН восстанавливает его до ГЗФ. АТФ
также используется на стадии регенерации, когда
пять молекул ГЗФ перекомбинируются в три мо-
лекулы пятиуглеродного сахара РуБФ. Рубиско
катализирует первую стадию фиксации углеро-
да — присоединение СО, к РуБФ.
Раздел 10.4. Как у С4-растений, так и у САМ-
растений в ходе первичной фиксации СО, образу-
ется четырехуглеродное соединение (в клетках ме-
зофилла у С4-растений и ночью у САМ-растений).
Затем эти соединения расщепляются с выделени-
ем СО, (в клетках обкладки у Ц-растений и днем
у САМ-растений). Для регенерации молекулы, к
которой присоединяется СО,, необходима АТФ.
С - и CAM-фотосинтез позволяют избежать фото-
дыхания, которое тратит АТФ и снижает выход фо-
тосинтеза у С,-растений при закрытых устьицах в
жаркую сухую погоду. Эти типы фотосинтеза вы-
годны в жарком сухом климате.
Вопросы в “Проверь себя!”
1. г. 2. б. 3. в. 4. а. 5. в. 6. б. 7. в.
АТФ образуется снаружи тилакоида. Тилако-
иды смогли синтезировать АТФ в темноте, пото-
му что исследователи создали искусственный гра-
диент концентрации протонов на тилакоидной
мембране, который необходим для синтеза АТФ с
помощью АТФ-синтазы. Для формирования это-
го градиента световые реакции были не нужны.
Ответы к главе 11
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 11.6. Адреналин — это сигнальная моле-
кула; можно предположить, что он связывается
с рецепторным белком на поверхности клетки.
Рис. 11.8. Это пример пассивного транспорта. Ион
628 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
движется по градиенту своей концентрации, не
затрачивая энергию. Рис. 11.9. Молекула альдосте-
рона гидрофобна, а, значит, может свободно про-
ходить через липидный бислой плазматической
мембраны внутрь клетки. (Гидрофильные моле-
кулы на это неспособны.) Рис. 11.10. Каскад фосфо-
рилирования не сможет работать. Независимо
от того, связывалась сигнальная молекула с ре-
цептором или нет, протеинкиназа 3 будет неак-
тивна и не сможет активировать эффекторный
белок (показанный фиолетовым). Рис. 11.11. Сиг-
нальная молекула (цАМФ) останется в своей ак-
тивной форме и продолжит передавать сигнал.
Рис. 11.16. Выделяется 100 000 000 (сто миллионов,
или 10н) молекул глюкозы. На первой стадии про-
исходит стократная амплификация (одна молеку-
ла адреналина активирует 100 G-белков); на сле-
дующей стадии амплификации нет; на каждой из
двух последующих стадий сигнал амплифициру-
ется в 10 раз, и на последнем этапе сигнал усили-
вается еще в 100 раз. Рис. 11.17. Сигнальный каскад,
изображенный на рис. 11.14, ведет к расщеплению
ФИФЭ на вторичные посредники к ДАГ и ИФ^,
вызывающие разные ответы. (Ответ, вызывае-
мый ДАГ, описан в тексте, но не показан на схе-
ме.) Каскад для клетки Б также ветвится и ведет к
двум ответам.
Вопросы и задания к разделу 11.1
1. Каждая из двух клеток противоположных
типов спаривания (а и а) выделяет некоторую
сигнальную молекулу, которая может связывать-
ся с рецепторами на клетках с противополож-
ным типом спаривания. Таким образом, фактор а
не может связаться с другой клеткой типа а и за-
ставить ее расти по направлению к первой клет-
ке, поскольку клетка а не несет необходимого ре-
цептора. Только клетка типа а может воспринять
сигнал и ответить направленным ростом (см. руб-
рику “Развиваем исследовательские навыки”).
2. Гликогенфосфорилаза работает на третьем эта-
пе, реализуя ответ на сигнал адреналина. 3. Глю-
козо-1-фосфат не будет образовываться, посколь-
ку активация фермента требует целой клетки с
неповрежденным рецептором и белками, осу-
ществляющими трансдукцию сигнала. Фермент
не может быть активирован прямым взаимодей-
ствием с сигнальной молекулой в пробирке.
Вопросы и задания к разделу 11.2
1. NGF растворим в воде (гидрофилен), по-
этому он не может проникать через липидные
мембраны и взаимодействовать с внутриклеточ-
ными рецепторами, как это делают стероидные
гормоны. Поэтому можно ожидать, что рецептор
к NGF будет располагаться на плазматической
мембране (и это действительно так). 2. Клетка с
поврежденным рецептором не сможет ответить
на сигнальную молекулу, когда она присутствует.
Скорее всего, последствия этого будут тяжелыми,
так как регуляция клеточной жизнедеятельности
через этот рецептор будет невозможна. 3. Связы-
вание лиганда с рецептором вызывает изменения
конформации рецептора и влияет на его способ-
ность передавать сигнал. Связывание аллостери-
ческого регулятора с ферментом изменяет кон-
формацию фермента, повышая или понижая его
каталитическую активность. 4. Когда рецептор
передает сигнал внутрь клетки, он связан с G-бел-
ком. Чтобы определить структуру этого состо-
яния, имеет смысл кристаллизовать рецептор с
избытком молекул G-белка. (Этот подход дей-
ствительно сработал для изучения структуры ре-
цептора, сопряженного с G-белком, родственного
тому, что показан на рис. 11.8)
Вопросы и задания к разделу 11.3
1. Протеинкиназа — это фермент, перено-
сящий фосфатную группу с АТФ на белок, что
обычно приводит к активации белка (часто дру-
гой протеинкиназы). Многие сигнальные каскады
включают последовательность взаимодействий,
когда каждая фосфорилированная протеинки-
наза фосфорилирует следующую протеинкина-
зу. Такие каскады фосфорилирования передают
сигналы из внешней среды на внутриклеточные
белки, реализующие ответ. 2. Протеинфосфата-
зы противодействуют киназам, и, если концен-
трация сигнальных молекул не настолько высока,
чтобы все рецепторы оказались связанными, то
вскоре протеинфосфатазы вернут все молекулы
киназ в неактивное состояние. 3. Передаваемый
сигнал — это информация о том, что сигнальная
молекула связалась с рецептором на поверхно-
сти клетки. Информация передается с помощью
последовательности белок-белковых взаимодей-
ствий, ведущих к изменению конформации этих
белков и заставляющих их передавать сигнал (ин-
формацию) дальше. 4. ИФ3-управляемый канал
открывается, позволяя ионам кальция выходить
из ЭПР в цитоплазму, и концентрация Са2+ в ци-
тозоле возрастает.
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 629
Вопросы и задания к разделу 11.4
1. На каждом этапе каскада последовательных
активаций одна молекула или ион может активи-
ровать множество молекул, работающих на следу-
ющем этапе. Благодаря этому ответ амплифици-
руется на каждой стадии, и изначальный сигнал
многократно усиливается. 2. Скаффолд-белки
удерживают молекулярные компоненты сигналь-
ного каскада в комплексе. Разные скаффолд-бел-
ки будут собирать разные белковые комплек-
сы, которые могут вызывать различные ответы в
двух клетках. 3. Поврежденная протеинфосфата-
за не сможет дефосфорилировать определенный
рецептор или белок-переключатель. В результа-
те однажды запущенный сигнальный каскад не
сможет быть выключен. (По данным одного ис-
следования, в клетках 25% опухолей толстого ки-
шечника были обнаружены нарушенные проте-
инфосфатазы.)
Вопросы и задания к разделу 11.5
1. При формировании кисти руки или лапы
млекопитающих клетки в пространстве между
пальцами запрограммированы на апоптоз. Бла-
годаря этому кисть или лапа не имеют перепонок.
(Отсутствие апоптоза в этих областях конечно-
стей у водоплавающих птиц приводит к перепон-
чатым лапам.) 2. Если рецептор к “молекуле смер-
ти” сломается таким образом, что будет активен
даже в отсутствие сигнальной молекулы, апоптоз
будет запускаться там, где его в норме не долж-
но быть. Похожие дефекты в других белках сиг-
нального каскада приведут к такому же результа-
ту, если они будут активировать следующий этап
каскада без взаимодействия с предыдущим бел-
ком или вторичным посредником. Если же любой
из белков каскада утратит способность отвечать
на взаимодействие с предыдущим компонентом
каскада, апоптоз не запустится в нужный момент.
Например, рецептор к “молекуле смерти” может
потерять способность активироваться, даже когда
он связан со своим лигандом. Это прекратит пе-
редачу сигнала внутрь клетки.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 11.1. Клетка способна отвечать на гор-
мон только в присутствие рецепторного белка,
способного связывать этот гормон на ее поверх-
ности или внутри нее. Ответ на гормон зависит от
того, какой сигнальный каскад будет запускаться.
Ответ разных типов клеток может различаться.
Раздел 11.2. GPCR и RTK имеют внеклеточный
сайт связывания сигнальной молекулы (лиган-
да), а также один или несколько альфа-спираль-
ных полипептидных доменов, пронизывающих
мембрану. GPCR могут действовать в одиночку,
тогда как RTK склонны образовывать комплек-
сы из двух и более RTK. GPCR обычно запуска-
ют один сигнальный каскад, тогда как RTK могут
активировать несколько сигнальных путей одно-
временно. Раздел 11.3. Протеиникиназы — это
ферменты, присоединяющие фосфатные группы
к другим белкам. Протеинкиназы зачастую об-
разуют каскады фосфорилирования, которые пе-
редают сигналы. Вторичные посредники — это
мелкие небелковые молекулы или ионы, которые
быстро диффундируют и передают сигнал в клет-
ке. Протеинкиназы и вторичные посредники мо-
гут работать в одном и том же сигнальном каска-
де. Например, вторичный посредник цАМФ часто
активирует протеинкиназу А, которая затем фос-
форилирует другие белки. Раздел 11.4. В каска-
дах, запускаемых рецепторами, сопряженными
с G-белками, ГТФ-азный домен G-белка превра-
щает ГТФ в ГДФ, инактивируя G-белок. Проте-
инфосфатазы отщепляют фосфатные группы от
активированных белков, выключая каскад фос-
форилирования. Фосфодиэстераза превраща-
ет цАМФ в АМФ, ослабляя действие цАМФ на
последующие компоненты сигнального каскада.
Раздел 11.5. Механизм контролируемого клеточ-
ного самоубийства возник в эволюции эукариот
рано, и его генетическая основа осталась в эволю-
ции животных практически неизменной. Этот ме-
ханизм необходим для развития и жизнедеятель-
ности всех животных.
Вопросы в “Проверь себя!”
1. г. 2. а. 3. б. 4. а. 5. в. 6. в. 7. в.
8. Одна из возможных схем этого каскада. (По-
хожие схемы также верны).
Fas
Fas-рецепторы клеточной
поверхности (кластеризованы)
/
Неактивная
каспаза-8
каспаза-3 каспаза-3
630 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
Ответы к главе 12
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 12.4.
Одна сестринская хроматида
\
Если вы обвели другую хроматиду, это тоже вер-
но. Рис. 12.5. У хромосомы четыре плеча. Рис. 12.7. 12;
2; 2; 1.
Рис. 12.8.
Астральные
микротрубочки
44 Метафазная
пластинка
Движение
хромосом
Астральные
микротрубочки
Рис. 12.9. Метка бы передвинулась к ближайше-
му плюсу. Длина флуоресцентных микротрубочек
между этим полюсом и меткой уменьшилась бы, а
длины между хромосомами и меткой остались бы
прежними.
Рис. 12.14. В обоих случаях Gl-ядро осталось
бы в Gl-фазе до того момента, когда оно обычно
вступает в фазу S. Конденсация хромосом и об-
разование веретена деления не произошло бы до
того момента, пока S и G2 фазы не были бы завер-
шены. Рис. 12.16. Прохождение контрольной точки
G2 на диаграмме соответствует началу оси гра-
фика “Время”, вступление в митотическую фазу
(желтый фон на диаграмме) соответствует пи-
кам активности MPF и концентрации циклина
на графике (посмотрите на желтую стрелку с бук-
вой М над пиками). Во время фазы Gin фазы S
на диаграмме CDK присутствует без циклина,
поэтому на графике как концентрация циклина,
так и активность MPF низкие. Изогнутая фио-
летовая стрелка на графике показывает увеличе-
ние концентрации циклина, это видно на графи-
ке во время окончания фазы S и на протяжении
всей фазы G2. Затем клеточный цикл начинается
снова. Рис. 12.17. Клетка будет делиться в неподхо-
дящих для этого условиях. Если дочерние клет-
ки и их потомки также будут игнорировать лю-
бую из контрольных точек и поделятся, то вскоре
масса клеток достигнет ненормальных размеров.
(Этот тип неадекватного деления клеток может
способствовать развитию рака.) Рис. 12.18. Клетки в
культуральном флаконе с PDGF не смогут реаги-
ровать на сигнал фактора роста и, таким образом,
не будут делиться. Культура будет похожа на та-
ковую без добавления PDGF.
Вопросы и задания к разделу 12.1
1. 1; 1;2. 2. 39; 39; 78.
Вопросы и задания к разделу 12.2
1. 6 удвоенных хромосом; 12 хроматид. 2. По-
сле митоза цитокинез завершается образованием
двух генетически идентичных дочерних клеток у
растений и животных. Тем не менее механизм де-
ления цитоплазмы отличается у животных и рас-
тений. В животной клетке цитокинез происходит
путем дробления, который делит материнскую
клетку на две с помощью сократительного кольца
нитей актина. В растительной клетке в середине
клетки образуется пластинка, она растет, пока ее
мембрана не сливается с плазматической мембра-
ной родительской клетки. Новая клеточная стен-
ка растет внутри клеточной пластинки. 3. В конце
S-фазы, в интерфазе и до конца метафазы мито-
за. 4. В ходе клеточного деления эукариотической
клетки тубулин участвует в формировании вере-
тена деления и в движении хромосом, в то время
как актин функционирует во время цитокинеза.
При бактериальном бинарном делении все про-
исходит наоборот: тубулин-подобные молекулы,
как полагают, участвуют в разделении дочерних
клеток, а актин-подобные молекулы перемеща-
ют дочерние бактериальные хромосомы к проти-
воположным полюсам клетки. 5. Кинетохора со-
единяет веретено деления (“мотор” отметьте, что
у него есть моторные белки) и хромосому (“груз”,
который она будет двигать). 6. Микротрубочки
состоят из тубулина, в клетке они обеспечивают
“рельсы”, вдоль которых везикулы и другие орга-
неллы могут “путешествовать”. Транспорт осно-
ван на взаимодействии моторных белков с тубу-
лином в микротрубочках. В мышечных клетках
актин в микрофиламентах взаимодействует с ми-
озиновыми нитями, чтобы вызвать сокращение
мышц.
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 631
Вопросы и задания к разделу 12.3
1. Ядро справа находилось в фазе G1, поэтому
оно еще не удвоило число хромосом. Ядро слева
находилось в фазе М, поэтому оно уже удвоило
число хромосом. 2. Для того чтобы пройти кон-
трольную точку G2, в клетке должно быть доста-
точное количество MPF; это происходит за счет
накопления белков циклинов, которые связы-
ваются с Cdk с образованием (активного) МРЕ
3. Внутриклеточный рецептор эстрогена после
активации будет иметь возможность выступать в
качестве фактора транскрипции в ядре, включая
гены, которые могут привести к тому, что клет-
ка пройдет контрольную точку и приступит к де-
лению. Рецептор HER2, при активации лигандом
будет образовывать димеры, и каждая субъеди-
ница димера будет фосфорилировать следующий
димер. Это привело бы к серии этапов сигнальной
трансдукции, и в итоге к включению генов в ядре.
Как и в случае с рецептором эстрогена, гены бы
кодировали белки, необходимые для начала деле-
ния клетки.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 12.1. ДНК эукариотической клетки упа-
кована в структуры, называемых хромосомами.
Каждая хромосома представляет собой длинную
молекулу ДНК, которая несет от сотен до тысяч
генов; молекула ДНК ассоциирована с белками,
которые поддерживают активность генов хромо-
сомной структуры и помогают контролировать
эту активность. Этот ДНК-белковый комплекс на-
зывается хроматин. Хроматин каждой хромосо-
мы длинный и тонкий, когда клетка не делится.
Перед клеточным делением каждая хромосома уд-
ваивается, и сестринские хроматиды прикрепле-
ны друг к другу с помощью белков в центромерах;
у многих видов, сестринские хроматиды скрепле-
ны друг с другом по всей их длине (явление коге-
зии сестринских хроматид). Раздел 12.2. Хромо-
сомы существуют в виде отдельных молекул ДНК
в Gl-фазе интерфазы, а также в анафазе и тело-
фазе митоза. Во время S-фазы в результате репли-
кации ДНК возникают сестринские хроматиды,
которые сохраняются в ходе С2-фазы интерфа-
зы, в профазе, прометафазе и метафазе митоза.
Раздел 12.3. Контрольные точки позволяют меха-
низмам клеточного наблюдения определить, го-
това ли клетка для перехода к следующему этапу.
Внутренние и внешние сигналы заставляют клет-
ку проходить эти точки. Контрольная точка G1,
называемая “ограничительной точкой” в клет-
ках млекопитающих, определяет, будет ли клет-
ка завершать клеточный цикл и делиться дальше
или перейдет в фазу GO. Сигналы, заставляющие
пройти эту контрольную точку, часто являются
внешними, — например, это факторы роста. Про-
хождение клеткой контрольной точки G2 требует
достаточного количества активных MPF комплек-
сов, которые, в свою очередь, организуют не-
сколько митотических событий. MPF также ини-
циирует деградацию своего компонента циклина,
завершающего фазу М. Фаза М не начнется сно-
ва, пока достаточное количество циклина не бу-
дет произведено в течение последующих фаз S
и G2. Сигнал для прохождения контрольной точ-
ки М-фазы не активируется до тех пор, пока все
хромосомы не будут прикреплены к кинетохор-
ным волокнам и не будут выравнены вдоль мета-
фазной пластинки. Только тогда происходит раз-
деление сестринских хроматид.
Вопросы в “Проверь себя!”
1.6. 2. а. 3. в. 4. в. 5. а. 6. б. 7. а. 8. г. 9. См. рис. 12.7
для описания наиболее важных этапов.
Для каждой фазы указана только одна клетка,
но на микрофотографии присутствуют и другие
клетки в этих фазах.
10.
Интерфаза
Хроматин
Ядерная
оболочка
632 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
Телофаза и цитокинез
Формирование
ядерной оболочки
Ответы к главе 13
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 13.4. Присутствуют два набора хромосом.
Присутствуют три пары гомологичных хромосом.
(Короткая цепь ДНК показана здесь для про-
стоты, но каждая хромосома или хроматида со-
держит очень длинную закрученную и уложен-
ную особым образом молекулу ДНК.)
Рис. 13.8. Если клетка с шестью хромосомами
пройдет два этапа митоза, каждая из четырех по-
лученных клеток будет иметь шесть хромосом, в
то время как четыре клетки в результате мейоза
на рис. 13.8 несут по три хромосомы каждая. В ми-
тозе репликация ДНК (и, таким образом, удвое-
ние хромосомы) предшествует каждой профа-
зе, гарантируя, что дочерние клетки имеют такое
же число хромосом, как и родительские клетки.
В мейозе, в отличие от митоза, репликация ДНК
происходит только до профазы I (не до профа-
зы II). Таким образом, в двух циклах митоза хро-
мосомы удваиваются дважды и делятся дважды,
в то время как в мейозе хромосомы удваиваются
один раз и делятся два раза. Рис. 13.10. Да. Каждая из
шести хромосом (по три в каждой клетке), пока-
занных в телофазе I, имеет одну нерекомбинант-
ную хроматиду и одну рекомбинантную хрома-
тиду. Таким образом, восемь возможных наборов
хромосом могут быть сгенерированы для клетки
слева и восемь для клетки справа.
Вопросы и задания к разделу 13.1
1. Родители передают гены своему потомству;
определяя производство мессенджерной РНК
(мРНК), гены задают образ действия клеткам —
как вырабатывать определенные ферменты и дру-
гие белки, их совместная работа определяет насле-
дуемые черты индивидуума. 2. Такие организмы
размножаются путем митоза, в результате которо-
го получается потомство, чьи геномы представля-
ют собой точные копии генома родителя (в случае
отсутствия мутации). 3. Она должна клонировать
этот экземпляр. Его скрещивание с другим расте-
нием будет генерировать потомство, которое бу-
дет нести дополнительные нежелательные изме-
нения. После того, как была получена (выведена)
идеальная орхидея они больше не нужны.
Вопросы и задания к разделу 13.2
1. Каждая из шести хромосом удваивается, по-
этому каждая из них содержит две двойные спи-
рали ДНК. Таким образом, существует 12 молекул
ДНК в клетке. Гаплоидное число (и) равно 3. Один
комплект хромосом всегда гаплоидный. 2. 23; 2.
3. Этот организм имеет жизненный цикл, пока-
занный на рис. 13.6, в. Таким образом, он является
грибком или протистой, возможно, водорослью.
Вопросы и задания к разделу 13.3
1. Хромосомы сходны в том, что каждая из них
состоит из двух сестринских хроматид и отдель-
ные хромосомы расположены аналогичным обра-
зом на метафазной пластинке. Хромосомы отли-
чаются тем, что в митотически делящихся клетках
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 633
сестринские хроматиды каждой хромосомы гене-
тически идентичны, но в мейотически делящей-
ся клетке сестринские хроматиды генетически
различны из-за кроссинговера в мейозе I. Кроме
того, хромосомы в метафазе митоза могут иметь
диплоидный набор или гаплоидный набор, но
хромосомы в метафазе мейоза II всегда состоят
из гаплоидного набора. 2. Если кроссинговера не
произошло, два гомолога не могут быть связаны
каким-либо образом. Это может привести к не-
правильному расположению гомологов во время
метафазы I, и в конечном счете к формированию
половых клеток с аномальным числом хромосом.
Вопросы и задания к разделу 13.4
1. Мутации в гене приводят к различным вер-
сиям (аллелям) этого гена. 2. Без кроссинговера
независимый набор хромосом во время мейоза I
теоретически может генерировать 2" возможных
гаплоидных гамет, и случайное оплодотворение
может производить 2Л х 2” возможных диплоид-
ных зигот. Поскольку гаплоидное число (и) у куз-
нечиков 23, а у плодовых мушек — 4, то пара куз-
нечиков может произвести большее разнообразие
зигот, чем пара плодовых мушек. 3. Если отрезки
материнских и отцовских хроматид, которые под-
вергаются кроссинговеру, генетически идентич-
ны и, следовательно, имеют два одинаковых алле-
ля каждого гена, то рекомбинантные хромосомы
будут генетически эквивалентны родительским
хромосомам. Кроссинговер способствует гене-
тической изменчивости только тогда, когда речь
идет о перегруппировке различных аллелей.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 13.1. Гены определяют специфические
черты; потомство наследует гены от каждого из
родителей, что придает им внешнее сходство с од-
ним или другим родителем. Люди размножаются
половым путем, что обеспечивает новые комби-
нации генов (и, таким образом, черты) в потом-
стве. Следовательно, дети не являются клона-
ми своих родителей (что было бы в случае, если
бы люди размножались бесполым путем). Раз-
дел 13.2. Как животные, так и растения размно-
жаются половым путем, чередуя мейоз с опло-
дотворением. И у животных, и у растений есть
гаплоидные гаметы, которые объединяются и
формируют диплоидную зиготу. Последняя за-
тем митотически делится, образуя диплоидные
клетки многоклеточного организма. У животных
гаплоидные клетки становятся гаметами и не
претерпевают митоз, в то время как у растений
гаплоидные клетки, получившиеся в результате
мейоза, проходят митотическое деление и обра-
зуют гаплоидный многоклеточный организм, га-
метофит. Этот организм затем переходит к гене-
рации гаплоидных гамет. (У растений, таких как
деревья, гаметофит сильно уменьшается в раз-
мерах и не виден для случайного наблюдателя.)
Раздел 13.3. В конце мейоза I два члена пары го-
мологов оказываются в разных клетках, поэтому
они не могут создавать пару и претерпевать крос-
синговер. Раздел 13.4. Во-первых, во время неза-
висимого расхождения в метафазе I каждая пара
гомологичных хромосом выстраивается на мета-
фазной пластинке независимо от других, поэтому
дочерняя клетка после мейоза I случайно наследу-
ет либо материнскую, либо отцовскую хромосо-
му. Во-вторых, из-за кроссинговера, каждая хро-
мосома не является хромосомой “исключительно”
матери или отца, но включает в себя участки на
концах хроматиды из несестринских хроматид
(хроматид другого гомолога). (Несестринские
участки также могут быть во внутренней области
хроматиды, если второй кроссинговер происхо-
дит перед первым, который был у конца хромати-
ды.) Это вносит дополнительное разнообразие в
виде новых комбинаций аллелей. В-третьих, слу-
чайное оплодотворение обеспечивает еще более
значительные изменения, так как любая сперма
состоит из большого числа сперматозоидов, со-
держащих множество возможных генетических
комбинаций; сперма случайным образом может
оплодотворить любую яйцеклетку, которая прои-
зошла аналогичным образом из большого количе-
ства возможных комбинаций.
Вопросы в “Проверь себя!”
1. а. 2. б. 3. а. 4. г. 5. в.
6 Сестринские
хроматиды
Несестринские
хроматиды
(обозначены
разными цветами
Хиазма
Аллели
генаР
Аллели
гена Н
Когезия сестринских
хроматид
Гомологичная пара ИЛИ Пара гомологов
(обозначены
цветом)
634 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
6) Гаплоидный набор состоит из одной длин-
ной, одной средней и одной короткой хромосо-
мы. Например, хромосомы одного цвета составля-
ют гаплоидный набор. (В тех случаях, когда имели
место кроссоверы, гаплоидный набор одного цвета
может включать в себя сегменты хроматид другого
цвета.) Все красные и синие хромосомы вместе со-
ставляют диплоидный набор, в) Метафаза I. 7. Эта
клетка должна претерпевать мейоз, так как гомо-
логичные хромосомы связаны друг с другом в ме-
тафазной пластинке, а это не происходит в митозе.
Ответы к главе 14
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 14.3. Все потомство будет иметь фиолетовые
цветы. (Соотношение будет 1 фиолетовый : 0 бе-
лый.) Растения поколения Р являются чистой ли-
нией, поэтому спаривание двух растений с фиоле-
товыми цветками приведет к тому же результату,
как и при самоопылении: все потомки будут оди-
наковы. Рис. 14.8.
При зависимом наследовании:
Родители
YyRj^x^yyrr
Мужские гаметы
от растения YyRr
Женские гаметы
от растения ууrr
72 (жёлтые круглые): 72 (зелёные морщинистые)
1 (жёлтые круглые): 1 (зелёные морщинистые)
Расщепление по фенотипу
При независимом наследовании:
Родители
YyRi^x^yyrr
Мужские гаметы
от растения YyRr
Женские гаметы о
(уг)
от растения yyrr
YyRr yyrr YyRr Yyrr
’/.(жёлтые круглые): '/А (жёлтые морщинистые):
’А (зелёные круглые): 7, (зелёные морщинистые)
1 (жёлтые круглые): 1 (жёлтые морщинистые)
1 (зелёные круглые): 1 (зелёные морщинистые)
Расщепление по фенотипу
Да, эта решетка также позволила Менделю сде-
лать различные предсказания для двух гипотез,
тем самым позволяя ему найти верную из них.
Рис. 14.10. Ваш одноклассник, вероятно, сказал бы,
что гибриды поколения F1 имеют промежуточный
фенотип между гомозиготными родителями, это
поддерживает гипотезу “смешанного наследова-
ния”. Вы могли бы ответить, что результаты скре-
щивания гибридов F привели к появлению бе-
лого фенотипа, который отличается от фенотипа
родителей с розовыми цветками — этот факт не
поддерживает идею “смешанного наследования”.
Рис. 14.11. Обе аллели, 1А и Iй, являются доминиру-
ющими для аллеля z, что приводит к отсутствию
прикрепленного углеводного остатка. Аллели 1А и
I8 являются кодоминантными; оба выражаются в
фенотипе 1А18 гетерозигот, имеющих группу крови
АВ. Рис. 14.12. В этой решетке окончательные резуль-
таты “3” и “1” стандартной решетки объединены в
единый фенотип. Это происходит, потому что со-
баки с генотипом ее не вырабатывают никакого
пигмента, таким образом, три собаки, у которых
генотип несет В-аллель (как правило, отвечающий
за черный цвет) никак не отличаются внешне от
собаки с генотипом bb (обычно такое сочетание
приводит к коричневой окраске). Рис. 14.16. В ре-
шетке Пеннета двое из трех человек имеют нор-
мальную пигментацию и являются носителями,
поэтому вероятность равна 2А. (Обратите внима-
ние, что вы должны принять во внимание все, что
вы знаете, когда вы вычисляете вероятность: Вы
знаете, что у сестры с нормальной пигментаци-
ей генотип не может быть аа, поэтому она может
иметь только три возможных варианта генотипа.)
Вопросы и задания к разделу 14.1
1. В соответствии с законом независимого на-
следования, 25 растений (1/ потомства), согласно
прогнозам, будет aatt или рецессивным для обоих
признаков. Фактический результат может немно-
го отличаться от этого значения.
Aalt х AaTt
AT
Женские гаметы At
от растения aT
AaTt at
Мужские гаметы
от растения AaTt
AT At аТ at
AATT AATt AaTT AaTt
AATt AAtt AaTt Aatt
AaTT AaTt aaTT aaTt
AaTt Aatt aaTt aatt
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 635
2. Растение может произвести восемь различ-
ных гамет (YRIy YRiy Yrly Yriy yRIy yRi, yri и yri). Для
того, чтобы разместить все возможные гаметы в
случае самоопыления в решетке Пеннета, потре-
буется 8 строк и 8 столбцов. Таким образом, есть
64 возможных сочетания гамет для потомства.
3. Самоопыление — это половое размножение,
поскольку мейоз участвует в формировании по-
ловых клеток, которые объединяются в процессе
оплодотворения. В результате потомство при са-
моопылении генетически отличается от родите-
лей. (Как уже упоминалось в примечании в начале
раздела 14.1, мы упростили объяснение для одно-
го растения гороха в качестве родителя. Техниче-
ски гаметофиты в цветке являются двумя “роди-
телями”)
Вопросы и задания к разделу 14.2
1. Yi гомозиготный доминантный (АЛ), 0 гомо-
зиготный рецессивный (ад), и Yi гетерозиготный
(Ад). 2. У4 BBDD; % BbDD-y % BBDd; У4 BbDd. 3. Ге-
нотипы, которые удовлетворяют этому условию:
ppyyii, ppYyiiy Ppyyii, ppYYii и ppyyii. Используй-
те правило умножения, чтобы найти вероятность
получения каждого генотипа, а затем используй-
те правило сложения, чтобы найти общую веро-
ятность выполнения условий этой задачи:
ppyyli % (вероятность рр) х % (yy) х 1/2(ii) = 716
ppYyii 72(рр)х 72(Yy )х ’/2(ii) =2/1й
Ppyyii 7г(Рр) X %(уу) X y2(ii) =’/16
ppYYii 72(PP)x7AYY)x72(ii) =7.
ppyyii 72(рр)х74(уу)хШ = 71й
Доля потомков, характеризующихся
как минимум двумя рецессивными = 7 или 7В
признаками
Вопросы и задания к разделу 14.3
1. Неполное доминирование описывает взаи-
мосвязь между двумя аллелями одного гена, в то
время как эпистаз относится к генетической свя-
зи между двумя генами (и соответствующим ал-
лелям каждого). 2. У половины детей будет кровь
группы I (А), у второй половины — II (В). 3. Ал-
лели черной и белой окраски частично доминант-
ные, у гетерозигот окраска серая. При скрещива-
нии серого петуха и черной курицы потомство
должно быть примерно наполовину черным, а на-
половину — серым.
Вопросы и задания к разделу 14.4
1. !А (Так как муковисцидоз вызывается ре-
цессивным аллелем, братья и сестры Бэт и Тома
должны быть рецессивными гомозиготами и бо-
леть муковисцидозом. Таким образом, каждый
родитель должен быть носителем рецессивного
аллеля. Поскольку ни у Бэт, ни у Тома нет муко-
висцидоза, это означает, что каждый из них имеет
шанс в 2/i быть носителем. Если они оба являются
носителями, есть шанс в А, что они будут иметь
ребенка с муковисцидозом: 2/з х 2/з х А = ’А); 0.
(Оба — и Бэт, и Том — должны быть носителя-
ми для рождения ребенка с этим заболеванием.)
2. В нормальной молекуле гемоглобина шестой
аминокислотой является глутаминовая кисло-
та, которая является кислой (имеет отрицатель-
ный заряд на своей боковой цепи), в гемоглобине
при серповидноклеточной анемии глутаминовая
кислота заменена на валин, который представ-
ляет собой неполярные аминокислоты и сильно
отличается от глутаминовой кислоты. Первич-
ная структура белка (его аминокислотная после-
довательность) определяет форму белка и, следо-
вательно, его функции. Замещение глутаминовой
кислоты на валин позволяет молекулам гемогло-
бина слипаться друг с другом и образовывать
длинные волокна, что приводит к недостаточному
функционированию белка и деформации красных
кровяных клеток. 3. Генотип Джоан Dd. Посколь-
ку аллель пятипалости является рецессивным (d),
а аллель полидактилии (D) — доминантным, эта
черта выражена у людей с DD или Dd генотипами.
Но так как отец Джоан не страдает полидактили-
ей, его генотип должен быть ddy а это значит, что
Джоан унаследовала d аллель от него. Поэтому
Джоан с полидактилией должна быть гетерозиго-
той. 4. В моногибридной решетке, учитывающей
окраску цветка, соотношение будет 3,15 фиоле-
товый : 1 белый, в то время как в человеческой
семье соотношение в третьем поколении равно
1 свободная : 1 приросшая мочка уха. Это проис-
ходит из-за небольшого размера выборки (два по-
томства) в человеческой семье. Если пара второго
поколения в этой родословной была бы способна
иметь 929 потомков, как при скрещивании расте-
ний гороха, отношение, вероятно, было бы ближе
к 3: 1. (Обратите внимание, что ни одно из расте-
ний гороха в решетке, приведенной в табл. 14.1,
не дало точного расщепления 3:1)
636 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 14.1. Альтернативные варианты генов,
которые называются аллели, передаются от роди-
телей к потомкам во время полового размноже-
ния. При скрещивании гомозиготных родителей
с фиолетовыми и белыми цветками все потом-
ство F будет гетерозиготным, каждый наследу-
ет аллель фиолетовой окраски от одного родите-
ля и аллель белой окраски от другого. Поскольку
аллель фиолетовой окраски доминирует, он опре-
деляет фенотип потомства F( (и оно все фиоле-
товое), а проявление аллеля белой окраски за-
маскировано. Только в поколении F, возможно
существование аллеля белой окраски в гомози-
готном состоянии, что приводит к появлению го-
роха с белыми цветками. Раздел 14.2.
Мужские гаметы Мужские гаметы
/ 0 7 ® 1 0
Женские У2 ® гаметы у2 (у) УУ Yy Женские У2 ® гаметы у2 Q РР Рг
Yy УУ Рг гг
7Д (желтые) 7л (гладкие)
7Д (зеленые) уд (морщинистые)
7д (желтые) х 3Л (гладкие) = 7«. (желтые гладкие)
7д (желтые) х ’/д (морщинистые) = 7« (желтые морщинистые)
7л (зеленые) х 7л (гладкие) = 7» (зеленые гладкие)
7л (зеленые) х 7л (морщинистые) = 7« (зеленые морщинистые)
= 9 (желтые гладкие): 3 (желтые морщинистые)
: 3 (зеленые гладкие): 1 (зеленые морщинистые)
Раздел 14.3. Группа крови АВО является при-
мером множественных аллелей, так как этот
единственный ген, определяющий группу кро-
ви, имеет более двух аллелей (1Л, 1В и /). Два алле-
ля, 1А и 7В, проявляют совместное доминирование,
так как углеводы (А и В) присутствуют, когда эти
два аллеля существуют в генотипе вместе. Как 1л,
так и 1В полностью доминируют над аллелем i. Эта
ситуация не является примером неполного доми-
нирования, потому что каждый аллель влияет на
фенотип различным способом, и результат не яв-
ляется промежуточным между двумя фенотипа-
ми. Поскольку эта ситуация относится к одному
гену, она не является примером эпистаза или мно-
жественного наследования. Раздел 14.4. Вероят-
ность рождения четвертого ребенка, страдающего
муковисцидозом, составляет Ул, как это было для
каждого из остальных детей, потому что каждое
рождение является независимым событием. Мы
уже знаем, что оба родителя являются носителя-
ми, поэтому то, являются ли их первые трое детей
носителями или нет, не имеет никакого отноше-
ния к вероятности того, что следующий ребенок
будет иметь заболевание. Генотипы родителей
обеспечивают только соответствующую инфор-
мацию.
Вопросы в “Проверь себя!”
Родители
9 (гладкие зеленые стручки):
3 (зеленые стручки с перетяжками):
3 (гладкие желтые стручки):
1 (желтые стручки с перетяжками)
2. Мужчина IAi\ женщина Г7; ребенок И. Гено-
типы будущих детей /л/в, % /л/, lA IBi> 1А Н. 3. Vi.
4. Скрещивание И х И даст потомство с генотипи-
ческим соотношением 1 Н : 1 И (2 : 2 тоже будет
правильным ответом) и фенотипическим соотно-
шением 1 гладкие стручки : 1 стручки с перетяж-
ками (2 : 2 тоже будет правильным ответом).
Родители
Мужские гаметы
от растения ii
ф ф
Женские гаметы © li___li_
от растения li 0 jj jj
Расщепление по генотипу 1 li: 1 ii (или 2:2)
Расщепление по фенотипу
1 (гладкие стручки): 1 (стручки с перетяжками)
(или 2:2)
5. а) */б4; б) ’/64-, в) ‘Л; г) 1/з2. 6. а) % х % х -% =
= 27/ы; б) 1 - 2%4 = 37/б4; в) 1А х ’/4 х 1А = 1/б4; г) 1 - 1/м =
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 637
= 6%4. 7. а) /256; б) Иб; в) />5б; г) /б4; Э) /i2«. 8. а) 1; б) /32;
в) /к; г) /2. 9. /9. 10. В результате скрещивания ис-
ходной мутантной кошки с чистой линией обыч-
ных кошек потомство F будет как керл-кошками,
так и обычными, если аллель необычной формы
ушей является доминирующей; но если эта аллель
рецессивная, то появятся только обычные кош-
ки. В результате спаривания между кошками по-
коления F1, родившегося в результате скрещи-
вания обычных и керл-кошек, вы получили бы
несколько потомков чистой линии, гомозиготных
по аллелю необычной формы ушей, независимо
от того, является ли аллель необычной формы
ушей доминантным или рецессивным признаком.
Вы поймете, что кошки принадлежат к чистой ли-
нии, если кошки с необычной формой ушей при
скрещивании производят на свет только точно
такое же потомство. Таким образом, аллель, не-
сущий признак необычной формы ушей, являет-
ся доминантным. 11. 25%, или /4 будут страдать
косоглазием; все косоглазые тигрята (100%) бу-
дут белыми. 12. Доминантный аллель I являет-
ся эпистатическим к Р/р локусу, и, таким обра-
зом, генотипическое соотношение для поколения
F) будет I-Р- (бесцветный) : 3 I-рр (бесцветный) :
3 ИР- (фиолетовый) : 1 Ирр (красный). Общее фе-
нотипическое соотношение: 12 бесцветных : 3 фи-
олетовых : 1 красный. 13. Рецессивный. Все стра-
дающие этим заболеванием (Арлен, Том, Вилма и
Карла) являются рецессивными гомозиготами аа.
Джордж — гетерозигота Аа, так как некоторые из
его детей с Арлин страдают алкаптонурией. Сэм,
Энн, Даниил и Алан — Аа, так как они все — здо-
ровые дети, но один из родителей болеет. Майкл
тоже является Аа, так как у него со своей женой
Энн (гетерозиготной) есть больной ребенок (Кар-
ла). Сандра, Тина и Кристофер могут иметь АА
или Аа генотип. 14.
о
Ответы к главе 15
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 15.2. Соотношение будет следующим: 1 с
желтыми круглыми горошинами : 1 с зелеными
круглыми горошинами : 1 с желтыми морщини-
стыми горошинами : 1 с зелеными морщинисты-
ми горошинами. Рис. 15.4. Примерно у % потомков
F2 будут красные глаза, а примерно у И — белые.
Примерно половина мух с белыми глазами будут
самцами и примерно половина — самками; таким
же образом, примерно половина красноглазых мух
будут самцами, а примерно половина — самками
(обратите внимание, что гомологичные хромо-
сомы с аллелями цвета глаз должны быть одного
вида в решетке Пеннета, и каждый потомок насле-
дует два аллеля). Пол у мух определяется отдель-
но — наследованием половых хромосом. Таким
образом, в вашей решетке Пеннета будет четыре
возможных сочетания у сперматозоидов и четы-
ре — у яйцеклеток, всего 16 ячеек). Рис. 15.7. У всех
сыновей будет дальтонизм, все дочери будут но-
сительницами болезни (иначе говоря, половина
потомков будут мальчики с дальтонизмом, поло-
вина — девочки-носительницы). Рис. 15.9. Двумя са-
мыми большими классами были бы потомки ро-
дительского типа (потомки с фенотипами чистых
линий родительского поколения), но теперь они
были бы с серым телом и короткими крыльями и
с черным телом и нормальными крыльями, пото-
му что именно таковы комбинации аллелей в ро-
дительском поколении. Рис. 15.10. Две хромосомы,
изображенные ниже на рисунке — это две хро-
мосомы, унаследованные самкой Fp по одной от
каждого родителя. Они передаются интактными
к этой самке и ее потомкам, так что их можно на-
зывать “родительскими” хромосомами. Другие две
хромосомы являются результатом кроссинговера
в ходе мейоза у самки F{. Так как их комбинации
аллелей не встречались ни в одной из хромосом
самки Fp то их можно называть “рекомбинантны-
ми” хромосомами (обратите внимание, что в этом
примере аллели рекомбинантных хромосом b+ vg+
и b vg — это те аллельные комбинации, которые
были представлены в родительских хромосомах
в скрещиваниях, изображенных на рис. 15.9 и 15.10.
Их можно называть родительскими хромосомами,
потому что они имеют такую комбинацию алле-
лей, которая была представлена в хромосомах ро-
дительского поколения).
Вопросы и задания к разделу 15.1
1. Закон чистоты гамет относится к наследова-
нию аллелей одного признака. Закон независимого
распределения аллелей относится к наследованию
аллелей двух признаков. 2. Физическая основа
638 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
закона чистоты гамет заключается в расхождении
гомологичных хромосом в анафазе I. Физическая
основа закона независимого распределения ал-
лелей — это различные варианты выстраивания
пар гомологичных хромосом в метафазе I. 3. Что-
бы проявился мутантный фенотип, необходимо,
чтобы у самца был только один мутантный аллель.
Если бы этот ген был на паре аутосом, то необхо-
димы были бы два мутантных аллеля, чтобы проя-
вился рецессивный мутантный фенотип, а это го-
раздо менее вероятная ситуация.
Вопросы и задания к разделу 15.2
1. Так как данный ген, отвечающий за цвет глаз,
расположен на Х-хромосоме, то все потомки-сам-
ки будут красноглазые и гетерозиготные (Х*+ Xw);
все потомки-самцы унаследуют Y-хромосому от
отца и будут белоглазыми (X* У) (иначе говоря, У1
потомков будут красноглазыми гетерозиготными
самками (носительницами) и У1 — белоглазыми
самцами). 2. % (1Л — вероятность того, что ребе-
нок унаследует У-хромосому от отца и будет маль-
чиком х Ут. — вероятность того, что он унаследует
Х-хромосому с аллелем болезни от матери). Если
ребенок — мальчик, то с вероятностью Уг у него
будет заболевание; у девочки же вероятность про-
явления этого заболевания нулевая (но есть веро-
ятность стать носительницей Уг). 3. В случае рас-
стройств, обусловленных доминантным аллелем,
такого понятия, как “носитель”, не существует,
так как у носителей такого аллеля будет и заболе-
вание. Так как аллель доминантный, то женщи-
ны теряют все “преимущества” двух Х-хромосом,
потому что одной хромосомы с аллелем, отвеча-
ющим за заболевание, достаточно, чтобы это за-
болевание проявилось. Все отцы, имеющие такой
доминантный аллель, передадут его всем своим
дочерям, которые также будут больны. Мать, у ко-
торой есть такой аллель (и соответствующее забо-
левание), передаст его половине своих сыновей и
половине дочерей.
Вопросы и задания к разделу 15.3
1. В результате кроссинговера в мейозе I у гете-
розиготного родителя образуется некоторое коли-
чество гамет с рекомбинантными генотипами по
двум генам. Потомки с рекомбинантным феноти-
пом возникают при оплодотворении таких реком-
бинантных гамет гомозиготными рецессивными
гаметами родителя с двойной мутацией. 2. В каж-
дом случае аллели, привнесенные материнским
организмом (в яйцеклетке) определяют фенотип
потомков, так как от отца в таких скрещиваниях
наследуются только рецессивные аллели. Таким
образом, определение фенотипа потомства может
указать вам на то, какие аллели были в яйцеклет-
ке. 3. Нет. Порядок может быть А-С-В или С-А-В.
Чтобы определить, какой вариант правильный,
нужно знать частоту рекомбинации между В и С.
Вопросы и задания к разделу 15.4
1. В мейозе составная хромосома 14-21 ведет
себя как обычная хромосома. Если гамета несет
такую хромосому 14-21 и нормальную копию хро-
мосомы 21, то трисомия по 21 хромосоме проя-
вится, когда такая гамета сольется с нормальной
гаметой при оплодотворении. 2. Нет. Ребенок мо-
жет иметь генотип или /Л1Лг, или Г'п. Спермато-
зоид с генотипом мог образоваться при не-
расхождении хромосом у отца в мейозе II, тогда
как яйцеклетка с генотипом И могла образовать-
ся у матери при нерасхождении хромосом или в
мейозе I, или в мейозе II. 3. Активация этого гена
может приводить к чрезмерному образованию
этой киназы. Если киназа участвует в сигнальном
каскаде, который запускает клеточное деление, то
слишком большое ее количество снимает ограни-
чения на деление клеток, что, в свою очередь, мо-
жет внести вклад в развитие рака (в данном слу-
чае, одного из видов лейкоза).
Вопросы и задания к разделу 15.5
1. Инактивация одной Х-хромосомы у самок и
геномный импринтинг. Из-за инактивации Х-хро-
мосомы эффективная доза генов, расположенных
на Х-хромосомах, одинакова у самцов и у самок.
В результате геномного импринтинга только один
аллель определенных генов проявляется феноти-
пически. 2. Гены, отвечающие за окраску листьев,
расположены в пластидах в цитоплазме. Обычно
только материнское растение передает пластид-
ные гены своим потомкам. Так как разнообразное
потомство получается, только если материнское
растение варианта В, мы можем сделать вывод, что
вариант В содержит и аллели дикого типа, и му-
тантные аллели пигментных генов, что приводит
к возникновению разнообразных потомков (вари-
ант А должен содержать только аллели пигмент-
ных генов дикого типа). 3. Каждая клетка содер-
жит многочисленные митохондрии, а у больных
большинство клеток содержат смесь нормаль-
ных и мутантных митохондрий. Эти нормальные
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 639
митохондрии осуществляют клеточное дыхание в
объеме, достаточном для выживания (это же вер-
но для хлоропластов).
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 15.1. Так как половые хромосомы от-
личаются друг от друга и они определяют пол по-
томства, Морган мог использовать пол потомков
как фенотипическую характеристику для того,
чтобы проследить за родительскими хромосома-
ми (он мог также наблюдать за ними под микро-
скопом, потому что X- и У-хромосомы выглядят
по-разному). В то же время он мог регистриро-
вать цвет глаз, чтобы следить за аллелями, ответ-
ственными за него. Раздел 15.2. У мужчин есть
только одна Х-хромосома и одна У-хромосома,
в то время как у женщин две Х-хромосомы. На
У-хромосоме находится очень мало генов, тогда
как на Х-хромосоме их порядка 1000. Когда ре-
цессивный Х-сцепленный аллель, который обу-
словливает какое-либо заболевание, наследуется
мальчиком вместе с Х-хромосомой от его мате-
ри, то на У-хромосоме нет второго такого алле-
ля (мальчики гемизиготны), и, таким образом, у
мальчика развивается заболевание. Так как у жен-
щин две Х-хромосомы, они должны унаследовать
два рецессивных аллеля, чтобы заболеть, а это
случай более редкий. Раздел 15.3. Кроссинговер
приводит к образованию новых комбинаций ал-
лелей. Кроссинговер — это случайное событие,
и, чем больше расстояние между двумя генами,
тем больше вероятность того, что это произой-
дет и образуется новая комбинация аллелей. Раз-
дел 15.4. При инверсиях и реципрокных трансло-
кациях один и тот же генетический материал
представлен в том же самом количестве, но орга-
низован иначе. При анеуплоидии, дупликациях,
делециях и нереципрокных транслокациях баланс
генетического материала нарушен, большие сег-
менты его или утрачены, или представлены боль-
ше, чем одной копией. Очевидно, нарушения этих
типов очень вредны для организма. (Хотя это и
не смертельно для развивающегося эмбриона, ре-
ципрокная транслокация образует филадельфий-
скую хромосому, которая может приводить к се-
рьезному заболеванию, раку, за счет изменения
экспрессии важных генов). Раздел 15.5. В этих
случаях пол родителя, от которого унаследован
аллель, влияет на картину наследования. У им-
принтированных генов экспрессируется или от-
цовский, или материнский аллель, в зависимо-
сти от импринта. В случае митохондриальных и
хлоропластных генов, на фенотип потомков вли-
яет только вклад материнского организма, потому
что потомство наследует органеллы матери через
цитоплазму яйцеклетки.
Вопросы в “Проверь себя!”
1. 0; 0.5; 1/16. 2. Рецессивным; если бы рас-
стройство было доминантным, то у больного ре-
бенка болел бы как минимум один родитель. На-
следование этого заболевания сцеплено с полом,
потому что оно проявляется только у мальчиков.
Чтобы это заболевание проявилось у девочки, она
должна унаследовать рецессивные аллели от обо-
их родителей. Это очень редкий случай, потому
что мальчики с рецессивным аллелем на Х-хромо-
соме умирают в раннем подростковом возрасте.
3. 17%; да, согласуется. На рис. 15.9 частота реком-
бинации также 17% (вы могли бы ожидать, что
так и будет, потому что речь идет о тех же генах
и расстояния между ними не менялись от одного
эксперимента к другому). 4. Между Т и А — 12%,
между А и S — 5%. 5. Между Т и S — 18%, после-
довательность генов T-A-S. 6. 6%; гетерозигота
дикого типа с нормальными крыльями и крас-
ными глазами х рецессивная гомозигота с корот-
кими крыльями и пурпурными глазами. 7. У 50%
потомков проявятся фенотипы, обусловленные
кроссинговером. Эти результаты не отличают-
ся от результатов скрещивания, в котором А и В
находятся на разных хромосомах, и вы могли бы
решить, что гены были не сцеплены (дальнейшие
скрещивания, затрагивающие другие гены на той
же самой хромосоме, могли бы выявить генетиче-
ское сцепление и расстояния на генетической кар-
те). 8. По 450 синих с овальными тычинками и бе-
лых с круглыми тычинками (родительские типы)
и по 50 синих с круглыми тычинками и белых с
овальными тычинками (рекомбинанты). 9. При-
мерно одна треть расстояния от локуса корот-
ких крыльев до локуса коричневых глаз. 10. Так
как бананы триплоидны, то гомологичные пары
не могут выстраиваться в мейозе. Следователь-
но, невозможно получить гаметы, которые мо-
гут сливаться, чтобы получить зиготу с трипло-
идным числом хромосом. 11. а) Для каждой пары
хромосом вы должны были получить потомков
Fp возьмем гены А и В для примера. Вы получили
гомозиготных мух-родителей, либо одну с доми-
нантными аллелями двух генов (ААВВ), другую —
с рецессивными (aabb), либо одну с доминантны-
ми аллелями гена А и рецессивными аллелями
640 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
гена В (ааВВ) и другую — с рецессивными алле-
лями гена А и доминантными аллелями гена В
(ааВВ). Скрещивание каждой из этих пар мух ро-
дительского поколения дало вам дигетерозиготу
F, с которой вы провели анализирующее скрещи-
вание с двойной гомозиготной рецессивной му-
хой (aabb). Вы разделили потомков на родитель-
ские типы и рекомбинантов на основе генотипов
мух родительского поколения (какой-то из пар,
описанных выше). Вы просуммировали числа ре-
комбинантов и затем разделили на общее число
потомков. Это дало вам процент рекомбинации
(в данном случае, 8%), который вы можете пре-
вратить в число единиц генетической карты (8),
чтобы построить вашу карту, б)
Ответы к главе 16
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 16.2. Живые S-клетки, найденные в про-
бе крови, были в состоянии воспроизводства для
пополнения популяции S-клеток, что свидетель-
ствует о том, что S-признак является постоянным
и наследуемым изменением, а не только единож-
ды повлиявшим на мышей за счет присутствия
оболочек мертвых S-клеток. Рис. 16.4. Радиоактив-
ность была бы найдена в осадке с мечеными бел-
ками (образец 1), так как белкам пришлось бы
внедряться в бактериальные клетки, чтобы про-
граммировать их генетически. Сейчас это труд-
но себе представить, но ДНК, возможно, играла
структурную роль, которая позволила некоторым
из белков внедриться в клетку, при этом самой
оставаясь вне бактериальной клетки (при этом
никакой радиоактивности в осадке в образце 2
обнаружено не было бы). Рис. 16.11. Пробирка по-
сле первой репликации будет выглядеть так же —
со средней полосой гибридной l5N-14N ДНК, но
во второй пробирке не будет двух светло-голу-
бых полосок в верхней части. Вместо этого в ней
будут две темно-синие полоски внизу, как и сле-
довало бы ожидать после одной репликации в
консервативной модели. Рис. 16.12. В репликацион-
ном глазке в верхней части (б) стрелки должны
быть нарисованы влево и вправо, чтобы указать
две вилки репликации. Рис. 16.14. Если посмотреть
на любую из нитей ДНК, мы увидим, что один ко-
нец называется 5'-концом, а другой — З'-концом.
Например, если мы будем двигаться от 5'-концу
к З'-концу вдоль крайней левой нити, то состав-
ляющие будут перечислены в следующем поряд-
ке: фосфатная группа —> 5' С углевода —> 3' С -»
—> фосфатная группа —> 5' С —> 3' С. При движе-
нии в обратном направлении по той же цепи ком-
поненты будут выстроены в обратном порядке:
3' С —> 5' С —> фосфатная группа. Таким образом,
эти два направления различаются, что мы и име-
ем в виду, когда говорим, что нити имеют направ-
ленность. (См. рис. 16.5, если это необходимо.)
Рис. 16.17.
ДНК-лигаза
ДНК-полимераза I
5’
3'
5'
Праймаза
Материнская ДНК
ДНК-полимераза III
Лидирующая цепь
5'
3*
Два члена гомологичной пары (которая была
бы обозначена тем же цветом) будут тесно свя-
заны вместе в метафазной пластинке. В метафа-
зе митоза, однако, каждая хромосома будет нахо-
диться отдельно от других, так что обе хромосомы
одного и того же цвета будут находиться в разных
местах на метафазной пластинке.
Рис. 16.18.
* Лидирующая цель
Белок-лосре/
ДНК’Полиме-
Матрица
отстающей
цепи
Рис. 16.23. Два члена гомологичной пары (ко-
торая была бы обозначена тем же цветом) бу-
дут тесно связаны вместе в метафазной пластин-
ке. В метафазе митоза, однако, каждая хромосома
будет находиться отдельно от других, так что обе
3'*-5'
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 641
хромосомы одного и того же цвета будут нахо-
диться в разных местах на метафазной пластинке.
Вопросы и задания к разделу 16.1
1. Вы не можете сказать, какой из них явля-
ется 5'-концом. Вы должны знать, на каком кон-
це имеется фосфатная группа на 5' атоме углерода
(5'-конец) или на каком конце имеется -ОН груп-
па по 3' атоме углерода (З'-конец). 2. Он ожидал,
что мышь, в которую ввели смесь убитых нагрева-
нием S-клеток и живых R-клеток, выжила бы, по-
скольку ни один из этих типов клеток в одиночку
не убил бы мышь.
Вопросы и задания к разделу 16.2
1. Комплементарное спаривание оснований
гарантирует, что две дочерние молекулы пред-
ставляют собой точные копии родительской мо-
лекулы. Когда две нити родительской молекулы
расходятся, каждая служит в качестве матрицы,
на которой нуклеотиды расположены по прави-
лам спаривания оснований в новых комплемен-
тарных нитях. 2. ДНК полимераза III ковалентно
добавляет нуклеотиды к новым нитям ДНК и счи-
тывает каждый добавленный нуклеотид для пра-
вильного спаривания оснований. 3. В клеточном
цикле синтез ДНК происходит во время фазы S,
между G( и G2 фазами интерфазы. Поэтому про-
исходит полная репликация ДНК перед началом
митоза. 4. Синтез ведущей цепи инициируется
РНК-праймером, который должен быть удален и
заменен ДНК, — задача, которая не может быть
выполнена, если ДНК полимераза I была нефунк-
циональной. Во врезке на рис. 16.17 слева вверху
у начала репликации функциональная ДНК поли-
мераза I должна заменить РНК-праймер ведущей
цепи (красный цвет) нуклеотидами ДНК (синий).
Нуклеотиды будут добавлены на З'-конце заклю-
чительного фрагмента Оказаки верхней отстаю-
щей нити (правая половина глазка репликации).
Вопросы и задания к разделу 16.3
1. Нуклеосома состоит из восьми белков-ги-
стонов четырех различных типов, т.е. каждого
по два, вокруг которых намотана ДНК. Линкер
ДНК проходит от одной нуклеосомы к другой.
2. Эухроматин — это менее компактный хрома-
тин, который становится рыхлым во время ин-
терфазы и тем самым становится доступным для
клеточного механизма, ответственного за актив-
ность генов. Гетерохроматин остается достаточно
плотным во время интерфазы и содержит гены,
которые в значительной степени недоступны
для этого механизма. 3. Ядерная пластинка пред-
ставляет собой сетчатый массив белковых воло-
кон, который обеспечивает механическую опору
только внутри ядерной оболочки и таким обра-
зом сохраняет форму ядра. Значительные доказа-
тельства также говорят в пользу существования
ядерного матрикса между белковыми волокнами,
проходящими по всему объему внутри ядра.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 16.1. Каждая нить в двойной спира-
ли имеет полярность; конец с фосфатной груп-
пой на 5'-углероде сахара называется 5'-конец, а
конец с -ОН группой на З'-углероде сахара назы-
вается З'-конец. Две нити идут в противополож-
ных направлениях, одна считывается как 5' —> 3',
а вторая как 3' —> 5'. Таким образом, каждый ко-
нец молекулы имеет как 5'-, так и З'-конец. Та-
кая компоновка называется “антипараллельной”.
Если бы нити были параллельны, то они обе счи-
тывались бы в одинаковом направлении 5' У, и
конец молекулы имел бы либо два 5'-конца, либо
два З'-конца. Раздел 16.2. На обе цепи, лидиру-
ющую и отстающую, ДНК-полимераза добавля-
ет на З'-конце РНК-праймер, синтезированный
праймазой и синтезирующий ДНК в направлении
5' -> 3'. Материнские цепи антипараллельны, од-
нако, только на лидирующей цепи синтез прово-
дится непрерывно в вилке репликации. Отстаю-
щая цепь синтезируется пошагово в направлении
от вилки в виде серии коротких фрагментов Ока-
заки, которые затем соединяются между собой
ДНК-лигазами. Каждый фрагмент инициирует-
ся синтезом РНК-праймера праймазой, как толь-
ко данный участок одноцепочечной матричной
цепи открывается для этого. Хотя обе нити синте-
зируются с одинаковой скоростью, синтез отста-
ющей цепи задерживается из-за инициирования
каждого фрагмента, где синтез начинается только
тогда, когда доступна достаточная длина матрич-
ной нити. Раздел 16.3. Большая часть хроматина
в ядре — неконденсированная. Он присутствует в
основном в виде 30-нм волокон, частично в виде
10-нм волокон и частично в виде петель 30-нм во-
локон. (Эти различные уровни упаковки хромати-
на могут отражать различия в экспрессии генов,
происходящих в этих регионах.) Кроме того, не-
большой процент хроматина — как, например, в
центромерах и теломерах — это плотно упакован-
ный гетерохроматин.
642 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
Вопросы в “Проверь себя!”
1. а. 2. в. 3. 6. 4. г. 5. а. 6. г. 7. 6. 8. а. 9. Мож-
но было бы ожидать, что, подобно гистонам, бел-
ки Е. coli содержат множество основных (поло-
жительно заряженных) аминокислот, таких как
лизин и аргинин, которые могут образовывать
слабые связи с отрицательно заряженными фос-
фатными группами на сахаро-фосфатном остове
ДНК молекулы.
П. Новая нить ДНК Материнская ДНК
Одноцепочечный
связывающий
белок
Ответы к главе 17
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 17.2. Ранее предполагаемый путь был бы
неправильным. Новые результаты будут свиде-
тельствовать в пользу этого пути: предшествен-
ник —> цитруллин —> орнитин аргинин. Они
также показывают, что мутанты I класса облада-
ют дефектом на втором этапе, а мутанты II клас-
са — на первом этапе. Рис. 17.4. Последователь-
ность мРНК (5'UGGUUUGGCUCA3') такая же,
как последовательность нематричной цепи ДНК
(5TGGTTTGGCTCA3'), за исключением того,
что U присутствует в мРНК на месте Т в ДНК.
Рис. 17.7. Процессы аналогичны в том, что поли-
меразы образуют полинуклеотиды, комплемен-
тарные антипараллельной матричной цепи ДНК.
В репликации, тем не менее, обе нити действуют в
качестве матриц, тогда как в транскрипции толь-
ко одна нить ДНК выступает в качестве матрицы.
Рис. 17.8. РНК-полимераза будет связываться непо-
средственно с промотором, и не будет зависеть от
предыдущих связываний с другими факторами.
Рис. 17.21. Он будет упакован в транспортный пу-
зырек, перенесен в аппарат Гольджи для дальней-
шей обработки, а затем будет перемещен в транс-
портном пузырьке к плазматической мембране.
Пузырек будет сливаться с мембраной, высво-
бождая белок из клетки. Рис. 17.23. мРНК (самая
длинная, крайняя справа) начала транскрипцию в
первую очередь. Рибосома в верхней части, ближе
всего к ДНК, начала трансляцию первой и, таким
образом, несет самый длинный полипептид.
Вопросы и задания к разделу 17.1
1. Рецессивный. 2. Полипептид, состоящий из
10 молекул глицина.
3.
Матричная последовательность
(иззадачи): З'-ТТС AGTCGT- 5'
Нематричная последовательность: 5'-AAGTCAGCA-3'
Последовательность мРНК: 5'-AAGUCAGCA-3'
Нематричные и мРНК-нуклеотидные после-
довательности являются одинаковыми, за исклю-
чением того, что Т в нематричной ДНК заменена
на U в мРНК.
4.
"Матричная последовательность"
(произведенная из нематричной
последовательности в задаче): 3'-ACGACTGAA-5'
Последовательность мРНК: 5' - U G С U G А С UU - 3'
Трансляция: Цис-СТОП-Аей
(Помните, что мРНК антипараллельна нити
ДНК.) Белок, транслированный из нематричной
последовательности, будет иметь совершенно
иную последовательность аминокислот и, скорее
всего, будет нефункциональным. (Он также будет
короче из-за стоп-кодона, показанного в последо-
вательности мРНК выше, и, возможно, из-за дру-
гих стоп-кодонов, возникших ранее в последова-
тельности мРНК.)
Вопросы и задания к разделу 17.2
1. Промотор является областью ДНК, с кото-
рой связывается РНК-полимераза, чтобы начать
транскрипцию. Он находится на “верхнем” конце
гена (единицы транскрипции), там, откуда начи-
нается транскрипция. 2. В бактериальной клетке
часть РНК-полимеразы распознает промотор гена
и связывается с ним. В эукариотической клетке
факторы транскрипции выступают посредниками
при связывании РНК-полимеразы с промотором.
В обоих случаях, последовательности промотора
связываются именно с РНК-полимеразой, поэто-
му фермент находится в правильном положении
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 643
и ориентации. 3. Фактор транскрипции, который
распознает последовательность ТАТА будет не
способен связываться, поэтому РНК-полимераза
тоже не может связываться, и, вероятно, что этот
ген тоже не будет транскрибирован.
Вопросы и задания к разделу 17.3
1. Благодаря альтернативному сплайсингу эк-
зонов каждый ген может привести к сборке не-
скольких различных РНК, и, таким образом, к
прямому синтезу нескольких различных белков.
2. При просмотре телепередач в записи, вы смо-
трите в нормальном режиме фрагменты шоу (эк-
зоны) и проматываете на ускоренном режиме ре-
кламные ролики (интроны). 3. После того, как
мРНК покинет ядро, кэп не мешает ей распасть-
ся за счет гидролитических ферментов и облегча-
ет ее присоединение к рибосомам. Если бы кэпы
были удалены из всех мРНК, клетка больше не
могла бы синтезировать белки, и, вероятно, по-
гибла бы.
Вопросы и задания к разделу 17.4
1. Во-первых, каждая из аминоацил-тРНК-син-
тетазы специфически распознает одну аминокис-
лоту и присоединяет ее только к соответствую-
щей тРНК. Во-вторых, тРНК, несущая заряд этой
конкретной аминокислоты, связывается только с
кодоном мРНК для этой аминокислоты. 2. Веро-
ятно, что структура и функции рибосомы в боль-
шей степени зависят от рРНК, чем от рибосомных
белков. Поскольку молекула РНК одноцепочечная,
она может образовывать водородные связи сама
с собой и с другими молекулами РНК. Молекулы
РНК служат связкой двум субъединицам рибосом,
поэтому РНК-РНК связывание предположитель-
но помогает удерживать рибосомы вместе. Сайт
связывания мРНК в рибосоме включает рРНК, ко-
торая может связывать мРНК. Кроме того, ком-
плементарные водородные связи в молекуле РНК
позволяют образовать определенную трехмер-
ную форму и, наряду с функциональными группа-
ми РНК, позволяет осуществлять каталитическую
функцию рРНК при образовании пептидной свя-
зи в процессе трансляции. 3. Сигнальный пептид
на переднем конце синтезируемого полипепти-
да распознается частицей распознавания сигнала,
которая приносит рибосомы к мембране ЭПР. Там
рибосома присоединяется и продолжает синтези-
ровать полипептид, оставляя его в просвете ЭПР.
4. Из-за прецессии тРНК может связываться с лю-
бой последовательностью: 5'GCA3' или 5'GCG3',
оба кодируют аланин (Ala). Аланин будет прикре-
G С A G С G
5. Когда рибосома завершает трансляцию и
распадается, обе субъединицы рибосомы должны
быть очень близко к кэпу. Это могло бы облегчить
их новое прикрепление и инициировать синтез
нового полипептида, тем самым увеличивая эф-
фективность трансляции.
Вопросы и задания к разделу 17.5
1. В мРНК, рамка считывания смещена вниз
от участка делеции, что приводит к образованию
длинной последовательности неправильных ами-
нокислот в полипептиде, и, в большинстве слу-
чаев, будет возникать стоп-кодон, что приведет к
преждевременному прекращению синтеза поли-
пептида. Скорее всего, полипептид будет нефунк-
циональным. 2. Гетерозиготные особи, носители
гена серповидноклеточной анемии, несут в своем
генотипе по одной копии каждого из аллелей: ди-
кого типа и серповидно-клеточной анемии. Оба
аллеля будут выражены, поэтому у этих людей
будут как нормальные, так и серповидно-клеточ-
ные молекулы гемоглобина. По-видимому, смесь
двух форм |3-глобина не имеет никакого эффекта
в большинстве случаев, но в течение длительных
периодов пониженного содержания кислорода
в крови (например, на больших высотах), у этих
людей могут проявиться некоторые признаки сер-
повидно-клеточной болезни.
644 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
3.
Нормальная последовательность ДНК
(матричная нить верхняя): 3'-TACTTGTCCGATATC-5'
5'-ATGAACAGGCTATAG-3'
Последовательность
мРНК: 5'-AUG AAC AGGCUAU AG- 3'
Аминокислотная
последовательность: Мет-Асн-Арг-Лей-СТОП
Мутировавшая последовательность ДНК
(матричная нить верхняя): 3'-TACTTGTCCAATATC-5'
5'-ATGAACAGGTTATAG-3'
Последовательность
мРНК: 5'-AUGAACAGGUUAUAG- 3'
Аминокислотная
последовательность: Мет-Асн-Арг-Лей-СТОП
Нет эффекта: последовательность аминокис-
лот Мет-Асн-Арг-Лей как до, так и после мута-
ции, так как мРНК кодоны 5'CUA3' и 5'UUA3' —
код для лейцина. (Пятый кодон это стоп-кодон.)
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 17.1. Ген содержит генетическую ин-
формацию в виде последовательности нуклео-
тидов. Ген сначала транскрибируется в PH К-мо-
лекулу, а затем молекула мРНК транслирует
полипептид. Полипептид составляет часть белка
или белковую молекулу целиком, выполняя свою
функцию в клетке и внося вклад в фенотип ор-
ганизма. Раздел 17.2. И бактериальные, и эука-
риотические гены имеют промоторы — регио-
ны, с которыми связываются РНК-полимеразы,
после чего начинается транскрипция. У бакте-
рий РНК-полимераза связывается непосредствен-
но с промотором; у эукариот в первую очередь с
промотором связываются факторы транскрип-
ции, а затем РНК-полимераза связывается вме-
сте с факторами транскрипции и промотором.
Раздел 17.3. И 5'-кэп, и поли(А)-хвост помогают
мРНК выйти из ядра, а затем, в цитоплазме, помо-
гают обеспечить стабильность мРНК и позволяют
ей связываться с рибосомами. Раздел 17.4. Функ-
ция тРНК — “переводить” с нуклеотидного язы-
ка мРНК и аминокислотного языка полипепти-
дов. тРНК несет определенную аминокислоту, и
антикодон на тРНК является дополнением к кодо-
ну на мРНК, которая кодирует эту аминокислоту.
В рибосоме тРНК связывается с сайтом А. Затем
синтезирующийся полипептид (в это же время на
тРНК на сайте Р) присоединяется к новой амино-
кислоте, которая становится новым концом по-
липептида (С-концевой аминокислотой). Далее,
тРНК от A-сайта перемещается к сайту Р. Когда
полипептид переходит к новой тРНК, снова до-
бавляется аминокислота, и пустая тРНК переме-
щается с сайта Р на сайт Е, где она выходит из ри-
босомы. Раздел 17.5. Когда основание нуклеотида
изменяется химически, его характеристики, необ-
ходимые для спаривания оснований, могут быть
изменены. Когда это произойдет, неправильный
нуклеотид, вероятно, будет включен в компле-
ментарную цепь во время следующей репликации
ДНК, и последующие раунды репликации увеко-
вечат мутацию. После того, как ген транскриби-
руется, мутированный кодон может кодировать
другую аминокислоту, которая ингибирует или
изменяет функцию белка. Если химическое изме-
нение в основании нуклеотида обнаруживается и
исправляется системой репарации ДНК до следу-
ющей репликации, это не приведет к мутации.
Вопросы в “Проверь себя!”
1. 6. 2. в. 3. а. 4. а. 5. 6. 6. в. 7. г. 8. Нет, транс-
крипция и трансляция разделены в пространстве
и во времени в эукариотической клетке в резуль-
тате появления ядерной мембраны у эукариотиче-
ской клетки.
Тип РНК Функции
Матричная РНК (мРНК) Передает информацию о по- следовательности аминокислот в белках от ДНК к рибосомам
Матричная РНК (мРНК) Служит молекулой-”перевод- чиком" в синтезе белка, тран- слирует мРНК кодоны в амино- кислоты
Рибосомальная РНК (рРНК) Играет каталитическую (рибо- зимную) и структурную роль в рибосомах
Первичный транскрипт Предшественник мРНК, тРНК и рРНК, имеющий место до ста- дии процессинга; некоторые РНК в интронах также функцио- нируют как рибозимы, катали- зируя собственный сплайсинг
Малая РНК в рибосоме Играет структурную и ката- литическую роль в сплайсо- сомах — комплексах белков и РНК, которые вырезают интро- ны из предшественников мРНК
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 645
Ответы к главе 18
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 18.3. Поскольку концентрация триптофа-
на в клетке падает, связи с молекулами репрессо-
ра не будет. Они будут переходить в неактивные
формы и открепляться от оператора, позволяя
оперону возобновить транскрипцию. Фермен-
ты для синтеза триптофана будут собраны, и они
вновь начнут синтезировать триптофан в клетке.
Рис. 18.11. В обоих типах клеток ген-усилитель аль-
бумина имеет три регуляторных элемента (окра-
шены в желтый, серый и красный цвета). После-
довательности гена в клетках печени и хрусталика
будут идентичны, так как клетки находятся в од-
ном организме. Рис. 18.18. Даже если мутантный бе-
лок MyoD не может активировать ген Myod, он
все еще может включать гены для других белков
в этом пути (к примеру, другие факторы транс-
крипции, которые бы включили гены для специ-
фических белков мышц). Таким образом, некото-
рая дифференциация будет происходить. Но если
не будет других активаторов, которые могли бы
компенсировать потерю активации MyoD белка
гена myoD. клетка не сможет сохранить свое диф-
ференцированное состояние. Рис. 18.22. Нормаль-
ный Bicoid белок будет синтезирован в переднем
конце и будет компенсировать присутствие му-
тантной Bicoid мРНК, проникшей в яйцеклетку от
матери. Развитие должно быть нормальным, го-
лова должна присутствовать. Рис. 18.25. Скорее все-
го, мутация рецессивная, и это более вероятный
случай для проявления эффекта, когда обе копии
гена мутируют и кодируют нефункциональные
белки. Если одна нормальная копия гена присут-
ствует, то ее продукт может ингибировать клеточ-
ный цикл. (Тем не менее также известны случаи
доминантной мутации р53.) Рис. 8.27 Рак является
заболеванием, при котором деление клеток про-
исходит без его обычного регулирования. Деле-
ние клеток может стимулироваться факторами
роста (см. рис. 12.18), которые связываются с транс-
мембранными рецепторами (см. рис. 11.8). Рако-
вые клетки избегают этих нормальных элементов
управления и часто могут делиться в отсутствие
факторов роста (см. рис. 12.19). Это говорит о том,
что рецепторные белки или какие-то другие ком-
поненты сигнального пути действуют каким-ли-
бо образом неверно (например, мутантный белок
Ras на рис. 18.24) или экспрессированы ненормаль-
ным образом, как это видно для рецепторов на
этом рисунке. В некоторых случаях в организ-
ме млекопитающих стероидные гормоны, такие
как эстроген и прогестерон, также могут способ-
ствовать делению клеток. Эти молекулы также ис-
пользуют клеточные сигнальные пути, как описа-
но в главе 11 (см. рис. 11.9). Поскольку сигнальные
рецепторы вовлечены в инициацию клеточного
деления, неудивительно, что измененные гены,
кодирующие эти белки, могут играть существен-
ную роль в развитии рака. Гены могут быть из-
менены либо посредством мутации, меняющей
функцию синтезируемого белка, либо мутацией,
которая вызывает экспрессию гена на ненормаль-
ных уровнях, нарушающих общее регулирование
сигнального пути.
Вопросы и задания к разделу 18.1
1. Связывание Ггр-корепрессора (триптофан)
активирует frp-penpeccop, отключая транскрип-
цию frp-оперона; связывание /дс-индуктора (алло-
лактоза) инактивирует /яс-репрессор, что приво-
дит к транскрипции /дс-оперона. 2. Когда глюкоза
в недостатке, цАМФ связывается с САР, а САР свя-
зывается с промотором, обеспечивая связыва-
ние РНК-полимеразы. Тем не менее в отсутствие
лактозы репрессор связывается с оператором,
блокируя связывание РНК-полимеразы с про-
мотором. Таким образом, гены оперона не транс-
крибируются. 3. Клетка будет непрерывно произ-
водить [3-галактозидазу и два других фермента для
утилизации лактозы даже в отсутствие лактозы и
таким образом расходовать клеточные ресурсы.
Вопросы и задания к разделу 18.2
1. Ацетилирование гистонов, как правило, ас-
социируется с экспрессией генов, в то время как
метилирование ДНК, как правило, связано с от-
сутствием экспрессии. 2. Общие факторы транс-
крипции функционируют при сборке комплек-
са инициации транскрипции на промоторах для
всех генов. Специфические факторы транскрип-
ции, связываются с контролирующими элемента-
ми, связанными с определенным геном, и, будучи
единожды связаны, они либо увеличивают (ак-
тиваторы), либо уменьшают (репрессоры) транс-
крипцию этого гена. 3. Три гена должны иметь
некоторые сходные или идентичные последова-
тельности в элементах управления их усилителя-
ми (энхансерами). Из-за этого сходства, одни и те
же специфические факторы транскрипции в клет-
ках мышц могут связываться с усилителями всех
646 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
трех генов и координировано стимулируют их
экспрессию. 4. Регулирование инициации транс-
ляции, деградации мРНК, активации белка (на-
пример, путем химической модификации) и де-
градации белков.
Вопросы и задания к разделу 18.3
1. Как микро-РНК, так и миРНК — это малень-
кие, одноцепочечные РНК, которые связываются с
комплексом белков, а затем образуют пары осно-
ваний с мРНК, имеющих комплементарную после-
довательность. Это спаривание оснований приво-
дит либо к деградации мРНК, либо к блокировке
ее трансляции. В некоторых дрожжах миРНК, свя-
занные с белками в различных сочетаниях, мо-
гут снова связываться с хроматином центромеры,
активируя ферменты, которые вызывают уплот-
нение хроматина и его переход в состояние гете-
рохроматина. Как микро-РНК, так и миРНК воз-
никают из предшественников (двухцепочечных
РНК), но характеризуются едва уловимыми от-
личиями в структуре этих предшественников.
2. мРНК будет сохраняться и будет транслирова-
на на белок, способствующий делению клеток, и
клетка, вероятно, поделится. Если неповрежден-
ная микроРНК необходима для ингибирования
клеточного деления, то деление этой клетки может
быть незапланированным. Неконтролируемое де-
ление клеток может привести к образованию мно-
жества клеток (опухоли), что препятствует нор-
мальному функционированию организма и может
способствовать развитию рака.
Вопросы и задания к разделу 18.4
1. Клетки подвергаются дифференцировке во
время эмбрионального развития и становятся
различными. Таким образом, взрослый организм
состоит из многих узкоспециализированных ти-
пов клеток. 2. Путем связывания с рецептором
на поверхности принимающей клетки и вызывая
сигнальную трансдукцию, включающую внутри-
клеточные молекулы, такие как вторичные мес-
сенджеры и транскрипционные факторы, кото-
рые влияют на экспрессию генов. 3. Поскольку их
продукты, синтезированные и депонированные в
яйцеклетке матери, определяют головной и хво-
стовой отделы, а также спинную и брюшную сто-
роны зародыша (и в конечном итоге — взрослой
мухи). 4. Нижняя клетка синтезирует сигналь-
ные молекулы, поскольку кодирующий их ген ак-
тивирован, а это означает, что соответствующие
специфические факторы транскрипции прикре-
пляются к энхансеру гена. Гены, кодирующие эти
специфические факторы транскрипции, также
выражены в этой клетке, поскольку транскрипци-
онные активаторы, которые могут их включить,
были экспрессированы в предшественнике этой
клетки. Аналогичное объяснение также относит-
ся к клеткам, экспрессирующим белки рецептора.
Этот сценарий начался с конкретных цитоплазма-
тических детерминант, локализованных в опреде-
ленных областях яйца. Эти цитоплазматические
детерминанты были распределены неравномер-
но по дочерним клеткам, в результате чего клетки
идут по различным путям развития.
Вопросы и задания к разделу 18.5
1. Белок р53 дает сигнал к началу апоптоза,
когда в клетке имеется большое повреждение
ДНК, поэтому апоптоз играет защитную роль —
устраняет клетку, которая может способство-
вать раку. Если мутации в генах в пути апоптоза
блокировали апоптоз, клетки с таким поврежде-
нием будут продолжать делиться, что может
привести к образованию опухоли. 2. Когда чело-
век унаследовал онкоген или мутантный аллель
гена опухолевого супрессора. 3. Вызывающие
рак мутации в прото-онкогене обычно приводят
к гиперактивации продукта гена, в то время как
вызывающие рак мутации в гене опухолевого су-
прессора, как правило, делают продукт гена не-
функциональным.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 18.1. Как корепрессор, так и индук-
тор — это небольшие молекулы, которые связы-
ваются с белком-репрессором в опероне, в резуль-
тате чего репрессор меняет свою форму. В случае
корепрессора (например, триптофан), это изме-
нение формы позволяет репрессору связывается
с оператором, блокируя транскрипцию. И напро-
тив, индуктор вызывает отделение репрессора от
оператора, позволяя транскрипции начаться. Раз-
дел 18.2. Нет необходимости, чтобы хроматин
был плотно упакован, поскольку он должен быть
доступен для факторов транскрипции. Соответ-
ствующие специфические факторы транскрипции
(активаторы) должны связываться с элементами
управления энхансера, при этом репрессоры не
должны быть с ними связаны. ДНК должна быть
изогнута изгибающим белком, чтобы активато-
ры могли связаться с медиаторными белками и
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 647
образовать комплекс с общими факторами транс-
крипции на промоторе. Затем РНК-полимераза
должна присоединиться и начать транскрипцию.
Раздел 18.3. Микро-РНК не “кодирует” аминокис-
лоты белка — они никогда не транслируются. Ка-
ждая микро-РНК соединяется с группой белков с
образованием комплекса. Связывание этого ком-
плекса с мРНК путем комплементарной последо-
вательности вызывает деградацию мРНК или бло-
кирует ее трансляцию. Это считается регуляцией
гена, поскольку он регулирует количество опреде-
ленной мРНК, которая может быть транслирова-
на в функциональный белок. Раздел 18.4. Первый
процесс включает в себя цитоплазматические де-
терминанты, в том числе белки и мРНК, располо-
женные в определенных местах в материнской яй-
цеклетке. Клетки, которые образуются из разных
регионов яйцеклетки во время ранних клеточных
делений, будут нести в себе различные белки, ко-
торые будут направлять к исполнению различ-
ные программы экспрессии генов. Второй процесс
включает в себя клетку, отвечающую на сигналь-
ные молекулы, секретируемые соседними клетка-
ми. Пути передачи сигнала в отвечающей клетке
также приводят к различным проявлениям экс-
прессии генов. Согласование этих двух процес-
сов приводит к образованию каждой конкретной
клетки после уникального пути, проходящего раз-
вивающимся эмбрионом. Раздел 18.5. Белковый
продукт прото-онкогена, как правило, участвует
в пути, который стимулирует деление клеток. Бел-
ковый продукт гена опухолевого супрессора, как
правило, участвует в пути, который ингибирует
деление клеток.
Будет транскрибироваться только ген №4.
в) В нервных клетках должны присутство-
вать оранжевый, синий, зеленый и черный акти-
ваторы, таким образом, активируя транскрипцию
генов 1, 2 и 4. В клетках кожи должны присут-
ствовать красные, черные, фиолетовые и синие
активаторы для транскрипции генов 3 и 5.
Ответы к главе 19
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 19.2. Бейеринк мог бы заключить, что агент
был токсином, которое произвело само расте-
ние; этот токсин был в состоянии пройти через
фильтр, становясь, однако, все более и более раз-
бавленным. В этом случае Бейеринк сделал бы вы-
вод, что возбудитель не может размножаться.
Рис. 19.4
ДНК.
Капсид-
ВИРУС
Инфицирование
Вопросы в “Проверь себя!”
1. в. 2. а. 3. 6. 4. в. 5. в. 6. г. 7. а. 8. в. 9. б. 10. г.
11. а)
КЛЕТКА-ХОЗЯИН
Вирусная /WVW\9r _
Лк лааааа ^Транскрипция
Вирусная Л/
Л|_||/ АГЛАЛ
A^I'/saAAAA
Самосборке
Будут присутствовать фиолетовые, синие и
красные белки-активаторы.
МРНК АААААА
Трансляций
Белки ’XS’’»’
капсида»
648 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
Рис. 19.7. Любой вирус класса V, в том числе ви-
русы, которые вызывают грипп, корь и свинку.
Рис. 19.8. Основной белок на поверхности клетки, с
которым связывается ВИЧ, называется CD4. Тем
не менее ВИЧ также требуется “корецептор”, ко-
торым во многих случаях является белок под на-
званием CCR5. ВИЧ связывается с обоими белка-
ми, а затем захватывается в клетку. Исследователи
обнаружили эту особенность, изучая людей, ко-
торые казались устойчивым к ВИЧ-инфекции, не-
смотря на несколько контактов с зараженными.
Как оказалось, эти люди имели мутации в гене,
который кодирует CCR5 таким образом, что бе-
лок, по-видимому, не может выступать в качестве
корецептора, и поэтому ВИЧ не может проник-
нуть и инфицировать клетки.
Вопросы и задания к разделу 19.1
1. ВТМ состоит из одной молекулы РНК, окру-
женной спиральным массивом белков. Вирус
гриппа имеет восемь молекул РНК, каждая из
которых окружена спиральным массивом бел-
ков, сходных с расположением на одной молекуле
РНК в ВТМ. Еще одно различие между вирусами
заключается в том, что вирус гриппа имеет внеш-
нюю оболочку, а ВТМ — нет. 2. Т2 фаги были от-
личным выбором для использования в экспе-
рименте Херши-Чейза, потому что они состоят
только из ДНК, окруженной белковой оболоч-
кой, а ДНК и белок были двумя макромолекула-
ми-кандидатами, которые несли генетическую
информацию. Херши и Чейз смогли поставить ра-
диоактивную метку на каждый тип молекулы от-
дельно и следить за ними во время раздельно за-
пущенных инфекций в клетках Е. coli с Т2. Только
ДНК проникла в клетку бактерии во время ин-
фекции, и только меченая ДНК была обнаруже-
на в некоторых из “потомков” фага. Херши и Чейз
сделали вывод, что ДНК должна нести генетиче-
скую информацию, необходимую для фага, что-
бы перепрограммировать клетки на производство
“потомства” фагов.
Вопросы и задания к разделу 19.2
1. Литические фаги могут только осуществлять
лизис клетки-хозяина, в то время как лизогенные
фаги могут либо лизировать клетки хозяина, либо
интегрироваться в хромосому хозяина. В послед-
нем случае, вирусная ДНК (профаг) просто ре-
плицируется вместе с принимающей хромосо-
мой. При определенных условиях, профаг может
выйти из хромосомы хозяина и инициировать ли-
тический цикл. 2. Как вирусная РНК-полимераза,
так и РНК-полимераза на рис. 17.9 синтезируют мо-
лекулу РНК, комплементарную матричной нити.
Тем не менее РНК-полимераза на рис. 17.9 исполь-
зует одну из нитей двойной спирали ДНК в каче-
стве матрицы, в то время как вирусная РНК-по-
лимераза в качестве матрицы использует РНК
вирусного генома. 3. ВИЧ называется ретровирус,
так как он синтезирует ДНК с использованием его
РНК-генома в качестве шаблона. Это переверну-
тый (“ретроградный”) путь обычного информа-
ционного потока ДНК —> РНК. 4. Есть много ша-
гов, которые могут быть нарушены: связывание
вируса с клеткой, обратная функция транскрип-
тазы, интеграция в хромосому клетки-хозяина,
синтез генома (в данном случае, транскрипция
РНК из интегрированного провируса), агрегация
вирусов внутри клетки и отпочковывание вируса.
(Многие из них, если не все, являются объектами
реальных медицинских стратегий, чтобы блоки-
ровать прогресс инфекции у ВИЧ-инфицирован-
ных людей).
Вопросы и задания к разделу 19.3
1. Мутации могут привести к новому штамму
вируса, который иммунная система уже не может
эффективно побеждать, даже если животное под-
вергалось воздействию исходного штамма; ви-
рус может переходить от одного вида к новому
хозяину; редкий вирус может распространяться,
если популяция хозяина становится менее изо-
лированной. 2. В горизонтальной передаче расте-
ние инфицировано от внешнего источника виру-
са, который может проникнуть через разрыв в его
эпидермисе из-за повреждения травоядными жи-
вотными или по другим причинам. В вертикаль-
ной передаче растение наследует вирусы от своего
родителя либо через зараженные семена (поло-
вое размножение), либо через зараженные черен-
ки (бесполое размножение). 3. Люди не являются
потенциальными хозяевами ВТМ, поэтому они не
могут быть заражены этим вирусом. (ВТМ не мо-
жет связываться человеческими клетками и зара-
жать их.)
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 19.1. Вирусы обычно считаются нежи-
выми, потому что они неспособны к репликации
вне клетки-хозяина и неспособны самостоятель-
но осуществить энергопреобразующие реакции
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 649
обмена веществ. Их репликация и осуществление
обмена веществ полностью зависит от фермен-
тов и ресурсов клетки-хозяина. Раздел 19.2. Од-
ноцепочечным РНК-вирусам нужна РНК-по-
лимераза, которая может синтезировать РНК
с использованием РНК-матрицы. (Клеточная
РНК-полимераза синтезирует РНК с использо-
ванием ДНК-матрицы.) Ретровирусам нужна об-
ратная транскриптаза, чтобы синтезировать ДНК
с помощью РНК-матрицы. (После того, как пер-
вая цепь ДНК была синтезирована, этот же фер-
мент может способствовать синтезу второй цепи
ДНК.) Раздел 19.3. Частота мутаций у РНК-со-
держащих вирусов выше, чем у ДНК-содержащих,
так как РНК-полимераза не может сама прове-
рять и исправлять ошибки в репликации, как это
происходит в случае ДНК. Их более высокая ча-
стота мутаций означает, что РНК-содержащие ви-
русы изменяются быстрее, чем ДНК-вирусы, это
приводит к их способности изменять круг хозяев
и избегать воздействия иммунной защиты в воз-
можных хозяевах.
Вопросы в “Проверь себя!”
1. в. 2. г. 3. в. 4. в. 5. б. 6. Как показано ниже,
вирусный геном будет напрямую транслирован
в белки капсида и гликопротеины оболочки, а
не после создания копии комплементарной РНК.
Комплементарная цепь РНК будет по-прежнему
синтезироваться, однако ее можно будет исполь-
зовать в качестве шаблона для многих новых
копий вирусного генома.
Ответы к главе 20
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 20.6.
IAAGCTTI Hind/„ У_________ + 5[AGCTT1
|ТТС G А АI - |ТТС G А~| [А]
3' 5' 3' 5' 3' 5'
Рис. 20.14. Кроссинговер, приводящий к реком-
бинации, является случайным событием. Веро-
ятность кроссинговера между двумя локусами
увеличивается по мере увеличения расстояния
между ними. Однонуклеотидный полиморфизм
(SNP) расположен очень близко к алеллю неиз-
вестной болезни и, следовательно, кроссинговер
редко происходит между SNP и этим аллелем, по-
этому SNP является генетическим маркером, ука-
зывающим на присутствие конкретного аллеля.
Рис. 20.16. Ни одна из яйцеклеток с трансплантиро-
ванными ядрами из четырех зародышевых клеток
в верхнем левом углу не развилась бы в головасти-
ка. Кроме того, в результате только некоторые из
тканей головастика могли бы появиться, они мог-
ли варьироваться в зависимости от того, какое из
ядер трансплантировали. (Это предполагает, что
есть какой-то способ различить эти четыре клет-
ки друг от друга, как это можно наблюдать у не-
которых видов лягушек.) Рис. 20.21. Использование
преобразованных плюрипотентных клеток не бу-
дет сопровождаться тем же риском, что является
основным преимуществом этого метода. Посколь-
ку клетки-доноры будут исходить от пациента,
они будут отлично “подобраны”. Иммунная си-
стема пациента признает их как “свои” клетки и
не атакует их (что привело бы к их отторжению).
С другой стороны, есть риск того, что быстро де-
лящиеся клетки могут образовать некоторые типы
опухолей или способствовать развитию рака.
Вопросы и задания к разделу 20.1
1. Ковалентные сахарофосфатные связи цепей
ДНК
2. Да, Pvul будет разрезать молекулу.
5'______________________3'
| CCTTGACGATCGTTACCG~~|
| GGAACTGCTAGCAATGGC |
3> IPvul 5’
5'__________3' т 5'__________________3'
| CCTTGACGATI | CGTTACCG]
|GGAACTGG] + | TAGCAATGGC |
3' 5' 3' 5'
650 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
3. Некоторые человеческие гены слишком ве-
лики для того, чтобы быть включенными в бак-
териальную плазмиду. Бактериальные клетки не
имеют возможности перевода РНК-транскриптов
в мРНК, и, даже если избежать потребность в пе-
реводе РНК, используя кДНК, бактерии не хватит
ферментов, чтобы катализировать посттрансля-
ционную обработку, которая требуется многим
белкам человека для правильного функциониро-
вания. 4. Во время репликации концов линейных
молекул ДНК (рис. 16.20) РНК-праймер использу-
ется в 5'-конце каждой новой нити. РНК должна
быть заменена нуклеотидами ДНК, но ДНК-по-
лимераза не способна начать с нуля на 5'-конце
новой нити ДНК. ПЦР-праймеры уже выполне-
ны из нуклеотидов ДНК, так что они не долж-
ны заменяться, они просто остаются в рамках ка-
ждой новой нити. Таким образом, нет никаких
проблем с окончанием репликации в процессе
ПЦР, и фрагменты не укорачиваются с каждым
новым циклом.
Вопросы и задания к разделу 20.2
1. В ОТ-ПЦР праймеры должны связываться с
основаниями их целевых последовательностей в
смеси ДНК, распознавая один специфичный сайт
среди многих. При анализе микрочипов ДНК ме-
ченый зонд связывается только с конкретной це-
левой последовательностью вследствие компле-
ментарной гибридизации нуклеиновых кислот
(ДНК-ДНК гибридизация). 2. Как исследователь,
заинтересованный в изучении процессов разви-
тия рака, вы бы захотели изучить гены, представ-
ленные зеленым или красным цветом, потому что
их уровень экспрессии различается между двумя
типами тканей. Некоторые из этих генов могут
быть экспрессированы по-разному из-за заболе-
вания раком, в то время как другие могут играть
определенную роль в развитии рака, поэтому оба
гена — объекты научного интереса.
Вопросы и задания к разделу 20.3
1. Несомненно, модификация хроматина в
ядре кишечной клетки меньше походит на тако-
вую в ядре оплодотворенной яйцеклетки, — это
объясняет, почему намного меньше таких ядер
могут быть перепрограммированы. В противо-
положность этому, хроматин в ядре из клетки
на стадии четырех клеток был бы гораздо боль-
ше похож на хроматин в ядре оплодотворенной
яйцеклетки и, следовательно, его гораздо легче
запрограммировать на прямое развитие. 2. Нет,
в первую очередь из-за тонких (и, возможно, не
столь тонких) различий в их среде. 3. Клетка мор-
кови имеет гораздо больший потенциал. Экспе-
римент по клонированию показывает, что всего
одна клетка моркови может генерировать все тка-
ни взрослого растения. Мышечная клетка, напро-
тив, всегда будет оставаться мышечной клеткой
из-за своей генетической программы (она экс-
прессирует ген myoD, что обеспечивает непре-
рывное дифференцирование). Мышечная клетка
сходна с другими полностью дифференцирован-
ными клетками животных: она будет по-преж-
нему полностью дифференцировать саму себя,
используя имеющиеся для этого ресурсы, до тех
пор, пока не будет искусственно перепрограмми-
рована в клетки иПС с использованием новой ме-
тодики, описанной здесь. (Это было бы доволь-
но трудно сделать, потому что мышечная клетка
имеет несколько ядер.)
Вопросы и задания к разделу 20.4
1. Стволовые клетки продолжают воспроизво-
дить себя, гарантируя, что корректирующий ген-
ный продукт по-прежнему будет производить-
ся. 2. Сопротивление гербицидам, устойчивость
к вредителям, болезням, засоленности, засухе, а
также отложенное созревание. 3. Поскольку ге-
патит А является РНК-вирусом, вы могли бы
выделить РНК из крови и попытаться обнару-
жить копии РНК гепатита А используя ОТ-ПЦР,
вы бы сначала произвели обратную транскрип-
цию мРНК крови в кДНК, а затем использовали
ПЦР для амплификации кДНК с использовани-
ем праймеров, специфичных для последователь-
ностей гепатита А. Если вы после этого разгоните
продукты на электрофоретическом геле, присут-
ствие полосы нужного размера будет поддержи-
вать вашу гипотезу.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 20.1. Как плазмидный вектор, так и
источник чужеродной ДНК для клонирования
вырезаются одинаковым ферментом рестрик-
ции, генерирующим рестрикционные фрагменты
с липкими концами. Эти фрагменты смешивают
друг с другом, лигируют, и вновь вводят в бак-
териальные клетки. Плазмида имеет ген устой-
чивости к антибиотику. Этот антибиотик до-
бавляется в клетки-хозяева, и только те клетки,
которые приняли плазмиды, будут расти. (Другой
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 651
метод позволяет исследователям выбрать толь-
ко те клетки, которые имеют рекомбинантную, а
не исходную плазмиду без введенного гена.) Раз-
дел 20.2. Гены, которые экспрессируются в дан-
ной ткани или типе клеток определяют белки (и
некодирующие РНК) которые являются основой
структуры и функции этой ткани или типа клеток.
Понимание того, какие группы взаимодействую-
щих генов определяют конкретные структуры и
обеспечивают определенные функции, поможет
нам узнать, как части организма работают вме-
сте — это помогает лечить заболевания, которые
возникают, когда неисправная экспрессия гена
приводит к неправильно работающей ткани. Раз-
дел 20.3. Клонирование мыши включает пересад-
ку ядра из дифференцированной клетки мыши в
яйцеклетку мыши, у которой собственное ядро
было удалено. Оплодотворение яйцеклетки и ее
развитие в эмбрион в организме суррогатной ма-
тери приводит к рождению мыши, генетически
идентичной той, которая стала донором ядра.
В этом случае дифференцированное ядро было
перепрограммировано факторами в цитоплазме
яйцеклетки. ЭС клетки мыши генерируются из
внутренних клеток в бластоцисте мыши, так что
в данном случае клетки “естественным образом”
перепрограммированы за счет процесса воспро-
изводства и развития. (Клонированные эмбрио-
ны мыши также могут быть использованы в ка-
честве источника ЭС клеток.) ИПс клетки могут
быть получены без использования эмбрионов из
дифференцированной клетки взрослой мыши пу-
тем добавления определенных факторов транс-
крипции в клетку. В этом случае, факторы транс-
крипции перепрограммируют клетки, чтобы они
стали плюрипотентными. Раздел 20.4. Во-первых,
болезнь должна быть вызвана одним геном, и мо-
лекулярная основа этой проблемы должна быть
понята. Во-вторых, клетки, которые будут введе-
ны в организм пациента, должны быть такими,
которые могут интегрировать в ткани тела и про-
должать размножаться (и обеспечить синтез не-
обходимого продукта гена). В-третьих, этот ген
должен быть введен в клетки безопасным спосо-
бом, так как были случаи рака в результате не-
которых испытаний генной терапии. (Обратите
внимание, что это потребует тестирования про-
цедуры у мышей; кроме того, факторы, определя-
ющие безопасный вектор, еще не до конца поня-
ты. Может быть, кто-то из вас решит эту задачу в
будущем!)
Вопросы в “Проверь себя!”
1. г. 2. б. 3. в. 4. б. 5. в. 6. б. а. 8. б. 9. Вы бы
использовали ПЦР для амплификации гена. Это
может быть сделано из геномной ДНК. В качестве
альтернативы мРНК может быть выделена из
клеток хрусталика и транскрибирована обратно с
помощью обратной транскриптазы для получения
кДНК. Эта кДНК затем может быть использована
для проведения ПЦР.
10.
________________*______3'
GААТТСТАAAGCGCT TATGAATTC
CTTAAGATTTCGCGAATACTTAAG
(Г) Вырежьте ДНК
трубкозуба
с помощью
фермента
рестрикции
____3‘ 5‘____________________3' 5'______
ATG| | AATTCTAAAGCGCTTATG~| | ААТТСА
ТАСТТААI | gatttcgcgaatactta/TI [~gF
5' 3' 5' 3'
Q) Смешайте и ---------------------
добавьте лигазу
(2) Вырежьте
плазмиду
с помощью
этого же
фермента
Ответы к главе 21
Вопросы в иллюстрациях
Рис. 21.2. На стадии 2 этого рисунка порядок
фрагментов по отношению друг к другу не изве-
стен и будет определен позже с помощью компью-
тера. Рис 21.8. Транспозоны будут вырезаны из ДНК
на прежнем месте, а не скопированы, поэтому на
рисунке будет показан первоначальный участок
ДНК без транспозона после того, как мобильный
транспозон был вырезан. Рис. 21.10. РНК-транс-
крипты, отходящие от ДНК в каждой единице
транскрипции, короче слева и длиннее справа.
Это означает, что РНК-полимераза должна начать
с левого конца и двигаться вправо.
Рис. 21.13. Точка
652 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
Рис. 21.14. Псевдогены нефункциональны. Они
могли возникнуть в результате любых мутаций во
второй копии, которые привели к тому, что про-
дукт гена стал нефункциональным. Примерами
могут служить базовые изменения, которые вво-
дят стоп-кодоны в последовательности, изменяют
аминокислоты, или изменяют область промото-
ра гена таким образом, что ген больше не может
быть экпрессирован. На рис. 21.15 в положении 5
есть R (аргинин) в лизоциме и К (лизин) в а-лак-
тальбумине; обе эти аминокислоты основные.
В положении 16 есть G (глутаминовая кислота)
в лизоциме и D (аспарагиновая кислота) в а-лак-
тальбумине; обе они кислые. Рис. 21.16. Допустим,
что перемещаемый элемент (ПЭ) существовал в
интроне слева от указанного EGF-экзона в гене
EGF, и тот же ПЭ присутствовал в интроне справа
от указанного F-экзона в гене фибронектина. Во
время рекомбинации в мейозе эти ПЭ могут при-
вести к неправильному спариванию несестрин-
ских хроматид на паре гомологичных хромосом,
как показано на рис. 21.13. Один ген может закан-
чиваться F-экзоном рядом с EGF-экзоном. Даль-
нейшие ошибки в спаривании на протяжении
многих поколений могут привести эти два экзо-
на к тому, что они будут отделены от остальной
части гена и помещены рядом с одиночным или
дублированным К-экзоном. В целом, наличие по-
вторяющихся последовательностей в интронах и
между генами облегчает эти процессы, так как это
позволяет случаться неправильному спариванию
несестринских хроматид, что приводит к новым
комбинациям экзонов. Рис. 21.18. Поскольку вы зна-
ете, что, в отличие от людей, шимпанзе не гово-
рят, вы, вероятно, захотите узнать, сколько ами-
нокислотных различий существует между FOXP2
белком дикого типа человека и шимпанзе, и влия-
ют ли эти различия на функцию белка. (Как мы
объясним позже в тексте, есть два отличия ами-
нокислот.) Вы знаете, что у людей с мутациями
в этом гене наблюдается значительное ухудше-
ние речи. Вы захотели бы узнать больше об этих
мутациях и проверить, влияют ли они на те ами-
нокислоты в продукте гена, которые содержат-
ся в последовательности этого белка у шимпанзе.
Если это так, то именно эти аминокислоты мо-
гут играть важную роль в функции белка в речи.
Продолжая исследование, вы могли бы проанали-
зировать различия между белками FOXP2 шим-
панзе и мыши. Вы могли бы задаться вопросом:
у них больше сходства, чем у белков шимпанзе и
человека? (Оказывается, что у шимпанзе и мыши
белки имеют разницу только в одной аминокис-
лоте и, таким образом, более схожи, чем белки
шимпанзе и человека, которые различаются дву-
мя аминокислотами. Между белками мыши и че-
ловека разница составляет три аминокислоты.)
Вопросы и задания к разделу 21.1
1. В полногеномном шот-гане короткие фраг-
менты генерируются путем разрезания генома
с помощью нескольких ферментов рестрикции.
Эти фрагменты клонируют и секвенируют, а за-
тем компьютерные программы идентифицируют
в них перекрывающиеся области (рис. 21.2).
Вопросы и задания к разделу 21.2
1. Интернет позволяет сделать доступны-
ми централизованную базу данных, такую как
GenBank, и пользоваться программными ресур-
сами, такими как BLAST. Наличие всех данных
в центральной базе, легко доступной в Интерне-
те, сводит к минимуму возможность ошибок и
потребность в специалистах, работающих с раз-
личными типами данных. Это упрощает научный
процесс, так как все исследователи могут исполь-
зовать одно и то же программное обеспечение, а
не каждый из них — различное (возможно, соб-
ственной разработки). Интернет ускоряет распро-
странение данных и обеспечивает своевременное
исправление ошибок в максимально возможной
степени. Это лишь несколько возможных отве-
тов — вы, вероятно, придумаете больше. 2. Рак
является заболеванием, вызываемым нескольки-
ми факторами. Для того, чтобы сосредоточиться
на одном гене или одном дефекте, необходимо иг-
норировать другие факторы, которые могут по-
влиять на развитие рака и даже на поведение од-
ного изучаемого гена. В то же время системный
подход скорее приведет к пониманию причин и
выбору наилучшей стратегии для лечения рака,
так как он принимает во внимание множество
факторов. 3. Некоторые из транскрибируемых
регионов приходятся на интроны. Остальные
транскрибируются в некодирующие РНК, в том
числе малые РНК, такие как микро-РНК или миР-
НК. Эти РНК помогают регулировать экспрессию
генов, блокируя трансляцию, вызывая деграда-
цию мРНК, связываясь с промотором и подавляя
транскрипцию, или же вызывая ремоделирование
структуры хроматина. Более длинные некодирую-
щие РНК могут также способствовать регуляции
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 653
генов или хроматина. 4. В исследованиях полиге-
номных ассоциаций используют системный био-
логический подход — рассчитывают корреляцию
многих единичных нуклеотидных полиморфиз-
мов (SNP) с определенными заболеваниями, таки-
ми как болезни сердца и диабет, в попытке найти
образцы SNP, которые коррелируют с каждым из
этих заболеваний.
Вопросы и задания к разделу 21.3
1. Альтернативный сплайсинг РНК-транскрип-
тов из гена и посттрансляционная обработка по-
липептидов. 2. Общее количество завершен-
ных геномов можно узнать, нажав на “Complete
Projects” (“Завершенные проекты”); количество
завершенных геномов для каждого домена указа-
но в верхней части этой страницы. Число геномов
“In Progress” (“В работе”) включено в “Incomplete
Projects” (“Незавершенные проекты”), — нажмите
на эту ссылку, чтобы увидеть количество непол-
ных геномов (с разбивкой по доменам). Вы также
можете увидеть классификацию геномов по ссыл-
ке “In Progress” (“В работе”). Примечание: вы мо-
жете щелкнуть на колонке “Size” (“Размер”), и та-
блица будет отсортирована по размеру генома.
Прокрутите вниз, чтобы получить представление
об относительных размерах геномов в трех доме-
нах. Следует помнить, что большинство секве-
нированных геномов — бактериальные. 3. Про-
кариоты, как правило, меньше по размеру, чем
эукариотических клетки; прокариоты размножа-
ются путем простого деления. Эволюционный
процесс, наблюдающийся у наиболее быстро раз-
множающихся клеток — это естественный отбор:
чем быстрее они могут реплицировать ДНК и по-
делиться, тем больше вероятность, что они смогут
доминировать над популяцией прокариот, и, чем
меньше ДНК они должны реплицировать, тем бы-
стрее они будут размножаться.
Вопросы и задания к разделу 21.4
1. У млекопитающих выше число генов и боль-
ше некодирующей ДНК. Кроме того, наличие ин-
тронов в генах млекопитающих делает их в сред-
нем больше, чем гены прокариот. 2. В механизме
копирования и вставки транспозонов, а также в
ретротранспозиции. 3. В семействе генов рРНК
транскрипционные единицы, идентичные для
всех трех различных продуктов РНК и присут-
ствующие в длинных матрицах, повторяются одна
за другой. Большое количество копий генов рРНК
позволяют организмам производить рРНК для
достаточного количества рибосом, чтобы актив-
но синтезировать белок, а один транскрипцион-
ный блок для трех рРНК гарантирует, что отно-
сительное количество произведенных различных
рРНК молекул верно, — каждый раз после синте-
за одной рРНК синтезируются две других. Вместо
многочисленных идентичных блоков, каждый из
генов семейства глобина состоит из относительно
небольшого числа неидентичных генов. Различия
в глобиновых белках, кодируемых этими генами,
приводят к синтезу молекул гемоглобина, адапти-
рованных к конкретным стадиям развития орга-
низма. 4. Экзоны будут классифицироваться как
экзоны (1,5%); область энхансера, содержащая
дистальные элементы, область ближе к промото-
ру, содержащая проксимальные элементы, и сам
промотор будут классифицироваться как регуля-
торные последовательности (5%); интроны будут
классифицироваться как интроны (20%).
Вопросы и задания к разделу 21.5
1. Если мейоз прошел неверно, две копии все-
го генома могут в итоге оказаться в одной клетке.
Ошибки в кроссинговере во время мейоза могут
привести к тому, что один сегмент дублируется,
а другой удаляется. Во время репликации ДНК
шаг назад вдоль матричной цепи может приве-
сти к дублированию сегмента. 2. Для любого гена
ошибка в кроссинговере во время мейоза могла
произойти между двумя копиями этого гена, та-
ким образом, что один оказался с дублированным
экзоном. (На конце другой копии экзона бы не
было.) Это могло произойти несколько раз, в ре-
зультате чего возникли бы нескольких копий кон-
кретного экзона в каждом гене. 3. Гомологичные
заменяемые элементы, разбросанные по всему ге-
ному, формируют участки, где рекомбинация мо-
жет происходить между различными хромосома-
ми. Перемещение этих элементов в кодирующие
или регуляторные последовательности может из-
менить экспрессию генов. Заменяемые элементы
могут также нести с собой гены, что приводит к
дисперсии генов, а в некоторых случаях и к раз-
личным паттернам экспрессии. Транспортировка
экзона во время транспозиции и его вставки в ген
может добавить новый функциональный домен к
первоначально кодируемому белку, этот процесс
происходит по типу перетасовки экзонов. (Любое
из этих изменений, чтобы стать наследственным,
должно происходить в зародышевых клетках, т.е.
654 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
клетках, дающих гаметы.) 4. Поскольку больше
потомства рождаются у женщин, которые имеют
эту инверсию, она должна обеспечивать некото-
рое преимущество в процессе воспроизводства
и развития. Поскольку пропорционально больше
потомства имеют эту инверсию, мы ожидаем, что
она сохранится и распространится в популяции.
(Действительно, исследование доказало, что она
растет пропорционально численности населения.
Вы узнаете больше о популяционной генетике в
следующем блоке.)
Вопросы и задания к разделу 21.6
1. И люди, и макаки — приматы, поэтому
вполне ожидаемо, что их геномы будут более схо-
жими, чем геномы макаки и мыши. Ветвь мышей
отошла от ветви приматов до того, как разошлись
ветви человека и макаки. 2. Гомеозисные гены
различаются по своим не-гомеобоксным после-
довательностям, которые определяют взаимодей-
ствия гомеозисных генных продуктов с другими
факторами транскрипции и, следовательно, опре-
деляют, какие гены регулируются гомеозисными
генами. Эти не-гомеобоксные последовательно-
сти отличаются в двух организмах точно так же,
как и паттерны экспрессии гомеобоксных генов.
3. По какой-то причине в геноме человека А/н-эле-
менты должны претерпевать транспозиции более
активно. Увеличение их числа, возможно, затем
приводит к большему количеству ошибок реком-
бинации в геноме человека, что приводит к боль-
шему количеству дупликаций или к различным
дупликациям. Расхождение структуры и содержа-
ния двух геномов предположительно сделало хро-
мосомы каждого генома менее гомологичными
таковым другого генома, тем самым ускоряя рас-
хождение двух видов за счет спаривания, все реже
приводящего к размножению потомства.
Вопросы в “Обзоре главы”
Раздел 21.1. Одним из направлений проек-
та генома человека было улучшение технологии
секвенирования для ускорения процесса. В ходе
проекта многие достижения в области технологии
секвенирования позволили ускорить реакции, ко-
торые, следовательно, были менее затратными.
Раздел 21.2. Наиболее важный результат исследо-
вания — это расшифровка более 75% генома че-
ловека, — по крайней мере, в одном из изучен-
ных типов клеток. Кроме того, по крайней мере,
80% генома содержит элемент, который является
функциональным, он участвует в регуляции ге-
нов или поддержании структуры хроматина.
Проект был расширен за счет включения других
видов для дальнейшего изучения функций этих
расшифрованных элементов ДНК. Необходимо
проводить этот вид анализа на геномах видов, ко-
торые могут быть использованы в лабораторных
экспериментах. Раздел 21.3. а) В целом бактерии
и археи имеют меньшие геномы, меньшее коли-
чество генов, и более высокую плотность генно-
го материала, чем гены эукариот, б) Среди эукари-
от нет очевидной систематической взаимосвязи
между размером генома и фенотипом. Число ге-
нов зачастую ниже, чем можно было бы ожидать
от размера генома, другими словами, плотность
генов часто ниже в более крупных геномах (при-
мер — люди). Раздел 21.4. Взаимозаменяемые по-
следовательности, связанные с элементами, мо-
гут перемещаться с места на место в геноме, и
подмножество этих последовательностей делают
новую самокопию при перемещении. Таким об-
разом, не удивительно, что они составляют зна-
чительную часть генома, и этот процент ожидае-
мо возрастает в течение эволюционного времени.
Раздел 21.5. Хромосомные перестройки в преде-
лах одного вида приводят к возникновению осо-
бей с отличающимися хромосомными последо-
вательностями. Каждая из этих особей способна
к мейозу и производству гамет, и оплодотворе-
ние с участием гаметы с отличающимися хромо-
сомными последовательностями может привести
к образованию жизнеспособного потомства. Тем
не менее во время мейоза у потомства материн-
ская и отцовская хромосомы могут быть не в со-
стоянии спариваться, образуя гаметы с неполны-
ми наборами хромосом. Чаще всего, когда зиготы
образуются из таких половых клеток, они не вы-
живают. В конце концов, новый вид может обра-
зоваться, если две отличающиеся хромосомные
последовательности стали распространенными
в популяции и отдельные особи могут успешно
спариваться только с такими же особями (несу-
щими ту же отличающуюся хромосомную после-
довательность). Раздел 21.6. Сравнение геномов
двух близкородственных видов может раскрыть
информацию о более поздних эволюционных со-
бытиях: возможно, тех событиях, которые приве-
ли к возникновению отличительных характери-
стик этих двух видов. Сравнение геномов далеко
родственных видов могут рассказать нам об эво-
люционных событиях, которые произошли очень
ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы 655
давно. Например, общие гены, которые найдены
у двух далеко родственных видов, должны были
возникнуть прежде, чем эти два вида разошлись.
Вопросы в “Проверь себя!”
1.6.2. а. 3. в.
4* 1. ATETI ... PKSSD . .. TSSTT ... ,NARRD
2. ATETI ... PKS<j . ..TS® ... ^ARRD
3. ATETI ... PKSSD . ..TSSTT ... ,NARRD
4. ATETI ... PKSSD . ..TSSNT ... SARRD
5. ATETI ... PKSSD . ..TSSTT ... NARRD
6. VTETI ... PKSSD . ..TSSTT ... NARRD
а) Строки 1, 3, и 5 — виды C, G, R. 6) Стро-
ка 4 — последовательность генома человека.
См. на рисунке выше различия между человече-
ской последовательностью и видами С, G, R —
подчеркнутые обозначают замену Т у видов С, G
и R на N у человека и замену S у видов С, G и R
на Н у человека, в) Строка 6 представляет собой
последовательность орангутана, г) См. рисунок
выше. Существует одна замена между аминокис-
лотой мыши (Е в кружке в строке 2) и видами С, G
и R (у которых в этом положении стоит D). Суще-
ствуют три различия аминокислот между мышью
и человеком. (Обведенные прямоугольником Е, Т
и N в последовательности мыши заменены на D,
N и S соответственно в человеческой последова-
тельности.) Э) Потому что только одна аминокис-
лотная замена возникла в течение 60-100 миллио-
нов лет (когда происходило расхождение мыши и
видов С, G и R), и удивительно, что еще две ами-
нокислотные замены случились в течение всего
6 миллионов лет, когда разошлись ветви шимпан-
зе и людей. Это указывает на то, что ген FOXP2
эволюционирует у человека быстрее, чем у других
приматов.
656 ПРИЛОЖЕНИЕ А Ответы
ПРИЛОЖЕНИЕ
Сравнение светового
и электронного микроскопов
Световой микроскоп
В световом микроскопе свет фокусируется на
образце с помощью стеклянной линзы конден-
сора; затем изображение увеличивается линзой
объектива и линзой окуляра и проецируется на
детектор: глаз, цифровую фото-/ видеокамеру или
фотопленку.
Электронный микроскоп
В электронном микроскопе вместо света ис-
пользуется пучок электронов (показан в верхней
части микроскопа), а электромагниты — вместо
стеклянных линз. Пучок электронов фокусируется
на образце с помощью линзы конденсора; изобра-
жение увеличивается линзой объектива и линзой
проектора, и проецируется на цифровой детектор,
флуоресцентный экран или фотопленку.
Источник электронов
Глаз
Бинокуляр
- Финальное изображение
на цифровом детекторе,
флуоресцентном экране
или фотопленке
Линза конденсора
Образец
Линза объектива
Промежуточное изображение
Линза проектора
приложение В Классификация форм жизни
На иллюстрациях ниже приведена таксоно-
мическая классификация основных современ-
ных групп организмов, упомянутых в тексте; в
данную классификацию включены не все типы.
Представленная классификация основывается на
трехдоменной системе, в которой две основные
группы прокариот — бактерии и археи — выделе-
ны в отдельные домены (а эукариоты составляют
третий домен).
ДОМЕН АРХЕИ (ARCHAEA)
ДОМЕН ЭУКАРИОТЫ (EUCARYOTA)
• Корархеоты (Korarchaeota)
• Эвриархеоты (Euryarchaeota)
• Кренархеоты (Crenarchaeota)
• Наноархеоты (Nanoarchaeota)
В филогенетической модели, рассмотренной в главе 28, основные клады эука-
риот объединены в четыре “супергруппы”, которые в перечне ниже выделены
жирным шрифтом. Раньше всех одноклеточных эукариот, которые называют-
ся простейшими, относили к царству Protista. Однако благодаря достижениям
в области систематики стало ясно, что некоторые простейшие более родствен-
ны растениям, грибам или животным, чем иным простейшим. Как следствие,
объединение простейших в единое царство потеряло смысл.
ДОМЕН БАКТЕРИИ (BACTERIA)
• Протеобактерии (Proteobacteria)
• Хламидии (Chlamydiae)
• Спирохеты (Spirochaetes)
• Грамположительные бактерии
• Цианобактерии (Cyanobacteria)
Экскаваты (Excavata)
(• Дипломонады
(Diplomonadida)
• Parabasala
• Эвгленозои (Euglenozoa)
Кинетопластиды
(Kinetoplastida)
Эвгленовые (Euglenophyta)
Супергруппа SAR
• Страменопилы
(Stramenopila)
Золотистые водоросли
(Chrysophyta)
Бурые водоросли
(Phaeophyta)
Диатомовые водоросли
(Bacillariophyta)
• Альвеоляты (Alveolata)
Динофлагелляты
(Dinoflagellata)
Споровики (Apicomplexa)
Инфузории (Ciliophora)
• Ризарии (Rhizaria)
Радиолярии (Radiolaria)
Фораминиферы
(Foraminifera)
Церкозои (Cercozoa)
Архепластиды (Archaeplastida)
• Красные водоросли (Rhodophyta)
• Зеленые водоросли (Chlorophyta)
• Харовые водоросли (Charophyta)
• Растения (Plantae)
Отдел Печеночные мхи
(Hepatophyta)
Отдел Моховидные (Bryophyta) г
Отдел Антоцеротовидные
(А п thoce rophy ta)
Отдел Плауновидные
(Lycopodiophyta)
Отдел Папоротниковидные
(Monilophyta-, папоротники,
хвощи, псилотовые)
Отдел Гинкговидные
(Ginkgophyta)
Отдел Саговниковидные
(Cycadophyta)
Отдел Гнетовидные
(Gnetophyta)
Отдел Хвойные
(Coniferophyta)
Отдел Цветковые
(Anthophyta)
X
X
о
X
о
X
к
S
о
S
X
X
2
о
о
с
ПРИЛОЖЕНИЕ
Графики
Графики позволяют визуально представить
численные данные. Они помогают выявить тен-
денции и закономерности, которые непросто за-
метить в таблице. Графики — это такие диа-
граммы, которые изображают зависимость (или
отсутствие зависимости) одной переменной,
представленной набором данных, от другой. Если
одна из переменных зависит от другой, зависимая
переменная обычно изображается по оси ординат,
а независимая — по оси абсцисс. В биологических
исследованиях часто используются такие виды гра-
фиков, как точечные диаграммы, линейные гра-
фики, столбчатые диаграммы и гистограммы.
Точечные диаграммы используются в том
случае, когда данные для всех переменных чис-
ленные и непрерывные. Каждое наблюдение
изображается точкой. На линейных графиках
каждая точка соединена со следующей прямой ли-
нией, как показано на графике ниже.
(Чтобы потренироваться в построении и ин-
терпретации таких графиков — см. рубрику “Раз-
виваем исследовательские навыки” в главах 2, 3, 7,
8, 10, 13 и 19).
Точечная диаграмма: линейный график
Зависимая
переменная
отложена по
вертикальной оси
(также называется
осью у).
В подписях осей
указаны названия
переменных
отложенных на этих
осях.
Каждая ось разбита
на равные интервалы
с помощью засечек
с номерами.
Каждое значение представлено на графике точкой. Коорди-
ната точки на горизонтальной оси соответствует значению
независимой переменной, а по вертикальной оси—значе-
нию зависимой переменной.
Независимая переменная
отложена по горизонтальной
оси (также называется осью х).
Значения на каждой из осей
покрывают весь диапазон
нанесённых на график данных.
На один график можно нанести точки из двух
или более наборов данных, чтобы показать, как
две зависимые переменные зависят от одной не-
зависимой переменной.
(Чтобы потренироваться в построении и ана-
лизе графиков с двумя и более наборами данных,
см. рубрику “Развиваем исследовательские навы-
ки” в главе 7).
Точечная диаграмма: два набора даных
Нанесённые наборы данных подписаны на графике
Если второй набор данных
характеризуется другой
зависимой переменной или
она измеряется в других
единицах, ее можно отложить
по правой вертикальной оси.
Поскольку независимая
переменная для обоих
наборов данных — одна
и та же, для построения
графика используется
только одна горизонталь-
ная ось.
Иногда на точечных диаграммах через все на-
несенные данные проводится прямая или кривая,
которая отражает общие закономерности в дан-
ных. Прямая, наиболее точно отражающая эти
закономерности, называется линией регрессии.
В иных случаях математическая функция, кото-
рая наилучшим образом описывает данные, пред-
ставляет собой кривую линию и называется ре-
грессионной кривой.
(Чтобы потренироваться в построении и ин-
терпретации линий регресссии, см. рубрику “Раз-
виваем исследовательские навыки” в главах 3 и 10.)
Точечная диаграмма: линия регрессии
Зависимая
переменная
Независимая
переменная
Линия регрессии может быть
представлена в виде математи-
ческого уравнения. Это позволяет
предсказать значение зависимой
переменной для любого значения
независимой переменной в пре-
делах диапазона представленных
данных, и, реже—для значений,
выходящих за эти пределы.
660 ПРИЛОЖЕНИЕ Г Графики
Столбчатая диаграмма — это такая разновид-
ность графика, в которой независимая перемен-
ная представляет собой определенные группы
или нечисловые категории, а значения одной или
нескольких зависимых переменных изображены
столбцами.
(Чтобы потренироваться в построении и ин-
терпретации столбчатых диаграмм, см. рубрику
“Развиваем исследовательские навыки” в главах 1,
9, 18 и 20.)
Столбчатая диаграмма
Как и на линейном
графике или точеч-
ной диаграмме,
по вертикальной оси
обычно отложена
зависимая
переменная.
Ось зависимой пере-
менной подписана
и разделена на равные
интервалы пронумеро-
ванными отметками.
Каждая часть данных представлена в виде столб-
ца. высота которого соответствует значению зави-
симой переменной
Invaded Невозделанная Стерилизо- Стерилизо^
ванная ванная
возделанная невозде-
_ данная
Тип почвы
Если на одной диаграмме изоб-
ражены несколько наборов
данных, то соответствующие им
столбцы отличаются по цвету
или стилю, и подписаны на диа-
грамме, либо в легенде.
Группы или категории для не-
зависимой переменной обычно
распределены равномерно
вдоль горизонтальной оси.
(Бывают и такие столбчатые
диаграммы, где зависимая
переменная отложена по го-
ризонтальной оси, а незави-
симая — по вертикальной)
Один из вариантов столбчатой диаграммы, ко-
торый называется гистограммой, можно постро-
ить для числовых данных, предварительно сгруп-
пировав, или “упаковав” значения переменной по
оси абсцисс в интервалы равной длины. Такие ин-
тервалы могут быть целыми числами или диапа-
зонами чисел. На приведенной гистограмме длина
Гистограмма
интервала равна 25 мг/дл. Высота каждого столб-
ца отражает процент (или число) объектов в экс-
перименте, которые попадают в соответствую-
щий интервал на оси х.
(Чтобы потренироваться в построении и ана-
лизе гистограмм, см. рубрику “Развиваем исследо-
вательские навыки” в главах 12 и 14.)
Высота столбца показывает процент людей (около 4%),
чей уровнь холестерола в плазме крови попадает в данный
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Графики 66И
Терминология научного исследования
Принципы научного подхода подробно рас-
смотрены в разделе 1.3 главы 1.
Исследование — поиск информации и объ-
яснений, часто сфокусированных на конкретном
вопросе.
Данные — зарегистрированные наблюдения.
Индуктивный метод — логический метод,
при котором обобщения делаются на основе мно-
жества частных наблюдений.
Дедуктивный метод — логический метод, при
котором частные выводы делаются на основании
общих предпосылок.
Модель — физическое или концептуальное
представление природного явления.
Теория — объяснение, данное для широко-
го спектра явлений и подтвержденное значитель-
ным множеством доказательств, на основе кото-
рого формулируются новые гипотезы.
Гипотеза — объяснение, требующее проверки,
данное для некоторого множества наблюдений на
основании доступных данных и с использовани-
ем индуктивного метода. Гипотеза объясняет яв-
ления более частного порядка, чем теория.
Предсказание — прогноз при дедуктивном
анализе, который логически следует из гипоте-
зы. Путем проверки предсказаний в эксперименте
можно отвергнуть некоторые гипотезы.
Переменная — фактор, изменяющийся в экс-
перименте или в другом опыте.
Независимая переменная — переменная, зна-
чения которой могут варьироваться в ходе экспе-
римента для того, чтобы выявить ее возможное
влияние на другую переменную (зависимую пере-
менную).
Зависимая переменная — переменная, значе-
ние которой измеряется в ходе эксперимента или
другого опыта, чтобы понять, влияют ли на нее
изменения другой переменной (независимой).
Эксперимент — научный опыт, проводимый
при контролируемых условиях, который включа-
ет манипуляции с одним или несколькими факто-
рами в системе, организованной таким образом,
чтобы выявить эффекты от полученных измене-
ний.
Контролируемый эксперимент — экспери-
мент, при котором экспериментальную группу
сравнивают с контрольной, отличающейся толь-
ко по параметру, тестируемому в эксперименте, а
в остальном — идентичной экспериментальной.
Контрольная группа — группа объектов в
управляемом эксперименте, для которых не ха-
рактерен специфический фактор (или они не под-
вергались его воздействию), изучаемый в экспе-
рименте. В идеале контрольная группа не должна
отличаться от экспериментальной группы ни по
каким другим параметрам.
Экспериментальная группа — ряд объектов,
которые обладают специфическим фактором (или
он на них воздействует), который изучается в экс-
перименте с контролем.
662 ПРИЛОЖЕНИЕ Г Графики
Таблица распределения критерия Хи-квадрат С/2)
Для использования этой таблицы, найдите
строку, соответствующую степени свободы в ва-
шем наборе данных (число степеней свободы
равно числу классов минус один). В этой стро-
ке найдите пару значений х2> в интервале меж-
ду которыми лежит вычисленное вами значе-
ние критерия. Наверху столбцов с найденными
интервальными значениями х2 вы найдете соот-
ветствующие им значения вероятностей, которые
также составляют интервал. Вероятность, равная
0,05 и менее, обычно рассматривается как значи-
мая. (Чтобы потренироваться в использовании
критерия х2 — см. рубрику “Развиваем исследова-
тельские навыки” в главе 15.)
Таблица распределения критерия Хи-квадрат (х2)
Число степеней свободы (df) Вероятность
0,95 0,90 0,80 0,70 0,50 0,30 0,20 0,10 0,05 0,01 0,001
1 0,004 0,02 0,06 0,15 0,45 1,07 1,64 2,71 3,84 6,64 10,83
2 0,10 0,21 0,45 0,71 1,39 2,41 3,22 4,61 5,99 9,21 13,82
3 0,35 0,58 1,01 1,42 2,37 3,66 4,64 6,25 7,82 11,34 16,27
4 0,71 1,06 1,65 2,19 3,36 4,88 5,99 7,78 9,49 13,28 18,47
5 1,15 1,61 2,34 3,00 4,35 6,06 7,29 9,24 11,07 15,09 20,52
6 1,64 2,20 3,07 3,83 5,35 7,23 8,56 10,64 12,59 16,81 22,46
7 2,17 2,83 3,82 4,67 6,35 8,39 9,80 12,02 14,07 18,48 24,32
8 2,73 3,49 4,59 5,53 7,34 9,52 11,03 13,36 15,51 20,09 26,12
9 3,33 4,17 5,38 6,39 8,34 10,66 12,24 14,68 16,92 21,67 27,88
10 3,94 4,87 6,18 7,27 9,34 11,78 13,44 15,99 18,31 23,21 29,59
Среднее и стандартное отклонение
Среднее значение — это сумма всех наблюде-
ний, поделенная на их количество. Среднее пред-
ставляет собой “типичное”, или центральное зна-
чение, вокруг которого расположены значения
наблюдаемых данных. Среднее значение перемен-
ной х (обозначаемое как %) вычисляется по следу-
ющей формуле:
В приведенной формуле п — это количество
наблюдений, х(. — значение z-го наблюдения пе-
ременной х, символ X означает, что п значений х{
суммируются.
Стандартное отклонение — это мера вариа-
бельности, найденная для множества данных.
Стандартное отклонение переменной х (обозна-
ченное sx) вычисляется по следующей формуле:
В этом выражении п — количество наблюде-
ний, xi — значение /-го наблюдения переменной х,
х — среднее значение х, символ Е обозначает сум-
му п значений (х, — х)2.
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Графики 663
Предметный указатель
А
Alu-элемент, 588
А-сайт, 463
В
Bicoid, 506
Е
Е-сайт, 463
Р
PiPHK, 498
Р-сайт, 463
S
Single nucleotide polymorphism, SNP, 555
т
Тгр-репрессор, 482
А
Автоматический секвенатор, 577
Автотроф, 259; 285
Адаптация, 57
Адгезия, 78
Аденилатциклаза, 300
Аденин, 423
Аденовирус, 522
Аденозиндифосфат, АДФ, 101; 104; 213
Аденозинмонофосфат
циклический, цАМФ, 300
Аденозинтрифорфорная кислота, АТФ, 101; 104; 213;
228; 232; 431
Адипоцит, 116
Адреналин, 288; 292; 300; 311
Азидотимидин, 532
Аквапорин, 180; 187
Аксон, 165
Активатор, 484; 489; 515
Актин, 169
Алкаптонурия, 446
Аллель, 348; 354; 396; 404; 564
Аллостерическая регуляция, 225; 229
Альбинизм, 381
Альдоза, 108
Альдостерон, 297
Альфа-спираль, 124
Амеба, 170
Амилопектин, 111
Аминокислота, 118; 207
Амниоцентез, 386; 390
Амплификация, 298; 304
Амфипатичность, 181
Анаболический путь, 204
Анализ ДНК-микрочипов, 552
Анафаза, 329
Анаэроб
облигатный, 252
факультативный, 252
Анаэробное дыхание, 232
Анеуплоидия, 409; 412; 416
Анион, 68
Аннотация генов, 579; 605
Антикодон, 461
Апоптоз, 289; 308; 312; 511
Аппарат Гольджи, 156; 159; 176; 197; 323
Астральная микротрубочка, 321; 335
Атеросклероз, 117
Атом, 57; 59; 65; 73; 78
асимметричный, 108
модель, 60
химические свойства, 63
электронная конфигурация, 95
Атомная масса, 59; 73
Атомное число, 58; 73
АТФ-синтаза, 244; 415
Аутосома, 344
Аутофагия, 158
Ахондроплазия, 384
Ацетил-СоА, 256
Ацетилирование, 559
Ацикловир, 532
Аэробное дыхание, 232; 256
Б
Базальное тело, 168
Бактериородопсин, 184
Бактериофаг, 420; 522
Бактерия
рекомбинантная, 543
Бейеринк, М., 520
Белок, 93; 117; 219
амфипатический, 199
(глобулярный, 121
интегральный, 184; 199
когезин, 316; 348
котранспортер, 196; 200
мембранный, 184; 298
остов, 119
периферический, 184; 199
разобщающий, 248
скаффолд, 306
структурная организация, 124
тканеспецифичный, 501; 516
трансмембранный, 184
транспортный, 187; 199
фибриллярный, 121
функции, 119
Бидл, Дж., 446
Бинарное деление, 324
Биоинформатика, 127; 132; 136; 576; 605
Биологическое разнообразие, 103
664 Предметный указатель
Биология
системная, 581
Биолюминесценция, 204
Биопсия ворсин хориона, БВХ, 387; 390
Биосинтез, 254
Биотехнология, 539
Биохимия, 145
Биоэнергетика, 204
Бислой, 116
липидный, 180; 187
фосфолипидный, 181; 184
Блеббинг, 308
Болезнь
Альцгеймера, 310; 562
Крейтцфельда-Якоба, 535
Паркинсона, 310; 562
Тея-Сакса, 158; 374
Хантингтона, 384
Брожение, 232; 250; 257
молочнокислое, 251
спиртовом, 250
Буфер, 87
В
Вакуоль, 159
функции, 159
центральная, 160
Вакцина, 531; 536
Валентная оболочка, 63; 73
Валентность, 67
Вандерваальсово взаимодействие, 70; 74
Вариация числа копий генов, 601
Везикула, 155; 197
транспортная, 156
Вёлер, Ф., 94
Вентер, К., 577
Веретено деления, 318; 335
Вироид, 520; 531; 535; 537
Вирулентность, 524
Вирус, 420; 519; 535; 536
возникающий, 532
геном, 521
иммунодефицита человека, ВИЧ, 519; 529
круг хозяев, 523; 536
мутация, 534
оболочка, 522
опухолевый, 514
структура, 521
табачной мозаики, ВТМ, 520
Эбола, 532
Эпштейна-Барр, 514
Вирусная инфекция, 523; 531
Вирусная оболочка, 527; 536
Вишаус, Э., 505
Вода, 76; 81
молекулярная структура, 77
эмерджентные свойства, 78; 91
Водный баланс, 189
Водород, 93
Водородная связь, 69; 74; 78
Водородный показатель pH, 86
Восстановление, 233; 256
Г
Гамета, 316; 317; 335; 342
Гаметофит, 346
Гаррод, А., 446
Гель-электрофорез, 545; 572
Гем, 244
Гемизигота, 399
Гемоглобин, 125; 447
Гемофилия, 400
Ген, 128; 342; 364; 420; 449; 474
FOXP2, 599
Рах-6, 549
Х-сцепленный, 399; 416
аннотация, 579
гомеозисный, 505
группа сцепления, 408
локус, 342
регуляторный, 515
супрессор опухолей, 509
сцепленный, 401; 406
сцепленными с полом, 399
факторов роста, 508
цитоплазматический, 414
экспрессия, 446
Генетика, 341
Генетическая карта, 407
Генетическая рекомбинация, 403
Генетический
код, 452
маркёр, 555
профиль, 564; 567; 573
Генетически-модифицированный организм, 570
Генная инженерия, 539; 565; 571
Генная терапия, 564; 572
Геном, 132; 315; 335; 575; 583
человека, 576
Геномика, 132; 136; 576; 605
Геномный импринтинг, 413; 416; 488
Генотип, 377
Гёрдон, Дж., 557
Гетерозигота, 399
Гетеротроф, 260
Гетерохроматин, 439; 443
Гиббс, Дж. В., 208
Гибридизация, 362
in situ, 550; 552; 572
нуклеиновых кислот, 539; 571
Гидратная оболочка, 82
Гидролиз, 107; 135
Гипотеза градиента морфогенов, 506
Гистограмма, 379
Гистон, 486
Гликоген, 111; 253
Гликозидная связь, 109
Гликолиз, 237; 238; 251; 252; 253; 254; 256
Гликолипид, 186; 199
Гликопротеин, 156; 172; 186; 199; 522
Глицерин, 114
Глюкоза, 108; 235; 238; 254
Гомеобокс, 602
Гомеодомен, 602
Гомолог, 344
Предметный указатель 665
Гормон, 291; 311
Градиент концентрации, 188; 200
Грана, 162; 261; 285
Гриффит, Ф., 420
Группа крови, 186
Гуанин, 423
Гуанозинтрифосфат, ГТФ, 241
Гук, Р., 142
А
Дальтон, 58; 73
Дальтон, Дж., 58
Дарвин, Ч., 357
Двойная спираль, 130; 425; 428
Дегидратация, 107; 135
Дезаминирование, 253
Дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК, 128; 342; 419;
423; 427
комплементарная, кДНК, 548; 551
метилирование, 486
репликация, 420
структура, 420; 424
Делеция, 410; 412; 416; 474; 491; 553
Денатурация, 123
Десмосома, 178
Детерминация, 501; 516
Дефосфорилирование, 298; 311
Джоуль, 79
Дидезоксинуклеотидный метод обрыва цепи, 539; 576
Димер, 166; 298
Динеин, 168
Дисахарид, 108; 109
Диссоциация, 85
Дисульфидный мостикам, 125
Дифференциация, 501
Диффузия, 188; 200
облегченная, 189; 192; 200
Длина волны, 265
ДНК-лигаза, 433; 544; 571
ДНК-микрочип, 572
ДНК-минисателлит, 588
ДНК-повтор, 586; 605
ДНК-полимераза, 431
ДНК-технологии, 539
ДНК-чип, 552
Долли, 557
Доминантность, 373; 375
Доминирование
неполное, 373
полное, 373
Дрозофила, 401
Дупликация, 410; 416; 593
Дыхание, 234
Ж
Жакоб, Ф., 481
Жгутик, 166; 178
Жизненный цикл, 343
человека, 345
Жирная кислота, 114
насыщенная, 114
ненасыщенная, 114
Жиры, 114
3
Закисление океана, 88; 284
Закон
независимого наследования, 388
расщепления, 388
(принцип) сохранения энергии, 206
сохранения материи, 72
термодинамики, 218
второй, 207; 208; 228
первый, 206; 228
Замена пары нуклеотидов, 472
Зигота, 345
И
Ивановский, Д., 520
Изменчивость, 341
наследственная, 343
Изомер, 99; 103
геометрический, 99
структурный, 99; 103
Изотоп, 59; 73
радиоактивный, 59
Инверсия, 410; 416
Ингибирование
по принципу обратной связи, 480
Ингибитор, 223; 229; 489
конкурентный, 223
неконкурентный, 223; 225
Индуктор, 483; 515
Индукция, 501
Индуцированное соответствие, 219
Инсерция, 474
Инсулин, 119
Интегрин, 172; 184
Интерфаза, 318; 335
Интрон, 457; 476; 585
Ион, 68; 69; 74
гидроксильный, 85
Ионная связь, 68; 74
Ионный канал, 192
Испарительное охлаждение, 80; 90
К
Калория, 79
Кальвин, М., 264
Кальцификация, 88
Капеччи, М., 554
Капсид, 521; 536
Капсомер, 521
Кариограмма, 344
Кариотип, 344
Кариотипирование, 344; 387
Каротиноиды, 268
Карта сцепления, 407; 416
Каскад, 298; 301; 311
апоптотический, 309
сигнальный, 289; 292; 294; 303; 306; 312
фосфорилирования, 298; 306; 311
Каспаза, 309
Катаболизм, 233; 254; 484
Катаболический путь, 204
Катализатор, 117; 216
666 Предметный указатель
Катион, 68
Кетоза, 108
Килобаза, 491; 553
Киназа, 295; 299
Кинг, М.-К., 514
Кинетохор, 321; 335
Кислород, 67; 93
Клетка, 141; 146; 173; 180; 203; 212; 227; 284; 288; 315
гаплоидная, 345
диплоидная, 344
зародышевая, 345
прокариотическая, 147; 161; 176
раковой опухоли, 331
соматическая, 316; 335; 342
стволовая, 556; 572
индуцированная плюрипотентная, иПС, 561; 572
эмбриональная, ЭС, 560
тотипотентная, 557; 572
трансформация, 332
шму, 307
эукариотическая, 146; 161; 176; 227
Клеточная
коммуникация, 289; 292
восприятие (рецепция), 292
ответ, 292; 304
передача (трансдукция), 292; 298
мембрана, 180
сигнализация, 508
стенка, 171; 172; 178
структура, 501
Клеточное
деление, 314
дыхание, 109; 203; 212; 216; 225; 232; 234; 236; 247;
255-256; 263
Клеточный
сок, 160
центр, 318
цикл, 315; 318; 326; 335; 508
Клон, 343; 556
Клонирование
генов, 543; 571
ДНК, 542
организмов, 556
растений, 557
репродуктивное, 558; 561
терапевтическое, 561
Ковалентная связь, 65; 68; 74
неполярная, 67; 74
полярная, 67; 74; 77
Ковалентня связь, 103
Когезин, 348
Когезия, 78; 90; 335
сестринских хроматид, 316; 348
Кодоминирование, 374
Кодон, 451; 475; 481
Коллаген, 125; 172
Компартмент, 149; 469
Компартментализация, 164
Комплекс инициации
транскрипции, 455; 476
трансляции, 464
Консумент, 260
Конформация, 225
белка, 293; 311
Кооперативность, 226; 229
Корепрессор, 482; 515
Корнберг, Р., 127
Корренс, К., 414
Кортекс, 169
Котранспорт, 196; 200
Кофактор, 223
Кофермент, 223
Кофермент Q, 243
Крахмал, 111; 233
Кребс, X., 239
Крик, Ф., 419; 425
Криста, 162; 243
Кристалл, 68
Кроссинговер, 348; 355; 404; 416; 555
А
Лактат, 251
Лактоза, 109
Левенгук, А„ ван, 142
Легоглобин, 593
Лед, 76; 81
Лейкоз
хронический миелоидный, 412
Лиганд, 197; 293; 311
Лизосома, 158; 174
Липиды, ИЗ
Липкий конец, 544
Липопротеин низкой плотности, ЛПНП, 197
Локус, 342
Льюис, Э., 504
Люмен, 155
м
Майер, А., 520
Мак-Клинток, Б., 586
Макромолекула, 106; 107
Макрофаг, 174
Мальтоза, 109
Маркёр, 564; 567
Маркёр эскпрессирующихся последовательностей, 580
Массовое число, 59; 73
Материнский эффект, 506; 516
Материя, 56; 62; 73; 103
Матрикс, 172
внеклеточный, 173
внеклеточный, ВКМ, 172
митохондриальный, 162
Матрица, 528
Межклеточное вещество, 178
Мезофилла, 261
Мейоз, 315; 317; 341; 345; 353
стадии, 347
Мембрана, 186
Мембранный потенциал, 195
Менделеев, Д.И., 63
Мендель, Г., 357; 361; 388; 393; 403
Мессенджер, 300; 311
Метаболизм, 204; 228; 515
Метаболический путь, 204
Предметный указатель 667
Метагеном, 577
Метагеномика, 577
Метастазирование, 333
Метафазная пластинка, 321
Метилирование, 559
Микробном, 577
Микроволокно, 112
Микроворсинка, 148; 170
МикроРНК, 497; 585
Микросателлит, 588
Микроскоп, 142
контрастность, 142
разрешение, 142
сканирующий электронный, СЭМ, 143
трансмиссионный электронный, ТЭМ, 143
увеличение, 142
электронный, 142
Микроскопия, 143; 176
сверхразрешающая, 143
световая, СМ, 176
электроная, ЭМ, 176
Микротрубочка, 166; 178
Микрофиламент, 166; 169; 178
кортикальный, 169
Микрочип, 582
Мимивирус, 531
Миобласт, 502
Миоглобин, 593
Миозин, 170
МиРНК, 497
Миссенс-мутация, 472
Митоз, 317; 318; 325; 326; 335; 343
стадии, 318
Митохондрия, 145; 161; 162; 176
Митчелл, П., 247
Модель Менделя, 364
Модель Уотсона-Крика, 426; 428
Молекула, 66; 74; 78
воды, 78
полярная, 77
пространственная структура, 71
сигнальная, 296; 301; 304
Молекулярная массв, 83
Молекулярная формула, 66
Моль, 84; 91; 96
Молярное соотношение, 96
Молярность, 84
Моно, Ж., 481
Мономер, 107; 108; 135
Моносахарид, 108; 109
Морган, Т.Х., 395; 401; 419
эксперимент, 396
Морфоген, 506; 516
Морфогенез, 500; 516
Мочевина, 94; 98
Муковисцидоз, 381
Мультигенное семейство, 589
Мутаген, 474; 477
Мутагенез
in vitro, 554
Мутант, 503
Мутация, 224; 343; 354; 409; 436; 470; 476; 508; 590
генетическая, 472
миссенс, 472
молчащая, 472
нонсенс, 473
спонтанная, 474
точечная, 470
Мышечная дистрофия Дюшенна, 400
н
Нанопора, 542
Напряжение, 195
Наследование
корпускулярное, 360
полигенное, 375; 376
смешанное, 360
эпигенетическое, 488
Наследственность, 341
Натрий-калиевый насос, 194; 195; 200
Независимое расхождение хромосом, 354
Нейромедиатор, 301
Нейтрон, 58
Никотинамидадениндинуклеотид, НАД, 235
Ниренберг, М„ 452
НкРНК, 497
Нокаутирование, 581
Нонсенс-мутация, 473
Нуклеаза, 436; 443
Нуклеиновые кислоты, 128
Нуклеоид, 146
Нуклеосома, 442; 443; 486
Нуклеотид, 129; 428
триплет, 451
Нуклеотидный зонд, 550; 572
Нюсляйн-Фольхард, К., 505; 507
О
Ограничительная точка, 329
Окисление, 233; 256
Окислительно-восстановительная реакция, 233
Онкоген, 508; 516
Оператор, 481
Оперон, 481
индуцируемый, 482
репрессируемый, 482
Оперонная модель, 480
Оплодотворение, 342; 345
Орбиталь, 64; 73
Органелла, 142; 149; 176
Осельтамивир, 537
Осморегуляция, 190; 200
Осмос, 189; 200; 245
Основание, 86
п
Пандемия, 532; 536
Пандоравирус, 531
Паракринная регуляция, 291
Параллелизм, 396
Парообразование, 80
Пассивный транспорт, 189
Паттерн
формирование, 503
668 Предметный указатель
Пентоза, 108
Пептидная связь, 117; 119
Перетасовка экзонов, 595
Периодическая система химических элементов, 63
Период полураспада, 60; 61
Пероксисома, 161; 164
Пигмент, 266
Пиноцитоз, 197; 200
Пируват, 238
Плазматическая мембрана, 171; 176; 180
Плазмида, 529; 543
Ti, 569
Плазмодесма, 172; 173; 178; 291; 534
Плазмолиз, 191
Пластида, 111; 164
Плейотропия, 375
Плотный контакт, 178
Плюрипотентность, 561
Поверхностное натяжение, 78; 90
Позитронная эмиссионная томография, ПЭТ, 59
Позиционная информация, 503; 516
Полимер, 107; 135
Полимеразная цепная реакция, ПЦР, 546; 547; 572
с обратной транскрипцией, ОТ-ПЦР, 551
Полиморфизм, 555
однонуклеотидный, 555
Полинг, Л., 424
Полинуклеотид, 129
Полипептид, 117; 119
Полиплоидия, 410; 416; 590; 606
Полирибосома, 469; 476
Полисахариды, 109
Полисома, 469
Полногеномный ассоциативный анализ, 555
Полярность, 67; 83
Потенциальная энергия, 60
Правило
сложения, 371; 388
умножения, 370; 388
Праймаза, 431
Праймер, 431
Признак, 361
доминантный, 363
количественный, 376
мультифакторный, 377; 389
рецессивный, 363
Прион, 520; 531; 535; 537
свойства, 535
Провирус, 529; 536
Продукт, 74
Продуцент, 259
Промежуточный филамент, 166; 171; 178
Промотор, 454; 455; 476; 481
Проницаемость, 189
избирательная, 180; 199
Простагландин, 491
Протеасома, 496
Протеинкиназа, 298; 311; 327
А, 300
Протеинфосфатаза, 299; 311
Протеогликан, 172
Протеом, 581
Протеомика, 132; 136; 581; 605
Протон, 58
Протон-движущая сила, 257
Протонная помпа, 196; 200
Протоонкоген, 508; 516
Профаг, 525; 529
Процессинг
РНК, 494
Прузинер, С., 536
Псевдоген, 585; 605
Псевдоподия, 170
Р
Равновесие, 209; 228
Радиоактивная метка, 59
Радиоактивный распад, 60
Радиологическое датирование, 60
Размножение
бесполое, 342
половое, 343; 356
Рамка считывания, 453; 475
Раствор, 189
буферный, 87
водный, 82; 83
гипертонический, 190; 200
гипотонический, 190; 200
изотонический, 189; 200
нейтральный, 86
основный, 86
тоничность, 189
Растворенное вещество, 82
Растворитель, 82; 91
Реагент, 74
Реакция
метаболическая, 211
экзергоническая, 210; 228; 236
эндергоническая, 211; 228
Регуляторный элемент, 488
дистальный, 489
проксимальный, 489
Редуцент, 260
Рекомбинант, 403; 416
Рекомбинантная молекула ДНК, 543
Рентгеновская кристаллография, 127
Репликационная вилка, 431; 443
Репликация, 324
ДНК, 420; 428; 442
полуконсервативный механизм, 428
Репрессор, 482; 515
Ресничка, 166; 178
первичная, 167
Рестриктаза, 524
Рестрикция, 544; 571
сайт, 544
Ретиналь, 99
Ретровирус, 528; 536
Ретротранспозон, 587; 605
Рецептор, 293
внутриклеточный, 297; 311
трансмембранный, 294
Рецепторы-ионный канал, 296
Решетка Пеннета, 365
Предметный указатель 669
Рибозим, 458; 476
Рибонуклеиновая кислота, РНК, 128; 449
матричная, мРНК, 129; 449
рибосомальная, рРНК, 462
транспортная, тРНК, 131; 460
Рибосома, 146; 154; 460; 527
свободная, 154
связанная, 154
РНК-интерференция, 497; 554; 580
РНК-полимераза, 454; 476
РНК-процессинг, 456; 476
Рубиско, 275; 277; 286
С
СЗ-растение, Т77
С4-растение, 278
Сазерленд, Э.У., 292
Сайленсинг, 413; 490; 554
Сайт рестрикции, 544; 571
САМ-растение, 279; 286
Сахара, 108
простые, 109
Сахароза, 109
Сверочная точка, 327; 329; 335
Свет, 265; 285
видимый, 265
Секвенирование, 132
генома, 576
основанное на синтезе, 577
полногеномное, 582
полногеномное шот-ган, 577
Секвенирование
генома, 496
ДНК, 538; 539; 571
посредством синтеза, 542
Селекция, 569
Сенгер, Ф., 119
Сепараза, 322
Серповидноклеточная анемия, 123; 361; 383; 472
Сигнальная молекула, 290; 291; 293
Сигнальный пептид, 469; 476
Симпорт, 196
Синапсис, 348
Синаптическая
передача сигнала, 291
щель, 291
Синаптонемный комплекс, 348
Синдром, 411
Вискотта-Олдрича, 306
Дауна, 344; 387; 411; 416
Картагенера, 171
Клайнфельтера, 412
кошачьего крика, 412
приобретенного иммунодефицита, СПИД, 519; 529
Тёрнера, 412
Синтез
абиотический, 94
Синтетаза, 461
Система, 206; 209
изолированная, 206
открытая, 206
Скаффолд-белок, 306; 312
Скрещивание, 361; 362
анализирующее, 368
дигибридное, 368
моногибридное, 368
Случайное оплодотворение, 355
Смитис, О., 554
Соединение, 56; 73
органическое, 94
Спектрофотометр, 266
Спектр поглощения, 266
Сперматозоид, 342
Сплайсинг
альтернативный, 447; 459; 494
РНК, 457; 476
Сплайсосома, 458; 476
Спонтанность, 207
Спора, 346
Спорофит, 346
Среда, 206
Стероиды, 117
Стёртевант, А., 407
Строма, 164; 261
Стюард, Ф.К., 556
Субстрат, 229
Субстрат фермента, 218
Супрессор опухолей, 509; 516
Сэнгер, Ф., 542
т
Тамифлю, 537
ТАТА-бокс, 455; 488
Тейтум, Э., 446
Текучесть, 183
Теломера, 437; 443
Теломераза, 438
Тельце Барра, 400; 416
Температура, 78
Теплоемкость, 78
удельная, 79; 90
Теплота, 79; 228
парообразования, 80; 90
Терминатор, 454
Терминация, 304
сигнала, 308
Термодинамика, 206
Тилакоид, 162; 261; 285
Тимин, 423
Тиминовый димер, 436; 474
Тирозинкиназа, 295
рецепторная, 295; 298
Топливо, 234
Топоизомераза, 431
Точка начала репликации, 430
Точка старта, 455
Трансген, 566
Трансгенное животное, 566; 569
Трансгенное растение, 570
Трансдукция, 298
Транс-жиры, 99; 115
Транс-изомер, 99
Транскрипт, 456
обратный, 551
первичный, 450
670 Предметный указатель
Транскриптаза, 587
Транскрипционная единица, 454
Транскрипционная фабрика, 494
Транскрипционный фактор
общий, 488
специфический, 489
Транскрипция, 449; 475; 481
Транслокация, 410; 416
Трансляция, 449; 460; 463; 475; 495
Транс-отдел, 157
Транспирация, 277
Трансплантация
ядерная, 557
Транспозаза, 587
Транспозиция, 586; 597
Транспозон, 498; 529; 586; 605
Транспорт электронов, 263; 285
линейный (нециклический), 270
циклический, 272
Транстиретин, 124
Трансформация, 420
Триацилглицерин, 114
Триоза, 108
Триплетный код, 451
Триптофан, 480; 481
Тубулин, 166
Тургор, 191
Тяжелый комбинированный иммунодефицит,
ТКИД, 565
У
Убиквитин, 496
Убихинон, 243
Углевод, 108
Углеводороды, 95; 98; 101; 103
Углекислый газ, 88; 97
Углерод, 93; 103
Углеродный скелет, 103
Уилкинс, М., 425
Уотсон, Дж., 419; 425
Устьице, 261; 277
Ф
Фаг, 420; 524; 536
умеренный, 525
Фагоцитоз, 158; 197; 200
Фазовый переход, 182
Фактор, 289; 393
инициации, 464
наследственности, 395
роста, 291; 301
транскрипции, 455; 476
транскрипционный, 297
элонгации, 464
Фактор роста, 330
Фенилкетонурия, 387; 391
Фенотип, 375; 377; 378; 409
мутантный, 396
Фермент, 107; 216; 228
индуцируемый, 483
насыщенный, 221
репрессируемый, 483
рестрикции, 544
субстрат, 218
Фермент-субстратный комплекс, 218
Фетоскопия, 387
Фибронектин, 172
Флавинадениндинуклеотид, ФАД, 239
Флавинмононуклеотид, ФМН, 243
Флемминг, В., 317
Флуоресценция, 268
Фолдинг, 121; 466
Формирование паттерна, 503; 516
Фосфат-ион, 101
Фосфолипид, 116; 199
Фосфорилирование, 214; 298; 311
окислительное, 238; 248; 256
субстратное, 238
Фосфорилированный интермедиат, 214; 228
Фосфофруктокиназа, 254
Фотоавтотроф, 260
Фотодыхание, 277; 286
Фотон, 265; 268
Фотосинтез, 72; 164; 231; 259; 260; 261; 263; 284; 285
световые реакции, 264; 285
цикл Кальвина, 264; 285
Фотосистема, 269; 285
Фотофосфорилирование, 264
Фрагмент Оказаки, 433
Фракционирование клеток, 145; 176
Франклин, Р., 425
Фруктоза, 108; 109
Функциональная группа, 101
X
Хаос, 207
Хеликаза, 431
Хемиосмос, 237; 238; 244; 246; 257; 273
Химическая
реакция, 71; 72; 74
связь, 65; 69; 74
Химическое равновесие, 74
Химия, 141
органическая, 94; 97
Хитин, 113
Хлоропласт, 161; 162; 176; 261; 265; 285
строение, 162
Хлорофилл, 261; 285
Холестерин, 117; 183; 199
Холин, 116
Хроматида
сестринская, 316; 335
Хроматин, 150; 316; 317; 335; 439; 443
Хроматограмма, 540
Хромосома, 146; 150; 315; 335; 393; 420; 493
гомологичная, 344
нерасхождение, 409; 416
половая, 344
рекомбинантная, 355
филадельфийская, 412
эукариотическая, 316
Хромосомная теория наследственности, 395
Предметный указатель 671
ц
Целлюлоза, 112; 284
Центральная догма молекулярной биологии, 450
Центриоль, 166
Центрифуга, 145
Центромера, 316; 335; 353
Центросома, 166
Цикл АТФ, 214
Кребса, 237; 253
лизогенный, 525
литический, 524
трикарбоновых кислот, 237; 239; 247; 253; 254; 256
Циклин, 328; 335
Циклин-зависимые киназы, 328; 335
Цис-изомер, 99
Цис-отдел, 157
Цис-связь, 114
Цис-транс-изомер, 99; 103
Цитогенетическая карта, 408
Цитозин, 423
Цитозоль, 146; 160
Цитокинез, 317; 323; 335
Цитология, 145
Цитоплазма, 147
Цитоплазматическая мембрана, 147
жидкостно-мозаичная модель, 182; 199
Цитоплазматический
детерминант, 500; 516
поток (циклоз), 170
Цитоскелет, 164; 165; 174; 178
Цитохром, 244
Цитрат, 241
Ч
Чаргафф, Э., 423
Чередование поколений, 346
Число Авогадро, 84; 96
Чистая линия, 362; 388
Чувство кворума, 289; 311
Ш
Шаперонин, 126
Щелевидный контакт, 178
э
Эванс, М„ 554
Эволюционная биология развития, 602
Эволюция, 208
Экзон, 457; 476; 594
перетасовка, 459; 595
Экзоскелет, 113
Экзоцитоз, 197; 200
Экспрессионный вектор, 548; 572
Экспрессия гена, 446; 475; 485; 508
дифференциальная, 485
регуляция, 479; 485
Экспрессия генов, 128
Экстремофил, 91
Эксцизионная репарация, 436; 443
Электрогенный насос, 196
Электромагнитный спектр, 265
Электрон, 58; 62; 73; 268
валентный, 63
энергетический уровень, 62
Электронная оболочка, 62; 73
Электрон-транспортная цепь, 236; 243; 250
Электроотрицательность, 67; 74
Электропорация, 548
Электрохимический градиент, 195; 200
Элемент, 56; 73
Элонгация, 456; 464
Эмерджентные свойства, 56
Энантиомер, 99; 103
Энгельманн, Т., 267
Эндокринная сигнализация, 291
Эндомембранная система, 154; 160
Эндоплазматический ретикулум, ЭПР, 155; 159; 176;
186; 199
гладкий, 155
шероховатый, 156
Эндорфин, 71; 121
Эндосимбионт, 161
Эндосимбиотическая теория, 161
Эндоцитоз, 197; 200
рецепторно-опосредованный, 197; 200
Энергия, 60; 204; 218; 228; 231
активации, 217; 228
кинетическая, 78; 205; 228
потенциальная, 205; 228; 232
потери, 206
свободная, 208; 209; 228
солнечная, 259
сопряжение, 213; 228
тепловая, 78; 205; 228
химическая, 205; 228
электромагнитная, 265
Энтальпия, 208
Энтропия, 207; 208; 228
Энхансер, 489
Эпидемия, 532; 536
Эпинефрин, 288
Эпистаз, 376
Эухроматин, 439; 443
Эфрусси, Б., 446
Я
Ядерная ламина, 150
Ядерная магнитная резонансная спектроскопия, 127
Ядерная оболочка, 150
Ядро, 150; 176
Ядрышко, 153
Яйцеклетка, 342
Яманака, Ш., 562
672 Предметный указатель