/
Автор: Фаллер Д.М. Шилдс Д.
Теги: анатомия анатомия человека сравнительная анатомия молекулярная биология биология история науки микробиология издательство бином
ISBN: 5-9518-0153-2
Год: 1998
Текст
Молекулярная
биология клетки
Руководство для врачей
a LANGE medical book
Molecular Basis of
Medical Cell Biology
First Edition
By
Gerald M. Fuller, PhD
Professor of Cell Biology
University of Alabama School of Medicine
Birmingham, Alabama
Dennis Shields, PhD
Professor of Developmental & Molecular Biology
Albert Einstein College of Medicine
Bronx, New York
Appleton & Lange
Stamford, Connecticut
УДК 611.018.1
ББК 28.070
Ф19
Перевод с английского под редакцией А. Анваера, Ю. Бородиной, К. Кашкина
Фаллер Д.М., Шилдс Д.
Молекулярная биология клетки. Руководство для врачей. Пер. с англ. М. : «Издательство БИНОМ»
2006. - 256 с., ил
Предлагаемая вниманию читателей книга американских специалистов посвящена изложению основ
молекулярной биологии клетки. Особое внимание уделено строению клеточных мембран, внутриклеточ-
пых органелл, цитоскелета и митохондрий. Подробно рассматриваются процессы клеточного деления на
молекулярном уровне и процессы межклеточного взаимодействия, механизмы межклеточной и внутри-
клеточной передачи сигналов. Достоинством книги является увязывание этих сведений с механизмами
развития разнообразных врожденных, наследственных и приобретенных заболеваний и с современными
методами их лечения.
Книга предназначена для студентов медицинских институтов, аспирантов, научных работников и вра-
чей-клиницистов разных специальностей.
ISBN 5-9518-0153-2
ISBN 0-8385-1384-0 (англ)
© The original English language work has been
Published by Appleton & Lange, 1998
© БИНОМ-Пресс, 2006
Научное издание
Фаллер Д.М., Шилдс Д.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ.
РУКОВОДСТВО ДЛЯ ВРАЧЕЙ
Оформление С.О. Мясниковой
Компьютерная верстка выполнена в ООО “БИНОМ-ПРЕСС”
Зав. редакцией: к.б.н. Е.В. Мосткова
Корректор Б.Б. Кузнецова
При участии ООО "ПФ "Сашко"
Подписано в печать 20.04.2006. Формат 84 х 108/16. Печ. л. 16
Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 2000 экз. Заказ 2526.
ООО "Издательство БИНОМ", 2006 г.
103473, Москва, ул. Краснопролетарская 16
Отпечатано в ОАО «ИПК «Ульяновский Дом печати»
432980, г. Ульяновск, удг. Гончарова, 14
Предисловие к изданию
на русском языке
Биология клетки или клеточная биология представля-
ет собой стремительно развивающуюся область знаний,
возникшую па стыке цитологии, биохимии, молекуляр-
ной биологии и биофизики всего одно-два десятилетия
тому назад. Ее быстрое развитие в значительной мере
обязано внедрению в биологию современных методов
физики и химии, особенно электронной и световой мик-
роскопии, методикам очистки и разделения макромоле-
кул и субструктур клеток и определения последователь-
ности мономеров в полимерных макромолекулах нук-
леиновых кислот, белков и полисахаридов, тонкого
строения липидов. Именно эти методы позволили де-
тально охарактеризовать молекулярные основы архитек-
тоники и состава клеток, их многообразия, образующих
их составных частей, субструктур, органелл, их разви-
тия, жизнедеятельности, биогенеза и старения.
Наглядным примером достижений этой области яв-
ляется завершение проекта «Геном», позволившее, объ-
единенными усилиями ученых ряда стран, установить
полную последовательность нуклеотидов дезоксирибо-
нуклеиновой кислоты, образующей геном человека.
Эти сведения значительно расширили выявление и ха-
рактеристику генов, кодирующих многие ферменты и
другие жизненно-важные белки, что углубило понима-
ние нс только нормальных процессов жизнедеятельно-
сти, но и их нарушений, этиологии и патогенеза многих
болезней, в особенности наследственных, связанных с
мутациями генов и, вследствие этого, выпадением того
или иного фермента, влекущего патологическое изме-
нение соответствующего биохимического превращения
л вызванные этим клинические симптомы.
Молекулярные основы структуры и функций клеток
разных тканей, их субструктур, их взаимодействия, про-
текающих в них процессов роста, развития, размноже-
ния и гибели, патологических нарушений их жизнедея-
тельности определяют клинические проявления болез-
ней и имеют важнейшее значение для диагностики и ле-
чения. Понимание этих основ необходимо не только
' пологам и экспериментаторам, по и практическому вра-
♦:у. наблюдающему и лечащему больного.
Предлагаемая книга известных американских специа-
: истов Фаллера и Шилдса, возникшая на основе много-
летнего опыта преподавания клеточной биологии, пред-
назначена для врачей, студентов и аспирантов-медиков.
Книга содержит современные сведения о многообразных
клетках, их формировании и развитии, составных частях
л органеллах клеток — ядре и субъядерных структурах —
ело.матине, ядрышках, ядерной оболочке, мембранах
клеток и органелл, митохондриях и производстве энер-
гии в клетке, Эндоплазматическом ретикулуме и био-
синтезе белков, их созревании и транспорте, комплексе
Гольджи, организации и роли липидных и углеводных
компонентов клетки, лизосомах и пероксисомах, внекле-
точном матриксе и его функциях.
Отдельные главы посвящены везикулярному транс-
порту, митохондриям, клеточному циклу и делению кле-
ток, цитоскелету и образующим его актиновым фила-
ментам, микротрубочкам и промежуточным волокнам,
взаимодействию клеток, адгезии и роли внеклеточного
матрикса, путям передачи сигналов в клетку и в самой
клетке, сигнальным путям гормонов, факторов роста и
других лигандов и их рецепторам. Завершают книгу два
приложения, касающиеся микроскопии, а также строе-
ния и свойств нуклеиновых кислот и аминокислот.
Весьма существенно, что материал изложен примени-
тельно к запросам врача, основное внимание уделено ме-
дицинским аспектам клеточной биологии, приводятся
широкие сведения о наследственных болезнях и других
расстройствах, вызываемых нарушениями различных
функций, строения или метаболизма клеток. Книга бога-
то иллюстрирована электронными микрофотографиями
клеточных структур и схемами; содержит многочислен-
ные таблицы и подробный предметный указатель. Таким
образом настоящее издание может служить прекрасным
пособием и справочником по медицинским аспектам мо-
лекулярных основ клеточной биологии.
Памятуя эти сведения, врач, ставя диагноз и прибегая
к лечению больного, задумается о возможных нарушени-
ях биосинтеза тех или иных биологически важных моле-
кул, их транспорта в клетки и внутри клеток, сигнальной
системы, взаимодействия и адгезии клеток, рецепторов,
связывающих гормоны, факторы роста и другие лиганды.
К сожалению, авторы недопустимо мало внимания
уделяют достижениям неамериканских ученых. Так,
описывая механизмы мышечного сокращения, они даже
не упоминают основополагающие открытия российского
ученого, академика В.А. Энгельгардта, впервые обнару-
жившего аденозинтрифосфатазную активность миозина
и механохимическое изменение длины актомиозиновых
нитей мышц при их взаимодействии с АТР. Не упомяну-
ты также важнейшие достижения в области биосинтеза
белков и нуклеиновых кислот академиков А.Н. Белозер-
ского и А.С. Спирина, А.А. Баева и Г.П. Георгиева. При
описании окислительных процессов в клетке мы не на-
ходим сведений о выдающихся исследованиях в этой об-
ласти академика В.П. Скулачева.
Академик РАМН И.Б, Збарский
Содержание
Предисловие
Глава 1. Формирование различных клеточных фенотипов............. 12
Развитие научного направления................12
Фенотипы клеток млекопитающих................13
Организация клеток в ткани.................13
Различные фенотипы клеток четырех основных тканей 17
Регуляция экспрессии генов: краткий обзор .... 18
Заключение.....................................25
Глава 2. Молекулярное строение и функциональные компоненты
клеточных мембран....................................................26
Основные термины..............................26
Значение мембран в функционировании клеток... 26
Различия между мембранами...................26
Белки и липиды..............................26
Важнейшие функции мембран...................29
Связь с клиникой: переливание крови
и пересадка тканей..........................29
Строение и сборка мембран.....................30
Локализация синтеза.........................30
Типы и функции мембранных липидов.............31
Глицсрофосфолипиды (Фосфоглицериды).........31
Сфинголипиды................................32
Гликосфинголипиды: клинические корреляция ... 33
Холестерол..................................34
Функциональные свойства липидов...............35
Амфипатическая природа липидов..............35
Организация мицелл..........................36
Липиды мембран формируют
особую жидкую среду.........................37
Движение в плоскости мембранного бислоя.....37
Транслокация липидов и ее связь
с функциями клетки..........................38
Мембранные липиды, участвующие
в передаче сигналов...........................38
Эйкозаноиды.................................38
Биосинтез простагландинов: связь с клиникой. ... 38
Образование арахидоновой кислоты
в тромбоцитах...............................39
Лейкотриеновый путь.........................39
Простагландины и лейкотриены:
связь с клиникой............................39
Фосфоинозитиды..............................41
Бел ково-л инициал мозаика....................42
Мембранные белки: физические
и химические свойства.........................42
Термодинамические законы.....................44
Два основных типа мембранных белков..........44
Интегральные белки перемещаются
в плоскости мембраны.........................44
Интегральные белки.............................45
Белки, пронизывающие мембрану
один раз (монотонные)........................45
Белки, многократно пронизывающие мембрану
(политопиыс).................................45
Мембранные белки, связанные с липидами......45
Белки, связанные с углеводами................45
Периферические белки...........................45
Цитоскелет мембраны............................46
Белки цитоскелета эритроцитов................46
Спектриновый цитоскелет......................47
Структурная модель мембран
эукариотических клеток.......................47
Поверхности мембран полярных клеток............48
Апикальная поверхность клеток:
специализация и различия.....................48
Апикальные поверхности клеток:
варианты строения............................49
Специализация мембран..........................49
Базолатеральная поверхность
эпителиальных клеток.........................49
Поверхностные рецепторы клеточных мембран... 50
Поверхностные рецепторы: внеклеточный домен ... 50
Трансмембранные домены.......................50
Монотонный трансмембранный домен.............50
Цитоплазматический домен.....................50
Механизм трансмембранной передачи сигнала ... 51
Заключение.....................................52
Библиография...................................53
Глава 3. Структура и функции внутриклеточных органелл....................54
Основные термины..............................54
Внутриклеточное движение......................56
Поток белков: везикулярный ноток............56
Клеточное ядро................................56
Синтез рибосом в ядрышке....................58
Ядерная оболочка..............................58
Ядерная пора и ядерной поровый комплекс .... 58
Механизм ядерного импорта и экспорта........59
Ядерный локализационный сигнал.................62
Роль импортипа...............................62
Растворение ядра и его восстановление........62
Митохондрии....................................62
Общая структура и функции....................62
Митохондриальная ДНК.........................63
Наружная и внутренняя
митохондриальные мембраны....................63
Митохондриальный матрикс.....................64
Содержание
7
Механизм транспорта митохондриальных белков... 64
Митохондриальные шапероны......................64
Укладка полипептидной цепи:
шапероны hsp60 и hsp7O.......................66
Как работают шапероны........................66
Пероксисомы....................................66
Структура и функция: корреляция с клиникой ... 66
Биогенез пероксисом..........................67
Импорт белков в пероксисомы..................67
Основные пероксисомные болезни человека.....69
Эндоплазматический ретикулум...................69
Шероховатый эндоплазматический ретикулум. ... 69
Полость эндоплазматического ретикулума........69
Физико-химическая среда......................69
Компоненты полости ЭПР.......................72
Задержка белков в ЭПР..........................73
Перенос белка....................................74
Обзор процесса синтеза белка: рибосомы,
мРНК, сигнальные пептиды.......................74
Частица распознавания сигнала...............75
Направленное перемещение рибосом..........76
Механизмы переноса секреторных белков и
монотонных мембранных белков.....................76
Механизмы формирования гюлитопных белков. . . 77
Ядерное гликозилирование белков и липидов
происходит в ЭПР.................................78
Биосинтез мембранных липидов................80
Механизмы сортировки и транспорта липидов ... 80
Механизмы переноса мембранных липидов.......81
Везикулярный механизм и мономерный обмен ... 81
Библиография................................83
Глава 4. Органеллы и везикулярный транспорт.............................84
Основные термины................................84
Секреторные механизмы...........................86
Изучение секреторного механизма.............86
Механизм конститутивной секреции..............87
Регулируемая секреция.........................87
Потребность в кальции.......................87
Секреторные гранулы с плотным ядром.........88
Секреция по умолчанию.........................89
Связь с клиникой: муковисцидоз..............89
Молекулярные механизмы формирования
и движения пузырьков............................90
Отпочкование пузырьков........................90
СОР-1................................... ... 90
СОР-П.........................................90
Рециркуляция пузырьков........................92
Молекулярные переключатели..................92
SNAREs и направление пузырьков................92
Межвидовая консервативность: NSF............92
Пузырьки, покрытые клатрином..................93
Компоненты клатриновой оболочки.............93
Адан тины...................................93
Направление движения пузырьков................93
Формирование комплекса слияния..............93
ОТРазы: стыковка и слияние....................94
G-белки.....................................94
Мономерные ОТРазы...........................94
Rab-белки...................................94
Везикулярный транспорт: заключение............94
Комплекс Гольджи................................95
Полярность комплекса Гольджи..................95
Цис-, промежуточные и трш/с-стопки Гольджи ... 95
Биохимические процессы в комплексе Гольджи ... 96
Процессы гликозилирования
в комплексе Гольджи...........................96
Направленный транспорт веществ
из комплекса Гольджи..........................96
Лизосома..............................................97
Структура и функция.................................97
Уникальность лизосомных мембран...................97
Пути переноса веществ в лизосому..................98
Одиссея лизосомных гидролаз.......................99
Болезни синтеза и накопления
лизосомных ферментов...............................100
Болезни накопления мукополисахаридов.............100
I-клеточпая болезнь..............................100
Эндоцитоз..........................................102
Пиноцитоз........................................103
Рецепторно-опосредованный эндоцитоз..............103
Вход веществ в клетку путем
рецепторно-опосредованного эндоцитоза..............103
ЛПП-холестерол, трансферрин и факторы роста . . . 103
Нарушения рецепторно-опосредованного
эндоцитоза.........................................105
Взаимосвязь с клиникой...................105
Фагоцитоз..................................105
Механизмы захвата частиц фагоцитами........106
Увеличение складок па поверхности........106
Преобразование фагоцитарного сигнала.....107
Образование фаголизосомы.................107
Трансцитоз.................................108
Экзоцитоз................................108
Конститутивные и регулируемые органеллы ... 108
Нейротрансмиттеры и синаптические пузырьки . . . 108
Направление веществ к различным участкам
плазматической мембраны............................109
Адресные маркеры.........................109
Медицинские аспекты клеточной биологии .... 110
Заключение.................................110
Библиография...............................110
Глава 5. Митохондрии и клеточная энергетика.........................112
()сновные термины...........................112
Митохондрии и получение энергии.............112
Строение митохондрий......................112
Окисление.................................114
Протоны и генерация энергии..................114
Углеводы и жиры..............................115
Образование ацстил-СоА.........................117
Хемиосмотическое сопряжение..................117
8
Содержание
Транспорт электронов............................120
Роль протонного насоса в системе транспорта
электронов......................................122
Синтез АТР и дыхательная цепь..............123
Заболевания, связанные с митохондриями .... 123
Библиография...............................125
Глава 6. Клеточный цикл и деление клетки
126
Основные термины.................................126
Основные законы клеточного цикла.................126
Фазы нормального клеточного цикла..............126
Продолжительность клеточного цикла.............127
Поступательный характер клеточного цикла .... 127
Данные, полученные в опытах на яйцах лягушки. . 128
Процессы созревания половых клеток.............128
Фактор, стимулирующий созревание.............128
MPF: регулятор митотических процессов........129
Роль ни клина В..............................129
Строение циклима В...........................129
Двигатель клеточного цикла.....................129
Разрушение циклина В...........................130
Блок разрушения и убиквитин..................130
Участие MPF в процессах митоза.................131
Регуляция клеточного цикла у млекопитающих . . 131
Роль многочисленных циклинзависимых киназ
и циклинов.....................................131
Роль комплексов Cdk-циклин...................131
Регуляторные точки фаз клеточного цикла .... 132
Белок р53: связь с клиникой..................132
Белки, ингибирующие комплексы Cdk-циклип. . . 133
Семейство р21................................133
Семейство ингибиторов р!5 и р!6..............134
Белки-супрессоры опухолей:
клиническое значение...........................134
р53 и Rb.....................................134
Апоптоз........................................134
Значение двухвалентных катионов..............135
Изменения мембран апоптотических клеток .... 135
Механизмы передачи сигнала при апоптозе .... 135
Старение клетки................................136
Старение клеток в культуре ткани:
результаты исследований..........................136
Результаты исследований и их интерпретация . . . 136
Гипотеза старения: окислительное воздействие . . . 137
Регуляция клеточного цикла в тканях...............137
Роль тромбоцитарного фактора роста...............137
Факторы роста....................................137
Часть клеточного цикла, не связанная
с делением.........................................138
Роль фазы Go и генетического переключения. . . . 138
Межклеточные контакты:
когда нормальные клетки прекращают делиться. . . 138
Нерегулируемый клеточный рост:
клиническое значение...............................138
Протоонкогены..............................138
Основные механизмы клеточного деления .... 139
Митоз......................................139
Конденсация хроматина......................139
Растворение ядерной мембраны...............140
Роль микротрубочек, микротубулярных
двигателей и кипстохоров.........................142
Микротрубочки, образование веретена
и метафаза.........................................142
Центриоли........................................142
Кинетохор........................................142
Микротубулярныс двигатели........................143
Анафаза..........................................143
Телофаза.........................................143
Цитокинез........................................143
Заключение.........................................143
Библиография.......................................144
Дополнительная литература..........................144
Глава 7. Цитоскелет................................................... 145
Основные термины.............................145
Микротрубочки и центросома...................145
Молекулярные двигатели.....................146
Актиновая кора.............................148
Промежуточные филаменты......................147
Структура промежуточных филаментов.........147
Белки промежуточных филаментов.............147
Микротрубочки................................149
Основная структура.........................149
Сборка микротрубочек in vitro..............149
Микротрубочки и динамическая нестабильность ... 150
Белки, ассоциированные с микротрубочками .... 152
Микротрубочки: связь с клиникой..............152
Молекулярные двигатели:
движение по микротрубочкам...................153
Реснички и центриоли.........................154
Динеин — молекулярный двигатель
ресничек и жгутиков........................157
Связь с клиникой: дисфункция ресничек
у человека.................................157
Актиновые филаменты..........................157
Полимеризация актина.........................158
Гидролиз АТР при полимеризации актина.....158
Контроль полимеризации актина и актин-связывающие
белки......................................158
Актин-связывающие белки.............159
Профилины..................................159
Тимозип’р4.................................159
Спектрин...................................159
Актин-белки................................160
Функция актиновых филаментов:
связь с клиникой...........................160
Регуляция сборки актина клеточной коры:
связь с клиникой...........................161
Актиновый цитоскелет и рак...................161
Клеточная сигнализация, кальций и гельзолин . . 161
Соляция....................................161
Гельзолин..................................161
Миозины и связанные с ними молекулы.........162
Мышечная функция иемышечных клеткок .... 163
Микроворсинки................................163
Мышца..........................................164
Скелетная мышца..............................164
Мышечное сокращение..........................165
Содержание
9
Цикл сокращения..............................165
Регуляция мышечного сокращения...............168
Стехиометрия тропониновых субъединиц........168
Роль Са2+ в мышечном сокращении..............169
Механизм сокращения гладкой и сердечной
мускулатуры................................169
Библиография...............................171
Дополнительная литература..................171
Другие белки, необходимые для мышечного сокращения:
дистрофин (мышечная дистрофия)..............169
Глава 8. Клеточные контакты, межклеточная адгезия
и внеклеточный матрикс................................................172
Основные термины..............................172
Межклеточные соединения
и передача информации.........................172
Клеточные контакты и адгезия..................172
Виды контактов..............................173
Плотные контакты............................173
Базолатеральная поверхность:
связь с клиникой..........................174
Прикрепительные контакты....................175
Межклеточные адгезионные контакты...........175
Кадгерины.................................176
Катенины..................................177
Клеточно-матриксные взаимодействия..........177
Десмосомальные соединения.................177
Десмосомальные соединения: связь с клиникой ... 177
Полудесмосомы...............................178
Интегрипы...................................178
Интегрины: связь с клиникой.................178
Щелевые контакты............................179
Внеклеточный матрикс..........................179
Фибробласты и секретируемые ими вещества. . . 180
Базальная мембрана..........................181
Роль внеклеточного матрикса в процессе
передачи сигнала и дифференцировке клеток . . . 181
Основные свойства гликозаминогликанов.......181
Основные группы гликозаминогликанов.........181
Протеогликаны...............................181
Коллаген......................................183
Биосинтез коллагена.........................184
Проколлаген.................................184
Прочность коллагена.........................185
Коллаген IV типа............................186
Связь с клиникой: коллагеновые болезни......186
Фибронектин...................................187
Интегрин-фибронективый рецептор:
роль в процессе метастазирования опухолей .... 187
Ламинин.......................................188
Энтактин......................................189
Молекулы клеточной адгезии....................189
Нейрональные САМ............................189
Клеточная адгезия и передача сигнала..........190
Библиография..................................190
Глава 9. Молекулярные механизмы передачи сигнала:
основные пути межклеточной сигнализации............................191
Основные термины..............................191
Фосфорилирование и клеточная сигнализация . . 191
Киназы и фосфатазы..........................192
Роль фосфорилирования......................192
Роль дефосфорилирования....................192
Семейства СТРаз.............................192
Вторичные мессенджеры.......................193
сАМР.......................................193
cGMP.......................................193
Диацилглицерол.............................193
Инозитолтрифосфат..........................193
Кальций....................................193
Способы доставки
сигнальных молекул к клеткам................195
Паракринный механизм.......................195
Аутокринный механизм.......................195
Юкстакринный механизм......................195
Сигнализация с участием клеточных рецепторов . . 195
Приобретение и утрата функции..............195
Некоторым клеткам требуется
сигнальный лиганд, чтобы избежать
программируемой клеточной смерти...........196
Различные клетки по-разному
отвечают на одинаковые сигналы.............196
Обратная регуляция сигнала.................196
Механизмы передачи сигнала в клетках
млекопитающих.................................196
Группа 1: семейство липофильных рецепторов . . . 196
Группа 2: семейство гидрофильных рецепторов. . . 197
Сигнальные механизмы, нс связанные
с поверхностными рецепторами клетки.............197
Передача сигнала: щелевые контакты............197
Роль секретина и кальция....................197
Роль оксида азота в клеточной сигнализации ... 198
Оксид азота: связь с клиникой...............198
Липофильные лиганды и ядерныс рецепторы . . . 199
Стероидная сигнальная система.................200
Связь с клиникой: ожирение..................200
Сигнализация с участием поверхностных
рецепторов клетки.............................201
Рецепторы ионных каналов....................201
Конформации ионных каналов:
регуляторные механизмы......................202
Рецепторы, сопряженные с G-белком.............203
Семейство рецепторов, связанных с G-белками. . . 203
G-белки: связь с клиникой...................204
1. Семейство а-субъединиц G-белков..........207
Как G-белки прикрепляются
к клеточной мембране........................207
2. Эффекторные механизмы G-белков...........207
Роль адепилатциклазы, сАМР и Са2+...........208
10
Содержание
сАМР и протеинкиназа А..........................209
Протеинкиназа А...............................210
Метаболические процессы,
регулируемые протеинкиназой А.................210
Процессы транскрипции, регулируемые РКА.
с АМР контролирует различные гены............210
Роль протеинфосфатаз в передаче сигнала......210
Мобилизация вторичного мессенджера: катыши . . . 211
Протеинкиназа С и клеточная сигнализация ... 211
Роль мембранного фосфоинозптола..............211
Роль РКС в клеточной сигнализации............213
Физиологические функции РКС...............213
Внутриклеточные кальциевые каналы............213
Кальмодулин: самый распространенный
кальций-связывающий белок....................2Л4
Молекулярные принципы передачи сигнала
в сенсорных клетках..........................214
Молекулярный механизм зрения...............214
Фоторецепторная сигнальная система: палочки. . . 214
Фоторецепторная сигнальная система: колбочки . . 217
Молекулярные механизмы обоняния............217
Библиография...............................217
Глава 10.Механизмы передачи сигнала:
фермент-связывающие и фермент-содержащие рецепторы................218
Основные термины..............................218
Рецепторные тирозинкипазы.....................219
Основная структура RPTK-рецепторов..........219
Наружный домен............................219
Трансмембранный домен.....................220
Цитоплазматический домен..................220
Семейство рецепторных тирозинкиназ........220
Лиганды RPTKaa..............................220
Механизмы передачи сигнала КРТКаэами......221
Передача сигнала от активированного
RPTK-репептора............................221
Src-семейство внутриклеточных тирозинкиназ . . 225
Участие протеинфосфатаз в передаче сигнала. . . 227
Передача сигнала от тирозинкиназных
рецепторов....................................228
Свойства нстирозинкиназпых рецепторов.......228
Избыточность..............................228
Раздел они е переда юн щ х
рецепторных субъединиц.....................229
Плейотропия................................229
Рецепторы гемопоэтических цитокинов.........230
Сигнальный механизм
гемопоэтических цитокинов...................231
Рецепторы с серин-трсонинкиназиым доменом . . 232
Трансформирующий фактор роста р.............233
Рецепторы TGF-p...........................233
Передача сигнала через интегриновые рецепторы . 234
Прикрепление интегрнна
к внеклеточному матриксу и цитоскелету......234
Структура и компоненты
адгезионных пластинок......................234
Заключение..................................236
Библиография................................236
Приложение А. Микроскопия............................................237
Приложение В. Нуклеиновые кислоты и аминокислоты....................240
Предметный указатель..............................................244
Благодарности
Мы хотели бы выразить признательность за
большой вклад со стороны других авторов. Мы
особенно высоко ценим ту великодушную щед-
рость, которую проявили несколько авторов изда-
тельства «Appleton & Lange»: доктора Уолтер К.
Бэлкаведж, Вильям Ф. Ганонг, Эрик Р. Кэндел,
Роберт К. Мюррей и их соавторы. Кроме того, мы
признательны за помощь, которую мы извлекли
из двух учебников «золотого стандарта» по совре-
менной клеточной биологии: это — «Молекуляр-
ная биология клетки» доктора Брюса Альбертса и
его коллег, а также «Молекулярная клеточная био-
логия» доктора Харвея Лодиша и его соавторов.
Текстуальное построение этих книг во многом
определило способ изложения в нашем учебном
пособии.
Персонально мы хотели бы выразить призна-
тельность тем людям, которые помогали каждому
из нас во многих отношениях. Господин Нельсон
Л. Фуэнтес из Алабамского университета и госпо-
жа Элис Риццо сыграли особенно важную роль,
помогая авторам в выполнении рутинной работы и
в построении каждой главы. Мы также благодарим
госпожу Аманду Сьювер за то, что она взяла на се-
бя задачу редактирования рукописи и подготовки
ее к печати, а также решение некоторых трудных
административных проблем.
Джеральд М. Фаллер, PhD
Дэннис Шилдс, PhD
Предисловие
За последние 20 лет знания, приобретенные
в области молекулярной и клеточной биологии,
полностью революционизировали представления о
том, как функционируют клетки и как реализуется
наша способность манипулировать их функцией.
Технология рекомбинантной ДНК - во взаимо-
действии с Проектом «Геном», который дает нам
возможность определять полные последовательно-
сти ДНК бактерий, дрожжей и млекопитающих,
в том числе и человека — все больше изменяет па-
ше понимание генетических заболеваний. Естест-
венные и модифицированные гены можно теперь
легко вводить в другие клетки, в том числе в эм-
брионы мух-дрозофил (Drosophila melanogaster),
червей (Caenorhabditis elegans), лягушек (Xenopus
laevis) и мышей (Mus spp.). Кроме того, на клеточ-
ном и молекулярном уровнях можно подробно
анализировать действие этих мутаций на индиви-
дуальные клетки и, фактически, на развитие всего
организма. На пороге нового тысячелетия возмож-
ность введения новых генов в различные организ-
мы имеет для врача глубокий смысл, потому что
коренным образом изменяется наша способность
понимать, диагностировать и лечить болезни.
Уже нс за горами введение генов в клетки с це-
лью исправления поврежденных генетических
функций и прицельного введения в раковые клет-
ки особых лекарств, которые убивают только те
клетки, чей рост неконтролируем. Более того, за
последние пять лет мы очень много узнали о слож-
ных сигнализирующих системах и взаимодействи-
ях, регулирующих рост и развитие клеток. Эти от-
крытия являются выдающимися для диагностики
п лечения таких заболеваний, как рак, диабет, бо-
лезни сердца и генетические дефекты. Раньше та-
кие открытия ограничивались сферой научной
фантастики. Принимая во внимание все преиму-
щества новых терапевтических воздействий, совре-
менный врач должен детально понимать функции,
развитие и рост клеток на молекулярном уровне.
Цель этой книги заключается в том, чтобы пред-
ставить эту информацию четко, просто и кратко,
что даст студентам-медикам и врачам возможность
понять клеточную и молекулярную основу процес-
сов заболевания. Для достижения этой цели мы
попытались описать клетки млекопитающих с точ-
ки зрения их молекулярной структуры и биохи-
мической функции. По мере того как описывается
каждая система органелл, мы связываем ее функ-
цию с конкретными заболеваниями. Например,
в настоящее время мы обладаем подробным пони-
манием молекулярного и клеточного механизма
муковисцидоза [cystic fibrosis], наследственного забо-
левания, поражающего примерно одного из 2000 че-
ловек. При этом заболевании сложный мембранный
белок, который обычно находится в плазматиче-
ской мембране и участвует в переносе хлоридов,
испытывает изменение в одной-единственной ами-
нокислоте. Однако это изменение оказывает силь-
ное воздействие на локализацию белка в клетке,
потому что изменившийся белок не может пра-
вильно складываться в эндоплазматической сети.
Вместо своего нормального перехода на клеточную
мембрану, белок остается в эндоплазматической
сети и распадается в цитоплазме.
Мы попытались собрать подобную информацию,
полученную на основе новейших исследований,
в которых использовались такие организмы, как
клетки дрожжей, плодовые мухи, нематоды и мы-
ши, чтобы дать всестороннее общее представление
о современной клеточной биологии и ее связи с по-
ниманием механизмов заболеваний человека. В на-
чальных главах мы обсуждаем основные принципы
строения клетки и тех базовых молекул, которые
составляют органеллы. В последующих главах рас-
смотрены функции индивидуальных органелл,
строение цитоскелета, транспортировка и выделение
внутриклеточного белка, сигнальная система клетки
и регуляция роста. Каждая глава строится на мате-
риале предыдущих, однако мы попытались изложить
материал так, чтобы любую главу можно было легко
понять без дополнительной информации. Таким об-
разом, каждая глава представляет исчерпывающий
обзор материала, который даст читателям возмож-
ность быстро просматривать отдельные темы. Поэтому
наше учебное пособие является ценным вспомога-
тельным средством для студентов, которые готовят-
ся к экзаменам по медицинским дисциплинам.
Идея этой книги получила развитие на осно-
ве университетского курса клеточной биологии.
Мы ощутили, что большинству студентов-медиков
нужно нечто большее, чем «поверхностное знание»
предмета. Наша цель заключается в том, чтобы ос-
вежить в памяти студентов понятия современной
клеточной биологии и показать, каким образом эти
понятия приложимы к клеточной функции в меди-
цинском или патологическом контексте. Надеемся,
что мы выполнили эту задачу.
Формирование различных
клеточных фенотипов
1
Развитие научного направления
Первые специалисты по клеточной биологии на-
зывали себя цитологами. Они были сосредоточены
в основном на изучении строения клетки (морфоло-
гии). Эта дисциплина базировалась на изготовле-
нии срезов и клеточных препаратов и их окрашива-
нии. Ученые исследовали структуры внутри клеток,
используя различные красители и процедуры фик-
сации, а затем делали выводы о функциях клеток
на основе их строения. Такой подход был достаточно
хорош для своего времени, но с развитием приборов
и технологий изменилась и клеточная биология.
Цитологи и микроанатомы стали заниматься кле-
точной биохимией и клеточной молекулярной
биологией. Физическая и молекулярная биохимия
открыла путь к пониманию трехмерной конформа-
ции молекул, контролирующих активность клетки.
С разработкой электронного микроскопа использо-
вание электронных лучей стало столь же важно в
получении изображения клеток, как и использо-
вание световых волн. Развитие методов иммуно-
логии позволило понять процессы взаимодействия
антиген—антитело и сделать открытие, что антите-
ла могут точно распознавать молекулы внутри
клетки. Использование антител позволило цитоло-
гам исследовать внутреннее содержимое клетки
способами, которые раньше были недоступны. Сего-
дня для изучения локализации, величины и взаи-
модействия даже крохотных количеств белков в раз-
ных отделах клетки применяют антитела. Трудно
оцепить какой-либо крупный скачок в биохимии,
генетике, иммунологии, эмбриологии или физиче-
ской химии как наиболее решающий для клеточ-
ной биологии. Но если и было достижение, равное
созданию микроскопа (любого типа), то это —
использование антител для идентификации, лока-
лизации и прослеживания судьбы регуляторных
белков внутри клетки.
Новые горизонты в клеточной биологии откры-
лись, когда было показано, что отдельные типы
клеток млекопитающих можно выращивать в ла-
бораторных условиях. Эту технологию, называе-
мую культурой тканей и клеток, стали применять
для выращивания клеток всех органов, включая
кожу, печень, почку, гипофиз, мышцу и даже неко-
торые типы клеток нервной системы. Развитие
этой технологии открыло путь к экспериментам,
в которых для клеток моделировали условия окру-
жающей среды. С использованием культуры кле-
ток можно искусственно менять нормальные фи-
зиологические условия. Таким способом можно
изучить реакцию клетки в тех случаях, когда изу-
чение такой реакции невозможно при нахождении
клеток in situ.
Шаг за шагом, была накоплена информация
о том, как клетки взаимодействуют друг с другом.
С использованием клеточных культур было четко
доказано значение молекул внеклеточного мат-
рикса для роста и взаимодействия клеток. Стали
расширяться представления о делении клеток и мо-
лекулах, которые его контролируют, о старении
клеток и различиях между нормальными клетками
и клетками опухолей. С помощью антител и культу-
ры клеток цитологи могут определить, какие моле-
кулы отсутствуют, дефектны или гиперактивны при
нарушении «социального поведения» клеток.
С конца 70-х годов молекулярная биология
обеспечила цитологов мощными инструментами
для исследования химии и регуляции функций
отдельных генов и полностью изменила подходы
к изучению клетки. Клонирование, определение
первичной последовательности, манипулирование
генов и их экспрессия в клетках культуры ткани
стали сегодня рутинным экспериментом, так же как
и создание специфических антител всего десятиле-
тие назад. Теперь для того, чтобы полностью понять
функцию белка, его ген обычно клонируют и затем
получают кодируемый им белок в огромных коли-
чествах с использованием прокариотических или
эукариотических клеток. Таким способом химию
белка, включая его трехмерную конфигурацию,
можно исследовать в деталях. Можно выделить лю-
бую отдельную молекулу и определить ее тончай-
шую структуру. Можно не только получить редкую
молекулу в недоступном ранее количестве, но также
генетически встроить ее в клетку и изучить эф-
фект ее «гиперэкспрессии». Зная наверняка, какие
Формирование различных клеточных фенотипов
молекулы участвуют в функции клетки, цитолог
может выделить отдельную функцию, молекула за
молекулой, и изучить детали каждого взаимодейст-
вия, о чем нельзя было и мечтать два или три деся-
тилетия назад.
Более того, в последние 10 лет стало возможным
встраивать гены в геном живых мышей (получая
так называемых трансгенных мышей) и изучать их
функцию. Эта технология проложила дорогу к соз-
данию животных, имеющих заданные дефекты,
и к изучению их фенотипа как в развитии, так и во
взрослом состоянии. Кроме того, путем введения
отдельных онкогенов в определенные клетки стало
возможным получать из этих клеток опухоли и п-
рививать их (опухоли) животному или изучать в
культуре ткани.
Нельзя не подчеркнуть, как много информации
о функциях человеческих клеток было получено
при изучении менее сложных организмов. Мы при-
ведем три различных организма и опишем, как ка-
ждый из них использовался. Однако наш список
далеко не полон. Первыми должны быть упомяну-
ли клетки дрожжей; они особенно помогли про-
, 11 ль свет на молекулярные события клеточного
никла, так как с дрожжами легко манипулировать
генетически и выращивать их в лаборатории. Кина-
зы и циклимы (субъединицы белков, синтез и рас-
пад которых увеличивается и уменьшается в те-
чение клеточного цикла) - основные молекулы,
«М жш № та
цикла, Изучение этих молекул сыграло существен-
ную роль в формировании современных представ-
лений о том, как развиваются клетки млекопитаю-
Нобелевской премии Christine Nusslein-Volhard
(Германия), Eric Wieschaus (США) и Edward Lewis
(США) (1995).
В конечном итоге все эукариотические клетки
используют сходные молекулы для выполнения
одинаковых функций; таким образом, мы все взаи-
мосвязаны и, вероятно, объединены общим проис-
хождением. Чем лучше мы понимаем строение про-
стых систем, тем больше мы узнаем о самих себе.
Фенотипы клеток млекопитающих
Хотя не все клетки млекопитающего выглядят
и ведут себя одинаково, они имеют идентичный ге-
нетический материал1. Сегодня мы знаем, что око-
ло 200 различных клеточных фенотипов в организ-
ме человека отличаются тем, какие гены в них экс-
прессируются, а также сигналами, определяющими
время экспрессии определенного гена или набора
генов. В этой главе мы обсуждаем множество раз-
личных фенотипов клеток млекопитающих и их
социальную и функциональную организацию. За-
тем мы обратим наше внимание на основные меха-
низмы, контролирующие экспрессию генов, и па
участки клетки, наиболее чувствительные к регу-
ляторным воздействиям. Наконец, мы рассмотрим,
как клетки зрелых тканей воспроизводятся в тече-
ние жизни взрослого организма.
Организация клеток в ткани
Термин ткань был введен французским хирур-
гом Bichat при описании его концепции различных
«текстур» (лат fexprf — ткатД иепппапАнтгп тп™
Формирование различных клеточных фенотипов
молекулы участвуют в функции клетки, цитолог
может выделить отдельную функцию, молекула за
молекулой, и изучить детали каждого взаимодейст-
вия, о чем нельзя было и мечтать два или три деся-
гилетия назад.
Более того, в последние 10 лет стало возможным
встраивать гены в геном живых мышей (получая
так называемых трансгенных мышей) и изучать их
функцию. Эта технология проложила дорогу к соз-
данию животных, имеющих заданные дефекты,
и к изучению их фенотипа как в развитии, так и во
взрослом состоянии. Кроме того, путем введения
отдельных онкогенов в определенные клетки стало
возможным получать из этих клеток опухоли и п-
рививать их (опухоли) животному или изучать в
культуре ткани.
Нельзя не подчеркнуть, как много информации
о функциях человеческих клеток было получено
при изучении менее сложных организмов. Мы при-
ведем три различных организма и опишем, как ка-
ждый из них использовался. Однако наш список
далеко не полон. Первыми должны быть упомяну-
ты клетки дрожжей; они особенно помогли про-
лить свет на молекулярные события клеточного
цикла, так как с дрожжами легко манипулировать
генетически и выращивать их в лаборатории. Кина-
зы и циклины (субъединицы белков, синтез и рас-
пад которых увеличивается и уменьшается в те-
чение клеточного цикла) — основные молекулы,
которые руководят клеткой па всем протяжении
цикла. Изучение этих молекул сыграло существен-
ную роль в формировании современных представ-
лений о том, как развиваются клетки млекопитаю-
щих в течение клеточного цикла. Дрожжевые клетки
также стали основной моделью для исследования
молекулярных основ секреции: пути передвижения
внутриклеточных везикул, сортировка белков
и биогенез органелл были поняты благодаря ис-
пользованию дрожжевых клеток.
Два абсолютно разных беспозвоночных организ-
ма, Caenorhabditis elegans (небольшая нематода)
л Drosophila melanogaster (плодовая мушка), служат
пличными моделями для изучения развития клет-
ки, органогенеза, программируемой клеточной
- мерти и молекулярной генетики поведения клетки.
Врачи моментально оценили важность новых зна-
ний о функции клетки, полученных на нематоде
или плодовой мушке, и значение этой информации
,ця понимания поведения человеческих клеток,
i 1 действительно, роль плодовой мушки в углубле-
нии наших знаний о ранних стадиях развития и эм-
бриогенеза была недавно отмечена присуждением
13
Нобелевской премии Christine Nusslein-Volhard
(Германия), Eric Wieschaus (США) и Edward Lewis
(США) (1995).
В конечном итоге все эукариотические клетки
используют сходные молекулы для выполнения
одинаковых функций; таким образом, мы все взаи-
мосвязаны и, вероятно, объединены общим проис-
хождением. Чем лучше мы понимаем строение про-
стых систем, тем больше мы узнаем о самих себе.
Фенотипы клеток млекопитающих
Хотя не все клетки млекопитающего выглядят
и ведут себя одинаково, они имеют идентичный ге-
нетический материал1. Сегодня мы знаем, что око-
ло 200 различных клеточных фенотипов в организ-
ме человека отличаются тем, какие гены в пих экс-
прессируются, а также сигналами, определяющими
время экспрессии определенного гена или набора
генов. В этой главе мы обсуждаем множество раз-
личных фенотипов клеток млекопитающих и их
социальную и функциональную организацию. За-
тем мы обратим наше внимание на основные меха-
низмы, контролирующие экспрессию генов, и на
участки клетки, наиболее чувствительные к регу-
ляторным воздействиям. Наконец, мы рассмотрим,
как клетки зрелых тканей воспроизводятся в тече-
ние жизни взрослого организма.
Организация клеток в ткани
Термин ткань был введен французским хирур-
гом Bichat при описании его концепции различных
«текстур» (лат. texere — ткать) человеческого тела.
На основе обширных исследований на трупах
Bichat сделал вывод, что организм состоит из мно-
жества различных материалов, сотканных вместе
и формирующих различные структуры и ткани.
Его наблюдения оказались верными. Позже выяс-
нили, однако, что в действительности существует
только четыре основных типа тканей: эпителиаль-
ная, соединительная, мышечная и нервная. Внутри
каждого из этих основных типов есть множество
подтипов тканей с различными морфологическими
и функциональными свойствами.
Мы не будем здесь описывать детали каждой из
основных тканей — эта задача гистологии. Важно,
однако, кратко охарактеризовать основные типы
клеток перед обсуждением молекулярных процес-
сов, происходящих в этих клетках.
Клетки эпителия. Внешняя поверхность тела
и почти все внутренние поверхности покрыты не-
прерывным слоем клеток, который называется
В пределах одной особи. — Здесь и далее прим. ред.
14
эпителием и состоит из эпителиальных клеток.
Эта ткань отличается плотными межклеточными
контактами и формирует прочный покров, непрони-
цаемый для жидкостей (рис. 1-1). Эпителиальные
клетки полярны, так как их поверхности (апикаль-
ная и базолатеральная) различаются. Эти клетки
имеют широкий спектр специализации, и одной из
наиболее значимых функций является их способ-
ность секретировать жидкости. Иногда эти вещест-
ва секретируются непосредственно на поверхность
клетки, в других случаях клетки эпителия форми-
руют протоки или каналы, через которые секрет
выводится из ткани. Некоторые эпителиальные
клетки выделяют секрет непосредственно в кровь;
эти клетки обычно расположены вблизи капилляр-
ной сети (см. главу 2).
Клетки соединительной ткани. Клетки со
единительной ткани выполняют опорную, соеди-
нительную и питательную функции в отношении
клеток других тканей. Многие типы клеток этой
группы производят значительные количества вне-
клеточного матрикса (рис. 1-2). Организация это-
го матрикса в основном имеет белковую природу;
он содержит различные типы коллагенов и другие
структурные белки, такие как фибронектин, лами-
нин и витронектин (см. главу 8). Одна из основ-
ных функций соединительной ткани — синтез
уникальных типов коллагена и других молекул
матрикса. Важным структурным элементом, со-
стоящим из соединительнотканных клеток, явля-
ется базальная пластинка; на пей расположено
большинство эпителиальных клеток. Хотя базаль-
ная пластинка в основном состоит из веществ,
синтезированных клетками соединительной тка-
ни, другие типы клеток тоже иногда вносят вклад
в ее состав (рис. 1-3).
Фибробласт — относительно недифференциро-
ванная клетка соединительной ткани. Он служит
клеткой-предшественником, из которой формиру-
ются другие клетки соединительной ткани, вклю-
чая адипоциты (клетки жировой ткани), гладкие
мышечные клетки и клетки, продуцирующие кост-
ную и хрящевую ткань. Определенные фибробла-
сты специализированы на продукции, модифика-
ции и перестройке костей и хрящей. Эти клетки
называются остеобластами, остеоцитами, хонд-
робластами и хондроцитами. Построение кости
и хряща — динамический процесс, который длится
в течение всей жизни организма. Клетки крови,
включая эритроциты, моноциты, нейтрофилы, базо-
филы, эозинофилы, тромбоциты, происходят из
клеток соединительной ткани. Эти клетки продуци-
Г лава 1
руются миелоидной тканью внутреннего отдела
костей, называемой костным мозгом.
Клетки мышечной ткани. Третьей основной
тканью является мышца. Хотя все клетки этой тка-
ни специализированы на сокращении, они обычно
заметно отличаются друг от друга морфологически
и функционально. Существуют четыре вида сократи-
мых клеток: клетки скелетных или поперечнополоса-
тых мышц, клетки сердечной мышцы, клетки гладкой
мускулатуры (производные фибробластов) и мио-
эпителиальные клетки (производные эктодермы).
Клетки скелетных мышц обычно имеют сильно
удлиненную форму, их часто называют мышечны-
ми волокнами. Отдельное мышечное волокно
(клетка) представляет собой синцитий, который
содержит множество ядер и общую цитоплазму.
Новые мышечные волокна образуются при слия-
нии миобластов (рис. 1-4 и 1-5). Клетки сердечной
мышцы, как п клетки поперечнополосатых мышц,
формируют синцитий. Сократительные белки (мио-
зин, актин и другие структурные белки) организо-
ваны в правильную линейную структуру, называе-
мую саркомером (см. главу 7). Клетки гладкой
мускулатуры не формируют синцитий. Они собра-
ны в длинные пучки, и их сокращение гораздо сла-
бее и длительнее, чем у клеток поперечнополосатой
или сердечной мышцы. Гладкомышечные клетки,
важный компонент кровеносных сосудов, участвуют
в распределении кровотока, особенно в системе мик-
роциркуляции1. Миоэпителиальные клетки также
не имеют поперечной псчерчеппости и развиваются,
скорее, из эктодермы, чем из мезодермы, которая
является предшественником всех остальных мы-
шечных клеток. Эти сокращающиеся клетки регули-
руют ответ определенных чувствительных клеток,
таких как клетки радужной оболочки, потовых, мо-
лочных и других желез, реагирующих на сенсорные
стимулы (рис. 1-6).
Клетки нервной ткани. Нервные клетки, чет-
вертый класс основных тканей, характеризуются
своей «раздражимостью» и способностью прово-
дить электрические импульсы. Эти клетки состав-
ляют основную коммуникативную сеть организма.
Нейроны делятся на три больших группы: унипо-
лярные, биполярные и мультиполярные. Эта клас-
сификация отражает различия в количестве и рас-
положении отростков, исходящих из тела нервной
клетки (рис. 1-7). Простейший униполярный нейрон
имеет один главный отросток со многими ответвле-
ниями; одно из них служит аксоном, а другие —
дендритами. У беспозвоночных в основном найде-
ны униполярные нейроны. Биполярные нейроны
1 Капилляры не имеют мышечной стенки, ее имеют крупные сосуды и артериолы, вплоть до самых мелких.
армирование различных клеточных фенотипов
15
1-1. Типы эпителиальной ткани. На этих микрофотографиях показаны 4 типа сложной эпителиальной ткани:
г. . юйпый плоский ороговевающий эпителий (Л), многослойный плоский неороговевающий эпителий (Б), пере-
.-шителий (В), реснитчатый и се в дом ногослойный (многорядпый) цилиндрический эпителий (Г). Все препа-
4- . крашены гематоксилин-эозином, х 500. (Печатается с разрешения из: Junqueia LC. Basic Histology, 8th ed.
’ш & Lange, 1995, p. 62)
: два основных отростка: дендритный отрос-
мпожеством ответвлений, который проводит
рмацию от периферии к телу клетки, и аксон,
дй передает информацию от клетки к другим
нам или клеткам-мишеням. Аксоны нейронов
:;! ваются межнейронными соединениями,
называются синапсами. Электрические им-
•. передаются от одного нейрона к следующему
• (екреции химических веществ — нейро-
ми гтеров в области синаптического контакта.
Биполярные нейроны передают сигналы в цен-
тральную нервную систему (ЦНС) через каскады
межнейронных связей. Мультиполярные нейроны
преобладают в ЦНС позвоночных. Эти клетки
имеют единственный аксон и сложную сеть денд-
ритных контактов. Например, мультиполярный ак-
сон двигательного нейрона спинного мозга имеет
умеренное количество дендритов — около 10 000.
Примерно 2000 этих дендритных контактов прихо-
дится на тело клетки и около 8000 — соединяется
16
Глава 1
Рис. 1-2. Матрикс соединительной ткани. На электронной микрофотографии видны различные элементы матрикса.
Матрикс состоит из белков и клеток, погруженных в основное вещество. Видны коллаген (К), эластические волокна (Э)
и фибробласты (Ф). Гранулированпость основного вещества — артефакт процедуры фиксации, использовавшейся
при подготовке образца, х 100 000. (Печатается с разрешения из: Junquera LC Basic Histology, 8th ed. Appleton &
Lange, 1995, p. 89)
пластинка
А Б
Рис. 1-3. Типы базальных мембран. Толстая базальная мембрана (Л) соединяет слои эпителиальных и эндотелиаль-
ных клеток. Она формируется слиянием базальных пластинок этих двух слоев. Толстая центральная lamina densa
(темпоокрашенпая зона) покрыта пластинами lamina lucida (светлоокрашенные зоны) с каждой стороны. Такие
базальные мембраны находятся в клубочках ночки (показано здесь) и в легочных альвеолах. Более распространен-
ный тип базальной мембраны (Б) образует границу между слоем эпителиальных клеток и соединительной тканью.
Он формируется соединением клеточной базальной пластинки и ретикулярной пластинки соединительной ткани.
Обратите внимание на якорные фибриллы, состоящие из коллагена IV типа, которые связывают базальную ламину и
коллаген. Микрофибриллы пронизывают базальную пластинку, связывая ее с эластическими волокнами в соедини-
тельной ткани. (Печатается с разрешения из: Junquera LC. Basic Histology, 8th ed. Appleton & Lange, 1995, p. 63)
Формирование различных клеточных фенотипов
Рис. 1-4. Волокно скелетной мышцы. Па электронной микрофотографии видна линейная организация миофибрилл,
которая приводит к характерной полосатой морфологии клеток этого типа. Саркомер, сократительная единица
волокна, ограничен Z-линиям и (Z)1, которые рассекают 1 полосу (1). Внутри саркомера находится электрон-
• и-плотная полоса А (А), разделенная электронно-прозрачной И полосой (Н). Видны также митохондрии (М)
Крыса; х 24 280. (Воспроизведено с разрешения из: Berman I. Color Atlas of Basic Histology. Appleton & Lange, 1993,
. 72. Благодаря M Snow). Другие детали см. на рис. 7-12
дендритным деревом. Клетка Пуркинье мозжечка,
амый большой мультиполярный нейрон, имеет
коло 150 000 дендритных контактов.
Второй крупный класс клеток нервной системы
оставляют клетки глии. В ЦНС клеток глии по-
звоночных примерно в 10~15 раз больше, чем ней-
лонов. Клетки олигодендроглии, шванновские
клетки и астроциты — три основных типа глиаль-
ных клеток. В ЦНС клетки глии выполняют самые
разнообразные функции, в том числе:
(1) служат опорными элементами для нейронов,
разделяют и изолируют нейроны друг от друга;
(2) продуцируют миелин, служащий изолирую-
щей оболочкой и необходимый для некото-
рых видов нейронов;
( 3) выполняют роль «уборщиков», удаляя остат-
ки клеток;
(4) участвуют в формировании непроницаемого
клеточного барьера между головным мозгом
и капиллярами, так называемого гематоэнце-
фалического барьера.
Клетки глии выполняют и другие важные функ-
ции в ЦНС, которые пока не изучены до конца.
Различные фенотипы клеток четырех
основных тканей
Мы очень коротко перечислили и охарактеризо-
вали клетки, составляющие четыре основные тина
тканей организма. Как атом углерода в органиче-
ской химии, эти клетки изменяются невообразимым
образом, формируя фенотипы, сильно отличаю-
щиеся от первоначальной структуры клеток-праро-
дителей. Этот же принцип построения и измене-
ния основных структур клетки лежит в основе
дифференцировки и приобретения клетками спе-
циализированных функций. Недавно по данным
•ди / дисками.
18
Глава 1
Рис. 1-5. Клетка-сателлит скелетной мышечной ткани в поперечном разрезе. На электронной микрофотографии
клетки-сателлита скелетной мышцы видно, что она (С) лежит полностью внутри наружной пластинки (НП) мышеч-
ного волокна (МВ) в нижней части фотографии. (Я — ядро мышечного волокна; М — митохондрия; ОК — отросток
клетки капиллярного эндотелия; Э - - эритроцит.) Крыса; х 25 600. (Воспроизведено с разрешения из; Berman I. Color
Atlas of Basic Histology. Appleton & Lange, 1993, p.72. Благодаря M Snow.)
гистологии была составлена сводная таблица 200
четко различающихся типов клеток. Клетки каж-
дого вида были идентифицированы и изучены
с помощью светового и электронного микроско-
пов. Этот каталог клеток человеческого организма
имеет довольно важное значение: он позволяет
нам увидеть в относительно компактном виде ши-
рокое разнообразие фенотипов клеток, приспособ-
ленных для выполнения многочисленных клеточ-
ных функций (табл. 1-1).
Более подробные сведения о структуре клеток,
которые играют ключевую роль в здоровье и болез-
нях человека, читатель сможет найти в Color Atlas
of Basic Histopathology Clara Milikowski и Irwin
Berman, Appleton & Lange, 1997.
Регуляция экспрессии генов:
краткий обзор
За редким исключением каждая клетка организ-
ма человека содержит абсолютно одинаковый на-
бор генов (их количество оценивают между
100 000-300 000)1. Широкое разнообразие феноти-
пов клеток обусловлено различной комбинацией
экспрессируемых генов в различных типах клеток.
И репрессия, и активация генов происходят во вре-
мя развития; часто оба процесса продолжаются
в течение всей жизни дифференцированной клет-
ки. Более того, в процессе развития клетки многие
гены необратимо выключаются, то есть такие гены
теряют способность к транскрипции и никогда не
экспрессируются в клетках этого типа. Транскрип-
ция других генов держится на постоянном уровне
в течение всей жизни клетки (конструктивная экс-
прессия).
Кроме подобного более или менее постоянного
статуса экспрессии, активность многих генов может
Современные данные, основанные на секвенировании генома человека ограничивают их число около 30 000.
!ссм,юование различных клеточных фенотипов
19
W 1-6. Сердечная мышца. Эта электронная микрофотография сердечной мышцы иллюстрирует ее характерные
г:-:. Клк и в других скелетных мышцах, саркомер ограничен соседними Z-линиями (Z). Отмечен вставочный
м i : едка), который является уникальным признаком морфологии сердечной мышцы. (I — I полоса; А — А по-
ив .4 . И полоса; М — митохондрия; П — пары тубулярной системы.) Крыса; х 5500. (Воспроизведено с разреше-
на В-. гшап I. Color Atlas of Basic Histology. Appleton & Lange, 1993. p.77. Благодаря J-P Brunschwig.)
нт-? меняться под действием специальных регу-
;• ь. Например, интенсивность транскрипции
и - < ив)й рибонуклеиновой кислоты (мРНК) мо-
именно увеличиваться или уменьшаться под
г— шм белков, которые связываются с регуля-
г ми зонами гена. Активность регуляторных
г . в свою очередь, контролируется рецептора-
м лсшзованными или внутри клетки, или на ее
г* . хности. Разнообразные рецепторы распознают
тг :•ическне молекулы, такие как стероидные
xv ны. пептидные факторы роста и нейромедиа-
-г-. ,1 передают молекулярные сигналы внутрь
лг-.* я что контролирует активность регуляторных
г * действующих на дезоксирибонуклеиновую
ж . (ДНК; см. Приложение А).
? транскрибируемой матрице ДНК выделяют две
и,- .лс функциональные области — кодирующую
: -» -.ля торную. Матричная РНК транскрибирует-
л ДНК (кодирующей белок) с помощью фермен-
та РНК-полимеразы II. Регуляторная область гена
обычно находится перед началом кодирующей об-
ласти* 1. Регуляторные элементы ДНК располагают-
ся рядом с кодирующей областью (примыкают
к ней), они называются cis-регуляторными эле-
ментами. Напротив, факторы транскрипции регу-
ляторных белков, связывающихся с субэлемента-
ми, являются frans-регуляторами по отношению
к гену-мишени, поскольку кодирующие их гены на-
ходятся далеко (например, на другой хромосоме).
Регуляторная область структурного гена содержит
участок, называемый промотором. Этот участок при-
мыкает к точке начала транскрипции и в большинст-
ве случаев содержит участок около 8 пар оснований,
которые включают несколько адениновых (А) и ти-
мидиновых (Т) нуклеотидов. Этот элемент, называе-
мый ТАТА-блоком2, окружен участками, богаты-
ми гуанином (Г) и цитозином(Ц).
ирные элементы могут находиться в интронах генов (например, энхансеры генов тяжелых пеней иммуноглобулинов) и
I эанскрибируемого гена (например, энхансер р-глобина курицы).
аж (или ТАТА-бокс) первоначально называли блоком Хогнесса (Hogness box).
20 __________ _____Глава 1
Рис. 1-7. Периферические нервные волокна. На электронной микрофотографии видны миелинизированные и немие-
линизированпые нервные волокна. (ШЯ — ядро шванновской клетки; ЦШ — цитоплазма шванновской клетки; ФМ —
формирующаяся миелиновая оболочка; НМ А - немиел линзированный аксон.) Крыса; х 28 420. На нижней фотогра-
фии показана часть миелинизированного аксона в поперечном разрезе. (НМ - наружный мезаксон; М - миелиновая
оболочка; НФ — нейрофиламенты; МТ — микротрубочки.) Крыса; х 69 580. (Воспроизводится с разрешения из:
Berman I. Color Atlas of Basic Histology. Appleton & Lange, 1993, p.68. Благодаря M Barlett Bunge.)
Форм и рова н ие_р_аз л и ч н ых к л ето ч н ых фенотип о в
Таблица 1-1. Типы клеток взрослого человека
Ороговевающие эпителиальные
клетки
Кератиноциты эпидермиса (диффе-
ренцирующиеся эпителиальные
клетки)
Базальная клетка эпидермиса
(стволовая клетка)
Кератиноцит ногтей
Базальная клетка ногтевого ложа
(стволовая клетка)
Клетки стержня волоса
Клетка сердцевины волоса
Кортикальная
Кутикулярная
Клетки оболочки корня волоса
Кутикулярная
Слоя Huxley (Гексли)
Слоя Henle (Генле)
Наружная
Клетка волосяного матрикса (ство-
ловая клетка)
Клетки влажных плоских барьер-
ных эпителиев
Поверхностная эпителиальная клет-
ка многослойного плоского эпите-
лия роговицы, языка, ротовой по-
лости, пищевода, прямой кишки,
дистальной части уретры, влагали-
ща
Базальная клетка тех же видов эпи-
телия (стволовая клетка)
Клетка мочевыводящих путей эпи-
телия (выстилающая мочевой пу-
зырь и мочевыводящие пути)
Эпителиальные клетки, специа-
лизированные на экзокринной
секреции
Клетки слюнной железы
Слизистая клетка (секрет богат
полисахаридами)
Серозная клетка (секрет богат
гликопротеиновыми фермента-
ми)
Клетка железы фон Эбнера в языке
секрет служит для омывания вку-
совых сосочков)
Клетка молочной железы, секрети-
оующая молоко
Клетка слезной железы, секрети-
рующая слезы
Клетка церуминовой железы уха,
:екретирующая ушную серу
клетка эккриновой потовой железы,
декретирующая гликопротеины
’емная клетка)
v летка эккриновой потовой железы,
: екретирующая малые молекулы
зветлая клетка)
Клетка апокриновой потовой желе-
зы (выделяет пахучий секрет, чувст-
вительна к половым гормонам)
Клетка железы Молля в веке (спе-
циализированная потовая железа)
Клетка сальной железы, секрети-
рующая богатое липидами кожное
сало
Клетка боуменовой железы в носу
(секретирует жидкость, омываю-
щую обонятельный эпителий)
Клетка бруннеровой железы в две-
надцатиперстной кишке, секрети-
рующая щелочной раствор слизи и
ферментов
Клетка семенного пузырька, секре-
тирующая компоненты семенной
жидкости, включая фруктозу (как
источник энергии для движения
спермиев)
Клетка предстательной железы,
секретирующая другие компоненты
семенной жидкости
Клетка бульбоуретральной железы,
секретирующая слизь
Клетка бартолиниевых желез, сек-
ретирующих жидкость для увлажне-
ния влагалища
Клетка железы Литтре, секретирую-
щая слизь
Клетка эндометрия матки, секрети-
рующая в основном углеводы
Изолированная бокаловидная клетка
дыхательного и пищеварительного
трактов, секретирующая слизь
Слизистая клетка выстилки желудка
Замоченная клетка желез желудка,
секретирующая пепсиноген
Обкладочная клетка желез желудка,
секретирующая HCI
Клетка ацинуса поджелудочной же-
лезы, секретирующая пищевари-
тельные ферменты и бикарбонат
Клетка Панета в тонком кишечнике,
секретирующая лизоцим
Пневмоцит II типа в легком, секре-
тирующий сурфактант
Клетка Клара легких (функция неиз-
вестна)
Клетки, специализирующиеся на
секреции гормонов
Клетки передней доли гипофиза,
секретирующие
гормон роста
фолликулостимулирующий гор-
мон
лютеинизирующий гормон
пролактин
адренокортикотропный гормон
тиреотропный гормон
Клетка промежуточной доли гипо-
физа, секретирующая
Меланотропный гормон
Клетки задней доли гипофиза, сек-
ретирующие
Окситоцин
Вазопрессин
Клетки желудочно-кишечного и ды-
хательного трактов, секретирующие
Серотонин
Эндорфин
Соматостатин
Гастрин
Секретин
Холецистокинин
Инсулин
Глюкагон
Бомбезин
Клетки щитовидной железы, секре-
тирующие
Тиреоидный гормон
Кальцитонин
Клетки паращитовидной железы,
секретирующие
Паратирин
Оксифильные клетки (функция
неизвестна)
Клетки надпочечников, секретирую-
щие
Адреналин
Норадреналин
Стероидные гормоны
Минералокортикоиды
Г люкокортикоиды
Клетки половых желез, секретирую-
щие
Тестостерон (клетка Лейдига в
семенниках)
Эстроген (клетка внутренней
оболочки (theca interna) фолли-
кула в яичниках)
Прогестерон (клетка желтого
тела лопнувшего фолликула в
яичниках)
Клетки юкстагломерулярного аппа-
рата почки
Юкстагломерулярная клетка
(секретирующая ренин)
Клетка
плотного
пятна
(macula
densa)
Периполярная
клетка
Клетка
мезанлия
Функции
неясны,
но, вероятно
близки;
возможно,
участвуют
в секреции
эритропоэтина
см. продолжение
22
Глава 1
Таблица 1-1 (продолжение). Типы клеток взрослого человека
Эпителиальные всасывающие
клетки желудочно-кишечного
тракта, экзокринных желез и мо-
чеполовых путей
Клетка кишечного эпителия со ще-
точной каемкой (с микроворсинка-
ми)
Исчерченная протоковая клетка
экзокринных желез
Эпителиальная клетка желчного пу-
зыря
Клетка со щеточной каемкой в про-
ксимальном канальце почки
Клетка дистального почечного ка-
нальца
Без реснитчатая клетка (ductulus
efferens) семявыводящего протока
Главная клетка эпидидимиса
Базальная клетка эпидидимиса
Клетки, ответственные за мета-
болизм и накопление резервных
материалов
Гепатоцит (клетка печени)
Жировая клетка1 (адипоцит)
Белая жировая клетка
Бурая жировая клетка
Липоцит печени
Эпителиальные клетки, выпол-
няющие в основном барьерную
функцию, выстилают легкие,
желудочно-кишечный тракт, эк-
зокринные железы и мочеполо-
вой тракт
Пневмоцит I типа (выстилающий
воздушные полости легкого)
Клетка протока поджелудочной же-
лезы (центроацинозная клетка)
Неисчерченная клетка протоков по-
товой железы, слюной железы, мо-
лочной железы и др.
Париетальная клетка почечного клу-
бочка
Подоцит почечного клубочка
Клетка тонкой части петли Генле
(в почках)
Клетка собирательного канальца
(в почках)
Клетка протока семенного пузырь-
ка, предстательной железы и т.д.
(различные)
Эпителиальные клетки, высти-
лающие замкнутые внутренние
полости тела
Клетка сосудистого эндотелия кро-
веносных и лимфатических сосудов
Ренестрированного (ячеистого)
Непрерывного
Селезеночного
Синовиальная клетка (выстилает
полости суставов, секретирует в
основном гиалуроновую кислоту)
Серозная клетка (выстилает полос-
ти брюшины, плевры и перикарда)
Плоская клетка (выстилает пери-
лимфатическое пространство уха)
Клетки, выстилающие эндолимфа-
тическое пространство уха
Плоская клетка
Цилиндрическая клетка эндо-
лимфатического мешочка
С микроворсинками
Без микроворсинок
«Темная» клетка
Клетка вестибулярной мембраны
Базальная клетка сосудистой по-
лоски
Краевая клетка сосудистой по-
лоски
Клетка Клаудиуса
Клетка Бетчера
Ворсинчатая клетка сосудистого
сплетения в желудочках головного
мозга (секретирует цереброспи-
нальную жидкость)
Плоская клетка мягкой и паутинной
мозговых оболочек
Клетки ворсинчатого эпителия гла-
за
Пигментированные
Непигментированные
«Эндотелиальная» клетка роговицы
Реснитчатые клетки с проталки-
вающей функцией
Клетки дыхательных путей
Клетки маточных труб и эндометрия
матки (у женщин)
Клетки сети яичка (rete testis) и се-
мявыводящего протока (у мужчин)
Клетки центральной нервной систе-
мы (клетки эпендимы, выстилаю-
щие полости мозга)
Клетки, секретирующие внекле-
точный матрикс
Эпителиальные
Амелобласт (секретирует зубную
эмаль)
Клетка полулунной пластинки
(planum 5ет/7илаЩлт)вестибуляр-
ного аппарата уха (секретирует
протеогликан)
Межзубная клетка кортиева ор-
гана (секретирует вещество тек-
ториальной «мембраны», покры-
вает волосковые клетки кортиева
органа)
Неэпителиальные (соединитель-
нотканные)
Фибробласты (рыхлой соедини-
тельной ткани, роговицы, сухо-
жилий, ретикулярной ткани кост-
ного мозга и др.)
Перицит кровеносного капилля-
ра
Клетка студенистого ядра
(nucleus pulposis) межпозвоноч-
ного диска
Цементобласт/цементоцит (сек-
ретирует цемент корня зуба,
сходный с веществом кости)
Одонтобласт/одонтоцит (секре-
тирует дентин зуба)
Хондроциты
Гиалинового хряща
Фиброзного хряща
Эластического хряща
Остеобласт/остеоцит
Первичная остеогенная клетка
(стволовая клетка остеобластов)
Гиалоцит стекловидного тела
глаза
Звездчатая клетка перилимфати-
ческого пространства уха
Сократительные клетки
Клетки скелетных мышц
Красные (медленные)
Белые (быстрые)
Промежуточные
Мышечное веретено с ядерной
сумкой
Мышечное веретено с ядерной
цепочкой
Клетка-сателлит (стволовая
клетка)
Клетки сердечной мышцы
Обычные
Узловые
Волокна Пуркинье
Клетки гладкой мускулатуры (раз-
ные)
Миоэпителиальные клетки
Радужной оболочки
Экзокринных желез
см. продолжение
1 Жировую клетку называют линоцитом (по международной гистологической классификации) или адипоцитом.
Фсрмирование различных клеточных фенотипов
23
Таблица 1-1 (продолжение). Типы клеток взрослого человека
Клетки крови и иммунной системы
Эсг^роцит
Мегакариоцит
Макрофаги и родственные клетки
Моноцит
Макрофаги соединительной тка-
ни (разные)
Клетка Лангерганса (в эпидер-
мисе)
Остеокласт (в кости)
Дендритная клетка (в лимфоид-
ных тканях)
Клетка микроглии (в централь-
ной нервной системе)
-ейтрофил
Эозинофил
Базофил
’,^ная клетка
-имфоцит
Т-Хелпер
Т-Супрессор
Т-Киллер
“-лимфоцит, продуцирующий
Иммуноглобулин М
Иммуноглобулин G
Иммуноглобулин А
Иммуноглобулин Е
«летка-киллер
Т’воловые клетки и развивающиеся
«летки крови и иммунной системы
разные)
Чувствительные рецепторы
Соторецепторы
Палочки
Колбочки
Чувствительные к синему
Чувствительные к зеленому
Чувствительные к красному
Д-уховые рецепторы
Внутренние волосковые клетки
кортиева органа
Наружные волосковые клетки
кортиева органа
Рецепторы гравитации и ускорения
Волосковая клетка I типа вести-
булярного аппарата
Волосковая клетка II типа вести-
булярного аппарата
Вкусовые рецепторы
Клетка II типа вкусового сосочка
Рецепторы запаха
Обонятельный нейрон
Базальная клетка обонятельного
эпителия (стволовая клетка обо-
нятельных нейронов)
Рецепторы pH крови
Клетка каротидного тельца
I типа
II типа
Тактильные рецепторы
Меркелевы клетки эпидермиса
Первичные обязательные нейро-
ны (разные)
Рецепторы температуры
Первичные терморецепторные
нейроны (разные)
Чувствительные к холоду
Чувствительные к теплу
Рецепторы боли
Первичные нейроны, восприни-
мающие боль(разные)
Рецепторы положения и напряже-
ний в скелетно-мышечной системе
Проприоцептивные первичные
чувствительные нейроны (разные)
Автономные нейроны
Холинэргические (разные)
Адренэргические (разные)
Пептидэргические (разные)
Опорные клетки органов чувств и
периферических нейронов
Опорные клетки кортиева органа
Внутренняя столбовая клетка
Наружная столбовая клетка
Внутренняя фаланговая клетка
Наружная фаланговая клетка
Пограничная клетка
Клетка Генсена
Опорная клетка вестибулярного ап-
парата
Опорная клетка вкусового сосочка
(клетка вкусового сосочка I типа)
Опорная клетка обонятельного эпи-
телия
Шванновская клетка
Клетка-сателлит (инкапсулирующая
тела периферических нейронов)
Глиальная клетка кишечника
Нейроны и глиальные клетки
центральной нервной системы
Нейроны (огромное разнообразие
типов, до сих пор плохо классифи-
цированное)
Клетки глии
Астроциты (разные)
Олигодендроцит
Клетки хрусталика
Клетка переднего эпителия хруста-
лика
Волокно хрусталика (клетка, содер-
жащая кристаллин)
Пигментные клетки
Меланоцит
Эпитальная клетка пигментного
слоя сетчатки
Половые клетки
Оогоний/ооцит
Сперматоцит
Сперматогоний (стволовая клетка
сперматоцита)
Питающие клетки
Клетка фолликула яичника
Клетка Сертоли (в семеннике)
Эпителиальная клетка тимуса
И» A.oerts В. et al: Molecular Biology of the Cell, 3rd ed. Garland, 1994, p. 1188, с разрешения. (Пер.: Альберте Б. и др.,
W окулярная биология клетки, М., «Мир», 1994, т. 3, стр. 205-210).
ТАТА-блок и соседние элементы ДНК промото-
. казывают РНК-полимеразе точку, с которой
элдна начаться транскрипция мРНК. К ТATA-
S'. ку прикрепляется комплекс белков, называемых
7 \ТА-блок-связывающими белками. Полагают, что
белки взаимодействуют непосредственно
РНК-полимеразой II, и их связывание направле-
- на область ДНК, прилежащую к точке начала
-^нскрипции. Другие регуляторные элементы
ДНК часто находятся рядом с ТАТА-блоком.
К ним относятся СААТ-блок и G-C-богатые участ-
ки которые, вероятно, способствуют начальному
связыванию полимеразы. Другие регуляторные зо-
ны ДНК называются энхансерами («усилитель-
ными»). Энхансеры могут располагаться внутри
нескольких сот оснований промотора, но обычно
находятся далеко от него. Каждый отдельный эле-
мент энхансера имеет длину около 7-20 пар осно-
ваний и служит местом прикрепления белков, ко-
торые контролируют возможность транскрипции
гена с помощью РНК-полимеразы II. Интересно,
что энхансеры не специфичны ни к последователь-
ности-мишени, ни к своей ориентации.
24__________________________________________
Последовательности энхансера или промотора
ДНК, к которым прикрепляются тканеспецифич-
ные регуляторные молекулы, называются респон-
сивными элементами. Например, респонсивный
элемент циклического аденозинмонофосфата
(сАМР) состоит из последовательности ACGTCA;
именно эту последовательность узнают молекулы
сАМР (сАМР — элемент-связывающиеся белки),
которые активируются путем фосфорилирования с
помощью сАМР-зависимой протеинкиназы (см.
главу 9). Известны и другие респонсивные элемен-
ты. Например, внутриклеточные рецепторы стеро-
идных гормонов, гормон роста и другие белки свя-
зываются с особыми последовательностями ДНК и
контролируют транскрипцию генов, лежащих ря-
дом (правее) с местом прикрепления этих белков.
Некоторые гены, так называемые конститутивно
экспрессирующиеся гены, имеют регуляторные
белки, которые всегда связаны с их промоторами;
таким образом устанавливается постоянный уро-
вень транскрипции. Промоторы других генов свя-
заны с регуляторными белками только периодиче-
ски, что обеспечивает временную индукцию или
репрессию гена соответствующими регуляторами
транскрипции. Свяжется ли РНК-полимераза II
с геном, начнется ли транскрипция, и сколько раз в
единицу времени это произойдет, определяется ре-
гуляторами транскрипции, которые соединяются
с различными участками промоторов и энхансеров.
Факторы транскрипции, которые связываются с
регуляторными областями генов, как правило,
имеют три функциональных отдела (домена).
1. ДНК-связывающий домен, который содер-
жит много щелочных аминокислотных ос-
татков и позволяет белку распознавать и из-
бирательно связываться со специфической
последовательностью ДНК.
2. Активаторный домен, имеющий кислую ре-
акцию, который позволяет белку контактиро-
вать и активировать основной транскрипци-
онный механизм (ТАТА-блок-связывающие
белки и РНК-полимеразу II).
3. Один или более лиганд-связывающих или
фосфорилирующих доменов, которые требу-
ются для активации факторов транскрипции.
Факторы транскрипции ДНК служат ключевы-
ми регуляторами экспрессии гена, поэтому их био-
химические свойства являются предметом интен-
сивного изучения. Мы знаем на данный момент
три основные семейства.
1. Белки «спираль-поворот-спираль» (helix-
turn-helix). Эта группа ДНК-связывающих
белков представлена в большинстве случаев
___________________________Глава1
гомодимерами. Каждая субъединица белка
содержит альфа-спираль, которая подходит к
большой бороздке спирали ДНК. Это «уз-
нающий домен». Остальная часть белка всегда
выгибается из молекулы ДНК и обвивает ее,
а вторая альфа-спираль белка входит в боль-
шую бороздку на следующем витке ДНК. Ко-
гда такие белки соединяются с участком
ДНК, они изменяют конформацию ДНК и
делают ее либо более доступной для транс-
крипции (и тогда они служат «индуктора-
ми»), либо менее доступной (тогда они рабо-
тают как «репрессоры»).
2. Белки типа «цинковый палец». Белки этой
группы названы так потому, что они имеют
участок приблизительно из 23 аминокислот,
который содержит чередующиеся остатки
цистипа и гистидина и формирует пальце-
видные выступы, чья структура поддержива-
ется благодаря связанным ионам цинка. Та-
кие белки взаимодействуют с ДНК с помо-
щью петлевидных участков. Рецепторы
глюкокортикоидов, эстрогенов, витамина А,
прогестерона, гормонов щитовидной железы
и ретиноевой кислоты содержат по два «цин-
ковых пальца».
3. Амфифильные спиральные белки. Эта груп-
па включает две подгруппы: белки «спи-
раль-петля-спираль» {helix-loop-helix) и бел-
ки типа «лейциновой молнии».
Белки-регуляторы, имеющие структуру типа
«лейциновых молний», могут формировать либо
гомодимеры, в которых обе субъединицы идентич-
ны, либо гетеродпмеры. в которых субъединицы не
похожи друг на друга. Гетеродимеры состоят из
двух различных белков с разной специфичностью
к ДНК, поэтому способность определенных факто-
ров транскрипции к формированию функциональ-
ных димеров значительно увеличивает разнообра-
зие ДНК-связывающих белков и, следовательно,
вариабельность контроля гена. Образование гете-
родимеров и даже олигомеров ДНК-связывающих
белков (т.е. комбинационный контроль) — один из
важнейших механизмов, используемых эукариоти-
ческой клеткой для регуляции экспрессии генов.
Также важно, что не все факторы транскрипции
формируют гетеродимеры. Иначе перекрестный
контроль и специфичность регуляции генов в клет-
ке были бы невозможны.
Очевидно, что уровень транскрипции генов —
главный фактор в регуляции жизнедеятельности и
морфологии клетки. Однако это не единственная
возможность воздействовать на клеточный фено-
тип. Как показали многочисленные исследования,
Хю р м ирование различиых клеточных фенотипов
лтие события также важны для контроля экс-
чссии генов. Например, в дополнение к транс-
. .линии гена, создающей мРНК, молекулярный
г..::арат должен воспринимать сигналы самого ге-
то есть должны быть вырезаны интроны
ллайсинг мРНК) и добавлены другие компонен-
обеспечивающие функциональность мРНК. По-
такого процессинга мРНК должна быть псрене-
л из ядра в цитоплазму. В цитоплазме на мРНК
: ,:жна начаться трансляция белка. Механизмы
и с ля ции мРНК требуют участия большого коли-
!ва регуляторных молекул; недостаток или сни-
и”?;ие активности любой из этих молекул может
•лзать сильное влияние на цитоплазматическую
• - лрессию продукта гена. В цитоплазме мРНК
v жег быть быстро разрушена или защищена от
: градации цитоплазматическими белками; ста-
бильность и период полужизни мРНК — особый
«'ханизм генной регуляции. Окончательный про-
:. гена, белок, также должен быть функциональ-
- активным для проявления активности гена.
Заключение
В этой главе мы познакомились с четырьмя ос-
- ными типами тканей эукариот. Внутри каждого
->::а существует высокий уровень специализации
слои, который проявляется в клеточном фенотипе.
______ _____________________________ 25
Мы показали, каким образом около 200 различ-
ных типов клеток человеческого организма могут
быть сгруппированы по функциональному прин-
ципу. Множество различных морфологических
форм — результат специфического набора генов,
экспрессируемых в клетке. Мы также представили
принципы регуляции эукариотических генов на
уровне транскрипции и обсудили основные этапы
генной регуляции, включая респонсивные элемен-
ты в промоторах и энхансерах. Мы обсудили основ-
ную структуру факторов транскрипции и их раз-
личные функциональные домены. Внешние сигна-
лы, получаемые клеткой, часто стимулируют транс-
крипцию генов, которые контролируют другие
факторы транскрипции, «запускающие», в свою
очередь, группы структурных генов; это приводит
к дифференцировке фенотипа клетки. Такой поря-
док регуляции генов соблюдается во время созрева-
ния клетки. Существуют специальные отделы в
клетке, где активность продукта гена может регули-
роваться другими способами в дополнение к кон-
тролю на уровне транскрипции.
Молекулярное строение 2
и функциональные компоненты
клеточных мембран
Основные термины
Клеточные мембраны
Липиды
Глицерофосфолипиды
Сфинголипиды
Гликосфинголипиды
Холестерол
Амфифильный
Простагландины
Фосфоинозитол
Интегральные белки
Трансмембранные однократно-пересекающие белки
Трансмембранные многократно-пересекающие белки
Периферический белок
Строение мембраны
Значение мембран
в функционировании клеток
Различия между мембранами
Эта глава посвящена структурным и функцио-
нальным свойствам клеточных мембран, в частно-
сти плазматической мембраны. В главе 1 мы рас-
смотрели более 200 типов клеток человеческого
организма; очевидно, существуют также и различ-
ные типы плазматических мембран. Действитель-
но, мембрана принимает множество форм в зависи-
мости от структурной и функциональной роли
клетки (табл. 2-1).
Плазматической мембраной называется барьер,
который окружает цитоплазму, определяя грани-
цы клетки. Однако мы знаем, что мембрана служит
не только барьером между цитозолем и внеклеточ-
ной средой, но содержит молекулы, которые переда-
ют сигналы с наружной стороны клетки в цитоплаз-
му и к внутриклеточным органеллам (рис. 2-1).
Белки и липиды
Все клеточные мембраны представляют собой
сложную смесь белков и липидов. Существуют три
важных принципа строения мембраны.
1. Мембраны не однородны. Мембраны, окру-
жающие внутриклеточные органеллы, и плаз-
матическая мембрана отличаются по составу.
2. Многие компоненты мембран находятся
в состоянии непрерывного движения. Мем-
брана напоминает постоянно меняющуюся
мозаику. Некоторые части мембраны изменя-
ются быстрее, чем другие1.
3. Компоненты мембран чрезвычайно асим-
метричны. Между наружным и внутренним
слоями мембран имеется различие по относи-
тельному количеству и качественному составу
липидов. Белки располагаются среди липидов
асимметрично и имеют хорошо различимые
вне- и внутриклеточные домены.
При исследовании клетки под световым микро-
скопом мы можем видеть ее край, ограниченный
плазматической мембраной. Однако этот уровень
изучения мембран не позволяет увидеть некото-
рые важные вариации в ее структуре (табл. 2-2).
Например, плазматическая мембрана имеет поля
специализации; каждое поле обладает уникальной
морфологией и выполняет определенную биомоле-
кулярную задачу. Кроме того, поверхности боль-
шинства клеток, соприкасающиеся с другими клет-
ками и с внеклеточным матриксом, имеют различ-
ные свойства, что мы обсудим позднее в этой главе.
Хорошим примером множественной специализации
клеток могут служить эпителиальные клетки, кото-
рые формируют выстилку и кожи, и капилляров.
Разнообразие морфологии клеток определяется
вариациями строения цитоскелета, состоящего из бел-
ков, расположенных непосредственно под мембраной
и в цитоплазме. Основные компоненты цитоскелета,
1 Некоторые авторы представляют мембрану как «море» липидов с белковыми «айсбергами» и «островами».
Молекулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран
27
Таблица 2-1. Основные клеточные органеллы и их функции. Представлены лишь главные функции, выпол-
-земые каждой органеллой. Как правило, в органеллах происходит гораздо больше процессов и реакций1
Органелла I Маркер I Основные функции
ил и фракция2 ,______________. _______________
^apo ДНК v "" - ' ”7 Хромосомы Место синтеза РНК на матрице ДНК (транскрипция)
Митохондрия Г лутаматдегидро- геназа Цикл лимонной кислоты 3, окислительное фосфорилирование
-ибосома 2 .. ... ....... _ ... Высокое содер- жание РНК Место синтеза белка (трансляция с мРНК на белок)
Эндоплазмати- ческий ретику- i -. м Глюкозо-6-фос- фатаза Рибосомы, связанные с мембраной, — главное место синтеза белка Синтез различных липидов Окисление многих ксенобиотиков (цитохром Р450)
" изосома Кислая фосфатаза Место расположения многих гидролаз (ферментов, катализирующих реак- ции распада) _
" -азматиче- >ая мембрана №+-К+-АТФаза 5’-нуклеотидаза Транспорт молекул внутрь клетки и наружу Межклеточные адгезия и взаимодействие I
парат ' зльджи Галактозилтранс- I фераза Внутриклеточная сортировка (компартментализация) белков 1 Реакции гликозилирования Реакции сульфатирования
"ероксисома Каталаза Оксидаза моче- вой кислоты Разрушение определенных жирных кислот и аминокислот Производство и расщепление перекиси водорода
^итоскелет 2 Нет специфиче- ских ферментных маркеров 4 Микрофиламенты, микротрубочки, промежуточные филаменты
_И’030ЛЬ2 Лактатдегидроге- наза Ферменты гликолиза и синтеза жирных кислот
Воспроизведено с разрешения из: Murray RK et al. Harper’s Biochemistry, Appleton & Lange, 1996, p.9.
- Эоганеллу можно определить как субклеточную единицу, которая ограничена мембраной и отделяется при цен-
.-фугировании на высокой скорости. Согласно этому определению, рибосомы, цитоскелет и цитозоль не явля-
< я органеллами. Однако они представлены в этой таблице, так как их тоже можно выделить при центрифуги-
гсзании и считать субклеточными структурами, или фракциями. Органеллы, которые отделяются в течение одно-
'2 ^икла дифференциального центрифугирования, редко бывают хорошо очищены; для получения чистой фрак-
обычно требуется, по крайней мере, несколько циклов.
_,<кл лимонной кислоты называют также циклом трикарбоновых кислот, или циклом Кребса. — Прим. ред.
• Соакции цитоскелета можно выявить с помощью электронной микроскопии или электрофорезом характерных
этих фракций белков.
Таблица 2-2. Ферментные маркеры различных мембран1
Мембрана Фермент __
“ -азматическая 5’-нуклеотидаза
Аденилатциклаза
__ №+-К+-АТФаза
3*-д о пл азматический ретикулум + Глюкозо-6-фосфатаза
< змплекс Гольджи Галактозилтрансфераза
= -;оенняя митохондриальная мембрана АТФ-синтетаза
Мембраны содержат большое количество белков, часть из них обладают ферментативной активностью. Некото-
из этих ферментов находятся только в определенных мембранах и могут при их выделении служить марке-
;^ми этих мембран. (Воспроизведено с разрешения из; Murray RK et al. Harper’s Biochemistry, Appleton & Lange,
p.487.)
28
_____________Глава2
Углеводы, при-
крепленные
к белкам
Углеводы, прикреплен-
ные к липидам
Рис. 2-1. (А) Жидкостно-мозаичная модель мембраны. Мембрана состоит из двойною слоя липидов (гидрофильная
поверхность, гидрофобная сердцевина) и связанных с ним протеинов. Интегральные белки погружены в липиды.
Белки, которые насквозь пронизывают бислой, называются трансмембранными белками. Периферические белки не-
жестко связаны с цитоплазматической поверхностью. Многие липиды и белки на наружной поверхности имеют
олигосахаридные цепи, направленные во внеклеточную среду. (Б) При раскалывании замороженной мембраны она
расщепляется на два липидных слоя наименее прочного соединения, где кон тактируют гидрофобные части липидов
(Е — экстрацеллюлярная поверхность; Р - протоплазматическая поверхность). Большинство мембранных частиц (1)
остается связанным с протоплазматической поверхностью. Полагают, что они представлены белками или агрегатами
белков. Лишь немногие частицы остаются на экстрацеллюлярной поверхности. Каждой частице соответствует углуб-
ление (2) па противоположной поверхности. (Воспроизведено с разрешения из: Krstie RV. Ultrastructure of the
Mammalian Cell. Springer-Verlag, 1979, с изменениями.)
включая актиновые филаменты, микротрубочки и
промежуточные филаменты, описаны в главе 7; здесь
же важно отметить, что эти структурные элементы
также участвуют в формировании конфигурации ци-
топлазматической мембраны.
В клетках, которые перемещаются па поверхности
эпителиальных выстилок тела или сквозь межкле-
точное пространство, белки цитоскелета подвергают-
ся полимеризации и деполимеризации, что необхо-
димо для движения. Соответственно, мембраны так-
же подвергаются значительным изменениям. Важно
понять, что этот процесс возможен благодаря под-
вижности и динамичности молекул, которые состав-
ляют плазматическую мембрану. Этот принцип осо-
бенно важен, так как он лежит в основе понимания
функциональных реакций клетки. Прежде чем про-
должить чтение, мы рекомендуем студентам про-
честь современный учебник по биохимии для того,
чтобы освежить в памяти биохимию клеточных
липидов и белков.
пекулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран
29
Важнейшие функции мембран
Мембраны контролируют состав внутрикле-
точной среды. Основная функция мембраны -
: армирование вокруг цитоплазмы барьера, koto-
г.: и избирательно пропускает молекулы, входящие
клетку и выходящие из нее. В значительной сте-
зи такое поведение мембраны обусловлено не-
> читаемостью ее липидов для воды и других
/профильных молекул. В мембране находятся
:ки, которые образуют каналы и поры, прини-
v :ющие участие в высокоизбирательном транспор-
молекул через мембрану.
Мембраны обеспечивают и облегчают меж-
клеточную и внутриклеточную передачу ин-
формации. Мембрана — это место, где молекуляр-
- информация воспринимается, преобразуется и пе-
* . делся далее в клетку (табл. 2-3). Поведение клетки
.»л.пфуется ее непосредственным окружением и про-
: -нами отдаленных клеток. Например, нормальные
v тки, растущие в чашке Петри, прекращают деле-
. когда поверхность чашки полностью покрыта
' /ками, и все они соприкасаются друг с другом1.
- явление называется контактным торможением
^чта (density-dependent inhibition, DDI). Наоборот,
м -литные клетки, которые утратили способность
< д к?приятию сигнала контактного торможения.
• должают расти и формируют слой за слоем,
гд :ки с такими свойствами образуют опухоли.
Таблица 2-3. Перенос веществ и информации
мембраны
—смембранный транспорт мелких молекул
Д.’ффузия (пассивная и облегченная) |
д-ивный транспорт |-
'лз-смембранный транспорт крупных молекул |1
--ДЭЦИТОЗ ;i
2-ЗОЦИТОЗ I!
V-седача сигналов через мембраны ।
" зверхностные клеточные рецепторы
1 Трансдукция сигнала (Например: глюкагон ->
:АМР) ।
2 Интернализация сигнала (совмещенная с эндо-
^итозом, например, рецептор ЛНП, рецептор инсу-
лина)
"-зенос к внутриклеточным рецепторам (стероидные :
' с ионы; форма диффузии)
- ..неточные контакты и связи 1
"снизведено с разрешения из; Murray RK et al.
s Biochemistry, Appleton & Lange, 1996, p. 487.
Электрические сигналы, передающиеся от одной
нервной клетки к другой, формируются на плазма-
тических мембранах, так же как информация, необ-
ходимая для тесного соединения клеток друг с дру-
гом; например, так образуются нейронные сети.
Установлено, что «отлив и прилив» специфиче-
ских маркеров на клеточной поверхности является
решающим фактором в дифференцировке и в груп-
пировке клеток, приводящих к образованию тка-
ней и органов. На ранних стадиях эмбриогенеза
клетка, как правило, ассоциируется (связывается)
и диссоциируется с другими различными клетка-
ми. Этот процесс регулируется поверхностными
молекулами клетки, называемыми гомотипичными
маркерами, которые играют важную роль в фор-
мировании тканей. Точно такие же маркеры по-
являются на клетках, которые активно участвуют
в восстановлении ткани после повреждения. Изучая
гомотипичные маркеры, а также биомолекулярные
сигналы, которые регулируют их экспрессию, уче-
ные достигли более глубокого понимания процес-
сов построения и регенерации тканей.
Мембраны обеспечивают образование тка-
ней с помощью межклеточных контактов.
Многие белки, погруженные в мембрану, ковалент-
но связаны с углеводами (т. е. являются гликопро-
теинами), расположенными на наружной поверх-
ности мембраны. Эти гликопротеины часто окан-
чиваются остатками сиаловой кислоты и сообщают
всей наружной поверхности клетки общий отрица-
тельный! заряд. Боковые углеводные цепи этих гли-
копротеинов и гликолипидов важны для осуществ-
ления межклеточных контактов. Углеводные остатки
формируют специфические поверхностные антиге-
ны и делают мембранную поверхность высокоим-
мунногенной. Структура поверхностных клеточных
антигенов находится под строгим генетическим
контролем и используется иммунной системой для
разделения всех клеток на «свои» и «не свои».
Все клетки индивидуума несут сходные поверхно-
стные антигены, которые отличаются от поверхно-
стных антигенов любого другого индивидуума.
Связь с клиникой: переливание крови и
пересадка тканей
Совместимость поверхностных клеточных анти-
генов во многом определяет успех переливания
крови или трансплантации тканей. Наиболее важ-
ные поверхностные антигены, которые определяют
успех переливания крови, это антигены групп кро-
ви. Их антигенные свойства обусловлены тонкой
структурой углеводных остатков гликопротеинов
и гликолипидов на поверхности эритроцитов.
|.Н( )(\'1()Й».
30_____
Глава 2
Второй комплекс антигенов, называемый транс-
плантационными антигенами или антигенами гис-
тосовместимости, определяет индивидуальность
поверхностей клеток. В отличие от антигенов
групп крови (определяющих антигенность как
жидкой среды организма, так и клеточной поверх-
ности), антигены гистосовместимости размещены
лишь на поверхности клеток. Антигенными детер-
минантами служат полипептидные цепи группы
трансмембранных белков, кодируемых в геноме
млекопитающих генами главного комплекса гис-
тосовместимости (МНС).
Мембрана антиген-
представляющей клетки
Полипептиды CD3 Гетеродимеры а:р Полипептиды CD3
рецептора Т-клетки
Рис. 2-2. Взаимодействие антиген-представляющей
клетки1 (наверху) и Т-лимфоцита (внизу). Комплекс
белков МНС и фрагмент антигена связываются с а- и
р-субъединицами рецептора Т-лимфоцита. Ассоцииро-
ванные полипептиды CD3 Т-клетки — часть рецепторно-
го комплекса, они могут участвовать в передаче сигнала
(ВЖ — внеклеточная жидкость). (Из Krensky AM et al:
T-Iymphocyte-antigen interactions in transplant rejection.
N Engl J Med 1990; 332:510. Печатается с изменениями и
с разрешения The New England Journal of Medicine.)
Таким образом, посредством антигенов гисто-
совместимости и антигенов групп крови плазма-
тическая мембрана клеток млекопитающих обес-
печивает генетическую индивидуальность клетки.
Этот комплекс неоценим для защиты организма,
что мы рассмотрим позднее. Особенно важно, что
иммунный ответ Т-лимфоцита активируется при
контакте с клеточным поверхностным антигеном
(АГ), который представляется Т-лимфоциту моле-
кулой МНС (рис. 2-2).
Строение и сборка мембран
Локализация синтеза
Синтез белка происходит в основном1 2 в двух
местах: в цитозоле и на мембране эндоплазматиче-
ского ретикулума (ЭР). Белки, которые высвобож-
даются в цитоплазму для дальнейшего пребывания
во внутренней среде клетки, синтезируются на ри-
босомах. локализованных в цитозоле. Фактически
все рибосомы располагаются в цитозоле; однако,
до того как они соединятся с мРНК, рибосомы су-
ществуют в виде двух основных рибосомных субъ-
единиц, рибонуклеопротеиновых комплексов с
константами седиментации 40S и 60S.
После выхода мРНК в цитоплазму через норы
ядерной мембраны образуется начальный ком-
плекс, состояний! из рибосомной 40S субъединицы
и мРНК. Как только данный комплекс сформиру-
ется, к нему присоединяется рибосомная субъеди-
ница 60S, в результате образуется функциональная
рибосома, которая немедленно начинает трансли-
ровать на мРНК полипептид.
Если рибосома встреч а ет нуклеотидную последо-
вательность, кодирующую аминокислотную цепь,
сигнализирующую, что транслируемый белок явля-
ется мембранным или секретируемым, то трансля-
ция прекращается до встраивания начального кон-
ца белка в эндоплазматический ретикулум3.
Резу, платы исследований синтеза белка (в том
числе синтеза на полирибосомах, ассоциирован-
ных с ЭР. — «мембрано-связанных рибосомах»),
показали, что все интегральные белки синтези- ру-
ются на мембране ЭР, включая белки плазматиче-
ской мембраны. На рис. 2-3 показаны клеточные
органеллы, участвующие в синтезе и процессинге4
белка. (Дополнительная информация о синтезе
белка представлена в главе 3.)
1 Иногда говорят: антиген-презентирующая клетка.
2 Некоторые белки митохондрий (и хлоропластов у растений) синтезируется внутри этих органелл.
3 Речь идет о сигнальном пептиде, который определяет судьбу (служит «адресом») только что синтезированного бедка и
отщепляется при окончательном процессинге белка.
4 Процессинг белка — посттрансляционная модификация полипептидов. — Прим. ред.
Молекулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран
31
Липиды мембран также синтезируются на ЭР и
•поносятся в плазматическую мембрану. Процесс
• реноса белков и липидов из ЭР к плазматиче-
.м >й мембране осуществляется транспортными пу-
зырьками; в деталях механизм переноса обсужда-
тся в главах 3 и 4.
Важным следствием синтеза компонентов плаз-
матической мембраны на ЭР является тот факт,
< > эти компоненты транспортируются в форме го-
- вых мембран, т.е. в мембранных пузырьках. Та-
о'.м образом, важно помнить, что мембраны проис-
: лят только из предсуществующих мембран. Хотя
- <той главе основное внимание уделено структуре
функции плазматической мембраны, необходимо
мнить, что мембраны органелл клетки имеют
\чдпое строение; однако по белково-липидному
<таву они значительно отличаются от плазмати-
- г кой мембраны и друг от друга.
Типы и функции мембранных
липидов
В таблице 2-4 представлены основные типы
мембранных липидов; в таблице 2-5 показано, как
степень насыщенности липидов влияет на теку-
честь мембраны (см. ниже).
Г л ицерофосфол ипиды
(Фосфоглицериды)
Фосфоглицериды — основный класс липидов
биологических мембран. Как указывает их назва-
ние, фосфоглицериды состоят из молекулы глице-
рола, две гидроксильные группы которого этери-
фицированы жирными кислотами, а третья — ос-
татком фосфорной кислоты, этерифицированной
спиртом. Большая часть полярных липидов имеет
сходное строение с небольшими отклонениями.
„еэоховатый эндоплазматический ретикулум
(1) Цитозольные
Полирибосомы
(2) Шероховатый
ЭР
Белки
Митохондриальные
Ядерные
Пероксисомные
Цитозольные
Мембраны ЭР
Мембраны комплекса
Г ольджи
Плазматическая мембрана
Секреторные
Лизосомные ферменты
Рис. 2-3. Органеллы, отвечающие за синтез белка и его
процессинг (посттрансляционную модификацию).
А. Увеличение ядерной поры показывает молекулы
мРНК, выходящие из ядра и прикрепляющиеся к рибо-
сомам, формируя полисому. Синтезируется три класса
белка: класс белка закодирован в мРНК.
Б. Два основных пути процессинга белка различаются в
зависимости от места синтеза белка (цитозольные или
мембрано-связанные полирибосомы (1) и (2) соответст-
венно). Отметьте, что митохондриальные белки в (1) ко-
дируются ядерными генами. (ЭР — эндоплазматический
ретикулум). (Воспроизведено с разрешения из:
А — Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM. Essentials of
Neural Science and Behavior. Appleton & Lange, 1995, p. 59.
В — Murray RK. Harper’s Biochemistry, 24th ed. Appleton
& Lange, 1996, p. 491, с изменениями.)
32
Глава 2
Жирные ацильные цепи отличаются по структуре,
особенно в расположении двойных связей, кото-
рые определяют свойства белково-липидного
бислоя. Атомы углерода, образующие двойные
связи, не могут свободно вращаться, поэтому они
занимают фиксированную позицию и создают из-
гибы в углеводородной цепи, бывшей бы иначе на
всем протяжении прямой. Эти изгибы предотвра-
щают плотную упаковку липидных «хвостов», что
влияет на вязкость или текучесть мембраны.
Протяженность ацильных цепей также имеет
биологическое значение: более короткие цепи упако-
ваны в менее жесткие структуры, и это способствует
уменьшению вязкости мембраны. Таким образом, и
длина ацильной цепи, и число двойных связей игра-
ют важную роль в изменении текучести мембраны.
Таблица 2-4. Основные липиды биологических
мембран. Процент содержания каждого липида рас-
считан от общего количества липидов в мембране
Основные липиды Заряд Процент
мембран ГОЛОВНОЙ содержания
i .. ...... I группы (диапазон)
Фосфоглицериды _ 0 до -2 50-90%
\ Фосфатид и лхол ин 0 40-60%
Фосфатидилэтаноламин ’ 0 20-30%
г ' " Фосфатидилсерин Г i -1 5-15%
Кардиолипин -2 0-20%
Фосфатидилинозитол -1 5-10%
Сфингомиелин 0 5-20%
Ьхолестерол __ 0 = о-ю% J
О
О 'СН, о- С R.
R. C О ?СН О /СНз
Зсн2 о р - о—сн2—ch2~n-ch3
6 Хснз
Холин
Рис. 2-4. Структурная формула фосфатидилхолина
Сфинголипиды
Сфинголипиды, производные С18-аминоспир-
тов, — второй основной тип мембранных липидов.
Наиболее распространенные сфинголипиды — это
церамиды, которые содержат или фосфатидилхо-
лин (рис. 2-4). или фосфатидилэтаноламин. Хотя
сфинголипиды лишены глицеринового остова в от-
личие от фосфатидилглицерина, общая конформа-
ция двух типов липидов почти одинакова. Миелин,
липидное вещество, окружающее и изолирующее
многие нервные волокна, состоит в основном из
сфингомиелина (рис. 2-5, табл. 2-6).
Церамид
Сфингозин
Воспроизведено с разрешения из: Balcavage WX,
King MW. Biochemistry: Examination & Board Review,
Appleton & Lange, 1995, p. 104.
Таблица 2-5. Взаимосвязь степени ненасыщенно-
сти липидных молекул и текучести мембран
1. При постоянной длине ацильной цепи и темпера-
туре, увеличение количества двойных связей по-
вышает текучесть мембраны.
2. При постоянном количестве двойных связей и по-
стоянной температуре, удлинение ацильной цепи
уменьшает текучесть мембраны.
3. При любой комбинации длины цепей и двойных
связей, увеличение температуры повышает теку-
честь мембраны.
СИ . (СН , сн сн СИ
Остаток
фосфорной «
кислоты < О
О
н II
СН - N C-R
СН9 Остаток жирной
! * КИСЛОТЫ
о
Р О
I
O-CH2-CH2~N(CH3)3
Холин
Рис. 2-5. Структурная формула сфингомиелина
Воспроизведено с разрешения из: Balcavage WX,
King MW. Biochemistry: Examination & Board Review,
Appleton & Lange, 1995, p. 106.
Молекулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран
33
Таблица 2-6. Заболевания, связанные с нарушением метаболизма сфинголипидов
Заболевание Дефицит фермента Накапливающееся вещество Симптомы
Болезнь Тея-Сакса Болезнь Гоше Болезнь Фабри Гексозаминидаза А Г люкоцеребрози- даза а-Галактозидаза А Ом2-ганглиозид Глюкоцереброзид Глоботриаозилцерамид или церамидтригексозид Умственная отсталость, слепота, ранняя смертность Гепатоспленомегалия, умственная от- сталость в форме инфантилизма, деге- нерация длинных костей Почечная недостаточность, кожная сыпь
Болезнь ~иманна-Пика Сфингомиелиназа Сфингомиелин Умственная отсталость, гепатосплено- мегалия
Болезнь Краббе; 'лобоидно-клеточная - е й кодистрофия Г алакто- цереброзидаза Г алактоцереброзид Умственная отсталость, дефицит миелина
Болезнь Сандхоффа- ^тцкевича -ганглиозидоз Гексоаминидаза Аи В Gmi-гэнглиозид: р-галактозидаза Глобозид или Ом2-ганг- _ЛИОЗИД_ Gmi-гэнглиозид Симптомы, сходные с болезнью Тэя Сакеа, но прогрессируют быстрее Умственная отсталость, нарушения ске- лета, гепатомегалия
3 ,льфатидный липи- дзз: метахроматиче- >ая лейкодистрофия Арилсульфатаза А Сульфатид Умственная отсталость, метахромазия нервов
С>козидоз a-L-фукозидаза Пентагексозилфуко- гликолипид Дегенерация головного мозга, утолще- ние кожи, мышечная спастичность
"кпогранулематоз Сарбера Кислая церамидаза Церамид Гепатоспленомегалия, болезненное распухание суставов
В ^произведено с разрешения из: Balcavago WX, King MW. Biochemistry: Examination & Board Review, Appleton &
^a^ge, 1995, p. 88.
Гликосфинголипиды: клинические
корреляция
Гликосфинголипиды — крупное подсемейство
: инголипидов, которые содержат сахар, при-
<-диненные в позиции С-10. Простейшие гли-
< . ринголипиды — это цереброзиды, содержащие
г ; ветвенный простой углевод, например, галакто-
г. или глюкозу. Цереброзиды находятся в мембра-
центральной нервной системы и участвуют
1 и «ляции нейрона. Вторая подгруппа семейства —
онглиозиды, к которым относятся более 60 видов
w ’.скул. Эти вещества содержат сложные угле-
ш-ды. которые выполняют несколько функций.
Их полисахаридные «головы» выступают над по-
•гтхностью клетки и служат специфическими
х,-шторами для различных молекул.
А-.нглиозиды — специфические детерминанты
w- * клеточного взаимодействия, так как они игра-
г - нужную роль в росте и дифференцировке ткани,
«а: тшение обмена ганглиозидов может приводить
t а .тосомно-рецессивному заболеванию ~ ганг-
i>* ' и дозу (рис. 2-6).
‘л ценностями расположения углеводов в гли-
ы.’и.пилах плазматической мембраны клетки оп-
X.;-..яются различия между хорошо известными
Рис. 2-6. Ребенок с GMi-ганглиозидозом. (Воспроизве-
дено с разрешения из: Oski FA et al (editors.: Principles
and Practice of Pediatrics, 2nd ed. Lippincott, 1994.)
34
Глава 2
Таблица 2-7. Мукополисахаридозы
Тип Лизосомальный фермент или биохимический дефект ___ Клиническая проба Наследование
Гурлер,тип IH a- L-иду рон идаза лейкоциты АР
। Шейе, тип IS 1 a-L-идуронидаза лейкоциты АР
! Гунтер, тип II 1 Идуроносульфатаза сыворотка крови Х-сцепленное
Санфилиппо А, тип 111А Гепаран-М-сульфамидаза лейкоциты АР
Санфилиппо В, тип IIIB a-N-ацетилглюкозаминидаза сыворотка крови АР
Санфилиппо С, тип IIIC ацетил-СоА: а-глюкозаминид N-аце- Lтилтрансфераза лейкоциты АР
i Санфилиппо D, тип HID . N-ацетилглюкозамин-б-сульфатаза лейкоциты __________ АР
1 Моркио А, тип IVA Г" ” " N-ацетил галактозамин-6-сульфатаза . культура фибробластов кожи АР
Моркио В, тип IVB р-галактозидаза, специфичная для кератин сульфата культура фибробластов кожи АР
Марото-Лами, тип VI Ари л сульфатаза В лейкоциты АР
Слай, тип VII i р-глюкуронидаза лейкоциты АР
Воспроизведено с разрешения из: Seashore MR, Wapper RS. Genetics in Primary Care & Clinical Medicine, Appleton
& Lange, 1996, p. 241.
АР = аутосомно-рецессивный тип наследования.
антигенами групп крови А, В и 0. Как было сказано
выше, плазматическая мембрана постоянно обнов-
ляется; следовательно, клетка должна обладать
способностью разрушать сложные гликолипиды.
При некоторых заболеваниях человека ферменты,
необходимые для разрушения этих гликолипидов,
либо отсутствуют, либо дефектны. При таких состоя-
ниях клетка не может расщеплять гликолипиды.
Это приводит к их накоплению в клетке, и, в конце
концов, к гибели клетки. Заболевания, вызванные
неспособностью клетки к расщеплению сложных
гликолипидов, называется мукополисахаридозами,
среди которых наиболее значимы синдром Гунтера,
синдром Гурлера, синдром Санфилиппо (табл. 2-7).
Более подробную информацию о наследствен-
ных заболеваниях, связанных с аномалиями липи-
дов мембран, можно найти в Genetics in Primary
Care and Clinical Medicine, Appleton & Lange, 1996.
Холестерол
Холестерол — третий основной класс мебранных
липидов. Этот стероид выполняет в мембране много-
численные функции (рис. 2-7). Полярная ОН —
группа придает молекуле слабые амфифильные
свойства, в то время как замкнутая структура колец
гидрофобна и внедряется между ацильными цепями
других липидов. Внедрение этой части молекулы хо-
лестерола между гидрофобными доменами других
липидов приводит к менее плотной «упаковке» нена-
сыщенных ацильных цепей, что придает внутренней
чести бислоя меньшую вязкость, то есть делает ее
Рис. 2-7. Структурная формула холестерола.
более текучей. Снижение вязкости способствует ла-
теральному перемещению липидов в плоскости ли-
пидного бислоя.
Противоположный эффект связан с ОН-груп-
пон стероида, которая локализуется ближе к голо-
вам других липидов. ОН-группа «цементирует»
гидрофильные части мембраны, что делает мем-
брану менее проницаемой для небольших молекул.
Большинство мембранных фосфолипидов содер-
жит в своих ацильных цепях одну или более
cfs-двойных связей. Это затрудняет их совместную
упаковку, поскольку такие цепи более подвижны,
и, следовательно, мембрана становится менее вяз-
кой при обычной температуре.
В подвижной мембране могут возникать полос-
ти, облегчающие движение через мембрану мелких
водорастворимых молекул, например, глюкозы.
Холестерол способствует более плотной упаковке
мембраны в области гидрофильных доменов и, од-
новременно, заполняет полости, образованные из-
гибом cis-двойной связи в ацильной цепи липида.
^-екулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран_________________ 35
Голова
молекулы
фосфолипида
О
П Неподвижный Подвижный
О Р О—СН2 о — участок —► — участок —►
О НС-
Фосфолипид
3-он Жесткое стероидное Подвижный
Холестерол
группа кольцо
хвост
вс- 2-8. Встраивание холестерола в фосфолипидный бислой. На диаграмме показана линейная ориентация молеку-
. < /з/стерола и фосфолипида, входящего в состав липидного бислоя. (Приведено с изменениями из: Houslay MD,
л- - \ КК. Dynamics of Biological Membranes. John Wiley & Sons, 1983, p. 72. Copyright ©1983 John Wiley & Sons. Пе-
мтано с разрешения John Wiley & Sons, Ltd.)
Молекула фосфолипида
Полярная
область
главной
группы
Голова и
молекулы Н >Н
Сердцевина
бислоя
Углеводная
поверхность
ХО
/
Сз
Холестерол
вс 2-9. Взаимодействие холестерола и фосфолипида. Молекула холестерола и молекула фосфолипида взаимодей-
-1 * - на границе между гидрофобной и гидрофильной частями мембраны. На диаграмме показано формирование
l:» > лных связей между карбонильной группой фосфолипида и p-гидроксильной группой холестерола. (Воспроиз-
с разрешения из: Huang СН. A structural model for the cholesterol-phosphatidylcholine complexes in bilayer
rr r.ines. Lipids 1977; 12:348. Опубликовано American Oil Chemists’ Society, с изменениями.)
молекулы холестерола могут легко переска-
еьлть (flip-flop) между слоями, они обычно скап-
ва:»>г в наружном слое, тем самым утолщая ее.
лл холестерола в проницаемости мембраны обу-
н -.хна его физическими и химическими свойст-
ш ( рис. 2-8 и 2-9).
Функциональные свойства липидов
В этом разделе обсуждается молекулярное
строение липидов, определяющее их структуру и
функцию в мембранах эукариотических клеток.
Амфипатическая природа липидов
Амфипатический характер липидов мембраны
способствует образованию липидного бислоя.
В фосфолипидах четко определяются два домена.
Один представлен фосфатной головой молекулы с
замещениями. Химические свойства этого домена
36
Глава 2
)• Полярные (гидрофильные) группы
Неполярные (гидрофобные) группы
Водная фаза
Водная фаза
Амфифильный липид
Водная фаза
Эмульсия жира в воде
Водные промежутки
Липидные бислои
Липосома (из одного биослоя липидов) Липосома (из нескольких липидных бислоев)
Рис. 2-10. Образование липидных мембран, мицелл, эмульсий и липосом из молекул фосфолипидов, основанное на
их амфифильной природе. (Воспроизведено с разрешения из: Murray RK. Harper's Biochemistry, 24th ed. Appleton &
Lange, 1996, p. 157, с изменениями.)
определяют его растворимость в воде, поэтому его
называют гидрофильным. Напротив, ацильные це-
пи, которые отходят от глицеринового остова, не
полярны и поэтому нерастворимы в воде. Они
представляют гидрофобный домен. Свойство мо-
лекулы иметь в своем составе как гидрофильные,
так и гидрофобные группы, называется амфифиль-
ностью.
Если поместить молекулу фосфатидилхолина
в воду, гидрофильный участок легко растворится
в воде, а гидрофобный участок будет вытеснен из во-
ды на воздух, немного напоминая торчащий волос на
голове. Можно полностью погрузить липид в вод-
ную среду, но для этого потребуется много энергии
(тепловой или химической). Причина этого в том,
что вода - полярный растворитель, и ее молекулы
двигаются хаотично. Для того чтобы упорядочить
расположение молекул воды вокруг неполярных
ацильных цепей липидов (то есть растворить их), по-
требовались бы значительные затраты энергии.
В физиологических условиях, однако, реализуются
другие, менее энергоемкие возможности. Неполяр-
ные участки липидов объединяются друг с другом,
отделяясь от водной среды. Такое поведение липи-
дов приводит к образованию двух основных типов
макромолекулярных структур (рис. 2-10).»
Организация мицелл
Стенки мицелл могут состоять из одинарного или
двойного слоя липидов. Стенки липопротеиновых
мицелл часто состоят из одинарного слоя липидных
молекул. Другой основной формой, которую в вод-
ной среде образуют липиды, является бимолекуляр-
ный слой; именно такая форма используется клеткой
soe строение и функциональные компоненты клеточных мембран
37
юрке липидного бислоя мембран. Следует
r-ить. что липидный бислой формируется спон-
- он устойчив по термодинамическим причи-
. ие за счет ковалентных связей.
Ъ«пиды мембран формируют особую
кмдкую среду
• - < 1сть мембранных липидов во многом опре-
ю : свойства и поведение мембран. На вязкость
,<юв в бислое влияют следующие факторы:
• число углеводородных групп (СН2) в ациль-
-ых цепях
• гисло двойных связей в цепи
• количество холестерола в бислое
?-м длиннее и насыщеннее ацильные цепи липи-
плотнее они могут быть упакованы. Плот-
упаковка повышает устойчивость (снижает те-
- гь) бислоя. При этом необходимо отметить,
текучесть мембраны выше в гидрофобной об-
а гидрофильные области, содержащие поляр-
. ловы липидов, значительно менее подвижны.
- • му это так? Полярные группы липидов ориен-
.it окружающие их молекулы воды и при этом
ижаются между собой, «цементируя» мембра-
Тлким образом, непрямое и несколько парадок-
юле взаимодействие между молекулами воды
с логических жидкостях влияет на стабиль-
л и целостность мембраны — в данном случае,
w действие между молекулами воды и поляр -
ю- :руппами липидного бислоя.
Спилы различных типов встраиваются в мем-
« далеко не случайным образом. Группируясь
:-:ому, они могут формировать на мембране
л Это дает возможность липидам мембраны
и пивать участки с различными свойствами
г дополнения определенных клеточных функ-
• Например, липиды с насыщенными ацильны-
„ п.ями, накапливаясь в одном месте клеточной
('паны, делают этот участок жестче. Реально
происходит в тех областях мембран, которыми
-ка прикрепляется к субстрату или к другим
-кам. Кроме того, каждая сторона бислоя имеет
личный липидный состав, поэтому области с за-
лы.ми свойствами могут возникать изолирован-
- лько на одной стороне бислоя. Следователь-
мс.мбрану можно представить как липидную
гайку (рис. 2-1). Таким образом, липиды бислоя
l. твуют во многих функциях клетки и играют
•л-вую роль в формировании мембран, окружа-
ли клетку и ее органеллы.
Движение в плоскости мембранного
бислоя
Молекулы липидов могут двигаться в плоскости
мембраны. Одно из первых свидетельств того, что
липиды мембраны подвижны, было получено с ис-
пользованием метода электронного парамагнитно-
го резонанса (ЭПР), когда в липид вводили спино-
вую метку в виде нитроксильной группы, содержа-
щей неспаренный электрон. Эксперимент показал,
что липидная молекула быстро перемещается
в плоскости мембраны. При расчете кинетики это-
го движения оказалось, что одна молекула может
пройти расстояние, равное длине обычной эука-
риотической клетки, приблизительно за 5-10 се-
кунд. Таким образом, в мембране обычной клетки
млекопитающего липиды находятся в непрерыв-
ном движении и постоянно перемещаются. Кроме
бокового движения, каждый липид крутится во-
круг собственной длинной оси. Внутри липидного
бислоя каждая молекула может свободно переме-
щаться в плоскости мембраны до встречи с ка-
ким-либо препятствием, что мы обсудим позднее
в данной главе.
Боковое движение отдельных липидов в бис-
лое — движение в пределах одного слоя мембраны.
Не может ли молекула перескочить, например,
с наружного слоя на внутренний? Это, действи-
тельно, возможно, но под действием простой диф-
фузии происходит очень долго и не имеет большой
ценности для клетки. Поэтому перескок (flip-flop)
липидов из одного слоя мембраны в другой проис-
ходит иначе, чем латеральное движение.
Амфипатические свойства липидов объясняют
сложность, казалось бы, простого прыжка из одного
слоя мембраны в другой. Для такого «перескока»
требуется, чтобы полярный домен быстро прошел
через неполярную область, и наоборот. Это потре-
бует от клетки слишком больших затрат энергии,
если процесс не облегчить специально. Следует
учесть, что перескок липидов между слоями — ред-
кое событие, так как поддержание определенного
липидного состава на каждой стороне мембраны
очень важно для структуры и функции клетки.
Процесс flip-flop перескока, или транслокации ли-
пидов обеспечивается специальными механизмами.
Если сравнить общий липидный состав гепато-
цита и эритроцита, можно заметить разницу в до-
ле различных липидов в мембранах этих клеток.
Неясно, почему пропорции мембранных липидов
отличаются у эукариотических клеток разных
типов, но очевидно, что это имеет значение для
биологической функции этих клеток или органелл.
К тому же, в различных типах мембран сильно
38
Глава 2
отличается соотношение липидов и белков. Напри-
мер, в мембранах митохондрий отношение массы
белка к массе липидов существенно выше, чем в
комплексе Гольджи или эндоплазматическом рети-
кулуме, в значительной степени из-за того, что
многие митохондриальные ферменты, вырабаты-
вающие энергию, одновременно являются мем-
бранными белками. В данном случае, вероятно,
мембранные липиды выполняют в основном роль
«цемента» для белков, в отличие от других органелл,
в мембране которых липиды могут иметь и другие,
самостоятельные функции.
Транслокация липидов и ее связь
с функциями клетки
Поиск механизмов, ответственных за транслока-
цию липидов между слоями мембраны, шел доста-
точно активно. Конкретный механизм транслока-
ции каждого липида зависит от его природы, что
осложняет изучение процессов транслокации.
Во время синтеза мембран на эндоплазматиче-
ском ретикулуме новые липиды добавляются
только к одному (цитозольному) листу растущего
бислоя. Незаряженные или нейтральные липиды
могут проходить через мембрану, благодаря их ес-
тественной жирорастворимости без участия специ-
ального механизма. Например, было показано, что
в гепатоцитах имеется специальный обмениваю-
щий фосфолипиды белок, который связывает мо-
лекулу фосфолипида на одной стороне мембраны
и переносит эту молекулу в другой компартмент
мембраны. Смешивание липидов может происхо-
дить также при формировании на ЭР мембраны
везикул (пузырьков) и слиянии их с другими мем-
бранами. Неизвестно, какой из механизмов форми-
рования асимметрии мембран является основным.
Концентрация фосфатидилсерина, несущего
суммарный отрицательный заряд, выше на внут-
реннем слое мембраны (обращенном к цитоплаз-
ме), чем на внешнем. Поэтому внутренняя поверх-
ность мембраны заряжена отрицательно по отно-
шению к наружной. Фосфатидилинозитол также
локализован почти исключительно во внутреннем
слое; это не случайно, поскольку этот липид
участвует в механизмах передачи внешнего сигна-
ла в цитоплазму клетки (главы 9 и 10). Гликолипи-
ды, такие как ганглиозиды и цереброзиды, нахо-
дятся исключительно в наружном слое мембраны.
Это понятно, так как липиды, несущие углеводные
цепи, почти всегда располагаются на поверхности
клетки, обращенной во внешнюю среду.
Эти примеры говорят о том, что асимметричная
организация липидов в каждом слое мембраны очень
важна для функции клетки, и для под держания этой
асимметрии существуют специальные механизмы.
Мембранные липиды — чрезвычайно важный ком-
понент биологических мембран, они участвуют во
всех аспектах биологической функции.
Мембранные липиды, участвующие
в передаче сигналов
Эйкозаноиды
Эйкозаноид (греч. Eikos — двадцать) — термин,
применяемый ко всем Сзо-жирным кислотам
(табл. 2-8). Многие окисленные эйкозаноиды обра-
зуются в процессе биосинтеза из арахидоновой
кислоты, самой распространенной в мембранах
млекопитающих Сзо-полиненасыщенной жирной
кислоты. Окисленные эйкозаноиды разделяют на две
группы. Первая группа включает простагландины
(или простаноиды) и тромбоксаны. Ко второй
относятся гидрокси- и гидроперокси-жирные
кислоты, а также лейкотриены. Простагландины
и тромбоксаны образуются в ходе циклооксиге-
назной реакции арахидоновой кислоты. Вторую
группу называют липоксигеназными продуктами,
так как синтез лейкотриенов катализируется одной
из многих родственных дезоксигеназ, называемых
липоксигеназами. Эти два семейства веществ пред-
ставляют собой гормоноподобные молекулы; они
обладают сильным, хотя и коротким действием и эф-
фективны в очень низких концентрациях.
Биосинтез простагландинов: связь
с клиникой
Простагландины образуются в организме перио-
дически и только в ответ на определенные стиму-
лы (рис. 2-11).
Необходимым условием синтеза простагланди-
нов является наличие жирной кислоты-предшест-
венника — арахидоновой кислоты. Молекула-пред-
шественник в норме находится в этерифицированной
форме по sn-2 положению мембранных фосфогли-
церидов. Простагландины выявляются через
10-20 секунд после стимуляции клетки. Синтез
происходит в течение 1-5 минут и затем останав-
ливается. Путь высвобождения и метаболизм
арахидоновой кислоты показан на рис. 2-12. Физио-
логическими стимуляторами высвобождения ара-
хидоновой кислоты служат, в частности, такие гор-
моны, как ангиотензин II, брадикинин и адреналин.
С другой стороны, любой процесс или фактор,
вызывающий общее воздействие на клеточные мем-
браны и приводящий к обмену фосфолипидов,
можно отнести к категории патологических стиму-
лов. Для примера можно привести механическое
иолекулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран
39
Таблица 2-8. Свойства наиболее важных эйкозаноидов
Эйкоза- ноид Локализация синтеза Основные биологические эффекты ; 1
Тучные клетки Расширение кровеносных сосудов
Почки, селезенка, сердце — Расширение сосудов, увеличение эффективности брадикинина и гистамина, сокращение матки, агрегация тромбоцитов, поддержа- !• ние в открытом состоянии артериального протока плода j
>3^7 Почки, селезенка, сердце Сужение сосудов, сокращение гладкой мускулатуры
Предшественник тромбоксанов А2 и В2, вызывает агрегацию тром- • боцитов и сужение сосудов
>3 - Сердце, эндотелий сосудов ’ ' ’ ' Ингибирует агрегацию тромбоцитов, вызывает расширение сосудов
"ХА- Тромбоциты Вызывает агрегацию тромбоцитов и сужение сосудов
~к32 Тромбоциты Моноциты, базофилы, нейтро- : филы, эозинофилы, тучные клетки, клетки эпителия Вызывает сужение сосудов । Вызывает лейкоцитарный хемотаксис и агрегацию лейкоцитов
^7^4 Моноциты и альвеолярные мак- рофаги, базофилы, эозинофи- лы, тучные клетки, клетки эпите- ; лия Элемент медленно реагирующего компонента анафилаксии вызыва- । ет расширение сосудов и сужение бронхов
-- - Моноциты и альвеолярные мак- рофаги, эозинофилы, тучные клетки, клетки эпителия Основной элемент медленно реагирующей субстанции анафилак- сии, вызывает вазодилатацию и бронхоконстрикцию j
ЛЬ Тучные клетки и базофилы Компонент медленно реагирующей субстанции анафилаксии, вызы- вает вазодилатацию и бронхоконстрикцию
Воспроизведено с разрешения из: Balcavage WX, King MW. Biochemistry: Examination & Board Review, Appleton &
~ange, 1995, p. 205.
вреждение, ишемию и мембрано-активные яды,
~г<ие как пчелиный яд мелиттин. Было показано,
у* > тромбоциты крови выделяют большое количе-
—н* > простагландинов во время их физиологической
тации — начального этапа образования тромба.
Образование арахидоновой кислоты
тромбоцитах
В тромбоцитах арахидонат образуется, в основ-
« кс из двух фосфолипидов — фосфатидилинозито-
L2 и фосфатидил холина. Под действием тромбина
.-.и коллагена тромбоциты вырабатывают диглико-
С* <фатидилинозитол-специфическую фосфолипа-
г. С. Эта фосфолипаза С, вероятно, активируется
s результате зависимой от внешнего стимула моби-
кшии Са2+. Как только арахидоновая кислота
-.цепляется от липида, циклооксигеназа ини-
пирует каскад реакций и быстро превращает
1;а\идоновую кислоту в простагландины, кото-
с большой скоростью синтезируются и высво-
'• ждаются из клеток. Затем простагландины воз-
«хеиствуют на рецепторы, находящиеся на наружной
' верхности плазматической мембраны.
Лейкотриеновый путь
Лейкотриеновый путь с участием липооксигеназ
приводит к образованию небольших молекул, ко-
торые вовлечены в воспалительные и аллергиче-
ские реакции. Эти вещества синтезируются в очень
малых количествах, однако оказывают действие
в концентрации 1О'10 М; они в 10 000 раз активнее,
чем гистамин.
Пептидолейкотриены участвуют в работе дыха-
тельной системы, где они контролируют диаметр
бронхиол, и в секреции слизи бокаловидными
клетками, находящимися в дыхательных путях.
Активность этих веществ, производных мембран-
ных липидов, подтверждает важность изучения
(1) типа липидов в мембране, (2) их локализации
в ней, и (3) их участия во многих важных биологи-
ческих реакциях организма.
Простагландины и лейкотриены:
связь с клиникой
Простагландины и лейкотриены участвуют в:
1. воспалительных реакциях и развитии ано-
мальных воспалительных процессов, таких
как ревматоидный артрит и поражения кожи
(например, псориаз);
40
Г лава 2
.соон
Арахидоновая кислота
1
; Циклооксигеназа *
О ' г - СООН
oVV.......
но
но
ОН
6-KET0-PGi-Fia
ООН
[pggT]
Пероксидаза *
PGE-синтаза
PGI-синтаза ।
О / ' ’ ' СООН
О - " '
ОН
PGD-синтаза
j
| ТХА-синтаза
СООН
О
/ О Л соон
но он
PGE2
j PGE 9-кеторедуктаза
НО 1
- ' ' - соон
но он
j~PGF2a
НО
соон
о он
pgd2~|
соон
он
ННТ (ги дроке иге пта-
декатриеновая
кислота)
MDA (мало-
новый аль-
дегид)
ТХА2
соон
Рис. 2-11. Биосинтез простагландина и тромбоксана. Названия веществ даны в рамках. Звездочки означают, что и
циклооксигеназные и пероксидазные реакции катализируются одним и тем же ферментом — простагландин-эндо-
пероксидаза-синтазой. (Воспроизведено с разрешения из: Katzung BG. Basic & Clinical Pharmacology, 6th ed. Appleton
& Lange, 1995, p. 293, с изменениями.)
2. болевых и температурных реакциях;
3. индукции свертывания крови (усиливая аг-
регации тромбоцитов);
4. регуляции артериального давления, расши-
ряя сосуды и расслабляя гладко-мышечные
клетки, мелкие артерии и вены;
5. регуляции сокращений матки во время родов;
6. регуляции цикла сна и бодрствования.
Некоторые основные медиаторы тучных клеток,
участвующие в остром воспалении, включая про-
стагландины, тромбоксан А и лейкотриены, пред-
ставлены на рис. 2-13.
екулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран
41
Фосфолипиды
Фосфатидилинозитиды
Л изофосфолип иды
Фосфатидная
кислота v Диацилгли-
\ церолкина-
за
^Лизофосфатидная
\ кислота
Фосфолипаза Аг
Фосфолипаза С
Диацилгли- Инозитолфосфат
церид
Диацилглицероллипаза
10 (
9 8 6 5
3
соон
11 12 14 15 17
20
19
Арахидоновая кислота (свободная)
Липоксигеназы Эпоксигеназы
; (цитохром Р-450)
~i(Р)ЕТЕ (гидропероксиэйкозатетраеноаты)
Лейкотриены
Липоксины
Эпоксиды
PGH-синтаза
(циклооксигеназа)
I
Простагландины
Тромбоксаны
2-12. Пути высвобождения арахидоновой кислоты и ее метаболизм. (Воспроизведено с разрешения из: Katzung BG.
jnical Pharmacology, 6th ed. Appleton & Lange, 1995, p. 291, с изменениями.)
Юсфоинозитиды
• фоинозитиды — еще один важный класс
' : энных липидов. Липиды этого семейства пе-
* гвенно участвуют в передаче некоторых
из в клетку (это обсуждается в главе 9).
аи' ^содержащие фосфолипиды — обязатель-
е мноненты всех эукариотических клеток, они
>ил-:ют 2-8% от общего содержания всех ли-
с у шествует три основных вида инозитолсо-
опих фосфолипидов:
Ф <фоинозитолфосфат (PI)
Ф >сфоинозитол-4-фосфат (PIP)
Ф- >сфоинозитол-4,5-фосфат (PIP2)
• ч- гюинозитол-фосфат составляет примерно
г.х фосфоинозитидов, находящихся в мем-
Инозитолы синтезируются в эндоплазмати-
м ретикулуме путем серии ферментативных
лог В образовании различных фосфорилиро-
\ форм инозитола участвуют различные
> киназы. Фосфат присоединяется к специфи-
гидроксильной группе инозитольного коль-
и поступлении сигнала активируется другое
? г но мембран-ассоциированных белков —
«: ические липазы, которые отщепляют голов-
. ппольную группу от липида.
Этот процесс расщепления приводит к образова-
нию двух высокоактивных молекул:
1. Фосфорилированного инозитола, который на
этой стадии имеет три фосфатных группы,
присоединенных в положениях 1, 4, 5 (он на-
зывается 1Р3). Эти небольшие гидрофильные
молекулы связываются с внутренними ре-
цепторами, которые открывают кальциевые
каналы и пропускают ионы кальция в цито-
золь.
2. Диацилглицерин (DAG), липидный компо-
нент PI, также является высокоактивным ве-
ществом, но он остается в липидном бислое.
По-видимому, DAG перемещается в плоскости
мембраны в положение рядом с киназой, кото-
рая прежде находилась вблизи внутренней
части липида (в ответ на повышенную кон-
центрацию ионов кальция внутри клетки).
Метаболизм фосфатидилинозитола в клеточных
мембранах показан на рис. 2-14.
Более детально сигнальные и информационные
процессы обсуждаются в главе 9. Здесь мы обращаем
внимание на принципиальную важность липидов
и их положения в мембране: липидный бислой рабо-
тает не только как физический барьер, но и как
42
Глава 2
Тромбоксан Аг О Арахидоновая кислота (циклооксигеназный путь) Сужение сосудов, сужение бронхов, агрегация тромбоцитов
г°т он "СООН
Простагландин Ег (или Da) Лейкотриен Вд О но ^5^0 ОН нон ^^соон ^/СООН Арахидоновая кислота (циклооксигеназный путь) Арахидоновая кислота (липоксигеназный путь) Расширение сосудов способствует влиянию гистамина и брадикинина на проницаемость сосудов; увеличе- ние проницаемости при совместном действии с лейкотаксическими аген- тами; усиление действия лейкотрие- на; гипералгезия (повышенная чувст- вительность к боли) Хемотаксис нейтрофилов; увеличе- ние проницаемости сосудов в при- сутствии PGE2
нон
Лейкотриен Од ~с5н нон HS —сн„ 11 I CHCONHCH-COOH I г Арахидоновая кислота (липоксигеназный путь) Увеличение проницаемости сосудов
nh2
Тромбоцит-ак- Ацетилированный глицероловый Базофилы, нейтрофи-
тивирующий эфир фосфохолина лы, моноциты, макро-
фактор фаги
Высвобождение медиаторов из
тромбоцитов, агрегация нейтрофи-
лов, секреция нейтрофилов, продук-
ция супероксида нейтрофилами; уве-
личение проницаемости сосудов
Рис. 2-13. Медиаторы функций тучных клеток. Представлены названия, структуры, биологическая активность важ-
ных веществ, которые регулируют (стимулируют) тучные клетки. (Воспроизведено с разрешения из: Sell S.
Immunology, Immunopathology, & Immunity, 5th ed. Appleton & Lange. 1996, p. 215. с изменениями.)
необходимый источник получения, интерпретации
поступающих сигналов и реакции на них клетки,
что крайне важно для жизненных процессов клетки.
Белково-липидная мозаика
Белки составляют приблизительно 50% от мас-
сы большинства клеточных мембран.
Крупное открытие в области взаимодействия
мембранных белков и липидов сделали д-р Джои
Зингер (Jon Singer) и его студент Гарт Николсон
(Garth Nicholson), показавшие, что большая часть
мембранных белков погружена в мембрану почти
перпендикулярно (Singer and Nicholson, 1972).
В результате была предложена модель мембраны
типа белково-липидной мозаики (жидкостно-мо-
заичная модель) (рис. 2-1). Сотни исследований
подтвердили и расширили изначальную модель
Зингера—Николсона, которая, по единодушному
признанию биологов, наиболее адекватно описыва-
ет свойства клеточной мембраны.
Мембранные белки: физические
и химические свойства
Эритроциты — наиболее удобная модель для изу-
чения архитектуры и топологии мембранных бел-
ков и липидов в биологической мембране. На рис.
2-15 показано, как выделяют эритроциты и очища-
ют их мембраны.
Хотя в мембранах эритроцитов не выявляются
многие характерные черты мембранных белков, эти
клетки оказались отличной и наиболее доступной
моделью для изучения структуры и функции мем-
бран. Обсуждаемые ниже основы структуры мем-
бранных белков и их функции были исследованы
с использованием мембран эритроцитов.
Молекулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран
43
2-14. Мембранный метаболизм фосфатидилинозитола. Фосфатидилинозитол (PI) фосфорилируется с образо-
и-исм сначала фосфатидилинозитол-4-фосфата (PIP) и затем фосфатидилинозитол-4,5-бифосфата (PIP2). Фермен-
фосфолипаза CPi и Р2 катализируют распад PIP2 до инозитол-1,4,5-трифосфата (1Р3) и диацилглицерола.
ьиейшие этапы приводят к образованию инозитола и CDP-диацилглицерола, которые завершают метаболиче-
цикл. (CDP — цитозиндифосфат). (Воспроизведено с разрешения из: Berridge MJ. Inositol triphosphate and
• iglvcerol as second messengers. Biochem J 1984; 220:345, с изменениями.)
Рис. 2-15. Эритроцит (Воспроизведено с изменениями и с разре-
шения из: Berman I. «Color Atlas of Basic Histology». Appleton &
Lange, 1993, 151).
В ходе созревания в костном мозге эритроциты теряют ядро и дру-
гие внутриклеточные органеллы, а т. к. эти клетки весьма много-
численны (~ 106/мл), то их легко отделить от других клеток крови.
Отмытые эритроциты, помещенные в воду, набухают и подверга-
ются лизису. После удаления гемоглобина и других внутриклеточ-
ных белков остается чистая плазматическая мембрана.
44
Глава 2
Термодинамические законы
Полипептидные цепи свертываются в трехмер-
ные структуры, подчиняясь тем же термодинами-
ческим законам, которые управляют образованием
липидных мицелл или липидных бислоев; функ-
циональная трехмерная конформация белков опре-
деляется движущими силами, возникающими при
взаимодействии R-групп или боковых групп ами-
нокислот, из которых состоит белок. Вспомним,
что 8 или 10 различных аминокислот имеют непо-
лярную боковую группу и поэтому являются гид-
рофобными, а остальные аминокислоты обладают
гидрофильной боковыми цепями.
Свертывание линейного полимера аминокислот
в крупную трехмерную структуру, в частности,
обусловлено энергией, которая требуется для раз-
мещения гидрофобных групп в гидрофильной сре-
де. Действительно, в водной среде области поли-
пептида, содержащие участки из гидрофобных
аминокислот, при свертывании оказываются внут-
ри молекулы.
Правила свертывания полипептидов намного
сложнее, чем простой подбор боковых цепей по
принципу гидрофильности или гидрофобности, но
именно эти взаимодействия диктуют трехмерную
структуру белковой молекулы. Однако правильная
упаковка белка — не спонтанный процесс, управ-
ляемый одной термодинамикой; он катализируется
молекулами — «шаперонами» (глава 3). Генетичес-
ки обусловленная замена даже одной аминокислоты
в полипептидной цепи часто приводит к изменени-
ям трехмерной конформации белка и, следователь-
но, к нарушению его функциональной активности.
Как мы увидим дальше, генетические дефекты мем-
бранных белков могут оказывать значительное
влияние на функцию клетки.
Два основных типа мембранных белков
Используя мембрану эритроцитов как модель,
исследователи выявили два типа мембранных бел-
ков. Белки первого типа, называемые перифериче-
скими белками, связаны с мембраной в основном
ионными взаимодействиями. Если обработать пре-
парат мембран буферным раствором с высокой
концентрацией солей, белки этого типа освобожда-
ются от мембраны и переходят в буфер. Примеры
периферических белков — фибронектин (локали-
зован на наружной поверхности большинства клеток,
исключая циркулирующие клетки крови) и спек-
трин (находится на внутренней поверхности
большинства клеточных мембран, особенно в эрит-
роцитах).
Мембранные белки второго типа называют ин-
тегральными белками. Эти протеины или погруже-
ны в толщу липидного бислоя, или пронизывают
мембрану насквозь (трансмембранные белки)1.
Для выделения и изучения интегральных белков
их очищают от липидов, либо экстрагируя их орга-
ническими растворителями (такими как ацетон
или спирты), либо растворяют липиды с помощью
детергентов. Большинство мембранных белков
являются интегральными.
Одним из первых интегральных белков, для ко-
торых была полностью определена аминокислотная
последовательность, был гликофорин А — белок
с молекулярной массой 28 кДа . Исследование его
аминокислотной последовательности выявило ли-
нейный участок из 24 аминокислот, имеющих в ос-
новном гидрофобные боковые цепи. Последова-
тельность начинается и заканчивается полярной
аминокислотой аргинином (ARG+-Val-Gln-Leu-Ala-
His-His-Phe-Ser-Glu-Pro-Glu-Ile-Thr-Leu-Ile-Ile-Phe-
Gly-Vai-Met-Ala-Gly-Val-Ile-Gly-Thr-Ile-Leu-Leu-
Ile-Ser-Thr-Gly-Ile-ARG+). Было проведено множе-
ство экспериментов, показавших, что гликофорин
пронизывает мембрану, а приведенная выше гид-
рофобная последовательность — трансмембранный
домен этого белка. Хотя в последовательности
трансмембранного участка неполярные аминокис-
лоты более многочисленны, несколько заряженных
остатков почти полностью нейтрализованы взаимо-
действием с аминокислотами противоположного
знака (например — His(*)MGlu-). Важно также отме-
тить, что в гидрофобной среде внутри мембраны
неполярные аминокислоты упакованы в альфа-спи-
раль, термодинамически выгодную для бислоя.
Эти и другие наблюдения по ориентации гликофо-
рина дали неопровержимое доказательство того, что
трансмембранные белки действительно насквозь
пронизывают липидные слои и что белки этого
типа, как и фосфолипиды, амфипатичны, то есть
имеют и гидрофобные и гидрофильные области.
Интегральные белки перемещаются
в плоскости мембраны
Выше мы обсуждали эксперименты, доказавшие,
что отдельные молекулы липидов перемещаются
в плоскости отдельных слоев мембраны. С помо-
щью сходных методов было показано, что инте-
гральные мембранные белки также перемещаются
в плоскости мембраны. Когда исследователи слили
1 К интегральным относят также белки, ковалентно связанные с молекулами мембраны. Все интегральные белки можно выделить,
только разрушив мембрану.
лекулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран
45
тку мыши и клетку человека, проверяя будут
человеческие поверхностные антигены мигри-
чать в мышиную область клетки-гибрида, они
/дели, что мембранные белки действительно мо-
передвигаться в различные места клеточной
нерхности. Это открытие стало основой для ло-
мания многих функций клетки, включая грун-
товку рецепторов, эндоцитоз и фагоцитоз —
иессы, при которых мембранные белки активно
-мешаются (см. рис. 2-19).
< . гучайно ли движение белка подобно плаванию
'ирга в океане, или это направленное движение,
ли так, то как оно происходит? Ответ заключа-
- в том, что многие белки перемещаются на зна-
- * льные расстояния; однако, поскольку они
личному связаны с белками цитоскелета, не все
.-л,IX могут двигаться внутри мембраны. Несмот-
;:ч то, что многие белки ассоциированы с цито-
:итом, исследователи с удивлением обнаружи-
.. лабую латеральную диффузию мембранных
-.ков. Вероятно, эта диффузия — следствие дина-
* некого состояния большинства клеточных
- . ктур, которые постоянно распадаются и синте-
: тются вновь.
нтегральные белки
Как было показано ранее, белки мембран можно
-делить на две группы: одни связаны с поверхно-
_ :• мембраны, а другие интегрированы в липид-
слои. Сначала мы обсудим свойства инте-
..^:ьных белков.
Белки, пронизывающие мембрану один
раз (монотонные)
Гэансмембранные белки, относящиеся к боль-
л. группе монотопных, пересекают мембрану
л ко один раз, они имеют всего один трансмем-
>--чый участок полипептидной цепи. Гликофо-
IH — пример типичного монотопного белка,
г- гпе монотопные белки являются рецепторами,
-с имеют наружный (внеклеточный) узнающий
М’-н, соединенный с единственным доменом, ко-
; л и проходит через липидный бислой, а также,
правило, цитоплазматический (внутриклеточ-
участок, который содержит каталитический
-активирующий» центр. Некоторые рецепто-
ь* -стоят из нескольких полипептидов, и каждая
диница такого рецептора может содержать
г ' »чный трансмембранный домен.
Белки, многократно пронизывающие
мембрану (политопные)
Многие трансмембранные белки имеют более од-
ного домена, пересекающего мембрану. Такие доме-
ны пересекают бислой благодаря механизму, кото-
рый обсуждается в главе 4. Здесь важно отметить,
что большинство политопных мембранных белков
принадлежит к группе рецепторов, обладающих
уникальным свойством активировать специальный
путь передачи сигнала внутри клетки. Более того,
для выполнения этой функции в эволюции возник-
ли различные формы мембранных белков. Детали
сигнального каскада рассмотрены в главе 9.
Мембранные белки, связанные
с липидами
Некоторые мембранные белки прикреплены
к бислою амидной связью между их N-концевым ос-
татком (обычно это глицин) и карбоксильной груп-
пой длинной жирной кислоты (как правило, мири-
стиновой или пальмитиновой). Белок, связанный
таким образом, может быть обращен как внутрь ци-
топлазмы, так и в окружающую клетку среду.
Другие липид-связанные белки образуют тио-
эфирную связь между цистеином и изопреновой
структурой особого типа, близкой по строению
к холестеролу. Остаток цистеина входит в конце-
вой фрагмент белковой цепи, который участвует
в образовании тиоэфирной связи и состоит из четы-
рех аминокислот. После формирования тиоэфир-
ной связи три аминокислотных остатка отщепляют-
ся, и новая С-концевая аминокислота (цистеин)
метилируется (рис. 2-16).
Белки, связанные с углеводами
Некоторые мембранные белки прикрепляются
к липидному бислою через углевод с помощью
фосфодиэфирной связи. При этом белок связан
с мембранным липидом гликозилфосфоинозидом.
Эти белки называют прикрепленными к глицерол-
фосфоинозидному якорю (GPI). Таким способом
прикреплены различные белки; некоторые из них
являются рецепторами, а другие, вероятно, служат
поверхностными зонами узнавания клетки. Мы об-
судим GPI-связанные мембранные белки в сле-
дующих главах.
Периферические белки
Как указывалось выше, периферические мем-
бранные белки, в отличие от интегральных, не по-
гружены в липидный бислой и не соединены с ним
ковалентно. Они удерживаются в основном силь-
ными ионными взаимодействиями. Более того,
46
Глава 2
Рис. 2-16. Способы прикрепления белка к мембране. Одни белки прикрепляются к липидному бислою своим N-кон-
цевым остатком (обычно это глицин), а другие — карбоксильным концом. Иногда белки образуют тиоэфирные связи
с участием SH-группы цистеина четвертого остатка с С-конца белка. После формирования тиоэфирной связи, первые
три С-концевых остатка удаляются. Многие белки ковалентно привязаны к мембране через углевод (показано на
примере GPI-связанного белка)
периферические белки тесно ассоциированы с ин-
тегральными белками в мембране так называемы-
ми белок-белковыми взаимодействиями. Приве-
дем два важнейших периферических белка.
• Спектрин, который находится на внутренней
поверхности клетки
• Фибронектин, локализованный на наружной
поверхности мембраны.
Клиническое значение этих ключевых перифе-
рических белков обсуждается в следующем разде-
ле и в главе 7.
Цитоскелет мембраны
Таким образом, мы рассмотрели типы моле-
кул, участвующих в формировании мембранного
бислоя. Для дальнейшего изучения расположе-
ния белков в мембране мы вернемся к детально-
му анализу мембраны эритроцита (рис. 2-1).
При неоднократном промывании зрелых эрит-
роцитов (центрифугировании, ресуспензировании
в изотоническом буфере, набухании в воде до ли-
зиса) и центрифугировании можно выделить мем-
бранные «тени». Если далее растворить мембран-
ные тени в отрицательно заряженном ионном
детергенте типа додецилсульфата натрия (SDS),
полученный препарат белков можно разделить
электрофорезом в полиакриламидном геле и окра-
сить. После электрофореза получается набор по-
лос, подобный представленному на рис. 2-17.
В этом наборе видны различные белки, составляю-
щие скелет мембраны эритроцита.
Белки цитоскелета эритроцитов
Гель па рис, 2-17 (А) содержит И интенсивно
окрашенных полос. По соглашению, полосы нуме-
руют, начиная с самой медленной (и самой тяже-
лой) из них:
• Полосы 1 и 2 представляют собой крупные по-
липептиды белка спектрина (240 и 220 кДа)
• Полосы 2.1 и 2.2 — это анкирины
(210-200 кДа)
• Полоса 3 — главный анионно-обменный бе-
лок (93 кДа)
• Полоса 4.1 - представитель семейства бел-
ков, связанных со спектрином и актином
в скелете мембраны
• Полоса 4.2 — N-миристилированный белок,
связанный с белком полосы 3 и с анкирином
Молекулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран
47
Тени эритроцитов Молекулярная масса Приблизительное количество копий в каждой тени Оболочки теней
Спектрин j 1 2 2.1 2.2 23 200,000 ОАЛ ААА
— ООП гмэл .....
ОЛА ПАЛ 2UU,UUU 100,000 ".
Анкирин —--
йШ 3 4 1 4.2 — — 93,000 —— _ 82 000 76,000 1.200,000 — 200,000 ОЙ
Актин /"— 4,9 5 6 48,000 — 43,000 . . ос ллл 100,000 500,000 Ж»
-о
7 28.000
Ряс. 2-17. Электрофорез препарата эритроцитов. Набор белковых полос слева (А) получен из препаратов теней эрит-
« питов. Набор полос справа (Б) получен от оболочек — тени обрабатывали 1% раствором детергента Тритон Х-100
> гипотоническом буфере. При сравнении двух белковых спектров видно, что оболочки утратили полосу 3 (инте-
-ильный мембранный белок) и некоторые периферические белки. В оболочках остались белки цитоскелета, включая
•«грин, анкирин и актин. (Воспроизведено с разрешения из: Branton D, Cohen CM, Tyler J. Interaction of
^skeletal proteins on the human erytrocyte membrane. Cell 1981; 24: 24 с изменениями.)
• Полоса 4.9 — актин-связывающий белок
• Полоса 5 — актин (43 кДа)
Функция других двух полос (35 кДа и 28 кДа)
/ле не известна.
На этом геле не виден гликофорин, поскольку
*-за высокого содержания в нем углеводов ис-
: пьзованный краситель его не выявляет. Два бел-
теней эритроцитов (полоса 3 и гликофорин)
• гляются интегральными белками, то есть они по-
: .жены в мембрану. Они оба участвуют в форми-
. вании сети мембранного скелета.
Спектриновый цитоскелет
В организации спектринового скелета мембраны
члствуют почти все белки, выявляемые в SDS-геле.
/иктрин формирует тетрамер, в котором близле-
жащие аир мономеры окружают друг друга; другая
щра аир мономеров связана в положении «голова
и : /лове», образуя тонкий (приблизительно 100 нм)
филамент. Окончания спектриновых филаментов
> -рмируют короткие соединения с актином и тро-
: миозином. Два других цитоскелетпых белка, по-
<а 4.1 и аддуцин, ассоциированы со спектрин-ак-
иновым соединением и помогают прикреплению
• лее длинного спектринового филамента к белку
•.юсы 3, который глубоко погружен в бислой,
г.пок анкирин (полоса 4.1) имеет два участка
связывания: один — для цитоплазматического фраг-
мента белка полосы 3 и другой — для (3-цепи спек-
трина, вблизи центра тетрамера. Белок полосы 3,
спектрин, анкирин, белок полосы 4.1, актин, тропо-
миозин и аддуцин вместе формируют комплекс,
который обеспечивает жесткость всей структуры
и поддерживает двояковогнутую форму эритроцита.
Генетические нарушения любого из белков, яв-
ляющихся частью этого комплекса, могут значи-
тельно изменить форму эритроцита и привести
к клиническим нарушениям (табл. 2-9).
Структурная модель мембран
эукариотических клеток
Приведенные выше данные были получены при
изучении эритроцита, однако оказалось, что спек-
трины, анкирины, актины и другие структурные
белки есть почти во всех других типах клеток.
Эти белки считают функциональными компонен-
тами мембранного цитоскелета. Так при детальном
исследовании эритроцита была получена принци-
пиальная картина строения плазматических мем-
бран всех эукариотических клеток. Существуют
отличия в количестве и типах белков, связанных
с мембранным цитоскелетом, однако общая струк-
тура мембраны одинакова для всех клеток, и она
включает многие белки, обнаруженные в эритро-
ците.
48
Глава 2
Таблица 2-9. Генетические нарушения при наследственных дефектах цитоскелета эритроцитов
Клинические проявления Молекулярный дефект Насле- дование Хромосомная локализация
Наследственный сфероцитоз, классический (MIM 182870) Дефицит спектрина* AD 14q22-q23.2
Наследственный сфероцитоз, классический (MIM 182900) Дефицит анкирина* AD 8р11.2
Наследственный сфероцитоз, классический (MIM 109270) Инсерция полосы 3 AD 17q21 -qter
Наследственный сфероцитоз, классический (MIM 182870), (MIM 182900) Нарушение связывания спектрина и белка 4.1 AD —
Наследственный сфероцитоз, тяжелый Деф ицит а-спе кт р и н а * АР 1q21
Наследственный сфероцитоз, тяжелый Дефицит белка 4.1 АР 1р36.2-р34
Наследственный сфероцитоз, тяжелый Дефицит р-спектрина j АР 14q22-q23.2 j
Наследственный эллиптоцитоз (MIM 182860) Дефи цит_а-спектр и на AD 1q21
Наследственный эллиптоцитоз (MIM 182870) 1 Делецияф-спектрина AD 14q22-q23.2
Наследственный эллиптоцитоз (МIМ 141700) _ Дефицит анкирина AD 8p11.2
Наеледственный эллиптоцитоз (MIM 130500) Инсерция белка 4.1 AD ___ 1p36-p34
Наследственный эллиптоцитоз (МIM 130500) Дефицит белка 4.1 АР 1p36-p342
Акантоцитоз, овалоцитоз (MIM 1009270) Делеция белка полосы 3
Наследственный эллиптоцитоз, Меланазиан (MIM 109270) Делеция белка полосы 3 AD 17q21-q22
Пиропойкилоцитоз(MIM 266140) ! Различные белки мембраны эритроцита АР —
Овалоцитоз (MIM166900) Различные белки мембраны ; эритроцита AD —
Воспроизведено с разрешения из: Seashore MR, Wappner RS. Genetics in Primary Care & Clinical Medicine, Appleton
& Lange, 1966, p. 70.
* Дефицит обычно вызван генетической мутацией
Поверхности мембран
полярных клеток
Большинство типов клеток высших организмов
образуют тканевые структуры, которые устроены
гораздо сложнее, чем простые клеточные агрегаты;
клетки в них подвергаются значительным переме-
щениям, реорганизациям и перестановкам до тех
пор, пока не установится необходимый строгий по-
рядок межклеточных взаимодействий. Такие об-
разования часто включают в себя клетки различ-
ных типов, например эпителиальные, мышечные,
нервные клетки и клетки соединительной ткани.
Одна из принципиальных черт многоклеточной
организации — появление у клетки сторон с раз-
личными свойствами. Например, в простейшем
монослое эпителиальных клеток формируются три
различные клеточные поверхности: базальная
поверхность, которой клетки прикрепляются
к внеклеточному матриксу; базолатеральная по-
верхность, которая обращена к другим клеткам
и внеклеточному субстрату, и неприкрепленная
поверхность, формирующая выстилку протока
или наружную поверхность ткани; эта свободная
поверхность называется апикальной. Плазматиче-
ская мембрана каждой поверхности клетки имеет
уникальные свойства, необходимые для функцио-
нирования клеток и ткани.
Апикальная поверхность клеток:
специализация и различия
На апикальной поверхности полярной клетки
существуют специализированные области мембра-
ны. Все поверхности организма покрыты слоем
клеток, который называется эпителием. Эпители-
альные слои в зависимости от их локализации
в организме различаются по строению. Различия
в основном проявляются в свойствах апикальной
поверхности клеток и обусловлены специальными
функциями. При внимательном микроскопическом
и функциональном анализе покровов человеческо-
го организма было выявлено четыре основных ти-
па эпителиальных слоев:
1. простой плоский
2. простой цилиндрический
3. переходный
4. многослойный плоский.
пекулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран
49
Апикальные поверхности клеток:
варианты строения
Хпикальные поверхности клеток могут иметь
дующие структурные варианты:
Микроворсинки. Под микроскопом эти высоко-
щиализированные мембранные выросты выгля-
. как щетинки на щетке. Микроворсинки уси-
зают поглощение питательных веществ путем
учительного увеличения площади поверхности
(телиальных клеток. Клетка имеет цилиндриче-
ю форму и выступающие наружу ворсинки зна-
ельно повышает абсорбцию.
Три более близком рассмотрении микроворси-
< видно, что в кончик ворсинки входит актино-
,1 филамент, который продолжается вдоль вор-
1ки внутрь цилиндрической клетки к сетчатой
ic тинке из поперечных актиновых филаментов
ругих связанных с актином белков. Этот цито-
летный филамент поддерживает каждую вор-
ixy в вытянутом сотоянии, и она двигается с по-
:ом жидкости в полости. Сетчатая структура
:ато) прикреплена к ясно различимому актино-
ну пучку, который опоясывает клетку изнутри.
it пучок называют «опоясывающей», или «ре-
чной» десмосомой1 (см рис. 8-2).
Реснички. В некоторых эпителиальных покро-
например в бронхиолах дыхательных путей,
жальная поверхность клеток псевдомногослой-
•о цилиндрического эпителия имеет реснички,
:равленные в полость. Реснички — это особые
уктуры, которые состоят из микротрубочек, ор-
изованных по принципу 9+22. Такая апикальная
архность специально приспособлена для удале-
• посторонних частиц из дыхательных путей.
ециализация мембран
>азолатеральная поверхность
эпителиальных клеток
)пителиальные клетки выполняют разнообраз-
важные функции, не последней из которых яв-
тся формирование покровов из клеток, плотно
пшенных друг с другом и с базальной поверх-
тью. Эпителиальные выстилки образуют непро-
аемый барьер между внешней и внутренней
той организма. Часто эпителиальная граница
ытывает большую нагрузку, и для поддержания
елостности эпителиальные клетки должны ос-
лься плотно соединенными. На поверхности
ду эпителиальными клетками существуют
разнообразные мембранные структуры, предназна-
ченных для этой цели. (рис. 8-1).
Плотное соединение (zona occludens). Такие
контакты локализованы между клетками очень
близко к их апикальной поверхности. Это соедине-
ние полностью исключает любой промежуток меж-
ду клетками, клетки оказываются слитыми. Плот-
ные контакты не позволяют жидкости проникать
через эпителиальный барьер.
Адгезионный пояс (zonula adherens, поясок
сцепления). Это соединение окружает клетку и
связывает две соседние клетки. На внутриклеточ-
ной поверхности этих соединений множество ци-
тоскелетных белков формируют плотную бляшку.
В ее состав входят миозин, а-актинин, тропомио-
зин и винкулин.
Щелевидный контакт (nexus). Он встречается
на базолатеральной поверхности между двумя клет-
ками. Комплекс белков, содержащий шесть гантеле-
видных полипептидных субъединиц, называемых
коннексонами, с центральной порой в середине
комплекса, расположен на базолатеральной поверх-
ности эпителиальной клетки. Этот комплекс точно
направлен на такую же гексамерную структуру дру-
гой клетки, и две центральные поры соединяются
друг с другом, формируя канал между двумя клет-
ками. Диаметр канала достаточен для прохождения
молекул весом около нескольких сотен дальтон.
Особенно интересно то, что поры закрываются
в присутствии высоких концентраций кальция.
Было также показано, что циклический аденозин-
монофосфат (сАМР) и молекулы важных вторич-
ных мессенджеров могут переходить из одной
клетки в другую через щелевидные соединения.
Эти последние особенно важны в мышечной ткани,
в которой для выполнения мышечного сокращения
необходима скоординированная деятельность мно-
гих клеток. Эти соединения позволяют клеткам пе-
редавать химические сигналы, что используется
при мышечном сокращении (глава 8).
Поверхностные рецепторы
клеточных мембран
Все клетки обладают специальными трансмем-
бранными белками, способными специфически свя-
зываться с информационными молекулами и переда-
вать сигналы внутрь клетки. Эти мембранные белки
называют рецепторами. За последнее десятилетие
было открыто множество рецепторов, расположен-
ных на поверхности клетки. Основной объем наших
с путать с настоящей десмосомой. Более правильное название — «адгезионный пояс» {Zonula adherens), обсуждаемый ниже,
разрезе это выглядит как «две в центре и 9 по кругу».
50
Глава 2
знаний о межклеточных коммуникациях был полу-
чен при исследовании поверхностных рецепторов.
Детали внутриклеточной передачи сигнала мы обсу-
дим в главах 9 и 10; здесь мы рассмотрим только ти-
пы и характеристики поверхностных рецепторов.
Каждая клетка имеет сотни, если не тысячи,
специфических поверхностных рецепторов. Рецеп-
торы объединяются в семейства, некоторые из кото-
рых удивительно многочисленны. Все рецепторы
отличаются по специфичности связывания.
Например, число белков семейства обонятельных
рецепторов исчисляется тысячами. Человек мо-
жет различать примерно 10 000 различных паху-
чих молекул, и неудивительно, что он имеет при-
мерно такое же количество рецепторов запаха.
Семейство рецепторов факторов роста также дос-
таточно велико, поскольку 8-10 типов факторов
роста имеют множество изоформ. В таблице 2-10
представлены основные типы факторов роста.
Конечно, не все клетки имеют один и тот же на-
бор поверхностных рецепторов. Однако даже среди
огромного числа различных поверхностных рецеп-
торов клетки многие из них имеют сходные черты,
например по строению и свойствам доменов.
Поверхностные рецепторы имеют три домена.
1. Ввнеклеточный домен или экто-домен
2. Трансмембранный домен, который может
быть монотонным или политопным
3. Цитоплазматический домен, который содер-
жит действующие ферментативные центры.
Таблица 2-10. Факторы роста: Основные группы и
семейства1
Основные группы______________________________
_ Эндокринные ____
Системные гормоны, например гормоны гипофи-
за, стероидные гормоны, гормоны щитовидной i
_____железы, инсулин __________________________II
Паракринные__________________________________'
Гормоны местного действия, например нейроэн-
докринная система желудочно-кишечного тракта '
Аутокринные _________________ ______
Некоторые клетки производят одновременно |!
фактор роста и его рецептор (аутокринная сти-
муляция) '
Семейства
Эпидермальный фактор роста (EGF) .
Фактор роста тромбоцитов (PDGF)______________,
Трансформирующий фактор роста (TGF)
Интерлейкин _______________________
Инсулиноподобные факторы роста ।
Факторы роста фибробластов________________
Интерфероны _________________________:
1 Приведено с разрешения из: Chandrasoma Р, Taylor CR.
Concise Pathology, Appleton & Lange, 1995, p. 246.
Поверхностные рецепторы:
внеклеточный домен
Внеклеточный домен (эктодомен) содержит уча-
сток связывания сигнальной молекулы или лиган-
да. Обычно это самая большая часть белкового ре-
цептора. Эктодомен, как правило, гликозилирован
и по аминокислотной последовательности похож на
рецепторы других семейств. Эктодомен часто имеет
консервативные внутримолекулярные дисульфид-
ные мостики, а также участки, обогащенные опреде-
ленными типами аминокислот, например богатые
лейцином или пролином. Аффинность связываю-
щего участка к лиганду обычно достаточно высока,
порядка 109—10 11 М.
Трансмембранные домены
Трансмембранные домены рецепторов можно
разделить на две группы. Первое, очень большое се-
мейство рецепторов, пронизывает мембрану семь
раз. Это свойство настолько характерно для членов
семейства, что их называют «семь раз пересекающи-
ми рецепторами», или «серпантинными» рецептора-
ми. Другое важное свойство этих политопных рецеп-
торов — использование ими белков семейства внут-
риклеточных тримерных гуанозинтрифосфатаз
(ГТФазы) (G-белков) в качестве начального эф-
фектор-активирующего субстрата (глава 9).
р2-адренергический рецептор и родопсин с их
трансмембранными доменами, пересекающими
мембрану семь раз, представлены на рис. 2-18.
По общей структуре все члены семейства сер-
пантинных рецепторов похожи, однако все они от-
личаются друг от друга по способности связывать
различные классы лигандов.
Монотонный трансмембранный домен
Другое, также большое семейство поверхност-
ных рецепторов, имеет единственный трансмем-
бранный участок. Эти рецепторы не используют
G-белок: некоторые из них обладают собственным
ферментативным участком (например, киназным),
расположенным в цитоплазме. Внутриклеточный
домен других монотонных рецепторов, наоборот,
сам служит субстратом для других киназ, которые
расположены вблизи него. После связывания с ли-
гандом рецептор фосфорилируется и активируется
цитоплазматической протеинкиназой.
Цитоплазматический домен
После связывания лиганда активируется именно
цитоплазматический домен рецептора. Главное
свойство этого участка белка — его каталитичес-
кая способность, обусловленная аминокислотной
екулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран
51
У У
I Междисковая
£ поверхность £
Родопсин
поверхность
. 2-18. Строение р2-адренергического рецептора и родопсина, двух серпантинных рецепторов. Оба белка имеют
лтерный трансмембранный домен, пронизывающий мембрану семь раз. Аминокислоты обозначены однобуквен-
кодом. Y-образные символы на N-конце означают гликозилированные сайты на наружной поверхности клеточ-
мембраны. У каждого белка N-конец находится вне клетки, а СООН-конец — в цитоплазме. (Воспроизведено с
ешения из: Benovic JL et al. Light-dependent phosporylation of rhodopsin by p-adrenergic receptor kinase. Перепеча-
> с разрешения из: Nature 1986; 321:869. Copyright ©1986. Macmillan Journals limited, с изменениями.)
юдовательностью. Все этапы передачи сигнала
гтке также включают фосфорилирование моле-
.•убстрата по остаткам серина, треонина или ти-
ша.
ханизм трансмембранной
эедачи сигнала
Механизм передачи информации через мембрану
:е связывания лиганда со своим рецептором —
чевой вопрос исследований. Связывание ли-
ia его рецептором — первый шаг в передаче ин-
мации. Для того чтобы он произошел, должны
ь выполнены, по крайней мере, четыре условия.
Лиганд должен быть синтезирован.
Лиганд должен иметь правильную конфор-
мацию, соответствующую связывающему до-
мену рецептора.
Рецептор должен быть представлен на по-
верхности клетки.
Рецептор должен иметь правильную конфор-
мацию для того, чтобы связаться с лигандом.
- рьезные нарушения любого из этих условий
. г привести к неблагоприятным эффектам с
южными клиническими проявлениями.
торой этап в передаче информации — преобра-
ние и проведение (трансдукция) лигандного
[ала внутрь клетки. Как это происходит, не со-
1 ясно. Для объяснения молекулярных событий
• процесса предложены четыре модели.
1. Лиганд связывает две субъединицы рецептора
и вызывает их ассоциацию в цитоплазме,
в результате чего возникает новый активный
центр, реагирующий с сигнальной молекулой.
2. Лиганд вызывает изменение конформации ре-
цептора, передающееся с внеклеточного доме-
на через трансмембранный участок на внутри-
клеточную часть рецептора. Такой рецептор
может быть как мономером, так и димером.
3. Происходят несколько событий. Лиганд вы-
зывает конформационные перестройки как
в эктодомене, так и в цитоплазматическом
домене рецептора. Во внутриклеточном доме-
не возникают новые реакционные центры.
4. Лиганд, связываясь с рецептором, заставляет
его фосфорилировать другую субъединицу —
лиганд-связывающую или лиганд-несвязы-
вающую что, в свою очередь, приводит к фор-
мированию новых реакционных центров на
рецепторе.
Эти модели и их варианты дают некоторые объ-
яснение процессам обмена информацией, необхо-
димым для функции клеток в тканях. Не все клетки
имеют один и тот же набор рецепторов. При отсут-
ствии необходимых рецепторов клетка не может
отреагировать на лиганд. Как и все белки клеточ-
ной поверхности, рецепторы могут поворачиваться
и перемещаться, когда это необходимо для клетки.
Следует еще раз отметить, что белки передвига-
ются в плоскости мембраны. Это следует из экспе-
52
Глава 2
римента, показанного на рис. 2-19. Для формирова-
ния димеров молекулы белка в цитоплазме близко
подходят к внутренней поверхности, где проис-
ходит активация. Хотя в некоторых клетках пре-
обладают рецепторы одного типа, клетка может
синтезировать и встраивать различные рецепторы
в мембрану на разных этапах своей жизни. Некото-
рые поступающие сигналы сообщают клетке о не-
обходимости синтеза рецепторов определенного
типа, чтобы она, в свою очередь, могла правильно
отвечать на сигналы, преназначенные для отдель-
ной клетки, ткани, органа или всего организма.
Более конкретно о важнейших нисходящих сиг-
нальных путях говорится в главах 9 и 10.
Заключение
В этой главе обсуждались типы липидов и бел-
ков, которые входят в состав клеточной мембраны,
а также их физические и химические свойства, не-
обходимые для функций мембраны. Были отмече-
ны отдельные клинические корреляции, например,
некоторые гликолипиды и гликопротеины участ-
вуют в распознавании своих и чужих клеток, опре-
деляя успех трансплантации и переливания крови.
Обсуждались общие свойства и строение основ-
ных мембранных липидов и белков и их сборка
в мембранные структуры. Специально отмечено,
что все компоненты биологических мембран соби-
раются в эндоплазматическом ретикулуме и в ин-
тактном виде транспортируются внутри клетки
к плазматической мембране в виде везикул.
Описана функциональная роль периферических
белков и их структура в липидном бислое. Пред-
ставлена концепция мембранного цитоскелета.
Белки мембраны образуют прочные связи с белка-
ми цитоскелета и, благодаря этим связям, форми-
руют и поддерживают фенотип клетки.
В этой главе представлены также поверхностные
рецепторы клеток, их функциональные домены,
показано, как рецепторы передают сигнал через
бислой, как они инициируют внутриклеточный сиг-
нальный каскад. Плазматическая мембрана посто-
янно изменяется, и благодаря этому динамическому
процессу клетки могут (1) приспосабливаться
к конкретным локальным условиях, (2) дифферен-
цироваться и специализироваться в ответ на внеш-
ние стимулы, (3) восстанавливать поврежденные
ткани. Эти медико-биологические темы рассматри-
ваются подробнее в следующих главах (табл. 2-11).
В ближайшем будущем будут получены новые,
более полные сведения о строении и свойствах
клеточной мембраны.
Рис. 2-19. Демонстрация жидкостной природы движе-
ний белков в мембране. Липидный бислой клеточной
мембраны показан двумя концентрическими окружно-
стями, в промежуток между которыми встроены белки.
Некоторые мембранные белки клетки вверху справа по-
мечены звездочками. В эксперименте сливали два типа
клеток (одни — с флюоресцентными маркерами, справа,
и другие — без них, слева) (А). Через несколько минут
после слияния мембран (Б), флюоресцентные маркеры
меченой клетки распространились на поверхность дру-
гой клетки, и в конце концов равномерно распределя-
лись по всей поверхности (В). (Воспроизведено с разре-
шения из: Junqueira LC, Carneiro J, Kelley RO. Basic
Histology, 7th ed. Appleton & Lange, 1992, p. 30, с измене-
ниями.)
лекулярное строение и функциональные компоненты клеточных мембран
53
элица 2-11. Некоторые заболевания человека и животных, связанные с повреждением компонентов клетки
эврежденные >ганеллы клетки Заболевание Молекулярный дефект Морфологические 1 изменения Клинические । последствия
итохондрия Митохондриальная цитопатия Дефект окислитель- ного фосфорилиро- вания Увеличения размеров и числа митохондрий в мышцах Высокий общий уро- вень метаболизма без гипертиреоза
икротрубочка Синдром Картагенера Отсутствие динеина в ресничках и жгутиках Отсутствие плечей в двойных микротру- бочках ! 1 i Неподвижные рес- нички и жгутики; как результат — мужское , бесплодие и хрониче- 1 ская инфекция дыха- тельных путей _
Мышиный (Acomys) диабет Уменьшение количе- ства тубулина в пан- креатических р-клет- ках Уменьшение количе- ства микротрубочек в р-клетках Высокий уровень са- хара в крови (диабет)
43ОСОМЭ Метахроматическая лейкодистрофия Недостаток сульфа- тазы в лизосомах Накопление липидов (цереброзидов)в тканях Двигательные и пси- хические нарушения . . . , ii
Болезнь Гурлера Недостаток a-L-иду- ронидазы в лизосо- мах Накопление дерма- тансульфата в тканях Задержка роста и ум- .< ственного развития
?креторная гранула Проинсулиновый диабет Дефект проинсу- лин-расщепляющего фермента Нет . Высокая концентра- 1 ция проинсулина в | крови (диабет) ji
эмплекс Гольджи 1-клеточная болезнь Дефицит фос- фотрансферазы Накопление включе- ний в фибробластах Психомоторное от- J ставание, изменения jl костей J
^произведено с разрешения из: Junqueira LC, Carneiro J, Kelley RO. Basic Histology, Appleton & Lange, 1995, p. 47
«блиография
vrts В et al: Molecular Biology of the Cell. Garland Pub-
: shing. 1994.
bacid M: Neurotrophic factors and their receptors. Curr
)pin Cell Biol 1995:7:150.
nett V, Gilligan DM: The spectrin-based membrane
keleton and micron-scale organization of the plasma
lembrane. Ann Rev Cell Biol 1993:9:27.
ghlin SR: Expanding horizons for receptors coupled to
i proteins: Diversity and disease. Curr Opin Cell Biol
994:6:191.
ong WF: Review of Medical Physiology. Appleton &
<mge,1995.
slay MD. Stanley KK: Dynamics of Biological Mem-
ranes. John Wiley & Sons, 1982.
ter T et al: The Cell Surface. Vol. 57. Cold Spring Har-
>r Laboratory Press, 1992.
Lodish H et al: Molecular Cell Biology. Scientific American
Books, 1995.
Murray RK et al: Harper's Biochemistry. Appleton &
Lange, 1990.
Simon MI: Summary: The cell surface regulates information
flow, material transport, and cell identity. Pages 673-688
in: The Cell Surface: Symposia on Quantitative Biology.
Vol. 57. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1992.
Stoddard BL, Biemann HP., Koshland JDE: Receptors and
transmembrane signaling. Pages 1-15 in: The Ceil Sur-
face: Symposia on Quantitative Biology. Vol. 57. Cold
Spring Harbor Laboratory Press, 1992.
Vance DE., Vance JE: Biochemistry of Lipids and Mem-
branes. The Benjamin/Cummings Publishing Co, 1985.
Voet D., Voet JG: Biochemistry. John Wiley & Sons, 1990.
Zubay G: Biochemistry. Macmillan, 1983.
Структура и функции
внутриклеточных органелл
3
Основные термины
Органеллы
Ядерная оболочка
Ядерный поровый комплекс
Ядерный транспорт, сборка, разборка
Митохондрия
Митохондриальные шапероны
Пероксисомы
Гладкий эндоплазматический ретикулум
Шероховатый эндоплазматический ретикулум
Транслокация белков
Рибосомы
Сигнал-распознающая частица
Ядерное гликозилирование
Все клетки человеческого организма обладают
сходным основным набором внутриклеточных
структур, осуществляющих главные функции
клетки. В этой главе рассматриваются структура и
функции следующих внутриклеточных структур:
• ядро
• митохондрии
• пероксисомы
• гладкий эндоплазматический ретикулум
• шероховатый эндоплазматический ретикулум.
Особое внимание уделено тому, как эти
структуры передают продукты своего метаболиз-
ма другим органеллам. Как обсуждалось во вто-
рой главе, все внутриклеточные органеллы окру-
жены мембраной, состоящей из липопротеиновых
бимолекулярных слоев. Белковый и липидный со-
став мембран высокоспецифичен для каждого ти-
па органелл. Такие отличия в составе мембраны
помогают определить функции органелл, а также
охарактеризовать взаимодействие между органел-
лами (рис. 3-1, табл. 3-1 и 3-2).
Таблица 3-1. Основные признаки эукариотических клеток
Признак Строение и организация
Мембраны Все компартменты или органеллы окружены одинаковым в основных чертах типом мем- браны, белково-липидным бимолекулярным слоем. Органеллы отличаются по специ- фическим вариациям в липидном и белковом составе, что помогает определить направле- ние основных путей метаболизма в них
Внутриклеточное движение Движение веществ из одной органеллы в другую происходит по определенным путям и принципам, но поток веществ — транспорт и миграция белков — осуществляется различ- ными механизмами, а именно, потоком белков или потоком везикул
Формирование внутриклеточных компартментов Внутриклеточные компартменты являются динамическими структурами и могут увеличи- ваться или уменьшаться в размере, но не могут формироваться de novo; этот процесс требует информации в виде рудимента или матрицы от существующей органеллы
Относительное расположение компонентов внутри клетки Относительное положение или расположение не хаотично; каждый компонент занимает положение, оптимальное для выполнения его специализированной функции
гура и функции внутриклеточных органелл
55
ховатый эндоплазматический
улум (синтез и сегрегация белков;
рансляционные изменения)
Комплекс Гольджи (конечные
посттрансляционные изменения;
упаковка и транспорт)
Секреторные гранулы
(накопление продуктов секреции)
Ядрышко
(синтез рРНК)
Лизосомы
(внутриклеточное переваривание)
Митохондрия
(синтез АТФ и стероидов) Сферические единицы
(превращение энергии)
Центриоли (центр
полимеризации
микротрубочек)
Гладкий эндоплазматический ретикулум
(детоксикация и синтез стероидов)
Липидные
капельки
(накопление)
Ядерная оболочка
(разделение хроматина
и цитоплазмы)
9
3-1. Эукариотические органеллы. Показаны органеллы типичной эукариотической клетки так, как они видны
лектронным микроскопом. (Воспроизведено с разрешения из: Bloom W, Fawcett DW. A Textbook of Histology,
d. Saunders, 1968.)
56
Глава 3
Таблица 3-2. Основные внутриклеточные органеллы и их функции. Представлены лишь главные функции, выпол-
няемые каждой органеллой. Как правило, в органеллах происходит гораздо больше процессов и реакций1
Органелла или фракция2 Маркер Основные функции
Ядро ДНК Место расположения хромосом Место ДНК-направляемого синтеза РНК (транскрипция)
Митохондрия Г лутамат дегидрогеназа Цикл трикарбоновых кислот, окислительное фосфори- лирование
Рибосома2 Высокое содержание РНК Место синтеза белка (трансляция мРНК в белок)
Эндоплазматический ретикулум Гл юкозо-6-фосфатаза Рибосомы, связанные с мембраной — главное место синтеза белка I Синтез различных липидов Окисление многих ксенобиотиков (цитохром Р450)
Лизосома Кислая фосфатаза Место расположения многих гидролаз (ферментов, ка- тализирующих реакции распада)
Плазматическая мембрана №+-К+-АТФаза 5'-нуклеотидаза Транспорт молекул в клетку и из клетки Межклеточная адгезия и взаимодействие
Комплекс Гольджи Г алактозилтрансфераза Внутриклеточная сортировка белков Реакции гликозилирования Реакции сульф и р о ван ия_
Пероксисома Каталаза Оксидаза мочевой кислоты Разрушение некоторых жирных кислот и аминокислот Производство и расщепление перикиси водорода
Цитоскелет2 Нет специфических ферментных маркеров3 Микрофиламенты, микротрубочки, промежуточные фи- ламенты _______
Цитозоль2 Лактатдегидрогеназа Ферменты гликоли за, синтеза жирных кислот
1 Воспроизведено с разрешения из: Murray RK et al. Harper's Biochemistry, 24th ed.. Appleton & Lange, 1996, p.9.
2 Органеллу можно определить как субклеточную единицу, которая ограничена мембраной и выделяется при цен-
трифугировании на высокой скорости. Согласно этому определению, рибосомы, цитоскелет и цитозоль не явля-
ются органеллами. Однако они представлены в этой таблице, так как их тоже можно выделить при центрифуги-
ровании и считать субклеточными структурами или фракциями. Органеллы, которые отделяются в течение одно-
го цикла дифференциального центрифугирования, редко бывают хорошо очищены: для получения чистой фрак-
ции обычно требуется, по крайней мере, несколько циклов.
3 Фракции цитоскелета можно выявить с помощью электронной микроскопии или электрофорезом характерных
для этих фракций белков.
Внутриклеточное движение
Поток белков: везикулярный поток
Основные типы перемещений внутри клетки —
это поток белков и поток пузырьков (везикул).
Одна из важнейших задач клетки — доставка моле-
кул к различным отделам внутри клетки и во вне-
клеточное пространство. Существуют строго опре-
деленные пути внутриклеточного и межклеточного
перемещения материала. Хотя в высокоспециализи-
рованных клетках могут встречаться некоторые ва-
риации, внутриклеточные потоки в эукариотических
клетках обычно похожи. Например, хотя между ор-
ганеллами иногда встречаются двунаправленные по-
токи, белковый и везикулярный потоки преимуще-
ственно однонаправлены — мембранные белки пе-
ремещаются из эндоплазматического ретикулума к
клеточной поверхности (рис. 3-2).
Доставку веществ из одного отдела клетки к
другому выполняют специальные белки. В качест-
ве сигнальных меток выступают специфические
полипептидные последовательности этих белков.
Важным открытием медицины за последние два
десятилетия стало понимание того, что нарушение
любого из таких транспортных путей может при-
вести к заболеванию. Дефект сигнального маркера
или локуса, узнающего маркер, может значительно
нарушить здоровое состояние клетки и организма.
Детальное изучение этих путей необходимо для
понимания молекулярной основы многих заболе-
ваний человека.
Клеточное ядро
Ядро эукариотической клетки при микроскопии
обычно выглядит как крупная округлая структура
вблизи центра клетки (рис. 3-3). Ядерный материал,
, к-ура и функции внутриклеточных органелл
57
ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО
.3-2. Поток мембранных белков. Между определенными цитоплазматическими органеллами существует в основ-
двунаправленный поток белков (например, от ЭР к комплексу Гольджи и из комплекса Гольджи к ЭР), однако
ахностные мембранные белки переносятся в одном направлении — от ЭР к плазматической мембране
Рис. 3-3. Структура ядра. Стрелка указывает на соединение
ядерной мембраны с эндоплазматическим ретикулумом. В ядре
находятся участки эухроматина (ЭХ) и гетерохроматина (ГХ) и
гранулы перихроматина (ПХ). Ядрышко (ЯШ) видно как от-
дельное тельце, окруженное гетерохроматином и с рассеянны-
ми внутри участками эухроматина. Ядерный эухроматин содер-
жит гены, кодирующие рРНК. (Воспроизведено с изменениями
с разрешения из: Junqueira LC, Carneiro J, Kelley RO. Basic
Histology, Appleton & Lange, 1995, p. 48.)
58
Глава 3
определяемый как хроматин, состоит из дезокси-
рибонуклеиновой кислоты (ДНК), гистонов и раз-
личных ядерных белков, участвующих в следую-
щих процессах.
• Формирование поддерживающего комплекса
для ДНК.
• Связывание со специфическими последова-
тельностями ДНК и участие в транскрипции
ДНК.
• Репликация ДНК.
Внутри ядра находится структура, называемая
ядрышком. В нем находятся хромосомы, содержа-
щие петли ДНК и большие скопления генов рибо-
сомной рибонуклеиновой кислоты (рРНК). Каж-
дое такое скопление генов называется ядрышко-
вым оргнанизатором. В ядрышках происходят сле-
дующие процессы.
1. Транскрипция рибосомной ДНК РНК-поли-
меразой I.
2. Упаковка рРНК в рибонуклеопротеидные
комплексы, которые в дальнейшем становят-
ся двумя главными субъединицами рибосо-
мы (40S и 60S субъединицами).
Размер ядрышек отражает активность синтеза
белка в клетке. Чем активнее клетка, тем больше
ядрышко.
Синтез рибосом в ядрышке
Ядрышко не окружено мембраной; это, скорее,
скопление рибосомных частиц, образующееся в про-
цессе сборки. Синтез рибосом — основной процесс,
происходящий в ядре. Самые активные эукариотиче-
ские клетки используют около 10 миллионов рибо-
сом в течение одного клеточного цикла. Как часть
структуры рибосомы, вокруг каждой рРНК субъеди-
ницы находится ряд высокоспециализированных
белков. В состав малой субъединицы — 40S частицы —
входят 30 уникальных белков, собранных вокруг мо-
лекулы 18S РНК. Большая субъединица — 60S час-
тица — имеет 51 белок, связанный со своей главной
молекулой 28S РНК. В комплекс большей субъеди-
ницы входит также 5,8S РНК.
Более подробно механизмы синтеза белка рас-
сматриваются ниже в этой главе (рис. 3-4).
Ядерная оболочка
Ядерная оболочка - двойная мебранная струк-
тура, которая окружает хроматин и переходит в эн-
доплазматический ретикулум (ЭР). Внутренняя
мембрана по составу белков отличается от наруж-
ной мембраны. Внутренний слой мембраны имеет
волокнистую сеть белков, называемых ламинами,
Рис. 3-4. Трехмерная модель ядра клетки млекопитаю-
щего. При электронной микроскопии видна гетероген-
ность различных участков ядра и ядрышка (ЯШ). Пока-
заны участки ДНК, подвергающиеся транскрипции,
и скопления гранул интерхроматина (ИГ), в которых
транскрипция ДНК происходит одновременно со сплай-
сингом пре-мРНК (ПФ -- нерихроматинные фибрил-
лы). (Воспроизведено из: Spector DL. Macromolecular
domains within the cell nucleus. Annu Rev Cell Biol
1993;9:302; с разрешения Annual Review of Cell Biology,
Volume 9, © 1993, by Annual Reviews, Inc.)
которые играют ключевую роль в поддержании
структурной целостности мембраны. Наружная
мембрана ядра переходит в мембрану ЭР и содер-
жит белки, необходимые для связывания рибосом
(рис. 3-5).
Ядерная пора и ядерный поровый
комплекс
Ядерные поры — гигантские макромолекулярные
комплексы, которые обеспечивают активный обмен
белков и рибонуклеопротеидов между ядром и цито-
плазмой. Ядерный поровый комплекс (ЯПК) фор-
мирует цилиндр, приблизительно 1200 А в диаметре
и 500 А толщиной и имеет восьмиугольную симмет-
рию. ЯПК состоит из 100 — 200 белков; он имеет
массу 124x106 дальтон, что примерно в 30 раз боль-
ше массы рибосомы.
Этот комплекс — основные ворота для веществ,
которые постоянно перемещаются внутрь ядра
‘-руктура и функции внутриклеточных органелл
59
Ядерный скелет
►»<?. 3-5. Поперечный срез ядерной оболочки, демонстрирующий детали ядерного порового комплекса (ЯПК). Один
г комплексов разрезан продольно (А). Часть наружной мембраны отогнута, предоставляя вид из полости (Б).
\*-тий ЯПК показан со стороны цитоплазмы (В). Необходимо отметить, что цитоскелетные и ядерноскелетные со-
он-ния гипотетичны. (ЦФ — цитоплазматические филаменты; ЦК — цитоплазматическое кольцо; ИМБ - инте-
т^тьные мембранные белки; ВЯМ — внутренняя ядерная мембрана; СЯМ — сетчатая основа ядерной оболочки;
« - нуклеоплазменное кольцо; МП — мембрана поры; РП — радиальные плечи; РНП — рибонуклеопротеины, свя-
й~ные с СЯМ; РК — радиальное кольцо; П — переносчик.) Схема (Г) демонстрирует поперечный срез через сердце-
и.-г. ядерного порового комплекса. (ЦР — центральный радиальный участок; ВРК — внутреннее радиальное кольцо;
- полостной радиальный участок; ПК - - периферический канал.) Прерывистая линия обозначает предполагаемое
адонис мембраны поры. (Воспроизведено с разрешения из: Goldberg MW et al. Structural and functional
r^.enzation of the nuclear envelope. Curr Opin Cell Biol 1995;7:302.)
него. Например, матричная РНК (мРНК),
. 'ьединицы рибосом, гистоны, рибосомные бел-
г факторы транскрипции, ионы и мелкие молеку-
быстро обмениваются между ядром и полостью
-.?)плазматического ретикулума или цитозолем
нс. 3-6).
Механизм ядерного импорта и экспорта
Перемещение молекул из ядра и в него происхо-
жу путем активного транспорта, пассивной диффу-
и пли путем специальной ядерной локализации,
то рая идет посредством сигнальной последова-
уьности определенных белков. Пассивная диф-
•>ия и активный транспорт происходят через
• пный поровый комплекс. Мелкие молекулы
г ты (< 9 кДа) диффундируют через водный ка-
: ЯПК, около 10 нм в диаметре. Более крупные
.скулы (> 9 кДа) перемещаются путем активно-
транспорта с вовлечением ядерного сигнала
авы 9 и 10), а также по энергозависимому меха-
•му.
Основные этапы активного ядерного импорта
состоят в следующем.
1. Растворенный в цитозоле рецептор узнает
импортируемую молекулу; рецептор и моле-
кула связываются в комплекс.
2. Рецепторный комплекс связывается с цито-
плазматической поверхностью ЯПК.
3. Комплекс рецептор-лиганд перемещается
ближе к центральному каналу ЯПК. Гидро-
лиз ГТФ молекулами гуанозинтрифосфатаз
(ГТФаз) дает энергию для активации ворот-
ного механизма центральной поры, что ведет
к транслокации комплекса в нуклеоплазму.
Как только транслокационный комплекс пе-
реходит в ядро, он диссоциирует, и транс-
портные факторы, включая растворимый ре-
цептор, вновь возвращаются в цитоплазму
(рис. 3-7).
60
Глава 3
Ядро
Рис. 3-6. Структура ядерной оболочки, выявляемая при электронной микроскопии. Оболочка состоит из двух
отдельных мембран (наружная мембрана совмещена с ЭР) с ядерными порами (стрелки). Две верхних микрофото-
графии демонстрируют поперечные срезы, нижний — срез по касательной. Хроматин, часто конденсирующийся
за мембраной, обычно не обнаруживается в районе пор. х 80 000. (Воспроизведено с разрешения из: Junqueira LC,
Carneiro J, Kelley RO. Basic Histology, Appleton & Lange, 1995. p. 50.)
ра и функции внутриклеточных органелл
61
Транспортный лиганд
А
Процесс распознавания ли-
ганда рецептором
ЯЛС-Р
р97
ГТФ
Ran
ФНО-2
ЯЛС-Р
р97
ФНО-2
ГТФ
Ran
Возвращение
факторов
транспорта
Начальное
связывание с ЯПК
ЯЛС-Р ГДФ ФНО-2
р97 Ran
транспорт
р97
Перемещение ближе к
центральному каналу
Взаимодействие
с каналом,
открытие
канала,
транслокация
и высвобождение
из ЯПК
р97
ЯЛС-Р |-дф
Ran'
р97
Разборка
транспортного
комплекса
Д
Е
ФНО-2
яле
ГТФ
"Ran
Обмен ГТФ/ГДФ
посредством RCC1?
ЯЛС Р ГДФ ЯЛС-Р
Пап<0НО-2
БНО-2
Ж
Б
в
Г
Модель импорта белка через ядерный поровый комплекс. Эта схема объединяет данные по ЯЛС-рецепто-
фтину (ЯЛС-Р), р97: Ran ТС4 (представлены как Ran-ГТФ и Ran-ГДФ, соответственно); и ФНО|В-2.
цептор связывается со своим транспортным лигандом (содержащим ЯЛС) (А), затем он взаимодействует
4ПК (Б). Последующий гидролиз Ran-ГТФ в месте начального связывания обеспечивает дальнейшие этапы
). Ran-ГДФ становится частью комплекса, в то время как р97 освобождается. ФНО-2 опосредует взаимодей-
токусами ближе к центральному каналу (Г) и переносится вместе с остальными компонентами в ядро (Д).
транспортный комплекс разрушается (Е), и факторы транспорта возвращаются назад в цитоплазму (Ж),
f, что данные по транспортным посредникам недостаточны для исключения других возможностей механизма
эта. Предположительное участие Ran-ГАФ в (В) и RCC1-катализируемого обмена нуклеотидов в (Е) не ос-
на прямых экспериментальных данных. (Воспроизведено с разрешения из: Melchior F et al. Mechanisms of
>rotein import. Curr Opin Cell Biol 1995;7:331)
62 .„Глава 3
Ядерный локализационный сигнал
Роль импортина
Белки, транспортируемые в ядро, несут ядерный
локализационный сигнал (ЯЛС), который содер-
жит значительно обогащенный промежуток из пя-
ти или шести основных аминокислот. Пример —
пролин-пролин-лизин-лизин-лизин-лизин-аланин-
лизин-валин (P-P-K-K-K-K-A-K-V).
Группы основных аминокислот ЯЛС могут
локализоваться в любом месте белка. Более того,
ядерный локализационный сигнал не изменяется
при транслокационных преобразованиях. Особое
внимание привлекает тот факт, что 60 кДа бе-
лок импортин связывается с ЯЛС, инициирует
и поддерживает импорт белков. В ядерном импор-
те также участвуют цитоплазматические факторы.
Растворение ядра и его восстановление
Интерфазные ядра полностью собраны вместе
с комплексами пор. Ядерная пластина (ламина) —
сетчатая структура специальных промежуточных
филаментов (глава 7) — формирует волосковую се-
теподобную структуру, которая связана с липопро-
теиновым комплексом внутренней ядерной мем-
браны.
При вступлении клетки в начало профазы цито-
зольные киназы фосфорилируют субъединицы
ядерных ламин. После фосфорилирования сетепо-
добная структура разрушается. Затем липопротеино-
вый компонент внутренней ядерной мембраны рас-
падается на мелкие везикулы, так же как и наруж-
ная ядерная мембрана, которая состыкована с ЭР.
Затем содержимое ядра распространяется в цито-
золе.
Восстановление ядерной оболочки начинается в
поздней анафазе, в тот момент, когда цитоплазма-
тические фосфатазы начинают удаление фосфат-
ных остатков из ядерных ламин. Эти белки начи-
нают реполимеризоваться на поверхности конден-
сированных хромосом. В то же время везикулы,
образовавшиеся из внутренней ядерной мембраны,
начинают сливаться и формируют оболочку вокруг
хромосом. К концу поздней телофазы происходит
окончательное слияние внутренней ядерной мем-
браны. Эти слитые мембраны и дефосфорилиро-
ванные ламины формируют сетевидную структуру
на внутренней поверхности ядерной мембраны.
Далеко не все интегральные белки внутренней
ядерной мембраны полностью охарактеризованы. Как
и ламины, эти белки несомненно участвуют в процес-
сах восстановления ядерной мембраны (глава 6).
Митохондрии
Общая структура и функции
Митохондрии — это окруженные двойной мем-
браной органеллы, которые выполняют функцию
метаболического центра клетки. Митохондрии яв-
ляются местом синтеза аденозинтрифосфата
(АТФ). Этот процесс требует участия многих фер-
ментов, большинство из которых поступает из ци-
тозоля (рис. 3-8).
Процесс импорта ферментов очень сложен
и включает несколько этапов, описанных ниже.
Предполагается, что митохондрии — результат эво-
люции организмов, которые внедрились в прими-
тивную прокариотическую клетку и сформировали
симбиотические отношения с хозяином. Основные
признаки митохондрий перечислены в таблице 3-3.
Таблица 3-3. Основные принципы устройства и
работы митохондрий
Признаки Значение
Происхождение : Считается, что митохондрии
произошли в результате эво-
люции от организмов, кото-
рые внедрились в примитив-
: ную прокариотическую клет-
+ ку и стали симбиотамис ней
Форма Эти органеллы могут прини-
мать различные морфологи-
ческие формы. Некоторые
из них имеют сферическую
форму, другие лентовидную
Митохондриальная Митохондриальная ДНК реп-
ДНК лицируется в интерфазе, и
этот процесс не синхрони-
зиован с репликацией ДНК в
ядре. Митохондриальная
ДНК отличается от ядерной
ДНК и кодирует особые ми-
тохондриальные гены
Синтез белка Количество транслируемых с
митохондриальной мРНК
белков ограничено; они фор-
мируют субъединицы круп-
ных ферментных комплек-
сов. Митохондрии имеют
функционирующие рибосо-
мы, переводящие информа-
цию митохондриальной ДНК
в белки, используемые в ор-
_______га нелле
Клеточное деление Во время клеточного цикла
митохондрии один раз де-
лятся надвое, образуя при
этом перетяжку. Перетяжка
деления развивается, начи-
ная с внутренней митохонд-
i риальной мембраны
уктура и функции внутриклеточных органелл
63
Моторный нейрон спинного мозга
Клетка заднего корешкового ганглия (чувствительный нейрон)
ic. 3-8. Синтез и процессинг белка. После выхода из ядра (N), мРНК попадает в цитоплазму и формирует полири-
л!Ы для синтеза белка. Многие белки остаются в цитоплазме, некоторые переносятся в митохондрии (Mie),
другим органеллам, участвующим в синтезе и процессинге белка, относятся эндоплазматический ретикулум
R) и комплекс Гольджи(О). (Ly - лизосома). (Воспроизведено с изменениями с разрешения из: Kandel ER et al.
- nrials of Neural Science and Behavior. Appleton & Lange, 1995, p. 61. Courtesy of Peters et al, 1991)
Митохондриальная ДНК
В отличие от других органелл клетки, мптохонд-
'и обладают собственной ДНК, которая отлича-
ли от ядерной ДНК и кодирует особые митохонд-
ральные гены. Свойства митохондриальной ДНК:
• небольшая и содержит около 16,5 кб, то есть
приблизительно в 105 раз меньше, чем ДНК,
локализованная в ядре;
• кольцевая и кодирует 2 рибосомные РНК,
22 транспортных РНК (тРНК) и 13 белков.
Генетический код митохондрий, определяющий
дельные аминокислоты, немного отличается от
:л ядерной ДНК. Митохондриальный код, на-
дмер, обладает измененными стоп-кодонами.
Ата органелла обладает функционирующими ри-
»: )мами, которые синтезируют белки, используе-
в органелле и кодируемые митохондриальной
НК. Количество транслируемого с митохондри-
:тной мРНК белка ограничено и формирует
’'ъединицы более крупных ферментных комплек-
- Митохондрии могут принимать различную
эму. Обычно митохондрия делится, по крайней
г;<. один раз в течение клеточного цикла после
репликации ее ДНК, которая происходит во время
интерфазы. Эта репликация не связана с S-фазой
клетки. Деление митохондрии происходит посред-
ством перетяжки на две, которая начинается с обра-
зования кольцевой бороздки на внутренней мито-
хондриальной мембране.
Наружная и внутренняя
митохондриальные мембраны
Митохондрия, окруженная двойной мембраной,
имеет две полости и четыре мембранные поверх-
ности. Наружная мембрана содержит значитель-
ное количество белка, порина. Этот белок форми-
рует поры с диаметром, позволяющим молекулам
размером до 5000 дальтон свободно проходить в
первую полость. Таким образом, ионы, аминокис-
лоты, сахара и другие цитозольные компоненты
беспрепятственно проходят в первое, межмем-
бранное пространство. Группа ферментов, локали-
зованная в этом пространстве, фосфорилирует
нуклеотиды и сахара нуклеотидов.
Внутренняя мембрана митохондрий формирует
гораздо более плотный барьер, она значительно
64
Глава 3
больше наружной мембраны и образует множество
смежных складок — крист. Эти складки значитель-
но увеличивают площадь поверхности митохонд-
рий. Многие ферментативные реакции происходят
более эффективно, если ферменты связаны с мито-
хондриальной поверхностью, что и обеспечивают
кристы (см. рис. 5-1).
Митохондриальный матрикс
Митохондриальный матрикс играет важную
роль. Матриксная поверхность внутренней мем-
браны включает в себя белковые комплексы, уча-
ствующие в синтезе АТФ. Огромное количество
метаболических ферментов располагается в ми-
тохондриальном матриксе, включая ферменты,
участвующие в окислении липидов, окислении уг-
леводов, в цикле трикарбоновых кислот, или цик-
ле Кребса. Кроме них, в матриксе локализуются
митохондриальный геном, а также рибосомы,
тРНК, ферменты, необходимые для транскрипции
митохондриальной ДНК и экспрессии соответст-
вующих генов. Число этих генов относительно
мало, по сравнению с генами, расположенными
в ядре.
Механизм транспорта
митохондриальных белков
Митохондрии служат метаболическим центром
клетки; эти органеллы — место синтеза АТФ, про-
цесса, требующего участия многочисленных фер-
ментов, большинство из которых поступает из ци-
тозоля (рис. 3-8). Почти все белки, предназначен-
ные для транспорта в митохондрии, синтезируются
на полирибосомах, локализованных в цитозоле.
Белки, предназначенные для транспорта в мито-
хондрии, имеют сигнальный пептид, локализован-
ный на N-конце. Сигнальные пептиды варьируют в
размере от 12 до 80 остатков. Этот участок белка
также формирует амфифильный завиток: заря-
женные остатки сгруппированы на одной стороне
альфа-спирали, а неполярные остатки локализова-
ны на другой стороне. Амфифильный завиток со-
единяется с участком связывания митохондриаль-
ного распознающего рецептора, локализованного
на наружной мембране.
Процесс транспорта достаточно сложен и вклю-
чает несколько элементов (табл. 3-4).
Таблица 3-4- Основные элементы системы
транспорта белка в митохондрию
Элементы _ Роль
Рибосомы Почти все импортируемые белки производятся на по- лирибосомах в цитозоле
Сигнальный пептид Белки, предназначенные для , митохондрий, имеют сиг- нальные пептиды, локализо- ! ванные на N-конце
Амфифильный завиток Сигнальные пептиды фор- мируют амфифильный зави- ток. Заряженные остатки сгруппированы на одной стороне завитка, а неполяр- ные остатки локализованы на другой стороне |
Митохондриальный распознающий рецептор Амфифильный завиток взаи- ‘ модействует со связываю- щим доменом митохондри- ального рецептора распо- ; знавания, локализованного на наружной мембране
Шапероны Вновь синтезированные для f митохондрий белковые цепи !. связаны с шаперонными । белками, которые способст- вуют определению правиль- ной укладки и функциониро- вания импортированных белков ;
Митохондриальные шапероны
Вновь синтезированные белки, предназначен-
ные для митохондрий, при подготовке к импорту
связываются с другим классом цитозольных бел-
ков. Существует несколько типов этих белков, на-
зываемых шаперонами. Они обнаруживаются поч-
ти во всех клеточных органеллах и в цитоплазме.
Кроме других функций, шапероны обеспечивают
правильное сворачивание (фолдинг) и оконча-
тельную конформацию других белков, и поэтому
необходимы для здоровья клетки и организма.
Шапероны найдены во всех организмах — от
бактерий до млекопитающих. В некоторых случаях
эти белки имеют другое название. Одно из се-
мейств шаперонов называется белками теплового
шока (hsp) (рис. 3-9). Их обнаружили случайно:
исследователи открыли, что определенные белки
синтезируются в клетках плодовой мушки при уве-
личении температуры всего на несколько градусов.
Белки теплового шока имеют большую внутриви-
довую устойчивость и интенсивно экспрессируют-
ся во всех клетках даже в нормальных для роста
условиях. Их транскрипция и трансляция значи-
тельно возрастают при чрезвычайных условиях
гураи функции внутриклеточных органелл
65
Цитоплазма
нмм
mt-hsp70
3-9. Перенос и сворачивание белков
хондриальном матриксе. После син-
читохондриальные белки поддержи-
ч в развернутой конформации при
ди цитоплазматических белков hsp70
': Развернутый белок связывается с
: >рными белками на наружной ми-
/диальной мембране (НММ) и пере-
я через две митохондриальные мем-
. ( ВММ — внутренняя митохондри-
ч мембрана). В матриксе mt-hsp70
: -действует с гомологами стрессовых
, E.coli DnaJ и GrpE, MDJ1 и MGE1,
тственно. (Нумерация белков внут-
е. и наружной митохондриальной
.•.ни отражает молекулярную массу.)
. дится с разрешения авторов из:
. : J. Hartl U. Post-translational prote-
> rr and folding. Curr Opin Cell Biol
- 503.)
ATP
MGE1
66
Г лава 3
внешней среды. Предполагают, что шапероны не-
обходимы для правильного сворачивания белков
в условиях теплового стресса.
Укладка полипептидной цепи: шапероны
hsp60 и hsp70
Белки семейств hsp60 (также известного как
GroEL) и hsp70 (или DnaK) принимают участие
в сворачивании, переносе и формировании более
высокой структурной организации белка.
Во внутреннем митохондриальном пространстве
hsp60 и hsp70 связываются с развернутым белком
и помогают формированию точной конформацион-
ной организации. Этот этап укладки является
энергозависимым и требует расщепления АТФ.
Наконец, семейство шаперонов hsp90 принима-
ет участие в регуляции активности некоторых фак-
торов транскрипции и различных белковых киназ.
При относительно низкой концентрации белка он
легко сворачивается должным образом из-за малой
вероятности взаимодействия реактивных групп
белка с активными группами других белков. Одна-
ко при большой концентрации белка вероятность
того, что он сложится должным образом, значи-
тельно снижается. Обычно концентрация белка
в органеллах эукариотических клеток высока.
Как работают шапероны
Как утверждалось ранее, шапероны находятся
почти во всех органеллах и в цитоплазме. Бел-
ки-шапероны действуют в основном путем связыва-
ния с активной поверхностью полипептидов, напри-
мер, с гидрофильной поверхностью. Таким образом,
шапероны блокируют эти активные поверхности
и эффективно предотвращают агрегацию, облегчая
правильную укладку полипептидной цепи.
Шапероны не связываются со своим полипептид-
ным субстратом ковалентно. Часто белки должны
быть импортированы в несложенном виде и затем
вновь уложены после своего прохождения через
мембрану органеллы, что также осуществляется
частично благодаря шаперонам.
Например, белки теплового шока связываются
с растущим полипептидом как только он освобож-
дается от рибосомы. Эти шапероны удерживают
рождающуюся молекулу в конформации, предот-
вращающей преждевременную случайную укладку
и способствующей переносу полипептида в митохон-
дриальное пространство. Транспорт белков в мито-
хондрии и высвобождение упакованного белка —
ATP-зависимые процессы (табл. 3-5 и 3-6).
Таблица 3-5. Некоторые характеристики шаперо-
нов
• Присутствуют во многих организмах: от бактерий
! до человека
• Многие называются также белками теплового шока
(hsp)
• Некоторые стимулируются при условиях, вызываю-
щих денатурацию вновь синтезированных белков
1 (например, повышение температуры и различные
химические вещества)
• Они связываются с развернутым и свернутым бел-
ком
• Большинство шаперонов обладает АТРазной актив-
ностью с вовлечением АТР или ADP во взаимодей-
|ствие белок — шаперон
• Найдены в различных отделах клетки, таких как ци-
тозоль, митохондрия, полость эндоплазматическо-
I го ретикулума.
Воспроизведено с разрешения авторов из Murray RK
et al: Harper’s Biochemistry, 24th ed., Appleton & Lange,
1996, p. 497.
Таблица 3-6. Некоторые шапероны и ферменты,
участвующие в процессе сворачивания белка в ше-
роховатом эндоплазматическом ретикулуме
• BiP (белок связывания тяжелой цепи иммуноглобу-
лина)
• GRP94 (белок, регулируемый глюкозой)
• Кальнексин
• PDI (дисульфидизомераза)
• PPI (пептидил- пролил -цис-транс-изомераза)
Воспроизведено с разрешения из Murray RK et al:
Harper’s Biochemistry, 24th ed., Appleton & Lange,
1996, p. 497.
Пероксисомы
Структура и функция:
корреляция с клиникой
Найденные в большинстве эукариотических
клеток пероксисомы — одиночные органеллы,
окруженные мембраной. Они служат основным ме-
стом использования кислорода, и этим схожи с ми-
тохондриями. При поперечном разрезе пероксисо-
мы имеют круглую форму, но при серийных срезах
видно разветвленное строение. Название перокси-
сомы появилось из-за высокого содержания в этих
органеллах оксидаз, которые производят токсич-
ный пероксид водорода (Н2О2) в реакции:
RH2 + О2 R + Н2О2,
где R — органический субстрат.
труктура и функции внутриклеточных органелл
67
К счастью, фермент каталаза, находящаяся в перок-
сисомах в больших концентрациях, расщепляет пе-
роксид водорода (Н2О2) на кислород и воду. Этот
jwn окислительных реакций особенно важен для
Цветок печени и почек, в которых происходит ог-
ромное число реакций детоксикации. Например,
пероксисомы в гепатоцитах обезвреживают погло-
щенный алкоголь, превращая его в уксусный
а дегид.
Пероксисомы также участвуют в /3-окислении.
Ьго окисление приводит к расщеплению жирных
лот на два углеводородных фрагмента, которые
1) превращаются в ацетил-коферментА (СоА),
fc) выходят из пероксисомы и (3) используются
9 -честве строительного материала для других от-
э ов клетки.
Пероксисомы содержат приблизительно 50 фер-
ентов, которые участвуют в различных путях
и^таболизма. Пероксисома содержит первые два
Ьгрмента, участвующие в реакциях синтеза плаз-
жл о генов, которые составляют приблизительно
• от общего содержания фосфолипидов орга-
01 <ма. Плазмалогены в высоких концентрациях
Ьвходятся в головном мозгу и сердце.
Биогенез пероксисом
Размножение пероксисом, по-видимому, адап-
шый ответ клеток на такие воздействия внеш-
\ среды, при которых для роста и выживания
буются ферменты пероксисом. Индукция состо-
из двух фаз.
Пролиферация органелл путем отпочковыва-
ния от существующих пероксисом.
Рост органеллы за счет импорта белков пе-
роксисомного матрикса.
Пролиферация начинается в ответ на стимулы
ружающей среды или на сигналы при развитии,
клетках млекопитающих многие гиполипидеми-
скне лекарственные средства могут вызывать
умножение пероксисом, хотя точный механизм
го процесса еще до конца не понят. Эти лекар-
енные вещества, вероятно, сходны с неизвест-
4 цитоплазматическим фактором или фактора-
которые регулируют латентные факторы
нскрипции, называемые рецепторами, активи-
чыми пероксисомным пролифератором
PARs). При активации эти рецепторы переме-
। гея в ядро и связываются с промоторами ге-
кодирующих цитоплазматические рецепторы
роидных гормонов, гормонов щитовидной желе-
и ретиноевой кислоты.
>ти рецепторы связываются с особыми элемента-
ДНК в промоторах генов, кодирующих многие
пероксисомные ферменты, что приводит к увели-
чению синтеза этих белков. Вновь синтезированные
белки целенаправленно переносятся в существую-
щие пероксисомы. Увеличение количества белков
в органелле, вероятно, инициирует ее почкование,
что, в конце концов, приводит к формированию
новых пероксисом. Почкование считают основ-
ным механизмом размножения пероксисом; однако
также существуют небольшие пероксисомные лаку-
ны-предшественники. Оказалось, что эти лакуны со-
держат больше вновь синтезированных пероксисом-
ных матриксных белков, чем зрелые пероксисомы.
Эти предшественники могут быть другим местом
происхождения пероксисом, способствуя, таким
образом, увеличению количества органелл.
Импорт белков в пероксисомы
Существует два типа сигнальных последова-
тельностей, необходимых для импорта белков
в пероксисомы. Чаще всего в белках присутст-
вует С-концевой трипептид Ser-Lys-Leu-COOH
(S-K-L-). С-концевые трипептиды различных бел-
ков могут отличаться по одному из остатков, но
обычно встречается именно этот набор аминокис-
лотных остатков.
Наиболее важное значение имеет локализация
пероксисомного направляющего сигнала
(peroxisomal targeting signal, PTS). Остатки, входя-
щие в состав PTS, должны располагаться на С-кон-
це белка. У большинства ферментов, находящихся
в пероксисомах, сигнальный пептид локализуется
на С-конце. Однако у некоторых пероксисомных
ферментов сигнальная последовательность распо-
ложена ближе к N-концу. Важное значение этих
направляющих сигналов подтверждает тот факт,
что различные нарушения метаболизма человека
связаны с неспособностью клетки импортировать
белки в пероксисомы или с ошибочным попадани-
ем пероксисомных ферментов в другой клеточный
компартмент.
Различные нарушения функционирования пе-
роксисом представлены в таблице 3-7, важные ха-
рактеристики некоторых из этих нарушений даны
в таблице 3-8.
68
__________________________________Глава _3
Таблица 3-7. Пероксисомные болезни
Название М1М-номер Хромосомная локализация
Синдром Цельвегера 214100 7q11.23
Неонатальная адренолейкодистрофия 202370
Детская болезнь Рефсума 266510
Гиперпипеколовая ацидемия 239400
Ризомелическая точечная хондродисплазия 215100
Адренолейкодистрофия 300100 Xq28
Псевдонеонатальная адренолейкодистрофия 264470
Синдром псевдо-Цельвегера 261510 3р23-р22
Гипероксалурия I типа 259900 2q36-q37
Акаталаземия 115500 11р13
Дефицит глутарил-СоА оксидазы 231690
Воспроизведено с разрешения из: Seashore MR, Wappner RS. Genetics in Primary Care & Clinical Medicine, Appleton
& Lange, 1996, p. 296.
(MIM номер = Менделевская Наследственность Человека. Номер указывает литературный источник с дополни-
тельной информацией.)
Таблица 3-8. Характеристики пероксисомных болезней
। , ь о. £ я в >Х X О I X л х Ф ctj х Ф I х 5 2 О й о к Z Е о Q. и 2 ч X Ф Ф лОф*2^® “а ° s 2 s X Ь s “ “ z 5 X J. 5 l. ® * Ф « Ф jj s X В 3 « з " 3 2 о 5 х J j s с © О © И X О. с О. х Q ct\o Q С X X « X о х Нарушение окисления фита- новой кислоты Повышенное со- держание пипеко- линовой кислоты Другие
Группа 1: Генерализованные пероксисомные нарушения вследствие нарушения биосинтеза пероксисом
Синдром Цельвегера ; Множественные + + + +/- + -
+/- 4- -
Неонатальная АЛД Множественные + + +
Детская болезнь Рефсума Множественные + + + + + -
^Гиперпипеколовая ацидемия Множественные + + . + +/- + -
Группа II: Дефект более одного пероксисомного фермента, интактные пероксисомы
Цельвегероподобный синдром Множественные + + + - - -
Ризомелическая точечная хондро- дисплазия Ацил-CoA: DHAPAT, а-окисление фитановой кислоты - + - + - -
Группа III: Дефект одного пероксисомного фермента, интактные пероксисомы
АЛД/ АМН , Лигноцерил-СоА-лигаза + - - - - -
Псевдонеонатальная АЛД Ацил-СоА-оксидаза + - - - - -
Недостаток бифункционального фермента 1 -• 1 Бифункциональный фермент + - + - -
Синдром псевдо-Цельвегера 3-оксоацил-СоА-тиолаза + - + -
Гипероксалурия 1 типа Аланин: глиоксилатаминотранс- фераза - - - +
Акаталаземия Каталаза - - - - - +
Недостаток глутарил-СоА-оксидазы Глутарил-СоА-оксидаза - - - - - +
Воспроизведено с разрешения из; Seashore MR, Wappner RS. Genetics in Primary Care & Clinical Medicine, Appleton
& Lange, 1996, p. 218.
АЛД — адренолейкодистрофия; АМН — адреномиелонейропатия; CoA — кофермент A; DHAPAT — дигидрокси-
ацетонфосфатацилтрансфераза; ЖКОДЦ — жирные кислоты с очень длинными боковыми цепями; + — наруше-
ния; — норма.
2-эуктура и функции внутриклеточных органелл
69
О i 4 й
Основные пероксисомные болезни
человека
Некоторые наследственные заболевания связаны
нарушением функции пероксисом. Например,
••'.ндром Цельвегера (СЦ) обусловлен почти пол-
и потерей пероксисомной функции и классифи-
_\ ется как заболевание I группы, наиболее
- * келой в этом типе наследственных патологий.
И и синдроме Цельвегера в пероксисоме отсутст-
? г большое число важных ферментов. Пациен-
- j заболеваниями I группы умирают в детском
расте. К II группе относятся менее тяжелые пе-
:• - исомные заболевания, например цельвегеропо-
* < ные синдромы, для которых характерно большее
? ржание пероксисомных ферментов. Заболева-
’ : III группы, например адренолейкодистрофия,
^-.ктеризуются нарушением функционирования
: го пероксисомного фермента. Это наименее
-- - ' лая форма пероксисомных заболеваний.
Эндоплазматический ретикулум
Щдоплазматический ретикулум (ЭР) состоит
я твящихся трубочек и уплотненных мешотча-
полостей, занимающих большой объем цито-
всех эукариотических клеток. Эта лаби-
:ная мембранная структура расположена близ-
в. ядру. Полости ЭР связаны между собой.
Ь ЭР протекает множество биосинтетических
щ. дессов. Мембрана ЭР принимает участие в обра-
я мнии плазматической мембраны, комплекса
Г лджи, лизосомной мембраны, секреторных пу-
: КОВ И ЭНДОСОМ.
делится на две функционально различные
ктуры: гладкий эндоплазматический ретикулум
я .шероховатый эндоплазматический ретикулум.
Г ’^:кий ЭР — это главная клеточная органелла,
tj- происходит биосинтез липидов и накопление
мхп дия. В гладком эндоплазматическом ретикулу-
v- : ,-кже образуются детоксицирующие ферменты
erv яства Р450. Синтез и разрушение этих фер-
v ' ъ происходят быстро и зависят от внешних
е-л -:.лов.
Шероховатый эндоплазматический
ретикулум
эоховатым эндоплазматическим ретикулумом
кается мембранный компартмент, с которым
•,що множество рибосом. В результате исследо-
- синтеза белка и клеточной компартментали-
- было показано, что биосинтез всех мембран
я. ходит в шероховатом ЭР и с его помощью.
> а мембранной сети синтезируются белки и ли-
пиды, входящие в состав всех остальных клеточных
мембран. Процесс синтеза и транспорта мембран-
ных компонентов остается предметом активных
исследований в области клеточной биологии.
Получено достаточно информации об основных
механизмах этого процесса, хотя некоторые детали
до сих пор неизвестны (рис. 3-10 и 3-11).
Полость эндоплазматического
ретикулума
Физико-химическая среда
В полости эндоплазматического ретикулума
поддерживается среда, в которой проходит пост-
трансляционная модификация белка, в частности,
гликозилирование, формирование дисульфидных
мостиков, сворачивание полипептида и сборка
субъединиц. При нарушении этих процессов белок
не выходит из полости ЭР.
Для формирования дисульфидных мостиков
белки должны находиться в окислительной среде.
Окислительно-восстановительный или редокс-по-
тенциал, измеренный в полости ЭР, сдвинут в кис-
лую сторону. Например, отношение глутатиона
(GSH) к окисленному глутатиону (GSSG) — около
13 : 1, в то время как в цитозоле это соотношение
приближается к 30-100 : 1. Таким образом, по-
лость обеспечивает среду, способствующую обра-
зованию дисульфидных мостиков.
Компоненты, необходимые для правильной
укладки белка, определяли с использованием изо-
лированных пузырьков ЭР. Исследования показа-
ли, что для формирования функциональных моле-
кул в пузырьках ЭР необходима энергия АТР.
Существует несколько этапов этого процесса, на ко-
торых могут происходить энергетические затраты.
Например, АТР требуется для высвобождения шапе-
рона hsp60 в матриксе митохондрии. Так что вполне
вероятно, что для высвобождения шаперонов в ЭР
также необходима энергия (табл. 3-9 и 3-10).
70
Глава 3
Рис. 3-10. Шероховатый эндоплазматический ретикулум. Показана плазматическая клетка с хорошо развитым шеро-
ховатым эндоплазматическим ретикулумом (RE), что является признаком высокого уровня секреции белка. Также
показан эозинофил (Е). (NP — ядро плазматической клетки; G — комплекс Гольджи.) Крыса; х 5010. (Воспроизведе-
но с разрешения авторов из: Berman I. Color Atlas of Basic Histology. 2nd ed. Appleton & Lange, 1997, p. 23.)
Таблица 3-9. Последовательности или компоненты, направляющие белки к определенным органеллам
i Направляющая последовательность или компонент Органелла-мишень
! Сигнальная пептидная последовательность Мембрана ЭР ... ...
С-концевая KDEL последо вате ль ность (Ly s - Asp-Glu -Leu) Внутренняя поверхность мембраны ЭР
N-концевая последовательность (положительно-заряженный участок из 70 остатков) Митохондрия
Короткая, основная аминокислотная последовательность Ядро
Маннозо-6-фосфат Лизосома
Воспроизведено с разрешения из: Murray RK et al. Harper’s Biochemistry, Appleton & Lange, 1996, p. 497.
Структура и функции внутриклеточных органелл
71
Цитозоль
> ^Ранняя эндосома
Лизосома
Прелизосома (или
поздняя эндосома)
Конститутивная Секреторная
(экскреторная) гранула
транспортная 4
везикула
ТПГ *
А
Гране-пол юс КГ
Промежуточная сеть Гольджи >
Цис-полюс КГ
цпг *
V
¥ ь ь Ф
т 4
Эндоплазматический
ретикулум
Ядерная оболочка
Fwc. 3-11. Сортировка белка. Образующиеся полипептиды включаются либо в мембрану, либо в полость эндоплазма-
веского ретикулума (ЭР) при синтезе на мембрано-связанных полирибосомах (мелкие черные кружки, покрываю-
ilhv цитоплазматическую поверхность ЭР). Белки, которые будут транспортироваться из ЭР (прямые черные стрел-
ах » перемещаются через свободные от рибосом участки. Эти белки могут затем проходить через цистерны комплекса
Г /ьлжи (КГ), пока не достигнут тпрднс-полюса КГ (ТПГ), наружной поверхности КГ. В ТПГ белки сортируются,
г. роторные белки накапливаются в секреторных гранулах, из которых они высвобождаются с помощью экзоцитоза
• правом верхнем углу рисунка). Белки, предназначенные для плазматической мембраны, переносятся к клеточной
г- - рхпости в небольших (от 50 до 100 нм) транспортных пузырьках (наверху в середине рисунка). Другие белки пе-
х - <ятся к лизосомам. Мелкие затененные кружки и стрелки от цис-полюса КГ (ЦПГ) указывают на ретроградный
п - к пузырьков в ЭР. (Воспроизведено с разрешения из: Murray RK et al. Harper’s Biochemistry, Appleton & Lange.
p. 492.)
72
Глава 3
Таблица 3-10. Механизмы, с помощью которых антибиотики и их аналоги ингибируют синтез белка
Вещество Эффект
Хлорамфеникол Предотвращает нормальное связывание мРНК с рибосомами
Стрептомицин, неомицин, кана- мицин Вызывают неправильное считывание генетического кода
Циклогексимид, тетрациклин Ингибируют перенос комплекса тРНК—аминокислота к полипептиду
Пуромицин Комплекс пуромицина с аминокислотой замещает комплекс тРНК с аминокис- лотой и предотвращает связывание дальнейших аминокислот с полипептидом
Митрамицин, митомицин С, I дактиномицин (актиномицин D) Связываются с ДНК, предупреждая полимеризацию РНК на ДНК
i Хлорохин, колхицин, новобиоцин Ингибируют ДНК-полимеразу
i Азотные иприты, например, меклоретамин (мустарген) Связываются с гуанином в парах оснований
Дифтерийный токсин Останавливает движение рибосомы по мРНК
Воспроизведено с разрешения из: Ganong WF. Review of Medical Physiology, 17th ed., Appleton & Lange, 1995, p. 19
Компоненты полости ЭР
В полости ЭР содержатся следующие компо-
ненты.
А. Протеиндисульфидизомераза ( PDI).
Этот белок содержит два тиоредоксиновых вос-
станавливающих серу домена. Его концентрация
наиболее высока в полости ЭР тех клеток, кото-
рые продуцируют секреторные или мембранные
белки с дисульфидными связями. Поскольку син-
тезирующаяся белковая цепь проходит через
мембрану ЭР и входит в его полость, где созданы
условия, благоприятные для образования дисуль-
фидных мостиков, любые два цистеиновых остатка
могут образовать дисульфидную связь. Эти связи
не всегда приводят к образованию правильной
трехмерной структуры белка.
Предполагается, что PDI связывается с удли-
няющимся полипептидом и препятствует образо-
ванию неправильных дисульфидных связей. Точно
не известно, каким образом PDI обеспечивает пра-
вильное формирование дисульфидных мостиков.
Предполагается, что PDI образует дисульфидную
связь с цистеином синтезирующегося белка, но эта
связь менее стабильна, чем связь, формируемая
двумя цистеиновыми остатками белка. Таким об-
разом, дисульфидизомераза временно связывается
с новым полипептидом, который сворачивается
под действием других сил (гидрофобные взаимо-
действия, водородные связи, ионные взаимодейст-
вия с водным растворителем в ЭР). При достиже-
нии правильной трехмерной структуры два цис-
теиновых остатка белка сближаются (вследствие
других взаимодействий), а связывание дисульфиди-
зомеразы с белком ослабляется, что приводит к фор-
мирванию правильной дисульфидной связи.
Б. Кальций. Концентрация Са2+ в полости ЭР
относительно высока (около 5 ммоль). ЭР является
важнейшим Са2+ депо клетки. Дисульфидизомераза
и другие внутриполостные ферменты связывают
кальций с высоким сродством и в больших количе-
ствах.
В. Шапероны ЭР. К шаперонам относятся
белки семейств hsp70 и hsp90, связывающий белок
(BiP), Grp-94 и пептидилпропилизомераза. Есть
доказательства того, что шапероны предотвращают
случайное свертывание и агрегацию промежуточ-
ных продуктов, обеспечивая тем самым более эф-
фективный процесс формирования белка. Белки,
которые не свертываются должным образом или
приобретают нативную структуру с задержкой, ос-
таются связанными с шаперонами в течение дли-
тельного времени. Предполагается, что подобное
пролонгированное присутствие белков в полости
ЭР является важным сигналом для их последую-
щего разрушения с помощью имеющихся в этой
органелле протеаз.
Г. Кальнексин. Кальнексин — это белок с моле-
кулярной массой 88 кДа, находящийся в ЭР. Этот
белок не относится ни к hsp60, ни к hsp70, ни к hsp90
семействам. В отличие от других компонентов ЭР.
кальнексин является интегральным ЭР-белком, ка-
талитический домен которого обращен в полость ЭР.
Одна из его функций состоит в связывании непра-
вильно свернутых белков и сохранении их в ЭР.
Таким образом, кальнексин функционирует как кон-
тролер качества, который предотвращает высвобож-
дение неправильно свернутых белков.
Д. Кальретикулин. Эта молекула, массой
46 кДа, была впервые идентифицирована как
Са2+-связывающий белок в саркоплазматическом
3труктура и функции внутриклеточных органелл
73
ретикулуме мышечных клеток. Кальретикулин,
эисутствующий в полости ЭР повсеместно, со-
держит два Са2+-связывающих домена.
1 Высокоаффинный домен кальретикулина мо-
жет связывать кальций даже при очень низ-
ких концентрациях.
2 . Домен с высокой емкостью, связывающий
несколько молекул кальция одновременно.
Кальретикулин содержит сигналы задержки
ЭР, что еще раз подтверждает ключевую метабо-
лическую роль этого белка в данном клеточном
• лшартменте. Было также показано, что кальрети-
> лин содержит ядерную сигнальную последова-
• льность и регулирует связывание стероидного
' цептора с участком ДНК. Это наблюдение ука-
лвает на то, что кальретикулин должен выходить
ЭР в цитоплазму. Как именно это происходит,
• известно. Интересен тот факт, что кальретику-
ич выполняет много других функций. Например,
-азалось, что он действует как интегринсвязы-
.’.:ющий белок, плазматический антикоагулянт, как
« ч-)лекула памяти» (молекула, участвующая в дол-
временном потенциировании) у морских улиток
Aplysia. Вполне вероятно, что в дальнейшем будут
открыты и другие функции кальретикулина по ме-
ре дальнейшего изучения биологической активно-
сти этого белка.
Задержка белков в ЭР
Выход веществ из ЭР происходит путем форми-
рования транспортных пузырьков, которые обладают
специфической протеиновой оболочкой, называе-
мой СОР II. Таким образом, растворимые белки,
поступающие в полость ЭР, доставляются к дру-
гим клеточным органеллам с помощью пузырьков,
которые отпочковываются от мембраны ЭР. Неко-
торые белки, необходимые для конформации белка
и ядерного гликозилирования, остаются в ЭР.
Задержка белков в ЭР осуществляется различ-
ными механизмами (рис. 3-12). Оказалось, что оп-
ределенные белки удаляются из транспортных пу-
зырьков, поскольку имеют характерную форму
или неправильно свертываются и остаются связан-
ными с белками ЭР, такими как В1Р или шаперо-
ны. Позже такие белки разрушаются в полости
эндоплазматического ретикулума.
3-12. Ориентация мембранных белков в эндоплазматическом ретикулуме. Внедрение в мембрану с противопо-
w • ной ориентацией опосредуется сигнальными якорными последовательностями 1-го и 2-го типа (SA) (А, Б, соот-
w*- твенно). Взаимодействие фермента сигнальной пептидазы (SPase) и отщепляемой сигнальной последовательно-
- ! S) в белке (В) обеспечивает перенос секреторных белков через мембрану. Взаимодействие БРазы и последова-
— ности, останавливающей перенос, в белке (Г) приводит к внедрению в мембрану в ориентации 1-ого типа.
: • ра — группа заряженных аминокислотных остатков, которые часто соседствуют с последовательностями SA
• < на цитоплазматической стороне трансмембранного домена.) (Воспроизведено с разрешения из: High S et al.
V nanisms that determine the transmembrane disposition of proteins. Curr Opin Cell Biol 1995; 7:582.)
74
Глава 3
Кроме того, белки, которые остаются в мембране
ЭР, содержат специфические аминокислотные по-
следовательности, называемые последовательно-
стями задержки.
Несовершенство системы задержки в ЭР приво-
дит к тому, что некоторые важные внутриполостные
белки случайно переносятся из ЭР в следующий
компартмент, комплекс Гольджи. К счастью, важные
для ЭР белки содержат последовательность воз-
врата-задержки, которая состоит из четырех ами-
нокислот (KDEL), локализованных вблизи С-кон-
ца. Белки, содержащие последовательность KDEL,
медленнее двигаются к транспортным пузырькам,
из чего можно предположить, что в задержке бел-
ков участвует механизм исключения из пузырьков.
Данные экспериментов in vitro свидетельствуют,
что связывание KDEL лиганда с возвращающими
рецепторами зависит от pH среды. Максимум свя-
зывания наблюдается между pH 5 и pH 6; такой
интервал pH и существует в комплексе Гольджи
(рис. 3-12).
Белки ЭР, которые содержат KDEL и случайно
транспортируются в комплекс Гольджи, связыва-
ются там с возвращающим рецептором, располо-
женным в месте поглощения пузырьков, и затем
перемещаются обратно в ЭР. Такие пузырьки на-
зываются ретроградными. В эндоплазматическом
ретикулуме pH близок к нейтральному, и белки
с KDEL быстро отщепляются от рецептора при
возвращении в среду ЭР.
Важно подчеркнуть, что ретроградные пузырьки
могут формироваться в любом отделе комплекса
Гольджи, а не только в тех стопках Гольджи, кото-
рые расположены ближе к мембране ЭР.
Перенос белка
Обзор процесса синтеза белка:
рибосомы, мРНК, сигнальные пептиды
Перед рассмотрением механизмов, участвующих
в формировании мембранных липидов и белков,
необходимо сделать краткий обзор механизмов
синтеза белка.
Синтез белка начинается в цитозоле. Рибосом-
ные субъединицы покидают ядро в виде комплек-
сов 40S и 60S. Эти субъединицы не образуют
функционирующую рибосому до тех пор, пока не
присоединятся к мРНК. Малая субъединица (40S)
связывается с 5' участком мРНК вместе с другими
компонентами комплексов трансляции белка.
Затем присоединяется 60S субъединица и форми-
руется зрелая 80S рибосома. Трансляция с мРНК
начинается сразу после образования функциони-
рующей рибосомы. В 60S субъединице есть канал,
достаточно длинный для того, чтобы содержать по-
липептид, состоящий приблизительно из 30 амино-
кислотных остатков. Удлиняющийся полипептид
проходит в этот канал.
Когда сформированная рибосома перемещается
по нити мРНК, захватывая по 6 нуклеотидов, обра-
зуется второй, а затем третий комплексы трансля-
ции, которые считывают информацию, заключен-
ную в мРНК. Этот процесс продолжается до тех
пор, пока рибосомные комплексы не «прочитают*
всю мРНК.
Обычная мРНК связывается с 10-12 рибосома-
ми, формируя таким образом полирибосомныи
комплекс, или полисому. Каждая рибосома, дос-
тигшая трансляционного конца, — терминирующе-
го кодона, покидает мРНК. Затем рибосомные
субъединицы отделяются друг от друга и поступа-
ют в цитозольный пул, из которого впоследствии
могут быть образованы новые рибосомы. Эти ри-
босомы могут собираться на той же самой или дру-
гой молекуле мРНК. Рибосомные субъединицы
могут использоваться многократно для трансля-
ции любой нормальной мРНК.
Матричные РНК, подвергающиеся трансляции
делятся на две функциональные группы.
1. мРНК, кодирующие секреторные белки или
интегральные белки мембраны. Эти молеку-
лы направляются к поверхности эндоплазма-
тического ретикулума.
2. мРНК, кодирующие белки, которые остаются
в клетке. Эти синтезирующие комплексы ос-
таются в цитозоле, не прикрепляясь к мем-
бранам.
Необходимо отметить, что белки, синтезируе-
мые на второй группе комплексов, составляют
большую часть белков, синтезируемых в клетке
Мы уже видели, что некоторые из этих белков об-
ладают адресными сигналами, составляющими
часть их аминокислотной последовательности
Эти сигналы способствуют направленному движе-
нию белков в соответствующие клеточные орга-
неллы.
Биосинтез мембранных и секреторных белков
происходит в шероховатом ЭР. В этой клеточной
органелле синтезируются все мембраны. Здесь так
же проходят начальные этапы посттрансляцион
ного гликозилирования. Кроме того, укладка белка
и сборка субъединиц также происходят в полости
шероховатого ЭР.
Z~руктура и функции внутриклеточных органелл
75
Частица распознавания сигнала
Секреторные или мембранные белки поступают
- ЭР сразу после того, как их растущие полипеп-
-ддные цепи выходят из канала большой рибосом -
,1 субъединицы, как описано выше. Эти типы
Э-.жов содержат сигнальный пептид, расположен-
ии вблизи N-конца полипептида. Сигнальный
::тид состоит преимущественно из гидрофоб-
ах аминокислот. Тип и длина сигнального пеп-
' могут меняться, но в целом он должен быть
. хрофобным.
Когда эта последовательность растущего белка
L -лит с рибосомы, происходят определенные про-
, сы. Сначала частица распознавания сигнала
(signal recognition particle, SRP) узнает пептид
.. медленно связывается с ним (рис. 3-13).
В результате этого связывания удлинение белка
з,* менно прекращается. Вновь сформированный
v милекс (трансляционный комплекс и SRP) свя-
ьи кается с интегральным белковым рецептором,
I* кализованным в мембране эндоплазматического
;<тикулума. Рецептор частицы распознавания сиг-
1^ .1 (SRP-R), именуемый также локирующим (от
хлийского «to dock» — состыковывать) белком, —
г гетеродимер, состоящий из субъединиц SRa
и SRp. После соединения SRP с рецептором транс-
ляционный комплекс направляется к другому мем-
бранному комплексу, называемому транслоконом.
Перед тем как приступить к детальному описа-
нию процессов транслокации полипептида, необ-
ходимо дать дополнительную информацию о SRP
и SRP-R. Частица распознавания сигнала состоит
из одной 7S молекулы РНК и шести полипептидов
(9, 14, 19, 54, 68 и 70 кДа, соответственно). Каждый
полипептид содержит большое количество основ-
ных аминокислот.
Общая площадь SRP комплекса составляет
240 х 60 А . Предполагается, что образование час-
тицы распознавания сигнала аналогично связыва-
нию рибосомальных белков с рибосомной РНК
(рРНК), при котором связывание одной из моле-
кул белка инициирует кооперативное связывание с
остальными пятью молекулами.
SRP-54 — это белок, к которому прикрепляется
недавно открытый сигнальный пептид. SRP-54 со-
держит большой участок с высокой концентрацией
остатков метионина, так называемый М-домен.
Этот участок белка образует удлиненную гидро-
фобную связывающую выемку, богатую метиони-
новыми остатками, которые вытягиваются в непо-
лярную среду, как щетинки щетки.
Рибосомный
Сигнальный
Сигнальная
рецептор
рецептор
пептидаза
Ptoc 3-13. Перенос белков в эндоплазматический ретикулум. Рибосомы, синтезирующие белки, перемещаются по
шг.ч К от 5’ конца к 3’ концу. Когда сигнальнй пептид белка, предназначенного для секреции, мембраны клетки или
- - -мы, выходит из большой единицы рибосомы, он связывается с частицей распознавания сигнала (SRP).
сокращает дальнейшую трансляцию до тех пор, пока комплекс «рибосома — растущая цепь — SRP» не свяжется
< «'С' рецептором на цитоплазматической поверхности эндоплазматического ретикулума. В реакции, требующей
оид* лиза GTP, SRP возвращается в цитоплазму, и синтез белка (элонгация) продолжается. При переносе начально-
tr -л гка полипептида происходит открытие белкового канала, и растущая белковая цепь входит в ЭР. Затем сиг-
biii пептид отщепляется сигнальной пептидазой. После завершения синтеза белка две субъединицы рибосомы
циируют, С-конец белка входит в ЭР, и происходит разборка субъединиц канала. (N - N-конец белка; С — С-ко-
Вг: '* лка.) (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Ре гага Е, Linappa VR. Transport of proteins into
n>ss the endoplasmatic reticulum membrane. In: Protein Transfer and Organelle Biogenesis. Das RC, Robbins RW
>). Academic Press, 1988.)
76
Глава 2
Другая важная структура в составе SRP-54 —
это недавно открытый ОТРазный домен, который
локализован в белке снаружи от М-домена.
SRP-R — это гетеродимер, состоящий из а и р це-
пей. Обе цепи содержат ОТРазный домен. Таким
образом, число ОТРаз, участвующих в направле-
нии белка, увеличивается до трех.
Направленное перемещение рибосом
Направленное перемещение рибосом включает
три этапа.
1. Распознавание сигнальной последовательно-
сти
2. Прекращение удлинения
3. Перемещение к мембране ЭР
SRP комплекс (SRP + рибосома) направляется к
мембране ЭР и связывается с SRP-R (SRa и SRp).
Это связывание вызывает активацию ОТРазы
SRP-54 и ОТРаз двух рецепторных субъединиц,
что влечет за собой освобождение SRP от рибосо-
мы и прикрепление рибосомы к транслокону —
белковому комплексу в мембране ЭР.
Перенос формирующейся цепи через мембрану
происходит через расширенный канал. Механизм
образования канала изучен еще не до конца. При
использовании уникальных типов флюоресцент-
ных красителей, прикрепленных к искусственной
сигнальной последовательности, было показано,
что водный канал формируется белками трансло-
кона и рибосомой. Почти все белки, предназначен-
ные для секреции или для встраивания в мембра-
ну, транслируются и переносятся рибосомами,
прикрепленными к мембране ЭР. Модель утилиза-
ции GTP молекулой SRP-54 описана ниже.
Сразу после переноса трансляционного ком-
плекса к транслокону и освобождения сигнального
пептида от SRP-54 и SRP-9\14 трансляция возоб-
новляется. Сигнальный пептид остается связан-
ным с липидным бислоем, возможно он погружен
в гидрофобные участки мембраны. Полипептид уд-
линяется, но остается прикрепленным к внутрен-
ней поверхности мембраны с помощью сигналь-
ного пептида. При достижении терминирующего
трансляционного кодона рибосома отделяется от
мРНК, и последние участки белка переносятся
через мембрану ЭР. Завершающийся перенос но-
вого пептида активирует связанную с внутренней
поверхностью мембраны ЭР протеазу, которая
отщепляет сигнальный пептид от вновь синтезиро-
ванного белка. Сигнальный пептид высвобождает-
ся из мембраны и расщепляется другими протеаза-
ми, находящимися в полости.
Механизмы переноса секреторных
белков и монотонных мембранных
белков
Перенос полипептидов, входящих в состав раз-
личных мембранных белков, происходит по-разно-
му. Напомним, что существует два основных тип .
интегральных мембранных белков: белки, содержа
щие один трансмембранный домен (монотонные)
и белки, содержащие несколько петель, пересекаю
щих мембранный бислой (политопные).
Сначала обсудим монотонные мембранные бел-
ки. Вспомним, что функция и структура любой
белка закодирована в его гене. Точно так же суще-
ствует N-концевая сигнальная последовательное? i
(как описано выше), которая переносит секретор-
ные белки через мембрану ЭР, а также внутрен
няя сигнальная последовательность, узнаваемая
SRP, которая прикрепляется к ней и вызывает дес-
табилизацию рибосомно-транслоконного комплек-
са. Это в свою очередь предотвращает перено-
пептида, но не предотвращает дальнейшей транс-
ляции Таким образом, последовательность окон-
чания переноса закрепляет удлиняющийся белок
в мембране и становится трансмембранным доме-
ном этого монотонного мембранного белка.
Существуют две разновидности этого процесса
Описанный выше простой вариант подходит для
монотонных белков, ориентированных N-концом
в полость ЭР и С-концом (СООН) в цитозоль
Многие мембранные белки имеют противополож-
ную ориентацию, то есть их сигнальная последо-
вательность (также называемая последовательно-
стью начала переноса) располагается достаточю
далеко от N-конца белка. Когда эта последователь-
ность выходит из рибосомального канала, SRF
узнает ее и переносит рибосомальный комплекс
к мембране ЭР. Внутренний сигнал начала перено-
са действует точно так же, как и сигнальный пеп-
тид, и связывается с компонентами транслокош;
которые быстро переносят его внутрь транслока-
ционного канала. В отличие от N-концевой сит
нальной последовательности, эта последователь-
ность не распознается сигнальной пептидазой и ш
отщепляется. По-видимому, мембранный канал
способен увеличиваться в размере для того, чтобы
вместить и растущую цепь, и прикрепленный сиг-
нальный пептид.
Исследование того, какие типы аминокислот
расположены по обе стороны от гидрофобно!:
трансмембранной последовательности, позволяет
понять, каким образом происходит связывание
М-домена белка SRP-54. Существуют группы
положительно заряженных аминокислот с обеих
Zщуктура и функции внутриклеточных органелл
77
у рон гидрофобной сигнальной последователь-
- ти, которые способствуют захвату этого белка
* 'целой. Ключом к пониманию того, как ориен-
-щюван сигнальный пептид, служит количество
ожительно заряженных остатков с каждой сто-
;» :ы. Чем больше заряд, тем более вероятно, что
'<. ? ж будет ориентирован на цитозольную сторону
w -чбраны, так как показано для I типа мембран-
• белков на рис. 3-14.
Механизмы формирования
лолитопных белков
Многие мембранные белки несколько раз про-
и щ.ают липидный бислой. Эти политопные белки
С* . мируются в том случае, если в определенных
/•.л.тках полипептидной цепи находятся последо-
льности начала переноса и окончания пере-
веса Когда последовательность начала переноса
». )дит из рибосомального канала, с ней взаимо-
действует SRP, а затем этот комплекс связывает-
ся с SRP-R для прикрепления к транслокону.
Как только появляется последовательность окон-
чания переноса, перенос через мембрану прекраща-
ется, но трансляция продолжается.
Когда SRP узнает вторую последовательность на-
чала переноса, она связывается и с помощью SRP-R
переносится к ЭР для переноса через мембрану.
Таким образом, политопный белок, содержащий
серию последовательностей начала и окончания пе-
реноса, прошивает бислой. Будет ли данная гидро-
фобная последовательность сигналом начала или
сигналом окончания, зависит от количества и распре-
деления положительно заряженных аминокислот,
соседствующих с ней. Большая группа заряженных
аминокислот обычно остается на цитозольной сто-
роне ЭР в направлении NH2.
А СООН
Тип I
Цитоплазма
Мембрана
Полость ЭР
Тип II
Цитоплазма
Мембрана
Полость ЭР
N
3-14. Этапы встраивания в мембрану сигнального якорного белка. Гидрофобное ядро сигнально-якорной после-
явности (А) взаимодействует с мембраной эндоплазматического ретикулума (ЭР), и (Б) внедряется в мембра-
я-. : • р.мируя петлю либо с N-концом (I тип), либо с С-концом (II тип) белка. Затем (В) соответствующий конец бел-
ка . --носится в полость ЭР. (Сфера — группа заряженных аминокислотных остатков, которые часто соседствуют с
„жно-якорной последовательностью с цитоплазматической стороны от мембраносвязанного домена). (Воспро-
< < . но с изменениями с разрешения авторов из: High S et al. Mechanisms that determine the transmembrane disposi-
Ci : proteins. Curr Opin Cell Biol 1995; 7:583.)
78____________________________________________________________Глава 3
Гликозилирование белков и
липидов происходит в ЭР
Большинство белков, синтезируемых на мембра-
носвязанных рибосомах, гликозилируются при
переносе в полость ЭР. Это происходит путем пере-
носа крупных олигосахаридов, которые синтезиру-
ются на специальных мембраносвязанных липидах,
долихолах, погруженных в полостной слой мем-
браны ЭР. Долихолы — длинноцепочечные поли-
изопренолы (п~ 14-24), в которых последняя
изопреновая единица насыщенна. В этом участке
формируется фосфатная связь, и гликозилтрансфе-
разные ферменты присоединяют углеводный оста-
ток. Формирование олигосахарида на долихоле
начинается с фосфорилирования насыщенного ос-
татка, в результате чего создается активный уча-
сток (рис. 3-15).
Вслед за этой реакцией пять маннозилтранс-
фераз последовательно присоединяют пять ман-
нозных остатов. В течение этих трех реакций до-
лихоловый комплекс ориентирован в цитозоль.
Этот комплекс перескакивает через мембрану и
выходит на поверхность, при этом добавляются че-
тыре маннозных остатка, а за ними три остатка
глюкозы. Завершенный комплекс долихол-фосфат-
олигосахарид содержит два остатка N-ацетилглю-
козамина, девять остатков маннозы и три остатка
глюкозы. Весь этот углеводный комплекс перено-
сится к остатку аспарагина, который входит в со-
став пептида Asn-X-Ser\Thr.
Эта трипептидная последовательность обладает
способностью присоединять крупную группу саха-
ров за один раз; результатом является N-гликози-
лирование (N принадлежит остатку аспарагина»
Не все последовательности Asn-X-Ser\Thr подхо-
дят для гликозилирования. Считается, что глико-
зилируется остаток аспарагина в трипептиде, вхо-
дящем в состав р-петли, в которой пептидная свя.о
образована между аминогруппой аспарагина и кар-
боксильной группой Ser или Thr.
На рис. 3-16 представлена схематическая модел>
процессинга олигосахаридов.
Биосинтез мембранных липидов
Биосинтез мембранных белков происходит
главным образом в ЭР. Основные этапы их син-
теза представлены в таблице 3-11.
Существует три различных типа мембранных
липидов.
UDPGIcNAc
Туникамицин
GIcNAc-Р-Р-Doi
UDPGIcNAc
UDP
V
GIcNAc - GIcNAc - P - P - Doi
M-M
M-M M - (GlcNAc)2 - p - P - Doi
G-G-G-M-M-M
P-Dol
M - P - Doi and G - P - Doi
(M)6 - (GlcNAc)2 -P-P- Doi
f P - Doi
M - GIcNAc - GIcNAc - P - P - Doi
(GDP-M)4 (GDP)4
M^ I м-P-Dol
4M - (GlcNAc)2 - P - P - Doi
m-m-m7
Рис. 3-15. Биосинтез олигосахарид-Ф-Ф-долихола. Обратите внимание, что GDF-манноза является донором внут-
ренних остатков маннозы, а долихол-Ф-глюкоза и долихол-Ф-манноза обеспечивают наружные маннозные остатки и
остатки глюкозы. (UDF — уридиндифосфат; DOL - долихол; Р — фосфат; UMF — уридинмонофосфат; GDF — гуа-
нозиндифосат; М — манноза; G — глюкоза.) (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: High S et al
Mechanisms that determine the transmembrane disposition of proteins. Curr Opin Cell Biol 1995; 7:583.)
2~суктура и функции внутриклеточных органелл
Шероховатый эндоплазматический ретикулум
Ffcc. 3-16. Процессинг олигосахаридов. Реакции ката.лизируются следующими ферментами: 1 — олигосахарилтранс-
фп^за: 2 — а-глюкозидаза I; 3 - а-глюкозидаза II: 4 -- а-1,2-маннозидаза эндоплазматического ретикулума: 5 —
а млниозидаза I комплекса Гольджи; 6 — N-ацетилглюкозаминилтрансфераза I; 7 — а-маннозидаза II комплекса
Г 8 — N-ацетилглюкозаминилтрансфераза II; 9 - фукозилтрансфераза; 10 — галактозилтрансфераза; 11 — си-
;.1.нсфераза; I — N-ацетилглюкозаминилфосфотрансфераза: II — N-ацетилглюкозамин-!-фосфодиэстер a-N-anc-
тл нжозаминидаза; — N-ацетилглюкозамин; О — манноза : А - глюкоза; А - фукоза; • — галактоза; ♦ — сиало-
- ’/.слота. (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Kornfeld R, Kornfeld S. Assembly of asparagine-
In-v-i oligosaccharides. Annu Rev Biochem 1985; 54:631.)
Таблица 3-11. Основные этапы1 синтеза мембранных липидов в ЭР
Этап_________________
Sz-^ез липидов___________
Сгс'ировка и перенос липидов
оеделение липидов
Задача____________________________________________ ____________
Определить локализацию в ЭР и биомолекулярные пути синтеза липидов
Определить механизмы сортировки и транспорта липидов от места синтеза к
месту их локализации в бислое. Большинство клеток имеет полярность, и со-
став липидов неодинаков на различных участках (например, на апикальном и
базолатеральном участках)__________________________________________
Определить асимметричное распространение липидов в бислое
этапы в настоящее время активно исследуются.
80
Глава j
1. Глицеролфосфолипиды: например, фосфати-
дилхолин (PC), фосфатидилэтаноламин (РЕ),
фосфатидилсерин (PS), фосфатидилинози-
тол (PI).
2. Сфинголипиды: например, сфингомиелин
(SM), церамид (CER).
3. Холестерол: липопротеины очень низкой
плотности (ЛОНП), липопротеины низкой
плотности (ЛНП), липопротеины высокой
плотности (ЛВП).
Ферменты, принимающие участие в биосинтезе
этих липидов, — это интегральные мембранные
белки ЭР, каталитические участки которых обраще-
ны в цитозоль. Синтез и транспорт этих липидов
составляет особую проблему, так как алифатиче-
ские углеводородные цепи нерастворимы в водной
среде цитозоля. Для перевода жирных кислот
в растворимую форму они этерифицируется со
специальными белками, называемыми ацилпере-
носящими белками (АСР).
Первый этап формирования мембранного липи-
да — реакция переноса, приводящая к формированию
фосфатидной кислоты. Две молекулы ацил-Со А,
производного жирных кислот, взаимодействуют
с глицерол-3-фосфатом, формируя диацил глице-
ролфосфатидную кислоту (фосфатидат). В ходе
реакции жирные кислоты отщепляются от АСР
и встраиваются в цитозольный слой мембраны ЭР.
Второй этап — это фосфатазная реакция, в ходе
которой происходит удаление фосфата и образова-
ние диацилглицерола, который является субстратом
для синтеза цитидинтрифосфатхолина (СТР-холи-
на) с использованием третьего фермента реакции,
холинфосфотрансферазы. Образование церамида
происходит за четыре реакции из предшествен-
ников — пальмитил-СоА и серина. Сразу после
образования церамид переносится в компас-
Гольджи для переработки в сфингомиелин и гл?,
косфинголипиды. Фермент сфингомиелинсинта
переносит фосфохолиновую группировку от фо
фатидилхолина к церамиду, формируя таким обр-
зом сфингомиелин. Другие члены этого семейств
мембранных липидов образуются в цг/с-комплек
Гольджи (глава 4) (табл. 3-12 и 3-13).
Механизмы сортировки и транспорта
липидов
Синтез всех глицерофосфолипидов происходит
цитозольной поверхности ЭР с помощью несколько\
ферментативных реакций. Новые липиды свобод?,
диффундируют в плоскости бислоя и быстро см-
шиваются с липидами наружного слоя мембраны
Кроме того, неспецифические флиппазы мембран.,
эндоплазматического ретикулума перемещают вною
синтезированные липиды во внутренний слой мем-
браны. Таким образом, в ЭР происходит быстр -
смешивание всех глицерофосфолипидов.
Однако это еще не все. Вспомните, что на мембра-
не существует асимметричное распределение разд и
пых липидов. Как образуется подобное распреде. н
ние? В плазматической мембране и в комплексе Голь.:
жи ATP-зависимая транслоказа, аминофосфолипид -
транслоказа, переносит фосфатидилсерин и, в мен:
шей степени, фосфатидилхолин на цитоплазматиче-
скую сторону мембраны. В результате цитозольны?
слой мембраны содержит весь фосфатидилсери
и большую часть фосфатидилэтаноламина и фосфа-
тидилинозитола. Отметим, что этот фермент не пе-
реносит церамиды иди сфингозин. Такое дифф<
ренпированное перемещение липидов являете >
ключевым фактором в возникновении липидш ?
асимметрии в мембране (таблицы 3-14 и 3-15).
Таблица 3-12. Состав основных липопротеиновых комплексов1
Комплекс Источник Плотность (г/мл) %белка % ТГ1 2 %ФЛ3 % ЭХ4 %Х5 %сжк
Хиломикрон Кишечник < 0,95 1-2 85-88 8 3 1 0_
ЛОНП Печень 0,95-1,006 7-10 50-55 ; 18-20 12-15 8-10 1
ЛПП ЛОНП 1,006-1,019 10-12 25-30 25-27 32-35 8-10 1_
ЛНП ЛОНП 1,019-1,063 20-22 _10-15_ 20-28 37-48 8-10 1
*ЛВП2 Кишечник, печень (хиломикроны и ЛОНП) 1,063-1,125 33-35 5-15 32-43 20-30 5-10 0
*ЛВП3 Кишечник, печень (хиломикроны и ЛОНП) 1,125-1,21 ; 55-57 3-13 26-46 15-30 2-6 6
Альбумин-СЖК Жировая ткань >_1,281 । 99 । 0 0 _ 0 0 100
1 Воспроизведено с разрешения из: Balkavage WX, King MW. Biochemistry: Examination & Board Review, Appleton &
Lange, 1995, p. 212
2 триацилглицеролы; 3 фосфолипиды; 4 эфиры холестерина; 5 свободный холестерол; 6 свободные жирные кислоть
* ЛВПг и ЛВПз — образуются из исходного ЛВП в результате захвата эфиров холестерола
Структура и функции внутриклеточных органелл
81
Таблица 3-13. Классификация апопротеинов
Апопротеин-молекулярная масса (Д) Связь с липопротеинами । Функция и комментарии I
зро-А-1-29 016 Хиломикроны, ЛВП | Основной белок ЛВП, активирует леци- । тин:холестеролацилтрансферазу (ЛХАТ) j
аро-А-11-17 400 Хиломикроны, ЛВП । В основном в ЛВП, повышает активность ! . липазы печени ।
aoo-A-IV-46 ООО Хиломикроны, ЛВП : Присутствует в липопротеинах, богатых Iтриацилглицеролом
soo-B-48-241 ООО Хиломикроны I Находится исключительно в хиломикронах; । производное гена аро-В-100, экспресси- । руемого в кишечном эпителии; отсутству- ! ет ЛНП-рецептор-связывающий домен аро-В-100
зэо-В-100-513 ООО ЛОНП, ЛПП и ЛНП | - ! Основной белок ЛНП; связывается с ре- I цептором ЛНП; один из самых длинных _ I белков человека
аэо-С-1-7600 Хил омикроны, ЛОНП, ЛПП и ЛВП Может также активировать ЛХАТ
i эо-С-Н-8916 Хиломикроны, ЛОНП, ЛПП и ЛВП i Активирует липазу липопротеинов
3PO-C-III-8750 Хиломикроны, ЛОНП, ЛПП и ЛВП Ингибирует липазу липопротеинов
ieo-D-20 ООО; также называется *елком, переносящим эфиры ।элестерола ЛВП I Связан исключительно с ЛВП, перенос 1 эфиров холестерола
аоо-Е-34 ООО (по крайней мере, си аллеля [Е2, ЕЗ и Е4], каждый гз которых может иметь множе- ~50 изоформ) Остатки хиломикронов, ЛОНП, ЛПП и ЛВП Связывается с рецептором ЛНП, аро-Е-е4 i ' аллель связан с поздно проявляющейся 1 болезнью Альцгеймера
ало-Н-50 ООО (также известен *1 Р ‘ 2-гли коп роте ин 1) Хиломикроны 1 1 Метаболизм триацилглицерола j . j:
ico(a), по крайней мере 19 раз- •ичных аллелей; размер белка с-асположен в диапазоне от • 20 000 до 800 000 ЛНП I j - 1 Дисульфид, связанный с аро-В-100, фор- । мирует комплекс с ЛНП, идентифицируе- мый как липопротеин(а), LP(a); очень по- хож на плазминоген; может доставлять хо- лестерол к местам повреждения сосудов; фактор риска ишемической болезни серд- ца и геморрагического инсульта /
= :спроизведено с разрешения из: Balcavage WX, King MW. Biochemistry: Examination & Board Review, Appleton & _s-ge, 1995, p. 213
Механизмы переноса
мембранных липидов
Везикулярный механизм и мономерный
обмен
С \ шествует два основных механизма транспорта
w убранных липидов.
Везикулярный механизм, обеспечивающий
транспорт липидов к плазматической мембра-
не, комплексу Гольджи и лизосомам. Этот
путь включает отпочковывание от мембраны
ЭР пузырьков, которые сливаются с комплек-
сом Гольджи и затем перемещаются к другим
органеллам.
Мономерный обмен — процесс прямого перено-
са липидов с поверхности ЭР к таким органел-
лам, как митохондрия и пероксисома, с помощью
белков обмена липидов. Фосфатидилхолин
(PC) участвует в обоих типах движения. Он син-
тезируется на цитозольной поверхности ЭР.
Некоторые молекулы PC переносятся через мем-
брану к полостной поверхности, затем путем эн-
доцитоза поступают в комплекс Гольджи, к плаз-
матической мембране и к конечной цели своего
назначения: наружной поверхности клетки.
В то же время, некоторые молекулы PC остают-
ся на цитозольной поверхности и мотут быть пе-
реправлены непосредственно к митохондрии.
Отпочкование пузырьков и слияние пузырь-
ков — основные способы перемещения внутриполо-
стного содержимого, а также мембранных липидов
и интегральных белков. Считается, что в некоторых
82
Г лава 3
Таблица 3-14. Гиперлипопротеинемии
Нарушение Дефект Комментарии
Тип I (семейный дефицит ли- попротеинлипазы (LPL), на- следственная гиперхиломик- ронемия) (А) недостаточность LPL (Б) синтез дефектной LPL (В) дефицит аро-С-И Медленный клиренс хиломикронов, низ- кий уровень ЛНП и ЛВП; лечится диетой со сниженным содержанием сложных уг- леводов и жиров; нет повышенного риска ишемической болезни сердца
Тип II Дефект четырех классов рецепторов липопротеинлипазы (см. объяснение в тексте) Сниженный клиренс ЛНП, приводит к ги- перхолестеринемии, в результате кото- рой развиваются атеросклероз и ишеми- ческая болезнь сердца
Тип III (семейная дисбетали- попротеинемия, болезнь уда- ления остатков липопротеи- нов, общая бета-болезнь) Замедленный печеночный клиренс ос- татков вследствие дефекта аро-Е; у больных экспрессируется только изо- форма аро-Е2, которая слабо взаимо- действует с аро-Е-рецептором Вызывает ксантомы, гиперхолестерине- мию и атеросклероз периферических и коронарных артерий вследствие повыше- ния уровней хиломикронов и ЛОНП
Тип IV (семейная гипертриа- цилглицеролемия) Повышенное образование ЛОНП, со- провождаемое непереносимостью глюкозы и гиперинсулинемией Часто связано с сахарным диабетом II типа (инсулиннезависимым), ожирени- ем, алкоголизмом или приемом гормо- j нов прогестеронового ряда; в результате I повышения ЛОНП повышается уровень холестерола
Тип V семейная гиперлипо- протеинемия Повышенное содержание хиломикро- нов и ЛОНП непонятного генеза Гипертриацилглицеролемия и гиперхоле- 1 стеринемия с пониженным содержанием ЛНП и ЛВП
Семейная гиперальфалипо- протеинемия Повышенный уровень ЛВП Редкое состояние, которое благотворно влияет на здоровье и продолжительность i жизни
Семейная гиперапобеталипо- протеинемия Повышенная продукция ЛНП и замед- ленный клиренс триацилглицеролов и жирных кислот Связана с повышенным риском ишеми- ческой болезни сердца |
Наследственный дефект аро-В-100 Мутация в экзоне 26 аро-В-гена: за- мена Gin на Arg (аминокислота 3500); приводит к снижению сродства ЛНП к рецептору ЛНП Значительное повышение уровня ЛНП; । содержание ЛВП, ЛОНП и триглицеридов : в плазме не меняется; является причиной ; гиперхолестеринемии и раннего разви- тия ишемической болезни сердца
Наследственный дефицит ЛХАТ Болезнь Вольмана (болезнь накопления эфиров холесте- рола) Отсутствие ЛХАТ приводит к неспо- собности ЛВП поглощать холестерол (обратный транспорт холестерина) Дефект лизосомной гидролазы эфи- ров холестерола, нарушение метабо- лизма ЛНП Пониженное содержание эфиров холе- i стерина и лизолецитина в плазме; изме- нения ЛНП (Lp-X) и ЛОНП; обнаружены с и мптом ы, связанные с холестазом j: Снижение клиренса ЛНП приводит к ги- перхолестеринемии, в результате кото- рой развивается атеросклероз и ишеми- ческая болезнь сердца
Дефицит гормонально-осво- бождаемой липазы печени Недостаточность липазы приводит к накоплению богатых триацилглицеро- лом остатков ЛВП и ЛОНП (ЛПП) Вызывает ксантомы и ишемическую бо- лезнь сердца
Воспроизведено с разрешения из: Balcavage WX, King MW. Biochemistry: Examination & Board Review, Appleton &
Lange, 1995, p. 216.
Структура и функции внутриклеточных органелл
83
Таблица 3-15. Гипол и поп роте и не мии
Нарушение Дефект Комментарии
Абеталипопротеинемия (акантоци- тоз, синдром Бассена-Корнцвейга) Нет хиломикронов, ЛОНП или ЛНП вследствие дефекта экспрессии аро-В Редкий дефект; печеночное и ки- шечное накопление и мальабсорб- ция жиров, пигментный ретинит, атаксическая нейропатия; "колючко- образные” эритроциты
Семейная гипобеталипопротеинемия Обнаружено по крайней мере 20 различных мутаций гена аро-В; кон- центрация ЛНП составляет 10-20% от нормы; содержание ЛОНП не- много снижено, ЛВП в норме Патологические изменения незначи- тельные или отсутствуют
Семейная недостаточность аль- фа-липопротеина (болезнь Танжье, болезнь рыбьего глаза, недостаточ- ность аро-А-1 и -C-III) При всех этих синдромах наблюда- ется снижение концентрации ЛВП, образование хиломикронов и ЛОНП I остается без изменений Тенденция к гипертриацилглицеро- лемии; некоторое повышение । ЛОНП; при синдроме рыбьего гла- за — тяжелое помутнение роговицы
Воспроизведено с разрешения из Balcavage WX, King MW: Biochemistry: Examination & Board Review, Appleton &
^ange, 1995, p. 218.
л\чаях за счет быстрого синтеза липидов на цито-
ильном слое образуется изгиб мембраны, что ини-
циирует процесс отпочковывания в ЭР (глава 4).
'Необходимо отметить, что мембранные липиды фос-
:к)инозитол (PI) и церамид (CER) участвуют в про-
цессе передачи сигнала (глава 9). Заметим также,
-то PI является предшественником GPI-связанных
гликопротеинов, которые синтезируются в ЭР.
Большинство клеток организма проявляют поляр-
ц >сть, то есть одна поверхность клетки отличается
л другой. Это особенно характерно для эпители-
альных клеток. Разработаны методики исследова-
ния липидного и белкового состава базолатераль-
ной и апикальной мембран.
Для получения более детальной информации
шетуем прочитать стандартный учебник по фи-
лологии клеточных структур и функций.
Библиография
гу.-rgeron JJM et al: Calnexin: A membrane-bound chape-
rone of the endoplasmic reticulum. Trends in Biochem
Sci 1994; 19:124.
H jms К et al: Calreticulin: From Ca2+ to control of gene ex-
pression. Trends in Cell Biol 1994:4:152.
rowley K, Reinhart G, Johnson A: The signal sequence
moves through a ribosomal tunnel into a noncytoplasmic
aqueous environment at the ER membrane early in
rranslocation. Cell 1993:73:1101.
Э >bson C, Evans P, Radford S: Understanding how pro-
teins fold: The lysozyme story so far. Trends in Biochem
Sci 1994:19:31.
r-veman RB, Hirst TR, Tuite MF: Protein disulfide isom-
erase: Building bridges in protein folding. Trends in
Biochem Sci 1994:19:331.
Gaut JR, Hendershot LM: The modification and assembly of
proteins in the endoplasmic reticulum. Curr Opin Cell
Biol 1993:5:589.
Georgopoulos C, Welch W: Role of the major heat shock
proteins as molecular chaperones. Annu Rev Cell Bio]
1993:9:610.
Goldberg MW, Alien TD: Structural and functional organi-
zation of the nuclear envelope. Curr Opin Cell Biol
1995:7:301.
Hartl F, Hlodan R, Langer T: Molecular chaperones in pro-
tein folding: The art of avoiding sticky situations. Trends
in Biochem Sci 1994:19:20.
Hartl FU: Molecular chaperones in cellular protein folding.
Nature 1996:381:571.
High S, Dobberstein B: Mechanisms that determine the
transmembrane disposition of proteins. Curr Opin Cell
Biol 1992:4:581.
Kobe B, Deisenhofer J: The leucine-rich repeat: A versatile
binding motif. Trends in Biochem Sci 1994:19:415.
Melchior F, Gerace L: Mechanisms of nuclear protein im-
port. Curr Opin Cell Biol 1995:7:310.
Ng D, Walter P: Protein translocation across the endop-
lasmic reticulum. Curr Opin Cell Biol 1994:6:510.
Peters JM: Proteosomes: Protein degradation machines of
the cell. Trends in Biochem Sci 1994:19:377.
Pfanner N, Craig E, Meijer M: The protein import machin-
ery of the mitochondrial inner membrane. Trends in
Biochem Sci 1994:19:368.
Sander L et al: Sec61p and BiP directly facilitate poly-
peptide translocation into the ER. Cell 1992:69:353.
Seashore MR. Wappner RS: Genetics in Primary Care.
Appleton & Lange, 1995.
van Meer G: Transport and sorting of membrane lipids.
Curr Opin Cell Biol 1993:5:661.
Walter P, Johnson AJ: Signal sequence recognition and pro-
tein targeting to the endoplasmic reticulum membrane.
Annu Rev Cell Biol 1994:10:87.
Органеллы и везикулярный
транспорт
4
Основные термины
Секреторный механизм
Эндоцитозный механизм
Формирование пузырьков
Направление пузырьков
Слияние пузырьков
СТРазы
Комплекс Гольджи (КГ)
Гликозилирование
Лизосомная мембрана
Лизосомные гидролазы
Эндоцитоз
Пиноцитоз
Эндоцитоз, опосредованный рецептором
Фагоцитоз
Фагоцитозный сигнал
Фаголизосома
Экзоцитоз
В этой главе рассматриваются некоторые фунда-
ментальные принципы биологии клетки. Особое
внимание уделяется ключевым биомолекулярным
механизмам, позволяющим белкам и липидам пе-
ремещаться внутри клетки.
Транспортные пузырьки — представляют собой
основное средство передвижения белков и липи-
дов внутри клетки. Это очень экономичный вид
транспорта: переносимые белки и липиды образу-
ют мембрану транспортного пузырька, а в полости,
окруженной этой мембраной, могут находится гру-
зовые молекулы, доставляемые к другим органел-
лам (рис. 4-1).
Дефекты в системе внутриклеточного распреде-
ления являются причиной многих заболеваний че-
ловека (табл. 4-1). Следовательно, для понимания
молекулярных основ этих заболеваний и выработ-
ки терапевтических моделей необходимо пони-
мать, каким образом происходит везикулярный
транспорт веществ. Поэтому в данной главе осве-
щаются такие важные вопросы, как:
• инициация формирования пузырьков
(табл. 4-2);
• формирование пузырьков в определенных
участках мембраны;
• направленная миграция пузырьков;
Мембранный белок Наружная поверхность
Рис. 4-1. Слияние пузырьков и ориентация интегральных
белков мембраны. При слиянии мембраны пузырька с плаз-
матической мембраной поверхность мембраны пузырька,
обращенная к цитоплазме, остается на цитоплазматической
стороне плазматической мембраны. Следовательно, инте-
гральные мембранные белки, у которых С-концы находи-
лись на цитоплазматической поверхности пузырька, после
завершения слияния содержат С-концы на цитоплазматиче-
ской поверхности плазматической мембраны. (Воспроизве-
дено с разрешения из: Lodish HF, Rothman JE. The assembly
of cell membranes. Sci Am 1979;240:43.)
Органеллы и везикулярный транспорт
85
• белки, необходимые для формирования пу-
зырьков и слияния пузырьков с мембра-
ной-мишенью;
• энергетические потребности везикулярного
транспорта.
Для получения информации по биоэнергетике
• легочного метаболизма, включая биохимию окис-
ления, фосфорилирования и других процессов,
участвующих в метаболизме белков и липидов, чи-
татель может обратиться к стандартному учебнику
биохимии.
Таблица 4-1. Заболевания, связанные с нарушением сигналов внутриклеточного транспорта
Заболевание Пораженные белки Судьба белка ___
Врожденная недостаточность : ахарозоизомальтазы , Сахарозоизомальтаза ЭР1, комплекс Гольджи или базолатераль- ная, но не апикальная поверхность
Муковисцидоз МТР2 Разрушается в ЭР: не достигает поверхно- сти или других участков
Семейная гиперхолестеринемия Рецептор ЛНП3 Класс 2: нарушен выход из ЭР Класс 4: нарушено накопление в окаймлен- ных ямках Класс 5: нарушена рециркуляция после эн- доцитоза
наследственная эмфизема легких а-антитрипсин Накапливается и разрушается в ЭР; не секретируется
Взлезнь 1-клеток Лизосомные гидролазы Секретируются
недостаточность адгезии лейкоцитов CD18 Не образуется или разрушается р-субъеди- ница рецептора; другая субъединица не развивается в отсутствие р-субъединицы
Синдром Цельвегера Пероксисомные белки ! Пероксисомы не образуются из-за мутации фактора сборки пероксисом
Эндоплазматический ретикулум
Муковисцидозный трансмембранный регулятор
Липопротеин низкой плотности
Таблица 4-2. Основные принципы формирования пузырьков
• Вещества, синтезируемые в ЭР, предназначены для компартментов, а не для цитозоля
• Вещества проходят в клетку путем формирования и слияния пузырьков; этот процесс называется эндоцито-
зом
• Вещества в полости пузырьков часто имеют адресную метку, благодаря которой вещества сортируются и
концентрируются в определенных активных участках полости, в которых формируются пузырьки
• Переносимые пузырьком белки и липиды изменяются ферментами, которые находятся в полости каждого
компартмента
• Основным местом гликозилирования белков и липидов является комплекс Гольджи
« Лизосома, основной гидролитический компартмент клетки, получает свои ферменты из различных источников
86
Глава 4
Секреторные механизмы
Клеточные механизмы транспорта белков и слия-
ния мембран, обеспечивающие процесс секреции,
одинаковы для всех видов живых организмов, от
дрожжей до млекопитающих. Значительная часть со-
временных представлений о внутриклеточном вези-
кулярном транспорте была получена при изучении
секреторных механизмов у дрожжевых клеток.
На этой модели применяются передовые технологии
генетики, молекулярной биологии, биохимии и мик-
роскопии, с помощью которых определяются многие
компоненты, участвующие в сортировке внутрикле-
точных белков и везикулярном транспорте.
Классическое исследование секреции в экзокрин-
ных клетках поджелудочной железы привело к соз-
данию концепции направленного транспорта. В со-
ответствии с этой концепцией белки в процессе сек-
реции транспортируются переносчиками, которые
представляют собой мелкие, ограниченные мембра-
ной пузырьки (Palade, 1975). Описаны многие био-
химические компоненты, составляющие систему ве-
зикулярных переносчиков. Однако некоторые этапы
этого процесса и функции ряда мембранных компо-
нентов все еще исследуются (Mellman, 1995).
Транспорт из эндоплазматического ретикулума
(ЭР) к цис- и транс-полюсам Гольджи, а затем к плаз-
матической мембране осуществляется пузырьками,
которые затем возвращаются от КГ к ЭР. Однако
еще не вполне понятно, каким образом осуществля-
ется транспорт внутри КГ — используются ли вези-
кулярные носители или трубчатые соединения ме-
жду цистернами Гольджи (рис. 4-2).
Изучение секреторного механизма
Несмотря на то, что основной секреторный ме-
ханизм был открыт более 30 лет назад, молекуляр-
ные детали этого процесса все еще не ясны. Первая
работа Palade была основана на использовании
различных экспериментальных методов анализа
секреции в клетках млекопитающих, например
следующих.
1. Для идентификации органелл, участвующих
в процессе секреции в различных клетках,
применялась электронная микроскопия.
2. Для прослеживания транспорта белков через
различные органеллы секреторного пути бы-
ла использована электронно-микроскопиче-
ская авторадиография.
3. Важный вклад в выяснение внутриклеточного
секреторного механизма внесли данные, полу-
ченные с применением методики субклеточно-
го фракционирования, позволяющей получить
биохимические характеристики изолирован -
ных органелл.
4. Проведены эксперименты с использованием
импульсной метки (pulse-chase), в ходе кото-
рых клетки инкубировались с радиоактивными
аминокислотами (или их предшественниками)
и исследовались кинетика и биохимические
изменения определенных белков в процессе
секреции. Pulse-chase эксперименты, фракцио-
нирование клетки и использование антител
к этим белкам, а также методы аналитической
биохимии, применяемые для характеристики
посттрансляционных изменений, позволили
исследователям очень точно картировать путь,
который проделывают многие белки в процес-
се секреции. К середине 80-х стало ясно, что
растворимые белки, мембранные гликопротеи-
ны, предназначенные для плазматической мем-
браны и мембран других органелл, транспорти-
руются с помощью секреторного механизма.
5. Современные процедуры с использованием
простых оболочечных вирусов, в которых
путь одного или двух хорошо изученных бел-
ков вирусной оболочки прослеживается с по-
мощью метода импульсной метки, служат
удобным инструментом для изучения везику-
лярного транспорта. Внедрение иммунноэлек-
тронной микромикроскопии (выявляющей
локализацию иммунноглобулинов, меченных
коллоидным золотом) и моноклональных ан-
тител сделало возможным более детальное ис-
следование секреторного процесса и помогло
обнаружить основные места сортировки сек-
реторных и лизосомных белков, а также иден-
тифицировать белки плазматической мембра-
ны (Griffiths & Simons, 1986).
6. Группа исследователей под руководством
Schekman использовала пищевые дрожжи
Saccharomyces cerevisiae, для получения му-
тантных клеток с дефектами на различных
этапах секреторного процесса.
7. Биохимический анализ и реконструкция ве-
зикулярного транспорта в комплексе Голь-
джи в клетках млекопитающих, выяснение
механизма слияния пузырьков и доказатель-
ство его сохранения в экзоцитозе синапти-
ческих пузырьков (Rothman et al) внесли
основной вклад в наше представление о сек-
реторном процессе в клетках.
Органеллы и везикулярный транспорт
87
Цис-пол юс
Транс -пол юс
Последовательность цистерн, разгра-
ничивающих различные ферменты
Слияние
белка с плаз-
матической
мембраной
Экзоцитоз
А. Эндоплазматический ретикулум
Трансляция
Протеолиз сигнальных пептидов
Сегрегация белков
Начальное гликозилирование
Б. Цистерны Гольджи
Подрезание углеводов
Заключительное
гликозилирование
Фосфорилирование
и сульфатирование
Начальный протеолиз
Сортировка белков
В. Транспорт после комплекса
Гольджи
Упаковка белков
Конденсация белков
Окончательный протеолиз
Рнс. 4-2. Перемещение белков по комплексу Гольджи. Белки, предназначенные для секреции, лизосом или плазмати-
кой мембраны, проходят через мембрану эндоплазматического ретикулума (А), где происходят начальные этаны
- -'м лидирования гликопротеинов. Белки сортируются по транспортным пузырькам, которые переносят их к цис но-
►. хности комплекса Гольджи. В цистернах Гольджи (Б) углеводные части гликопротеинов подрезаются перед окон-
<2-'.-льным гликозилированием в транс-сетн Гольджи. Фосфорилирование и сульфатирование некоторых беков про-
\ пит соответственно в тиране-полюсе Гольджи и в тиране-сети Гольджи (TGN), соответственно. Белки перемеща-
। - я по цистернам с помощью межцистерных окаймленных пузырьков. На большей части TGN белки сортируются
9 ^ответствии с местом назначения в клетке. Покинув комплекс Гольджи (В) белки распределяются между первич-
<^ми лизосомами, конститутивными пузырьками и секреторными гранулами в зависимости от места их конечного
значения в клетке или клеточной мембране. (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Junqueira LC
** Basic Histology, 8th ed. Appleton & Lange, 1995, p. 35.)
Механизм конститутивной секреции
Использование описанной выше исследователь-
гч и стратегии позволило накопить большое коли-
*•- тво информации о секреторных свойствах клет-
ку Многие клетки и ткани, в зависимости от их
ктуры и функции, производят пептидные гор-
w чы. пищеварительные ферменты, антитела, бел-
сыворотки, факторы роста и другие секретор-
молекулы. Фибробласты секретируют такие
ж. мпоненты базальной мембраны, как коллаген,
юл'инин и фибронектин (глава 8).
Фактически, во всех клетках есть конститутив-
ная секреция. Белки постоянно перемещаются в
женных мембраной пузырьках от TGN к плаз-
жх'ической мембране, где они сливаются и высво-
бождают свое содержимое путем экзоцитоза в ок-
ружающую среду. Как известно, это постоянный
процесс, который (1) не требует внешних для клет-
ки сигналов и (2) не зависит от наличия кальция.
Регулируемая секреция
Потребность в кальции
В эндокринных и экзокринных клетках и нейро-
нах происходит регулируемая секреция. В этих
клетках секреторные белки накапливаются в тече-
ние нескольких часов или даже дней в крупных
гранулах (до 0,5 мкм в диаметре), которые скапли-
ваются под плазматической мембраной. Эти грану-
лы не сливаются с плазматической мембраной и не
88
Глава 4
высвобождают свое содержимое до тех пор, пока
клетка не будет активирована для экзоцитоза с по-
мощью внешних стимулов, гормональных или
нервных. Сигнальный стимул вызывает времен-
ный приток ионов кальция через плазматическую
мембрану, который увеличивает цитозольную кон-
центрацию Са2+ до 1 мкм. Это временное повыше-
ние концентрации Са2+ активирует другие внутри-
клеточные эффекторные молекулы, что приводит
к слиянию гранулярной и клеточной мембран
и высвобождению содержимого гранул во внекле-
точную среду. Таким образом, в отличие от консти-
тутивной секреции, регулируемая секреция требу-
ет обязательного присутствия ионов кальции.
Безусловно, связывание внеклеточного кальция
снижает стимулированную секрецию эндокринных
клеток и нейронов.
Секреторные гранулы с плотным ядром
Накопление грузовых белков в пузырьке начина-
ется в TGN и завершается в незрелых секреторных
гранулах (рис. 4-3). Концентрация белков в секре-
торных гранулах возрастает примерно в 200 раз по
сравнению с их концентрацией в полости ЭР. Обра-
зующиеся при этом крупные секреторные гранулы
часто называют секреторными гранулами с плот-
ным ядром, что отражает их морфологические осо-
бенности, определяемые под электронным микро-
скопом. Они содержат высококонцентрированньш
белок, который формирует полукристаллические
электроннонепроницаемые структуры, видимые
в электронном микроскопе.
Клетки с регулируемой секрецией имеют также
конститутивную секрецию, например, островки
Р-клеток, секретирующих инсулин, гипофизарные
соматомаммотрофы, продуцирующие гормон роста
экзокринные клетки поджелудочной железы, выраба-
тывающие пищеварительные ферменты. Это означай
что в эндокринных клетках должен существовать ме-
ханизм разделения белков, предназначенных для ре-
гулируемой секреции, и белков для конститутивное
секреции. Природа этих сигналов до сих пор неясна
и механизм сортировки белков в соответствующие
пузырьки продолжает интенсивно изучаться.
Функции многих компонент везикулярной
транспорта одинаковы у разных клеток — от дрож
жевых, имеющих только конститутивную секрецию ।
до клеток млекопитающих, имеющих регулируемую
секрецию, например, у нейронов. По-видимому, для
регулируемой секреции требуются лишь небольши-
изменения секреторного аппарата, обеспечивающие
накопление секреторных гранул с плотным ядром
Однако природа компонентов, определяющих регу-
лируемую секрецию в клетках, остается неизвестное
(рис. 4-4).
Рис. 4-3. Секреторные гранулы. Тучная клетка содержит многочисленные секреторные гранулы, содержащие ваз<
активные вещества, такие как гистамин и серотонин. Электронная микрофотография тучной клетки крысы чет к
демонстрирует крупные гранулы с плотным ядром (GR) (N — ядро; G — комплекс Гольджи; стрелка — митохонд-
рия.) х 16 086. (Воспроизведено из: Berman L Color Atlas of Basic Histology, Appleton & Lange, 1993, p.27 с разреш-
ния Dr. Jacques Padawer.)
3рганеллы и везикулярный транспорт
89
т\лируемая
Греция -
< гнсти-
’.’/вная I
: Греция
Эндоцитоз Возвращение рецептора
t
ШМЖ Поздняя эндосома
Секреторная
гранула
Транс-
полюс КГ
чЛ Цис- полюс КГ
Лизосома
X /j/mprs
G>P
Рис. 4-4. Конститутивная и регулируемая секреция. Ней-
: .-апокринная клетка может использовать как констнту-
-> г .чую, или нерегулируемую, секрецию белков, благодаря
l рой белки постоянно транспортируются к плазмати-
«r-жой мембране в секреторных пузырьках, так и регули-
:« -мую секрецию пептидных гормонов или нейропепти-
э В последнем случае полипептиды накапливаются
ш- :ри клетки в секреторных гранулах с плотным ядром,
: • на длительный срок. В этой модели все полипенти-
.двигаются от эндоплазматического ретикулума (ЭР)
к *3 Выход из TGN в процессе конститутивной и регу-
смой секреции различается, так как окончательная
>вка белка происходит или в конститутивные пу-
а* кп, или в секреторные гранулы. Обратите внимание,
<- мембрана и рецепторы возвращаются путем эндоци-
-тMPRs — рецепторы маннозо-6-фосфата. (Воспроиз-
r.i’-.чо с изменениями с разрешения из: Ganong WF.
1гcw of Medical Physiology, 17th ed. Appleton & Lange,
2?.' p. 20.)
Секреция по умолчанию
Связь с клиникой: муковисцидоз
Комплементарные дезоксирибонуклиновые ки-
ст ты (кДНК), кодирующие копию природных
« м . гантных секреторных или мембранных белков,
/.рядись в тканевую культуру клеток млекопи-
::;их. В результате этого исследования было по-
д-н). что при отсутствии топогенного сигнала,
: авляющего белок к особому месту назначения
т-'тке, секреция происходит по основному механиз-
J ) аналогии с программированием это явление
ыли секрецией по умолчанию. При добавлении
белку с использованием методик рекомбинантной
ДНК, химерный белок сортируется по определен-
ным органеллам. Например, если к С-концу белка
добавить сигнал задержки в ЭР (KDEL; см. главу 3),
этот белок, скорее всего, будет накапливаться в ЭР.
а не секретироваться.
Результаты экспериментов, проведенных в сере-
дине 80-х годов, показали, что растворимые белки
могут секретироваться единым грузовым потоком
в соответствии с их концентрацией в полости ЭР.
Предполагается, что в отсутствие направляющей
или задерживающей последовательностей, назы-
ваемых топогенными доменами, белки секретиру-
ются очень быстро. Вполне вероятно, что это еще
не совсем полная модель. Известно, например, что
все белки подвергаются качественной проверке
в полости ЭР для определения:
1) правильно ли уложен белок;
2) правильно ли сформированы дисульфидные
мостики;
3) являются ли полипептиды частью олигомер-
ного белка (например, рецептор Т-клетки, со-
стоящий из семи субъединиц);
4) сформированы ли все взаимодействия между
субъединицами, необходимые для стабилиза-
ции белка.
Процессы сворачивания и сборки белковых мо-
лекул в полости ЭР контролируются большим чис-
лом шаперонов. При нарушении этих процессов
дефектный белок подвергается ферментативному
расщеплению.
Муковисцидоз развивается в результате заме-
ны одной аминокислоты в молекуле муковисци-
дозного регулятора трансмембранного переноса
(CTFR), приводящей к тому, что неправильно
свернутые полипептиды накапливаются в ЭР. а не
транспортируются к цитоплазматической мембране.
Эти неправильно свернутые полипептиды разру-
шаются в ЭР.
Все секретируемые белки взаимодействуют с ша-
перонами и их концентрация внутри пузырьков
возрастает примерно в 5 раз. Это свидетельствует
о том, что механизм направленного транспорта бо-
лее важен для переноса белка, чем неизбиратель-
ный грузовой поток. Однако детали этого механизма
еще мало изучены. Рис. 4-4 демонстрирует некото-
рые основные процессы, происходящие при пере-
носе и сортировке белков в комплексе Гольджи.
Транспорт веществ в клетку — эндоцитоз — то-
же является сложным процессом, для которого,
как и для процесса секреции, существуют разные
варианты клеточного контроля.
л-нного сигнала к нормально секретируемому
90
Глава 4
Молекулярные механизмы формирования и движения
пузырьков
Отпочкование пузырьков
В этом разделе мы обсудим процессы формирова-
ния, направленного транспорта и слияния пузырь-
ков. Благодаря этим механизмам состав мембраны
каждого внутриклеточного компартмента остается
постоянным после окончания процесса переноса ве-
ществ. Правильное направление пузырьков к опреде-
ленной мембране необходимо как для поддержания
жизнедеятельности отдельной клетки, так и для нор-
мального функционирования клеток в составе ткани.
Основным механизмом, с помощью которого
белки и липиды перемещаются в клетке, является
почкование пузырьков. Пузырьки формируются
из мембраны одной органеллы, называемой доно-
ром, и затем перемещаются к другой органелле, на-
зываемой акцептором. Это приводит к слиянию
донорной и акцепторной мембран и высвобожде-
нию содержимого пузырька в полость акцептирую-
щего компартмента. В результате этого процесса
происходит перестройка клеточных компартмен-
тов и поверхности клетки, а также сохранение или
разрушение межклеточных контактов.
Можно предположить, что содержимое и компо-
ненты донорного компартмента в конце концов ис-
чезли бы в процесс обмена, и размеры донорного
компартмента уменьшились, а размеры акцептора,
соответственно, увеличились. Если бы это было
так, ЭР исчез бы, а комплекс Гольджи значительно
увеличился. Такого не происходит, поскольку в клет-
ках существуют гомеостатические механизмы,
которые регулируют и поддерживают состав мем-
браны каждой органеллы. Это достигается, в част-
ности, с помощью механизма возвращения
мембран (рис. 4-4).
Таким образом, при слиянии транспортных
пузырьков ЭР с акцепторными мембранами CGN
определенные рецепторные белки и липиды возвра-
щаются из КГ обратно в ЭР. Этот процесс назывется
ретроградным транспортом. В противоположность
ему, при антероградном транспорте растворимые
грузовые белки продолжают перемещаться по секре-
торному пути. Раздельный транспорт антероградных
грузовых белков и ретроградно транспортируемых
компонентов обеспечивается, по крайней мере,
двумя классами белков со специфической белковой
каймой, которые связываются с транспортными пу-
зырьками. Эти белковые комплексы называются
коатомерами или COPs (рис. 4-5).
СОР-1
Изучая перенос мембранных гликопротеинов
через комплекс Гольджи в бесклеточной системе.
Ротман и сотрудники выявили локализацию цито-
зольных белков, которые закрепляются на мембра-
не КГ и формируют протеиновую кайму. Эти белки
образуют комплекс из восьми субъединиц и обозна-
чаются как коатомер или СОР-1. В коатомерном
комплексе есть небольшой GTP-связывающий бе-
лок, называемый также фактором рибозилирования
аденозиндифосфата (ADP ribosylation factor, ARF)
Генетическое исследование дрожжевых клеток под-
твердило, что мутации, инактивирующие субъеди-
ницы коатомеров или изоформы ARF, блокируют
также внутриклеточный везикулярный транспорт
и секрецию. Таким образом была установлена роль
пузырьков СОР-1 в процессе внутриклеточного
транспорта. Дополнительные доказательства были
получены, когда в клетки млекопитающих вводили
антитела, направленные против одной из субъеди-
ниц коатомера, 0-СОР, что подавляло транспорт от
ЭР к комплексу Гольджи.
При генетическом исследовании дрожжевых
клеток было также показано, что СОР-1, скорее
всего, участвует в обратном транспорте мембран-
ных компонентов из комплекса Гольджи к ЭР.
а не в антероградном транспорте (рис. 4-6).
СОР-11
Второй белок каймы, состоящий из пяти субъеди-
ниц, был биохимически и генетически охарактеризо-
ван в дрожжевых клетках. Этот белковый комплекс,
называемый СОР-П, участвует в антероградном
транспорте и опосредует перенос пузырьков от ЭР
к комплексу Гольджи. В клетках млекопитающих
были обнаружены эквивалентные субъединицы
СОР-П, которые перекрестно связываются с анти-
телами, полученными против дрожжевых белков.
В соответствии с их предполагаемой ролью в антеро-
градном везикулярном транспорте, эти белки кон-
центрируются в промежуточных элементах ЭР аци-
нарных клеток поджелудочной железы и 0-клеток
островков Лангерганса. Промежуточные элементы,
впервые описанные Palade (1975), происходят из
свободных рибосом ЭР и содержат транспортные
белки, направляющиеся в комплекс Гольджи.
О о ганеллы и везикулярный транспорт
91
I-SNARE
/ V у
t
*р!' NSF
-4 OF -
частица
слияния
АТР
NEM, ►
Слияние
Акцепторная мембрана
(например комплекс Гольджи)
Fwc. 4-5. Антероградный и ретроградный транспорт. В антероградном транспорте белков из эндоплазматического ре-
... лума (ЭР) к комплексу Гольджи участвуют транспортные пузырьки и коатомеры. На сегодняшний день извест-
« :ва типа коатомеров: участвующие в антероградном везикулярном транспорте (СОР-П), и опосредующие ретро-
—илный транспорт от КГ к ЭР (см. выше) (СОР-1). Кайма пузырьков СОР-1 и СОР-П морфологически одинакова,
различается по биохимическому составу. Отпочковывающиеся от ЭР пузырьки связываются с коатомерами
t - ре носятся в комплекс Гольджи. Отделение коатомера от донорного пузырька необходимо для слияния пузырька
г кпепторной, или целевой, мембраной и высвобождения переносимого белка. (Воспроизведено из: Rothman JE.
nanisms of intracellular protein transport. Nature 1994:372:55 с разрешения E Degen.)
Fwc. 4-6. Формирование окаймленных пузырьков. Окаймленная ямка (А) сворачивается постепенно внутрь, форми-
- окаймленный пузырек, который отделяется на 4 этапе. Как показано в рамке, белки каймы клатрин и адапторный
с-ми леке АР-2 находятся на противоположной от рецептора стороне мембраны. В момент высвобождения пузырька
4г.-. к и каймы находятся в решетчатой структуре на наружной поверхности пузырька (Б), а связанный лиганд перено-
гиг' я в комплексе лиганд-рецептор на внутренней поверхности пузырька. (Воспроизведено с изменениями с разре-
ле-.-ия из: Cormack, DH. Essential Histology. JB Lippincott, 1993, p. 71.)
92
Глава -
Рециркуляция пузырьков
На основании биохимических характеристик,
касающихся СОР-1, СОР-П и их взаимодействий
с мембранами, была сформулирована простая мо-
дель поведения СОР в процессе везикулярного
транспорта. Считается, что основные грузовые бел-
ки, растворенные или связанные с мембраной,
транспортируются в антероградном направлении
с помощью пузырьков, окаймленных СОР-IL С дру-
гой стороны, предполагается, что некоторые белки
и липиды возвращаются из z^wc-Гольджи к ЭР.
Среди этих ретроградно-транспортируемых белков
есть рецепторные молекулы, ответственные за свя-
зывание растворимых белков ЭР.
Молекулярные переключатели
В клетке есть несколько видов молекул, играю-
щих главную роль в активации каскада биохимиче-
ских реакций. Они называются молекулярными
переключателями. Биохимически переключатель
представляет собой гидролитический фермент, от-
щепляющий терминальный фосфат от гуанин- или
аденозинтрифосфата (GTP или АТР). В основном,
переключатели работают с гуаниновыми нуклеоти-
дами. В выключенном состоянии связанный нук-
леотид находится в форме дифосфата (GDP).
При замене GDP на GTP (с помощью другого бел-
ка), конформация белка-переключателя изменяет-
ся, он связывается с молекулой-мишенью и акти-
вирует ее. Вскоре после того как молекула во
включенном состоянии активирует свою мишень,
гидролитическая часть белка отщепляет терми-
нальный фосфат от связанного нуклеотидтри-
фосфата, и белок возвращается в GDP-связанное
состояние, то есть выключается. В дальнейшем мы
обсудим некоторые разновидности этого механизма.
ARF — это белок с молекулярной массой прибли-
зительно 20 кДа, миристолированный на N-конце.
Присутствие миристинового жирнокислотного ос-
татка усиливает взаимодействие ARF с мембраной.
При замене GTP на гуанозиндифосфат (GDP), ком-
плекс GTP-ARF связывается с мембранами. Это
происходит благодаря конформационным измене-
ниям, которые приводят к связыванию N-концевого
домена с мембраной-мишенью путем его внедрения
в липидный бислой мембраны. Активированная
форма ARF, или его дрожжевого эквивалента Sarlp,
затем присоединяет СОР-1 или СОР-П к мембране.
В отличие от мембраносвязанного ARF-GTP,
комплекс ARF-GDP находится в цитозоле и не мо-
жет присоединять СОР к мембранам. Была выдви-
нута гипотеза о том, что ARF-GTP облегчает присое-
динение везикулярной каймы и что при гидролизе
GTP, ARF-GDP отделяется от мембраны, привод г.
к разборке окаймляющего комплекса.
Не совсем понятно, каким образом ARF присое-
диняет СОР-1 к мембранам. Раньше считалось, чт
ARF присутствует в стехиометрических количес:
вах с коатомером. Однако сейчас предполагается
что ARF может активировать присутствующие
в комплексе Гольджи фермент, который модифи-
цирует липиды — фосфолипазу D. Следователь^
присоединять коатомерные субъединицы к мембр^.
не аппарата Гольджи может продукт фосфолипазы
D, фосфатидная кислота, а не ARF. Необходим
дальнейшее исследование роли ARF в процесс-
присоединения каймы.
SNAREs и направление пузырьков
Результаты экспериментов in vitro показали, чт
окаймленные коатомерами пузырьки не мог.:
слиться с мембраной акцептора, до тех пор пок.
белковая кайма не будет удалена. Неокаймленны-
транспортные пузырьки могут сливаться с мише-
нями, но для этого в цитозоле должен присутсты
вать N-этилмалеимид-чувствительный факте ;
(NSF), названный так вследствие чувствительн<
сти к сульфогидрильному алкилирующему реаген-
ту. N-этилмалеимиду, вызывающему его инактива-
цию (рис. 4-5). В дрожжевых клетках существуя
эквивалент NSF : продукт гена лес 18. При мутации
в белке Sec 18 секреция нарушается, так как тран.
портные пузырьки, отпочкованные от ЭР, наказ
ливаются в высоких концентрациях, но не мог;. -
слиться с акцепторной мембраной Гольджи.
Межвидовая консервативность: NSF
NSF — это тример. содержащий три идентичны-
субъединицы массой 76 кДа и присоединяющие
растворимые белки SNAPs (soluble NSF attachmer ’
proteins), которые опосредуют связывание с mcv-
бранами комплекса Гольджи. Комплекс NSF-SNAH
связывается с мембранами с помощью мембранно:
рецептора, называемого ЛОВУШКОЙ (SNARE)
Первые ловушки, выявленные у млекопитаг
щих, — это синатобревин и синтаксин, два крупне е
мембранных белка нейрональных синаптических
пузырьков. Примечательно, что функциональны^
гомологи синатобревина, синтаксина и третье:
растворимого мембранного белка синаптических
пузырьков — SNАР-25 — также обнаружены у дро>
жей. Мутация любого из этих трех белков ингиби-
рует заключительные этапы секреции в дрожжевых
клетках. Теперь понятно, что одни и те же кона:
вативные молекулы или семейства родствен нт. >.
полипептидов участвуют (1) в процессе секреции
Зэганеллы и везикулярный транспорт
93
млекопитающих, (2) в процессе высвобождения
’• -лротрансмиттеров из синаптических пузырьков
- (3) в процессе секреции у дрожжевых клеток
: ис. 4-5).
Пузырьки, покрытые клатрином
Интересно, что механизм образования окайм-
г-нных пузырьков изначально формировался не
z' A секреции, а для эндоцитоза. Известно, что по-
- * щение лиганд-рецепторных комплексов с по-
jr . хности плазматической мембраны происходит
I. 'г м образования окаймленных ямок, которые за-
превращаются в окаймленные пузырьки
щш. 4-6). Эти специфические белковые комплек-
са троятся из белка клатрина. Клатрин формиру-
ем кирзиноподобную клетку, в которую втягивает-
ся мембранный бислой. Инвагинация мембраны
пл.же концентрирует вещества, расположенные на
it - рхностных липидах и белках. В случае плазма-
га - ской мембраны внеклеточные вещества связы-
вал гея с поверхностью формирующегося пузырь-
ши. Вещества из полости комплекса Гольджи,
жг-'прот, втягиваются в пузырек, формируемый
«и внутриклеточной мембране.
Пузырьки, покрытые клатрином, участвуют
* движении веществ от плазматической мембраны
• -досомам и от комплекса Гольджи к плазмати-
•. :и мембране.
Компоненты клатриновой оболочки
атрин представляет собой гексамер, состоя-
из трех крупных и трех менее крупных поли-
типов. При использовании оттеняющей мето-
l* и. электронной микроскопии было показано,
♦та гексамерная структура, названная триске-
>ном, образует клеткоподобную структуру, ко-
соединяется с пятью или шестью другими
агриновыми единицами.
/ груктура может иметь и пентагональную, и гек-
: юльную конфигурацию. Неясно, что иниции-
-- образование клатриновой корзины. Электрон-
•н -жроскопический анализ плазматической
м 'паны клеток, в которых идет процесс эндоци-
позволил выявить участки мембранного утол-
--.ю: там, где клатрин образует клеткоподобную
: -.туру. Инвагинация мембраны в клетку фор-
- т мембранную ямку. Продолжающееся груп-
/липе молекул клатрина заканчивается отще-
г м от плазматической мембраны полностью
vденного пузырька.
Х-i л только пузырек отщепляется, клатриновая
.,ща незамедлительно разрушается, расходуя при
снергию АТР. Было показано, что связывание
с Са2+ также играет роль в процессе разрушения.
При формировании более крупных инвагинаций
мембраны, как в случае фагоцитоза, формируются
клатриновые участки, не покрывающие эндоцити-
руемую структуру. Значение этих участков точно
не известно. Покрытые клатрином пузырьки обра-
зуются также из транс-сети Гольджи, откуда они
транспортируют секретируемые белки к плазмати-
ческой мембране, а затем во внеклеточное про-
странство (рис. 4-6).
Адаптины
Цитоплазматическая часть трансмембранного
белка часто несет последовательности, иниции-
рующие биомолекулярные каскады в цитоплазме
(глава 9). При связывании лиганда с рецептором
обнажается сигнальный домен интернализации,
который маркирует удаление лиганд-рецепторного
комплекса с клеточной поверхности. В этом случае
белковый комплекс, называемый адаптином и рас-
положенный сразу за мембраной, узнает сигналь-
ный домен и запускает процесс интернализации,
активируя формирование клатриновой каймы.
Найдено множество адаптинов и считается, что
они помогают выявлять специфичность транспор-
та для ряда рецепторов.
Направление движения пузырьков
Вновь сформированные пузырьки могут слиться
с различными мембранами. Для обеспечения пра-
вильного направления каждый пузырек снабжен
специальной рецепторной молекулой, называемой
ЛОВУШКА-п (для пузырька). Акцепторная, или
целевая, мембрана также обладает рецептором,
связывающимся с ЛОВУШКОЙ-п, и он называет-
ся ЛОВУШКА-ц (для целевой мембраны). Ловуш-
ки обеспечивают правильную доставку пузырьков,
отпочкованных от донорной мембраны (рис. 4-5).
Формирование комплекса слияния
Для слияния двух мембран (то есть мембраны
пузырька и целевой мембраны) требуется специаль-
ный белок слияния (фузионный белок). Этот белок
дестабилизирует гидрофильные силы в месте взаи-
модействия двух мембран. Когда две мембранные
поверхности приближаются друг к другу, гидро-
фобный домен белка слияния направляет молеку-
лы воды в разные стороны, и наружные липидные
слои сливаются друг с другом. То же происходит
при слиянии внутренних слоев.
Несмотря на то, что фузионный белок млекопи-
тающих идентифицирован, точные физико-хими-
ческие детали слияния двух мембран в клетках
млекопитающих не установлены.
94
Глава 4
СТРазы: стыковка и слияние
В клетках существует два типа СТРаз, и оба типа
участвуют в контролировании процессов молекуляр-
ной сигнализации. К первому типу относятся три-
меры, белки имеющие три субъединицы (а, 0 и у).
Мономеры, сотоящие из одного полипептида, со-
ставляют второй тип СТРаз.
G-белки
Тримерные СТРазы — это крупное семейство
белков, называемых обычно G-белками. Они уча-
ствуют в переносе сигналов с наружной стороны
клетки внутрь. Каждая тримерная субъединица
участвует в переносе различных сигналов к целе-
вым молекулам в клетке. Более подробно семейст-
во G-белков обсуждается в главе 9.
Мономерные СТРазы
Вторым крупным классом СТРаз являются мо-
номеры. На сегодняшний день выявлено пять под-
семейств, они перечислены в таблице 4-3. Каждое
подсемейство СТРаз включает множество белков,
наиболее значимые из них — Ran и ARF; эти моле-
кулы найдены на различных субклеточных уров-
нях. Мономерные СТРазы также функционируют
как молекулярные переключатели; их конформа-
ция изменяется в зависимости от того, находятся
ли они в GTP- или GDP-связанном состоянии.
Как часть переключателя функционируют также
два вспомогательных белка: GTP-активирующий
белок и GTP-высвобождающий белок.
Rab-белки
Rab-белки участвуют в везикулярном транспор-
те следующим образом. Пузырек, сформирован-
ный на мембране донора, содержит ЛОВУШКУ-п
и молекулу Rab в GTP-связанной конфигурации.
Когда пузырек состыковывается с соответствую-
щей ЛОВУШКОЙ-ц, Rab-GTP гидролизуется.
Оказалось, что этот процесс инициирует слияние
пузырька с мембраной акцептора. Rab в GDP-свя-
занной конфигурации отщепляется от мембраны
и возвращается к мембране донора, где GTP-акти-
вирующий белок восстанавливает Rab, катализи-
руя связывание с GTP. Это приводит к тому, что
Rab связывается с липидной частью мембраны
и участвует в новом направляющем процессе. Инте-
ресно, что для каждой внутриклеточной мембраны
существуют специфические Rab-белки, которые
обеспечивают определенное направление пузырьков.
Таблица 4-3. Мономерные СТРазы
ЭТРаза Функция
Ras Участвует в росте и дифференцировке
Rho Связан с активностью интегрина и форми- рованием актинового цитоскелета
Rab Участвует в транспорте пузырьков в клетке
ARF Связан с формированием пузырьков
Ran Участвует в транспорте белков ядра
Везикулярный транспорт:
заключение
Для того чтобы подчеркнуть важность понима-
ния некоторых деталей процесса секреции, мы
представили основные экспериментальные мето-
дики и имена исследователей, использующих их
для изучения везикулярного транспорта. Эти про-
цессы необходимы для функционирования клетки
и вовлечены в различные аспекты жизнедеятель-
ности организма. От движения пузырьков зависят
в частности такие процессы, как проведение элек-
трического импульса по нервным клеткам, секре-
ция гормонов, производство компонентов крови,
клеточный иммунитет, развитие эмбриона и фор-
мирование органов, внутриклеточный обмен ве-
ществ. Важно, чтобы студенты смогли понять ос-
новные молекулярные механизмы везикулярного
транспорта и оценить огромное число молекул,
участвующих в этом процессе.
Органеллы и везикулярный транспорт
95
Комплекс Гольджи
Комплекс (или аппарат) Гольджи состоит из на-
6 -ра расширенных по краям уплощенных цистерн,
сложенных в стопку. Цистерны также связаны
с множеством маленьких пузырьков с помощью
сети трубочек, отходящих в стороны от стопки.
Комплекс Гольджи расположен рядом с ЭР.
Комплекс Гольджи присутствует и выполняет
ряд важных функций во всех клетках, однако его
строение зависит от типа клеток. Например, в сек-
реторных клетках, таких как гепатоциты или клетки
с* джелудочной железы, комплекс Гольджи имеет
множество слоев, известных как плоские цистерны
ли мешочки. В фибробластах, напротив, комплекс
Г ль лжи состоит всего из нескольких мешочков.
Проходящие через комплекс Гольджи молекулы
к- двергаются биохимической обработке, большую
члсть которой составляет прикрепление углевод-
вых комплексов к белкам и липидам. Комплекс
Г дьджи иногда называют углеводной фабрикой
.тетки (рис. 4-7).
Полярность комплекса Гольджи
Цис-, промежуточные и транс-стопки
Г ольджи
Морфологическая и функциональная поляр-
В»<ть комплекса Гольджи находит свое отражение
> Терминологии: сторона мембраны, с которой сли-
ваются пузырьки, называется цис-полюсом, а сто-
рона, от которой пузырьки отпочковываются,
называется транс-полюсом.
Стопка Гольджи, расположенная ближе к ЭР,
называется цнс-сетью Гольджи; стопки мембран,
расположенных где-то в середине, называются про-
межуточной сетью Гольджи; наиболее удаленная
от ЭР стопка называется транс-сетью Гольджи.
Отдельная уплощенная мембрана называется
цистерной; каждая такая цистерна имеет цис-
и транс-поверхности. На концах стопки находятся
группы трубчатых структур, которые могут быть
либо связаны, либо не связаны с цистернами.
Пузырьки и трубчатые структуры составляют сеть
Гольджи, цис — ближе к ЭР и транс — дистальнее
от ЭР.
Гликопротеины проходят один за другим все от-
делы, в которых идут последовательные серии био-
химических реакций. Вновь синтезированные мем-
бранные и секреторные белки, а также мембранные
липиды, гликозилированные в ЭР, попадают в ком-
плекс Гольджи через цнс-полюс. Они перемещают-
ся через стопки Гольджи и покидают комплекс
через транс-полюс, где пузырьки и трубочки обра-
зуют транс-сеть Гольджи.
При прохождении белков или липидов через стоп-
ки Гольджи, они претерпевают серию посггрансля-
ционных модификаций, включающих измене-
ние N-связаниых олигосахаридов. При прохождении
Цис-элемент
Мешочки промежуточного
компартмента
Мешочки и трубочки
транс-компартмента
^оанс-сеть Гольджи
►с. 4-7. Трехмерная модель комплекса Гольджи, составленная при изучении нескольких электронных микрофото-
Гса 5ий эпителиальной клетки крысы. Показаны различные отделы и структуры стопки Гольджи. Модель показывает
Виимное расположение цис-, промежуточных и транс-отделов Гольджи. V — пузырьки. (Адаптировано из Rambourg
I .emont (1990). Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Mellman I, Simons К. The Goldgi complex:
t . чго veritas? Cell 1992;68:832.)
96
Глава 4
белка через стопки Гольджи, эти модификации
происходят последовательно:
• цис-Гольджи: длинные маннозные цепи подрав-
ниваются до М-5 с помощью маннозидазы I;
• промежуточный Гольджи: N-ацетилглюкоза-
мин переносится с помощью N-ацетилглюко-
заминтрансферазы I;
• транс-Гольджи: добавляются концевые сахара
(остатки галактозы) и сиаловая кислота.
Биохимические процессы
в комплексе Гольджи
Ниже перечислены биохимические процессы,
протекающие в комплексе Гольджи. Прекращение
или нарушение этих важных процессов приводит к
клиническим последствиям.
А. Гликозилирование белков и липидов.
В этом участвуют гликозидазы, группа ферментов,
удаляющих остатки сахаров, и гликозилтрансфе-
разы, прикрепляющие сахара обратно на главную
углеводную цепь.
Б. Гликозилирование и сборка протеогли-
канов в комплексе Гольджи. Большинство са-
харов, добавляемых к белковой сердцевине протео-
гликана, сульфатируются. Этот ферментативный
процесс также происходит в комплексе Гольджи.
В. Добавление маннозо-6-фосфата
(М-6-Ф). М-6-Ф добавляется как направляющий
сигнал к ферментам, предназначенным для лизо-
сом.
Г. Сортировка для транспорта. Сортировка
веществ для дальнейшего транспорта к органел-
лам, плазматической мембране, эндосомам, секре-
торным пузырькам происходит в транс-комплексе
Гольджи (рис. 4-4).
Процессы гликозилирования
в комплексе Гольджи
Напомним, что комплекс Гольджи является
«углеводной фабрикой» клетки. В ЭР долихолфос-
фат добавляет большой углеводный комплекс
2-С1сНАс-9-манноз-3-глюкозы к соответствующему
остатку аспарагина на растущей полипептидной
цепи. Как только комплекс завершен, начинается
пошаговое подравнивание углеводов (см. рис. 3-16).
Терминальная глюкоза отщепляется в два этапа.
Сначала терминальный остаток глюкозы отщепля-
ется с помощью глюкозидазы-1, после чего глюко-
зидаза-11 удаляет еще два остатка глюкозы. Затем
отщепляется одна манноза. На этом начальный
этап процессинга углеводов в ЭР завершается,
и белки, несущие олигосахаридный комплекс, по-
ступают в комплекс Гольджи.
В первых цистернах Гольджи от стержневого
комплекса удаляются еще три остатка маннозы.
На этой стадии стержневой комплекс имеет пять
маннозных остатков. N-ацетилглюкозаминтрансфе-
раза I добавляет один остаток N-ацетилглюкозами-
на (GIcNAc). От образовавшегося комплекса отще-
пляются еще три остатка маннозы. Этот комплекс,
состоящий теперь из двух молекул GlcNAc-3-ман-
нозо-1-GlcNAc, является стержневой структурой,
к которой с помощью специализированных гли-
козилтрансфераз добавляются другие углеводы.
Каждая гликозилтрансфераза распознает разви-
вающуюся углеводную структуру и добавляет к це-
пи свой собственный сахарид.
Сборка сложных остатков сахаров на белках
и липидах существенно отличается от сборки остат-
ков ДНК, РНК и белка. В этом случае углеводный
комплекс, сформированный на каждом этапе, слу-
жит местом связывания для следующего гликози-
лирующего фермента, который помещает свой суб-
страт на структуру полисахарида. Таким образом,
образец формируется в процессе биосинтеза. ДНК.
РНК и белки пользуются заранее заготовленными
образцами для определения их последовательности.
В состав протеогликанов входят сложные саха-
ра, прикрепленные к стержневому полипептиду
путем ОН-связывания серина или треонина с кси-
лозным углеводным остатком. Многие стержневые
пептиды протеогликанов содержат повторяющиеся
последовательности остатков серина или треонина,
к которым прикрепляются углеводные остатки
Углеводы выступают из стержневого белка, как
щетинки щетки.
Направленный транспорт веществ
из комплекса Гольджи
Комплекс Гольджи - это основная органелл^,
клетки, где осуществляется биохимическая модифи-
кация веществ. Поэтому все белки, липиды и мем-
бранные компоненты, направляющиеся к лизосомам
пероксисомам, плазматической мембране или секре-
торным пузырькам, должны проходить через это:
комплекс. Когда белки, предназначенные для ра.
личных органелл, достигают транс-сети Гольджи, i ।
нее отпочковываются специализированные пузырь
ки, переносящие свое содержимое к необходимы v
органеллам с помощью белков SNAP (см. выше ।
Интересно, что некоторые пузырьки транспортир;
ются к месту назначения по таким компонентам ш-
тоскелета, как микротрубочки, которые использун ।
ся как направляющие рельсы (глава 7).
Органеллы и везикулярный транспорт
97
Лизосома
Структура и функция
Лизосомы (рис. 4-8) — главные пищеваритель-
ные органеллы клетки. Они участвуют в разрушении
комплексов лиганд-рецептор, в метаболизме холе-
терола с помощью рецепторов к ЛНП и в кругово-
роте органелл. В них содержится большое число
иецифических ферментов (гидролаз), участвую-
щих в разрушении белков, липидов, углеводов
: нуклеиновых кислот. Мембрана этих органелл
представляет собой единичный бислой и обладает
. никальными свойствами, которые обсуждаются
иже. Одна из отличительных особенностей лизо-
>м - низкий pH. Это свойство обеспечивается
чимбраносвязанной ATP-зависимой протонной
)мпой, которая обменивает Ха’ на Н+. Для того
<обы ферменты, находящиеся в лизосоме, выпол-
зли свои гидролитические функции, необходима
• л с лая среда. Оптимум pH для большинства этих
,пролаз — около 5, поэтому их активность совер-
шенно ограничена при повреждении лизосом и вы-
к де ферментов в цитозоль, где pH составляет
' 2—7,3. Таким образом, наличие специализирова-
- : о компартмента для пищеварения веществ обес-
чивает оптимальные гидролитические условия.
\минокислоты, полученные при гидролизе белка,
пользуются в процессах биосинтеза, как и дру-
ли вещества, например, нуклеотиды (таблица 4-4).
Таблица 4-4. Некоторые лизосомные ферменты и
субстраты
Фермент Субстрат J
-г б онуклеаза ! РНК j
з о кс ири бонуклеаза ДНК
Сссфатаза Органические эфиры фос- форной кислоты
' -.^озидазы Сложные углеводы; гликози- ды и полисахариды
ас .'лсульфатазы Органические эфиры серной кислоты
<: лпагеназа Белки
< з’е псины Белки
бсспроизведено с разрешения из: Ganong WF. Review
л Medical Physiology, 17th ed. Appleton & Lange, 1995, p. 7.
Уникальность лизосомных мембран
Несмотря на то, что в полости лизосмы происхо-
переваривание белков, мембрана самой лизосо-
v : не разрушается. Эта устойчивость к гидролити-
- кому расщеплению стала предметом детальных
Рис. 4-8. Лизосомы. На электронной микрофотографии
макрофага видны многочисленные первичные лизосомы.
Характерные особенности лизосом — это гомогенное со-
держимое и четко определяемая граница мембран ы.
Функционально каждая лизосома представляет собой
органеллу, заполненную гидролитическими фермента-
ми. х 45 000. (Воспроизведено с изменениями с разреше-
ния авторов из Junqueira LC et al: Basic Histology, 8th ed.
Appleton & Lange, 1995, p. 37.)
исследований молекул, входящих в состав мембра-
ны. Используя различные методики (лизосомная
изоляция, мембранная изоляция, антитела к различ-
ным компонентам), исследователи показали, что сре-
ди множества мембранных компонентов (размер
которых колеблется от 20 до более чем 150 кДа) пре-
обладают две группы белков размером 100-120 кДа.
Эти белки были названы Igp А и Igp В.
Изучение структуры и строения этих белков по-
казало, что они являются монотонными интеграль-
ными белками, причем большая часть их структу-
ры направлена в полость. Более того, они сильно
гликозилированы. Гликозилирование само по себе
не является защитным свойством, однако показа-
но, что при возрастании степени гликозилирова-
ния разрушение белка уменьшается. Таким обра-
зом, оказалось, что большинство мембранных
белков, участвующих в функционировании лизо-
сом (транспорте недавно переваренных молекул
из лизосомы), сильно гликозилированы.
98
Глава 4
Белки лизосомных мембран синтезируются
в ЭР и транспортируются в комплекс Гольджи для
гликозилирования (рис. 4-9). Эти белки также
должны быть нацелены на лизосому, но еще неяс-
но, как это происходит. У них нет особого лизосом-
ного направляющего сигнала (М-6-Ф, будет обсу-
ждаться ниже). Предполагается, что лизосомные
мембранные белки группируются в TGN и форми-
руют специфические транспортные пузырьки
(сортирующие эндосомы), которые сливаются
вместе и образуют лизосому.
Пути переноса веществ в лизосому
Перенос веществ в лизосому может быть услов-
но разделен на два типа.
Биосинтетический механизм включает достав
ку растворимых гидролитических ферментов и спе-
циализированных белков для лизосомных мембран
Вещества начинают свой путь в ЭР, проходят чере:
сеть Гольджи и выходят из транс-сети Гольджи
Особенности этого процесса обсуждаются ниже.
Эндоцитозный механизм связан с гидролити
ческой функцией лизосом и обеспечивает импорт
веществ для последующего переваривания. Суще-
ствует четыре разновидности эндоцитоза.
Бактериальный фагоцитоз
Рис. 4-9. Образование и функционирование лизосом. Белки лизосомальных мембран синтезируются на мембран*
шероховатого эндоплазматического ретикулума (ШЭПР), переносятся в его полость и гликозилируются в комплекс
Гольджи. Лизосомы участвуют во внутриклеточном переваривании фагоцитированных веществ (1~3), а также внут-
риклеточных веществ (4, 5), включая пептид-рецепторные комплексы. (Воспроизведено с изменениями с разрешен?. -
авторов из: Junqueira LC et al. Basic Histology, 8th ed. Appleton & Lange, 1995, p. 39.)
О р га н ел л ы и везикулярный транспорт
99
1. Образование эндоцитозных пузырьков,
включая покрытые клатрином ямки и пу-
зырьки, а также эндосомы, сформированные
без клатриновой оболочки. Это основной
способ импорта веществ в лизосомы.
2. Аутофагия включает поглощение и перевари-
вание других внутриклеточных органелл, на-
пример дисфункциональных митохондрий.
Как именно происходит такое поглощение, не-
ясно. Предполагается, что мембраны ЭР окру-
жают органеллу, предназначенную для пере-
варивания, и затем сливаются с лизосомой.
Эта структура до слияния с лизосомой назы-
вается аутофагосома.
3. Фагоцитоз — поглощение крупных частиц, та-
ких как бактерия или осколки других клеток
(рис. 4-10). Этот процесс похож на эндоцитоз,
однако в него вовлекаются большие внеклеточ-
ные частицы (см. ниже). Почти все клетки мо-
гут осуществлять фагоцитоз, но существует два
типа клеток, специально предназначенных для
этой цели, они называются профессиональны-
ми фагоцитами. Среди них наиболее известны
нейтрофилы, моноциты и макрофаги.
4 Некоторые цитозольные белки, несущие
лизосомный направляющий сигнал (KFERQ,
Lys-Phe-Glu-Arg-GIn), доставляются в лизо-
сому.
Одиссея лизосомных гидролаз
Если лизосома работает как основной разру-
шающий компартмент клетки, то в нее должны се-
лективно поставляться ферменты, необходимые
хля выполнения этого процесса.
Создание сигнального участка. Гидролазы,
цчдназначенные для лизосом, синтезируются в ЭР,
вместе с другими белками подвергаются N-гли-
l лидированию. Сворачивание белков также
происходит в ЭР. При этом гидролазные белки
сворачиваются с образованием сигнального участ-
ка. (Сигнальный участок — домен распознавания,
состоящий из нелинейной последовательности
аминокислот; он формируется в результате сбли-
жения необходимых аминокислот при укладке
полипептидной цепи). При переносе гидролазы
в комплекс Гольджи этот участок распознается
ферментом комплекса Гольджи, который модифи-
цирует N-связанный олигосахарид, создавая тем
самым специфический «лизосомный адрес».
Направление М-6-Ф-рецептора. Сигнальный
участок гидролазы связывается с локусом на
N-ацетилглюкозаминтрансферазе. Этот фермент
использует UDP-глюкозу как донор и переносит
фосфо-Ы-ацетилглюкозамин на концевой остаток
маннозы N-связанного олигосахарида. Второй фер-
мент, N-ацетилглюкозамингликозидаза, удаляет
N-ацетилглюкозамин, оставляя маннозо-6-фосфат
(М-6-Ф), необходимый для связывания со специ-
фическим белком, М-6-Ф-рецептором. Фосфо-
трансфераза и гликозидаза, участвующие в направ-
лении, локализованы в цис-мешочках комплекса
Гольджи.
Существует два типа М-6-Ф-рецепторов; оба —
интегральные мембранные белки, связывающие
участки которых обращены в полость, а карбок-
сильные концы выступают в цитозоль. При сравне-
нии аминокислотных последовательностей этих
двух рецепторов было показано, что они, скорее
всего, произошли от общего белка-предшественни-
ка. Рецепторы отличаются по размерам и по требо-
ваниям к связываемым гидролазам. Масса одно-
го М-6-Ф-рецептора 215 кДа, другого — только
46 кДа. Оба участвуют в процессах сортировки
в комплексе Гольджи, но только более крупный
рецептор может захватывать обратно секретируе-
мые гидролазы. Эти рецепторы накапливаются
в транс-сети Гольджи.
Фагоцитоз
Ftoc. 4-10. Дегрануляция в нейтрофиле. После того как нейтрофил фагоцитирует внеклеточную частицу, например
х-м.терию, фагосома, содержащая частицу, сливается с цитоплазматическими лизосомами. Разрушение частицы про-
м- \ )дит в фаголизосоме. При слиянии лизосом и фагосомы под микроскопом видна дегрануляция. (Воспроизведено
• шшрешения из: Stites DP et al. Basic & Clinical Immunology, 8th ed. Appleton & Lange, 1994, p. 15.)
100
Ранние и поздние эндосомы. Связывание доста-
точного количества гидролаз с рецепторами запус-
кает механизм формирования клатриновых структур
на цитозольной поверхности комплекса Гольджи,
что приводит к образованию пузырьков по описан-
ному выше механизму. Эти пузырьки транспорти-
руются к другому пузырьку, называемому поздней
эндосомой. Как будет подробно описано ниже,
процесс эндоцитоза начинается с образования ран-
ней эндосомы, содержащей вещества, полученные
из внеклеточной среды. Концентрация ионов и pH
в полости ранней эндосомы такая же, как и снаружи
клетки. В клетках млекопитающих величина pH
находится в диапазоне 7,3-7,4. В дальнейшем ран-
няя эндосома сливается с другими пузырьками,
расположенными в глубине клетки. В состав мем-
браны этих пузырьков входит ATP-зависимый про-
тонный насос вакуольного типа. pH этих пузырьков
приблизительно равен 6,0. После слияния ранних
эндосом с этими пузырьками они превращаются
в поздние эндосомы, и значение pH в них снижает-
ся приблизительно до 6. Пузырьки, переносящие
гидролазы, также сливаются с поздней эндосомой,
где при пониженном pH гидролазы отделяются от
М-6-Ф-рецепторов и начинают переваривать содер-
жимое эндосомы.
В то же время гидролазы выходят из поздней эн-
досомы; на поверхности эндосомы образуются до-
полнительные пузырьки, а свободные М-6-Ф-ре-
цепторы возвращаются назад в транс-сетъ Гольджи.
Это возвращение похоже на описанное ранее воз-
вращение белков из ^wc-Гольджи в ЭР. Таким об-
разом, и кругооборот рецепторов, и возвращение
специфических белков — это необходимые внутри-
клеточные процессы. Нарушения этих процессов
могут иметь разрушительные последствия.
Насколько эффективен процесс доставки веществ
в соответствующие участки клетки? Если учесть
громадное количество везикулярных перемещений
в клетке, то эффективность этого процесса порази-
тельно высока, но меньше 100%. На последних этапах
связывания в транс-стх Гольджи некоторые гидро-
лазы «теряются» и вместо соединения с М-6-Ф-ре-
цептором для распределения в эндосомно-лизосом-
ный комплекс выходят из клетки. Иными словами,
некоторые гидролазы секретируются. Гидролитиче-
ские ферменты безвредны для клетки и ее окруже-
ния из-за высокого pH среды. В то время как часть
гидролаз случайно теряется в процессе секреции, не-
которые М-6-Ф-рецепторы направляются к клеточ-
ной поверхности путем случайного попадания в сек-
реторные пузырьки, предназначенные для клеточной
мембраны, а не для поздних эндосом. Таким образом
М-6-Ф-рецептор случайно становится интегральным
___________________________________Глава 4
белком, в котором М-6-Ф-связывающий домен на-
правлен наружу клетки. Секретируемые гидрола-
зы, экспрессирующие маркер М-6-Ф, связываются
с этим рецептором и затем в процессе эндоцитоза
поступают в эндолизосомный комплекс.
Болезни синтеза и накопления
лизосомных ферментов
Болезни накопления мукополисахаридов
Описано множество генетических заболеваний,
связанных с лизосомными гидролазами. Часть
из них, обобщенно называемая болезнями накоп-
ления мукополисахаридов, обусловлена недос-
таточностью особых лизосомных ферментов,
участвующих в разрушении дерматансульфата,
гепарансульфата или обоих веществ. Эти вещества
относятся к группе гликозаминогликанов, назы-
ваемых также мукополисахаридами (см. главу 8).
Неполностью разрушенные мукополисахариды
накапливаются в тканях и выделяются с мочой.
Не все гликозаминогликаны могут быть удалены;
таким образом, они начинают накапливаться
в клетках и окружающем межклеточном простран-
стве. Эти заболевания вызывают прогрессирую-
щую деградацию и приводят к смерти обычно до
10-летнего возраста. Показана недостаточность
10 специфических лизосомных ферментов. Каждый
из этих ферментов катализирует отщепление в спе-
цифическом участке полисахарида. Разрушение
мукополисахаридной цепи происходит последова-
тельно, и дефект одной связи предупреждает рас-
щепление последующих связей, даже если есть
ферменты, катализирующие этот процесс. Таким
образом, минимальное на первый взгляд измене-
ние одной из гидролаз может иметь очень тяжелые
последствия (табл. 4-5).
1-клеточная болезнь
Другой класс генетических дефектов, связанных
с нарушением функционирования лизосом, сыграл
существенную роль в определении механизма
транспортировки всех лизосомных гидролаз.
Эта болезнь затрагивает гликозидазы, сульфатазы
и катепсины — необходимые компоненты в лизо-
сомном арсенале гидролаз. Эта болезнь названа бо-
лезнью 1-клеток (телец включения), поскольку
проявляется появлением крупных включений
в клетках и исключительно высокой концентрацией
гидролаз в крови. Существует два типа этого забо-
левания — муколипидоз II и муколипидоз III —
но основной дефект состоит в посттрансляционных
изменениях кислых гидролаз. Как описано выше,
Эрганеллы и везикулярный транспорт
101
Таблица 4-5. Лизосомные болезни накопления
Нарушение Название MIM номер Хромосомная локализация
Мукополисахаридов Синдром Гурлера, МПС тип IH 252800 4р16,3 J
Синдром Гурлера-Шая; МПС тип IH/IS 252800 4р16,3 1
Синдром Гунтера; МПС тип II 309900 Xq27-28 ।
Недостаточность p-глюкуронидазы; МПС тип VII 253220 7q21,1-q22 j
Сфинголипидов Генерализованный ганглиозидоз; ганглиозидоз 1 230500 3p21,33 j
Болезнь Тея-Сакса 272800 15q23-q24
Болезнь Фабри 301500 Xq22,1 j
Болезнь Гоше, тип 1 230800 ig?i '
Болезнь Ниманна-Пика; недостаточность сфинго- миелиназы, тип 1 257200 11p15,4-15,1 !
^ликопротеинов олигосахаридов) Фу коз и доз 230000 JP34 [
Маннозидоз; недостаточность а-маннозидазы 248500 19p13,2-q12 i
Недостаточность р-нейроаминидазы 256550 6p21,3 f
Си а л оли пи доз 252650 10pter-q23
Г алактосиалидоз 256540 20q12-q13,1 !
Ас п артил глюкозаминурия 208400 4q32-q33
транспорта лизосомных ферментов Муколипидоз тип II; болезнь 1-клеток 252500 4q21-23
Муколипидоз тип III; псевдо пол и дистрофия Гурлера 252600
транспорта лизосомной Детская болезнь накопления свободной сиаловой мембраны кислоты 269920
Другие нарушения лизосом Болезнь Помпе. Недостаточность кислой мальтазы 232300 17q23
Болезнь Волмана __ _ 278000 10q23,2-q23,3
Болезнь накопления эфиров холестерола | 278000 10q23,2-q23,3
Воспроизведено с разрешения из: Seashore MR, Wappner RS. Genetics in Primary Care & Clinical Medicine, Appleton
i Lange, 1996, pp. 297-298.
Рис, 4-11. Ребенок с муколипидозом II, I-клеточной болезнью. (Воспро-
изведено с разрешения из: Oski FA et al [editors]. Principles and Practice
of Pediatrics, 2nd ed. Lippincott, 1994.)
102
Глава 4
лизосомные гидролазы направляются к лизосоме
путем формирования остатка М-6-Ф на специаль-
ном N-связанном углеводном остатке. Пациенты
с болезнью 1-клеток, такие как показано на
рис. 4-11, страдают недостаточным уровнем фос-
фотрансферазы, которая присоединяет фосфодиэ-
стер-связанный N-ацетилглюкозамин к остатку
маннозы в гликопротеине. Следовательно, эти фер-
менты не связываются с М-6-Ф-рецептором и не по-
ступают в лизосому. Они попадают в секреторные
пузырьки транс-сети Гольджи и высвобождаются
из клетки. Секреция этих гидролаз является при-
чиной их высокой концентрации в крови.
Поскольку муколипидоз поражает в основном
соединительную ткань, фибробласты, полученные
у этих пациентов, могут быть исключительно полезны
для изучения дефектов и определения роли М-6-Ф
в процессе внутриклеточной сортировки белка.
Эндоцитоз
Эндоцитоз — это везикулярный захват жидко-
стей, макромолекул или небольших частиц в клет-
ку. Существует по крайней мере три механизма
эндоцитоза:
1. Пиноцитоз, который дословно обозначает
«клеточное питье». Он также называется
клатрин-независимым эндоцитозом.
2. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз или
клатрин-зависимый эндоцитоз. Этому про-
цессу уделяется большое внимание, посколь-
ку он вызывает определенные заболевания
человека.
3. Фагоцитоз, который дословно означает «кле-
точная еда» (рис. 4-12).
Рецепторно-опосредованный эндоцитоз
Рис. 4-12. Механизмы эндоцитоза. Пиноцитоз (наверху) включает захват внеклеточной жидкости и растворенных
в ней веществ посредством образования пузырьков из плазматической мембраны. Рецепторно-опосредованный эндо-
цитоз (в центре) включает связывание лиганда с рецептором на плазматической мембране, последовательное присое-
динение клатрина и группы «адапторных» белков (АР-2) к цитоплазматической поверхности плазматической мем-
браны и образование окаймленной ямки. Окаймленная ямка инвагинирует с образованием окаймленного пузырька
который переносит комплекс лиганда с рецептором в цитоплазму (см. также рис. 4-6.). Фагоцитоз (внизу) начинает-
ся связыванием крупной частицы с множеством рецепторов на плазматической мембране. Фагосома формируется
путем инвагинации части плазматической мембраны, участвующей в лиганд-рецепторном взаимодействии. (Воспро-
изведено с разрешения из Stites DP et al: Basic & Clinical Immunology, 8th ed. Appleton & Lange, 1994, p. 14.)
Органеллы и везикулярный транспорт
103
Пиноцитоз
Пиноцитоз — это конститутивный процесс, то
есть он принимает участие в постоянном динами-
ческом образовании небольших пузырьков на по-
верхности клетки. Точнее, мелкие инвагинации
и пузырьки образуются на поверхности клетки,
>атем они поглощаются и сливаются с другими
пузырьками, находящимися близко к поверхности,
и формируют первичные эндосомы. На периферии
клетки эти пузырьки встраиваются в поверхност-
ную мембрану.
Таким образом, на клеточной поверхности обра-
зуются и постоянно работают пузырьки, которые
доставляют вещества в клетку и восстанавливают
плазматическую мембрану. Эти пузырьки перево-
зят небольшие молекулы, воду и растворимые бел-
ки, то есть вещества, относящиеся к жидкой фазе
внеклеточной среды. Несмотря на маленькие раз-
меры пиноцитозных пузырьков, их многочислен-
ность позволяет им доставлять в клетку большое
количество веществ.
Иногда эти пузырьки представляют собой круп-
ные макропиноцитозные образования, создающие
зкладчатость мембраны. Пиноцитоз может быть
чень интенсивным процессом: в некоторых клет-
ках 100% плазматической мембраны поглощается
,* восстанавливается за один час.
После отщепления пиноцитозных пузырьков
з цитоплазму многие из них сливаются друг с дру-
гом и формируют ранние эндосомы. Со временем
-ти эндосомы смещаются вглубь клетки и слива-
* itch с новообразованными лизосомами, в полости
которых начинается разрушение веществ. Эти пу-
зырьки, сформированные позже, называются позд-
ними эндосомами и содержат гидролазы, получен-
ные из транс-сети Гольджи.
Рецепторно-опосредованный эндоцитоз
Как видно из названия, рецепторно-опосредо-
ванный эндоцитоз использует для переноса моле-
кул специфические поверхностные рецепторы.
Рецепторно-опосредованный эндоцитоз обладает
определенными преимуществами.
А. Специфичность. Только клетки определен-
ного типа экспрессируют поверхностные рецепто-
ры, что обеспечивает избирательное связывание
молекул во внеклеточном растворе. Экспрессия
•пределенных рецепторов у клеток одного типа
является общим механизмом развития и форми-
рования ткани.
Б. Способность к концентрированию лиганда
на поверхности клетки. По законам диффузии мо-
лекулы перемещаются из среды с высокой концен-
трацией в среду с низкой концентрацией. Таким
образом, если клетки могут избирательно удалять
лиганды из окружающего раствора, они действуют
как водосток для этих молекул. В конце концов,
лиганд будет удален из окружающей жидкости.
С. Рефрактерность. Если специфический ре-
цептор после связывания лиганда и поглощения
не возвращается на мембрану, клетка становится
рефракторной к данному лиганду. Этот механизм
важен для процесса передачи сигнала и обеспечива-
ет один из способов выключения входного сигнала
(глава 9).
Вход веществ в клетку путем
рецепторно-опосредованного
эндоцитоза
ЛНП-холестерол, трансферрин
и факторы роста
Механизм погружения при рецепторно-опосре-
дованном эндоцитозе коренным образом отличает-
ся от обычного процесса пиноцитоза и фагоцитоза.
Оказывается, лиганд-связывающие рецепторы на-
капливаются в специфических участках поверхно-
сти клетки, называемых окаймленными ямками.
Поверхность этих небольших углублений покрыта
с цитозольной стороны плотным аморфным веще-
ством — клатрином. Многие молекулы попадают
в клетку этим путем, среди них — транспортные
белки, которые доставляют питательные вещества:
липопротеины низкой плотности (ЛНП) и транс-
портирующий железо белок трансферрин.
К другой группе молекул, входящих в клетку
путем рецепторно-опосредованного эндоцитоза,
относятся факторы роста, включая эпидермаль-
ный фактор роста, фактор роста тромбоцитов, ин-
сулин и некоторые члены семейства цитокинов
(глава 10). Ключевое отличие этой группы состоит
в том, что процессы, которые следуют за связыва-
нием лиганда с рецептором, обуславливают кле-
точный ответ. Оказалось, что для этого класса бел-
ков рецепторно-опосредованный эндоцитоз нужен
для удаления рецептора с поверхности и умень-
шения способности клетки отвечать на лиганд.
Некоторые вирусы и токсины также могут исполь-
зовать механизм рецепторно-опосредованного
эндоцитоза для входа в клетку.
Некоторые рецепторы не двигаются к окаймлен-
ной ямке, до тех пор пока не свяжутся с лигандом.
Например, рецептор эпидермального фактора роста
в несвязанном состоянии распределен диффузно
по поверхности клетки. Однако после связывания
104
Глава 4
эпидермального фактора роста лиганд-рецептор-
ный комплекс начинает быстро перемещаться
к окаймленной ямке и мгновенно поглощается.
В то же время, многие пустые рецепторы движутся
к покрытой ямке и погружаются без связывания
с лигандом, например рецепторы для транспорт-
ных молекул, таких как ЛНП, трансферрин, сиа-
логликопротеин, а2-макроглобулин.
Основные характеристики рецепторно-опосре-
дованного эндоцитоза приведены в табл. 4-6 и на
рис. 4-13.
Таблица 4-6- Основные характеристики рецептор-
но-опосредованного эндоцитоза
После того как ранние эндосомы сливаются с други- [
ми эндосомами, содержащими АТР-азную протонную ||
помпу, и pH в полости понижается, лиганд-рецептор- !
ный комплекс может пойти по одному из следующих [
путей. ________J
1 Рецептор возвращается после высвобождения I
груза _________ ।
2 Рецептор и переносимый лиганд возвращаются, ।
как в случае с трансферрином
3 Рецептор и лиганд разрушаются в лизосоме
4 Рецептор и лиганд транспортируются через
клетку и доставляются к противоположной сто- !
I роне мембраны; это происходит главным обра- f
; зом в полярных клетках |
Рецептор возвращается,
лиганд разрушается
• ЛНП
• Асиалгликопротеины
• Инсулин
• Пептидные гормоны
• Вирусы
Рецептор возвращается,
лиганд возвращается
• Трансферрин
• Молекулы МНС класса I
на Т-клетках
• Молекулы МНС класса II
на макрофагах
Рецептор разрушается,
лиганд разрушается
• Эпидермальный фак-
тор роста
• Иммунные комплексы
(Fc или СЗЬ)
Рецептор транспортируется,
лиганд транспортируется
• Материнский IgG
• Секреторный IgA
Рис. 4-13. Рецепторно-опосредованный эндоцитоз. Начальные этапы рецепторно-опосредованного эндоцитоза.
общие для всех четырех разновидностей процесса, показаны на верхней картинке. Первым шагом является связыва-
ние лиганда с рецептором (один лиганд, один рецептор). За связыванием следует образование окаймленной ямки,
которая впоследствии формирует окаймленный пузырек. Окаймленный пузырек входит в цитоплазму клетки и сли-
вается с кислой эндосомой. Дальнейшая судьба рецептора и лиганда варьирует в зависимости от типа эндоцитоза
(Воспроизведено с разрешения из: Goldstein JL et al. Receptor-mediated endocytosis: concepts emerging from the LDL
receptor system. Annu Rev Cell Biol 1985; 1:5.)
Органеллы и везикулярный транспорт
105
Нарушения рецепторно-
опосредованного эндоцитоза
Взаимосвязь с клиникой
Дефекты М-6-Ф-рецептора или фермента, при-
соединяющего М-6-Ф к лизосомным гидролазам,
могут вызывать серьезные заболевания человека.
Изучение молекулярных причин этих заболеваний
привело к существенному пониманию механизмов
направления пузырьков.
Исследование семейной гиперхолестеролемии
юмогло прояснить детали рецепторно-опосредо-
ванного эндоцитоза. Семейная гиперхолестероле-
мия характеризуется избирательным повышением
.ровня ЛНП — основного белка плазмы, транспор-
тирующего холестерол. Первичный дефект при се-
мейной гиперхолестеролемии обусловлен мутацией
: - на рецептора ЛНП, который присутствует в боль-
шинстве клеток организма и обеспечивает поступ-
а ние пищевого холестерола в клетку (рис. 4-14).
Холестерол необходим для синтеза клеточных
мембран, биосинтеза стероидных гормонов, произ-
лства желчных кислот в печени. Если ЛНП не
. тлощается клетками, уровень ЛНП в плазме зна-
чительно возрастает, что приводит к образованию
- росклеротических бляшек в коронарных сосу-
ых и может вызвать инфаркт миокарда.
При исследованиях фибробластов, полученных
пациентов с гиперхолестеролемией, Goldstein,
Frown и Anderson выявили причины семейной
гиперхолестеролемии (Goldstein & Brown, 1983).
В процессе исследования было выделено три типа
дефектов рецептора ЛНП. При наиболее частот!
и наиболее тяжелой форме гиперхолестеролемии ре-
цептор ЛНП не может связаться с ЛНП, и соответст-
вующий ген называется рецепторно-негативным.
Второй мутантный аллель, названный рецептор-
но-недостаточным, связывает ЛНП, но в значитель-
но меньшем объеме. При третьем типе дефекта
рецептор нормально связывает ЛНП, но не может
перемещаться к окаймленной ямке для поглощения.
Фагоцитоз
Фагоцитоз — это захват клетками относительно
крупных частиц (0,5 мкм) с помощью клатрин-не-
зависимого, актин-зависимого механизма. Итак,
для фагоцитоза обычно требуется полимеризация
актина. Этот процесс запускается при взаимодей-
ствии молекул частицы с поверхностным рецепто-
ром клетки. Фагоцитоз представляет собой клю-
чевой механизм защиты организма-хозяина от
микроорганизмов; фагоцитоз поврежденных или
постаревших клеток необходим для обновления
тканей и заживления ран. Фагоцитоз особенно ва-
жен для многоклеточных организмов. К тому же
фагоцитоз является общим механизмом, исполь-
зуемым микроорганизмами для защиты от (1) пря-
мого разрушающего действия антител и белков
комплемента и (2) цитотоксических клеток.
Р*с. 4-14. Семилетний мальчик с гомозиготной гиперхолестеролемией. Обратите внимание на кожные ксантомы на
г. - :ях. которые впервые появились в возрасте четырех лет. (Воспроизведено с разрешения из: Oski FA et al [editors|.
- л pies and Practice of Pediatrics, 2nd ed. Lippincott, 1994.)
106
Глава 4
Фагоцитоз у млекопитающих осуществляют в ос-
новном клетки трех типов: нейтрофилы, моноциты
и макрофаги. На поверхности этих клеток располо-
жены специальные рецепторы, предназначенные
для распознавания и проведения процесса фагоци-
тоза. Эти рецепторы распознают неантиген-связы-
вающий участок иммуноглобулинов или других
молекул, которые входят в состав иммунной систе-
мы организма-хозяина. Антитела и белки компле-
мента в плазме окружают поверхность клетки мик-
роорганизма, после чего микроб связывается с ре-
цептором фагоцита и начинается фагоцитарный
процесс. Этот процесс называется опсонизацией
(рис. 4-15).
Дополнительная роль фагоцитов заключается в
том, что они вырабатывают важные сигнальные
молекулы, включая цитотоксические радикалы ки-
слорода и азота (например, оксид азота), фермен-
ты, разрушающие внеклеточный матрикс, цитоки-
ны и липидные компоненты, которые мобилизуют
другие клетки в процессе воспаления.
Наиболее активными фагоцитами являются
нейтрофилы, моноциты и макрофаги; однако эпи-
телиальные клетки и фибробласты также способны
к фагоцитозу. Действительно, они довольно актив-
но переваривают более крупные частицы, включая
коллаген. Клетки эпителия сетчатки захватывают
порции палочек, выброшенных в ответ на световую
активацию. Фибробласты также способны к захва-
тыванию микроорганизмов, хотя у них нет поверх-
ностных рецепторов профессиональных фагоци-
тов. По всей видимости, фибробласты используют
для связывания с инородными микроорганизмами
рецепторы для белков внеклеточного матрикса, та-
ких как фибронектин, ламинин и некоторые глико-
заминогликаны (глава 8).
Механизмы захвата частиц
фагоцитами
Захват опсонизированных частиц происходит
по механизму молнии, в котором частица сначала
связывается с Fc-рецептором на поверхности фаго-
цита. Затем следует последовательное соединение
с другими поверхностными рецепторами клетки
Это соединение приводит к образованию фагосо-
мы, которая принимает форму захваченной части-
цы. Таким образом, плазматическая мембрана
плотно прилегает к частице, словно на липучке.
Несмотря на правильность основных принци-
пов модели молнии, известны модификации этой
процесса. Например, существует сходство межд\
клеточным распространением по поверхности
и фагоцитозом, демонстрирующее, что продвиже-
ние ложноножки по поверхности происходит в<
многих направлениях (рис. 4-16).
Увеличение складок на поверхности
Недавно было показано, что добавление факто-
ров роста к фагоцитам, например эпидермального
фактора роста (EFG) к фибробластам или макрофа
гального колониестимулирующего фактора к мак-
рофагам (M-CSF). приводит к увеличению
складок на поверхности. Складки — это по сути
ненаправленные ложноножки. Макропиносомы -
это крупные эндоцнтозные везикулы, которьв
формируются в виде складок клеточной поверхно
сти, захватывающих экстрацеллюлярную жид
кость. Последние исследования говорят о том, чъ
некоторые патогенные организмы стимулирую:
образование складок на клетке, чтобы проникнуп
в нее. Таким образом, хотя фагоцитарный процесс
является основным способом защиты макроорга
низма, некоторые организмы проникают в клетк:
используя одну из разновидностей фагоцитоза.
Рис. 4-15. Крупные частицы (такие как иммунные комплексы) или внедрившиеся убитые бактерии сначала окруж..
ются белками (иммуноглобулинами или белками комплемента), прежде чем они будут захвачены клеткой. Проне
окружения называется опсонизацией. На поверхности фагоцита есть рецепторы, распознающие иммуноглобулин иле
белки комплемента. Таким образом, захватываемая частица сначала связывается с клеточной поверхностью с пом,
щью специфических рецепторов. (Воспроизведено с разрешения из: Stites DP et al. Basic & Clinical Immunology,
ed. Appleton & Lange, 1994, p. 15.)
Органеллы и везикулярный транспорт
107
А. Частицы прикрепляются к
клеточной поверхности
Б. Лиганды со стороны, противоположной зоне
связывания, искусственно удаляются
Фагоцитоз
Частичное поглощение
Рис. 4-16. Модель опсонизации. Эксперименты с макрофагами подтвердили правильность основных принципов мо-
:е*ли молнии. Частица связывается с клеточной поверхностью (А). Затем с наружного участка частицы удаляются
молекулы лиганда (Б) и проводятся наблюдения, показывающие, какая модель более точно описывает реальные
•обытия. Происходит частичное поглощение, предсказываемое по модели молнии (Г). Последующие эксперименты
-ыявили также модификацию модели молнии. Опсонины изображены в виде шипов, торчащих из поверхности
истицы, рецепторы опсонинов изображены в виде квадратных ямок на клеточной мембране. (Воспроизведено с из-
менениями с разрешения из: Swanson J A, Baer SC. Phagocytosis by zippers and triggers. Trends Cell Biol 1995;5:90.)
Преобразование фагоцитарного сигнала
Для проникновения частицы в клетку путем фа-
гоцитоза требуется перестройка актинового цито-
скелета. Когда поглощаемая частица связывается
клеточным рецептором, рецептор генерирует сиг-
~ал. Этот сигнал вызывает фосфорилирование мо-
лекул, расположенных близко к мембране. Сигналы
фосфорилирования в конце концов передаются мо-
лекулам, связанным с мономерным актином
। например, глобулярным актином или G-актином),
приводит к полимеризации актиновых молекул
н формированию волокон, называемых F-актином.
Эти структурные элементы необходимы для об-
разования ложноножек, окружающих поглощае-
мую частицу. Сигнал инициируется цитоплазмати-
тнекой тирозинкиназой, называемой src-киназой.
При активации src-киназа фосфорилирует тирози-
- >вые остатки, находящиеся на цитоплазматиче-
ской части Fc-рецептора. Это событие, подобно
другим лиганд-рецепторным механизмам, обуслов-
лено процессом связывания, в данном случае свя-
зыванием опсонизированной частицы.
Образование фаголизосомы
Крупная частица, попавшая в клетку вместе
с кусочком плазматической мембраны, называется
фагосомой. Конечная цель фагосомы — слиться
с наполненными гидролазами лизосомами для пе-
реваривания и разрушения частицы. Образующая-
ся в результате слияния структура называется фа-
голизосомой. Этот процесс сложнее, чем простое
слияние двух органелл. Мембрана фагосомы пере-
страивается и транспортируется по клетке опреде-
ленным образом.
Существует возможность изолировать фагосомы
из клетки на различных промежутках времени по-
сле поглощения частицы. Мембраны фагосом за-
тем анализируются с помощью гелевого электро-
фореза и окрашивания антител. В мембране только
что образовавшейся фагосомы преобладают такие
белки, как М-6-Ф-рецептор и Fc-рецептор. Через
короткий промежуток времени, однако, число этих
белков в мембране фагосомы уменьшается. В это
время снижается также концентрация АТР-азных
протонных помп и особых белков лизосомных
мембран IgpA и IgpB. Кроме того, многие молекулы
поверхностных рецепторов возвращаются назад
к мембране. Все эти результаты показывают, что
фагосомная мембрана изменяется и приобретает
другие молекулы (например, ловушки), которые
облегчают слияние фагосомы с другими внутри-
клеточными органеллами.
108
Г лава 4
Трансцитоз
Вещества, проникающие в клетку с помощью
специфических рецепторов, почти всегда форми-
руют под плазматической мембраной пузырьки,
называемые ранними эндосомами. Эти пузырьки
служат местами сортировки поглощенных лиган-
дов и рецепторов. В полости ранней эндосомы зна-
чение pH приблизительно равно 6,0, что часто при-
водит к разрыву связи между лигандом и рецепто-
ром. Если это происходит, то и лиганд, и рецептор
обычно сортируются в другой пузырек, который
отпочковывается от ранней эндосомы, сливается
с лизосомой и переваривается. Однако некоторые
комплексы лиганда с рецептором не распадаются
при пониженном pH. Вместо этого они сортируют-
ся в другие участки ранней эндосомы и образуют
почкующиеся пузырьки, которые затем сливаются
с другими внутриклеточными мембранами или
с различными участками плазматической мембра-
ны. Этот процесс называется трансцитозом. Транс-
цитоз — это механизм, посредством которого моле-
кулы, пришедшие в клетку извне, могут достав-
ляться к различным местам внутри клетки или
даже перемещаться от одного слоя клеток к друго-
му. Одним из хорошо изученных примеров
трансцитоза является проникновение некоторых
материнских иммуноглобулинов через клетки
кишечного эпителия новорожденного. Материн-
ские антитела транспортируются в клетки молоч-
ной железы и с молоком попадают в организм
ребенка. Антитела, связанные со своими рецепто-
рами, сортируются в ранние эндосомы клеток пи-
щеварительного тракта, затем с помощью других
пузырьков проходят сквозь эпителиальную клетку
и сливаются с плазматической мембраной на базо-
латеральной поверхности. Здесь, где pH приближа-
ется к нейтральному, лиганды освобождаются от
рецепторов. Затем иммуноглобулины собираются
в лимфатические сосуды и попадают в кровоток
новорожденного. При трансцитозе ни лиганд, ни
рецептор не разрушаются; пустой рецептор возвра-
щается от базолатеральной к апикальной поверхно-
сти клетки для захвата другой молекулы «груза».
Экзоцитоз
Специализированные клетки, которые высвобо-
ждают вещества по требованию, например ней-
ротрансмиттеры или пищеварительные ферменты,
хранят эти вещества в пузырьках, расположенных
вблизи плазматической мембраны. При получении
сигнала (обычно внешнего) происходит слияние
накопительных пузырьков с плазматической
мембраной и высвобождение их содержимого.
Процесс, при котором стимул сопряжен с высвобо-
ждением веществ, называется стимулированной
секрецией. Стимулированная секреция встречает-
ся во многих специализированных клетках, таких
как тучные клетки и ацинарные клетки поджелу-
дочной железы, и особенно в нервных синапсах.
При исследовании специализированных секре-
торных клеток под электронным микроскопом
обнаружены электронно-плотные пузырьки, со-
держащие высокие концентрации секретируемых
веществ (рис. 4-6). Эти органеллы называются сек-
реторными пузырьками или пузырьками с плот-
ным ядром. Гидролазы содержат маркер М-6-Ф.
обеспечивающий их избирательное накопление
в пузырьках, предназначенных для лизосом. Кроме
того, оказал ос ь, что в состав структуры секреторных
белков входит сигнальная метка, позволяющая им
агрегироваться и концентрироваться в секретор-
ных пузырьках. Для большинства секреторных
белков сигнальные метки еще не исследованы.
Конститутивные и регулируемые
органеллы
Пузырьки постоянно перетекают из транс-сети
Гольджи к плазматической мембране. Таким обра-
зом, транс-сеть Гольджи — это основной компар-
тмент для производства секреторных пузырьков.
Другим местом образования пузырьков являются
эндосомы. Понимание того, что пузырьки отпочко-
вываются от крупных эндосом, началось с изуче-
ния синаптических пузырьков, расположенных
в нервных клетках. Непосредственно под мембра-
ной в межнейроналыюм соединении находится по-
пуляция мелких секреторных пузырьков, которые
готовы слиться с плазматической мембраной при
активации соответствующим сигналом. Синаптиче-
ские пузырьки содержат молекулы нейротрансмит-
теров. таких как ацетилхолин и у-аминомасляная
кислота (GABA).
Нейротрансмиттеры и синаптические
пузырьки
Когда нервный импульс доходит до синапса
пузырьки сливаются с плазматической мембраной
и высвобождают нейротрансмиттеры. Синаптиче-
ские рецепторы присоединяют нейротрансмиттеры
в результате чего во втором (постсинаптическом i
нейроне возникает деполяризующий электрически г
ток. Тем временем в мембране пресинаптическоп
нейрона образуются эндоцитозные пузырьки, ко-
торые возвращаются к более крупному эндосомно-
му компартменту и сливаются с ним. Нагруженные
3рганеллы и везикулярный транспорт
109
нейротрансмиттером пузырьки отпочковываются от
•той крупной эндосомы, возвращаются на позицию,
чень близкую к синаптической мембране, и ждут
и гнал, необходимый для слияния и высвобожде-
ия их содержимого (рис. 4-17 и 4-18).
При изучении экзоцитоза синаптических пу-
ырьков были найдены белки, очень близкие, если
идентичные, тем, которые участвуют в образова-
ли, направлении и слиянии пузырьков с внутри-
•/сточными компартментами. Например, АТР-
тязанный белок, так называемый А^-этилмалеи-
мид-чувствительный фактор, необходим как для
дияния пузырьков с внутриклеточными органел-
•,1ми, так и для экзоцитоза.
Направление веществ к различным
участкам плазматической
мембраны
Адресные маркеры
Большинство клеток, составляющих ткань, по-
лярны. Поскольку поверхности различаются по
структуре, липидный и белковый состав мембраны
также неодинаков.
Хорошим примером полярных клеток являются
эпителиальные клетки. Их апикальная поверх-
ность может иметь различную специализацию.
Реснички, ворсинки или щеточная каемка — это те
"зесинаптический
' -'енциал действия
+40 мВ
0 мВ
-55 мВ
-70 мВ
Порог
побуждающий
-отсинаптический
->’енциал
-55 мВ
-70 мВ
Порог
1 мс
Потенциал
действия
достигает
нейронной
терминали
Вход ионов кальция
вызывает слияние
пузырьков и
высвобождение
трансмиттера
Каналы открываются,
ионы натрия входят в
клетку, и пузырьки
восстанавливаются
Рис. 4-17. Химическая передачи в синапсе. Процессы синаптической передачи показаны слева направо в порядке
/•дования. Как только потенциал действия доходит до пресинаптического окончания, ионы кальция входят в окон-
шие и вызывают слияние пузырьков, содержащих нейротрансмиттер, с клеточной мембраной. Нейротрансмиттер
* побеждается в щель и захватывается постсинаптическим нейроном. Во время этого процесса в пресинаптической
ч.?-тке образуются эндоцитозныс пузырьки, которые восстанавливают мембранные компоненты пузырьков. (Воспро-
♦ •зелено с изменениями с разрешения авторов из: Kandel ER et al. Essentials of Neural Science and Behavior. Appleton
A Lange, 1995, p. 191.)
Рис. 4-18. Химический синапс. На этой электронной микрофо-
тографии изображена структура пресинаптического окончания
нервно-мышечного синапса. Многочисленные округлые образо-
вания — это везикулы, наполненные нейротрансмиттером аце-
тилхолином. Предполагается, что плохо очерченные, темные
утолщения на пресинаптической мембране (показаны стрелка-
ми) — это участки присоединения пузырьков. Крупные темные
образования — митохондрии. (Воспроизведено с изменениями с
разрешения из: Kandel ER et al. Essentials of Neural Science and
Behavior. Appleton & Lange, 1995, p. 191.)
110
Глава 4
модификации, которые могут встречаться на апи-
кальной поверхности (главы 2 и 8). Другие специа-
лизированные участки плазматической мембраны
расположены в местах, где эпителиальные клетки
соединяются друг с другом или с базальной мем-
браной. Отсюда следует, что мембранные белки
и липиды, предназначенные для различных частей
полярной клетки, должны быть рассортированы.
Продукты, которые поступают для сортировки
в транс-сеть Гольджи, должны содержать опреде-
ленные типы адресных маркеров, которые обеспе-
чивают направление мембранных компонентов
и секретируемых веществ к соответствующим уча-
сткам полярной клетки.
Для этого используются различные механизмы.
Сортирующие сигналы на пузырьках избиратель-
но направляют их к апикальной или базолатераль-
ной поверхности клетки. Например, пузырьки,
содержащие белки, которые связаны с липидным
бислоем с помощью GPI-связи, направляются
к апикальной поверхности клетки.
Большинство пузырьков, не имеющих специфи-
ческого сортирующего сигнала, поступают к апи-
кальной поверхности с помощью конститутивной
секреции. Таким образом, белки, секретируемые
в полость, выстланную эпителиальными клетками,
переносятся к поверхности по конститутивному
пути.
Медицинские аспекты клеточной
биологии
В табл. 4-1 перечислены основные заболевания,
возникающие в результате дефектов внутрикле-
точного везикулярного транспорта. При данных
Библиография
Amara JF, Cheng SH, Smith AE: Intracellular protein traf-
ficking defects in human disease. Trends Cell Biol
1992;2:145.
Austin CD, Shields D: Formation of nascent secretory vesi-
cles from the TGN of endocrine cells is inhibited by tyro-
sine kinase phosphatase inhibitors. J Cell Biol 1996;
135:000.
Barinaga M: Secrets of secretion revealed. Science 1993;
260:487.
Barlowe CL et al: A membrane coat formed by Sec proteins
that drive vesicle budding from the endoplasmic reticu-
lum. Cell 1994:77:895.
Beron W et al: Membrane trafficking along the phagocytic
pathway. Trends Cell Biol 1995:5:100.
Boman AL, Kahn RA: Arf proteins: The membrane traffic
police. Trends Biochem Sci 1995;20:147.
заболеваниях белки либо неправильно направля-
ются, либо не могут достичь своего места назначе-
ния в клетке, что приводит к нарушению функцио-
нирования клетки.
Заключение
В этой главе мы рассмотрели структуру, фор-
мирование и функционирование различных орга-
нелл эукариотических клеток и обсудили меха-
низмы внутриклеточного перемещения веществ.
Это сложный процесс, который затрагивает мно-
жество различных белков и осуществляется благо-
даря формированию мембранных пузырьков, от-
почковывающихся от донорного компартмента
и сливающихся с целевой органеллой. Для того
чтобы нагруженные веществами транспортные пу-
зырьки достигли новой органеллы, к ним должны
быть прикреплены «адресные метки». Такой мет-
кой может быть один белок или комбинация раз-
личных белков. Состав и построение адресных
молекул обеспечивает специфичность связывания
с целевой мембраной, содержащей на своей по-
верхности специфические рецепторы для адресных
меток. В основном вещества перемещаются от ЭР
к плазматической мембране, однако существует
множество участков, на которых происходит также
ретроградный транспорт.
Некоторые заболевания человека появляются
в результате дефекта различных белков, участвую-
щих в транспорте веществ от одного компартмента
к другому. Процессы переноса веществ из окру-
жающей среды в клетку включают пиноцитоз, фа-
гоцитоз и особый тип эндоцитоза, при котором
специфические молекулы селективно поступают
в клетку.
Chen YG, Shields D: ADP-ribosylation factor-1 stimulates
formation of nascent secretory vesicles from the tram
Golgi network of endocrine cells. J Biol Chem 1996:
271:5297.
Donaldson JG, Klausner RD: ARF: A key regulatory switch
in membrane traffic and organelle structure. Curr Opin
Cell Biol 1994:6:527.
Goldstein JL, Brown MS: Familial hypercholesterolemia. In
The Metabolic Basis of Inherited Disease, 5th ed. Stanbury
JB et al (editors). McGraw-Hill, 1983.
Griffiths G, Simons K: The trans Golgi network: Sorting at
the exit site of the Golgi complex. Science 1986; 234:438
Kahn RA, Yucel JK, Malhotra V: ARF signaling: A poten-
tial role for phospholipase D in membrane traffic. Cel!
1993;75:1045.
Ill
Органеллы и везикулярный транспорт
Letourneur F et al: Coatomer is essential for retrieval of
dilysine-tagged proteins to the endoplasmic reticulum.
Cell 1994:79:1199.
Ludwig T, Le Borgne R, Hoflack B: Roles for man-
nose-6-phosphate receptors in lysosomal enzyme sorting,
IGF-II binding and clathrin-coat assembly. Trends Cell
Biol 1995:5:202.
McKusick VA, Neufeld EF: The mucopolysaccharide stor-
age diseases. In: The Metabolic Basis of Inherited Disease,
5th ed. Stanbury JB et al (editors). McGraw-Hill, 1983.
Munro S, Pelham HRB: A C-terminal signal prevents secre-
tion of luminal ER proteins. Cell 1987:48:899.
Murray RK et al: Harper's Biochemistry, 24th ed. Appleton
& Lange, 1996.
Novick P, Field C, Schekman R: Identification of 23
complementation groups required for post-translational
events in the yeast secretory pathway. Cell 1980:21:205.
Palade G: Intracellular aspects of the process of protein syn-
thesis (Nobel Lecture). Science 1975; 189:347.
Pelham HRB: About turn for the COPs. Cell 1994;79:1125.
Pelham HRB: Heat shock and the sorting of luminal ER
proteins. EMBO J 1989:8:3171.
Pry er NK, Wuestehube LJ, Schekman R: Vesicle-mediated
protein sorting. Annu Rev Biochem 1992:61:471.
Kabinovitch M: Professional and non-professional
phagocytes: An introduction. Trends Cell Biol 1995;5:85.
Rothman JE: Mechanisms of intracellular protein transport.
Nature 1994:372:55.
Rothman JE, Orci L: Molecular dissection of the secretory
pathway. Nature 1992:355:409.
Rothman JE, Warren G: Implications of the SNARE hy-
pothesis for intracellular membrane topology and dynam-
ics. Curr Biol 1994:4:220.
Sandvig K, van Deurs B: Endocytosis without clathrin.
Trends Cell Biol 1994:4:275.
Schwartz-Lippincott J: Membrane dynamic between the
endoplasmic reticulum and Golgi apparatus. Trends Cell
Biol 1993:3:81.
Schekman R: Protein localization and membrane traffic in
yeast. Annu Rev Cell Biol 1985:1:115.
Sudhof TC et al; Membrane fusion machinery: Insights from
synaptic proteins. Cell 1993;75:1.
Swanson J A, Baer SC: Phagocytosis by zippers and triggers.
Trends Cell Bid] 1995;5:89.
Vallee RB, Okamoto PM: The regulation of endocytosis:
Identifying dynamin's binding partners. Trends Cell Biol
1995;5:43.
von Mollard GF et al: Rab proteins in regulated exocytosis.
Trends Cell Biol 1994,4:164.
Whiteheart SW, Kubalek EW: SNAPS and NSF: General
members of the fusion apparatus. Trends Cell Biol
1995:5:64.
Митохондрии и клеточная
энергетика
5
Основные термины
Митохондрии
АТР
Производство энергии
Окисление—восстановление
Гликолиз
Цикл лимонной кислоты
Цепь переноса электронов
Окислительное фосфорилирование
Хемиосмотическая теория
Цитохромы
Убихинон
АТР-синтаза
Митохондрии и получение энергии
Митохондрии уже давно считаются «энергети-
ческими станциями» клетки. Эти органеллы при-
сутствуют во всех эукариотических клетках, кроме
эритроцитов и зрелых кератиноцитов, и отвечают
за производство энергии в виде аденозинтрифос-
фата (АТР). Митохондрии присутствуют в основ-
ном в клетках, потребляющих большое количество
энергии, например в клетках скелетной мускулату-
ры и сердечной мышцы, в экзокринных клетках
поджелудочной железы, где высокий уровень син-
теза секреторных белков, в подвижных клетках
(например сперматозоидах). Многие митохондри-
альные ферменты кодируются ядерной ДНК и по-
сле трансляции их мРНК в цитоплазме отдельные
полипептиды переносятся в митохондрию
(см. ниже и главу 3). В митохондриях имеется
также собственная ДНК, обладающая ограничен-
ным объемом кодирования, а также рибосомы, по-
хожие по размеру на рибосомы бактерий; поэтому
предполагается, что эти органеллы произошли от
бактерий, которые проникли в эукариотические
клетки около миллиарда лет назад.
Строение митохондрий
С помощью видеомикроскопа было показа-
но, что митохондрии — это подвижные органел-
лы, постоянно перемещающиеся по цитоплазме
к участкам клетки, в которых происходит повы-
шенное потребление энергии. Эти данные о мито-
хондриях, размеры которых лежат в пределах от 0,5
до 2 мкм, не соответствуют прежним представ-
лениям о них как о статичных, продолговатых
цилиндрах. Митохондрии, в отличие от секретор-
ных органелл, имеют двойную мембрану. Первая —
гладкая наружная мембрана, для которой харак-
терно присутствие моиоаминооксидазы, ацил-СоА-
синтазы и фосфолипазы А2; вторая — чуть более
толстая внутренняя мембрана. Полость, окружен-
ная внутренней мембраной, называется матрикс-
ным пространством и содержит растворенные фер-
менты, участвующие в цикле лимонной кислоты
и в р-окислении жирных кислот. Пространство ме-
жду наружной и внутренней мембранами, называе-
мое межмебранным пространством, содержит
ферменты креатинкиназу и аденилаткиназу. Внут-
ренняя мембрана образует многочисленные склад-
ки, называемые кристами, которые значительно
увеличивают площадь ее поверхности.
В 1953 году Palade опубликовал первые элек-
тронные микрофотографии митохондрий и описал
кристы. Однако прошло еще 10 лет, прежде чем
эти компоненты были исследованы биохимиче-
ски. К середине 60-х исследователи определили
строение дыхательного аппарата крист, и Racker
с сотрудниками выявили «субмитохондриальные
частицы». Комбинируя биохимический анализ
и электронную микроскопию, эти исследователи
показали, что сферические компоненты на внут-
ренней поверхности внутренней митохондриаль-
ной мембраны - это участки окислительного фос-
форилирования, и что компоненты дыхательной
цепи погружены в эту мембрану (рис. 5-1 и 5-2).
Основные характеристики каждого отдела мито-
хондрий описаны ниже.
Митохондрии и клеточная энергетика
113
Рис. 5-1. Митохондрия. На электронной микрофотографии панкреатической клетки крысы видна целая митохонд-
рия. Ясно видны основные части митохондрии: мембраны, кристы (С) и матрикс (М). Выше показан шероховатый
эндоплазматический ретикулум (RER) с рибосомами на цитоплазматической поверхности, х 50 000. (Воспроизведе-
но с изменениями с разрешения авторов из: Junqueira LC et al, 8th ed. Appleton & Lange, 1995, p. 28.)
матрикс
Кристы
Внутренняя
мембрана
Фосфорилирующие
, комплексы
Наружная
мембрана
В
Межмембранное
пространство
Рис. 5-2. Митохондриальные мембраны и фосфорилирующие комплексы. Показана взаимосвязь между внутренней
и наружной мембранами, кристами и матриксом (А). На увеличенном изображении (В) видны фосфорилирующие
комплексы на поверхности внутренней мембраны и крист. Субмитохондриальные частицы содержат комплексы на
. воей наружной поверхности, что делает их идеальными объектами для исследования. (Воспроизведено с разреше-
ния из: Murray RK et al. Harper’s Biochemistry, 24th ed. Appleton & Lange, 1996.)
114
Наружная мембрана. Наружная мембрана со-
держит огромное количество порина (белка, форми-
рующего водные каналы) и проницаема для всех
молекул, молекулярная масса которых меньше
5000. Эти молекулы, включая ионы и метаболиты,
могут входить в межмембранное пространство, но
не проходят через внутреннюю мембрану. Наруж-
ная мембрана содержит также рецепторы для поли-
пептидов, которые переносятся в матрикс, во внут-
реннюю мембрану и межмембранное пространство.
Межмембранное пространство. Этот отдел
имеет уникальный состав ферментов, которые,
в отличие от ферментов матрикса, используют
АТР, синтезированный на внутренней мембране.
Внутренняя мембрана. Этот отдел представ-
ляет собой специализированную мембрану, бога-
тую фосфолипидом кардиолипином, который со-
стоит из четырех жирных кислот, соединенных
с глицеролом. Кардиолипин делает мембрану не-
проницаемой для ионов. Внутренняя мембрана об-
разует многочисленные кристы, в состав которых
входят следующие элементы: (1) белки, участвую-
щие в окислительных реакциях дыхательной цепи
переноса электрона, (2) ATP-синтазный фермент-
ный комплекс, синтезирующий АТР, (3) транс-
портные белки, регулирующие транспорт метабо-
литов в матрикс и из него. Ферменты дыхательной
цепи погружены в эту мембрану и осуществляют
окислительное фосфорилирование, сопряженное
с образованием АТР.
Матрикс. Матрикс содержит ферменты, кото-
рые превращают пируват и жирные кислоты
в ацетил-Со А, и окисляют ацетил-Со А в цикле
лимонной кислоты. В матриксе образуются диок-
сид углерода (СО2) и восстановленный никотина-
мидадениндинуклеотид (NADH); последний слу-
жит донором электронов, которые переносятся
по дыхательной цепи. Кроме того, в матриксе со-
держатся митохондриальная ДНК, рибосомы и не-
которые тРНК.
Благодаря двойной мембране, для того чтобы
синтезируемые в цитоплазме ферменты достигли
своего места назначения в матриксном пространст-
ве, они должны пройти четыре отдела (то есть на-
ружную мембрану, межмембранное пространство,
внутреннюю мембрану и митохондриальный мат-
рикс). Таким образом, матриксные белки должны
иметь специфический направляющий (топоген-
ный) сигнал, определяющий место их назначения,
а на наружной поверхности внутренней мембраны
должны находиться рецепторные белки, распо-
знающие эти сигналы. Наружная мембрана содер-
жит меньше рецепторов, что позволяет многим
____________________________________Глава 5
полипептидам переходить в межмебранное про-
странство. Детали этого процесса, в котором участ-
вуют белки-шапероны, обсуждались в главе 3.
Окисление
Протоны и генерация энергии
Все клетки используют единый механизм, с по-
мощью которого энергия, полученная при окисле-
нии углеводов и жирных кислот в митохондриаль-
ном матриксе, сопрягается с работой мембра-
но-связанного протонного насоса. Протонный на-
сос переносит ионы водорода (Н+) с одной
стороны мембраны на другую. В митохондриях Н*
переносится через внутреннюю мембрану в меж-
мембранное пространство; благодаря переносу
протонов на внутренней мембране устанавливает-
ся электрохимический протонный градиент. Этот
градиент запускает реакции, генерирующие энер-
гию, когда протоны перетекают назад через инте-
гральные белки, погруженные во внутреннюю
мембрану митохондрии. Одним из таких белков
является ATP-синтаза, которая синтезирует АТР
из аденозин-5 -дифосфата (ADP) и неорганическо-
го фосфата (Pi). Протонный насос запускается при
высвобождении свободной энергии в процессе пе-
реноса электронов по дыхательной цепи. Электро-
ны перетекают от более высокого к более низкому
энергетическому состоянию, поэтому высвобож-
даемая энергия обеспечивает перенос Н+ через
внутреннюю митохондриальную мембрану. Этот
процесс происходит во внутренней мембране ми-
тохондрии с помощью сопряжения метаболизма
с синтезом АТР в цепи переноса электронов.
Окислительное фосфорилирование — это про-
цесс, посредством которого ферментативное окис-
ление метаболитов превращается в энергию, запа-
саемую в форме АТР. Этот процесс может быть
разделен на три части:
1. биохимические реакции, генерирующие элек-
троны с высоким уровнем энергии;
2. мембранная система транспорта электронов,
которая позволяет превращать энергию элек-
тронного транспорта в протонный градиент
на внутренней митохондриальной мембране;
3. ATP-синтаза, которая использует протонный
градиент для производства АТР во время по-
тока Н+ из межмембранного пространства в
митохондриальный матрикс.
Источником электронов служит окисление угле-
водов, липидов, белков или нуклеиновых кислот,
хотя основными энергетическими ресурсами в боль-
шинстве клеток являются углеводы и жирные
Митохондрии и клеточная энергетика
115
Пища
Рис. 5-3. Дыхательная цепь митохондрий. При окислении молекул питательных веществ генерируется восстанови-
тельный эквивалент (2Н), который транспортируется в митохондрии и попадает в дыхательную цепь. Дальнейшее
окисление сопряжено с синтезом АТР. (Воспроизведено с разрешения из: Murray RK et al. Harper’s Biochemistry,
24th ed. Appleton & Lange, 1996.)
кислоты. Во внутренней митохондриальной мем-
бране расположены комплексы из четырех основ-
ных белков, называемые системой транспорта
электронов. Эти комплексы позволяют электро-
нам, образующимся при метаболическом окисле-
нии, переходить от одного акцептора электрона
к другому. Свободная (то есть способная произво-
дить работу) энергия, выделяемая при переходе
электронов от одного комплекса к следующему, ис-
пользуется для переноса протонов в межмембран-
ное пространство. В результате этого процесса на
внутренней митохондриальной мембране создает-
ся протонный градиент — тот градиент, который
обеспечивает синтез АТР. В конце транспортной
цепи электроны присоединяются к последнему
акцептору — молекулярному кислороду — с обра-
зованием воды. Накопленные в межмебранном
пространстве протоны перетекают по градиенту
концентрации через ATP-синтазу, которая работа-
ет аналогично АТРазе, но в обратном направлении
(то есть вместо гидролиза АТР этот фермент
использует энергию переноса Н+ для производства
АТР из ADP и Pj). И белки дыхательной цепи,
и ATP-синтаза находятся во внутренней мито-
хондриальной мембране и образуют множество
интегральных белков, которые пронизывают
мембранный бислой. В начале 60-х годов Мит-
челл предположил, что энергия переноса протонов
по градиенту концентрации может быть связана
с синтезом АТР. Это — хемиосмотическая теория,
щ которую в 1975 г. Митчелл получил Нобелев-
скую премию (рис. 5-3). Механизм переноса
электронов, полученных в результате метаболиче-
ского окисления, и его сопряжение с синтезом АТР
с помощью протонного градиента — это главные
вопросы, обсуждаемые в этой главе.
Углеводы и жиры
Углеводы и жиры — это основные источники
энергии, при метаболизме которых выделяются
электроны. В цитоплазме шестиуглеродная молеку-
ла глюкозы частично окисляется в серии из 10 от-
дельных ферментативных реакций, известных как
гликолиз, до двух трехуглеродных молекул пиру-
вата (рис. 5-4). Затем пируват переносится из ци-
тозоля через наружную и внутреннюю митохонд-
риальные мембраны в матрикс, где окисляется
полностью. Сначала пируват окисляется до аце-
тил-СоА (см. ниже), а при последующем окислении
ацетил-СоА в цикле лимонной кислоты высвобож-
даются электроны, перенос которых по дыхатель-
ной цепи сопровождается синтезом АТР. Точно так
же, жирные кислоты, полученные при расщеплении
нерастворимых триглицеридов в цитоплазме, пере-
носятся в митохондриальный матрикс в виде
ацил-СоА-производных. Эти вещества могут полно-
стью окисляться в метаболическом цикле р-окисле-
ния с использованием четырех отдельных фермен-
тов. В каждом цикле реакций от жирной кислоты
отщепляется два углерода и образуется ацетил-СоА,
который метаболизируется в цикле лимонной ки-
слоты и обеспечивает поступление электронов для
синтеза АТР.
116
Глава 5
Гликолиз
Дигдрокси-
ацетонфосфат |
2 х Гл ицерал ьд егмд-3-фосфат
Рис. 5-4. Основные этапы гликолиза. Каждая реакция
гликолиза катализируется отдельным ферментом. После
расщепления фруктозе- 1,6-бисфосфата (шестиуглерод-
ного сахара) на каждом последующем шаге происходит
отщепление двух трехуглеродных углеводов. (Воспроиз-
ведено с изменениями с разрешения авторов из: Alberts В
et al. Molecular Biology of the Cell, 3rd ed. Garland, 1994.)
Во время гликолиза из каждой молекулы глюко-
зы образуется две молекулы глицеральде-
гид-3-фосфата (пятый промежуточный этап этого
процесса). Эти молекулы затем окисляются до пи-
рувата; таким образом в сумме образуется четыре
молекулы АТР (рис. 5-4). Однако две молекулы
АТР расходуются во время гликолитического цик-
ла, по одной на каждом из двух этапов превраще-
ния глюкозы во фруктозо-1,6-бисфосфат. В ре-
зультате чистый выход равен двум молекулам
АТР. Суммарная реакция гликолиза имеет следую-
щий вид:
Глюкоза + 2ADP + 2Pi + 2NAD+
-> 2 пируват + 2NADH + 2АТР
Полученный в гликолитическом цикле пируват
затем полностью окисляется в цикле лимонной ки-
слоты. Этот процесс обеспечивает дополнительные
молекулы АТР (см. ниже), a NADH служит источ-
ником запасенной энергии, которая может быть ис-
пользована для превращения ADP в АТР при
окислительном фосфорилировании.
Во время окисления глицеральдегид-3-фосфата
до 1,3-бисфосфоглицерата молекула окисленного
NAD (NAD ) превращается в NADH (рис. 5-4)
NAD играет стержневую роль в метаболизме; вос-
становленная молекула (NADH) образуется при
присоединении к NAD гидрид иона (ядро водорода
и два электрона). NADH — это «высокоэнергетиче-
ское промежуточное соединение», которое легко
отдает электроны в цепь переноса электронов
(см. ниже) для синтеза АТР.
Гликолиз не является основным источником
клеточной АТР. однако он приобретает значение
в анаэробных условиях (то есть при отсутствии, не-
достатке или низком уровне кислорода, необходимо-
го для синтеза АТР в процессе окислительного фос-
форилирования), так как в этом случае становится
главным источником АТР в клетке. Например, при
интенсивных упражнениях, когда дыхание или
сердечный ритм не могут обеспечить достаточный
приток кислорода к мышцам для окисления пиру-
вата в митохондриях, пируват может восстанавли-
ваться (принимать электроны) с использованием
NADH до молочной кислоты, которая со временем
выводится из клетки. Окисленный NAD+ может
снова использоваться в качестве акцептора элек-
тронов (для восстановления до NADH) в реакции
окисления глицеральдегид-3-фосфата в гликоли-
тическом цикле. Так как при образовании молоч-
ной кислоты NAD+ регенерируется, гликолиз про-
должается, и АТР образуется даже в отсутствии
кислорода. Когда уровень кислорода восстанавли-
вается, реакция
Митохондрии и клеточная энергетика
117
пируват + NADH -> лактат + NAD+
идет в обратном направлении, и пируват поступает
в цикл лимонной кислоты.
Образование ацетил-СоА
Как уже было сказано, при метаболизме липи-
лов жирные кислоты ацетилируются до ацил-Со А
в митохондриальном матриксе, где р-окисление
и цикл лимонной кислоты создают высокоэнерге-
тические электроны, которые передаются по цепи
переноса электронов. Энергия, образующаяся при
окислении жирных кислот и углеводов, использу-
ется в митохондриях в форме восстановительных
эквивалентов (т.е. в форме накопления электро-
нов). Пируват и жирные кислоты избирательно пе-
реходят из цитозоля в митохондриальный матрикс,
где группа ферментов, объединенных в дыхатель-
ную цепь, переносит полученные восстановитель-
ные эквиваленты на кислород с образованием во-
ды. Ферменты, генерирующие восстановительные
эквиваленты (то есть ферменты цикла лимонной
кислоты и р-окисления). присутствуют в матрикс-
ном пространстве, а свободная энергия, которая
вырабатывается во время транспорта, сопряжена
. образованием АТР (рис. 5-3).
Пируват, образующийся в цитоплазме в процес-
е гликолиза, и жирные кислоты переносятся из
цитозоля в митохондриальный матрикс. Затем пи-
руват превращается в матриксе в ацетил-СоА; этот
процесс опосредован ферментом пируватдегидро-
. еназой. Остатки уксусной кислоты, переносимые
- форме ацетил-СоА, окисляются до СО2 в цикле
лимонной кислоты или цикле Кребса (названном
гзк в честь X. Кребса, который описал многие из
’Тих реакций). Конечными продуктами этих реак-
ций являются СО2, АТР. NADH и восстановленная
рорма флавинадени иди нуклеотида (FADH2).
Поскольку NAD+, FAD и их восстановленные фор-
ой вновь регенерируют в каждом «витке» цикла
шмонной кислоты, общим результатом является
бразование одной молекулы АТР. Более важно,
точки зрения образования АТР, что большая
щсть энергии, высвобождаемой при окислитель-
ных реакциях в цикле Кребса, «запасается» в элек-
- эонах, переносимых NADH и FADID. NADH рас-
зерен в матриксе, в то время как FADH2 связан
ферментом ацил-СоА-дегидрогеназой и может
: ютавлять высокоэнергетические электроны непо-
эедственно к убихинону (называемому также
• ферментом Q) в систему переноса электронов
м. ниже). Электроны, «удерживаемые» этими
:нумя соединениями, быстро переносятся в дыха-
льную цепь, расположенную на внутренней мем-
. дне митохондрий (рис. 5-5).
Хемиосмотическое сопряжение
В начале 60-х Митчелл доказал, что ориентация
ферментов в мембране может придавать направ-
ляющие свойства реакциям, в которых они участ-
вуют. Он предположил, что если ферменты, будучи
мембранными белками, высвобождают свои про-
дукты только по одну сторону липидного бислоя,
то результаты реакции на внутренней и на на-
ружной сторонах мембраны могут различаться.
Он также предположил, что образование АТР
в митохондриях может происходить с помощью (1)
обращения АТРазной реакции вследствие ее ори-
ентации в мембране или (2) эффекта разделения
протонного заряда, происходящего во время окис-
лительно-восстановительных реакций цепи перено-
са электронов. Эта гипотеза перечеркнула многие
широко распространенные идеи, предполагавшие
существование прямой связи между фосфорилиро-
ванием ADP и каждой окислительно-восстанови-
тельной реакцией. Для объяснения сопряжения
окислительного фосфорилирования с синтезом
АТР Митчелл высказал несколько важных идей.
1. Энергия, высвобождаемая при окислении ме-
таболита, содержится в митохондрии в виде
восстанавливающих эквивалентов (-Н или
е ), которые направляются в дыхательную
цепь. Здесь электроны проходят по редокс-
градиенту переносчиков электронов к своей
последней реакции с молекулярным кислоро-
дом, в ходе которой образуется вода.
2. Комплексы редокс-переносчиков сгруппиро-
ваны на внутренней митохондриальной мем-
бране. Энергия, высвобождаемая при переходе
электронов на различные ступени редокс-гра-
диента, используется для выкачивания про-
тонов из матрикса и образования электрохи-
мического потенциала на внутренней мито-
хондриальной мембране.
3. Митохондриальная АТРсинтаза (крупный
белок, состоящий из нескольких субъединиц)
переносит протоны через мембрану. При на-
личии электрохимического протонного гра-
диента протоны будут двигаться из межмем-
бранного пространства назад в матрикс, за-
ставляя фермент работать как «обращенную
АТРазу» с образованием АТР из ADP и Рь
4. Внутренняя мембрана непроницаема для
протонов и других ионов. Следовательно,
в мембране находятся белки-переносчики,
обеспечивающие избирательный транспорт
ионов и метаболитов без нарушения электро-
химического градиента на внутренней мем-
бране.
118
Глава 5
Ацетил-СоА
(C2)
Оксалоацетат
(C4)
/
H2O
Цитрат
(С2) х
Малат
(С4)
Цикл
лимонной
кислоты
\'* Н„0
Цис-аконитат
(C6> \ Z-H2°
2Н
H2O
Изоцитрат
(C6>A
2Н
Фумарат
(C4)
co2
2Н
Сукцинат
(C4)
NAD -*--2H
j а-Кетоглутарат
" И....* CO,
Сукцинил-СоА
(C4)
® j
H2O
FP
Р .
FADH2
Q
Cytb
Окислительное
фосфорилирование
Cyt с
FP
Cyt
дыхательная цепь
флавопротеин
Cyt алд
цитохром
высокоэнергетический
фосфат
H2O
Анаэробиоз (гипоксия, аноксия)
Рис. 5-5. Цикл лимонной кислоты. При аэробных условиях молекулы пирувата, полученные в результате гликолиза
проникают в митохондрию и превращаются в ацетил-СоА. Ацетил-СоА и одна молекула воды поступают в цикл ли-
монной кислоты и окисляются до двух молекул СО2 и восстановительного эквивалента (2Н). Окисление восстанови-
тельных эквивалентов в дыхательной цепи сопряжено с образованием АТР. Обратите внимание, что ферменты цикла
лимонной кислоты находятся в митохондриальном матриксе, а ферменты дыхательной цепи локализованы на внут-
ренней мембране митохондрий. (Воспроизведено с разрешения из: Murray RK et al. Harper's Biochemistry, 24th ed
Appleton & Lange, 1996.)
Митохондрии и клеточная энергетика
119
Этот хемиосмотический процесс сопрягает энер-
гию окисления метаболитов с производством АТР
на внутренней митохондриальной мембране. Энер-
гия, которая получается в результате окисления
пирувата в цикле лимонной кислоты и приводит к
образованию NADH и FADH2 из NAD+ и FAD, на-
капливается в виде электронов или восстанавли-
вающих эквивалентов. Эти электроны в конце кон-
цов соединяются с кислородом для производства
АТР в процессе окислительного фосфорилирова-
ния. Когда электроны, запасенные в форме NADH
и FADH2, высвобождаются, они транспортируются
по дыхательной цепи, расположенной на внутрен-
ней митохондриальной мембране. Энергия, высво-
бождаемая при переходе с одного переносящего
комплекса на другой, выкачивает Н+ из матрикса
через внутреннюю мембрану в межмембранное
пространство (рис. 5-6). Этот процесс создает
на внутренней митохондриальной мембране
электрохимический протонный градиент. Теперь
концентрация протонов выше в межмембранном
пространстве, поэтому протоны перетекают по
протонному градиенту (направляемые частично
отрицательным зарядом со стороны матрикса)
обратно в матрикс. Это приводит в действие
мембрано-связанную ATP-синтазу, которая
превращает ADP и Pi в АТР.
Н+
Рис. 5-6. Хемиосмотическое сопряжение и синтез АТР. Образование АТР с помощью АТР-синтазы связано с входом
ротонов через внутреннюю мембрану (наверху). Окисление в дыхательной цепи вызывает перенос протонов из мат-
: икса и поддерживает протонный градиент (справа). Fi и Fo — это белковые субъединицы, ответственные за фосфо-
рилирование. Комплексы I, III и IV дыхательной цепи действуют как протонная помпа. Исследователи используют
вещества, нарушающие это хемиосмотическое сопряжение, для изучения нормальных процессов. Динитрофенол,
разобщающий агент, делает внутреннюю мембрану проницаемой для протонов (слева). Олигомицин действует
на ATP-синтазу, блокируя вход протонов в матрикс (наверху). (Воспроизведено с разрешения из: Murray RK et al.
Harper's Biochemistry, 24th ed. Appleton & Lange, 1996.)
120
Глава 5
Транспорт электронов
В систему транспорта электронов входят три
крупных белковых комплекса (I, III, IV) и убихи-
нон, которые отвечают за последовательный пере-
нос высокоэнергетических электронов, доставляе-
мых NADH и FADH2, на молекулярный кислород
(рис. 5-6). В состав каждого комплекса входят сле-
дующие компоненты: (1) большой олигомерный
фермент, катализирующий перенос электронов;
(2) небелковые органические (простетические)
группы, связанные с ферментом, принимающие и
высвобождающие электроны; и (3) белки, которые
обеспечивают движение протонов. Также присут-
ствуют два небольших подвижных переносчика
электронов (цитохром с и убихинон), циркулирую-
щих между тремя основными комплексами
(рис. 5-6). Основные свойства каждого комплекса
приведены в табл. 5-1.
Транспорт электронов начинается, когда два
электрона, отделившиеся от NADH, передаются
к первому из 15 переносчиков электронов дыха-
тельной цепи. Только что отделившиеся электро-
ны обладают наибольшей энергией. Эта энергия
постепенно тратится по мере переноса электронов
по цепи; таким образом, акцепторы, находящиеся
в конце цепи, имеют большее сродство к элек-
тронам, по сравнению с первыми акцепторами.
Фактически, происходит перенос электронов меж-
ду атомами металлов, присутствующих в простети-
ческих группах белковых комплексов, а каждый
комплекс обладает более высоким сродством
к электронам, чем предыдущий. Электроны пере-
даются по цепи до тех пор, пока не соединятся
с молекулярным кислородом, обладающим наи-
большим сродством к электронам. Молекулы
переносчиков поглощают видимый свет и имеют
характерные спектры поглощения в окисленном
и восстановленном состоянии. Эти свойства позво-
ляют проводить спектроскопический анализ пове-
дения различных комплексов под воздействием
ингибиторов или стимуляторов окислительного
фосфорилирования. В частности, использование
специальных антибиотиков, химических веществ и
лекарств, влияющих на различные этапы дыха-
тельной цепи, помогло установить последователь-
ность переноса электронов (рис. 5-7). Кроме того,
некоторые из этих мембранных комплексов можно
растворять в слабом растворителе и анализировать
их спектроскопические свойства. Краткое описа-
ние основных переносчиков электронов дано ниже:
более детальную информацию можно найти в учеб-
нике по биохимии.
За исключением убихинона, все простетические
группы, переносящие электроны, связаны с белками.
Простетические группы переходят из окисленного
в восстановленное состояние и обратно, то есть от-
дают или принимают электроны. Одной из просте-
тических групп (в комплексе II) является FAD,
который принимает электроны от сукцината, окис-
ленного в цикле лимонной кислоты. В отличие от
NAD, молекула FAD прочно связана с внутренней
митохондриальной мембраной и отдает электроны
непосредственно комплексу убихинона (рис. 5-5
и 5-7). FAD имеет следующую структуру:
И молекула FAD, и молекула флавинмононук-
леотида (FMN), который представляет собой фос-
фат-рибоза-аозтистое основание в комплексе L
имеют окислительно-восстановительную часть,
образованную из рибофлавина (рис. 5-8). Эти пе-
реносчики транспортируют пары электронов и при
восстановлении связываются с двумя атомами во-
дорода с образованием FMNH2; при связывании
FAD и FMN с белками образуются флавопротеи-
ны. Вторая группа переносчиков состоит из цито-
хромов, относящихся к семейству белков, обладаю-
щих сходными спектрами поглощения и связанных
с гемовой группой, в которой центральный атом
Таблица 5-1. Основные свойства каждого комплекса
Комплекс Функция Молекулярная масса комплекса Пол и пептидные субъединицы Транспорт Н+
I (NADH-дегидрогеназ- ный комплекс) Перенос электрона с NADH на убихинон -850 000 16-26 Да
II (FAD-опосредованный) Перенос электронов, полученных при окислении сукцината в цикле лимонной кислоты, на убихинон 97 000 4-5 Нет
III (комплекс цитохромов Ь-с) __ Перенос электрона от убихинона на цитохром с ~300 ООО 8 Да
IV (комплекс цитохром- оксидазы а/аз) Перенос электронов от цитохро- ма с на кислород -200 000 10-13 Да
Митохондрии и клеточная энергетика
121
Малонат
Разобщители
Разобщители
Заа@ Амобарбитал
ротенон
Элигомицин
ADP + Р( АТР
Место сопряжения 2
Олигомицин з
ADP + Р( АТР
Место сопряжения 1
ADP + Р( АТР
Место сопряжения 3
-* о2
Рис. 5-7. Ингибирование дыхательной цепи различными веществами. На рис. показаны четыре комплекса дыхатель-
.-:«)й цепи и предполагаемые участки ингибирования. TTFA — хелатообразующий реагент на железо. (Q — предпола-
лемое место ингибирования; комплекс I — NADH: убихиноноксидоредуктаза; комплекс II — сукцинат: убихинонок-
лдоредуктаза; комплекс III — убихинол: феррицитохром-с-оксидоредуктаза; комплекс IV — феррицитохром-с:
ислородоксидоредуктаза.) (Воспроизведено с изменениями с разрешения из: Murray RK et aL Harper's Biochemistry,
24th ed. Appleton & Lange. 1996.)
Рис. 5-8. Окисление и восстановление флавиновых нуклеотидов. Реакции окисления и восстановления FAD и FMN
,-ызывают изменения изоаллоксазинового кольца (центральное кольцо структуры из трех колец). (FAD — флавин-
иениндинуклеотид; FMN — флавинмононуклеотид). (Воспроизведено с изменениями с разрешения из: Murray RK
* al. Harper's Biochemistry. 24th ed. Appleton & Lange, 1996.)
H CH3
H3c-V "'"I C ' V®
НС H Fe H CH
/"-n' N
H
ch2 CH;
CH, CH,,
I i
coo coo
Рис. 5-9. Простетическая группа цитохромов. Вся молекула,
включая центральный атом железа и тетрапиррольное коль-
цо, называется группой гема. Во время окислительно-вос-
становительного цикла атом железа поочередно принимает
состояние Fe2+ и Fe3+. Различные цитохромы содержат раз-
личные боковые группы, соединенные с центральной коль-
цевой структурой в позициях W, X, Y и Z.
железа переходит из окисленной ферри (Fe3+) трального атома железа, прочно связанного с че-
восстановленную ферро (Fe2+) форму. Гемовая тырьмя атомами азота, расположенными по углам
пуппа состоит из порфиринового кольца и цен- квадрата (рис. 5-9).
122
Глава 5
Третью группу переносчиков электронов состав-
ляют железо-серные белки, в которых два или че-
тыре атома железа ковалентно связаны с равным
числом атомов серы и формируют железо-серный
центр. Некоторые атомы серы принадлежат к цис-
теиновым остаткам в составе полипептидной цепи
железо-содержащего белка. Как и в цитохроме,
атомы железа поочередно принимают состояние
Fe2+ и Fe3+, когда комплекс присоединяет или отда-
ет электроны (рис. 5-10). К четвертому типу про-
стетических групп, действующих как переносчики
электронов, относятся медные центры. В настоя-
щее время мало что известно о структуре этих бел-
ков, за исключением того, что атомы меди перехо-
дят из окисленного в восстановленное состояние
и обратно (Си2+ и СгГ). Медь, находящаяся вместе
с гем-связанным атомом железа в биметалличе-
ском центре гема, может участвовать в заключи-
тельной стадии транспорта электронов.
Рис. 5-10. Железо-серный белок. Показана структура и
геометрия железо-серного белка Fe4S4- Другие серно-же-
лезные белки имеют геометрию, основанную на центре
Fe2S2- ((§)— кислотолабильная сера; Рг — апопротеин;
Cys — остаток цистеина)
Убихинон, небольшая гидрофобная молекула,
не связанная с белком, а растворенная в липидном
бислое — простейший переносчик электронов.
Убихинон может акцептировать по одному Н+ на
каждый присоединенный электрон и переносит ли-
бо один, либо два электрона. При переносе элек-
трона к следующему компоненту цепи протоны
высвобождаются. И убихинон, и цитохром с спо-
собны очень быстро перемещаться в плоскости
внутренней митохондриальной мембраны, при
этом приблизительно раз в 10 мс они случайно
сталкиваются с каждым из переносящих комп-
лексов. Три основных комплекса, по-видимому,
расположены отдельно друг от друга в липидном
бислое, а перенос электронов обусловлен специ-
фичностью каждого компонента (то есть относи-
тельным сродством к электронам). Эта модель
устройства комплексов переноса электронов отли-
чается от предшествующих. Ранее считалось, что
внутри мембраны существует структурно упорядо-
ченная цепь транспортных белков, сплетенных
вместе в структуру, напоминающую плот. Сейчас
предполагается, что перенос электронов к следую-
щему компоненту цепи определяется величиной
его сродства к электрону (то есть редокс-потенциа-
лом), а не образованием специфического структур-
ного комплекса.
Роль протонного насоса в системе
транспорта электронов
Как уже было упомянуто, пока поток электронов
идет от NADH к кислороду, система переноса элек-
тронов перекачивает Н из митохондриального мат-
рикса в межмембранное пространство. Переносящие
комплексы I, III и IV были выделены из мембраны
митохондрий и in vitro показана их способность пе-
рекачивать электроны. Как in vivo, так и in vitro по-
казано, что во время транспорта по дыхательной це-
пи пары электронов перекачивается минимум три
протона. Несмотря на то, что эти данные подтвер-
ждают гипотезу Митчелла, точные механизмы пере-
мещения протонов по внутренней мембране до сих
пор неизвестны. Наиболее широкое признание по-
лучило предположение о том, что перенос Н+ осу-
ществляется путем активного транспорта, который
снабжается энергией за счет чередования окисли-
тельно-восстановительных циклов. В соответствии
с этой гипотезой, при восстановлении переносящего
комплекса происходят конформационные измене-
ния, которые активируют высокоаффинный про-
тон-связывающий участок, расположенный на мат-
риксной стороне внутренней мембраны. При окис-
лении переносчика его конформация изменяется
таким образом, что Н+-связывающий участок ока-
зывается на противоположной стороне мембраны
В то же время сродство этого участка к протону
уменьшается, и протон высвобождается в межмем-
бранное пространство. Существуют примеры, в ко-
торых активный транспорт ионов через мембраны
может быть объяснен этой моделью. Например
бактериородопсин, хорошо изученный пример пере-
качивания протонов, рассматривается как модель
которая наиболее точно объясняет эксперименталь-
ные данные.
Митохондрии и клеточная энергетика
123
Синтез АТР и дыхательная цепь
Как уже говорилось, когда протоны в соответст-
вии с градиентом концентрации проходят из меж-
мембранного пространства обратно в матрикс че-
рез фермент ATP-синтазу, из ADP и Р, образуется
АТР (рис. 5-6). Детали этого процесса были выяс-
нены в экспериментах, проведенных в конце 60-х
годов исследовательской группой Racker и др.
Митохондрии обрабатывали ультразвуком и изо-
лировали субмитохондриальные частицы, на
которых воспроизводился синтез АТР in vitro
< рис. 5-2). Эти частицы представляют собой «вы-
вернутые пузырьки», в которых молекулы, обра-
щенные ранее в матриксное пространство, нахо-
дятся снаружи. При добавлении NADH, ADP и Pj
в такой препарат происходит транспорт электро-
нов и синтезируются молекулы АТР. Участвую-
щая в этом процессе АТРаза обозначается как
FnFi-АТРаза, так как ферментный комплекс легко
разделяется на Fo и Ft субъединицы. Fi субъедини-
ца образована полипептидами, которые могут быть
оделены от внутренней мембраны слабым раство-
рителем, и состоит, по крайней мере, из шести раз-
личных субъединиц, некоторые из которых много-
кратно повторяются. В состав Fo-АТРазы входят
полипептиды трех видов, также присутствующие
в виде многочисленных копий. Эти полипептиды
могут быть выделены из внутренней мембраны
только с помощью сильного растворителя. При ис-
пользовании электронной микроскопии с негативным
крашиванием Racker заметил, что АТРаза напо-
минает по форме леденец на палочке со сфериче-
кой головкой. Если удалить эти сферические уча-
гки с вывернутых митохондриальных пузырьков,
” » оставшиеся частицы смогут окислять NADH,
но не смогут синтезировать АТР. В то же время
изолированные сферические частицы, в отсутст-
вии мембран, могут гидролизовать АТР до ADP
и Pj (то есть они обладают АТРазной активностью).
Самое важное, что при повторном добавлении сфе-
рических частиц к внутренней митохондриальной
мембране пузырьков, вновь образованные частицы
действуют как обращенные АТРазы и генерируют
АТР из ADP и Pj. После этого классического экс-
перимента было показано, что Ft-АТРаза, соответ-
ствующая сферическому компоненту, является ча-
стью более крупного комплекса, который имеет
молекулярную массу приблизительно 500 000 и со-
стоит, по крайней мере, из девяти субъединиц.
Теперь этот фермент рассматривается как
АТРсинтаза. Fo компонент АТРсинтазы состоит из
шести отдельных субъединиц, большинство из ко-
торых связано с мембранным бислоем. Fo-комплекс
не способен к синтезу АТР в отсутствии сфериче-
ского Ft-комплекса. Таким образом, считается, что
Fo-комплекс обеспечивает образование Н+-перено-
сящего канала АТРсинтазы (рис. 5-11).
Заболевания, связанные
с митохондриями
Несмотря на то, что в митохондриях есть собст-
венная ДНК, она имеет ограниченный объем ко-
дирования, и большинство митохондриальных
белков кодируются ядерными генами. Описано
множество мутаций генов, кодирующих ферменты
окислительного фосфорилирования в организме
человека. Например, некоторые редкие генети-
ческие заболевания связаны с метаболизмом пи-
рувата на этапе, когда пируват превращается
Внутренняя
мембрана
Рис. 5-11. Митохондриальная FqFi-АТРаза. Данная модель
отображает основные Ft и Fo компоненты. Ft компонент со-
стоит из а, р, у, 6 и е субъединиц. Fo-компонент состоит из а,
Ь, с субъединиц, погруженных в липидных бислой внутрен-
ней митохондриальной мембраны. Эта модель построена на
основе F0Fi-АТРазы £. coli; митохондриальный фермент со-
держит три дополнительные мембранные субъединицы.
Кольцо субъединиц, вероятно, формирует Непроводящий
канал. (Воспроизведено с разрешения из: Wolfe SL. Molecu-
lar and Cellular Biology. Wadsworth, 1993.)
124
Глава 5
в ацетил-СоА перед поступлением в цикл лимон-
ной кислоты. Этот этап опосредуется пируватде-
гидрогеназным ферментным комплексом, который
состоит из трех отдельных ферментов, обозначае-
мых как Ei, Е2 и Е3. Ферменты Ei и Ез связаны
с несколькими генетическими заболеваниями,
при которых метаболический дисбаланс может
приводить к тяжелым порокам развития. Различные
формы неонатального лактоацидоза, вызывающего
неврологические расстройства, связаны с дефектом
одной из трех субъединиц, которые составляют
фермент Еь Тяжелые больные обычно погибают
в раннем детстве, а больные с легкой формой забо-
левания поддаются лечению, которое заключается
в снижении уровня ацидоза с помощью диализа
и введения бикарбоната. Тем не менее легкие формы
заболевания могут приводить к прогрессирующей
дегенерации нервной системы.
Как уже говорилось, окислительное фосфорили-
рование служит основным источником энергии
в клетках. Следовательно, дефекты на любом этапе
этого пути могут приводить к нарушению работы
мышц или головного мозга. Были описаны случаи
заболевания детей с дефектами в I, II и IV ком-
плексах. Эти заболевания имеют множество фено-
типических проявлений, включая слабость, сни-
женную толерантность к физическим нагрузкам,
миопатию, энцефалопатию и кардиомиопатию.
Некоторые из этих генетических дефектов сумми-
рованы в таблицах 5-2 и 5-3. Для получения более
полного описания этих заболеваний мы рекомен-
дуем обратиться к учебнику по генетике.
Таблица 5-2, Нарушения окислительного фосфорилирования, возникающие в результате дефектов
ядерной ДНК (яДНК)
Заболевание Субъедницы комплекса Клинические фенотипы .
Недостаточность I комплекса (ЫАОН:убихиноноксидоредуктаза) I По крайней мере 35 по- липептидов; семь коди- руются мтДНК 1. Миопатия 2. Фатальное младенческое мультисистемное заболевание 3. Энцефаломиопатия _ .
Недостаточность II комплекса (сук- цинат:убихиноноксидокредуктаза) Четыре компонента, ко- дируемые только яДНК 1. Энцефаломиопатия 2. Миоп ат и я
Недостаточность III комплекса (уби- хинол:ферроцитохром с оксидоре- дуктаза) 11 субъединиц; одна ко- дируется мтДНК 1. Миопатия 2. Гистиоцитоидная кардиомиопатия младенцев 3. Мультисистемная энцефаломиопатия а. фатальная младенческая форма б. легкое заболевание
Недостаточность IV комплекса (цито- , I хром с оксидаза) | i i 13 субъединиц; три ко- дируются мтДНК 1. Миопатическая форма а. фатальная младенческая миопатическая форма б. доброкачественная младенческая миопатиче- ская форма 2. Энцефаломиопатическая форма а.синдром Лея б.синдром MNGIE в синдром Альперса
Недостаточность V комплекса (АТРсинтаза) 12-14 субъединиц; две кодируются мтДНК 1. Миопатия 2. Мультисистемное заболевание
Недостаточность коэнзима Ою (СоОю) Ми оп атия и припадки
Дефекты межгеномной сигнализации Делеция мтДНК Множественные делеции мтДНК I i i i 1. Врожденная младенческая митохондриальная миопатия 2. Фатальная младенческая гепатопатия 3. Младенческая и детская миопатия 1. Аутосомно-доминантная форма хронической прогрессирующей наружной офтальмоплегии
Воспроизведено с разрешения из: Seashore MR, Wappner RS. Lactic acidosis & mitochondrial oxidative phosphorila-
tion. Chapter 16 in: Genetics in Primary Care & Clinical Medicine, Appleton & Lange, 1996, p.212.
Синдром Лея — подострая некротизирующая энцефаломиопатия; MNGIE — синдром митохондриальной нейро-
патии, желудочно-кишечных нарушений и энцефалопатии; мтДНК — митохондриальная ДНК.
Митохондрии и клеточная энергетика
125
Таблица 5-3. Нарушения окислительного фосфорилирования, связанные с мутациями в митохондриальной
ДНК (мтДНК)
Заболевание Кл и ни чес кие фенотипы Тип наследования |
Крупные перестройки (делеции или дупликации) мтДНК Синдром Кернса-Сейра Варианты синдрома Кернса-Сейра (СРЕО и СРЕО-плюс) Спорадический, ненаследуемый Спорадический, ненаследуемый
Синдром Пирсона Сахарный диабет и глухота Спорадический, ненаследуемый По материнской линии
Точечные мутации мтДНК LHON; наследственная атрофия зрительных нервов :Лебера По материнской линии
Структурные гены мтДНК Синтетические мутации мтДНК (точечные мутации мтДНК, приводящие к по- вреждению тРНК) NARP; нейропатия, атаксия, пигментозный ретинит MELAS; митохондриальная энцефаломиопатия с лактоацидозом и инсультоподобными эпизодами MERRF; миоклоническая эпилепсия, "рваные" крас- ные волокна По материнской линии По материнской линии По материнской линии
MiMyCa; наследуемое по материнской линии забо- левание с миопатией и кардиомиопатией, возни- кающей во взрослом состоянии По материнской линии
Наследуемые по материнской линии сахарный диа- бет и глухота , По материнской линии 1
Воспроизведено с разрешения из: Seashore MR, Wappner RS. Lactic acidosis & mitochondrial oxidative
cnosphorilation. Chapter 16 in: Genetics in Primary Care & Clinical Medicine, Appleton & Lange, 1996, p. 215.
CPEO — прогрессирующая внешняя офтальмоплегия.
Библиография
\-berts В et al: Energy conversion: mitochondria and
chloroplasts. Chapter 14 in: Molecular Biology of the Cell,
3rd ed. Garland, 1994.
: • atefi Y: The mitochondrial electron-transport system and
oxidative phosphorylation. Annu Rev Biochem 1985;
54:1015.
_.r ningher AL: Glycolysis. Chapter 16 in: Principles of Bio-
chemistry, 2nd ed. Worth, 1978.
_ ningher AL; The tricarboxylic acid cycle and phospho-
gluconate pathway. Chapter 17 in: Principles of Biochem-
istry, 2nd ed. Worth, 1978.
..ningher AL: Oxidative phosphorylation, mitochondrial
structure, and the compartmentation of respiratory me-
tabolism. Chapter 19 in: Principles of Biochemistry, 2nd
cd. Worth, 1978.
4t:rchell P: Chemiosmotic coupling in oxidative and pho-
'.o-synthetic phosphorylation. Biol Rev 1966:41:445.
Mitchell P: Coupling of phosphorylation to electron and hy-
drogen transfer by a chemiosmotic type of mechanism.
Nature 1961; 191:144.
Mayes PA: The respiratory chain & oxidative phosphoryla-
tion. Chapter 14 in: Murray RK et al (editors): Harper’s
Biochemistry, 24th ed. Appleton & Lange, 1996.
Mayes PA: The citric acid cycle: the catabolism of
acetyl-CoA. Chapter 18 in: Murray RK et al (editors):
Harper's Biochemistry, 24th ed. Appleton & Lange, 1996.
Seashore MR, Wappner RS: Lactic acidosis & mitochon-
drial oxidative phosphorylation. Chapter 16 in: Genetics
in Primary Care & Clinical Medicine. Apple ton & Lange,
1996.
Wolfe SL: Energy for cell activities: cellular oxidations and
the mitochondrion. Chapter 9 in: Molecular and Cellular
Biology. Wadsworth, 1993.
Клеточный цикл
и деление клетки
6
Основные термины
Митотическая фаза
Интерфаза
Фаза Gi
Фаза Go
Фаза S
Фаза G2
Фактор, стимулирующий созревание
Циклины
Опухолевый супрессор
Белок р53
Ретинобластома
Апоптоз
Хроматин
В биологии постулируется, что клетки размно-
жаются путем деления. В связи с постоянным со-
вершенствованием микроскопии биологи приоб-
ретают все более мощные средства для изучения
тончайших механизмов воспроизводства клеток.
Благодаря этому увеличивается точность описания
процессов, происходящих при клеточном делении.
В жизни клеток существует два основных пе-
риода: М-фаза (фаза митоза) и интерфаза. Во вре-
мя М-фазы наблюдаются следующие процессы:
• компактизация (конденсация) хромосом
• формирование веретена и выравнивание хро-
мосом в плоскости экватора клетки
• расхождение сестринских хроматид к полю-
сам клетки
• образование борозды деления
• окончательное разделение одной клетки на
две дочерние.
Биологические процессы, происходящие в тече-
ние интерфазы, не менее интересны. Главными
методиками изучения этих процессов являются
микроскопическое исследование специфических
компонентов клетки, меченных радиоизотопами
выращивание клеток в специальных условиях, раз-
работка молекулярных проб для определения спе-
цифических молекул, которые подготавливают
клетку к М-фазе. В результате применения этих и
других методик были открыты многие важные про-
цессы, происходящие в интерфазе.
Мы начнем с описания сигналов и процессов
подготавливающих клетку к делению. При изуче-
нии биохимических процессов клеточного цикла
было выявлено множество специфических моле
кул, которые предотвращают неограниченное деле-
ние клетки, приводящее к формированию опухо-
лей. Многие из этих регуляторных молекул живет
в клетке недолго и синтезируются или активиру-
ются только после получения определенного био-
химического сигнала.
Основные законы клеточного цикла
Фазы нормального клеточного цикла
Рис. 6-1 иллюстрирует четыре фазы клеточного
цикла.
А. Фаза М. Это митотический цикл, который
длится обычно 30-60 минут. М-фаза завершается
разделением клетки на две дочерние клетки.
Б. Фаза Gi (Gap 1). Это интервал между
окончанием М-фазы и началом репликации дезок-
сирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Длитель-
ность этой фазы изменяется в зависимости от типа
клетки. Для большинства клеток млекопитающих
фаза Gi продолжается около 12 часов.
В. Фаза S или синтетическая фаза. Это пе-
риод подготовки к митозу, во время которого про-
исходит синтез и репликация ДНК.
Д. Фаза G2 (Gap 2). Это период подготовки,
клетки к митозу, в течение которого осуществляет-
ся контроль полноты репликации ДНК. Это также
период роста и окончательного формирования со-
держимого клетки перед вхождением в фазу М.
Клетрчный цикл и деление клетки
127
Рис. 6-1. Клеточный цикл. Четыре фазы клеточного
цикла — Gi, S, G2 и митоз. Обратите внимание, что
. большинства клеток млекопитающих самая короткая
раза — это митоз. S-фаза (для синтеза и репликации
ЛНК) отделяется от митоза промежуточными интерва-
лами Gi и G2. Белая стрелка показывает точку, в которой
.<летка направляется в S-фазе: темная стрелка указывает
за вхождение в митоз. (Воспроизведено с разрешения
аз: Murray RK et al. Harper’s Biochemistry, Appleton &
Lange, 1996, p. 412.)
Продолжительность клеточного
цикла
Длительность клеточного цикла изменяется
з зависимости от типа клетки и стадии развития
рганизма. Например, клеточный цикл оплодо-
творенного яйца обычно очень непродолжителен.
Эплодотворенное яйцо лягушки делится очень
ыстро (около 30 минут). Большую часть этого
времени занимают фазы S и М, а на фазы Gt и G2
утрачивается очень мало времени. Поскольку
з яйце уже существует большой запас белков и дру-
их веществ, необходимых для клеточного деле-
ния, синтеза новых белков почти не требуется.
Таким образом, Gap-фазы укорачиваются.
На ранних стадиях развития необходимо сфор-
мировать как можно больше клеток за относитель-
> короткий промежуток времени. Например, в оп-
сотворенном яйце лягушки в течение 6 часов
происходит 12 дроблений и образуется эмбрион из
* '.92 клеток. Клетки делятся быстро, но увеличива-
« гея в размере незначительно. Тем не менее за
ет огромного количества клеток и некоторой
л имметрии деления эмбрион формируется в тече-
ние нескольких часов. После того как эмбрион
формирован и закладка трех основных типов
ткани завершена, время, необходимое для клеточ-
ного цикла, увеличивается за счет удлинения
Gap-фаз. Синтез новых белков приводит к тому,
что клетки увеличиваются в размере и объеме.
Поступательный характер клеточного
цикла
Клеточный цикл поступателен. Когда клетки
вступают в Gi, последовательность молекулярных
процессов «обучает» клетку для того, чтобы при-
ступить к вхождению в S-фазу. Если эти биохими-
ческие процессы не происходят, клетка не перехо-
дит к репликации ДНК и остается в фазе Gi.
Если осуществление клеточного цикла в фазе Gi
замедляется, клетка может экспрессировать белки,
которые используются не для клеточного деления.
В этом случае фаза Gi значительно удлиняется.
Эта затянувшаяся Gi-фаза называется фазой Go
и представляет собой особое состояние клеточного
цикла.
Все клетки организма находятся в какой-либо
фазе клеточного цикла. Высокодифференциро-
ванные нейроны или кардиомиоциты находятся
в фазе Go, что означает, что цикл деления в них
приостановлен и не возобновляется. Клетки кост-
ного мозга или слизистой желудочно-кишечного
тракта, наоборот, почти непрерывно делятся
и редко входят в фазу Go- Клетки большинства
тканей организма могут возвращаться в цикл де-
ления, но обычно в данной ткани в данное время
делится только небольшое количество клеток.
Исключения составляют случаи, когда происхо-
дит повреждение клетки или возникают аномаль-
ные молекулярные процессы, заставляющие уже
дифференцированные клетки возвращаться к про-
цессу деления.
Биохимические процессы клеточного цикла
одинаковы у всех эукариотических клеток. Факти-
чески, многие молекулы, участвующие в клеточ-
ном делении, можно изучать на низших организ-
мах. Например, изучение почкования дрожжей
значительно помогло прояснить клеточные и моле-
кулярные процессы, происходящие на каждой ста-
дии клеточного цикла позвоночных. Много инте-
ресных открытий дало исследование клеточного
цикла низших позвоночных, таких как африкан-
ская шпорцевая лягушка (Xenopus laevis), или
беспозвоночных, таких как морские ежи или нема-
тоды (Caenorhabditis elegans).
128
Глава 6
Данные, полученные в опытах на яйцах лягушки
Процессы созревания половых
клеток
Значительный прорыв в изучении молекулярных
процессов клеточного цикла произошел благодаря ис-
следованиям, проведенным на яйцах X. laevis. Это дос-
таточно большие клетки, приблизительно 1 мм в диа-
метре, которые по количеству цитоплазматических
белков в тысячи раз превосходят клетки развивающе-
гося головастика. Яйцо лягушки проходит особый вид
митоза, называемый мейозом, при котором число хро-
мосом, а следовательно и количество ДНК, уменьша-
ется вполовину (рис. 6-2). Уменьшение числа хро-
мосом происходит с помощью двух уникальных
клеточных делений, при которых ДНК не реплици-
руется. На первом этапе находящиеся в яичнике яйца
задерживаются в С2-фазе (первое мейотическое деле-
ние) и остаются в этом задержанном состоянии. Когда
подходит время оплодотворения яиц, в кровь самки
секретируется стероидный гормон прогестерон, кото-
рый стимулирует яйца, остановленные на С2-фазе,
для вступления во второе деление мейоза. В результа-
те этого деления появляются дочерние клетки двух
типов. Первая дочерняя клетка — полярное тельце —
далее не функционирует и исчезает. Вторая клетка —
ооцит — содержит половинный хромосомный набор.
Ооциты вновь вступают в М-фазу и задерживаются
в ней. Эти гаплоидные клетки поступают в яйцеводы
самки и готовы к оплодотворению спермой, клетки
которой также подверглись мейотическому уменьше-
нию хромосомного набора. При оплодотворении яйца
сперматозоидом хромосомный набор (количество
ДНК) удваивается и регулирует все последующие
процессы деления и роста клетки.
Фактор, стимулирующий созревание
До оплодотворения ооцитов вспомогательные
клетки яичников секретируют прогестерон, кото-
рый заставляет ооциты, задержанные в фазе G
(рис. 6-2):
1. пройти I деление мейоза и вступить во вто-
рое деление;
2. задержаться на стадии деления II мейоза в
фазе М, имея гаплоидные хромосомы.
В естественных условиях во время спаривания
гаплоидный сперматозоид оплодотворяет яйцо
затем быстро происходит 12 митотических циклов
и формируется тело головастика. Интересно, что
ооциты, задержанные либо в фазе G2, либо вс>
II фазе мейоза. могут быть изолированы и исполь-
зованы в экспериментах in vitro. Было проведет
исследование, в котором цитоплазма клеток, нахо-
дящихся во II делении мейоза (М-фазе), вводилась
в ооциты, находящиеся в С2-фазе. При этом ооци-
ты переходили из фазы G? в митоз и делились
Эти результаты позволили идентифицировать
вещество, которое присутствовало в цитоплазм»
клеток, находящихся в метафазе, но отсутствовал* *
в клетках, остановившихся в фазе G2. Это вещест-
во было названо фактором, стимулирующим со-
зревание или фактором стимуляции митоза
(mitosis-promoting factor, MPF). Этот фактор сти-
мулирует клетки, находящиеся в фазе G2, к вступ-
лению в митоз. Стероид прогестерон также може:
направлять С2-клетки в митоз, поскольку стимули-
рует производство MPF.
Если клетки млекопитающих, выращенные
в культуре, обработать реагентом, блокирующим
образование микротрубочек веретена, наприме:
колхицином, клетки останавливаются в профазе.
При введении цитоплазмы таких клеток в ооцитк
Задержка в
интерфазе
Растущий
ооцит
Прогестерон
Зрелый
ооцит
Мейоз I
Оплодотворение
Задержка в Оплодотворенное Первое
мейозе II яйцо дробление
Рис. 6-2. Созревание ооцита и оплодотворение. После синтеза ДНК ооцит лягушки задерживается в фазе G2 и наш
нает расти. Под влиянием прогестерона зрелый ооцит совершает первое мейотическое деление и вступает во втор< >
Затем ооцит задерживается в метафазе второго деления. Оплодотворение инициирует завершение второго мейотпч-
ского деления и начало развития эмбриона (показано в виде первого дробления оплодотворенного яйца). (Воспрои
ведено с изменениями с разрешения из: Murray A, Hunt Т. The Cell Cycle. Freeman, 1993.)
Кл еточный цикл и деление клет к и
129
лягушки, находящиеся в фазе G2, клетки лягушки
преодолевают блокировку и вступают в митоз. Эти
результаты означают, что MPF присутствует также
и в клетках млекопитающих. Действительно, было
показано, что MPF млекопитающих эффективно
стимулирует митоз в клетках амфибий.
MPF: регулятор митотических
процессов
Роль циклима В
Почти во всех изученных эукариотических клет-
ках, включая клетки дрожжей, червей и мух, MPF
контролирует вхождение в митоз. Изучение экс-
прессии этой молекулы в клетках необходимо
тля понимания молекулярных процессов митоза.
С этой целью были проведены два эксперимента
:п vitro, описанные ниже.
А. Ооцит лягушки, задержанный в фазе
G2, обладает полным набором белков и рибонук-
деиновых кислот (РНК) (включая мРНК и тРНК),
необходимых для неоднократного повторения цик-
:а клеточного деления. Однако если к ооцитам ля-
лтпки в фазе G2 добавить ингибитор белкового
интеза (то есть циклогексимид или пуромицин),
продолжение клеточного цикла блокируется. Это
.называет на то, что для завершения клеточного
никла требуется синтез новых белков.
Б. При добавлении к ооцитам аминокислот,
меченных радиоизотопами, например в среду,
де содержатся яйца морского ежа, меченые амино-
кислоты быстро переносятся в цитоплазму ооци-
тов и встраиваются в новые белки. Если разрушать
телящиеся ооциты, находящиеся в разных фазах
цикла, и разделять с помощью электрофореза при-
\ тствующие в них белки, обнаружится множество
Длков, содержащих радиоактивные аминокисло-
-ы. Однако один белок будет выявляться в фазе Gi
п в еще большем количестве — в фазах S и G2, но
-незапно исчезает при вступлении клетки в митоз.
Результаты будут повторяться при повторениях
•меточного цикла.
Подобные результаты подтверждают, что в клет-
<е синтезируется и разрушается белок, который
г-сно связан с событиями клеточного цикла. Этот
•собый белок был назван циклимом, и сейчас он
же выделен. Известно, что циклпн синтезируется
‘стоянпо на протяжение клеточного цикла и вне-
лпно разрушается в начале анафазы.
В настоящее время известны различные типы
иклинов. Ключевым компонентом MPF считается
циклим В, так как увеличение и снижение концен-
' рации этого белка точно совпадает с процессами
• неточного цикла.
Строение циклина В
Циклин В включает две субъединицы:
1. киназный домен, способный к фосфорилиро-
ванию специфических веществ в клетке;
2. регуляторную субъединицу, синтез которой
то усиливается, то ослабевает в течение кле-
точного цикла.
Синтез циклина В начинается в фазе Gi, дости-
гает максимального уровня в конце ранней профа-
зы и резко прекращается в начале анафазы. Когда
концентрация регуляторной субъединицы доста-
точно возрастает, активируется киназный домен.
Киназа циклина В фосфорилирует специфические
белки, изменяя таким образом их функции и при-
водя к компактизации хромосом, разрушению
ядерной оболочки и сборке веретена.
Двигатель клеточного цикла
Опыты с ооцитами лягушки показывают, что
клеточный цикл раннего эмбриона работает как
биохимический осциллятор, который периодиче-
ски вводит клетку в клеточный цикл и выводит из
него (рис. 6-3). Осциллятор — это серия биохими-
ческих процессов, в которых важную роль играет
MPF. Биомолекулярные процессы, происходящие
при увеличении и снижении концентрации MPF,
идут параллельно различным морфологическим
процессам митоза (см. таблицу 6-1). Двигатель
клеточного цикла включает в себя биохимические
процессы, в результате которых экспрессируются
белки, участвующие в определенных этапах цикла.
В процессе эмбрионального и постэмбриональ-
ного развития важную роль играет контроль экс-
прессии MPF. Существуют различные процессы,
контролирующие двигатель клеточного цикла.
В ооцитах двигатель запускается при оплодотворе-
нии яйца; но в соматических клетках двигатель мо-
гут запускать и другие процессы.
Таблица 6-1, Биомолекулярные процессы синтеза
MPF и соответствующие этапы митоза
Высокая концентрация MPF приводит к
Конденсации хромосом
Разрушению ядерной оболочки
Сборке веретена
Низкая концентрация MPF приводит к
Сегрегации хромосом
Декондексации хромосом
Восстановлению ядерной оболочки
Репликации ДНК
^Удвоению центросом_________
130
Глава 6
Осцилляция концентрации MPF (цикл и на В) на протяжении клеточного цикла
Рис. 6-3. Изменение концентрации циклина В во время клеточного цикла. Относительная концентрация циклина В
в клетках оплодотворенного яйца определялась с помощью электрофореза. При исследовании трех клеточных цик-
лов было показано, что концентрация циклина В быстро возрастает в поздней метафазе, относительно постоянна во
время митоза и резко падает в начале интерфазы. Подобные исследования доказали, что циклин В является важней-
шим компонентом фактора стимуляции митоза (MPF). (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из:
Evans Т et a.: Cyclin: a protein specified by maternal mRNA in sea urchin eggs that is destroyed at each cleavage division.
Cell 1983;33:389.)
Разрушение циклина В
Блок разрушения и убиквитин
В клетках постоянно идут процессы синтеза и
разрушения белков. Разрушение происходит глав-
ным образом в специализированных органеллах,
таких как лизосомы, где находится большинство
гидролизующих ферментов и поддерживается сре-
да, оптимальная для их активности (см. главу 4).
Однако для белков, участвующих во внутрикле-
точных регуляторных процессах, существует вто-
рой способ разрушения. К этому типу белков отно-
сятся и циклины. Эти белки содержат специфиче-
скую последовательность из 8-10 аминокислот,
локализованную вблизи N-конца и называемую
блоком разрушения. Когда белок, содержащий та-
кой участок, должен разрушиться, с аминокислота-
ми блока разрушения связывается второй белок
(распознающий белок). После этого третий белок,
убиквитинлигаза, присоединяет к остаткам лизи-
на, расположенным вблизи участка блока разруше-
ния несколько копий небольшого белка (76 амино-
кислотных остатков), называемого убиквитином.
Интересно, что сам убиквитин присоединяет еще
несколько остатков убиквитина. Белок с прикреп-
ленными остатками убиквитина направляется к
большему РНК-белковому комплексу, называемо-
му протеосомой, в котором находятся протеазы.
Именно в этом комплексе происходит разрушение
исходного регуляторного белка (рис. 6-4).
Сигналы, запускающие разрушение циклина В
во время анафазы, еще не изучены. Предполагает-
ся, что белок, распознающий блок разрушения, ак-
Разрушение циклина с помощью
прикрепления убиквитина
Блок разрушения PTVLGVIGD
Убиквитинлигаза Протеосома
Циклин .Циклин .Циклин Аминокислоты
Ub Ut:
Рис. 6-4. Разрушение циклина В. Быстрое разрушение
циклина В, связанное с началом интерфазы, осуществля-
ется с помощью прикрепления убиквитина. Фермент
убиквитинлигаза распознает специфическую последова-
тельность вблизи N-конца циклина В (блок разруше-
ния). Фермент связывает белковые молекулы убиквити-
на (Ub) с остатками лизина в полипептидной цепи цик-
лина В. Измененный белок распознается протеосомой.
захватывается протеолитическим комплексом и разру-
шается
тивируется путем фосфорилирования. Во время
накопления MPF (циклина В) фосфатаза перево-
дит распознающий белок в неактивное состояние.
Когда концентрация циклина В достигает макси-
мума, MPF фосфорилирует распознающий белок
быстрее, чем фосфатаза удаляет фосфат. В резуль-
тате распознающий белок связывается с блоком
Клеточный цикл и деление клетки____________
разрушения циклина В, приводя таким образом
к его разрушению. Эта модель частично объясняет
увеличение и падение концентрации MPF во вре-
мя клеточного цикла.
Участие MPF в процессах митоза
Повышение уровня MPF в поздней Сз-фазе
переводит клетку из G2 в М-фазу, а быстрое разру-
шение этого фактора вызывает выход из митоза.
Вхождение в митоз представляет собой последова-
тельное фосфорилирование специфических белков
MPF-киназой (или циклимом В). Именно эти фос-
форилированные белки вызывают важнейшие мор-
фологические изменения, происходящие при всту-
плении клетки в митоз (рис. 6-3).
Общая характеристика молекулярной структу-
ры ядерной оболочки была описана выше (гла-
ва 3). Белковая структура, которая стабилизирует
липидный бислой внутренней мембраны ядерной
оболочки, называется ядерной ламиной и пред-
ставляет собой сеть филаментов, расположенных
на внутренней поверхности ядерной мембраны.
К белкам, составляющим этот слой, относятся ла-
мины А, В и С.
Ламины А и С — производные одного и того же
гена, образующиеся при альтернативном сплай-
синге ламиновой мРНК. Ламин А содержит
113 добавочных аминокислот на С-конце. Ламин
В — продукт другого гена и связан с внутренним
липидным слоем с помощью гидрофобного изопре-
нилового якоря.
___________________________________________131
Три ядерных ламины формируют димеры, у ко-
торых имеется стержневидный домен, образован-
ный скрученными альфа-спиралями, и глобуляр-
ные домены на каждом конце. Эти димеры полиме-
ризуются и образуют сетеподобную структуру на
внутренней поверхности ядерной мембраны. В ран-
ней профазе MPF фосфорилирует специфические
сериновые и треониновые остатки ламинов и вы-
зывает их деполимеризацию, приводящую к разру-
шению ядра.
MPF фосфорилирует гистон Н1 и другие белки
каркаса хромосом, что приводит к их компактиза-
ции. Вместе с другими киназами MPF также уча-
ствует в фосфорилировании, которое блокирует
везикулярный транспорт и вызывает разрушение
эндоплазматического ретикулума и комплекса
Гольджи.
Цитокинез блокируется в раннем митозе благо-
даря тому, что MPF фосфорилирует участок лег-
кой цепи миозина, ингибирующий ее АТ Разную
активность и связывание с актиновыми филамен-
тами. С наступлением анафазы MPF (циклин В)
разрушается, ингибирование фосфатаз прекраща-
ется, и белки дефосфорилируются. Это позволяет
полностью аннулировать многие эффекты MPF.
Итак, комплекс MPF содержит каталитическую
киназную субъединицу и регуляторную циклино-
вую субединицу. Эти субъединицы являются ос-
новными молекулами, запускающими процессы
митоза. При их удалении клетка возвращается
в состояние интерфазы.
Регуляция клеточного цикла у млекопитающих
Роль многочисленных
циклинзависимых киназ и циклинов
На сегодняшний день известно, что как для кле-
ток лягушек, так и для клеток млекопитающих
главным фактором, регулирующим вступление
в М-фазу, является MPF. Напомним, что MPF со-
стоит из двух субъединиц — киназной и регулятор-
ной (циклиновой). Оказывается, в клетках млеко-
питающих существует небольшое семейство цик-
линзависимых киназ (cyclin-dependent kinases,
Cdk). Cdk пронумерованы с 1 по 5 в порядке их от-
крытия. На разных стадиях клеточного цикла ра-
'ютают различные циклины (рис. 6-5).
Роль комплексов Cdk-циклин
Когда клетки под действием факторов роста
выходят из фазы Go, первым начинает синтезиро-
ваться Сбк2-циклин D. Этот циклин, очевидно, рас-
познает вещества, регулирующие ферменты синтеза
белков, необходимых для образования пулов
предшественников для репликации ДНК. Пока
факторы роста стимулируют клетку, Сбк2-цик-
лин D находится в активном состоянии. Однако
и мРНК, и белки циклина D нестабильны, и при
снижении концентрации факторов роста Сбк2-цик-
лин D разрушается.
Сразу после появления С»к2-циклина D выяв-
ляются еще два белка: Сбк4-циклин D и Cdk5-цик-
лин D. Сбк2-циклин Е появляется в фазе Gi и дос-
тигает максимальной концентрации на границе
132
Глава 6
Рис. 6-5. Комплексы Сйк-циклин и клеточный цикл
млекопитающих. Диаграмма отражает активность раз-
личных Cdk-циклиновых комплексов на протяжении че-
тырех фаз клеточного цикла. Изменяющаяся ширина ка-
ждой ленты, представляющей определенный комплекс
Cdk-циклина, пропорциональна активности комплекса
в различные моменты клеточного цикла. Например, Cdk2-
циклин Е появляется в Gi-фазе, достигает максимальной
активности в поздней Gj и быстро исчезает в ранней
S-фазе. (Воспроизведено из: Sherr CJ. Mammalian Gt сус-
lins. Cell 1993;73:1059. Copyright 1993 by Cell Press.)
фаз Gi и S, после чего его концентрация резко сни-
жается. Сбк2-циклин А начинает синтезироваться
в промежутке между фазами Gi и S и присутствует
в высокой концентрации на протяжении всей фазы
репликации ДНК (S-фазы).
В конце С2-фазы начинается образование ком-
плекса Сбк2-циклина В. Концентрация этого ком-
плекса увеличивается на границе G2 и М фаз, затем
резко снижается вследствие полного разрушения.
Такое разнообразие киназ и циклинов обеспечива-
ет правильную экспрессию генов, отвечающих за
репликацию клетки. Большинство генов, регули-
руемых Cdk-циклинами, делятся на две категории:
1) гены быстрого ответа;
2) гены замедленного ответа.
Гены быстрого ответа обычно кодируют факто-
ры транскрипции, которые участвуют в регуляции
других генов. Продукты генов замедленного ответа
участвуют в метаболических процессах, включая
экспрессию субъединиц циклина (таблица 6-2).
Таблица 6-2. Циклины и циклинзависимые киназы,
участвующие в клеточном цикле
Циклины Киназа Функция
D Cdk4, Cdk6 Работа после точки ограни- чения на границе Gi/S
= Е, А Cdk2 Инициация синтеза ДНК в ранней фазе S
В Cdk1 Переход от G2 к М
Воспроизведено с разрешения из: Murray RK et al. Har-
per's Biochemistry, 24th ed. Appleton & Lange, 1996, p. 412.
Регуляторные точки фаз
клеточного цикла
Белок р53: связь с клиникой
Точная репликация и распределение генетиче-
ского материала — это важнейшие условия выжива-
ния клетки. В клеточном цикле существуют четыре
точки, в которых точность репликации, правиль-
ность последовательности и равное разделение
ДНК контролируются специальными клеточными
механизмами.
А. Регуляторная точка фазы Gi. Если в фазе
Gi обнаруживается повреждение ДНК, белок р53
выступает в роли фактора транскрипции и вызыва-
ет задержку клеток в Gb Нестабильный р53 обыч-
но быстро разрушается. Однако, когда в клетке по-
является аномальная ДНК, белок р53 стабилизи-
руется и присоединяется к этой ДНК. В результате
р53 накапливается в ядре и стимулирует экспрес-
сию белка, ингибирующего Cdk2.
Клетка задерживается в фазе Gi до тех пор, пока
поврежденные нуклеотиды восстанавливаются фер-
ментами репарации. Задержка в фазе Gt предотвра-
щает копирование поврежденных оснований и тор-
мозит мутацию ДНК. При отщеплении белка р53
от ДНК его концентрация снижается; ингибитор
Cdk отделяется, и Cdk начинает экспрессироваться.
В клетках многих метастатических опухолей че-
ловека оба аллеля р53 неактивны. В таких клетках
нарушен нормальный контроль, осуществляемый
р53. и поврежденная ДНК может реплицироваться.
В некоторых случаях это приводит к метастатичес-
кой трансформации опухолей.
Б. Регуляторная точка S-фазы функциони-
рует в фазе S, когда реплицируется ДНК. Появ-
ление мутаций в процессе репликации и их по-
следующее встраивание в геном может вызвать
серьезные последствия, включая гибель клетки.
Если произошли ошибки в репликации (что случа-
ется) и если они были пропущены репаративными
ферментами, клетка не может выйти из S-фазы.
Проверка точной репликации ДНК — важнейшая
регуляторная точка клетки.
Клеточный цикл и деление клетки
133
В. Регуляторная точка С2-фазы. Нереплици-
эованная ДНК блокирует переход клетки от С2-фа-
<ы к М-фазе. Происходит катастрофическое повре-
ждение, если клетка проходит через фазу цикла, не
завершив молекулярные процессы, необходимые
для подготовки к делению. Например, при введе-
нии MPF в клетки, находящиеся в S-фазе, неполно-
тью реплицированные хромосомы конденсируют-
ся, а затем фрагментируются. Иногда экспрессия
MPF достигает критического уровня в S-фазе, а не в
поздней G2 или М, что приводит к серьезным био-
логическим последствиям.
Очевидно существуют вещества, регулирующие
активность либо киназной, либо циклиновой субъ-
единицы MPF. Эти вещества предотвращают
действие MPF до завершения репликации ДНК.
Однако, если разрушение MPF произошло до вы-
равнивания кинетохорных микротрубочек, наруша-
тся движение хромосом из метафазной пластинки,
приводящее к нерасхождению хромосом. Некото-
рые генетические ошибки не распознаются клеточ-
кой системой контроля, однако существуют разно-
образные механизмы, которые помогают обеспечи-
вать правильный синтез и репликацию генетическо-
наследия клетки (см. рис. 6-6 и таблицу 6-3).
Таблица 6-3. Типы повреждения ДНК
' Изменение одного основания
Депуринизация
Замена цитозина на урацил
Замена аденина на гипоксантин
Алкилирование основания
Вставка или деления нуклеотида
Встраивание аналогичного основания
Изменение двух оснований
Индуцированное ультрафиолетом образование диме-
ров тимина
Поперечная связь с бифункциональным алкилирую-
щим агентом
Разрушение цепи
Ионизирующее излучение
Радиоактивное разрушение элементов остова
Поперечные связи
Между основаниями одной нити или двух параллель-
ных нитей
Между ДНК и белковыми молекулами (например,
гистонами)
Воспроизведено с разрешения из: Murray RK et al.
Harper's Biochemistry, 24th ed. Appleton & Lange, 1996,
p. 413.
Неправильное образо-
вание веретена
(задержка М)
Анафаза
Клеточный цикл
Профаза
Высокая концен-
трация MPF
Нереплицирован-
ная ДНК
(задержка S)
Повреждение
ДНК
(задержка G2)
Начал
Низкая концен-
трация MPF
S-фаза
j Повреждение
[ДНК
[(задержка GQ
Рис. 6-6. Регуляторные точки клеточного
.никла. Существуют четыре точки, в которых распознава-
ние ошибок, включая ошибки в ДНК, вызывает задерж-
* . клеточного цикла. Задержка предотвращает размно-
жение клеток, которые по составу ДНК отличаются от
дительских клеток. Система контроля клеток узнает
. вреждение ДНК во время фаз Gj и G2, нереплициро-
.-.:нную ДНК в S-фазе, неправильную организацию ве-
* тена во время митоза. (Воспроизведено с изменениями
разрешения авторов из: Murray A, Hunt Т. The Cell
vcle. Freeman, 1993.)
Белки, ингибирующие комплексы
Cdk-циклин
Активность комплексов Cdk-циклин ингибиру-
ется множеством специфических белков, что
обеспечивает дополнительный уровень регуляции
и усложнение контроля за клеточным циклом.
По крайней мере семь ингибиторных молекул уже
обнаружено. Они сгруппированы в два основных
семейства ингибиторов:
1) семейство р21;
2) семейство р15 и р16.
Семейство р21
Семейство ингибиторов р21 включает три белка,
кодируемых различными генами: р21, р27 и р57.
Эти белки содержат гомологичные N-концевые
участки, взаимодействующие с комплексами Cdk-
циклин.
р21 — это (1) Cdk-связывающий белок, который
активируется в стареющих клетках, и (2) продукт
гена, индуцируемого опухолевым супрессором р53.
р21 ингибирует множество различных ком-
плексов Cdk-циклин, блокируя их взаимодейст-
вие с субстратом. Тот факт, что экспрессия р21
регулируется с помощью р53, указывает на воз-
можный механизм задержки клеточного цикла
134
Глава 6
путем взаимодействия этих двух белков; р21 мо-
жет блокировать другие белки, например субъеди-
ницы ДНК-полимеразы, и, вероятно, имеет другие
важные субстраты.
Другой член этого семейства ~ р27 — также
взаимодействует с различными комплексами
Cdk-циклин. р27 опосредует контактное подавле-
ние клеточного роста, которое вызывает выход
клеток из клеточного цикла. Когда достигнута кри-
тическая плотность клеточной популяции, in vitro
происходит контактное подавление роста, при ко-
тором все нормальные клетки контактируют друг
с другом и прекращают размножаться. Межкле-
точные контакты стимулируют экспрессию р27.
Семейство ингибиторов р15 и р16
р!5 и р16 взаимодействуют исключительно с
Cdk4 и Cdk6. Эти ингибиторы могут нарушать свя-
зывание с циклинами D или они могут связывать-
ся с мономерной киназной субъединицей циклина
и предотвращать связывание.
Ир15,ир16 картируются на хромосоме челове-
ка 9р21; этот участок часто отсутствует при на-
следственной меланоме и других опухолях. Это
говорит о возможном клиническом значении моле-
кул, характеризующих и регулирующих клеточный
цикл. Предполагается, что р 15 и р21 могут служить
медиаторами задержки пролиферации, вызванной
антиростовыми факторами, такими как трансфор-
мирующий фактор роста (TGF-0) (см. главу 10).
Белки-супрессоры опухолей:
клиническое значение
р53 и Rb
Два белка — р53 и Rb (ретинобластомы белок) —
действуют как супрессоры опухолей. Мутации в ге-
нах, кодирующих эти белки, могут привести к нере-
гулируемой пролиферации клеток и малигнизации.
Инактивация любого из этих белков в результате
мутации, изменяющей его структуру, или вследст-
вие связывания с вирусным белком, блокирующим
его функцию, приводит к неконтролируемой про-
лиферации клеток. Сейчас известно, что некото-
рые вирусы выделяют белки, инактивирующие оба
супрессора.
Основная функция р53 и ретинобластомы за-
ключается в блокировании белков, участвующих
в запуске клеточного цикла. р53 связывается со
специфической последовательностью нуклеоти-
дов в регуляторных областях гена, который участ-
вует в регуляции клеточного цикла. В контроле кле-
точного роста принимает участие множество генов, в
промоторных зонах которых содержится р53-свя-
зывающий домен. Таким образом, связывание р53
с регуляторными зонами приводит к тому, что ген
не может экспрессироваться, и необходимый для
клеточного цикла белок не вырабаты- вается.
Rb работает по-другому. Он подавляет актив-
ность факторов транскрипции, относящихся к се-
мейству E2F. Участки связывания E2F есть во мно-
гих белках, участвующих в инициации синтеза
ДНК. В гипофосфорилированном состоянии Rb
блокирует эти факторы транскрипции.
При переходе из Gi-фазы в S-фазу Rb гиперфос-
форилируется с помощью циклинзависимых ки-
наз, что приводит к его инактивации и позволяет
клетке вступить в митоз. Показано, что р53 кон-
тролирует экспрессию р21. Напомним, что р21 яв-
ляется сильным ингибитором комплексов Cdk-
циклин. Этот ингибитор предотвращает фосфори-
лирование Rb, тем самым позволяя ему выключать
факторы транскрипции (E2F).
Апоптоз
Из сказанного выше следует, что регуляция
процесса клеточного деления необходима для вы-
живания организма. Поэтому в клетке существует
несколько белков, которые тормозят развитие кле-
точного цикла. Снижение активности этих важных
белков часто приводит к образованию опухолей.
Можно рассматривать скорость клеточного рос-
та или размножения как разность скоростей про-
лиферации и смерти клеток. Компонент размно-
жения клеток зависит от двух факторов: (1) скоро-
сти стимулирования и (2) скорости подавления
пролиферации. Скорость клеточной смерти зави-
сит от (1) скорости стимулирования и (2) скорости
ингибирования клеточной смерти.
Систематическое удаление клеток из организма
путем клеточной смерти — это нормальный про-
цесс, называемый апоптозом (в переводе с грече-
ского обозначает опадание цветочных лепестков).
Этот термин был впервые употреблен в 1972 году
для описания характерной морфологической кар-
тины одного из видов клеточной смерти. Характер-
ный каскад процессов включает:
• конденсацию хроматина
• разрушение ядра
• вспучивание плазматической мембраны
• фрагментацию клетки с образованием дис-
кретных апоптозных тел
Данный процесс, названный также программи-
руемой клеточной смертью, описывает один из ти-
пов апоптоза, но не все типы. Можно рассматривать
апоптоз как смерть, наступающую в результате сти-
муляции клетки внешними сигналами, например
Клеточный цикл и деление клетки
135
вредными веществами, а программируемую смерть
клетки — как смерть, обусловленную внутрикле-
точными сигналами. Сигналы, вызывающие каскад
процессов, приводящих к клеточной смерти, вклю-
чая активацию генов смерти, могут появляться
вследствие срабатывания различных механизмов.
Некоторые из этих механизмов запрограммирова-
ны, другие — нет.
Процессы, инициирующие апоптоз, могут быть
различными. В норме удаление клеток путем апо
птоза происходит во время
• развития организма
• физиологического обновления клеток
• атрофии, вызванной действием цитокинов,
например фактора некроза опухоли
• вирусных заболеваний, таких как синдром
приобретенного иммунодефицита
• нейродегенеративных заболеваний, таких как
болезнь Гетчинсона и болезнь Альцгеймера.
В инициировании апоптоза принимают участие
различные молекулярные процессы, в частности:
1) действие двухвалентных катионов (Са2+ и
Zn2+);
2) изменения мембран апоптотических клеток;
3) пути передачи сигнала для апоптоза.
Значение двухвалентных катионов
Ионы Са2+ играют ключевую роль на первых
папах передачи сигналов, приводящих к апоптозу.
Результаты различных исследований свидетельст-
вуют о том, что апоптозу предшествует устойчивое
повышение концентрации свободного кальция
внутри клетки. Часто снижение количества сво-
бодного кальция отдаляет начало апоптоза. Каль-
ций может участвовать во многих процессах; одна-
ко точно известно, что во время апоптоза активи-
?еются два вида ферментов:
1) эндонуклеаза, которая расщепляет ДНК во
внутренних участках нуклеосом:
2) тканевая трансглутаминаза, которая ковалент-
но связывает белки с мембраной посредством
образования изопептидных связей.
Цинк считается ингибитором апоптоза. Одним
из механизмов ингибирования может быть подав-
ение цинком активности эндонуклеазы.
Изменения мембран апоптотических
клеток
Важно подчеркнуть, что клетки, подвергающие-
я апоптозу, например, некротизирующиеся клет-
ки, не опасны для окружающих клеток. Апоптоз-
ные клетки сразу фагоцитируются. Оказалось, что
изменения мембраны делают клетку более привле-
кательной для макрофага.
Одной из особенностей клеточной мембраны яв-
ляется потеря сиаловой кислоты на гликопротеи-
нах и гликолипидах. Выяснилось, что это делает
клетку более доступной для фагоцитов. Кроме то-
го, на клеточной поверхности присутствуют рецеп-
торы витронектина, которые притягивают макро-
фаг. Для апоптозных клеток также характерны
другие изменения мембраны, например более по-
верхностное расположение фосфатидилсерина.
Механизмы передачи сигнала
при апоптозе
Пролиферация, дифференцировка и апоптоз
опосредуются различными молекулярными меха-
низмами. Как уже было отмечено, важным компо-
нентом индукции апоптоза во многих типах клеток
является свободный цитоплазматический кальций.
Вследствие связывания лигандов с различными
поверхностными рецепторами клетки происходит
активация различных изоформ фосфолипазы С
(глава 9). Всед за этим образуются вторичные мес-
сенджеры, например, диацилглицерол и инози-
тол-1,4,5-трифосфат (IP3).
Диацилглицерол активирует семейство серино-
вых и треониновых киназ, известных в целом как
протеинкиназа С (РКС). IP3 стимулирует высво-
бождение ионов кальция из внутриклеточных де-
по. Таким образом, вещества, которые обычно за-
пускают каскад передачи сигнала, включающий
протеинкиназу С, стимулируют высвобождение
кальция в цитозоль из внутренних депо. Более то-
го, некоторые химические токсины могут стимули-
ровать апоптоз путем нарушения нормального го-
меостаза кальция. Вызывать апоптоз могут также
белковые тирозинкиназы, вовлеченные в каскад
передачи сигнала.
Апоптоз — это жизненно важный процесс, имею-
щий особенное значение в процессе развития орга-
низма. Например, в процессе развития центральной
нервной системы нейронов образуется куда больше,
чем будет использоваться. «В живых» останутся
только те нейроны, которые формируют достаточ-
ное количество связей с другими нейронами, ос-
тальные подвергнутся апоптотической смерти.
Апоптоз необходим также для иммунного ответа.
Один из механизмов защиты предполагает значи-
тельное увеличение количества лимфоцитов, проду-
цирующих антитела, при внедрении чужеродного
организма. Как только внедрившийся организм
уничтожен, большинство этих специфических лим-
фоцитов также уничтожается с помощью апоптоза.
Очевидно, что механизм удаления ненужных кле-
ток необходим для выживания организма.
136
Глава 6
Старение клетки
Старение клеток в культуре ткани:
результаты исследований
Нормальные, то есть ^трансформированные,
клетки обладают ограниченной способностью
к пролиферации. Пройдя какое-то количество цик-
лов деления они входят в состояние репликацион-
ного старения. Клетки не умирают; они могут дол-
гое время содержаться в культуре, если среда часто
обновляется. Если клетки, например кожные фиб-
робласты, молодого и пожилого человека помес-
тить в равные условия, клетки молодого человека
будут делиться дольше, чем клетки пожилого.
Было высказано предположение, что клетки любо-
го типа могут делиться ограниченное число раз,
приблизительно 50. Этот феномен впервые был
описан профессором Л. Хэйфликом, и часто назы-
вается феноменом Хэйфлика. Биологический за-
кон состоит в том, что клетки запрограммированы
на определенное число делений, а затем прекраща-
ют делиться.
Клетка может выходить из цикла деления по ря-
ду причин, не всегда связанных с репликационным
старением. Некоторые факторы, такие как повреж-
дение ДНК или завершенная дифференцировка,
могут вызывать выход клетки из цикла размно-
жения. Меланоциты, например, могут расти на
культуре ткани в течение длительного периода
без образования меланина. Но при добавлении ве-
щества, стимулирующего образование циклическо-
го аденозинмонофосфата (сАМР), который в свою
очередь вызывает образование меланина, мелано-
циты делятся еще один или два раза, затем начина-
ют вырабатывать огромное количество пигмента и
больше никогда не входят в цикл деления. Число
делений таких экспериментальных меланоцитов
составляет лишь небольшую долю от количества
делений их непростимулированных аналогов.
Множество исследований было проведено in
vitro для выявления биохимических процессов,
которые приводят к репликационному старению.
Результаты биохимического сравнения полностью
дифференцированных клеток и репликационно
стареющих клеток свидетельствуют о том, что
в них происходит одинаковое изменение экспрес-
сии генов. Оба типа клеток не способны к фос-
форилированию ЕгЬ2; фосфорилирование этой
киназы приводит к активации митотического сиг-
нального каскада. Более того, в клетках обоих ти-
пов повышен уровень экспрессии р21, ингибитора
Cdk, но лишь полностью дифференцированные
клетки производят большое количество р27.
Данные, полученные при подобных исследова-
ниях, ясно показывают, что существуют програм-
мируемые процессы, ведущие клетку от состояния,
репликации к нереплицируемому состояни-
Интересно, что клетки, взятые у долгожителя, г.-
пример у живущей более 100 лет галапагосской че-
репахи, испытывают 130 делений до наступления
старения, в то время как клетки мыши с продолжи-
тельностью жизни 3 года, до наступления старения
делятся 10 раз.
Результаты исследований
и их интерпретация
В контексте клеточного цикла следует отметить
две ключевые концепции молекулярной основы
старения.
1. Старение — не просто случайный процесс
Существуют специфические предсказуемы*
генетические компоненты этого процесса, ко-
торые следует изучать.
2. Существуют серьезные доказательства, чтг
окислительное воздействие и ограниченш
калорий являются ключевыми факторами,
в процессе старения.
Проведено много исследований биохимических
и клеточных процессов старения у различных ви-
дов, например у дрожжей, плодовых мушек, мышеи
и нематод Caenorhabditis elegans. С. elegans особен и <
подходит для изучения процессов созревания, таи
как все клетки этого червя можно идентифициро-
вать на ранних стадиях и их дифференцировку лег-
ко проследить. Средняя продолжительность жизни.
С. elegans составляет 20 дней. Результаты генети-
ческого анализа у этих животных показали, чт<
мутация в клетке (Ьх546) может увеличить про-
должительность жизни. Оказалось, что нематоды
имеющие эту мутацию, обозначенную Age-1, жи-
вут в среднем на 65% дольше, чем нематоды бе
мутации. К тому же у таких нематод нет ни морфо
логических, ни эмбриональных, ни постэмбрио-
нальных отличий от организмов, не имеющих дан-
ную мутацию.
Более того, оказалось, что черви с мутацией об-
ладают большей устойчивостью к внешнему окис-
лительному воздействию. При обработке черве!!
несущих эту мутацию, пероксидом водород^.
(Н2О2) или гербицидом, производящими высокоак-
тивные гидроксильные радикалы, черви живу:
дольше и число делеций в их митохондриальное
геноме уменьшается. При этом у мутантов Age-1 на-
блюдается увеличение концентрации антиоксидан
тов и фермента цинкдисмутазы. У этих нематод на-
блюдается также повышенный уровень каталазы -
Клеточный цикл и деление клетки
137
фермента, дезактивирующего перекись водорода.
Более того, мутанты Age-1 обладают большей тер-
мостойкостью.
Полученные результаты показывают, что боль-
шая продолжительность жизни мутантных нема-
тод Age-1 может быть следствием их повышенной
устойчивости к воздействиям окружающей среды.
.Это подтверждается также тем, что семейство ге-
нов daf у нематод Age-1 регулирует экспрессию
других генов, необходимых для защиты организма
и воздействия окружающей среды, например ге-
нов теплового шока. Все эти результаты означают,
что молекулярные процессы, лежащие в основе
действия генов, отвечающих на внешнее воздейст-
вие, помогают определить продолжительность
жизни С. elegans.
Гипотеза старения:
окислительное воздействие
Одна из гипотез утверждает, что при старении
клеток они теряют свою способность противодейст-
вовать окислительным повреждениям ключевых
молекул. Эта гипотеза основана на том, что (1) из-
быток кислорода потенциально токсичен и (2) не-
обходимость использования кислорода аэробными
организмами может препятствовать их длительно-
му выживанию.
Напомним, что кислород является бирадикалом.
При добавлении одного электрона образуется час-
тично восстановленная молекула. В дальнейших
эеакциях образуются дополнительные активные
метаболиты кислорода. Недавние результаты сви-
детельствуют о том, что эти продукты могут вызы-
вать значительные окислительные повреждения
молекул ДНК, белков и ненасыщенных жирных
кислот в липидах бислоя.
Проблему окисления нельзя назвать незначи-
тельной, поскольку было установлено, что 2-3%
кислорода, потребляемого организмом, перераба-
тывается с образованием этих опасных продуктов.
Более того, данные исследований доказывают, что
числительное повреждение увеличивается с воз-
дастом. Таким образом, изучение механизмов, регу-
лирующих экспрессию генов и белков, защищаю-
щих от окислительного воздействия, может пролить
вет на молекулярные механизмы старения.
Регуляция клеточного цикла в
тканях
Роль тромбоцитарного фактора роста
Клеткам низших организмов для вступления
в S-фазу клеточного цикла необходимо наличие пи-
-ательных веществ во внешней среде. При недостатке
питательных веществ клетка не делится. У высших
организмов наличие питательных веществ обычно
не является лимитирующим фактором. Однако
сигнал, инициирующий деление клетки, чаще
бывает внешним, чем внутренним. Доказательст-
ва этого были получены в первых экспериментах
с культурой клеток млекопитающих in vitro.
При разработке методики выращивания клеток
млекопитающих в культуре было отмечено, что
клетки растут лучше, если они находятся внутри
кровяных сгустков. Из-за неудобства исследова-
ния растущих клеток внутри сгустка, после свер-
тывания крови сгусток удаляется. Оставшаяся
жидкость известна как сыворотка. Если удалить
все клетки до того, как кровь свернется, и добавить
полученную сыворотку к растущим клеткам, она
не будет поддерживать рост. Это доказывает, что
при свертывании из клеток крови высвобождается
некий фактор, необходимый для деления клеток.
Было показано, что это вещество высвобождает-
ся из тромбоцитов, и оно было названо тромбоци-
тарным фактором роста (PDGF). Оказывается,
нормальные клетки млекопитающих содержат дос-
таточное количество питательных веществ для де-
ления. Таким образом, в клетки должен поступать
дополнительный сигнал, стимулирующий проли-
ферацию. В случае с тромбоцитарным фактором
роста этот белок секретируется тромбоцитами
при свертывании крови после образовании раны.
Для восполнения тканевого дефекта тромбоцитар-
ный фактор роста, один из главных факторов роста
организма, сигнализирует окружающим клеткам
о необходимости приступить к делению.
Факторы роста
К настоящему времени выделено и охарактери-
зовано большое число факторов роста. Подробно
они будут обсуждаться в главе 10. Факторы роста
делятся на две большие группы:
1) с широким диапазоном клеточной и тканевой
специфичности;
2) специфичные для определенных типов кле-
ток.
К факторам роста с широким диапазоном кле-
точной и тканевой специфичности относятся:
• тромбоцитарный фактор роста;
• эпидермальный фактор роста (EGF);
• факторы роста фибробластов (FGF) (имеют
девять изоформ и обладают небольшой кле-
точной специфичностью, однако еще относят-
ся к группе малоспецифичных);
• фактор роста нервов (NGF) (этот фактор роста
действует только на клетки нервной системы);
138
Глава 6
• эритропоэтин (ЕРО) (этот фактор роста сти-
мулирует образование эритроцитов в костном
мозге);
• интерлейкин-2 и интерлейкин-3.
Все эти факторы роста действуют в основном
на специфические клетки-мишени. Каждый фак-
тор роста является лигандом, который связывает-
ся со специфическим поверхностным рецептором
клетки и инициирует процесс передачи сигнала
(см. главу 10).
Часть клеточного цикла,
не связанная с делением
Роль фазы Go и генетического
переключения
Большинство клеток млекопитающих находится
в особой фазе клеточного цикла, называемой
Go-фазой или компартментом клеточной диффе-
ренцировки. Эта фаза клеточного цикла представ-
ляет собой удлиненную фазу Gi. Это означает, что
гены, кодирующие белки, которые запускают про-
лиферацию клеток, находятся в «выключенном»
состоянии. В этом положении метаболическая
энергия клетки расходуется на образование спе-
циализированных белков, необходимых для осу-
ществления дифференцировки. Таким образом,
гены, кодирующие эти белки, находятся во «вклю-
ченном» состоянии.
В большинстве типов клеток гены для клеточ-
ной пролиферации могут быть включены снова.
Однако в некоторых клетках гены пролиферации
никогда не запускаются повторно после выклю-
чения. При завершении пролиферации в клетках
сердечной мышцы Cdk и циклины выключаются
и больше никогда не включаются. То же справед-
ливо и для всех типов нейронов.
Однако в соответствующих условиях многие
клетки могут вернуться в цикл деления. Практиче-
ски во всех тканях организма происходят клеточ-
ные «превращения». Обычно такие превращения
происходят редко. Исключение составляют клетки
крови и кишечного эпителия, в которых скорость
обновления клеток очень высока.
Как показано выше, один из основных типов
сигналов, активирующих Cdk и циклины, генери-
руют факторы роста. Однако получив такой сигнал,
организм должен регулировать ответ таким обра-
зом, чтобы поддерживать количество и пространст-
венную организацию клеток. Если этого не проис-
ходит, наступают летальные изменения организма.
При исследовании нормальных клеток, выра-
щенных в культуре ткани, ранее было показано,
что существуют различные факторы, определяющие
(1) число клеток, необходимых для поддержания
архитектуры ткани, и (2) качество соединения кле-
ток с базальной мембраной. Ниже приводятся ос-
новные данные, полученные при исследованиях
фибробластов.
Межклеточные контакты: когда
нормальные клетки прекращают делиться
Если выращиваемые в культуре фибробласты
заполняют всю чашку Петри, они перестают де-
литься и, очевидно, уходят в псевдо-Ср-фазу. Если
в стерильных условиях по поверхности культуры
провести шпателем диагональную линию, клетки
расположенные на этой линии, погибают и остает-
ся бесклеточная диагональ. Клетки, находящиеся
на краю «раны», начинают немедленно делиться
и пролиферировать, заполняя свободное простран-
ство. Как только пространство заполнено, делент
снова прекращается.
На основе этого наблюдения был сделан вывод
о том, что нормальные клетки делятся до достиже-
ния определенной плотности. После образования
контактов с другими клетками на субстрате
внутрь клетки передается сигнал о том, что все
контактные точки заняты, и гены, запускающие
пролиферацию, выключаются.
Если клетке не давать соприкоснуться с поверх-
ностью тарелки, она сохраняет округлую форме
и не вступает в митоз. Если же клетка соприкасается
с поверхностью и расплющивается, она формирует
с поверхностью тарелки контакты, называемые
фокальными контактами и фокальными адгези-
онными пластинками (глава 7). В состав фокаль-
ной адгезионной пластинки входят важные ком-
поненты цитоскелета, включая актиновые фила-
менты, микротрубочки и другие структурные бел-
ки. Спустя некоторое время эти клетки вступают
в митоз.
Результаты этих и аналогичных экспериментов
доказывают, что молекулы окружающей среды
например входящие в состав межклеточных кон-
тактов и контактов клеток с межклеточным веще-
ством, участвуют в управлении клеточной проли-
ферацией (см. главу 10).
Нерегулируемый клеточный рост:
клиническое значение
Протоонкогены
Итак, мы определили молекулы, проводящие
клетку по фазам клеточного цикла, включая G
Gi/S, S и S/G2. Это сложно взаимодействующие
молекулы, которые балансируют между фосфори-
лированным и дефосфорилированным состоянием
Клеточный цикл и деление клетки
139
и таким образом сигнализируют о начале процесса.
Конечно, для нормального течения клеточного
цикла важно присутствие субъединиц комплексов
( Cdk-циклин) и различных ингибиторных белков.
В норме в течение эмбриогенеза и развития про-
исходит быстрая пролиферация клеток. Мы знаем,
что клетки могут терять свою способность контро-
лировать клеточный цикл, что приводит к нерегу-
лируемому клеточному росту, то есть к раку.
В клеточном цикле существует несколько пе-
риодов, когда может произойти потеря контроля.
Гены, чьи продукты участвуют в регуляции кле-
точной пролиферации, называют протоонкогена-
ми. Мутация этого гена приводит к повышению
неконтролируемой пролиферации клеток, и прото-
-нкоген может стать онкогеном. Интенсивное изу-
чение раковых клеток в последние три десятиле-
тия привело к выявлению множества молекул,
. частвующих в регуляции клеточной пролиферации.
Дальнейшее изучение молекулярных процессов,
/частвующих в регуляции клеточного деления,
приведет к дополнительному пониманию патогенеза
различных форм рака (таблицы 6-4 и 6-5 и рис. 6-7).
Таблица 6-4. Раковые онкогены
Онкоген Форма рака ___ I
2-raf Рак легкого, слюнной железы
c-kit _Рак легкого
myc Мелкоклеточный рак легкого, рак тол- стой кишки, лимфома
N-myc Нейробластома _
ч-ras __ Рак толстой кишки .........
erbA Лимфома, мелкоклеточный рак легкого
I bcr-abl Хронический миелолейкоз
Iras I Рак толстой кишки, поджелудочной же- | лезы, мочевого пузыря, легкого
Воспроизведено с разрешения из: Seashore MR,
Wappner RS. Genetics in Primary Care & Clinical
Medicine, Appleton & Lange, 1996, p.60.
Основные механизмы клеточного
деления
Митоз
В клетках млекопитающих митоз длится около
30 минут. За это короткое время перечисленные
ниже процессы приводят к сегрегации генетиче-
ского материала.
1. Конденсируется хроматин.
2. Растворяется ядерная оболочка.
3. Образуется веретено деления.
4. Хромосомы перемещаются к экватору клетки.
5. Сестринские хроматиды разделяются и дви-
жутся к полюсам.
Эти процессы обычно происходят в перечислен-
ном порядке и часто без резкой границы между
стадиями.
Конденсация хроматина
Хромосомы представляют собой огромные мак-
ромолекулярные комплексы, состоящие из ДНК
и множества ядерных белков различных типов.
Средняя хромосома человека составляет около
45 мкм в длину и содержит 130х106 пар оснований.
Таблица 6-5. Гены-супрессоры опухолей
Ген Белок Функция белка Заболевание Картированная локализация
:53 р53 ДНК-связывающий Спорадически возникающий рак, все виды; заро- белок дышевые мутации, Ли-Фраумени, остеосаркома 17р13.1
7Т1 WT1 Цинк-содержащий паль- WAGR, Денис-Драш, опухоль Вильмса чиковый ДНК-связываю- щий белок 11р13
»7Т2_ не известен Опухоль Вильмса Опухоль Вильмса 11р13
АРС р-катенин Молекула клеточной Семейный аденоматозный полипоз адгезии 5q21
NF1 Нейро- фибромин G-белок, СТРазная Нейрофиброматоз 1 активность _______ 17q11
;16 р16 Связывает белки, регу- Семейная меланома пирующие клеточный цикл 9р21
RB1 ДНК-связывающий ; Ретинобластома, остеосаркома, другие саркомы 13q14
Воспроизведено с разрешения из: Seashore MR, Wappner RS. Genetics in Primary Care Clinical Medicine, Appleton
A Lange, 1996, p.60.
140
Глава 6
Нормальный рост
Вирусные онкогены
Нормальная экспрессия
продуктов {факторов роста)
тиф Протоонкогены
| Радиация
Активация i
Клеточные
онкогены (С-опс)
Канцерогены
Избыток продуктов
{избыток факторов роста)
Нарушения
иммунного
надзора
Аномальный рост
Неоплазия
Рис. 6-7. Нарушение регуляции клеточного цикла и развитие рака. Эта схема показывает два вида взаимосвязи меи-
ду генетическим составом и клеточным циклом: сохранение протоонкогенов и нормальный клеточный рост (вверх ,
и активация онкогенов и аномальный клеточный рост (внизу). (Воспроизведено с изменениями из: Chandrasoma i
Taylor CR. Concise Pathology, 2nd ed. Appleton & Lange, 1995.)
Чтобы разместиться на метафазной пластинке,
ДНК должна быть упакована в более короткие
пучки — хроматин. Фактически, хромосома кон-
денсируется в 10 000 раз, что уменьшает риск спу-
тывания или разрыва ДНК в процессе митоза.
Конденсация хромосомы является одним из пер-
вых визуальных признаков того, что начинается
митоз. Конденсация хроматина в середине G'2-фа-
зы — первый признак, видимый в световой микро-
скоп (рис. 6-8).
С хромосомными нитями ДНК связывают глав-
ным образом так называемые гистоны — небольшие,
сильно щелочные белки. Четыре типа гистонов свя-
зываются друг с другом и формируют октадный
комплекс. Нити ДНК делают вокруг октамера два
витка, состоящие из 160 оснований в каждом.
Эта структура, похожая на нитку жемчуга, называ-
ется нуклеосомой. Нуклеосомы упакованы в соле-
ноидную структуру, и эти соленоиды образуют
крупные петли, выступающие из центральных бел-
ков хромосом (рис. 6-9). Физические и химические
механизмы образования хромосом и белки, регу-
лирующие этот процесс, интенсивно изучаются.
Фермент ядра топоизомераза II распутывает ДНК
разрывает одну двойную спираль ДНК, проводи •
другую через разрыв, а затем восстанавливает ю
ходную нить ДНК. Топоизомеразы необходим:,
для предохранения ДНК от необратимого спутыва-
ния в процессе конденсации. Конечно, в процесс
разделения генетического материала во время мит
за участвуют различные дополнительные механи -
мы. Студентам, интересующимся этим вопросе'.'
мы советуем прочитать статьи и учебники, перечи
ленные в конце главы.
Растворение ядерной мембраны
Как уже было сказано, фибриллярная сеть, ра
положенная на внутренней поверхности ядерн< и
мембраны, состоит из двух крупных белков: ламе
на А и ламина В. Встроенные в ядерную оболоч? .
ядерные поры служат воротами для перемещено
веществ из цитозоля в ядро и обратно. В начао
митоза в ядре происходят реакции фосфорилир
вания. Оба ламина фосфорилируются и отделят -
ся друг от друга. Ламин А образует мономер, а
мин В остается связанным с липидными пузырькам^
Клеточный цикл и деление клетки
141
Рис. 6-8. Образование видимых хромосом. Хромосомы образуются, когда хромосомные составляющие (ДНК,
-дерные белки) конденсируются приблизительно в 10 000 раз. Самая маленькая хромосома человека состоит из
'<) миллионов пар оснований, самая крупная — из 250 миллионов пар оснований. (Воспроизведено с изменениями из:
Сhandrasoma Р & Taylor CR, Concise Pathology, 2nd ed. Appleton & Lange, 1995, p. 273.)
чдерной оболочки благодаря липофильной изопре-
ниловой группе. Вся ядерная оболочка диссоцииру-
ет: ядерные поры растворяются в цитозольной сре-
??. однако несмотря на некоторые изменения в
ебъединицах, остаются в форме крупных комплек-
ов. При растворении, мембраны ядерной оболочки
превращаются из липидного бислоя в небольшие
лузырьки. То же происходит и с другими мембран-
дыми структурами клетки, включая эндоплазматиче-
жий ретикулум и апnapai Гольджи.
В конце митоза, после разделения хроматид по
соответствующим полюсам пузырьки начинают
объединяться вокруг деконденсированных хромо-
сом. Ламины испытывают ряд дефосфорилирова-
ний, что инициирует восстановление белкового по-
крытия внутренней поверхности формирующейся
ядерной оболочки.
Рис. 6-9. Организация хромосомного материала. Уровни ДНК-гистоновой организации изображены в порядке
» врастания сложности. Голая ДНК 1 связывается с гистоновыми октамерами с образованием нуклеофиламентов 3.
< горые затем сворачиваются в соленоидоподобные супербусы 4. Супербусы формируют крупные петли, выступаю-
щие из центральных матриксных белков 5. (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Delvin Т.
7 - xtbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 3rd ed. Wiley-Liss, Inc. 1992.)
142
Глава 6
Роль микротрубочек, микротубулярных
двигателей и кинетохоров
Важную роль в митозе играют микротрубочки
(рис. 7-3). Они образуют аппарат веретена деления
и создают как направляющую, так и электродвижу-
щую силу, разделяющую хроматиды. Уже несколь-
ко десятилетий назад было обнаружено, что мик-
ротрубочки являются частью митотического аппа-
рата, однако механизм работы микротрубочек еще
до конца не изучен.
Основой для понимания принципов формирова-
ния митотического веретена и разделения хромосом
стало выявление того, что митотическое веретено
(состоящее в основном из белков микротрубочек)
не является устойчивым полимером. Кажущиеся
хаотичными движения микротрубочек в веретене,
а именно проталкивание и натяжение хромосом,
необходимы для правильного разделения хроматид
и выживания клетки. Если микротрубочка удли-
няется быстрее, чем сокращается, то ее длина уве-
личивается, а концентрация свободного тубулина
в плазме снижается. Во время митоза происходят
резкие и непредсказуемые переходы микротрубо-
чек из растущего в сокращающееся состояние
(катастрофа) и обратно (спасение) (более детально
это обсуждается в главе 7).
Микротрубочки, образование
веретена и метафаза
Центриоли
Центросома представляет собой аморфное тельце,
которое находится вблизи ядерной оболочки и содер-
жит центриоли — пару цилиндрических структур,
расположенных под прямым углом друг к другу.
Во время интерфазы в центросоме образуются ци-
топлазматические микротрубочки, поэтому она на-
зывается центром организации микротрубочек.
Центросома, состоящая из пары центриолей, удваи-
вается в поздней фазе Gb но центриоли не разделя-
ются. В течение интерфазы цитоплазматические
микротрубочки постоянно образуются и разруша-
ются. Однако, когда клетка вступает в раннюю про-
фазу, длинные цитоплазматические микро- трубочки
начинают разрушаться. Вокруг центросомы обра-
зуются новые, более короткие, микротрубочки.
Они очень нестабильны — их сборка и разрушение
происходят быстрее, чем в интерфазе.
Эти более короткие микротрубочки, формирую-
щиеся вокруг центриолей, называются астральны-
ми микротрубочками. В этот же период несколько
астральных микротрубочек, отходящих от каждой
центросомы, начинают перекрываться и, таким
образом, стабилизируются. Поскольку сборка про-
должается, длина микротрубочек увеличивается
и они расталкивают центриоли к противополож-
ным полюсам клетки. Микротрубочки, соединяю-
щие противоположные полюсы, называются по-
лярными микротрубочками. Они также активно
присоединяют и отсоединяют тубулин на плюс- и ми-
нус-концах соответственно, но более стабильны по
сравнению с другими подтипами микротрубочек.
Кинетохор
Удвоенные хромосомы соединены продольно
и содержат особый участок, в котором хроматин
конденсирован в большей степени. Этот участок
называется центромерой. В центромере находится
специализированный белковый комплекс, форми-
рующий пластинчатую структуру, называемую ки-
нетохором. Эта структура служит центром при-
крепления микротрубочек и, вероятно, участвует
в процессе расхождения хромосом во время анафа-
зы. Обе удвоенные хроматиды имеют кинетохоры
расположенные точно напротив соответствующих
полюсов веретена.
Во время ранней прометафазы кинетохоры свя-
зываются с растущими микротрубочками и сколь-
зят по ним к полюсам веретена. Сначала кинетохор
присоединяется к боковой стороне микротрубочки
а затем — к ее свободному концу. Одновременна
противоположный кинетохор связывается с проти-
воположным полюсом веретена. Прочное прикреп-
ление всех хромосом к микротрубочкам и вырав-
нивание хромосом для последующего движения
требует времени, В этот период удвоенные хромо-
сомы многократно отталкиваются и притягивают
ся. Динамика этого процесса обеспечивается рабо-
той микротрубочек.
Выравнивание всех хромосом в метафазной пла-
стинке свидетельствует о начале метафазы. В эт<
время все хромосомы уже выстроены в метафазной
пластинке и все силы, необходимые для движения
хроматид к противоположным полюсам, актив из и
рованы. Не требуется никакой дополнительной си-
лы. И все-таки почему хромосомы должны была
выстроены по экватору до начала разделения'
Существует две гипотезы.
Одна из гипотез предполагает, что более длин-
ная кинетохорная микротрубочка создает больше-
давление. Таким образом, сила натяжения больны
со стороны более удаленного полюса, следователь-
но хромосома будет притягиваться к этому полюсх
Согласно второй гипотезе, большое влияние на по-
строение хромосом в метафазной пластинке оказы-
вает сила, развиваемая микротрубочками астраль-
ной лучистости. Эксперименты с использованием
Клеточный цикл и деление клетки
143
лазера для разрезания отдельных микротрубочек
показали, что силы обоих типов важны для эква-
ториального построения хромосом. Выравнивание
в метафазной пластинке необходимо для правиль-
ного распределения генетического материала по
дочерним клеткам.
Итак, мы отметили динамические свойства ту-
булиновых субъединиц в различных подтипах
микротрубочек (кинетохоры, веретена, астральные
трубочки), показав, что они находятся в состоянии
непрерывного изменения, возникают и распадают-
:я. Стабилизируется ли этот аппарат после того,
хак митотическое веретено окончательно сформи-
ровано и хромосомы выстроены в метафазной пла-
тинке, или микротрубочки испытывают постоян-
ные изменения?
В поисках ответа на этот вопрос применялись
различные методы, включая обработку клетки ве-
ществами, блокирующими добавление новых
ебъединиц к микротрубочке, и использование
аммунофлюоресцентных мономеров тубулина.
Как показали результаты, полностью сформиро-
ванное веретено все еще остается динамической
труктурой, в которой постоянно идут процессы
борки и разрушения. Однако общая структура ве-
эетена практически не меняется.
Микротубулярные двигатели
Микротубулярные двигатели - это ферментные
комплексы, использующие энергию гидролиза аде-
нозинтрифосфата для продвижения по поверхно-
7И микротрубочки (глава 7). Существует два типа
щигателей. Первый — крупный ферментный
комплекс, состоящий из множества субъединиц
и называемый динеином. Этот двигатель переме-
щается по трубочке по направлению к минус-концу.
Второй тип называется кинезином. Этот комплекс,
ю ньший по размеру и состоящий только из двух
бъединиц, движется к растущему пл юс-концу.
Оба двигателя способны прочно прикрепляться
к хромосомам и тянуть их. Эти комплексы могут
двигаться по микротрубочке с большой скоростью,
кто позволяет им быстро перемещать хромосомы
< полюсам во время анафазы.
Анафаза
Анафаза сигнализирует об окончании митоза,
-/.пинается внезапно и запускается при распаде
мплекса Cdk-циклин В (MPF). Цикл ин В протео-
- этически разрушается убиквитин-протеосомным
< мплексом, описанным ранее. Однако помимо рас-
щща MPF в разделении сестринских хроматид упа-
куют также другие протеолитические процессы.
Когда в клетку, обработанную Са2+, вводят про-
теолитически-стойкий MPF, эндогенный циклин
разрушается, но концентрация неразрушенного
циклина остается высокой. Однако сестринские
хроматиды по-прежнему расходятся к полюсам.
Это свидетельствует о том, что полного распада
комплекса MPF и циклина недостаточно для раз-
деления хроматид. Если в клетку, обработанную
Са2+, вводят пептид, отщепленный от N-конца цик-
лина, движение сестринских хроматид прекращает-
ся. Это позволяет предположить, что в цитоплазме
присутствует протеаза, которая может быть инги-
бирована пептидами, полученными при расщепле-
нии циклина.
Телофаза
Телофаза — это завершающая стадия митоза.
В этот период образуется ядерная оболочка и про-
исходит ряд обратных событий, которые возвраща-
ют морфологические особенности, свойственные
периоду интерфазы.
Цитокинез
Цитокинез — процесс разделения клетки на две
дочерние — происходит с помощью сокращения
кольца актина и миозина, расположенного непо-
средственно под внутренней поверхностью мем-
браны, в плоскости митотического веретена. Благо-
даря такой локализации сократительного кольца,
клетка обычно делится на две дочерние одинаково-
го размера. Однако в процессе эмбрионального
развития клетки часто делятся асимметрично.
В этих случаях разные по размеру клетки имеют
в дальнейшем различные пути развития.
Образование актин-миозинового сократительно-
го кольца происходит в раннюю анафазу. Процесс
сокращения аналогичен сокращению скелет-
ных мышц, но имеет существенные отличия.
Актин-миозиновое сократительное кольцо содер-
жит пучки, состоящие приблизительно из 20 акти-
новых филаментов. При сокращении кольцо не
становится толще по мере углубления борозды.
Это позволяет предположить, что оно уменьшается
в объеме за счет потери филаментов. Когда мем-
браны сливаются, сократительное кольцо исчезает,
оставляя структуру, содержащую остатки аппарата
филаментов и называемую остаточным тельцем.
Заключение
Эта глава посвящена молекулярным процессам,
происходящим во время клеточного деления, в ча-
стности во время двух фаз клеточного цикла - пе-
риода митоза и периода подготовки к делению
144__________________________________________________
и дифференцировке (интерфаза). Описаны два
основных типа белков, регулирующих эти фазы
клеточного цикла. Концентрация этих белков,
циклинов и их киназных субъединиц, возрастает
и снижается на определенных этапах цикла.
Комплекс, образованный циклином В и соответст-
вующей киназой, называется MPF. В ранней профа-
зе циклин В достигает своей максимальной концен-
трации и запускает множество морфологических
и биохимических процессов, обеспечивающих кон-
денсирование и разделение хромосом. Внезапный
протеолиз циклина В инициирует начало анафазы
и восстановление внутренней структуры клетки.
В клетках сформирована надежная система кон-
троля экспрессии циклинов. Прямое направление
цикла контролируется факторами роста, которые
инициируют процесс передачи сигнала, приводя-
щий в конечном итоге к экспрессии циклинов и их
киназ. Обратное направление контролируется ин-
гибиторными белками, которые либо предотвраща-
ют экспрессию циклинов, либо блокируют другие
молекулы, необходимые для передачи прямого
Библиография
Alberts В et al: Molecular Biology of the Cell. Garland,
1994.
Coleman TR, Dunphy WG: Cdc2 regulatory factors. Curr
Opin Cell Biol 1994:6:877.
Deshaies RJ: The self-destructive personality of a cell cycle
transition. Curr Opin Cell Biol 1995;7:781.
Draetta G: Mammalian Gi, cvclins. Curr Opin Cell Biol
1994;6:842.
Elledge SJ, Harper JW: Cdk inhibitors: on the threshold of
checkpoints and development. Curr Opin Cell Biol
1994:6:847.
Evan GI et al: Apoptosis and the cell cycle. Curr Opin Cell
Biol 1995:7:825.
Glotzer M et al: Cyclin is degraded by the ubiquitin path-
way. Nature 1991:349:132.
Kerr JFR: Neglected opportunities in apoptosis research.
Trends Cell Biol 1995:5:55.
La Thangue NB: DRTF1/E2F: An expanding family of he-
terodimeric transcription factors implicated in cell-cycle
control. Trends Biochem Sci 1994:19:108.
Lees E: Cyclin dependent kinase regulation. Curr Opin Cell
Biol 1995:7:773.
Lock LF, Wickramasinghe D: Cycling with CDKs. Trends
Cell Biol 994:4:404.
Martin SJ, Green DR, Cotter TG: Dicing with death: Dis-
secting the components of the apoptosis machinery.
Trends Biochem Sci 1994:19:26.
McConkey DJ, Orrenius S: Signal transduction pathways to
apoptosis. Trends Cell Biol 1994:4:370.
______________________________________Глае^ £
сигнала. И супрессоры опухолей, и другие инги/?
торные белки поддерживают строгий баланс .
лируемого роста клетки.
Существует регуляторный механизм, поддер -
вающий определенную численность нормально!
клеток за счет их саморазрушения. Актива
этого процесса, называемого апоптозом, особе->•.-
высока в период развития организма, когда пр- t>
ходит быстрое деление клеток и формирование >
ганов. В случаях перепроизводства клеток запу: —
ется апоптоз, осуществляющий контролируем е
снижение количества клеток. Апоптоз важен та? л*
для клонального размножения антител-обра . » -
щих клеток (лимфоцитов). Отсутствие возможн. *-
сти уничтожения этих клеток привело бы к пер- - >
селению организма «ненужными» лимфоцитам.'
Существуют факты, подтверждающие per., и
руемый механизм процессов старения. Резуль:,:?м
исследований показали важность генов, код пр-. > -
щих антиоксидантные белки, например, супер * -
сиддисмутазу, каталазу и другие ферменты, эффл
тивно удаляющие кислородные радикалы.
Muller R: Transcriptional regulation during the mamnr:..ii
cell cycle. Trends Genet 1995:11:173
Murrav A: Cell cycle checkpoints. Curr Opin Cell I* t
1994:6:872.
Nigg EA: Cyclin-dependent protein kinases: Key reguhe i
for rhe eucaryotic cell cycle. BioEssays 1995:17:471
O'Connell MJ. Nurse P: How cells know they are in G-. t
G-2. Curr Opin Cell Biol 1994:6:867.
Peitsch MC. Mannherz HG, Tschopp J: The apop' 'Л
endonucleases: Cleaning up after cell death? Trends (. -1
Biol 1994:4:37.
Picksley SM. Lane DP: p53 and Rb: Their cellular r
Curr Opin Cell Biol 1994:6:853.
Sherr CJ: Mammalian G-l cyclins. Cell 1993;73:1059.
Дополнительная литература
Bassett DE, Boguski MS, Hieter P: Yeast genes and hu::.rx
disease. Nature 1996:379:589.
Border WA, Noble NA: Mechanisms of Disease: Tro-
forming growth factor В in tissue fibrosis. N Engl J .\L<
1994:331:1286.
Krontiris TG: Molecular medicine: Oncogenes. N Erm.
Med 1995:333:303.
Oliver SG: From DNA sequence to biological function.
ture 1996:379:597.
Papavassiliou AG: Molecular medicine: Transcription ro-
tors. N Engl J Med 1995:332:45.
Цитоскелет
Основные термины
Цитоскелет
Микротрубочки
Актиновые филаменты
Промежуточные филаменты
Центросома
Центриоли
Центр организации микротрубочек
Сальтаторное движение
Миозин
Кинезины
Динеины
Аксонема
Актин
Актин-связывающие белки
Сократительные пучки
Саркомер
Эукариотические клетки способны изменять
вою форму, перемещаться, передвигать органеллы
- цитоплазме и разделять хромосомы во время ми-
- >за. Эта способность обеспечивается набором бел-
< »в. составляющих главную цитоархитектуру клет-
• и — цитоскелет. Цитоскелет был впервые обнару-
жен в экспериментах по фракционированию клетки
. виде нерастворимого белкового комплекса, под-
г оживающего определенный уровень структур-
ой организации. В настоящее время известно, что
щтоскелет состоит из трех основных структур —
микротрубочек, актиновых филаментов и проме-
- /точных филаментов — и что каждая структура
держит тысячи белков (табл. 7-1).
Все три основных элемента цитоскелета облада-
• г способностью к полимеризации и могут само-
организовываться в полимерные структуры. Тыся-
чи идентичных актиновых субъединиц собираются
в линейные массивы, достаточно длинные, чтобы
пересекать клетку длиной -10-15 мкм. Эти сильно
удлиненные нитевидные структуры служат внут-
риклеточным каркасом, поддерживающим орга-
неллы, а также «рельсами», по которым движутся
органеллы. Кроме основных компонентов цитоске-
лета важную роль в его организации и функциональ-
ной интеграции играют вспомогательные белки.
Эти вспомогательные белки отвечают за:
• прикрепление органелл к цитоскелету, напри-
мер, секреторных пузырьков к микротрубоч-
кам;
• обеспечение направленного движения орга-
нелл;
• связь и координацию функций цитоскелета
(рис. 7-1).
Микротрубочки и центросома
Основные белки цитоскелета могут полимеризо-
ваться в длинные филаменты; этот процесс проис-
ходит в одном направлении (то есть белковые
субъединицы добавляются не к каждому концу
растущего филамента). Филаменты полярны с точ-
ки зрения добавления субъединиц. Это означает,
что концы филамента должны иметь структурные
различия. В случае микротрубочек один конец,
обозначаемый как плюс-конец, может расти очень
быстро, в то время как другой, обозначаемый как
минус-конец, теряет тубулиновые субъединицы до
тех пор, пока не стабилизируется. Стабилизация
микротрубочки достигается присоединением отри-
цательного конца микротрубочки к центросоме,
Таблица 7-1, Основные элементы цитоскелета и их состав
Элементы Основной белок ;Свойства
Микротру- Тубулин Длинные цилиндры тубулина ~ 25 нм в диаметре. Один конец прикрепляется к цен-
бочки Дтррсоме, которая располагается вблизи аппарата Гольджи
Актиновые филаменты Актин Актин образует два скрученных в спираль полимера диаметром ~5-9 нм. Сконцен- _ | трирован в основном в коре клетки под плазматической мембраной _____
"эомежуточ- Виментин ; Канатовидные волокна ~10 нм в диаметре; расположены в цитоплазме и ядре
-ые фила- |Кератины I (ядерная ламина). Эти филаменты делают клетку прочной и, благодаря распростра-
менты Ламины нению от клетки к клетке, обеспечивают устойчивость к сдвигающим силам
146
Глава 7
.......l
25 pm
A
Микротрубочки — длинные и пря-
мые и прикреплены одним из кон-
цов к центру организации микротру-
бочек, называемому центросомой и
расположенному рядом с комплек-
сом Гольджи.
Актиновые филаменты рассеяны по
клетке, но наиболее сконцентриро-
ваны в коре, под плазматической
мембраной.
Промежуточные филаменты — кана-
товидные структуры приблизитель-
но 10 нм в диаметре. Они придают
механическую прочность эпители-
альной ткани, пронизывая цито-
плазму от одного межклеточного
соединения до другого.
Рис. 7-1. Элементы цитоскелета. Микротрубочки (А) —
продолговатые структуры клетки, прикрепленные одним
концом к центру организации микротрубочек (ЦОМ).
На рис. ЦОМ, или центросома, расположен чуть выше
ядра вблизи комплекса Гольджи. Актиновые филаменты
(Б) рассеяны в цитоплазме, но их плотность особенно вы-
сока в слое, прилегающем к клеточной мембране и назы-
ваемом корой клетки. Промежуточные филаменты (В)
идут по цитоплазме от одного межклеточного соединения
к другому, механически укрепляя ткань Получены следую-
щие данные о размерах: микротрубочки 25 нм в диамет-
ре, актиновые филаменты ~ 5-9 нм в диаметре, промежу-
точные филаменты ~ 10 нм в диаметре. (Воспроизведено
с изменениями с разрешения авторов из: Alberts BA et al.
Molecular Biology of the Cell, 3rd ed. Garland, 1994, p. 789.)
называемой также центром организации микро-
трубочек (ЦОМ), локализованной в центре клетки
рядом с ядром. Свободные тубулиновые единицы
могут присоединяться к плюс-концу. Микротру-
бочки — это динамические структуры; следова-
тельно, в одно и то же время одни микротрубочки
растут, а другие укорачиваются. Таким образом,
ЦОМ постоянно производит микротрубочки, рас-
тущие по направлению к периферии клетки, в то
время как другие микротрубочки сокращаются по
направлению к ЦОМ.
По сравнению с актиновыми филаментами мик-
ротрубочки — более жесткие структуры, которые
служат не только «опорными лучами» цитоплаз-
мы, но и «рельсами» для перемещения органелл.
Организованные направленные движения орга-
нелл относятся к сальтаторным движениям, опо-
средованным молекулярными двигателями. Имен-
но эти белки связываются с микротрубочками или
актиновыми филаментами, а их движение обеспе-
чивается энергией, высвобождаемой при гидролизе
аденозинтрифосфата (АТР).
Молекулярные двигатели
В последние годы было найдено множество раз-
личных видов двигательных белков; их можно
классифицировать на основании того (1) по каким
филаментам они передвигаются, и (2) какие ком-
поненты перемещают. К основным молекулярным
двигателями относятся следующие белки:
1. Миозин. Изначально открытый как один из
главных белков скелетной мускулатуры
миозин движется по актиновым филаментам
и является ключевым компонентом мышеч-
ного сокращения. В настоящий момент из-
вестно. что существуют также внемышечные
молекулы миозина; однако все миозины
содержат одинаковый двигательный домен
(то есть головки миозина, на которых проис-
ходит гидролиз АТР).
2. Кинезины. Эти белки движутся по микро-
трубочкам в направлении положительное
конца (то есть от центросомы к клеточной пе-
риферии).
3. Динеины. Эти белки перемещаются к отри-
цательному концу микротрубочек (то есть п<
направлению к центросоме).
Необходимо помнить, что каждая из этих двига-
тельных молекул отвечает за перемещение различ-
ных «грузовых» веществ, что будет обсуждаться
ниже в этой главе.
Цитоскелет
147
Актиновая кора
В отличие от микротрубочек, организованных
в отдельные полимеры, функция которых согла-
сованно регулируется, актиновые филаменты
(микрофиламенты) собираются в сшитые волок-
на, или пучки, с помощью различных актин-свя-
зывающих белков (actin-binding proteins АВР).
Прилегающие к плазматической мембране актино-
вые филаменты образуют часть клеточной коры,
расположение которой контролируется особыми
участками нуклеации, связанными с плазматиче-
ской мембраной. Как и микротрубочки, актиновые
филаменты — это динамические структуры, и вне-
клеточный сигнал, полученный рецепторами
плазматической мембраны, может приводить к ло-
кальной перестройке актинового цитоскелета.
Корковый цитоскелет может влиять на морфоло-
гию плазматической мембраны: например, при
взаимодействии с миозином актиновые филамен-
ты могут формировать сократительные пучки,
благодаря которым при делении клетки образуют-
ся инвагинации клеточной поверхности.
Промежуточные филаменты
Промежуточные филаменты придают проч-
ность клетке, так как они (1) представляют собой
крепкие, волокнистые, устойчивые к растяжению
полипептиды и (2) распределяются по цитоплаз-
ме, образуя прочную сеть. Термин промежуточные
филаменты отражает тот факт, что диаметр этих
волокон — промежуточный между диаметром
зктиновых филаментов и микротрубочек. Проме-
жуточные филаменты очень важны (например,
в эпителиальных клетках для противостояния
механическому давлению и сдвигающим силам).
Кроме того, промежуточные волокна присутствуют
в клеточном ядре и образуют ядерную ламину
-.лерной оболочки (см. главу 3).
Структура промежуточных филаментов
Субъединицы промежуточных филаментов
включают различные типы мономерных белков:
которые состоят только из одного вида белка,
->гда как другие (например нейрофиламенты)
-.►стоят из трех различных белков.
Вне зависимости от типа клетки белки промежу-
-••чных филаментов представляют собой волокни-
тые длинные полипептиды с N-концевым голов-
ным доменом, С-концевым хвостовым доменом
.1 центральным стержневым доменом. Последний
остоит из а-спирального участка, который содер-
жит серию повторений участка из 7 аминокислот.
Этот участок отвечает за образование скрученных
спиральных димеров между двумя параллельными
а-спиралями (то есть а-спиральное кольцо окружа-
ет другое с образованием стабильной структуры,
похожей на скрученную проволоку).
При формировании промежуточных филамен-
тов два скрученных спиральных димера связыва-
ются друг с другом антипараллельно и образуют
тетрамер; то есть N-конец одного димера и С-конец
другого ориентированы в одном направлении.
Поскольку N-конец и С-конец белков промежуточ-
ных филаментов различаются, а димеры и тетраме-
ры уложены антипараллельно, филаменты не по-
лярны; скорее они идентичны с каждой стороны.
Это отличает их от полярной структуры микротру-
бочек и актиновых филаментов и объясняет, поче-
му промежуточные филаменты имеют совершенно
другие свойства.
Эластичность этих филаментов обеспечивается
в частности тем, что димеры каждого тетрамера рас-
положены в шахматном порядке относительно друг
друга; это строение позволяет тетрамерам связывать-
ся между собой. Когда тетрамеры выравниваются
вдоль оси филамента и связываются со свободными
концами, образуется зрелый промежуточный фила-
мент. Это приводит к образованию спирального
пучка, в который упакованы филаменты. Такая
упаковка стабилизируется с помощью латераль-
ных взаимодействий с соседними тетрамерами,
обладающими сходными структурными участками
в центральном стержневом домене каждого проме-
жуточного филамента. Семь или восемь вытяну-
тых тетрамерных комплексов (каждый называется
протофиламентом) сплетаются вместе и образуют
зрелый промежуточный филамент (рис. 7-2).
Белки промежуточных филаментов
Описано по крайней мере четыре класса белков
промежуточных филаментов (табл. 7-2).
• Кератиновые филаменты.
• Виментиноподобные филаменты.
• Белки нейрофиламентов.
• Ламины.
Кератины. Кератины, также известные как ци-
токератины — это наиболее разнообразное семей-
ство белков промежуточных филаментов. По край-
ней мере 20 различных кератинов найдено в эпите-
лиальных клетках человека. Кроме того, описаны,
по меньшей мере, восемь изоформ так называе-
мых тяжелых кератинов, специфичных для волос
и ногтей. Кератины можно подразделить на два типа.
148
Глава 7
Рис. 7-2. Структура нейрофиламентов. Две пары моно-
меров связываются друг с другом с образованием двух
скрученных спиральных димеров. Два димера скручива-
ются друг с другом с формированием отдельного тетра-
мерного комплекса, в котором N-концы и С-концы каж-
дого димера ориентированы в одном направлении, при-
давая структуре симметричность. На третьем этапе
сборки каждый тетрамер выполняет функцию отдельно-
го протофиламента. Два протофиламента скручиваются
вместе, образуя протофибриллу. Четыре протофибрил-
лы, скрученные в спираль, формируют окончательную
структуру промежуточного филамента. (Воспроизведено
с изменениями с разрешения авторов из: Kande] ER et al.
Essentials of Neural Science and Behavior. Appleton &
Lange, 1995, p. 66.)
• Тип I (кислые): 16 изоформ.
• Тип II (нейтральные/щелочные): 13 изоформ.
Промежуточные филаменты, состоящие из кера-
тинов I и II типов, могут формироваться in vitro.
однако гомодимеры не образуются. Это подтвер-
ждает, что кератиновые филаменты относятся к ге-
терополимерам. Действительно, эпителиальные
клетки экспрессируют различные кератиновые по-
липептиды, способные полимеризоваться в единую
систему кератиновых филаментов. Простейший
эпителий (например у развивающегося эмбриона)
экспрессирует только два кератина — один I и один
II типа, в то время как клетки других тканей могут
вырабатывать множество различных кератинов.
Виментин и родственные белки. К виментп -
неподобным белкам относятся десмин, периферии
и виментин. Виментин широко распространен в ци-
топлазматических промежуточных филаментах
и присутствует в клетках различных типов, вклю-
чая фибробласты и эндотелиальные клетки; болы
того, кополимеры виментина и виментинопо-
добных белков найдены во многих типах клеток
В отличие от кератинов, виментин может образо-
вывать полимеры из белков одного вида. Когда
комплементарные дезоксирибонуклеиновые ки-
слоты (кДНК). кодирующие кератины и виментп -
ны, экспрессируются совместно, белки промежу-
точных филаментов могут кополимеризоваться
но при этом образуются отдельные филаменты
Основной белок промежуточных филаментов в мы-
шечных клетках - десмин с молекулярной массой.
53 кДа (таб.г 7-2). связывающий вместе миофиб-
риллы. В центральной нервной системе описаны
различные типы белков промежуточных филамен-
тов; например глиальные филаменты, состоянии
из глиального фибриллярного кислого белка, сл\
жат промежуточными филаментами астроцитов.
Белки нейрофиламентов. Описаны три вил
белков, образующих основные элементы цитосю
лета в нервных клетках.
• Низкомолекулярные белки нейрофиламентю
NF-L: с низкой молекулярной массой.
• Средние белки нейрофиламентов NF-М: с
средней молекулярной массой.
• Высокомолекулярные белки нейрофиламенп г
NF-H: с высокой молекулярной массой.
Нейрофиламенты расположены вдоль нейрон...
Предполагается, что сшивки между С-концевым..
участками белков NF-M и NF-H образуют попереч-
ные мостики, придающие эластичность длинны*-
нейрональным отросткам. Помимо других спеты
лизированных функций в различных типах клети-
промежуточные филаменты играют важную ро.
в формировании (1) клеточных контактов, называв
мых десмосомами, которые соединяют соседи и-
Цитоскелет
149
Таблица 7-2. Классы промежуточных филаментов эукариотических клеток и их распространение
Белки Масса (кДа) Распространение
Кератины Тип 1 (кислые) Тип II (щелочные) 40-60 50-70 “ - Эпителиальные клетки, волосы, ногти
Виментиноподобные Виментин Десмин Глиальный фибриллярный кислый белок Периферии 54 53 50 66 Г " Различные мезенхимальные клетки Мышцы Глиальные клетки Нейроны
Нейрофиламенты Низко-, средне- и высокомолекулярные1 60-130 ; Нейроны
Ламины А, В и С 65-75 Ядерная ламина [
Воспроизведено с разрешения из: Murray RK et al. Harper’s Biochemistry, 24th ed. Appleton & Lange, 1996, p. 705.
1 Относится к их молекулярной массе
эпителиальные клетки, и (2) полудесмосом (рис. 8-4),
прикрепляющих эпителиальные клетки к базаль-
ной мембране, на которой они расположены.
Ядерные ламины. Ядерная ламина, или волок-
нистая ламина, представляет собой сеть промежу-
точных филаментов, расположенных на внутрен-
ней поверхности ядерной мембраны п связанных
; ядерными порами. В клетках млекопитающих
чдерная ламина состоит по крайней мере из трех
родственных белков промежуточных филаментов,
называемых ламинами. Молекулярная масса лами-
нов составляет 65 000-75 000 (табл. 7-2). Кроме
постоянного участка, общего с другими белками
промежуточных филаментов, ламины обладают ка-
риотипическими сигналами, которые обеспечивают
транспорт в ядро (см. главу 4). В отличие от других
промежуточных филаментов, ламины разрушаются
но время митоза, при фрагментации ядра и ядерной
мембраны, и восстанавливаются в конце митоза.
Фосфорилирование специфических остатков сери-
на в ламиновых полипептидах позволяет этим,
'бычно не растворимым, молекулам растворяться
на время митоза. В конце митоза специфические
эосфатазы дефосфорилируют ламины, что восста-
навливает их нерастворимость и облегчает восста-
новление ядерной ламины.
Как обсуждается в главе 8, промежуточные фила-
менты придают клетке эластичность, обеспечивая
. стойчивость к механическим воздействиям. При пе-
елторых заболеваниях мутации в определенных ке-
ратиновых генах изменяют организацию кератино-
вых филаментов, которые находятся в базальном
юе эпителия. Такие генетические изменения увели-
чивают чувствительность клеток к механическим по-
-реждениями. При некоторых заболеваниях, напри-
мер обыкновенной и буллезной пузырчатке, на коже
б разуются пузыри (см. главу 8).
Микротрубочки
Присутствующие во всех эукариотических клет-
ках микротрубочки представляют собой длинные
нитевидные структуры, протянутые по всей цито-
плазме и формирующие сеть, которая поддержива-
ет структурную организацию и локализацию неко-
торых органелл, в частности, эндоплазматического
ретикулума. Микротрубочки играют также важ-
ную роль в:
• делении клетки;
• внутриклеточном транспорте, особенно в пе-
ремещении синаптических пузырьков;
• рециркуляции веществ из комплекса Голь-
джи в эндоплазматический ретикулум;
• подвижности клетки.
Основная структура
Два глобулярных полипептида, а- и р-тубулин
(молекулярная масса ~ 54 000), образуют тубулино-
вый димер, молекулы которого и составляют основ-
ные субъединицы микротрубочек. Микротрубочки
представляют собой цилиндрические структуры, в
которых 13 тубулиновых а/p гетеродимеров уложе-
ны по окружности полого цилиндра диаметром око-
ло 25 нм (рис. 7-3).
Многие клетки богаты тубулиновыми полипепти-
дами; в головном мозге, обладающем огромным чис-
лом микротрубочек, участвующих в транспорте си-
наптических пузырьков, до 20% всего растворимого
белка составляет тубулин. На сегодняшний день
описаны по меньшей мере шесть различных типов
а- и р-тубулина; хотя каждый из них кодируется от-
дельным геном, молекулы тубулинов очень схожи.
Микротрубочки — это достаточно лабильные, постоян-
но изменяющиеся структуры: а- и р~ субъединицы
150
Глава 7
Рис. 7-3. Структура микротрубочки. Тубулин — строи-
тельный блок микротрубочек. Каждая молекула тубули-
на — это димер, состоящий из а-тубулинового и р-тубу-
линового полипептидов. Молекулы тубулина, уложен-
ные в продольные ряды, называются протофиламентами.
Каждая микротрубочка (1) состоит из 13 протофиламен-
тов, взаимодействующих с образованием спирального
цилиндра. Вид сбоку (2) показывает характерный пе-
ремежающийся рисунок а-тубулина и р-тубулина.
(Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов
из: Kandel ER et al. Essentials of Neural Science and
Behavior. Appleton & Lange, 1995, p. 66.)
быстро добавляются к растущему плюс-концу
трубочки и отщепляются от медленно растущего
минус-конца. Сборку микротрубочек могут останав-
ливать вещества, которые прочно связываются со
свободными мономерами тубулина, но не связыва-
ются с полимеризованным тубулином (например
колхицин); этот тип связывания предотвращает
вставку мономеров в растущую микротрубочку.
Сборка микротрубочек in vitro
Обширная информация о микротрубочках была
получена при изучении сборки и функционирова-
ния микротрубочек in vitro. Очищенные а- и ₽-ту-
булины полимеризуются в микротрубочки только
в присутствии гуанозинтрифосфата и ионов магния
и при 37°С (физиологическая температура), но не
при 4°С. Эту реакцию можно проследить с помощью
различных методик, включая электронную микро-
скопию с негативным контрастированием микро-
трубочек, биофизические методы и синтез мутант-
ных субъединиц тубулина на основе
рекомбинантных молекул ДНК (рис. 7-4). Кинети-
ка этого процесса сложна, но может быть разделена
на три отдельные фазы, соответствующие различ-
ным этапам полимеризации микротрубочек.
А. Замедленная фаза (нуклеация). На этом
этапе тубулиновые субъединицы соединяются с об-
разованием небольших олигомерных структур
процесс, называемый нуклеацией. Начальная орга-
низация менее эффективна, чем добавление субъ-
единиц к существующим микротрубочкам и про-
текает медленнее, отсюда и термин «замедленная
фаза».
Б. Фаза полимеризации (элонгация). Высо
кая концентрация свободного тубулина приводи^
к тому, что полимеризация происходит быстрее
чем деполимеризация, и субъединицы добавляют
ся к свободному плюс-концу существующих мик-
ротрубочек. Когда концентрация свободного тубу
лина уменьшается вследствие его встраивания
в микротрубочки, скорость полимеризации снижа-
ется, поскольку эта скорость пропорциональна
концентрации свободного тубулина.
В. Фаза стабильного состояния. Тубулино-
вые субъединицы также отщепляются от микро-
трубочек, и в сталии стабильности вследствие де-
полимеризации образуется свободный тубулин
В этой фазе полимеризация и деполимеризация
уравновешивают друг друга, и такая концентрация
тубулина называется критической концентрацией.
Быстрая полимеризация тубулина происходи:
при добавлении очищенного тубулина к уже суще-
ствующим микротрубочкам. При исследовании
под электронным микроскопом оказалось, чт<
один конец микротрубочки удлиняется быстрее
чем другой. Как упоминалось ранее, этот коней
рассматривается как плюс-конец, а другой — ка?
минус-конец. На электронно-микроскопическое
уровне плюс-конец микротрубочки определяется
как конец, к которому присоединяются молекуле
с большим молекулярным весом, например динеин
Микротрубочки и динамическая
нестабильность
В эукариотических клетках центросома действует
как центр организации микротрубочек. От центросо-
мы, локализованной вблизи ядра, микротрубочки
растут по направлению к периферии. В центросо
мальном регионе найдены парные цилиндрически,
структуры, названные центриолями, состоящие
Цитоскелет
151
nm-*. 25 nm
—-y
Рис. 7-4. Сборка и разборка микротрубочек. Динамиче-
ское состояние микротрубочек является следствием по-
стоянной полимеризации и деполимеризации противо-
положных концов структуры. Димеры, состоящие из а-
и р-тубулина, встраиваются в микротрубочку с плюс-
конца и отщепляются от ми нус-конца. Внизу показаны
размеры микротубулярного цилиндра (15 нм внутрен-
ний диаметр, 25 нм наружный диаметр). (Воспроизведе-
но с разрешения из: Sloboda R.: The role of microtubules
:n cell structure and cell division. Am Sci 1980;68:290.)
из небольших волокон. Матрикс центросомы окру-
жен центриолярной парой микротрубочек, и имен-
но в этом участке происходит полимеризация мик-
ротрубочек.
При использовании микроскопа, снабженного
флуоресцентным экраном или видеокамерой, сни-
мающей на пленку поведение тубулиновых единиц
с флуоресцентной окраской, было показано, что
микротрубочки в клетках тканевой культуры по-
стоянно полимеризуются и деполимеризуются.
Отдельные микротрубочки растут по направлению
к клеточной периферии, затем внезапно сокращают-
ся (либо частично, либо полностью) в направлении
центросомы и снова полимеризуются. Этот процесс,
обозначаемый как динамическая нестабильность,
может быть воспроизведен in vitro с использованием
очищенного тубулина и микротрубочек.
Для динамической нестабильности требуется
энергия гидролиза GTP. Ниже перечислены основ-
ные особенности этого процесса.
1. Молекулы тубулина связываются как с гуа-
нозинтрифосфатом (GTP), так и с гуанозин-
дифосфатом (GDP); однако субъединицы,
содержащие GTP, обладают большим сродст-
вом к растущему плюс-концу микротрубоч-
ки, чем содержащие GDP.
2. Рост плюс-конца происходит, если новые мо-
лекулы тубулина связываются с GTP до того,
как присоединенные ранее субъединицы гид-
ролизуют их молекулы GTP. Через некото-
рое время после встраивания в растущую
микротрубочку GTP гидролизуется до GDP.
Если в этот момент субъединица, содержа-
щая GDP, находится на плюс-конце (то есть
нет дополнительных димеров тубулина, при-
соединенных к цепи), тубулиновые субъеди-
ницы распадаются.
3. Однако, если новый содержащий GTP тубу-
лин присоединяется к плюс-концу перед тем,
как предшествующая субъединица гидроли-
зует свой GTP, первая субъединица не может
гидролизовать свою молекулу и GTP отщеп-
ляется от тубулина предшествующей субъеди-
ницы. Это происходит потому, что эта субъе-
диница не удлиняет плюс-конец, а встроена
в микротрубочку.
4. Предполагается, что динамическая нестабиль-
ность вызвана гидролизом GTP. Быстрая
сборка тубулина опережает гидролиз GTP на
плюс-конце. Это приводит к формированию
«шапочки» (cap) из GTP на плюс-конце.
GTP-тубулиновые полипептиды связываются
друг с другом с большим сродством, чем
GDP-тубулиновые; следовательно, «шапочка»
из GTP облегчает полимеризацию тубулина.
После гидролиза GTP скорость полимериза-
ции снижается, и микротрубочка начинает де-
полимеризоваться. Предполагается, что это
происходит вследствие изменения конформа-
ции р-тубулиновых протофиламентов. Счита-
ется, что GDP-протофиламенты более закру-
чены, что приводит к неэффективной сборке
и прогрессирующей разборке этих протофила-
ментов, что, в свою очередь, вызывает образо-
вание свободных димеров тубулина (рис. 7-4).
Динамическая нестабильность имеет важное фи-
зиологическое значение. Во время клеточного деле-
ния, например, скорость образования и деполиме-
ризации микротрубочек значительно возрастает,
что обеспечивает соединение хромосом с микро-
152
Глава 7
трубочками и формирование митотического вере-
тена. И наоборот, при дифференцировке клеток
деполимеризация микротрубочек уменьшается
благодаря участию белков, связанных с микротру-
бочками и стабилизирующих их (это будет описа-
но ниже). После полимеризации субъединицы ту-
булина подвергаются ковалентной модификации.
В частности молекулы а-тубулина модифициру-
ются с помощью:
• ацетилирования остатков лизина;
• отщепления остатков тирозина или детирози-
нирования.
Эти модификации происходят только с молеку-
лами а-тубулина, входящими в состав микротру-
бочек, а не со свободными молекулами тубулина.
Так как эти реакции идут относительно медленно
и быстро обращаются при деполимеризации, они
могут использоваться как показатель продолжи-
тельности полимеризации отдельной микротру-
бочки. В целом, чем длительнее полимеризация,
тем больше количество ацетилированных и дети-
розинированных субъединиц. В зависимости от ти-
па клетки, этот процесс может длиться от 20 минут
(например в фибробластах) до нескольких часов
(в аксонах нервных клеток).
Белки, ассоциированные с микро-
трубочками
Кроме GTP-кэпирования (от английского «cap-
ping») и ковалентной модификации тубулина, кото-
рые стабилизируют микротрубочки, изменение
свойств микротрубочек происходит также благода-
ря взаимодействию со специфическими белками,
связанными с микротрубочками (microtubule-asso-
ciated proteins, MAPs). Эти молекулы участвуют в:
1) регуляции разборки микротрубочек
2) связывании микротрубочек со специфичес-
кими органеллами.
Более того, специализированную группу МАР
составляют микротубулярные двигатели, которые
перемещаются вдоль по микротрубочкам. К тому
же некоторые МАР специфичны для определенно-
го типа клеток; например, из головного мозга были
выделены два класса МАР:
• высокомолекулярные МАР, с массой 200 000-
300 000, например МАР-1 и МАР-2;
• тау-белки, с массой 55 000-65 000.
Белки обоих классов имеют домен, связываю-
щий микротрубочки, и участки, которые связыва-
ют микротрубочки с другими внутриклеточными
компонентами. Возможно, наилучшим образом бы-
ли исследованы функции МАР в нервных клетках.
Распределение различных видов МАР можно про-
следить при помощи флуоресцентной микроско-
пии с использованием антител, специфических для
определенного вида МАР. Нейроны, длина кото-
рых может достигать 1 метра, перемещают синап-
тические пузырьки на значительное расстояние от
места их синтеза в теле клетки к периферии; это
движение идет по микротрубочкам. В аксонах мик-
ротрубочки очень длинные и их плюс-конец растет из
тела клетки к концевым разветвлениям аксона. Ока-
залось, что некоторые тау-белки присутствуют толь-
ко в аксонах, а МАР-2 — только в теле клетки и ден-
дритах. Это позволяет предполагать, что в нейро-
нах МАР могут участвовать в обеспечении внутри-
клеточной компартментализации, изолиру я
определенные компоненты (например, секретор-
ные и синаптические пузырьки) в различных уча-
стках клетки.
Этот тип локальной компартментализации
существует не только в нейронах, хотя в других ти-
пах клеток он менее выражен. Минус-концы мик-
ротрубочек закреплены в центросоме и расходятся
в различных направлениях от нее к периферии
клетки. Однако полимеризация и деполимериза-
ция тубулина регулируются таким образом, чт<
преобладают микротрубочки, ориентированные
в определенном направлении. Это может создавать
определенную степень полярности в расположении
клеточных органелл. Каким образом это достигает-
ся, точно не известно. Предполагается, что МАР
предотвращают деполимеризацию и стабилизирую:
определенные микротрубочки, тогда как в микро-
трубочках, лишенных «шапочек» из GTP, постоян-
но идут процессы сборки и разборки. Следователь-
но, если набор «копированных» микротрубочек
ориентирован в определенном направлении, созда-
ется полярность относительно центросомы.
Микротрубочки: связь с клиникой
Медикаментозная терапия онкологических боль-
ных заключается в разрушении митотического вере-
тена веществами, нарушающими полимеризации
тубулина (например, колхицином, винбластином
или винкристином). Применение этих препарате?
обусловлено тем, что митотическое веретено, спо-
собствующее расхождению хромосом, состоит и
микротрубочек. Антимитотические лекарственны'
средства, которые связываются с микротрубочками
и ингибируют образование митотического веретен и
предотвращают расхождение хромосом и таким об -
разом должны уничтожать преимущественно быст-
ро делящиеся раковые клетки. Для лечения рак,,
молочной железы применяется другой препара,
действующий на аппарат микротрубочек, — таксо.:
Цитоскелет
153
Хотя механизм действия таксола противоположен
механизму действия колхицина (таксол стабилизи-
рует микротрубочки, предупреждая их деполяриза-
цию), фармакологический эффект этих препаратов
одинаков: остановка быстрого деления клеток.
Молекулярные двигатели:
движение по микротрубочкам
Если выделенные микротрубочки поместить на
предметное стекло микроскопа, они могут сколь-
зить по поверхности при наличии АТР и экстракта
цитозоля клеток. При использовании усовер-
шенствованных методик световой микроскопии
(например видеомикроскопии) можно наблюдать
скольжение отдельных микротрубочек по поверх-
ности стекла или движение небольших частиц
вдоль микротрубочек, если микротрубочка изна-
чально прикреплена к поверхности. Восстанавли-
вая эти двигательные реакции in vitro и очищая
компоненты цитозоля, которые усиливают движе-
ние, исследователи обнаружили два типа микроту-
Зулярных двигательных белков:
• цитоплазматические динеины;
• кинезины.
Цитоплазматические динеины участвуют в транс-
порте органелл и митозе и гомологичны динеи-
не ресничек и жгутиков. Кинезипы принадлежат
к большому и многообразному семейству белков,
участвующих в транспорте* органелл, митозе и мей-
ле. Эти молекулы составляют семейство молеку-
лярных двигателей, которые взаимодействуют со
многими компонентами цитоскелета (табл. 7-3).
Моторные белки обоих типов — это высокомо-
лекулярные соединения, состоящие из двух тяже-
лых и нескольких легких цепей. Тяжелые цепи - -
это очень крупные молекулы (молекулярная мас-
са - 300 000), поэтому их можно наблюдать в элек-
тронный микроскоп с использованием методики
оттенения1. Тяжелые цепи могут быть разделены на
два больших участка: (1) головной домен, который
имеет форму глобулы и обладает АТР-связываю-
щим участком, и (2) стержневой хвостовой домен,
который взаимодействует со специфическими внутри-
клеточными компонентами, такими как секреторные
пузырьки. Два головных домена связываются с мик-
ротрубочками и служат АТР-азными двигателями,
а хвостовые участки связываются со специфически-
ми органеллами и внутриклеточными компонента-
ми, которые транспортируются этими двигателями
(рис. 7-5). Двигательные молекулы перемещаются
по микротрубочкам лишь в одном направлении.
• Динеин перемещает органеллы по направле-
нию к минус-концу микротрубочек, то есть от
периферии клетки к центросоме.
• Кинезины перемещаются к плюс-концу мик-
ротрубочек, то есть от центросомального уча-
стка к клеточной периферии.
Наиболее убедительные данные о перемещении
веществ по микротрубочкам были получены при
изучении аксонального транспорта. И in vitro, и in
vivo было показано, что движение органелл от тела
клетки, направляется кинезином, а движение от
нервного окончания к телу клетки направляется ди-
неином.
Таблица 7-3. Молекулярные двигатели в эукариотических клетках
Двигательные Эффект
системы
Связанные с актином
Миозин-1 Перемещает пузырьки по актиновым филаментам; передвигает один актиновый фила- мент по другому
Миозин-Н Вызывает мышечное сокращение, натяжение коры, кэпирование поверхностных моле- i Iкул, клеточную полярность, цитокинез
Связанные с микротрубочками Аксональный динеин Вызывает скольжение жгутиковых микротрубочек друг по другу, перемещает частицы , к минус-концу микротрубочек
Цитоплазматический динеин Кинезин Динамин Перемещает частицы к минус-концу микротрубочек , । Перемещает частицы к плюс-концу микротрубочек Управляет активным скольжением микротрубочек друг по другу; участвует в эндоцитозе ;
Воспроизведено с разрешения из: Scholey JM. Multiple microtubule motors.
Copyright 1990. Macmillan Magazines Ltd.
Когда на образец под определенным углом напыляется металл.
154
Глава 7
Рис. 7-5. Модель образования кинезинового поперечного
мостика между органеллами и микротрубочками. Моле-
кула кинезина показана как участок соедининия органел-
лы с микротрубочкой. АТРазный головной домен моле-
кулы кинезина действует как двигатель, обеспечивающий
движение органеллы по микротрубочке. (Воспроизведе-
но с разрешения из: Howard J. One giant step for kinesin.
Nature 1993;365:696. Copyright 1993. Macmillan Magazi-
nes Ltd.)
Реснички и центриоли
Реснички — это микроскопические, волосовид-
ные структуры диаметром около 250 нм, располо-
женные на поверхности клеток многих типов,
включая клетки простейших (Protozoa) (рис. 7-6).
Основные функции ресничек заключаются в сле-
дующем:
• перемещать жидкость и частицы около кле-
точной поверхности;
• продвигать одноклеточные организмы вперед
сквозь толщу жидкости;
• проталкивать яйцеклетку по яйцеводу;
• приводить в движение сперматозоиды.
В центре реснички находится пучок микротру-
бочек, приблизительно в 10 раз превышающий по
размеру большую субъединицу рибосом.
Эпителий, выстилающий дыхательные пути, со-
держит множество ресничек, которые перемещают
слои слизи, задерживают частицы, направляют мерт-
вые клетки к ротовой полости, где они удаляются
при глотании. Пациенты с нарушениями в структуре
ресничек предрасположены к инфекционным забо-
леваниям дыхательных путей, а лица мужского пола
могут быть бесплодны из-за снижения подвижности
сперматозоидов. Движение ресничек и жгутиков,
Рис. 7-6. П оперечный срез через реснички моллюска
На электронноп микрофотографии отмечены следуюпнг
структуры: —► - наружные сдвоенные микротрубочки,^
центральные сдвоенные микротрубочки, Д — плазматиче-
ская мембрана (С любезного разрешения Dr Р Satir.)
которые в сущности являются удлиненными реснич-
ками, было дета.1ьно исследовано на одноклеточных
организмах, например простейших Chlamydomona>
в которых можно создать мутантные жгутики
Для изучения работы этих органелл исследователи
применяли электронно-микроскопический анали/
нативных и мутантных жгутиков, биофизические
и биохимические методики, а также математический
анализ частоты колебаний и подвижности ресничек
Точно отрегулированное движение ресничек, то ест с
их биение, происходит однонаправленными волна
ми: каждая ресничка движется подобно хлысту:
• при ударе вперед ресничка вытягивается ио-
противляется окружающей среде;
• в фазу восстановления ресничка возвращает
ся к исходной позиции с помощью плавно:
движения, которое снижает вязкое сопротш-.
ление среды;
• соседние реснички не совсем синхронны в св
их движениях, что приводит к образован и •
волн, видимых под микроскопом как биение
ресничек.
Реснички и жгутики выступают из клеточной к -
верхности; следовательно, их наружная поверхнсч . *
соответствует плазматической мембране. При об;^
ботке этой мембраны неионными растворителя мх
внутренняя структура и организация ресничек сохд?
няется и, таким образом, освобождается аксонема.
Цитоскелет
155
Эта структура состоит исключительно из микротру-
бочек и связанных с ними белков. Микротрубочки
организованы в четкую, строго упорядоченную,
повторяющуюся структуру, расположенную вдоль
реснички. Девять сдвоенных микротрубочек окру-
жают центральную пару одиночных микротрубо-
чек (рис. 7-7).
Такое расположение микротрубочек называется
«9+2» и существует почти во всех эукариотических
клетках. Каждый из девяти наружных дуплетов
(Субъединицы, как они выглядят при
негативном контрастировании)
Электронная микрофо-
тография микротрубо-
чек, демонстрирующая
структурные особенно-
сти, описанные в А
Рис. 7-7. Структура микротрубочек и ресничек. Ядро, или аксонема, реснички (Б) состоит из двух центральных микро-
-у \ бочек, окруженных девятью дуплетами наружных микротрубочек (структура 9+2). Показано схематическое изобра-
жение (А) и электронная микрофотография микротрубочки. Также приводится микротубулярная структура центрио-
’*-и (В). (Воспроизведено с разрешения из: Junqueira LC et al. Basic Histology, 8th ed. Appleton & Lange. 1995. p. 43.)
156
Глава 7
состоит из слившихся вместе микротрубочек —
одной полной и одной неполной. На поперечном
срезе полная трубочка (обозначаемая как А тру-
бочка) состоит из 13 тубулиновых субъединиц; то-
гда как неполная В трубочка имеет И субъединиц.
Каждая микротрубочка центральной пары полная,
а две трубочки центральной пары скреплены друг
с другом вспомогательными белками.
При анализе полипептидов аксонемы с помощью
двумерного электрофореза выявляется приблизи-
тельно 200 пятен. Создавая антитела к отдельным
полипептидам и изучая морфологическую струк-
туру мутантов с дефектом в определенном компо-
ненте, можно картировать многие белковые
взаимодействия внутри аксональных микротрубо-
чек. Некоторые из этих белков образуют сшивки,
которые удерживают микротрубочки вместе.
Другие белки обеспечивают и регулируют сгиба-
ние и движение микротрубочек (рис. 7-8).
Рис. 7-8. Структура аксонемы у Tetrahymena. Эта компьютерная модель изображает поперечный срез аксонемы р-
нички. Тубулиновые субъединицы изображены в виде небольших закрашенных шариков. Вспомогательные бель
включая сшивки и молекулярные двигатели, показаны в виде полос и шаров. (Воспроизведено с изменениями с р,-.
решения Company of Biologists, Ltd. с обложки J Cell Sci 1991;98.)
Цитоскелет_____________________
157
Динеин — молекулярный двигатель
ресничек и жгутиков
Реснички и жгутики растут из базальных телец,
структурно схожих с центриолями. Базальные тель-
ца — это цилиндрические структуры, из которых
в процессе формирования ресничек растут дуплеты
микротрубочек. Центросома содержит пару цен-
триолей. Во время удвоения они разделяются, и до-
черняя центриоль формируется перпендикулярно
исходной. Возникшая центриоль содержит девять
симметричных одиночных микротрубочек, каждая
из которых действует как матрица для организа-
ции триплетных микротрубочек зрелой центриоли.
Динеин ресничек служит биохимическим двига-
телем, который вызывает скольжение и повороты
оседних микротрубочек. Динеин ресничек имеет
доменную структуру, которая включает:
• двигательный домен, гидролизующий АТР;
• хвостовой домен, взаимодействующий с со-
седними микротрубочками.
Динеин ресничек имеет более сложную структу-
ру по сравнению с цитоплазматическими фермен-
тами. Он содержит две пли три тяжелые цепи, ка-
ждая из которых весит приблизительно 450 кДа;
)бщая молекулярная масса динеина превышает
2 000 000. Головной домен динеина ресничек взаи-
модействует с соседними микротрубочками, а гид-
тюлиз АТР создает механохимическую силу, кото-
рая вызывает движение динеина к минус-концу
микротрубочки. Это приводит к скольжению мик-
ротрубочек друг по другу; а так как дублеты мик-
ротрубочек сшиты вместе, эта сила превращается
сгибательное движение (рис. 7-7 и 7-8).
Связь с клиникой:
дисфункция ресничек у человека
Несколько редких дефектов, которые вызывают
завышенную восприимчивость к респираторным
лболеваниям и бесплодие, называются синдромом
неподвижных ресничек. Было показано, что спер-
матозоиды стерильных мужчин неподвижны; ульт-
лструктурный анализ спермы выявил, что в аксо-
л-мах этих сперматозоидов нет динепновых ручек.
' тех же пациентов с детства наблюдались хрони-
• ские респираторные заболевания. Комбинация
их или связанных с ними симптомов известна
• л к синдром Картагенера.
Этот синдром имеет наследственную основу, так
- •ж иногда поражаются сибсы. Однако, поскольку
жсонема является сложной структурой, в построе-
ии которой участвуют продукты многих генов,
щаженные гены не были выделены и охарактери-
ваны. На самом деле, появление такого фенотипа
может быть обусловлено различными дефектами.
У некоторых пациентов реснички теряют цен-
тральную пару микротрубочек; у других — перифе-
рические дуплеты микротрубочек смещены в центр;
у пациентов третьей группы в ресничках отсутст-
вуют радиальные спицы. Очевидно, что это слож-
ная группа заболеваний, при которых поврежда-
ются гены, кодирующие различные компоненты
ресничек.
Актиновые филаменты
Актин — вероятно, самый распространенный бе-
лок эукариотических клеток и составляет около 5%
общего белка; в скелетных мышцах актин состав-
ляет приблизительно 20% клеточной массы. Акти-
новые филаменты собираются спонтанно (и in vivo,
и in vitro} и состоят из актиновых субъединиц.
Каждая субъединица актина представляет собой
один полипептид, состоящий из 375 аминокислот-
ных остатков, с которым прочно связана молекула
АТР. В некоторых учебниках молекулы актина де-
лят на G-актин, или глобулярный актин, и поли-
меризованный, или фибриллярный актин, обозна-
чаемый иногда как F-актин. Было неоднократно
показано, что как и тубулиновые субъединицы,
молекулы актина присоединяются и отщепляются
от концов спиралевидных филаментов.
Ниже перечислено несколько основных особен-
ностей актиновых филаментов. Актиновые фила-
менты:
• представляют собой линейные спиралевид-
ные структуры, субъединицы которых ориен-
тированы в одном направлении;
• имеют около 8 нм в диаметре;
• более гибкие, более тонкие и короткие по
сравнению с микротрубочками;
• являются необходимым компонентом сокра-
тительного аппарата мышечных клеток;
• составляют ядро микроворсинки.
Каждый актиновый филамент состоит из закру-
ченного в спираль полипептида. Как и микротру-
бочки, актиновые филаменты являются полярными
структурами. Быстро растущий конец называется
плюс-концом, а медленно растущий — минус-кон-
цом. Актиновые филаменты могут быть «укра-
шены» миозином (см. ниже), а размер, форма и
ориентация головок миозина, напоминающих
наконечники стрел, придают каждому концу фила-
мента характерный морфологический вид. Плюс-
конец колючий, тогда как медленно растущий
минус-конец называется заостренным. Оба конца
с разной скоростью присоединяют и отщепляют
актиновые субъединицы. У млекопитающих есть
158
Глава 7
множество актиновых генов, кодирующих шесть
изомеров актина, которые экспрессируются в раз-
личных тканях. Однако аминокислотные последо-
вательности этих изомеров крайне консервативны,
и все они формируют схожие спиралевидные
филаменты. В таблице 7-4 перечислены изомеры
актина и соответствующие виды ткани.
Таблица 7-4. Актиновые изомеры и соответствую-
щие виды ткани
Актиновый изомер Ткань
а-актин Различные мышечные клетки
р-актин Немышечные клетки
у-актин Немышечные клетки
Полимеризация актина
Как и сборка микротрубочек, полимеризация ак-
тина изучалась in vitro с помощью (1) измерения
изменений в спектре флюоресценции в ответ на
включение в филаменты меченых молекул актина
или (2) наблюдения за изменением вязкости акти-
нового раствора при полимеризации. Для полиме-
ризации актина требуются:
• АТР, который гидролизуется до ADP после
встраивания каждой субъединицы в фила-
мент;
• ионы К+ и Mg2+.
Как и в случае полимеризации тубулина, в про-
цессе образования актиновых филаментов также
можно выделить различные стадии.
1. Начальная замедленная фаза, в которой фор-
мируется ядро из новых филаментов.
2. Быстрая полимеризация, во время которой
короткие филаменты удлиняются.
3. Полимеризация актина на каждом конце
филамента различна; плюс-конец филамента
полимеризуется в 10 раз быстрее, чем ми-
нус-конец.
Оказалось, что в процессе спонтанной полиме-
ризации участвуют актиновые субъединицы, со-
единенные в виде тримера. Сделать этот вывод
позволил тот факт, что скорость полимеризации
актина в начальной фазе пропорциональна кубу
концентрации актина. В отличие от этого, удлине-
ние имеющихся актиновых филаментов происходит
при последовательном присоединении отдельных
молекул актина и, таким образом, определяется
локальной концентрацией свободных мономеров
актина.
После полимеризации молекула АТР, связанная
с каждой актиновой субъединицей, гидролизуется
до ADP и фосфата; это приводит к образованию
ADP-полимера актина. На основании кристалло-
графических данных известно, что актин имеет
форму двустворчатого моллюска и связывает
ADP в щели между двумя половинками ракови-
ны; подобно моллюску, актин может открываться
и закрываться. При полимеризации створки за-
крываются, что приводит к гидролизу АТР; обра-
зовавшаяся молекула ADP задерживается между
двумя половинками актиновой молекулы, которая
встраивается в филамент.
Гидролиз АТР при полимеризации
актина
Гидролиз АТР выполняет те же функции, чтс
и гидролиз GTP при полимеризации тубулина
В обоих случаях гидролиз нуклеотидтрифосфата
ослабляет связи в полимере, усиливая таким обра-
зом деполимеризацию, после которой начинается
новый цикл сборки. Скорость замены ADP на АТР
в свободном G-актине относительно невысока
(минуты); следовательно, существует достаточна
длинная задержка перед тем, как освобожденный
мономер актина воссоединится с АТР и сможет
вновь использоваться для сборки филамента
Теоретически, это свойство позволяет клетке под-
держивать высокую концентрацию неполимеризо-
ванных мономеров ADP-актина в цитоплазме
Хотя это свойство, без сомнения, имеет зна- че-
ние в регуляции уровня встраивания субъединиц а
филаменты, оказалось, что наиболее важную роль
в этом процессе играют актин-связывающие белки
(АВР).
Как уже упоминалось, концентрация G-актин.-,
в клетке очень высока (-200 мкМ), а его критиче-
ская концентрация, то есть концентрация свобо.:-
ных мономеров актина, определяющая количеств
актина в полимере, гораздо ниже: приблизительна
0,2 мкМ. Это безусловно ниже концентрации неп
лимеризованного актина в клетке. Следовательно
клетка имеет механизм, регулирующий сборку фи-
ламента и предотвращающий встраивание боль-
шей части G-актина в филаменты; частично этот
механизм осуществляется с помощью актин-связь:
вающих белков, которые предотвращают полиме-
ризацию.
Контроль полимеризации актина
и актин-связывающие белки
Актин участвует в образовании различных кле-
точных структур, таких как (1) выступы клеточной
поверхности (двигательные края подвижных кле-
ток) и (2) актиновая кора (область, расположенная
Цитоскелет
159
под плазматической мембраной). Поскольку акти-
новые филаменты идентичны и различные изоформы
актина достаточно похожи, различия в структуре
актинового цитоскелета являются следствием:
• стабильности филаментов;
• длины филаментов;
• способа прикрепления филаментов.
Актин-связывающие белки
Регуляция свойств актина и количества G-ак-
тина, встраиваемого в филамент, осуществляется
разнообразными актин-связывающими белками,
некоторые из которых описаны ниже.
Профилины
Профилины — это семейство актин-связывающих
белков. Во многих клетках профилин связан с плаз-
матической мембраной и присоединяет актин в соот-
ношении 1:1. Раньше считалось, что вследствие та-
кого связывания профилин регулирует уровень
фибриллярного и свободного актина по закону дей-
ствия масс. Теперь известно, что количество профи-
лина в клетке недостаточно для связывания всего
G-актина. По крайней мере, в тромбоцитах и нейтро-
филах актиновые мономеры связывает, скорее всего,
тимозин-/34. Однако профилин модулирует органи-
зацию актина, катализируя замену ADP-актина на
ЛТР-актин и отщепляя мономеры актина от тимози-
на на растущем конце актинового филамента.
Тимозин-^4
Тимозин-/?4 — это небольшой полипептид, со-
стоящий из 43 аминокислотных остатков и широко
распространенный в клетках позвоночных. Он яв-
ляется сильным ингибитором полимеризации
актина. В некоторых клетках (тромбоциты челове-
ка) тимозин-р4 присутствует в достаточно высо-
кой концентрации (-200 мкМ) и связывает боль-
шую часть свободных мономеров актина. Способ
связывания актина неясен, однако можно предпо-
ложить два механизма: либо тимозин-р4 стериче-
ски блокирует участок, который отвечает за свя-
зывание между собой мономеров актина, либо
предотвращает замену ADP на АТР в промежутке
между субъединицами.
Спектрин
Хотя тимозин и профилин предотвращают свя-
зывание мономера актина с плюс-концом актиново-
го филамента, одним из первых детально изученных
АВР был спектрин, называемый также фодрином.
Спектрин связан с мембраной эритроцитов. В этих
клетках, которые представляют собой хранилище
гемоглобина, основной органеллой является плаз-
матическая мембрана. Она поддерживается сетью
спектриновых тетрамеров, соединенных с помощью
коротких актиновых филаментов одинаковой дли-
ны. В эритроцитах спектрин также связан с цито-
плазматическим хвостом одного из основных
мембранных белков, белка полосы-Ш, посредст-
вом анкириновых мостиков. Изомеры спектрин-
подобных белков найдены во многих клетках,
Рис. 7-9. Роль актина в стабилизации структуры эритроцита. Актин является одним из важнейших белков, участ-
вующих во взаимодействиях клеточной мембраны и цитоскелета в эритроцитах. Актиновые микрофиламенты закре-
щены в клеточной мембране с помощью различных связывающих белков. Обратите внимание, что некоторые из этих
>-лков имеют названия, а другие — лишь идентификационные номера (например, 4.1, 4.2, 4.9). (Воспроизведено
разрешения из: Luna EJ, Hitt AL. Cytoskeleton-plasma membrane interactions. Science 1992;258:955. Copyright 1992
American Association for the Advancement of Science.)
160
_____________Глава 7
и предполагается, что они выполняют функцию ак-
тин-сшивающих белков. Во многих случаях акти-
новые филаменты клеточной коры значительно
длиннее, чем в эритроцитах, и образуют в цитоплаз-
ме трехмерную сеть филаментов. Актиновая сеть
клеточной коры определяет форму и механические
свойства плазматической мембраны (рис. 7-9).
Актин-сшивающие белки
Кроме АВР, регулирующих либо полимериза-
цию, либо связывание актина с другими компонента-
ми, существуют актин-сшивающие белки, которые
формируют из актиновых филаментов клеточной
коры отдельную структуру со специфическими
функциями (табл. 7-5).
Таблица 7-5. Актин-сшивающие белки формируют
из молекул актина отдельную структуру
1 Актиновые ' филаменты клеточной коры Примеры функционирования
Параллельные пучки Есть в микроспайках, филоподиях. i| Актиновые филаменты имеют оди- наковую полярность; расположены ; близко, на расстоянии - 10-20 нм. ।
Сократительные j пучки Например, стрессовые волокна; сократительное кольцо, разделяю- * щее клетки при митозе. Филамен- ты имеют противоположную поляр- j ность; расположены неплотно, на 1 расстоянии ~ 60 нм. Содержат j миозин-П. :
Гелеподобная J сеть L ; Филаменты имеют неплотную, от- крытую структуру, много перпенди- ; । кулярных связей. J
Актин-сшивающие белки, можно разделить на
две основные группы.
1. Белки, формирующие пучки, которые со-
единяют актиновые филаменты в параллель-
но упорядоченные структуры.
2. Гельформирующие белки, соединяющие ак-
тин крест-накрест в неплотную, гелеподоб-
ную структуру.
К наиболее хорошо изученным белкам, фор-
мирующим актиновые пучки, относятся фим-
брии и а-актинин. Фимбрином богат двигатель-
ный край подвижных клеток, в котором находятся
параллельные пучки филаментов, а-актинин был
обнаружен в сократительных пучках стрессовых
волокон — временных пучков, состоящих из акти-
на и миозина-П. а-актинин неплотно связывает
актиновые филаменты в сократительные пуч-
ки, а также помогает концам стрессовых волокон
«заякориться» в плазматической мембране в фо-
кальных контактах — участках, где клетка при-
крепляется к внеклеточному матриксу (глава 8).
Филамин — белок, в изобилии присутствующий
в актиновой коре многих клеток. Этот гельформи-
рующий белок связывает актиновые филаменты
таким образом, что они пересекаются друг с другом
и формируют трехмерную гелеподобную сеть.
Функция актиновых филаментов:
связь с клиникой
Основной объем данных, подтверждающих роль
актиновых филаментов в движении и поддержа-
нии формы клетки, был получен при использова-
нии веществ, стабилизирующих или разрушающих
эти филаменты. Цитохалазины — вещества, предот-
вращающие присоединение актина на плюс-конщ
фаллоидины — токсины грибов, связывающиеся
с актиновыми филаментами и предотвращающие
деполимеризацию. Длительное воздействие этих ве -
ществ на клетки токсично. Актиновые филаменты
находятся в динамическом равновесии межд\
F-актином и мономерным актином; нарушены
этого равновесия смертельно для клеток. При воз-
действии цитохалазина на подвижные клетки на-
рушается их движение. Исследователи обнаружи-
ли, что в «двигательном крае» клетки содержатс,-
актиповые филаменты, которые постоянно образу-
ются и разрушаются иод действием цитохалазин^
Многие клетки позвоночных, в особенности
клетки опухолей, могут мигрировать и внедряты -
в инородные ткани. В культуре ткани, напримс:
фибробласты образуют на своей поверхности ла-
меллоподии представляющие собой плотную се л
из актиновых филаментов. Клетки могут также об-
разовывать тонкие, острые выпячивания или мик-
рошипы: они достигают 10 мкМ в длину и содержа
неплотные актиновые пучки, в которых плюс-кон> .
направлен наружу. Самым ярким примером микр
шипа является конус роста развивающегося аксю .
нервной клетки; такой микрошип, называем!.:.
филоподией, может достигать 50 мкМ в длину.
Ламеллоподии — структура, состоящая из уг
рядоченных актиновых филаментов, плюс-кон к.-,
которых направлены к двигательному краю пл.,
магической мембраны. Складчатость плазматил
ской мембраны возникает в том случае, если .
меллоподии не могут прикрепиться к субстрат \ -
этом случае микрошипы и ламеллоподии движ\:
назад внутрь клетки. Ламеллоподии и микроши:.^
образуются путем быстрой локальной полимер!t .
ции актина на плазматической мембране; при эт ч
плазматическая мембрана выдвигается вперед, ц. .,<•
выдавливается, на двигательном крае клетки.
Цитоскелет ______________ ______ _________
Актин постоянно удаляется обратно в тело
клетки; то есть актин постоянно полимеризуется
на конце двигательного края и деполимеризуется
с внутренней стороны. Клеточная подвижность
обеспечивается динамическим поведением актина
в двигательном крае, где актиновые филаменты
прикреплены к плазматической мембране.
Регуляция сборки актина клеточной
коры: связь с клиникой
Полимеризация актина — это точно регулируе-
мый процесс, контролируемый с помощью поверх-
ностных рецепторов клетки. Корковые актиновые
филаменты могут быстро изменять свою органи-
зацию в ответ на внеклеточный сигнал. Более
того, некоторые компоненты внутриклеточной пе-
редачи сигнала (см. главу 9) также очень точно ре-
гулируют состояние актиновой коры, то есть изме-
няют отдельные участки плазматической мембраны.
Например нейтрофилы, которые способны к хемо-
таксису, могут двигаться в ответ на хемотаксисные
пептиды бактерий. Нейтрофилы полимеризуют
свой актин локально, что позволяет этим клеткам
быстро мигрировать в направлении привлекающих
пепдидов и разрушать внедрившиеся бактерии.
Сигнальные молекулы, такие как гетеромерные
G-белки (см. главу 9). также участвуют в регуля-
ции этого ответа. Существуют два небольших
GTP-связывающих белка, родственных Ras-бел-
ку — Rho и Rac. Они действуют в ответ на связы-
вание лиганда с рецептором и опосредуют образо-
вание ламеллоподий. Помимо участия в иммунном
пвете организма на определенные внеклеточные
стимулы (например на определенные бактерии)
актиновый цитоскелет играет ключевую роль в пре-
дотвращении малигнизапип клеток.
Актиновый цитоскелет и рак
Длительное воздействие на клетки веществ,
нарушающих полимеризацию или деполимериза-
цию актиновых филаментов, приводит к смерти
лих клеток. Следовательно, учитывая роль актина
в жизнедеятельности клетки, вполне вероятно,
•«то значительные аномалии актиновых фила-
ментов могут привести к летальному фенотипу.
Действительно, было показано, что в клетках не-
которых злокачественных опухолей изменение
уормы клетки, сопутствующее изменению феноти-
па. может быть вызвано уменьшением экспрессии
'слков, регулирующих сборку актина. В частности,
гличия в организации актинового цитоскелета
- определенных трансформированных клетках
-вязаны с их способностью к метастазированию.
__ _____ ______ ____________ _____ ____161
При исследовании клеток саркомы крыс было об-
наружено, что клетки с короткими, тонкими акти-
новыми филаментами более подвижны, чем не-
трансформированные клетки, и, следовательно,
обладают большей способностью к метастазирова-
нию. Также отмечено, что для трансформированных
метастазирующих клеткок характерно снижение
концентрации белка, связывающего мономеры ак-
тина, — тимозина-^4. Кроме того, уровень тимози-
на-р4 в метастазирующих опухолях ниже по срав-
нению с тканевыми опухолями без метастазов.
Аналогичные исследования показывают, что
клетки фибробластов, трансформированные под
воздействием опухолевого вируса (SV-40), имеют
пониженный уровень сс-актинина; однако при вне-
дрении в клетки кДНК, кодирующей ct-актинин,
онкогенность подавляется. Хотя эти исследования
проводились на модельных системах, полученные
результаты говорят о возможности применения
анализа относительного уровня экспрессии белков,
регулирующих актиновый цитоскелет, для диаг-
ностики метастазирующих опухолей человека.
Например, снижение экспрессии тимозина-р4 мо-
жет быть фактором прогноза метастазирующих
опухолей, имеющих данный тип дисфункции актина.
Клеточная сигнализация, кальций
и гельзолин
Соляция
При инкубации актина с очищенным филамином
при температуре 37°С актиновые полимеры связы-
ваются и образуется гелеподобный, вязкий раствор.
Если вместо филамина используется клеточный
экстракт, а концентрация Са2+ превышает 0,1 мкМ
(приблизительная физиологическая концентрация
свободного кальция в цитоплазме), гель становится
более жидким. Этот процесс называется соляцией.
При микроскопическом исследовании вещество, ко-
торое превращается из геля в золь, демонстрирует
текучесть, характерную для перетекания цитоплаз-
мы во время движения клетки амебы.
Гельзолин
Было выделено несколько белков, ускоряющих
соляцию в присутствии ионов кальция; одним из
них является гельзолин. В присутствии ионов
кальция гельзолин разрушает сшивки между акти-
новыми филаментами клеточной коры и «копиру-
ет» положительные концы; это разрушает прочно
связанную сеть актиновых филаментов и предот-
вращает дальнейшую полимеризацию. Эти белки
активируются, когда местная концентрация Са2*
162
Глава 7
временно повышается до 1 мкМ, что происходит
в результате передачи сигнала, полученного при
связывании многих рецепторов с соответствующи-
ми лигандами (см. главу 9). Считается, например,
что переход актинового цитоскелета из геля в золь
является важным этапом в процессе синаптиче-
ской передачи в нервных клетках.
Синаптические пузырьки, содержащие нейро-
трансмиттеры, накапливаются вблизи плазматиче-
ской мембраны в состоянии предслияния. Стыковку
пузырьков осуществляют сшитые вместе корковые
актиновые филаменты, формирующие гелеподоб-
ную сеть и физически предотвращающие слияние
мембраны синаптического пузырька с плазматиче-
ской мембраной. При временном повышении кон-
центрации Са2+ активируются белки, отделяющие
актин. Таким образом гель превращается в золь
и связи между мембраной синаптического пу-
зырька и актиновыми филаментами разрываются.
Освобожденный пузырек может теперь передви-
гаться, сливаться с плазматической мембраной
и высвобождать нейротрансмиттер во внеклеточ-
ную среду.
Миозины и связанные с ними
молекулы
Клеточная кора способна не только переходить
из геля в золь и обратно, но и постоянно переме-
щаться. Это движение происходит благодаря специ-
альному двигательному белку, миозину, который при
связывании с актиновыми филаментами гидролизует
АТР до ADP и Pi. Недавно были разработаны пря-
мые методы определения подвижности, с помощью
которых выявлен вклад миозина в механохимиче-
ские движения. Например, если прикрепить миози-
новые филаменты к покровному стеклу микроскопа
и добавить актиновые филаменты, содержащие
флуоресцентные метки, то при добавлении АТР
можно наблюдать движение актиновых филаментов
по покрытой миозином поверхности. Однако при
добавлении негидролизуемого аналога АТР вместо
нормального АТР не наблюдается никаких движе-
ний, что доказывает необходимость гидролиза АТР
для скольжения нитей.
Изначально предполагалось, что существует
лишь один миозиновый белок, а именно, миозин
скелетной мышцы, с помощью которого были от-
крыты основные биохимические и физиологиче-
ские процессы взаимодействия актина и миозина,
которые будут описаны ниже. Сейчас известно, что
миозины являются мультигенным семейством
и в немышечных клетках имеются различные фор-
мы немышечного миозина. Мышечный миозин,
обозначаемый как миозин-П, состоит из двух тя-
желых цепей, по 2000 аминокислотных остатков
в каждой, и четырех легких цепей. Существуют
легкие цепи двух типов: длиной 190 и 170 амино-
кислотных остатков; по одной молекуле каждого
типа присутствует на N-концевом головном домене
каждой тяжелой цепи миозина.
N-конец миозина-П, к которому прикреплены
легкие цепи, образует двигательный домен, обла-
дающий АТРазной и двигательной активностью.
На электронной микрофотографии этот участок
представлен в виде глобулярной структуры. С-кон-
цевой участок тяжелой цепи миозина-П образует
вытянутую а-спираль около 150 нм в длину.
Димер миозина образуется путем связывания двух
тяжелых цепей, формируя таким образом скручен-
ную а-спираль; этот участок называется стержне-
вым доменом (рис. 7-10).
Подобно актину, миозин-П в большом количест-
ве присутствует в коре клетки. Локальные движе-
ния миозина обеспечивают скольжение противопо-
ложно направленных актиновых филаментов.
В этом заключается функция миозина-П при мы-
шечном сокращении (см. рис. 7-13).
Кроме миозина-П, немышечные клетки имеют
также немышечные миозины, из которых наибо-
лее известен миозин-I. Эта изоформа миозина со-
держит глобулярный двигательный домен, такой
же как у миозина-П. Структура остальной части
молекулы миозина, представленной в основном
Рис. 7-10. Миозин-П. Миозин-П — белок, обнаружен-
ный в мышцах — состоит из двух тяжелых цепей, каждая
из которых связана с двумя легкими цепями. Обратит-
внимание на длинный скрученный хвост, состоящий и
двух а-спиралей. Для сравнения показана более простая
и меньшая по размеру структура миозина-L (Воспроиа
ведено с изменениями с разрешения авторов из: Pollarc
TD et al. Myosin-I. Annu Rev Physiol 1991 ;53:653.)
Цитоскелет
163
стержневым доменом, зависит от типа миозина
(рис. 7-10). Общая особенность молекул миозина
состоит в том, что они гидролизуют АТР и переме-
щают актиновые филаменты от минус-конца к
плюс-концу. В зависимости от строения С-конце-
вого участка, миозины могут играть разную роль в
физиологии клетки; например миозиноподобные
молекулы, связанные с комплексом Гольджи, пере-
мещают пузырьки вдоль актиновых филаментов.
Первая и, наверно, лучше всего изученная функция
миозина — способность вызывать скольжение двух
актиновых филаментов относительно друг друга —
составляет основу мышечного сокращения.
Мышечная функция
немышечных клеткок
Даже в немышечных клетках актиновые фила-
менты и миозин-П могут формировать мышечно-
подобные структуры для выполнения определен-
ных функций. Было достоверно подтверждено, что
при делении клетки образуется сократительное
кольцо состоящее из актиновых и миозиновых ни-
тей. Это кольцо создает на плазматической мем-
бране силу, которая постепенно сжимает середину
клетки, в результате чего происходит разделение
двух дочерних клеток. Этот процесс называется
цитокинезом. Сборка и разборка сократительного
кольца активно исследуются: известно, что кон-
центрация ионов Са2 возрастает и одновременно
усиливается кальций-зависимое фосфорилирова-
ние миозина-П, взаимодействие которого с акти-
ном способствует организации компонентов сокра-
тительного кольца.
Стрессовые волокна хорошо различаются в фиб-
эобластах, выращенных в культуре ткани, при окраши-
вании клеток антителами к актину или миозину-П.
Одним концом это волокно погружено в плазмати-
ческую мембрану в особых участках, называемых
фокальными контактами, где клетка прикрепляется
к внеклеточному матриксу (см. главу 8). Другой
конец волокна может быть прикреплен либо к дру-
гому фокальному контакту, либо к сети промежу-
точных филаментов, окружающих ядро. Стрессовые
волокна образуются при растяжении клетки, обычно
в результате ее прикрепления к субстрат}. Эти во-
локна отсутствуют в клетках, которые выращены
в суспензионной культуре, то есть не прикрепляются
к матриксу.
Адгезионные пояса — это постоянные скопле-
ния актиновых и миозиновых филаментов в немы-
шечных клетках. Входящие в состав клеточных
контактов адгезионные пояса соединяют клетки
вместе и найдены в эпителиальных клетках вблизи
апикальной плазматической мембраны, где сосед-
ние клетки латерально соединяются друг с другом
(глава 8).
Микроворсинки
Микроворсинки — это тонкие пальцевидные
выпячивания плазматической мембраны на по-
верхности многих клеток. Их особенно много
в тех эпителиальных клетках, для эффективного
функционирования которых требуется большая
поверхность. Например, каждая абсорбирующая
клетка тонкой кишки имеет тысячи микроворси-
нок, расположенных на апикальной поверхности;
с их помощью площадь всасывающей поверхности
клетки увеличивается в 20 раз. В каждой микро-
ворсинке содержится 20-30 параллельных акти-
новых филаментов, тянущихся от ее верхушки
к клеточной коре. Во всех актиновых филаментах
плюс-концы направлены наружу (от тела клетки)
и удерживаются вместе актин-связывающими
белками, важнейшим из которых является вил-
лин, специфичный для микроворсинок белок,
который сшивает актиновые филаменты в плот-
ные пучки.
В основании каждой микроворсинки актиновые
филаменты закрепляются в особом участке, назы-
ваемом терминальной сетью, который содержит
густую сеть молекул спектрина и слой промежуточ-
ных филаментов. Предполагается, что спектрин де-
лает клеточную кору жесткой; поскольку актиновые
филаменты закреплены в терминальной сети, они
удерживаются под прямым углом к апикальной по-
верхности клетки. Актиновые филаменты связаны
с плазматической мембраной при помощи боковых
мостиков, состоящих из миозина-1 и нескольких дру-
гих молекул, таких как кальций-связывающий белок
кальмодулин.
Актиновый цитоскелет, расположенный в топо-
графически разделенных участках цитоплазмы,
может обладать различными свойствами. По-види-
мому, это происходит из-за того, что в различных
областях клетки актиновые филаменты взаимодей-
ствуют с различными связывающими белками.
Еще не совсем понятно, как регулируются эти про-
странственно обособленные актин-связывающие
белки. В силу того, что различные АВР по-разному
взаимодействуют с актиновыми филаментами, ак-
тиновый цитоскелет может обладать одновременно
различными свойствами. Эти взаимодействия ре-
гулируются сочетанием кооперативного и конку-
рентного связывания АВР, которые могут само-
регулироваться с помощью сигнальных белков
(мономерных ОТРаз), таких как Rho и Rac.
164
Глава
Мышца
Мышечное сокращение, по-видимому, наиболее
эффективный на молекулярном уровне способ
передвижения. Мышечные клетки представляют со-
бой высокоспециализированную ткань, развившую-
ся в процессе эволюции и обеспечивающую механо-
химическую подвижность. Мышцы делятся на три
типа, как показано в табл. 7-6. В табл. 7-7 перечис-
лены некоторые различия между скелетной, сердеч-
ной и гладкой мускулатурой.
Таблица 7-6. Типы мышечных тканей
Тип Функция
Скелетная Быстрые сокращения; произвольные дви- жения |
Сердечная Работа сердца; непроизвольное движение
Г ладкая Перистальтика желудочно-кишечного тракта; непроизвольные движения
Скелетная мышца
Основной единицей скелетной мышцы является
мышечное волокно — многоядерная продолговатая
клетка длиной приблизительно 50 мкм. Большую
часть цитоплазмы этой клетки занимают миофиб-
риллы, из которых построен сократительный аппа-
рат клетки. Эти фибриллы представляют собой ци-
линдрические структуры, которые тянутся ВДОЛг
всего мышечного волокна. Каждая миофибрил.п
(диаметром 1-2 мкм) состоит из множества повто-
ряющихся элементов, называемых саркомерами
Саркомер — это минимальная единица сокраще-
ния поперечнополосатых мышц, его длина состав-
ляет около 2 мкм. Регулярное повторение сарком»
ров придает миофибрилле характерную исчерчен-
ность, видимую под микроскопом. Каждый сарк<>
мер представляет собой упорядоченную структур1-
состоящую из параллельных, частично перекрь.
вающихся филаментов (нитей) (рис. 7-11).
Таблица 7-7. Некоторые различия между скелетной, сердечной и гладкой мускулатурой
Скелетная мышца Сердечная мышца Гладкие мышцы
Поперечная исчерченность Нет синцития i Маленькие Т-трубочки Поперечная исчерченность Синцитий Большие Т-трубочки П о перечная исчерченность отсутсте, Синцитий В о с н ов н ом рудиментарные Т-труб с -
Хорошо развит СР, а Са2+ насос pa- i ботает быстро В плазмалемме отсутствуют рецеп- I торы для многих гормонов Сокращение запускает нервный им- пульс : Есть СР, Са2+ насос работает относи- тельно быстро Плазмалемма содержит множество рецепторов (например, а- и р-адре- нергические) Есть собственный водитель ритма Рудиментарный СР, Са2+ насос рабе’ ет медленно Плазмалемма содержит множество о цепторов (например, а- и р-адренео ческие) Сокращение запускается нервными .< пульсами, гормонами и т.д.
| Внеклеточный Са2+ не имеет значе- I ния для сокращения . ! Внеклеточный Са2+ имеет важное , значение для сокра ще н и я ! Внеклеточный Са2+ имеет важное з-а ния для сокращения
Существует тропониновая система Существует тропониновая система Тропониновая система отсутствует пользуется регуляторная головка м.*: зина
Кальдесмон не участвует Очень быстрое вращение попереч- ных мостиков ' Кальдесмон не участвует Относительно быстрое вращение по- перечных мостиков Кальдесмон является важным регутс торным белком Медленное вращение поперечных м: тиков обеспечивает медленное дли- тельное сокращение и уменьшает за траты АТР
Воспроизведено с разрешения из: Murray RK et al. Harper’s Biochemistry, 24th ed. Appleton & Lange, 1996, p. 696
CP — саркоплазматический ретикулум.
Цитоскелет
165
Рис. 7-11. Скелетная мышца. На электронной микрофотографии видна характерная исчерченность поперечнополоса-
той мышцы и функциональное деление на саркомеры. Пучки образуются за счет взаимодействия миозиновых филамен-
тов с филаментами, состоящими в основном из актина, (х 13 500) (Воспроизведено с разрешения из: Ganong WF. Review
it Medical Physiology, 17th ed. Appleton & Lange, 1995, p. 9.). См. также электронную микрофотографию на рис. 1-4
При большом увеличении видны ряды чередую-
щихся темных и светлых полос, называемых поло-
сами А, I и Н; густо закрашенная зона в центре ка-
ждой светлой полосы I разделяет соседние сарко-
меры. Она обозначается как Z-линия или Z-диск.
Актиновые тонкие филаменты прикрепляются
к Z-диску на каждом конце саркомера и направлены
внутрь, к центру саркомера. Плюс-концы актиновых
филаментов погружены в Z-диск. а минус-концы
(заостренные) направлены в сторону миозиновых
филаментов. Внутри Z-диска актиновые филамен-
ты крепко сшиты вместе с помощью а-актинина
। 190 кДа). Полоса А — это центр саркомера: она
□стоит из миозина-П. Именно здесь миозиновые
толстые филаменты перекрываются актиновыми
эиламентами (рис. 7-12).
Мышечное сокращение
Модель скользящих нитей (предложенная Хаксли
- 1954 году) объясняет укорочение саркомера
кольжением миозиновых филаментов по актино-
вым филаментам; при этом сами филаменты не
. корачиваются. При электронно-микроскопиче-
ком исследовании саркомера в структуре толстых
миозиновых филаментов различаются боковые от-
: летки или поперечные мостики, которые присое-
диняются к соседним актиновым филаментам, рас-
хоженным на расстоянии около 13 нм. Попереч-
ные мостики соответствуют головным доменам
миозина-П; при сокращении миозиновые и актино-
-ые филаменты натягиваются друг на друга с по-
мощью поперечных мостиков. Это происхо-
дит в результате скольжения друг по другу двух
* лшлементарных шестиугольных решеток из ак-
ына и миозина (рис. 7-12 и 7-13).
Актиновые филаменты, расположенные в каждой
половине полосы I, образуют шестиугольную решет-
ку, комплементарную аналогичной решетке, образо-
ванной толстыми филаментами миозина в полосе А.
Благодаря такому строению толстые и тонкие фила-
менты не сталкиваются, когда полоса I проникает
в полосу А. Кроме того, когда полоса I каждого сар-
комера входит в полосу А, дистанция между Z-ли-
ниями уменьшается; поскольку это повторяется по
всей длине миофибриллы, мышечное волокно укора-
чивается. Этот феномен также известен как механизм
скользящих нитей.
Глобулярные головные домены молекул миози-
на образуют выступы на поверхности каждого тол-
стого филамента в полосе А. Эти молекулы связы-
ваются и образуют поперечные мостики с тонкими
филаментами актина в полосах А и I. При контакте
с актиновым филаментом миозиновая головка из-
меняет свою конформацию и продвигает актино-
вый филамент вглубь полосы А (рис. 7-13).
Связывание головного домена миозина-П с соседни-
ми актиновыми филаментами — это центральное
звено мышечного сокращения. Связанный с миозино-
вой головкой АТР гидролизуется до ADP, а высво-
бождение ADP и неорганического фосфата запускает
серию конформационных изменений в связанных
с актином молекулах миозина. Эти структурные
изменения, сопряженные с энергией гидролиза
АТР, вызывают движение.
Цикл сокращения
Цикл сокращения (рис. 7-14), в котором при
взаимодействии миозиновых головок с актиновы-
ми филаментами создается двигательная сила,
может быть разделен на 5 этапов.
166
Глава 7
А
Концевая Поперечные
цистерна трубочки
Саркоплазматический
ретикулум
Сарколемма (мембрана
мышечного волокна)
Миофибриллы
Толстый филамент (миозин)
Рис. 7-12. Уровни организации скелетной мышцы. Отдельное мышечное волокно (А) состоит из множества миофиб-
рилл, тесно связанных с системой трубочек. В структуре миофибриллы (В) выделяются функциональные едини ns.
мышечного сокращения, саркомеры. Саркомер — участок миофибриллы, расположенный в промежутке между двум -
Z-линиями. На макромолекулярном уровне (С) каждый саркомер состоит из чередующихся толстых и тонких фил?.
ментов. Толстые филаменты содержат миозин-П, тонкие филаменты состоят в основном из актина. Обратите внима-
ние на глобулярные головки, которые торчат на поверхности каждого толстого филамента; они крайне важны для
взаимодействия филаментов в процессе сокращения (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов и •
Kandel ER et al. Principles of Neural Science, 3rd ed. Appleton & Lange, 1991, p.549.)
1. Прикрепление. Головные группы миозина проч-
но соединяются с актиновыми филаментами.
Этот процесс называется ригидностью и длит-
ся очень недолго, так как АТР быстро связыва-
ется с миозином. В скелетных мышцах много
митохондрий, которые синтезируют АТР, необ-
ходимый для перемещения актиновых и мио-
зиновых филаментов относительно друг друга.
2. Отсоединение. Присоединение АТР иниции-
рует конформационные изменения в участках
связывания актина с миозином. Это снижав
сродство миозиновых головок к актиновым
филаментам.
3. Поворот. Участок связывания АТР в миозин*
вой головке закрывается, вызывая тем самым
значительные конформационные изменение
Цитоскелет
167
------ Саркомер
г------Полоса А
Z-линия Расслабление Z-линия
Z-линия
филамент
Тонкий
филамент
Тропомиозин Тропонин
Актин
Рис. 7-13. Взаимодействие актина и миозина во время мышечного сокращения. Толстые филаменты (миозин) и тон-
кие филаменты (актин) чередуются внутри саркомера (наверху слева). При сокращении актин скользит по миозину
таким образом, что Z-линии подтягиваются к центру саркомера (наверху справа). При большем увеличении видно,
что актиновые молекулы связываются с глобулярными миозиновыми головками (в середине справа). М-линия обо-
значает центр саркомера, к которому подтягиваются актиновые филаменты при сокращении. При еще большем уве-
личении тонкого филамента виден не только актин, но и белки тропонина и тропомиозина (внизу справа). (Воспро-
изведено с изменениями с разрешения авторов из: Alberts В A et al. Molecular Biology of the Cell, 2nd ed. Garland, 1989;
Ganong WF: Review of Medical Physiology, 17th ed. Appleton & Lange, 1995.)
которые приводят к перемещению головки при-
близительно на 5 нм вдоль филамента. На этом
этапе АТР гидролизуется, но ADP и фосфат
остаются связанными с миозином.
4. Генерация силы. Миозин слабо прикрепляется
к новому участку актинового филамента, высво-
бождает связанный ADP и прочно связывается
с актиновым филаментом. При высвобождении
ADP происходит конформационное изменение
головки миозина и возвращение ее на исход-
ную позицию. В результате этого мощного
толчка ADP отделяется от миозиновой голов-
ки, что вызывает новый цикл связывания мио-
зина с актином.
5. Повторное прикрепление. В конце цикла голов-
ка миозина плотно связана с новым участком
актинового филамента (ригидная конформа-
ция), расположенным ближе к плюс-концу.
Во время этого цикла каждый головной домен
миозина «шагает» по соседнему актиновому фила-
менту, продвигая его по направлению к плюс-концу.
Когда отдельная головка миозина отделяется от ак-
тина, движение обеспечивается другими головками
этого же миозинового филамента, прикрепленными
в данный момент к актину. В каждом толстом фила-
менте содержится приблизительно 500 миозиновых
головок, и каждая из них делает около 5 поворотов
в секунду при быстром сокращении.
168_______
Глава .
Рис. 7-14. Механизм мышечного сокращения. Это схе-
матическое изображение работы миозиновых головок
при продвижении тонкого филамента относительно тол-
стого филамента в миофибрилле. После связывания с
активным участком молекула АТР гидролизуется, вы-
свобождая фосфатную группу (Pi) и вызывая изменение
формы миозиновой головки. Измененная миозиновая
головка связывается с актином, совершая мощный тол-
чок, продвигающий актиновую молекулу по молекуле
миозина. При завершении мощного толчка головка мио-
зина снова принимает форму, в которой участок связы-
вания АТР активирован. (С изменениями из: Rayment I
et al. Structure of the actin-myosin complex and its implica-
tions for muscle contraction. Science 1993;261:58.)
Регуляция мышечного сокращения
Механохимические силы, порождаемые акти-
но-миозиновым взаимодействием, должны быть
сопряжены таким образом, чтобы мышечное сокра-
щение регулировалось. Можно предположить, что
сократительный цикл будет повторяться до тех
пор, пока не закончится АТР; однако этого не про-
исходит, поскольку цикл регулируется молекуляр-
ными переключателями. В скелетной мускулатуре
актомиозиновое взаимодействие и изменение
внутриклеточной концентрации Са2+ координирую:
ся белками-переключателями, такими как тропо-
миозин и тропонин.
Когда концентрация Са2+ внутри клетки нах<
дится на уровне покоя (-0,1 мкМ), тропомиозин
и тропонин образуют комплекс, пространственно»
расположение которого предотвращает связывай и-
головок миозина с актином; следовательно, попе
речные мостики не образуются. В ответ на нерв
ный импульс концентрация ионов кальциз
повышается до 0,7 мкМ. При этом конформашю
комплекса тропомиозин-тропонин изменяете?
головки миозина связываются с актином, и начи-
нается цикл поперечных мостиков.
Тропомиозин - стержневидная молекула, мае
сой 70 кДа, связанная с тонким филаментом в же-
лобке между двумя спиралями актина. Тропонин
представляет собой комплекс, состоящий из трех
полипептидов (мод. масса от 18 000 до 35 000 Да)
Основные функции тропонина перечислены в таб-
лице 7-8.
Таблица 7-8. Типы тропонина и их основные функ-
ции
Субъединица Функция
тропонина _________________
Тропонин Т Связывание с тропомиозином_
Тропонин I_Ингибитор тропомиозина
Тропонин С Связывание с кальцием и тропо-
________ миозином_______________________
Стехиометрия тропониновых субъединиц
Субъединицы тропонина образуют комплею
удлиненной формы. Тропонин I связывается с ак-
тином и ингибирует взаимодействие актина и мио
зина даже в присутствии Са2+. Тропонин С при-
дает тропониновому комплексу чувствитель-
ность к кальцию: он присоединяет четыре ион,:
Са2~ и снимает ингибирующее действие тропони-
нов Т и I на связывание миозина с актином.
Считается, что на каждые семь мономеров акти-
на в актиновом филаменте приходится один тропо-
ниновый комплекс. Предполагается, что в активш
сокращающейся мышце тропонин I конкурируе т
с головками миозина-П за участки связывания ш
актиновых филаментах, ингибируя тем самых'
взаимодействие между актином и миозином
При повышении уровня Са2+ тропонин С вызы
вает отщепление тропонина I от актина, таким об-
разом позволяя тропониновому комплексу изме-
нить свое положение на актиновом филаменп
Это, в свою очередь, позволяет головке миозин.,
соединиться с актином (табл. 7-9).
^итоскелет
169
Таблица 7-9. Последовательность процессов при
сокращении и расслаблении скелетной мышцы
Этапы сокращения
* Разряд мотонейрона !
2. Высвобождение нейромедиа-тора (ацетилхолина)
3 Связывание ацетилхолина с никотиновыми рецеп-
тарами
- Генерация потенциала действия в мышечном во-
локне
5 Распространение деполяризации внутрь волокна
"О Т-трубочкам
z Высвобождение ионов кальция из концевых цис-
терн саркоплазматического ретикулума и их диффу-
зия к толстым и тонким филаментам
Связывание ионов кальция с тропонином С, откры-
эающее миозин-связывающие участки актина
6 Образование поперечных связей между актином и
миозином и скольжение тонких филаментов относи-
тельно толстых, сопровождающееся укорочением во-
локна
Этапы расслабления
* Перемещение ионов кальция в саркоплазматиче-
ский ретикулум
2 Отщепление ионов кальция от тропонина
3 Прекращение взаимодействия между актином и
М И о зином __________
С изменениями с разрешения авторов из: Ganong WF,
Review of Medical Physiology, 18th ed Appleton &
_злде, 1997, p. 65,
Роль Ca2+ в мышечном сокращении
Как уже говорилось, ионы кальция играют очень
жскпую роль в регуляции мышечного сокращения,
г г а у чае скелетной мускулатуры сокращение нро-
г ходит только в ответ на нервный импульс, кото-
рый запускает потенциал действия в плазматиче-
* >н мембране мышечной клетки или сарколемме.
.♦ :ектрический сигнал быстро распространяется
зчутрь мышечной клетки по пальцевидным склал-
ч-лм мембраны, называемым поперечными трубоч-
ками или Т-трубочками (рис. 7-12А). Они тесно
-язаны с саркоплазматическим ретикулумом,
w-мбрано-ограниченной органеллой, которая окру-
юл каждую миофибриллу и накапливает ионы
ющьция. К каждому саркомеру прилежат Т-тру-
'• яки, которые контактируют с так называемыми
концевыми цистернами саркоплазматического
ж-гикулума с образованием триады (Т-трубочка
* аве цистерны).
Электрический сигнал достигает саркоплазма-
- - -некого ретикулума и активирует каналы высво-
бождения ионов кальция, контактирующие с мем-
н: л.нами Т-трубочек. Это приводит к открытию
ел каналов и высвобождению кальция из сарко-
плазматического ретикулума в цитоплазму с по-
следующим сокращением миофибрилл. Электри-
ческий сигнал проходит к каждому саркомеру за
доли секунды, поэтому все миофибриллы сокраща-
ются практически одновременно (табл. 7-9).
Другие белки, необходимые для
мышечного сокращения: дистрофин
(мышечная дистрофия)
Для эффективного и быстрого мышечного со-
кращения актиновые и миозиновые филаменты
в каждой миофибрилле должны располагаться
строго на оптимальном расстоянии друг от друга.
За последние годы описано множество белков, ре-
гулирующих этот процесс. Один из них, дистро-
фин, описан наиболее подробно, поскольку выде-
лен его ген. Дистрофин — это крупный стержпе-
видный полипептид (мол. масса более 400 000).
Предполагается, что дистрофин связывает белки
мышечной мембраны с актиновыми филаментами
в миофибрилле.
Описание гена дистрофина представляет инте-
рес с клинической точки зрения. Предполагается,
что дефект гена, т.е. отсутствие кодируемого им
белка, приводит к потере координации во время
сокращения, что вызывает мышечную дистрофию.
Мышечная дистрофия Дюшенна поражает мальчи-
ков с частотой примерно 1 : 3000. Такие дети часто
не доживают до совершеннолетия.
Два других высокомолекулярных белка, титин
(мол. масса - 3 х 106) и небулин, образуют фиброз-
ную сеть, связанную с актином и миозином. Моле-
кулы титина имеют форму пружины; они идут от
толстых филаментов к Z-линии и удерживают
миозиновые филаменты в саркомере. Небулин свя-
зан с тонкими филаментами; этот белок регулиру-
ет длину актиновых филаментов в процессе разви-
тия мышц.
Механизм сокращения гладкой
и сердечной мускулатуры
Сердечные и гладкомышечные клетки сокраща-
ются, используя тот же механизм, что и скелетные
мышцы — скольжение актиновых и миозиновых
филаментов. Однако эти клетки значительно отли-
чаются по своему строению и функциям. Сердечная
мышца, как и скелетная, имеет поперечнополосатую
исчерченность и стимулируется потенциалом дей-
ствия, который инициирует высвобождение ионов
Са’* *; сокращение регулируется с помощью тропо-
нин-тропомиозинового комплекса. Однако в отли-
чие от скелетной мускулатуры, клетки сердечной
мышцы не образуют синцитий; более того, они
170
Глава
соединены особыми структурами — вставочными
дисками. Вставочные диски выполняют следую-
щие функции:
(1) соединяют соседние клетки друг с другом
при помощи десмосом (см. главу 8);
(2) соединяют актиновые филаменты, входящие
в состав миофибрилл соседних клеток;
(3) имеют щелевые контакты, по которым потен-
циал действия быстро распространяется по
клеткам. Этот процесс синхронизирует со-
кращение мышечных клеток.
В отличие от сердечной и скелетной мускулату-
ры, гладкая мышца:
• не имеет поперечно-полосатой исчерченности,
• отвечает за сокращение кровеносных сосудов,
пищеварительного тракта, матки и дыхатель-
ных путей,
• состоит из удлиненных, веретенообразных
клеток, содержащих актин и миозин-П.
В гладкомышечных клетках филаменты неплот-
но уложены вдоль длинной оси клетки. Кроме то-
го, гладкомышечные клетки соединяются с плазма-
тической мембраной в особых дисковидных кон-
тактах, называемых плотными тельцами.
Предполагается, что промежуточные филаменп
и плотные тельца гладкомышечных клеток, содег
жащие а-актинин, выполняют те же функции, ч г
и Z-диски поперечнополосатых мышц. Пучки аг
тиновых и миозиновых филаментов одним конш ’
прикреплены к плотным тельцам плазматически
мембраны, а другим концом — к промежуточны
филаментам. В отличие от поперечнополосата
мышц, гладкие мышцы сокращаются без участи,
тропонин-тропомиозинового комплекса, хотя с
кращение также запускается ионами Са2+. Повь
шение концентрации ионов Са2+ в гладкомышсч
ных клетках опосредуется кальций-связываюши’
белком кальмодулином, и активирует киназу лс:
кой цепи миозина, которая в свою очередь фс-г
форилирует одну из двух легких цепей миозин.
При фосфорилировании головной домен миозин
связывается с актином, что инициирует сокрач?
ние. Основные различия между поперечнополост
той и гладкой мускулатурой перечислены в таг
7-10.
Таблица 7-10. Взаимодействия актина и миозина в поперечнополосатой и гладкой мускулатуре
Поперечнополосатая мускулатура Гладкая мускулатура (и немышечные клетки)
Белки мышечных филаментов Спонтанное взаимодействие F-акти- на и миозина (спонтанная активация АТРазы миозина F-актином) Актин Миозин Тропомиозин Тропонин (1, Т, С) Да Актин Миозин1 Тропомиозин Нет
Ингибитор F-актин-миозинового взаимодействия (ингибитор F ак- тин-зависимой активации АТРазы) Система тропонина (1) Нефосфорилированные легкие цепи миозина
Сокращение активируется _Са2+ Са2+
Прямой эффект Са2+ Эффект протеин-связанного Са2+ 4Са2+ присоединяются к тропони- ну С Тропонин С и 4Са2+ противодейст- вуют ингибированию взаимодейст- вия F-актина с миозином (позволя- ют F-актину активировать АТРазу) 4Са2+ связываются с кальмодулином Кальмодулин и 4Са2+ активируют ки- назу легкой цепи миозина, фосфори- лирующую легкую цепь миозина. Фо: форилированная легкая цепь миозин больше не ингибирует взаимодейст- вие F-актина и миозина (позволяет F-актину активировать АТРазу)
Воспроизведено с разрешения из; Murray RK et al. Harper’s Biochemistry, Appleton & Lange, 1996, p. 699.
1 Легкие цепи миозина различаются в клетках поперечнополосатой и гладкой мускулатуры.
цитоскелет
171
Библиография
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
VHerts В A et al: Molecular Biology of the Cell, 3rd ed,
Garland Press, 1994.
; janong WF: Review of Medical Physiology, 17th ed.
Appleton & Lange, 1995.
АКТИН И АКТИН-СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ
. Ondeelis JC: Life at the leading edge. Ann Rev Cell Biol
1993,9:411.
Pollard TD et al: Structure of actin binding proteins. Ann
Rev Cell Biol 1994; 10:207.
vhafer DA, Cooper JA: Control of actin assembly al fila-
ment ends. Ann Rev Cell Dev Biol 1995:.’ 1:497.
xossel T: On the crawling of animal cells. Science 1993:
260:1086.
МИКРОТРУБОЧКИ
Pole NB, Lippincott-Schwartz J: Organization of organelles
and membrane traffic by microtubules. Curr Opin Cell
Biol 1995;7:55.
>agrue P et al: Computer modelling of tetrahymena axo-
nemes at macromolecular resolution. J Cell Sci 1991:98:5.
Vallee RB, Sheetz MP: Targeting of motor proteins. Science
1996;271:1539.
ЦИТОСКЕЛЕТ И ЗАБОЛЕВАНИЯ
Janmey PA, Chaponnier C: Medical aspects of the actin
cytoskeleton. Curr Opin Cell Biol 1995;7:111.
McLean MHI, Lane EB: Intermediate filaments in disease.
Curr Opin Cell Biol 1995 ;7:118.
Satir P, Dirksen ER: Function-structure correlations in cilia
from mammalian respiratory tract. In: Handbook of
Physiology. American Physiology Society, 1985.
Дополнительная литература
Goody RS: Motor proteins: Two-way structure. Nature
1996:380:483.
Kull FJ et al: Crystal structure of the kinesin motor domain
reveals a structural similarity to myosin. Nature
1996:380:550.
Moritz M et al: Microtubule nucleation by y-tubulin-contai-
ning rings in the centrosome. Nature 1995,378:638.
Oaklev BR: A nice ring to the centrosome. Nature
1995:378:555.
Sablin EP et al: Crystal structure of the motor domain of
the kinesin-related motor ncd. Nature 1996:380:555.
Zheng Y et al: Nucleation of microtubule assembly by a
y-tubulin-containing ring complex. Nature 1995,378:578.
Клеточные контакты,
межклеточная адгезия
и внеклеточный матрикс
8
Основные термины
Клеточная адгезия
Плотный контакт
Адгезионные соединения
Кадгерины
Катенины
Десмосомы
Полудесмосомы
Интегрины
Молекулы клеточной адгезии
Гликозаминогликаны
Гиалуронан
Протеогликаны
Коллагены
Эластин
Фибронектин
Ламинин
Объединение клеток в клеточные ансамбли,
формирующие ткани, происходит не случайным
образом. Клетки образуют высокоупорядоченные
структуры. Каждая ткань формируется в результа-
те специфической адгезии (от английского «adhesi-
on» — сцепление) клеточных ансамблей, их свя-
зей с внутренним цитоскелетом и взаимодействий
с внеклеточным матриксом.
Внеклеточный матрикс представляет собой
сложный комплекс различных макромолекул,
которые образуют поддерживающий каркас клеток
и тканей. Такая высокоупорядоченная система
клеток и тканей составляет орган. При образова-
нии ткани отдельные клетки не просто объединя-
ются, а занимают в ткани определенное положение,
необходимое для взаимодействия и согласованного
функционирования клеток. Специфические функ-
ции ткани обеспечиваются сложным взаимодейст-
виями ткани с окружающей средой. Адгезия кле-
ток, формирующих ткань, сопряжена с множест-
вом сигнальных процессов, контролирующих пере-
дачу информации между соседними клетками
Таким образом, клеточная адгезия не должна рассмат-
риваться только как процесс, с помощью которой
клетки соединяются друг с другом встроенными
молекулами-болтами, скрепляющими конструк-
цию. Клеточная адгезия — это динамический про-
цесс и многие адгезионные молекулы участвуй к
также в процессах межклеточной сигнализации.
Межклеточные соединения
и передача информации
В процессе эволюционного перехода от однокле-
точного к многоклеточному организму сформир,
вался механизм, обеспечивающий соединение кж
ток и межклеточный обмен информацией. Во врем -
нормального эмбриогенеза морфогенетические и
менения обязательно опосредуются адгезивным..
взаимодействиями. К этим взаимодействиям отн< -
сят не только контакты между соседними клетка-
ми, но и связь клеток с внеклеточным матриксом
Для таких важных процессов, как пролифераци -
дифференцировка и подвижность клеток, необх'
дима согласованная активация поверхностных р*
цепторов и внутреннего цитоскелета. Соединен;-
лиганда с рецептором и управляемый цитоскел-
том морфогенез — это взаимозависимые процесс-
которые определяют поведение клетки (Geip- -
Avalon. 1992). Таким образом, локальные изменено
клеточной адгезии могут приводить к изменениям
цитоскелета. Кроме того, в процессе клеточной дп :
ференцировки может изменяться экспрессия :
нов. кодирующих молекулы адгезии, или генов, ; -
гулирующих белки цитоскелета. Этим сложию
процессам и участвующим в них молекулам пост -
щена настоящая глава (таблица 8-1).
Клеточные контакты и адгезия
Клетки, входящие в состав ткани, контактиру-
ют друг с другом и с внеклеточным матриксом.
Внеклеточный матрикс — это сложный комплекс
белковых волокон, коллагена и желатиноподобн-
вещества, ранее называемого основным веществ «
(ground substance). В настоящее время известно.
Клеточные контакты, межклеточная адгезия и внеклеточный матрикс
173
Таблица 8-1- Прикрепительные контакты
Контакт Трансмембранные связывающие белки i Внеклеточный лиганд Соединительный ком- понент внутриклеточ- ного цитоскелета Внутриклеточные соединительные белки
Адгезионное соединение (межклеточное) Кадгерины (Е-кадгерин) Кадгерин соседней клетки Актиновые филаменты Катенины, винкулин, а-актинин, плакоглобин
Десмосома Кадгерин (десмоглеи- ны и дес м око л л и н ы) Кадгерин соседней клетки j Промежуточные филаменты Десмоплакины, плакогл об и н __
Адгезионное соединение (клеточно-мат - риксное) Интегрин Белки внеклеточного матрикса Актиновые филаменты Талин, винкулин, а-актинин
Полудесмосома ’ Интегрин i I Белки внеклеточного матрикса(базальной м ем б раны) Промежуточные филаменты 1 . Гомологи десмоплакина
Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Alberts В et al. Molecular Biology of the Cell, 3rd ed.
Garland, 1994, p. 958
-го вещество состоит из гликопротеинов и протеог-
ликанов. Внеклеточный матрикс обьсдиняет клет-
ки, обеспечивая физическую опору и среду, в кото-
рой клетки могут перемещаться и взаимодейство-
вать. Часто клетки непосредственно связываются
яруг с другом при помощи межклеточных соедине-
ний или адгезии.
Существует несколько основных типов ткани:
нервная, мышечная, эпителиальная, соединитель-
ная, лимфа и кровь (см. главу 1), Основной объем
оединительной ткани занимает внеклеточный
матрикс, в котором клетки расположены свободно.
Эпителиальные клетки (например клетки, высти-
:лющие пищеварительный тракт и дыхательные ну-
щ), напротив, прикрепляются друг к другу благода-
ри плотным контактам. Эти клетки располагаются
••ш тонком слое внеклеточного матрикса, называе-
V )м базальной мембраной. В эпителии имеется
• обое соединение клеток, которое (1) обеспечива-
: связь и взаимодействие между клетками и (2)
включает филаменты, придающие клеткам устой-
чивость к физическим воздействиям (рис. М-1).
Виды контактов
Контакты, с помощью которых эпителиальные
‘Летки соединяются друг с другом и с внеклеточ-
•:ым матриксом (табл. 8-1), можно разделить на
-?и группы.
Плотные или запирающие контакты: они
формируют непроницаемый барьер между со-
седними клетками и предотвращают проник-
новение даже мельчайших молекул (напри-
мер, ионов) с одной стороны эпителиального
пласта на другую.
2. Прикрепительные контакты: они прикрепля-
ют клетки друг к другу или к внеклеточному
матриксу.
3. Коммуникационные контакты: как следует
из названия, эти соединения пропускают не-
большие молекулы и электрические сигналы
между соседними клетками.
Плотные контакты
Основная особенность эпителиальных клеток
заключается в том, что они служат барьерами с се-
лективной проницаемостью, которые разделяют
вещества, растворенные по разные стороны от
клетки. Например, в эпителиальных клетках, вы-
стилающих тонкий кишечник, содержимое полос-
ти отделено от более глубоких слоев ткани и не-
больших кровеносных сосудов. Эти эпителиальные
клетки избирательно переносят питательные веще-
ства (углеводы, аминокислоты и другие вещества)
из полости кишечника в межклеточную жидкость
соединительной ткани и далее в кровь. Такая
функциональная асимметрия клетки достигается
благодаря дифференцированному строению плаз-
матической мембраны (рис. 8-2).
Поверхность, обращенная в просвет кишки, назы-
вается апикальной мембраной; она активно транс-
портирует избранные молекулы в клетку. Другая
поверхность клетки состоит из двух компонентов:
• латеральная мембрана, поверхность, сопри-
касающаяся с соседними клетками;
• базальная мембрана, поверхность, соприка-
сающаяся с внеклеточной жидкостью и вне-
клеточным матриксом.
Вместе эти последние два компонента называются
базолатеральной поверхностью (или мембраной).
174
Глава 8
Апикальная поверхность
Микроворсинки
Запирающий пояс
Адгезионный пояс
Щелевой контакт
Базолатеральная
поверхность
Внутренние складки
мембраны
Рис. 8-1. Межклеточное соединение в эпителиальной ткани. Показаны структуры, обеспечивающие связь и взаимо-
действие эпителиальных клеток кишечника. Щелевой контакт участвует в межклеточных взаимодействиях. В адгези-
онном поясе и десмосоме содержится множество филаментов, которые укрепляют соединение между клетками
и придают клеткам устойчивость к физическим воздействиям. (Воспроизведено с разрешения из: Krstic R.: Ultn--
structure of the Mammalian Cell. Springer-Verlag, 1979.)
Базолатеральная поверхность:
связь с клиникой
Молекулы, проникающие в клетку через апи-
кальную поверхность, выходят из нее через базо-
латеральную поверхность и поступают в кровь.
Таким образом, в поляризованном эпителии мно-
гие клеточные белки (например, переносчики уг-
леводов или аминокислот и ионные насосы) рас-
положены только на апикальной или только на
базолатеральной поверхности. При исследовании
взаимодействия эпителиальных клеток с различ-
ными вирусами, например вирусами гриппа или
пузырькового стоматита, было показано, что
различные мембранные белки вирусов избиратель-
но связываются либо с апикальной, либо с базола-
теральной плазматической мембраной. Новые ви-
русные частицы отпочковываются только от одно,'
поверхности инфицированных клеток; наприме;
вирусы гриппа выходят с апикальной поверхности,
а вирусы везикулярного стоматита — с базолаъ
ральной поверхности эпителиальных клето.
Для поддержания такой асимметрии необходим
чтобы мембранные белки присутствовали толь?:
на определенной поверхности клеток, а также чт
бы транспортируемые молекулы не могли прох
дить из полости пищеварительного тракта во вне к..
точный матрикс по межклеточному пространств
Это обеспечивается плотными контактами (глава ,
которые:
Клеточные контакты, межклеточная адгезия и внеклеточный матрикс
175
(1) препятствуют диффузии мембранных белков
между апикальной и базолатеральной по-
верхностями мембраны;
(2) плотно смыкают соседние клетки, предупре-
ждая прохождение растворимых молекул ме-
жду ними.
Хотя плотные контакты непроницаемы для бел-
ков, барьер проницаемости для небольших молекул
и ионов может сильно различаться. Молекулярный
состав плотных контактов еще недостаточно изучен.
Морфологически они представляют собой точеч-
ные (фокальные) соединения между наружными
слоями двух соседних плазматичесих мембран
(рис. 8-2).
Рис. 8-2. Структурно-функциональные особенности эните-
•.иальных клеток кишечника. На электронной микрофото-
-Д1фии показаны структурно-функциональные особенно-
—и клеточной мембраны. Апикальная клеточная мембра-
определяемая по микроворсинкам (MV), избирательно
-доницаема для множества питательных веществ полости.
/.потные соединения между соседними эпителиальными
клетками препятствуют прохождению содержимого полос-
-а в ткани по межклеточному веществу, х 80 000. (ZO —
опирающий пояс; ZA — адгезионная зона; D — десмосо-
) (Воспроизведено с разрешения из: Junqueria LC et al.
:\isic Histology, 8th ed. Appleton & Lange. 1995, p. 65.)
Прикрепительные контакты
Прикрепительные контакты также соединяют
соседние клетки. Кроме того, эти контакты скреп-
ляют клетки с внеклеточным матриксом. В обоих
случаях они формируются путем соединения кле-
точной мембраны с белками цитоскелета, которые
препятствуют механическому растяжению клетки.
Прикрепительные контакты особенно распро-
странены в клетках, которые подвергаются меха-
ническим нагрузкам, например, в эпидермисе кожи
и сердечной мышце. Известно три типа плотных со-
единений, разделенных на основе структурно-функ-
циональных особенностей: адгезивные контакты,
десмосомы и полудесмосомы. В таблице 8-2 пере-
числены типы плотных контактов и присущие им
белки филаментов.
Таблица 8-2. Плотные контакты и белки филаментов
Контакт Белки филаментов
Адгезионные контакты Актиновые филаменты
Десмосомы Промежуточные филаменты
Полудесмосомы Актиновые/промежуточные филаменты
Описаны два типа адгезионных контактов:
(1) межклеточные контакты;
(2) контакты между клетками и матриксом.
В результате детального биохимического анали-
за адгезионных контактов было выявлено три
структурных участка:
• актиновые филаменты цитоскелета;
• пластинчатая структура, связывающая фила-
менты с мембранами;
• мембранные компоненты, непосредственно
участвующие в адгезивных взаимодействиях
(Geiger, 1992).
Все адгезионные контакты содержат много об-
щих компонентов, однако в каждом из них имеют-
ся специализированные белки. Так оказалось, что
интегральные белки кадгерины присутствуют
лишь в межклеточных контактах, а белки, относя-
щиеся к семейству интегринов, участвуют и в меж-
клеточных, и в клеточно-матриксных контактах.
Межклеточные адгезионные
контакты
Во многих тканях адгезионные контакты соеди-
няют актиновые филаменты, расположенные в ци-
топлазме коры смежных клеток. В эпителиальных
пластах они образуют непрерывный пояс, называе-
мый в гистологии адгезионным поясом (рис. 8-2).
176
Глава_8
Пучки сократительных актиновых филаментов
идут параллельно плазматической мембране эпи-
телиального покрова и прикрепляются к полосе
адгезии с помощью внутриклеточных прикрепляю-
щих белков:
• а, р и у катенина;
• винкулина;
• а-актинина.
Кадгерины
Межклеточные адгезионные контакты необхо-
димы для поддержания целостности ткани. Кон-
тактирующие мембраны соседних клеток удержи-
ваются вместе с помощью трансмембранных
Са2+-зависимых рецепторов адгезии, называемых
кадгеринами. Эти молекулы также важны для рас-
познавания и сортировки клеток в процессе разви-
тия. Кадгерины — это семейство гомологичных
трансмембранных гликопротеинов I типа (размер
от 120 до 140 кДа), расположенных на поверхности
клетки. Все клетки позвоночных экспрессируют
молекулы кадгеринового ряда, изначально назван-
ные по типу ткани, в которой они были найдены.
На сегодняшний день открыто более десяти бел-
ков, относящихся к семейству кадгеринов; некото-
рые из них представлены в таблице 8-3.
Таблица 8-3. Типы кадгеринов и их локализация
Тип кадгерина ' Е-кадгерин N-кадгерин Р-кадгерин Локализация Эпителиальные клетки, кожа, i яичники, плацента, почки : Нервы, мышцы, клетки селезенки Плацента, эпидермис
R-кадгерин Десмоглеины и десмоколлины Сетчатка Сердечная мышца, эпителиаль- . , ные клетки i
Аминокислотные последовательности различных
кадгеринов имеют высокий уровень гомологии:
• каждый полипептид может быть разделен на
пять эктодоменов (ЕС1-ЕС5), около 110 ами-
нокислот в каждом;
• все белки имеют от 52% до 73% гомологии
аминокислотной последовательности.
Кроме этого, все кадгерины содержат четыре
консервативных остатка цистеина, расположенных
близко к трансмембранному домену, а также не-
сколько консервативных участков в цитоплазмати-
ческих хвостовых доменах. Аналогичная структура
эктодоменов наблюдается также у трансмембран-
ных белков десмосом. Эти белки называются дес-
моглеинами и десмоколлинами.
Роль кальция в клеточной адгезии. Для свя-
зи кадгеринов с адгезионным контактом необходи-
мо присутствие ионов кальция. В экспериментах in
vitro было показано, что при удалении внеклеточно-
го кальция с использованием этиленгликольтет-
рауксусной кислоты происходит разделение тканей
на отдельные клетки. Это говорит о том, что меж-
клеточная адгезия — это Са2+-зависимый процесс.
Кроме этого, межклеточная адгезия также зависит
от гомофильных взаимодействий между молекула-
ми кадгерина; то есть молекулы кадгерина одной
клетки связываются и взаимодействуют с идентич-
ными молекулами соседних клеток. В отличие от
этого, полипептиды, связывающиеся с другими мо-
лекулами соседних клеток, участвуют в гетеро-
фильных взаимодействиях.
При использовании метода рентгеновской кри-
сталлографии были идентифицированы участки ге-
мофильного связывания кадгеринов. Показано, чтг
в N-кадгерине, 1 внеклеточный домен (ЕС1) одной
клетки образует димер, взаимодействующий с дву-
мя соседними ЕС-1 димерами, ориентированными
в противоположном направлении. Таким образом
в зоне контакта двух клеток формируется непре-
рывная кадгериновая молния (рис. 8-3).
Рис. 8-3. Клеточная адгезия, опосредованная кадгер
ном. В плазматических мембранах соседних клег .
(темные полосы наверху и внизу) имеются кадгерин
вые димеры, выступающие над поверхностью клен •
Димеры плотно соединяются в антипараллельной о:
ентации, что приводит к формированию вдоль лип,-/
межклеточной адгезии кадгериновой молнии. В этой v
дели, основанной на данных рентгеновских кристалле г; .
фических исследований, предполагается, что адгезиве ✓
активностью обладает концевой ЕС1 домен кадгерина;
го белка. (Воспроизведено с изменениями с разретш: >
авторов из: Gumbiner В. Cell Adhesion. Cell 1996:84:3,
Клеточные контакты, межклеточная адгезия и внеклеточный матрикс 177
Катенины
Кадгерины — это трансмембранные белки, кото-
рые соединяют актиновые цитоскелеты клеток.
Однако актиновая кора присоединяется не к самим
кадгеринам, а к особым связывающим белкам, на-
зываемым катенинами. Они скрепляют С-конце-
вые участки кадгеринов с актиновыми филамента-
ми. Известно, по крайней мере, три вида катенинов
а, Р и у. Взаимодействие между молекулами кадге-
ринов и катенинов является необходимым факто-
ром клеточной адгезии.
Эксперименты in vitro показали, что а-катенин
обладает актин-связывающей активностью. Внедре-
ние комплементарной дезоксирибонуклеиновой
кислоты (ДНК), кодирующей а-катенин. в клетки
тканевой культуры, лишенной этого белка, приво-
дит к образованию плотных контактов между эпи-
телиальными клетками, а-катенин - аналог вин-
кулина, полипептида, который связывает мембран-
ные белки с корковым актиновым цитоскелетом в
местах межклеточного и клеточно-матриксного со-
единения. Оказалось, что р-катенин менее важен
для клеточной адгезии, чем а-катенин. р-катенин
соединяет а-катенин с карбоксильными хвостами
кадгеринов; сам а-катенин не взаимодействует на-
лрямую с кадгериновымп молекулами.
Недавно было показано, что р-катенин:
(1) является субстратом для различных тирозин-
киназ, ингибирующих клеточную адгезию;
(2) взаимодействует с рецептором эпидермаль-
ного фактора роста.
Эти результаты позволяют предположить, что
3-катенин участвует в регуляции адгезии и может
влиять на межклеточные взаимодействия, опосре-
дованные кадгерином, при развитии эмбриона.
Выло доказано, что разделение эмбриональных
тканей связано с экспрессией различных кадгери-
новых генов.
Формирование эмбриона: ген Армадилло.
Ген р-катенина на 70% идентичен гену сегментар-
ной полярности Дрозофилы, названному геном Ар-
мадилло. Этот ген кодирует белки, необходимые
тля определения пути развития клеток во время
эаннего эмбриогенеза. Сходным образом р-кате-
чин участвует в регуляции формирования эмбрио-
на у лягушек Xenopus laevis и частично отвечает за
егуляцию образования переднезадней оси тела.
Эти наблюдения и тот факт, что р-катенин может
фосфорилироваться по тирозиновым остаткам,
позволили сделать вывод о том, что р-катенин
/частвует в регуляции кадгерин-катениновых
в ^аимодействий.
Клеточно-матриксные
взаимодействия
Десмосомные соединения
В отличие от адгезионных контактов, десмосомы
соединяют клеточную мембрану с промежуточны-
ми филаментами цитоскелета (глава 7). Десмосомы
и промежуточные филаменты формируют не-
прерывную сеть, которая пронизывает всю ткань
и обеспечивает значительную устойчивость тка-
ни к растяжениям. В большинстве эпителиальных
клеток к десмосомам прикрепляются цитокерати-
новые филаменты. Однако в клетках сердечной
мышцы основными промежуточными филамента-
ми являются десминовые филаменты. Эти белки
связывают миофибриллы в тубулярной системе
кардиомиоцита.
Белки промежуточных филаментов прикрепля-
ются к внутриклеточной цитоплазматической
пластинке, образованной комплексом белков, на-
зываемых десмоплакинами и плакоглобином, ко-
торые связаны с цитоплазматическими хвостами
трансмембранных белков. Трансмембранные бел-
ки, которые участвуют в связывании десмосом, от-
носятся к семейству кадгеринов. Они называются
десмоглеинами и десмоколлинами. Хотя эктодо-
мены этих белков гомологичны эктодоменам кад-
геринов, аминокислотная последовательность их
хвостовых цитоплазматических доменов отличает-
ся. В частности, отличие в С-концевой последова-
тельности этих белков определяет их специфиче-
ское связывание с промежуточными филаментами,
а не с актином.
Десмосомные соединения:
связь с клиникой
Роль десмосом и промежуточных филаментов в
поддержании целостности ткани выявляется при
различных формах пузырчатки — потенциально
смертельного генетического заболевания, при ко-
тором на коже у больных образуются различные
виды пузырей. При вульгарной пузырчатке у боль-
ных образуются антитела к десмоглеину-3. Это при-
водит к разрушению межклеточной связи на ран-
них стадиях дифференцировки эпидермальных
кератиноцитов и появлению многочисленных пу-
зырей.
Другую форму этого заболевания, листовидную
пузырчатку, вызывают антитела к десмоглеину-1;
множественные пузыри образуются в результа-
те ослабления межклеточной адгезии на позд-
них стадиях дифференцировки эпидермальных
клеток. Фенотипические особенности пациентов,
178
Глава 8
страдающих данным заболеванием, подтвердили
генетически обоснованное предположение о том,
что десмосомы, в сочетании с белками промежу-
точных филаментов, обеспечивают целостность
эпидермиса.
Полудесмосомы
Полудесмосомы имеют морфологическое сход-
ство с десмосомами, однако отличаются от них по
функциям и биохимическим свойствам. Полудес-
мосомы прикрепляют базальную часть плазмати-
ческой мембраны эпителиальных клеток к ба-
зальной мембране, тонкому слою внеклеточного
матрикса, на котором расположены клетки. Таким
образом, полудесмосомы облегчают взаимодей-
ствие клетки с внеклеточным матриксом. Транс-
мембранные белки, прикрепляющие клетку к мат-
риксу, принято относить к семейству интегрино-
вых рецепторов, а не к кадгеринам, как в десмосо-
мах (см. рис. 1-3).
Интегрины
Интегрины — это гетеродимерные рецепторы.
Они состоят из двух нековалентно связанных
субъединиц: а-субъединицы (~ 1000 аминокислот-
ных остатков) и р-субъединицы (~ 750 остатков).
Каждая субъединица — это трансмембранный гли-
копротеин I типа.
Семейство интегринов включает 20 видов ре-
цепторов, обладающих разной специфичностью.
Некоторые интегрины связываются только с од-
ним компонентом внеклеточного матрикса: напри-
мер, фибронектином, коллагеном или ламинином.
Другие интегрины взаимодействуют с нескольки-
ми полипептидами (табл. 8-1). В отличие от рецеп-
торов гормонов, обладающих высоким сродством
к лигандам и присутствующих в тканях в неболь-
шом количестве, интегрины связывают свои лиган-
ды с низким сродством и встречаются в большой
концентрации. Это означает, что они могут слабо
связываться с различными, но сходными молеку-
лами матрикса. Это свойство позволяет интегри-
нам обеспечивать как межклеточные взаимодейст-
вия, так и взаимодействие клеток с матриксом.
Клеточные факторы могут связываться с интег-
ринами или регулировать их специфичность,
поскольку некоторые интегрины проявляют спе-
цифическое связывание лиганда в зависимости от
типа клеток.
Для функционирования интегринов необходимо
присутствие двухвалентных ионов (Са2+ или Mg2+,
в зависимости от вида интегрина). Многие белки
матрикса являются лигандами для различных ин-
тегринов; например, восемь различных интегринов
взаимодействуют с фибронектином и, по-видимо-
му, некоторые из них связываются с последова-
тельностью RGD (Arg-Gly-Asp) (рис. 8-4).
Рис. 8-4. Клеточная адгезия, опосредованная интегри
ном. Схематическое изображение интегрина, выступаю-
щего из поверхности клеточной мембраны. Связывание
двухвалентного катиона Са2+ позволяет N-концевым
участкам двух белковых субъединиц связаться друг <
другом и прикрепиться к внеклеточному матриксу. (Вос-
произведено с разрешения из: Nermut MV et al. Electron
microscopy and structural model of human fibronectin
receptor. EM BO J 1988; 7:4093.)
Интегрины: связь с клиникой
Благодаря трансмембранной ориентации интег-
рины интегрируют и переносят сигналы от внекле-
точного матрикса к цитоскелету. Члены семейства
интегринов классифицируются на основе различия
в их p-цепях. Описано девять разновидностей
p-цепей. Существует, по крайней мере, 14 а-субъе-
диниц, которые могут связываться с более чем од-
ной p-цепью, поэтому возможно большое разнооб-
разие лигандной специфичности. Некоторые ин-
тегрины присутствуют во многих клетках (напри-
мер, рецептор фибронектина ct50i и интегрин а6р.
который связывается с ламинином базальной пла-
стины). Однако многие интегрины специфичны
Интегрин аьР2> также известный как интегрин
связанный с функционированием лимфоцитов
Клеточные контакты, межклеточная адгезия и внеклеточный матрикс 179
(lymphocyte function-associated integrin), имеется
только в лимфоцитах. Интегрины, обладающие
Рг-субъединицей, присутствуют исключительно в
лейкоцитах. Эти интегрины позволяют клеткам
прикрепляться к ним и проходить сквозь барьер
эндотелиальных клеток, выстилающих кровенос-
ные сосуды в месте инфекции.
Тромбоциты также экспрессируют ^-иптегри-
ны, которые связывают фибриноген, фактор Вил-
лебранда и фибронектин во время свертывания
крови; такое связывание способствует адгезии
тромбоцитов и формированию сгустка. Больные с
дефектом субъединиц аг/Рз, несмотря на нормаль-
ное число тромбоцитов в крови, страдают от крово-
течений вследствие нарушения ретракции сгустка;
это состояние известно как тромбастения Гланц-
манна. У больных, страдающих буллезной пузыр-
чаткой, вырабатываются аутоиммунные антитела,
которые вызывают разрушение базальной мембра-
ны полудесмосом и рассоединение клеток. Боль-
шинство интегринов связано цитоплазматически-
ми С-концевыми участками с актин-связывющими
белками клеточной коры. Во время присоединения
лиганда р-субъединицы интегринов взаимодейст-
вуют одновременно с талином и с cr-актинином, ко-
торые в свою очередь инициируют сборку других
соединительных белков, связывающих интегрины
с актиновыми филаментами. Трансмембранное
присоединение к цитоскелету необходимо для свя-
зывания клетки с внеклеточным матриксом. Эти
взаимодействия обеспечивают двустороннюю пе-
редачу сигнала; например, актиновые филаменты
могут изменять ориентацию секретируемых моле-
кул фибронектина во внеклеточном матриксе. Кро-
ме того, разрушение актинового цитоскелета при
лечении цитохалазином приводит к дезорганиза-
ции секретируемых филаментов фибронектина, со-
единенных в норме с внутриклеточными стрессовы-
ми волокнами. С другой стороны, внеклеточный
матрикс может значительно влиять на организа-
цию цитоскелета в клетках-мишенях (табл. 8-1).
Более подробно эти сигнальные процессы обсуж-
даются в главе 10.
Щелевые контакты
Щелевые контакты — это наиболее распростра-
ненные клеточные контакты. Они имеются во всех
тканях (рис. 8-1). Под электронным микроскопом
они выглядят как участки, разделяющие плазмати-
ческие мембраны соседних клеток узкой щелью
шириной 2-4 нм.
Щелевые контакты состоят из белковых кана-
лов, обеспечивающих избирательное прохождение
небольших молекул (до 1000 Да), например ионов
и низкомолекулярных веществ. Таким образом,
щелевые контакты обеспечивают и электрическое,
и метаболическое сопряжение между клетками.
Такие взаимодействия необходимы для реагирова-
ния клеток на локальные изменения окружающей
среды. Щелевой контакт построен из белковых
субъединиц, называемых коннексинами (молеку-
лярная масса 26 000-54 000). Шесть идентичных
субъединиц формируют кольцевидную структуру,
называемую коннексоном (рис. 8-5). При совме-
щении коннексонов двух соседних клеток образу-
ется водный канал, по которому могут проходить
небольшие молекулы (<1000 Да). На электрон-
ной микрофотографии замороженной клетки ще-
левые контакты видны в виде характерных скоп-
лений внутримембранных частиц. Водная пора
контакта (диаметр 1,5 нм) не всегда находится
в открытом состоянии и пропускает вещества.
По аналогии с потенциал-зависимыми канала-
ми щелевые соединения могут быстро изме-
нять свое состояние (закрываться или откры-
ваться). Отдельные коннексины подвергаются
двусторонним конформационным изменениям,
приводящим к открытию и закрытию канала.
Как и многие другие клеточные компоненты, элек-
тронные микрофотографии которых предполагают
постоянную структуру, щелевые контакты в дейст-
вительности достаточно динамичны.
Внеклеточный матрикс
Основное вещество любой ткани, или внекле-
точный матрикс — это не просто инертная масса
♦упаковочного материала», которая амортизирует
и поддерживает клетки. Это всего лишь одна из
функций внеклеточного матрикса, образованного
сетью переплетенных макромолекул коллагена,
полисахаридов и гликопротеинов. Кроме этого, он
играет ключевую роль в таких процессах как:
• передача сигнала;
• поддержание формы клетки;
• развитие клетки (то есть миграция и рост
клетки).
180 Глава 8
цитоплазма
А
Канал, образованный по-
рами в каждой мембране
Нормальное расстояние
между клетками
ская поверхность цитоплазматические регуляторные петли
В
Рис. 8-5. Щелевой контакт. Эта модель синапса показывает, как канал-формирующие белки обеспечивают транспор
веществ между клетками. Каждая из двух клеток (А) несет половину связывающего канала — полу канал. Каждый in-
луканал, или коннексон (Б), состоит из шести коннексиновых субъединиц. Ориентация субъединиц определяет от-
крытое или закрытое состояние канала. Связь между клетками может осуществляться при открытии обоих полу кана-
лов. Показано также расположение каждой коннексиновой субъединицы в клеточной мембране (В). (Воспроизведен,
с изменениями с разрешения авторов из: Kandel ER et al. Essentials of Neural Science and Behavior. Appleton & Lang-
1995, p. 190.)
В этих процессах участвуют факторы роста и гор-
моны, а также небольшие молекулы. Поджелудоч-
ная железа, щитовидная железа и селезенка по-
гружены в плотный фиброзный матрикс, который
отграничивает отдельные функциональные едини-
цы органа. Этот концентрированный внеклеточ-
ный матрикс составляет соединительную ткань.
Соединительная ткань крайне важна, так как она
обеспечивает поддержку и препятствует сдавлива-
нию тканей.
Фибробласты и секретируемые
ими вещества
Молекулы внеклеточного матрикса синтезирх -
югся локально. В этом участвуют фибробласты
секретирующие
• гликозаминогликаны;
• коллаген, эластин, фибронектин, ламинин и др\
гие белки.
Гликозаминогликаны — это полисахариды? •
цепи, которые ковалентно связываются с белках:?
с образованием протеогликанов. Соединяясь с в<
дой, протеогликаны образуют подвижное гелегк
добное вещество, упругое как резина или губ к.:
Клеточные контакты, межклеточная адгезия и внеклеточный матрикс
181
Коллагеновые волокна, погруженные в гелевый
матрикс, обеспечивают его прочность подобно
стальным стержням, укрепляющим бетон. Белок
фибронектин обеспечивает прикрепление клеток
к внеклеточному матриксу, а ламинин — к базаль-
ной мембране.
Базальная мембрана
Базальная мембрана — это прочная тонкая лис-
товидная структура, которая служит для прикреп-
ления клеток; она также важна для дифференци-
ровки клетки и восстановления тканей. Базальная
мембрана состоит из протеогликанов, гликопро-
теинов, коллагена IV типа и ламинина. Кроме под-
держивающей функции, в некоторых тканях
базальная мембрана выполняет функцию молеку-
лярного сита, которое обеспечивает избирательную
фильтрацию из крови небольших молекул. Это, на-
пример, происходит в почечных клубочках (Hud-
son et al, 1993). Последующие разделы посвящены
описанию отдельных компонентов внеклеточного
матрикса и их роли в процессах передачи сигнала
и клеточной дифференцировке.
Роль внеклеточного матрикса
в процессе передачи сигнала
и дифференцировке клеток
Основные свойства гликозаминогликанов
Полисахаридные цепи гликозаминогликанов со-
стоят из повторяющихся неразветвеленных диса-
харидных остатков (до 200 сахаров в длину).
Их называют гликозаминогликанами потому, что
один из сахаров — это обязательно аминосахар
(N-ацетилглюкозамин или N-ацетилгалактозамин),
глюкуроновой кислотой или идуроновой часто
сульфатированный. Второй углевод в повторяю-
щемся дисахариде представлен кислотой. Наличие
сульфатной или карбоксильной группы придает
цепи отрицательный заряд. Основные особенности
гликозамингликанов заключаются в том, что:
(1) даже при низкой концентрации они могут об-
разовывать гели, занимающие большой объем;
(2) благодаря высокой плотности отрицательно-
го заряда они прочно связывают катионы.
Вследствие своей гидрофильности гликозами-
ногликаны абсорбируют воду, что приводит к зна-
чительному набуханию матрикса. Эта способность
к набуханию позволяет матриксу противостоять
сжимающим силам. Поэтому гликозаминогликаны
входят в состав хрящей большинства суставов.
Например, когда вы подпрыгиваете, гликозаминог-
ликаны коленных и голеностопных суставов амор-
тизируют силу удара, получаемого в момент при-
земления.
Основные группы гликозаминогликанов
По типу углеводных остатков гликозамноглика-
ны делятся на четыре группы:
(1) гиалуроновая кислота, единственный гли-
козаминогликан, который несульфатирован
и не связан ковалентно с белком;
(2) хондроитинсульфат и дерматансульфат;
(3) гепарансульфат и гепарин;
(4) кератинсульфат.
Гиалуроновая кислота (гиалуронат или
гиалуронан). Гиалуроновая кислота представля-
ет собой неразветвленную цепь повторяющихся
дисахаридных остатков, состоящих из глюкуроно-
вой кислоты и N-ацетилглюкозамина. Она может
содержать до 12 000 таких остатков. Характерной
особенностью этого гликозаминогликана является
отсутствие сульфатных групп. В отличие от других
гликозаминогликанов, гиалуроновая кислота не
связана с белком. Она входит в состав рыхлой со-
единительной ткани и встречается во многих тка-
нях, а также в синовиальной жидкости суставов,
где она играет роль смазки. На поверхности неко-
торых клеток имеются белки, связывающие гиал-
уроновую кислоту. Предполагается, что в процессе
развития эмбриона гиалуроновая кислота заполня-
ет межклеточные пространства, облегчая переме-
щение клеток. Она также синтезируется в больших
количествах во время заживления ран (рис. 8-6,
табл. 8-4).
Протеогликаны
Все гликозаминогликаны, за исключением гиалу-
роновой кислоты, ковалентно связаны с белковой
сердцевиной в форме протеогликанов. Сердцевин-
ный белок — это секретируемый белок. Он имеет
сигнальный пептид, направляющий его прохожде-
ние через мембрану эндоплазматического ретикулу-
ма. В отличие от синтеза N-связанных гликопротеи-
нов, у которых сердцевинный углевод добавляется
одновременно с переносом белка через мембрану,
цепи гликозаминогликанов присоединяются позд-
нее, когда белок поступает в комплекс Гольджи.
Во всех протеогликанах первыми к остатку серина
присоединяются четыре сердцевинных сахара: кси-
лоза-галактоза-галактоза-глюкуроновая кислота.
Так как серин связывается через кислород, такие
углеводы называют О-связанными (рис. 8-6Б).
182
Белковая сердцевина Гликозаминовые полимеры
— 100 пт -—
трисахарид
Рис. 8-6. Гликозаминогликаны. На верхнем рис. (А) показана основная структура протеогликана — белковая серди-
вина и прикрепленные к нему полимеры гликозаминов. На нижнем рис (Б) представлена схема соединения отдел;
ного гликозаминогликана с белковой сердцевиной. Обратите внимание, что гиалуроновая кислота отличается от др
гих гликозаминогликанов: она не связана с белковой молекулой непосредственно. (Воспроизведено с изменениями
разрешения авторов из Zubay G: Biochemistry, 3rd ed. Brown, 1993.)
Таблица 8-4. Состав и распределение гликозаминогликанов в соединительной ткани и их взаимодействие
с коллагеновыми волокнами
Гликозаминогликан Повторяющиеся дисахариды Распределение Электростатическое взаимодействие с коллагеном
Гексуроновая кислота Гексозамин
Гиалуроновая кислота D-глюкуроновая кислота D-глюкозамин Пупочный канатик, синовиальная жидкость, стекловид- ное тело, хрящ
Хондроитин-4-сульфат D-глюкуроновая кислота D-галактозам ин Хрящ, кости, роговица, кожа, хорда, аорта Сильные взаимодей- ствия, в основном с коллагеном II типа
Хондроитин-6-сульфат D-глюкуроновая кислота D-галактозамин Хрящ, пупочный канатик, кожа, аорта (медия) Сильные взаимодей- ствия, в основном с коллагеном II типа
Дерматансульфат D-глюкуроновая кислота или D-идуроновая кислота D-галактозамин Сухожилия, кожа, аорта(адвентиция) Слабые взаимодейст- вия, в основном с кол- лагеном I типа
Гепарансульфат D-глюкуроновая кислота или D-идуроновая кислота D-галактозамин Легкие, печень, базальные мембраны, аорта Средний уровень взаимодействий, в ос- новном с коллагеном III и IV типов
Кератансульфат (роговица) D-галактоза D-галактозамин Роговица Нет
Кератансульфат (скелет) D-галактоза D-глюкозамин Хрящ, студенистое яд- ро, фиброзное кольцо Нет
Воспроизведено с разрешения из: Junquiera LC et al. Basic Histology, 8th ed. Appleton & Lange. 1995, p. 90.
Клеточные контакты, межклеточная адгезия и внеклеточный матрикс
183
После присоединения тетрасахаридного ядра
специфические гликозилтрансферазы добавляют
один за другим углеводные остатки. Этот процесс
происходит, вероятно, в цистернах комплекса
Гольджи и транс-сети Гольджи. До 95% вещества
протеогликанов составляют боковые углеводные
цепи — в основном неразветвленные цепи гликоза-
миногликанов. Сердцевинный белок также может
быть гликопротеином и иметь N-связанпые углеводы.
Возможно множество сочетаний повторяющихся
дисахаридных единиц и различных сердцевинных
белков, поэтому протеогликаны чрезвычайно раз-
нообразны по размеру и составу. Неудивительно,
что такие сложные и разнообразные макромолеку-
лы имеют различные функции
1. Образуют внеклеточные гели с различным раз-
мером пор и разной плотностью зарядов; такие
гели могут регулировать прохождение неболь-
ших молекул через внеклеточный матрикс.
2. Участвуют в межклеточной сигнализации,
связываясь с факторами роста (например с
фактором роста фибробластов) и изменяя их
активность (см. ниже)
3. Связывают другие секретируемые белки: не-
которые секретируемые протеазы и ингиби-
торы взаимодействуют с протеогликанами,
функция которых может заключаться в регу-
ляции ферментативной активности в месте
секреции. Такая регуляция может иметь ме-
сто при воспалительных реакциях, репарации
раневой поверхности и регуляции метастази-
рования опухолей.
Протеогликаны могут находиться не только во
внеклеточном матриксе, но и в плазматической
мембране клеток, где они выполняют функции ре-
цепторных молекул. Примером таких молекул слу-
жат синдеканы, которые имеют трансмембранный
домен и функционируют как рецепторы фибронек-
тина и коллагена. Цитоплазматические концы этих
протеогликанов могут взаимодействовать с кор-
ковым актиновым цитоскелетом (с кадгеринами
и интегринами), что обеспечивает связь цитоскеле-
та с внеклеточным матриксом (табл. 8-5).
Таблица 8-5. Протеогликаны и их локализация
Протеогликан Локализация и функция
Хондроитинсульфат - -Ji Основной компонент хряща
Дерматансульфат Широко распространен
Г епарансульфат Г епарин Поверхность многих клеток; фибробласты кожи Мастоциты; антикоагулянт (свя- 1 зывается с антитромбином III)
Кератинсульфат Роговица, рыхлая соединитель- ! ная ткань I
Коллаген
Коллагены — наиболее распространенные бел-
ки, встречающиеся в клетках млекопитающих и со-
ставляющие основной компонент соединительной
ткани. Они образуют семейство фибриллярных
белков, секретируемых фибробластами и клетками
соединительной ткани. Молекулы коллагена име-
ют характерную структуру — длинную жесткую
тройную спираль. Три полипептидные цепи колла-
гена, называемые a-цепями, скручены друг с дру-
гом в правостороннюю суперспираль, образующую
стержневидную структуру.
Коллагены имеют следующие особенности.
1. Они богаты пролиновыми и глициновыми
остатками, которые обеспечивают формиро-
вание тройной спирали. Каждый третий оста-
ток а-цепи — глицин, единственная амино-
кислота, подходящая для центрального уча-
стка спирали.
2. Выявлено около 25 различных a-цепей кол-
лагена; каждая кодируется отдельным геном;
в различных тканях экспрессируются различ-
ные комбинации этих генов.
3. На сегодняшний день, обнаружено около
15 типов коллагена.
4. Коллагены имеют остатки гидроксипролина
и гидроксилизина, образующиеся при пост-
трансляционном гидроксилировании остат-
ков пролина и лизина. Образование этих ос-
татков катализируется пролилгидроксилазой
и лизилгидроксилазой, соответственно.
Коллаген соединительной ткани состоит из раз-
личных типов коллагена; наиболее распростране-
ны коллагены I типа (табл. 8-6). Эти типы коллаге-
на, называемые фибриллярными, состоят из трех
цепей, скрученных в спираль наподобие каната.
Таблица 8-6. Типы коллагена и их гены
I Тип Г ены Ткань |
1 COL1A1, COL1A2 Большинство соединительных тканей, включая соединитель- ную ткань костей
|г j II COL2A1 Хрящ, стекловидное тело
III COL3A1 Растяжимая соединительная ткань, такая как в коже, лег- ких и сосудистой системе I Базальные мембраны (
IV V COL4A1-COL4A6
COL5A1-COL5A3 Ткани, содержащие коллаген I
VI COL6A1-COL6A3 Большинство соединительных I тканей организма ii
VII COL7A1 Прикрепительные фибриллы
184 __ Г лава :
। Тип Г ены Ткань
f VIII COL8A1-COL8A2 Эндотелий, другие ткани
jLix_ । CQL9A1-CQL9A3 j Ткани, содержащие коллаген 11_^
X COL10A1 । Гипертрофированный хрящ
XI COL11A1, 1COL11A2, 1 COL2A1 Ткани, содержащие коллаген II ‘. . . J
JXI[ JC0L12A1 Ткани, содержащие коллаген I
XIII COL13A1 Многие ткани ,
i XIV I COLMA 1 - л Ткани, содержащие коллаген I !
XV (COL15A1 Многие ткани
_xyL COL16A1 _ . Многие ткани
Ixvil ! CQL17A1 Кожные полудесмосомы
I XVIII | COL18A1 I Многие ткани
L IxDL — (например печень, почки) ;i
COL19A1 Клетки рабдомиосаркомы :
Воспроизведено с разрешения из: Prockop DJ,
Kivirrikko KI. Collagens: molecular biology, diseases, and
potentials for therapy. Annu Rev Biochem 1995;64:403.
Типы коллагена обозначаются римскими цифрами.
Составляющие проколлагеновые цепи, называемые
про-ос-цепями, обозначаются арабскими цифрами.
Тип коллагена указывается в скобках после типа а-це-
пи. Например, проколлаген I типа — это гетеротри-
мер, состоящий из двух про-а1 (I) цепей и одной
про-а2(1) цепи. Проколлаген II типа — это гомотри-
мер, образованье тремя про-а1 (II) цепями. В обозна-
чении генов коллагена после символа «COL» записан
тип коллагена, а затем, после буквы «А», — номер
про-а-цепи, которую кодирует данный ген. Таким об-
разом, гены COL1A1 и COL1A2 кодируют соответст-
венно а1 и а2 цепи I типа коллагена.
Биосинтез коллагена
В процессе биосинтеза коллаген подвергается
значительным посттрансляционным изменениям.
Полипептиды коллагена секретируются во внекле-
точное пространство и группируются в упорядо-
ченные полимеры коллагеновых фибрилл, которые
(1) составляют 10 300 нм в диаметре и (2) могут
достигать нескольких сотен микрометров в длину.
Эти фибриллы собираются в пучки коллагеновых
волокон канатовидных структур до 3 мм в диам-
ре. Коллагеновые волокна сшиваются друг с
гом и с другими компонентами внеклеточного м .
рикса с помощью фибрилл-связываю...?.!
коллагенов (IX и XII типов); эти сшивки де : -
структуру коллагена более прочной. Коллаген к 3
и VII типов отвечают за формирование <
IV тип — один из основных компонентов oa.i.—
ной мембраны (табл. 8-7).
Проколлаген
Как и остальные секретируемые белки, колл.;. -
ны синтезируются в виде предшественников с а
нальным пептидом, который направляет их в С-
Кроме того, на N- и С-концах коллагенов име- ~
ся пропептиды (20 и 30 кДа, соответствен.
Пропептиды отщепляются после того, как трои..»*
спирали коллагена секретируются во внеклето-;:. -
пространство. После переноса коллагена в по. г >
ЭР специфические гидроксилазы в присутсч .
аскорбиновой кислоты (витамина С) гидрокси -
руют остатки пролина и лизина с образован. *
гидрокси пролина и гидроксилизина. После ю
между про-сх-цепями образуются водородные ю-.
зи и формируется тройная спираль проколлагена
Предполагается, что гидроксильные группы :
роксипролпна и лизина образуют внутренн- ♦
цепь водородных связей, стабилизирующую tj
ную спираль. Кроме этого, в окисляющей среде
N- и С-концевые пропептиды образуют дисульфил-
ные мостики, которые также могут способствоь
образованию тройной спирали. После секреции
внеклеточное пространство специфические ами.
и карбоксипептидазы отщепляют N- и С-конце?:^
пропептиды. и проколлаген преобразуются в
лый коллаген. После удаления пропепти,. *
трехспиральные молекулы собираются в воло?
(рис. 8-7).
Проколлаген ~ относительно растворимых
белок, тогда как зрелая молекула нерастворим'
Напрашивается вывод о том, что пропептиды м*
полняют две функции при синтезе коллагена
Рис. 8-7. Строение коллагена. Все коллагены состоят из трех a-цепей, скрученных вместе в правостороннюю спиты
Каждый третий аминокислотный остаток — глицин, позволяющий цепям скручиваться в плотную канатовид?: *
структуру. Каждый полный виток спирали составляет 8,6 нм в длину. Фибриллы коллагена могут достигать нескор. •
сотен микрометров в длину. (С разрешения из: Junqueira LC et al. Basic Histology, 8th ed. Appleton & Lange. 1995, p. 9 ;
Клеточные контакты, межклеточная адгезия и внеклеточный матрикс
185
Таблица 8-7. Основные характеристики различных типов коллагена
Тип кол- лаге- на Распределение в тканях Отличительные черты (по данным световой микроскопии) т - -- : - - ' •" Ультраструктура Место синтеза I Взаимодейст- вия с гликоз- аминогликана- ми Основная функция !
1 Дерма, кости, су- хожилия, фасции, . склера, капсулы органов, волокни- стые хрящи Плотно упако- ванные, тол- стые волокна Плотно упакован- ные толстые во- локна различного । диаметра Фибробласт, остеобласт, одонтобласт, хондробласт Незначительные взаимодейст- вия, в основном, с дерматансуль- фатом Препятст- вует растя- жению
II Гиалиновые и эла- стиновые хрящи Рыхлая сеть коллагена Нет волокон: очень тонкие фиб- риллы. погружен- 1 ные в большое ко- личество основно- : го вещества Хондробласт Сильные взаи- модействия, в основном с хон- дроитинсульфа- i том Устойчи- вость к пе- репадам давления
III Гладкая мускула- тура, эндоневрий, артерии, матка, печень, селезен- ка, почки, легкие Рыхлая сеть из । тонких волокон: ретикулярные волокна Рыхло упакован- ные тонкие фиб- риллы с относи- тельно постоян- ным диаметром । Фибробласт, гладкая мускула- тура, ретикуляр- ные клетки, шванновские клетки, гепатоцит Средний уро- вень взаимо- действий, в ос- новном с гепа- рансульфатом Поддержа- ние струк- туры круп- ных орга- нов
IV Эпителиальные и эндотелиальные базальные мем- браны Тонкая, аморф- ная мембрана Не обнаружено ни волокон, ни фибрилл ! Эндотелиальные и эпителиальные клетки, мышечные клетки, шваннов- ские клетки Взаимодействие с гепарансуль- фатом Поддержка и фильтра- ция
V Мышечные базаль- ; ные мембраны Данных недостаточно Данных недостаточно : Данных недостаточно Данных недостаточно Данных не- достаточно
Воспроизведено с изменениями с разрешения из Junquiera LC et al: Basic Histology, 8th ed. Appleton & Lange.
1995, p. 94 67 HM
(1) обеспечивают образование тройной спирали
внутри клетки;
(2) предотвращают внутриклеточное образе>ва-
ние коллагеновых фибрилл, препятствующих
процессу секреции в силу нерастворимости
коллагена.
Во внеклеточном пространстве, близко к клеточ-
ной поверхности, иногда даже в инвагинациях плаз-
матической мембраны, зрелые молекулы коллагена
!юразуют фибриллы. Зрелые молекулы коллагена
имеют характерную морфологическую особенность,
которую можно увидеть с помощью электронного
микроскопа: поперечную исчерченность через каж-
дые 67 нм. Эта исчерченность обусловлена ступен-
чатым расположением отдельных коллагеновых по-
липептидов, составляющих фибриллу (рис. 8-8).
Прочность коллагена
После образования коллагеновых фибрилл их
прочность значительно возрастает за счет форми-
рования сшивок между остатками лизина внутри
молекул коллагена и между ними. В зависимости
от типа ткани коллагеновые фибриллы имеют раз-
личную толщину и расположение, что позволяет
Фибрилла
Молекула
Тройная спираль
Альфа-спираль
Аминокислотная по- _Gly_x_Y_G|y_X-Y-Gly-X-Y-
следовательность
Рис. 8-8. Организация коллагена. Показано формирова-
ние структуры коллагена от аминокислотной последова-
тельности каждой a-цепи (внизу), до фибриллы (навер-
ху). На электронной микрофотографии коллагеновые
волокна имеют характерную поперечную исчерченность
с интервалом 67 нм. Поперечная исчерченность обуслов-
лена ступенчатой укладкой коллагеновых полипептидов
внутри фибриллы. (Воспроизведено с изменениями с
разрешения авторов из: Eyre DR. Collagen: molecular
diversity in the body’s scaffold. Science 1980:207:1315.)
186
Глава 8
им выполнять специализированные функции. Напри-
мер, в коже фибриллы переплетаются крест-на-
крест и формируют структуру, которая обеспечи-
вает устойчивость ткани к различным нагрузкам;
в сухожилиях фибриллы организованы в пучки,
параллельные оси напряжения.
Возможно, что подобная специфическая ориента-
ция волокон коллагена обеспечивается фиб-
рилл-связывающими коллагенами (типы IX и XII).
Эти коллагены прикрепляются к поверхности фиб-
рилл на определенном расстоянии друг от друга
и взаимодействуют как с фибриллами, так и с дру-
гими компонентами матрикса.
Коллаген IV типа
Специфичный для базальных мембран;
нефибриллярный. Как и фибриллярный колла-
ген, мономер коллагена IV типа также представ-
ляет собой суперспираль, состоящую из трех а-це-
пей (табл. 8-6 и 8-7); в каждой цепи имеется
длинный домен, состоящий из повторяющейся
—1400 раз последовательности аминокислот
Gly-X-Y. На N-конце коллагена типа IV имеется
неколлагеновый участок из -15 аминокислотных
остатков, а на С-конце — длинный неколлагеновый
участок из -200 остатков. Каждая цепь сильно гли-
козилирована (около 50 гидроксилизин-связанных
дисахаридов, а также аспарагин-связанных олиго-
сахаридов на N-конце) (Hudson et al, 1993).
Тройные спирали самоорганизуются в супер-
спираль, что требует самых различных взаимодей-
ствий. Мономерные тройные спирали связываются
С-концами с образованием димеров и N-концами
с образованием тетрамеров. N-концевая неколлаге-
новая последовательность из 15 остатков содержит
четыре остатка цистеина, которые обеспечивают
образование внутри- и межцепочечных дисуль-
фидных мостиков, стабилизирующих эту макромо-
лекулу. Кроме концевых взаимодействий, тройные
спирали могут скручиваться с образованием супер-
спирали. Более того, семейство коллагенов IV типа
охватывает шесть генетически различных а-цепей.
Это генетическое разнообразие обусловливает
формирование различных тройных спиралей
(табл. 8-6 и 8-7).
Связь с клиникой:
коллагеновые болезни
При многих генетических заболеваниях нарушает-
ся нормальный синтез коллагена. Различные генети-
ческие дефекты приводят к неполной сборке моле-
кулы коллагена, нестабильности тройной спирали,
нарушению поперечных связей коллагена или дру-
гим нарушениям. Мутации могут также вызывать
нарушения посттрансляционных изменений (напри-
мер, дефекты фермента лизингидроксилазы или
отсутствие биосинтеза проколлагена) (табл. 8-8).
Болезнь Менкеса. Болезнь Менкеса связана
с нарушением метаболизма меди. При этом заболе-
вании снижается уровень активности лизинокси-
дазы — медьсодержащего фермента, обеспечиваю-
щего сшивание молекул коллагена друг с другом
Это приводит к неполному сшиванию молекул
коллагена.
Синдром Гудпасчера. Синдром Гудпасчера -
аутоиммунное заболевание, при котором выраба-
тываются антитела к базальным мембранам клеток
почечных клубочков и легочных альвеол, что при-
водит к гломерулонефриту и легочным кровотече-
ниям. оы (IV) цепь коллагена, входящая в состав
базальной мембраны, распознается и связывается
с антителами. По-видимому, эти антитела предот-
вращают образование коллагеновых димеров, чт<
вызывает нарушние дальнейшей организации
структуры коллагена.
Синдром Альпорта. Синдром Альпорта — эт<
генетическое заболевание, которое поражае:
преимущественно мужчин (1 из 5000) и приводи:
Таблица 8-8. Примеры заболеваний, связанных с нарушениями синтеза коллагена
Ген или фермент Заболевание Дефект Симптомы
COL3A1 Синдром Элерса-Данло IV типа । Нарушение транскрипции или j. транс ля ци и коллагена типа III Аортальная и/или кишечная грыжа
Лизил гидрокси- лаза Синдром Элерса-Данло VI типа Нарушение гидроксилирования лизина Повышенная эластичность ко- жи, грыжа глазного яблока
Проколла- ген-М-протеиназа Синдром Элерса-Данло VII типа Снижение активности прокол- лагенпептидазы Увеличение подвижности сус- тавов, частые вывихи
— Цинга Недостаток витамина С (кофак- тора пролингидроксилазы) _ Изъязвление десен, геморра- гии
COL1A1, COL1A2 Неполный остеогенез Замена одного нуклеотида в ге- нах коллагена I типа Спонтанные переломы, сер- дечная недостаточность
С изменениями с разрешения из: Junquiera LC et al. Basic Histology, 8th ed. Appleton & Lange. 1995, p. 98
Клеточные контакты, межклеточная адгезия и внеклеточный матрикс
187
к почечной недостаточности; тяжесть поражения
у женщин значительно ниже. Причиной этого
наследственного заболевания является дефект
базальной мембраны почечных клубочков, связан-
ный с мутацией гена, кодирующего 0.5 (IV) колла-
геновую цепь (табл. 8-9) (Hudson et al, 1993).
Таблица 8-9. Основные различия между коллаге-
ном и эластином
Коллаген
Много различных ге-
нетических типов
! Тройная спираль
Повторяющаяся струк-
; тура (Gly-X-Y)n
i Есть гидроксилизин
1 Углеводо-содержащий
; Внутримолекулярные
альдольные сшивки
Наличие длинных про-
пептидов в процессе
биосинтеза
| Эластин __
। Один генетический тип
Нет тройной спирали; неупо-
рядоченные конформации,
допускающие растяжение
Нет повторяющейся структу-
ры (Gly-X-Y)n
Нет гидроксилизина
Нет углеводов
Внутримолекулярные десмо-
зиновые сшивки
Нет длинных пропептидов в
процессе биосинтеза
Воспроизведено с разрешения из Murray RK et al:
Harper’s Biochemistry, 24th ed. Appleton & Lange, 1996,
p. 671.
Фибронектин
Фибронектин — один из самых распространен-
ных нерастворимых гликопротеинов внеклеточного
матрикса, присутствующий также в жидких средах
организма как растворимая молекула (рис. 8-9А).
Фибронектин секретируется в виде димера. Моле-
кулярная масса мономеров 220 000-250 000, они
связаны двумя дисульфидными связями, располо-
женными недалеко от С-концов. Фибронектин -
это интегральный белок (рис. 8-9А), в котором име-
ются участки связывания других компонентов вне-
клеточного матрикса, включая коллаген, гепарины
А и В, фибрин и хондроитинсульфат. С использо-
ванием ядерно-магнитного резонанса с высо-
ким разрешением получена подробная информация
о структуре доменов этого белка (Gumbiner, 1996).
Интегрин-фибронективый рецептор:
роль в процессе метастазирования
опухолей
Фибронектин содержит стержневидные домены,
разделенные гибкими участками; эти домены со-
стоят из серии повторяющихся аминокислот, коди-
руемых отдельными экзонами. Один из наиболее
хорошо изученных участков фибронектина — три-
пептидная последовательность RGD. Эта последо-
вательность распознается специальными поверх-
соон
• • s-s - -
Коллаген
Гепарин
Б. Ламинин
Прикрепление
к клетке Прикрепле-
ние к клетке
I Прикрепление к клетке
I Связывание с гепарином
> Отросток нейрона
А. Фибронектин
Рис. 8-9. Фибронектин и ламинин, компоненты внеклеточного матрикса. Фибронектин (А) — это гликопротеиновый
димер, мономеры которого соединены дисульфидными мостиками вблизи С-концов. Он содержит множество доменов,
которые могут связываться с клетками или другими компонентами внеклеточного матрикса. Связываясь с интегри-
ном, фибронектин обеспечивает сцепление клетки с внеклеточным матриксом (см. рис. 8-4), Ламинин (Б) — гликопро-
теин, который в больших количествах присутствует в базальной мембране. Он состоит из трех цепей, соединенных
дисульфидными связями. Ламинин содержит домены, связывающие коллаген IV типа и интегрин, и, таким образом,
принимает участие в прикреплении клеток к базальной мембране. (Воспроизведено с изменениями с разрешения ав-
торов из: Kandel ER et al. Principles of Neural Science. 3rd ed. Appleton & Lange, 1991, p. 920.)
188
Глава S
ностными рецепторами клетки: интегринами, свя-
зывающимися с фибронектином. Более того,
RGD-участок есть не только у фибронектина, но
и у некоторых других белков внеклеточного мат-
рикса, например у коллагена и ламинина. Фибро-
нектин кодируется одним геном, содержащим
более 50 тысяч нуклеотидных пар и 50 экзонов.
При альтернативном сплайсинге образуются око-
ло 20 различных изомеров фибронектина, выра-
батываемых клетками в зависимости от стадии
развития и типа ткани. Во внеклеточном матрик-
се эти белки собираются в нерастворимые фила-
менты, в которых димеры фибронектина сшиты
дисульфидными связями. Сборка происходит на
поверхности клетки и, возможно, регулируется
особыми факторами сборки, выделяемыми клеткой.
Функция фибронектина - обеспечение адгезии
между клетками и внеклеточным матриксом при
помощи связывания с интегриновыми рецептора-
ми. Таким образом достигается контакт между
внутриклеточной средой и окружающей средой.
Фибронектин также способствует миграции клеток,
соединяя клетки с внеклеточным матриксом. Уро-
вень фибронектина в трансформированных клет-
ках снижен, на основе чего можно предположить,
что пониженное связывание клеток с внеклеточ-
ной средой придает им большую подвижность
и увеличивает вероятность метастазирования.
Ламинин
Подобно коллагену IV типа, ламинин — один и
главных компонентов базальной мембран к
(рис. 8-9Б). Это крупный длинный гликопротеин
(молекулярная масса около 850 000, ~70 нм в дли
ну), состоящий из трех цепей: А, В1 и В2. Эти ш
липептидные цепи расположены в виде вытянуто-
го креста и скреплены дисульфидными связями
Как и фибронектин, ламинин состоит из нескольких
доменов. Различные домены связываются с колла-
геном IV типа, гепарансульфатом, энтактином
(небольшой белок, который сшивает молекул •
ламинина с коллагеном IV типа) и интегринами
клеточной поверхности. Взаимодействие коллаген.:
IV типа с ламинином служит для прикреплена
базальной мембраны к клеткам. Поскольку колла-
ген не связывается напрямую с интегрином, это с*
единение опосредуется ламинином (рис. 8-10).
Энтактин
Энтактин — гликопротеин, необходимый д. ы.
прикрепления клетки. Он содержит RGD-участс-
и прочно связывается как с ламинином, так и с кол-
лагеном IV типа. Предполагается, что энтактин оГ-
разует сшивки между ламинином и коллагене
IV типа и, таким образом, обеспечивает взаимодег.
ствие клетки с базальной мембраной.
Рис. 8-10. Взаимодействие клетки с внеклеточным матриксом. Клетки могут связываться с коллагеном, фибронек: <
ном и ламинином через интегрин (А). Участки связывания интегрина схематически изображены как блоки на кл-
точной мембране, содержащие аир субъединицы. Показано также фибронектин-опосредованное взаимодействие м-
жду клеткой и коллагеном (Б). Во внеклеточном матриксе фибронектин может также взаимодействовать с гепар и-
ном; внутри клетки может происходить связывание актина с интегрином. (А. Воспроизведено с разрешения г.
Yamada КМ. Adhesive recognition sequences. J Biol Chem 1991;266:12809. Б. Воспроизведено с разрешения из Mur г.-.
RK et al: Harper’s Biochemistry, Appleton & Lange, 1996, p. 672.)
Клеточные контакты, межклеточная адгезия и внеклеточный матрикс
189
Молекулы клеточной адгезии
Молекулы клеточной адгезии (cell adhesion
molecules, САМ) обеспечивают кальций-незави-
симую межклеточную адгезию. Структура этих
молекул напоминает структуру иммуноглобули-
нов; они содержат сходные домены. Нейрональная
САМ, наиболее известный представитель этого се-
мейства, образуется в нервах, а также в других
клетках. Гомофильные взаимодействия между
нейрональными САМ соседних клеток обеспечива-
ют связывание этих клеток. Белки другого класса
САМ, I-САМ, осуществляют межклеточную адге-
зию путем гетерофильного связывания с другими
белками на поверхности клетки.
Нейрональные САМ
Нейрональные САМ (N-САМ) представляют
собой гетерогенное семейство, включающее около
20 родственных молекул, образующихся при аль-
тернативном сплайсинге РНК, транскрибированной
с одного гена N-САМ. Эти молекулы составляют
относительно гетерогенное семейство высокомоле-
кулярных трансмембранных монотонных белков
I типа, которые участвуют в передаче сигнала и свя-
зывании с белками цитоскелета. Изоформы нейро-
нальных САМ, полученные при альтернативном
сплайсинге, имеют одинаковую внеклеточную по-
следовательность (которая содержит пять повто-
ров иммуноглобулинов), но различные С-конце-
вые участки. Описано, по крайней мере, три фор-
мы нейрональных САМ:
• трансмембранные N-CAM I типа;
• N-САМ, прикрепленные к мембране с помо-
щью гликозилфосфатидилинозитола;
• секретируемые N-CAM.
Некоторые нейрональные САМ сильно гликози-
лированы и содержат многократно повторяющиеся
L1 Нейроглиан
Рис. 8-11. Молекулы адгезии нервных клеток (нейрональные САМ). На этой схеме показаны нейрональные САМ в
центре семейства структурно родственных молекул. Все молекул адгезии имеют характерные иммуноглобулиновые
петли во внеклеточном участке белка. Нейрональные САМ связывают клетки друг с другом при помощи гемофиль-
ных связей. Исследования показали, что нейрональные САМ играют значительную роль при развитии нерва. (Вос-
произведено с изменениями с разрешения из: Kandel ER et al. Principles of Neural Scienc,. 3rd ed. Appleton & Lange,
1991, p. 919.)
190
Глава 8
остатки сиаловой кислоты, которые делают моле-
кулу отрицательно заряженной (рис. 8-11). Функ-
ция этих заряженных N-CAM не ясна; предполага-
ется, что сильный отрицательный заряд остатков
сиаловой кислоты способствует росту нервных от-
ростков. N-CAM участвуют в следующих процессах.
1. Соединение клеток; хотя межклеточное со-
единение с помощью кадгеринов гораздо
сильнее
2. Стимуляция роста нервных клеток, то есть
роста нервных отростков от сетчатки к мозгу
3. Временная экспрессия при развитии не нерв-
ных тканей
4. Регуляция межклеточной адгезии в процес-
сах развития.
Клеточная адгезия и передача
сигнала
При выделении молекул из внеклеточного мат-
рикса и добавлении их к культуре растущих кле-
ток, наблюдаются значительные изменения фор-
мы, подвижности, полярности и дифференцировки
этих клеток. Многие из этих фенотипических из-
менений обусловлены интегринами, которые скап-
ливаются в местах контакта с компонентами мат-
рикса и активируют внутриклеточные сигнальные
пути, например инозитолфосфатный путь или ти-
розинкиназные каскады.
Механизм передачи сигнала интегринами анало-
гичен механизму передачи гормонального сигнала
в клетки-мишени. Интересно, что интегрины опо-
средуют также ответ многих клеток, включая эпи-
телиальные, на определенные полипептидные фак-
торы роста. Например, клетки, растущие в культуре,
нечувствительны к факторам роста без соединения
с внеклеточным матриксом посредством интегри-
нов; при добавлении последних факторы роста вы-
зывают дифференцировку клеток (рис. 8-12).
Важную роль в сигнальной функции интегринов
играет фосфорилирование их цитоплазматических
участков. В клетках некоторых злокачественных
опухолей, растущих в культуре тканей, фосфори-
лирование тирозиновых остатков цитоплазмати-
ческих доменов интегринов уменьшает сродство
интсгрин-талиновых взаимодействий, что может
приводить к уменьшению связывания раковых
клеток с фибронектином.
Библиография
Geiger В: Cadherins. Annu Rev Cell Biol 1992;8:307.
Gumbiner B: Cell adhesion: The molecular basis of tissue ar-
chitecture and morphogenesis. Cell 1996:84:345.
Hudson BG. Reeders ST, Tryggvason K: Type IV collagen
Structure, gene organization, and role in human disease^
J Biol Chem 1993:268:26033.
Mecham Rp: Laminin receptors. Annu Rev Cell Bio
1991:7:71.Schwartz MA, Schaller MD, Ginsberg MH
Integrins: Emerging paradigms of signal transduction
Annu Rev Cell Dev Biol 1995:11:549.
Stanley JR: Autoantibodies against adhesion molecules anc
struc. in blistering skin diseases. J Exp Med 1995; 181:1
Сигналы от
Тирозинкиназа FAK
Семейство киназ Src
Фосфорилирование
паксиллина, тензина
и Т.Д.
Семейство GTPaa Rho
Pl-киназы, инозитол-
липидный метабо-
лизм
Скопление
рецепторов
Рис. 8-12. Регуляция клеточной адгезии, oik
средованной интегринами. Процессы передач?
сигнала с клеточной поверхности, опосредован
ные лиганд-рецепторным взаимодействием, вы-
зывают скопление интегриновых полипепт?
лов. Скопление интегринов приводит к орган?
зации и дезорганизации фокальной адгезии
необходимой для подвижности и роста клети?
При стимуляции поверхностных рецептора
факторами роста также запускаются процесс:,
передачи сигнала, которые могут участвовать
организации и дезорганизации фокальной адг-
зии. (Воспроизведено с разрешения с измен-
ниями из: Gumbiner В. Cell adhesion. Ct.
1996;84:345.) См. также рисунки 10-16 и 10-17
Молекулярные механизмы
передачи сигнала: основные
пути межклеточной
сигнализации
9
Основные термины
Фосфорилирование
Вторичные мессенджеры
Сигнальные молекулы
Сигнальные механизмы
Оксид азота (окись азота)
Липофильные ядерные рецепторы
Рецепторы ионных каналов
Эйкозаноиды
Рецепторы, сопряженные с G-белками
G-белковый механизм активации
Механизм сАМР
Кальциевый механизм
Инозитольный механизм
В этой главе обсуждаются способы передачи
в клетку внешних биомолекулярных сигналов
и механизмы клеточного ответа. Чаще всего в от-
вет на специфический сигнал клетка запускает мо-
лекулярный каскадный механизм, который реали-
зует интегративный путь биохимического ответа.
Эукариотические клетки могут взаимодействовать
с большим числом молекул, переносящих инфор-
мационные сигналы. К счастью, различные процес-
сы передачи сигналов имеют много общего, что да-
ет возможность понимать и предсказывать клеточ-
ный ответ в каждом конкретном случае. Наиболее
известные экзогенные сигнальные молекулы —
это гормоны (стероидные и пептидные); однако,
клетки могут реагировать и на другие биомолеку-
лярные сигналы.
За исключением незначительных различий, спо-
собы передачи сигнала одинаковы для большинства
клеток, а внутриклеточные каскады ферментатив-
ных реакций часто не зависят от типа сигнальной
молекулы.
Когда сигнальная молекула связывается с кле-
точной поверхностью, запускается каскад реакций,
вызывающих определенные внутриклеточные про-
цессы, например начало пролиферации. Различные
клетки по-разному реагируют на один и тот же
входной сигнал. Специфичность клеточного ответа
во многом определяется типом экспрессируемого
рецептора. В клетках каждого конкретного типа
имеется характерный набор рецепторов, располо-
женных на клеточной поверхности, в цитозоле
и ядре. Эти рецепторы служат для получения спе-
цифического сигнала и запуска каскада фермента-
тивных реакций, вызывающих клеточный ответ.
Общая схема процесса передачи сигнала вклю-
чает пять основных этапов (рис. 9-1). На каждом
этапе могут происходить нарушения передачи
сигнала, приводящие к патологическим процес-
сам и заболеваниям. Это также будет обсуждаться
в данной главе.
Фосфорилирование и клеточная сигнализация
Обратимое образование и гидролиз фосфатных
эфирных связей — это одни из важнейших хими-
ческих реакций живого организма. Фосфорилиро-
вание играет существенную роль в формировании
генетического материала, трансляции белка,
построении биологических мембран и во многих
других внутриклеточных процессах. Фосфори-
лирование и дефосфорилирование — основные
Связыва-
ние с ли-
гандом
Активация
рецептора
Преобразо-
вание
сигнала
Активация
эффектора
Ослабление
сигнала
Рис. 9-1. Пять основных этапов передачи сигнала в клетку
192
Глава 9
механизмы внутриклеточной передачи сигнала.
Соответственно два типа ферментов, участвующих
в этих процессах, а именно киназы и фосфатазы,
играют важную роль в сигнальных процессах.
Киназы и фосфатазы
Ферменты, отвечающие за образование фосфат-
ных эфиров в белковых молекулах, называются
киназами. Два основных типа киназ — это тиро-
зинкиназы (Туг) и серин-треонинкиназы
(Ser-Thr). Тирозинкиназа образует фосфатные
связи на тирозиновых остатках специфических
субстратов. Соответственно, серин-треонинкиназа
образует эти связи на остатках серина и треонина.
В клетке находится более тысячи различных ки-
наз, что подтверждает важную роль этих фермен-
тов в жизнедеятельности клетки. В частности,
большинство сигналов, поступающих в клетку, об-
рабатывается с помощью киназ.
Роль фосфорилирования
Фосфорилирование выполняет две основные
функции в процессе передачи сигнала. Во-первых,
при фосфорилировании измененяется конформа-
ция белков и активируются ферменты, которые
также могут проявлять киназную активность.
Передача сигнала, таким образом, заключается
в волновой активации белков. Во-вторых, фосфо-
рилирование, особенно тирозина, создает в моле-
кулах белков стыковочные участки. При появле-
нии таких участков в процесс вовлекаются новые
белки, взаимодействующие с уже активированны-
ми элементами сигнального пути. Таким образом,
механизм передачи сигнала включает не только ак-
тивацию ферментов, но и временное формирова-
ние внутриклеточных передатчиков.
Эти белки накапливаются в определенных уча-
стках клетки, например на внутренней поверхно-
сти плазматической мембраны. Часто одна специ-
фическая киназа, участвующая в сигнальном про-
цессе, фосфорилирует другую киназу, В процессе
передачи сигнала может неоднократно происхо-
дить фосфорилирование и дефосфорилирование
белков. Некоторые рецепторы сами по себе отно-
сятся к киназам, некоторые являются субстратами
для киназ. Фосфорилирование этих белков очень
часто запускает сигнальные процессы в клетке.
Другое важное преобразование клеточного сигнала
происходит в цитоскелете, белки которого активи-
руются входными компонентами определенного
сигнального пути.
Роль дефосфорилирования
После фосфорилирования субстратов (напри-
мер по Ser-Thr или Туг остаткам) происходит не
менее важный процесс дефосфорилирования.
В некоторых случаях удаление фосфата происхо-
дит в результате простого «выключения» сигнали-
зации. Однако в других случаях фосфат удаляется
после активации сигнального пути. Оба процесса
описаны в этой главе. Так же как существует два
типа киназ, есть два основных типа фосфатаа:
серин-трсонинфосфатаза и тирозинфосфатаза
Как и киназы, фосфатазы должны быть специфич-
ны, то есть удалять фосфаты лишь с определенной
субстрата. Отсюда следует, что для каждой специ-
фической киназы должна существовать специфи-
ческая фосфатаза. Однако на самом деле это ш
так. Некоторые серин-треонинфосфатазы неспеци-
фичны и удаляют фосфаты с различных субстра-
тов. В то же время, тирозинфосфатазы обладаю,
субстратной специфичностью и так же многочш -
ленпы, как и тирозинкиназы.
Семейства СТРаз
Второй способ обработки поступающей в клет-
ку информации, который также связан с образо-
ванием фосфатных связей, — это реакции, осуще-
ствляемые гуаниннуклеотидтрифосфатазам а.
(СТРазами) двух типов. Большинство внутрикле-
точных сообщений (например везикулярные
транспорт, эндоцитоз, поступление веществ в ядр<
восстановление ядерной мембраны, удлинение п<.-
липептидных цепей при трансляции) передаете -
при помощи небольших белков, которые в активноv
состоянии связаны с GTP. Однако эти белки мог;,
быстро гидролизовать связанный GTP до GDP, к<
торый в свою очередь инактивирует белок. Как о
мечалось в главе 4, эти мономерные белки игран .
роль внутриклеточных молекулярных переключа-
телей и являются ключевыми компонентами бол-
шинства процессов в клетке.
Другой член семейства СТРаз, особенно важны,*
для передачи клеточного сигнала с поверхносг
клетки, — это тримерный G-белок. Три субъедин?
цы G-белка (а, 0 и у) нековалентно связаны меж.:
собой, а-субъединица представляет собой GTPa.i.
как и мономерная СТРаза, эта субъединица мож*
связывать молекулу GTP и гидролизовать ее ..
GDP. Сердцевинные домены СТРазы и а-субъсл,
ница G-белка имеют сходную трехмерную стр\
туру: их 0-слой и а-спирали уложены одинаков
Интересно, что существуют различные фору.;,
а-субъединицы, каждая из которых выполни -
Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации
193
различные функции в процессе передачи сигнала.
Более детально эти функции будут обсуждаться
далее.
Вторичные мессенджеры
Вторичные мессенджеры — это небольшие моле-
кулы, которые быстро и в больших количествах
синтезируются в клетке в ответ на активацию ре-
цептора и служат для усиления молекулярного
сигнала. Они обычно действуют в течение очень
короткого промежутка времени и затем инак-
тивируются с помощью различных механизмов.
В настоящее время известно пять вторичных мес-
сенджеров, играющих центральную роль в процес-
се межклеточной сигнализации. К ним относятся:
1. циклический аденозинмонофосфат (сАМР);
2. циклический гуанозинмонофосфат (cGMP);
3. диацилглицерол (DAG);
4. инозитолтрифосфат (1Р3);
5. кальций.
сАМР
с АМР синтезируется из аденозинтрифосфата
(АТР) ферментом аденилатциклазой, связанным
с клеточной мембраной. При активации этого фер-
мента происходит быстрый синтез с АМР, и внут-
риклеточная концентрация сАМР возрастает очень
быстро. Однако сАМР также быстро разрушается
другим внутриклеточным ферментом — сАМР-
фосфодиэстеразой. сАМР играет центральную
роль в процессе передачи сигнала в клетку. Рецеп-
торы, находящиеся на поверхности клетки, могут
как активировать, так и ингибировать синтез
сАМР (рис. 9-2А).
cGMP
cGMP также очень быстро синтезируется гуани-
латциклазой и разрушается cGMP-фосфодиэстера-
зой (рис. 9-2Б). cGMP участвует в процессе преоб-
разования зрительных сигналов у позвоночных.
Более детально этот процесс описан в разделе, по-
священном механизмам сенсорной передачи.
Диацилглицерол
Диацилглицерол (DAG) и инозитолтрифосфат
(IP3) образуются из специализированного мем-
бранного липида, инозитолфосфолипида. DAG со-
ставляет внутримембранный компонент этого
липида Молекула DAG образуется в результате от-
щеплении головной группы фосфоинозитола фер-
ментами семейства фосфолипазы С (рис. 9-3). Диа-
Рис. 9-2. Структурные формулы молекул вторичных мес-
сенджеров. (А) Циклический 3',5‘аденозинмонофосфат,
сАМР. (Б) Циклический гуанозинмонофосфат, cGMP
цилглицерол связывается с основной клеточной
серин-треонинкиназой, протеинкиназой С (РКС)
и участвует в ее активации. Кроме того, одна из
ацильных цепей диацилглицерола может служить
источником арахидоновой кислоты — С-20 нена-
сыщенной жирной кислоты, из которой образуют-
ся простагландины.
Инозитолтрифосфат
Инозитолтрифосфат — водорастворимый голов-
ной компонент фосфоинозитольного липида; после
отщепления от липида 1Р3 поступает в цитозоль,
где связывается с белками Са2 -каналов, располо-
женных на внутриклеточных мембранах. При этом
каналы открываются и Са2’ переходит из внутри-
клеточных депо в цитоплазму (рис. 9-4).
Кальций
Кальций — один из основных вторичных
мессенджеров, участвующих в передаче сигнала
в клетку (рис. 9-5). Роль Са2+ заключается в связы-
вании со специфическими участками в молекулах
киназ или с особыми кальций-связывающими бел-
ками (например с кальмодулином), которые слу-
жат активаторами некоторых киназ. Более подроб-
но роль Са2+ обсуждается в последующих разделах
этой главы.
194
Глава 9
Фосфатидили- PIP
нозитол (PI)
Р!Рг Диацилглицерол (DAG)
Рис. 9-3. Образование диацилглицерола (DAG) в результате метаболизма фосфатидилинозитола в клеточной мем
бране. Фосфорилирование фосфатидилинозитола (PI) приводит к образованию фосфатидилинозитол-4-фосфат.
(PIP), а затем фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (PIP2). Расщепление PIP2 на инозитол-1,4,5-трифосфат (IP.)
и диацилглицерол катализируется фосфолипазой С; оба эти компонента участвуют в передаче сигнала. Показанный на
рисунке метаболизм диацилглицерола и инозитолтрифосфата заканчивается их соединением с образованием фосфати
дилинозитола, после чего цикл повторяется
Рецептор
Физиологические эффекты эффекты
Рис. 9-4. Связывание лиганда с рецептором приводит
к гидролизу фосфатидилинозитол-4,5-бифосфата (PIP2)
и образованию вторичных мессенджеров инозитолтри-
фосфата (1Рз) и диацилглицерола (DAG), идущих далее
по кальциевому сигнальному пути. (РКС — протеин-
киназа С; ER — эндоплазматический ретикулум; ISF —
интерстициальная жидкость; СаВР — кальций-связы-
вающие белки; PLC — фосфолипаза С).
(Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов
из: Ganong WF. Review of Medical Physiology, 17th ed.
Appleton & Lange, 1995, p. 38.)
Рис. 9-5. Кальций тоже является вторичным мессенджерам
сигнального пути. Высвобождение Са2+ из внутренних дегк
осуществляется по фосфоинозитольному механизм}
IР3 активирует белки кальциевых каналов внутренних мем
бран, в результате чего каналы открываются и Са2+ поступа-
ет по градиенту концентрации в цитозоль. Са2+ также акти-
вирует основной кальций-связывающий белок, кальмоду-
лин. Кальмодулин (СаМ) соединяется со специфическим?,
киназами (S) и запускает сигнальный каскад фосфорил ир<
вания. (S-P — фосфорилированные киназы.) (Воспроизве
дено с изменениями с разрешения из:: Katzung BG. Bask
Clinical Pharmacology, 7th ed. Appleton & Lange, 1995, p. 25. ।
Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации ___ 195
Способы доставки сигнальных
молекул к клеткам
Согласно классическому определению, гормон
синтезируется клетками эндокринной железы и пе-
реносится к клеткам-мишеням с током крови.
Эндокринный механизм — это наиболее изученный
способ межклеточной сигнализации. Недавно было
доказано, что для переноса сигнальных молекул
к клеткам-мишеням используются различные вне-
клеточные механизмы: паракринный, аутокринный
и юкстакринный. Вместе с эндокринным механиз-
мом они образуют внеклеточную сигнальную систе-
му (рис. 9-6).
Паракринный механизм
В случае паракринной сигнализации клетки
секретируют сигнальные молекулы, которые акти-
вируют ближайшие соседние клетки, относящиеся
к тому же типу ткани. Например, нейрон секрети-
рует нейротрансмиттер (например ацетилхолин)
в синаптическую щель, где другой нейрон связыва-
ется с этим нейротрансмиттером и генерирует био-
электрический сигнал. При паракринном меха-
низме сигнальные молекулы обычно не поступают
в кровоток. Это основной способ передачи сиг-
нала в процессе заживления ран, восстановления
тканей и развития эмбриона.
Аутокринный механизм
Локальные сообщения — это механизм ответа
на ограниченные сигналы. При аутокринном ме-
ханизме клетка отвечает на свой собственный
сигнал: клетка производит сигнальную молекулу
и в то же время несет на своей поверхности рецеп-
торы, необходимые для ответа на секретируемый
лиганд. Обычно клетка не отвечает на свою собст-
венную сигнальную молекулу до тех пор, пока не
получит сообщение от рецептора; таким образом,
для ответа клетки необходима секреция сигналь-
ной молекулы. Аутокринную стимуляцию исполь-
зуют клетки иммунной системы; аутокринная и па-
ракринная стимуляция часто происходят одновре-
менно.
Юкстакринный механизм
Юкстакринная сигнальная система участвует в
процессе прикрепления клеток, например в при-
креплении клеток крови друг к другу или к клет-
кам сосудистой стенки при гемостазе или воспале-
нии. При стимуляции юкстакринных клеток сиг-
нал может передаваться от одной клетки к другой
через адгезионные контакты. Межклеточная адге-
зия (связывание клеток) и передача сигнала --
взаимосвязанные процессы. Об этом свидетельст-
вуют такие процессы, как агрегация тромбоцитов в
местах повреждения и прикрепление нейтрофилов
и моноцитов к эндотелию сосудов при поврежде-
нии или инфицировании. Юкстакринный меха-
низм связывает клетки не только друг с другом, но
и с внеклеточным матриксом.
Сигнализация с участием
клеточных рецепторов
Приобретение и утрата функции
Все клетки организма постоянно обмениваются
различной информацией. Для того чтобы вычле-
Эндокринный Паракринный
Юкстакринный
Рис. 9-6. Межклеточная сигнализация. Показаны четыре механизма: эндокринный, паракринный, аутокринный
и юкстакринный. Биологически активные вещества, или лиганды, изображены в виде шариков, а рецепторы — в виде
полумесяца. Обратите внимание, что при юкстакринном механизме молекула лиганда не отщепляется от сигнализи-
рующей клетки во внеклеточную среду, а остается на наружной поверхности мембраны клетки. (Воспроизведено
с изменениями с разрешения авторов из: Zimmerman GA et al. Juxtacrine intercellular signaling and the way to do it.
Am J Resp Cell Mol Biol 1993;9:573.)
196
Глава 9
нить из информационного потока необходимые
сигнальные молекулы, каждая клетка экспрессиру-
ет специфический набор рецепторов. Таким обра-
зом, клетка отвечает лишь на тот сигнал, для кото-
рого у нее имеется рецептор. Отсюда следует, что
набор рецепторов может изменяться в процессе
развития и дифференцировки. Если сигнал о син-
тезе специфического белка, свойственного диффе-
ренцированной клетке, поступает в недифферен-
цированную клетку, которая не экспрессирует не-
обходимый рецептор, соответствующая молекула
не синтезируется. Способность клетки выполнять
или не выполнять определенную функцию часто
основывается на наличии или отсутствии у нее оп-
ределенного рецептора. Экспрессия и утрата ре-
цептора — это запрограммированные процессы
клеточной дифференцировки.
Некоторым клеткам требуется
сигнальный лиганд, чтобы избежать
программируемой клеточной смерти
Некоторые клетки должны получать специфиче-
ский сигнал для выживания. При нарушении свя-
зывания сигнальной молекулы с рецептором или
нарушении рецепторного ответа запускается про-
грамма клеточной смерти (см. главу 6). Таким об-
разом, некоторые входные сигналы необходимы
для выживания клетки. Разработано множество
моделей программируемой клеточной смерти.
Например, в период эмбрионального развития
формируется значительно больше нейронов, чем
выживает в дальнейшем — примерно половина из
них погибает вскоре после достижения места ин-
нервации. Эта программируемая клеточная
смерть по-видимому происходит в результате кон-
куренции за нейротрофический фактор, называе-
мый фактором роста нервов (NGF), секретируе-
мый иннервируемыми клетками. NGF образуется
в небольших количествах, и клетки, не получаю-
щие его, погибают. Таким образом организм может
регулировать количество клеток, необходимое для
эффективной передачи нервных импульсов.
Различные клетки по-разному отвечают
на одинаковые сигналы
Рецепторная специфичность — одна из основ-
ных особенностей сигнальной системы. Поэтому
непонятно, почему различные клетки по-разному
реагируют на один и тот же лиганд. Например, аце-
тилхолин вызывает сокращение скелетной мышцы,
но расслабление сердечной мышцы, а связывание
ацетилхолина с секреторными клетками вызывает
усиление секреции. Это говорит о том, что, несмотря
на одинаковые лиганды, белки, передающие сигнал
от активированного рецептора в клетку, интерпре-
тируют сигнал по-разному.
Обратная регуляция сигнала
Способность клетки подавлять сигнал так же
важна, как способность реагировать на него. Клет-
ка, которая не может отключить сигнал, в конце
концов погибает. Существуют различные механиз-
мы инактивации сигнала, используемые клетками
в процессе их роста и дифференцировки.
1. Поглощение сигнального лиганд-рецептор-
ного комплекса путем эндоцитоза. Это наи-
более распространенный механизм.
2. Десенсибилизация рецептора. Десенсибили-
зация (снижениение чувствительности) част<
бывает связана с фосфорилированием. Когда
G-белок активирует очередной компонент
сигнального пути, рецептор, расположенный
на другой стороне белка, аутофосфорилиру-
ется, и его чувствительность к лиганду сни-
жается. Этот процесс называется гомологич-
ной десенсибилизацией. Бывают случаи
когда другая молекула фосфорилирует ре-
цептор и уменьшает его способность к акти-
вации следующего компонента сигнальное
пути. Это называется гетерологичной десен-
сибилизацией.
3. Разрушение эффекторной молекулы или раз-
деление пулов активирующих молекул.
Механизмы передачи сигнала
в клетках млекопитающих
В клетках млекопитающих существует множес:
во способов получения и переработки информа-
ции; каждый мы детально обсудим. Различны^
механизмы, перечисленные ниже, группируются ш.
основе локализации и характеристик рецепторов.
Группа 1: семейство липофильных
рецепторов
Лигандами этого семейства являются:
• стероиды, например, глюкокортикоиды, ми-
нералокортикоиды и половые стероиды;
• тиреоидный гормон, тироксин;
• ретиноиды, большая группа молекул, струг
турно родственных витамину А и витамину Г)
Эти лиганды достаточно липофильны для тог
чтобы пройти через липидный бислой и войт,
в цитозоль. Чаще всего лиганды транспортир;
ются с помощью белков-переносчиков, имеющг. •
гидрофобные связывающие карманы, которьз
Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации
197
удерживают лиганд. Пустые рецепторы этого се-
мейства часто находятся в цитозоле и образуют
комплексы с другими белками. Когда лиганд про-
никает в клетку и связывается с рецептором, этот
комплекс переносится в ядро, где соединяется со
специфической последовательностью ДНК, распо-
ложенной в центральных участках генов.
Группа 2: семейство гидрофильных
рецепторов
Рецепторы этого семейства относятся к инте-
гральным мембранным белкам. Эта большая груп-
па рецепторов делится на подгруппы на основе
биохимических различий рецепторов. Многочис-
ленные лиганды этого семейства в основном гидро-
фильны. Для каждого лиганда существует специ-
фический рецептор.
Рецепторы, сопряженные с G-белками.
Связывание лиганда с рецептором приводит к ак-
тивации специфических G-белков. Активирован-
ный G-белок изменяет активность молекулярных
мишеней, в частности, аденилатциклазы, фосфоли-
пазы, ионных каналов и cGMP-фосфодиэстеразы.
Рецепторы как ионные каналы. Связывание
лиганда с рецепторным белком канала вызывает
открытие канала, приводящее к входу или выходу
необходимых ионов.
Рецептор предсердного натрийуретическо-
го фактора. Связывание лиганда с рецептором
вызывает активацию каталитического домена гуа-
налатциклазы. Активация этого рецептора приво-
дит к входу ионов натрия.
Рецепторы, имеющие киназные домены.
Присоединение лиганда приводит к активации
киназного каталитического домена, который
фосфорилирует цитоплазматические субстраты.
Рецепторами могут быть как тирозинкиназы, так
и серин-треонинкиназы.
Рецепторы, активируемые цитозольными
тирозинкиназами. При связывании лиганда с ре-
цептором активируются тирозинкиназы, некова-
лентно связанные с поверхностным рецептором.
Рецепторы с фосфатазной активностью.
Лиганд активирует фосфатазный домен.
Цитокиновые рецепторы. Эти рецепторы сходны
по структуре; они часто разделены на сигнал-пере-
дающие субъединицы и оказывают дублирующее
и плейотропное действие.
Сигнальные механизмы, не связанные с поверхностными
рецепторами клетки
Передача сигнала:
щелевые контакты
Роль секретина и кальция
Передача сигналов через щелевые контакты —
эффективный механизм регуляции соединенных
клеток, например, клеток эпителия (см. главу 8).
Щелевые контакты локализуются на латераль-
ной поверхности соседних клеток, что позволяет
осуществлять прямой обмен небольшими моле-
кулами. Например, через поры щелевого контакта
может проходить вторичный мессенджер, сАМР
(см. рис. 8-5). Стимуляция одной или нескольких
клеток может инициировать ответ во всех клетках
ткани путем передачи сАМР по щелевым контак-
там соседних клеток. Такая стимуляция может
осуществляться секретином — гормоном, индуци-
рующим высвобождение протеаз из ацинарных
клеток поджелудочной железы. Секретин соединя-
ется с рецепторами на одной или нескольких клет-
ках, вызывая увеличение концентрации сАМР.
Это, в свою очередь, приводит к высвобождению
ионов кальция, вызывающих высвобождение сек-
реторных ферментов из накопительных пузырь-
ков во всех клетках железы.
Ионы Са2+ — это ключевые сигнальные молекулы,
передающиеся по щелевым контактам соседних кле-
ток. Например, распространение кальция между
соседними клетками гладкой мускулатуры обеспе-
чивает координированную перистальтику и со-
кращение матки. Этот тип управляемого выхода
кальция происходит во многих клетках, что свиде-
тельствует о перемещении кальция по соседним
клеткам. Однако при высокой концентрации Са2+
щелевые контакты быстро закрываются. Например,
при внезапном повышении концентрации кальция
с 10~7 до 1(Г3 моль/л происходит сокращение бел-
ков коннексинов, входящих в состав щелевых кон-
тактов, и поры щелевых контактов закрываются
(см. рис. 8-5). Это приводит к сохранению необхо-
димых небольших молекул, которые в противном
случае могли бы выйти через щелевые контакты.
198
Глава 9
Роль оксида азота в клеточной
сигнализации
Более века назад было открыто действие нитро-
глицерина при стенокардии; но только в начале
1990-х годов был выяснен его механизм. Нитро-
глицерин — это вещество, которое быстро превра-
щается в оксид азота (NO). Оксид азота расслаб-
ляет эндотелиальные и гладкомышечные клетки
коронарных сосудов, улучшая приток крови к мио-
карду. Уже давно известно, что в клетках человека
синтезируются оксиды азота; однако, полный
набор биологических эффектов оксида азота выяс-
нен совсем недавно. С точки зрения клеточной
биологии, существование столь различных функ-
ций у безуглеродного газа заставляет думать о но-
вом механизме передачи сигнала в клетках. Оксид
азота изменяет сульфгидрильные группы (SH; тиоло-
вые) и степень окисления металлов, входя-
щих в состав комплексных соединений. Биохимия
оксида азота детально описана в нескольких об-
зорных статьях, упомянутых в списке литературы
в конце главы, а также в книге: Murray RK et al.
Harper’s Biochemistry (Appleton & Lange, 1996).
Оксид азота: связь с клиникой
Несмотря на то, что оксид азот может вырабаты-
ваться в большинстве клеток организма, существу-
ет три категории клеток, в которых проявляются
функции этой молекулы:
(1) в эндотелиальных клетках под действием NO
происходит расслабление эндотелия;
(2) в центральной нервной системе NO участву-
ет в передаче сигнала между нейронами;
(3) в клетках иммунной системы NO участвует
в клеточно-опосредованном иммунном ответе.
Оксид азота синтезируется в реакции дезамини-
рования аргинина до цитруллина при участии
очень большого ферментного комплекса, NO-син-
тетазы. При этом тратится пять электронных экви-
валентов, а один из гуанидиновых N атомов L-ap-
гинина окисляется с образованием цитруллина
и NO. Схема образования NO в эндотелиальных
клетках представлена на рис. 9-7.
Роль NO-синетазы в образовании NO.
Существует два основных класса NO-синтетаз.
1. Конститутивные ферменты синтезируют NO
быстро и в небольших концентрациях, под-
держивая уровень NO, необходимый для
регуляции сосудистого тонуса. NO действует
как эндотелиальный фактор расширения
сосудов.
Рис. 9-7. Оксид азота и межклеточная сигнализация. По-
казана роль оксида азота в передаче сигнала между эндо-
телиальными и гладкомышечными клетками. Оксид азо-
та образуется в эндотелиальной клетке (наверху) после
активации ацетилхолинового рецептора, приводящей
к увеличению внутриклеточной концентрации кальция
и активации NO-синтетазьг. В гладкомышечной клетке
(внизу) оксид азота стимулирует образование цикличе-
ского гуанозинмонофосфата (cGMP), который, в свою
очередь, активирует cGMP-зависимые киназы. В резуль-
тате данных взаимодействий происходит расслабление
гладкомышечной клетки. (Воспроизведено с изменения-
ми с разрешения из: Murray RK et al. Harpers
Biochemistry, 24th ed. Appleton & Lange, 1996, p. 700.)
2. NO регулирует агрегацию тромбоцитов и уча
ствует в нейромедиаторных процессах пу-
тем активации гуанилатциклазы. В результа-
те происходит увеличение концентрации
cGMP и запускается каскад молекуляр-
ных процессов в клетках-мишенях, например
в гладкомышечных клетках.
Другая форма NO-синтетазы, кальций-незави-
симый кальмодулин-содержащий фермент, акти-
вируется эндотоксинами. Цитокины, такие как
у-интерфероны, фактор некроза опухолей, интер-
лейкин-1, могут стимулировать производстве
больших количеств NO в течение длительного пе-
риода — многих часов и даже дней. Вначале уве-
личение образования NO оказывает выраженное
положительное воздействие на иммунную систему
Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации
199
высвобождение гормонов, клеточную секрецию
и деление; однако продолжительное производство
NO может приводить к серьезным нарушениям пе-
редачи сигнала вследствие сверхстимуляции гуани-
латциклазы.
Большое разнообразие функций NO частично
связано с его влиянием на процесс фосфорилиро-
вания белков под действием киназ. В частности,
NO реагирует с SH (тиоловыми) группами белков,
а также с белками, содержащими ионы металлов.
Таким образом, точками приложения NO являют-
ся белки ионных каналов, ферменты, поверхност-
ные рецепторы и факторы транскрипции — все
белки, у которых в состав аллостерических или
активных центров входят либо ионы металлов,
либо тиоловые группы (таблица 9-1).
NO в нейронах. Действие NO не ограничено
анатомическими барьерами или системой крово-
обращения; NO может легко перемещаться в клет-
ки путем чресклеточной диффузии. NO не накап-
ливается, а синтезируется по требованию. Он не
связывается с поверхностными рецепторами клет-
ки, а диффундирует к внутриклеточным мишеням.
Механизм его инактивации еще не известен.
NO считается нейротрансмиттером. Он участвует
в (1) неадренергической/нехолинергической пере-
даче нервных импульсов периферическим секре-
торным и мышечным тканям; (2) формировании
синапсов; (3) обработке сенсорных входных сигна-
лов; (4) процессах памяти и учения.
Липофильные лиганды
и ядерные рецепторы
Существует довольно много липофильных ли-
гандов, которые могут проходить через плазмати-
ческую мембрану и связываться с цитозольными
или ядерными рецепторами клетки. Как было ска-
зано выше, к этой группе относятся стероидные
гормоны, витамин D3, гормоны щитовидной желе-
зы и ретиноиды. Эти лиганды регулируют разви-
тие и дифференцировку клетки и метаболизм орга-
на, в целом. В отличие от водорастворимых пеп-
тидных гормонов, факторов роста и цитокинов,
жирорастворимые гормоны проходят липидный
бислой и взаимодействуют с внутриклеточными
рецепторами (рис. 9-8).
Рецепторы стероидных гормонов находятся в ци-
топлазме в составе крупных белковых комплексов
шаперонов, включающих белок теплового шока
90 (hsp90) и иммунофилин hsp56. Эти цитоплазма-
тические комплексы поддерживают неактивную, но
удобную для связывания лиганда конформацию ре-
цепторов. Связывание лиганда (гормона) с рецепто-
ром приводит к высвобождению белков теплового
шока. После этого лиганд-рецепторный комплекс
транспортируется в ядро, где связывается со спе-
цифическими последовательностями ДНК в про-
моторных участках специфических генов. Участок
ДНК гена-мишени, связывающийся с рецептором,
названный элементом гормонального ответа,
идентичен для всех стероидных рецепторов.
Таблица 9-1. Активаторные и ингибиторные функции NO-синтетазы
Физиологические эффекты NO Токсические эффекты
Кровеносные сосуды Расширение сосудов; защита от тромботической ишемии; антиатеросклеротическое ингибирова- ние пролиферации гладкомышечных клеток; ан- тиадгезивное действие Септический шок, воспаление, реперфу- зионные нарушения, повреждение микро- циркуляторного русла, атеросклероз
Сердце Коронарный кровоток, ишемия ’’Оглушенный" миокард, сепсис
Легкие Регуляция вентиляционно-перфузионного балан- са, подвижности ресничек бронхов, секреции слизи, иммунной защиты Иммунокомплексный альвеолит, "легкое фермера", астма, респираторный дист- ресс-синдром взрослых
Почки Канальцевая реабсорбция, кровоснабжение клу- бочков, секреция ренина Острая почечная недостаточность, гломе- рулонефрит
Центральная нерв- ная система Формирование синапсов, синаптическая пла- стичность, формирование памяти, кровоснабже- ние и ишемия мозга, нейроэндокринная секре- ция, проведение зрительных сигналов, обоняние Нейротоксичные проконвульсанты, миг- рень, гипералгезия, реперфузия
Поджелудочная железа Эндокринная и экзокринная секреция Разрушение р-клеток
Желудочно-кишеч- ный тракт Кровоснабжение, перистальтика, экзокринная секреция, слизистая защита Мутагенез, повреждение слизистой j
Иммунная система Антимикробная, противоопухолевая защита Аутоиммунные заболевания, реакция трансплантат против хозяина, воспаление, септический шок, повреждение тканей i
200
Глава 9
Эстрадиол Тестостерон Прогестерон
Кортизол Альдостерон
Экдизон
1,25-дигидроксивитамин D3
3,5,3-Ь-трийодтиронин
Полный транс изомер ретиноевой кислоты
9-цис-ретиноевая кислота
15-дезокси-Д12 14-простагландин J2
Рис. 9-8. Стероидные гормоны и другие лиганды, связывающиеся с ядерными рецепторами. (Воспроизведено с раз-
решения из: Mangelsdorf DJ et al. The nuclear receptor superfamily: the second decade. Cell 1995,83:835.)
Эти результаты поднимают вопрос о специфич-
ности генов. Некоторые рецепторные белки этой
группы способны связываться с соответствующи-
ми элементами гормонального ответа даже в неак-
тивном состоянии. Такие несвязанные с лигандом
рецепторы часто действуют как репрессоры гена.
При связывании гормона с лиганд-связывающим
доменом рецептора происходят аллостерические
изменения, приводящие к активации гена. Приме-
рами такой репрессорно-индукторной системы яв-
ляются рецепторы эстрогенов и гормонов щито-
видной железы.
Выделено четыре класса ядерных рецепторов,
различающихся по их связыванию с лигандом,
с ДНК и способности к образованию димеров.
На рис. 9-9 представлено схематическое изображе-
ние ядерного рецептора, содержащего участок свя-
зывания с ДНК, лиганд-связывающий участок, ва-
риабельные петлевой и С-концевой домены.
Стероидная сигнальная система
В отличие от сигнализации, опосредованной по-
верхностными рецепторами, эффекты стероидной
сигнальной системы проявляются после характер-
ного периода задержки, длящегося несколько ча-
сов. Это означает, что сигнальная система липо-
фильных гормонов не активирует гены быстрого
ответа. Фактически, реакция клетки на увеличение
концентрации стероидных гормонов может сохра-
няться в течение нескольких часов или дней. Этот
длительный ответ обусловлен относительно мед-
ленным переключением большинства ферментов
и белков, управляемых сигнальной системой сте-
роидных гормонов. Липофильные гормоны и их
рецепторы часто связываются с промоторами ге-
нов, которые кодируют ДНК-связывающие белки,
то есть факторы транскрипции, которые контроли-
руют экспрессию генов. Таким образом, гены, ак-
тивируемые липофильными гормонами, в свою
очередь регулируют экспрессию других генов.
Связь с клиникой: ожирение
В норме и при некоторых видах патологии из
фибробластов образуются адипоциты. Избыточное
накопление жировой ткани, характеризующееся
увеличением числа или размера адипоцитов, назы-
вается ожирением. В норме адипоциты депонируют
Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации
201
Стероидные рецепторы
GR Глюкокортикоиды
MR Минералокортикоиды
PR Прогестерон
AR Андроген
ER Эстроген
RXR-гетеродимеры
Тиреоидные гормоны
Полный транс-изомер ретиноевой
кислоты
1,25-(ОН)2~витамин D3
Эйкозаноиды
Мономерные орфановые EcFl
Димерные орфановые рецепторы рецепторы
Экдизон
RXR (usp) 9-цис-ретиноевая
кислота
COUP/ARP ?
HNF-4 ?
NGFFB NGFI-B (СЕВ-Г) ?
ELP/SF-1 (Ftz-F1) ?
Рис. 9-9. Консервативные домены ядерных рецепторов. Наверху показана аминокислотная последовательность
ядерного рецептора (N-конец - слева; С-конец — справа). Последовательности ДНК-связывающего домена (С)
и лиганд-связываюшего домена (Е) консервативны. N-концевой участок, участок между связывающими доменами
и С-концевой участок могут различаться. Ядерные рецепторы можно разделить на четыре типа на основе особенно-
стей связывания ДНК, лигапд-связывания и димеризационных характеристик. Внизу показаны примеры рецепторов
каждой группы. (Воспроизведено с разрешения из: Mangelsdorf DJ et al. The nuclear receptor superfamily: the second
decade. Cell 1995;83:835.)
жирные кислоты и поддерживают пищевой и энер-
гетический баланс, образуя лептин, продукт гена
ожирения. С помощью других регуляторных моле-
кул адипоцит может также влиять на гомеостаз
глюкозы.
Одной из первых в процессе дифференцировки
адипоцитов экспрессируется у-изоформа ядерного
рецептора, активируемого пероксисомным проли-
фератором (PPAR; ) PPARy входит в семейство
рецепторов тиреоидных и ретиноидных гормонов.
Как и другие члены этого семейства, PPARy содер-
жит центральный ДНК-связывающий домен, кото-
рый соединяется с элементами гормонального от-
вета, расположенными в промоторной зоне гена
PPAR. Выяснена нуклеотидная последователь-
ность элементов PPAR ответа (PPRE). Для свя-
зывания с PPRE рецептор PPARy должен образо-
вать гетеродимер с рецептором ретиноевой кислоты.
При избыточной выработке PPARy в фиброб-
ластах запускается каскад реакций, приводящий
к дифференцировке фибробластов в адипоциты.
Это означает, что PPARy играет основную роль
в регуляции энергетического и жирового обмена.
Было обнаружено, что эндогенным лигандом
PPARy служит метаболит арахидоновой кислоты
простаноидного пути, простагландин J2 (PGJ2).
Этот простагландин активирует PPARy-зависимый
адипогенез и, таким образом, представляет собой
первичный адипогенный сигнал. Поиск естествен-
ного лиганда для PPAR-рецептора показал, что
производные PGJ2 — это уникальные простагланди-
ны, взаимодействующие непосредственно с ядер-
ным рецептором без помощи вторичных мессенд-
жеров.
Сигнализация с участием
поверхностных рецепторов клетки
Рецепторы ионных каналов
Найденные во всех клетках ионные каналы —
это интегральные мембранные белки, которые ре-
гулируют прохождение специфических ионов че-
рез мембрану. Поры ионных каналов очень узкие,
поэтому проходящие по ним ионы сбрасывают гид-
ратную оболочку. Поры ионного канала служат
молекулярным ситом. После сбрасывания гидрат-
ной оболочки ион образует слабые электростати-
ческие связи с полярными аминокислотами, кото-
рые расположены вдоль стенки канала. Так как по-
теря ионом молекул воды энергетически невыгод-
на, ион переходит по каналу, только если эти
электростатические взаимодействия компенсиру-
ют потерю воды. Потеря водной оболочки и элек-
тростатические взаимодействия с порой длятся
всего лишь несколько микросекунд во время пере-
хода иона. Через узкий канал, сформированный
канальным рецептором в бислое, могут проходить
только ионы определенного размера. Наиболее
часто в эукариотических клетках встречаются ка-
налы для Na+, Са2+ (рис. 9-10), К+, СГ.
202
Глава 9
Конформации ионных каналов:
регуляторные механизмы
Все известные ионные каналы могут находиться
в двух конформационных состояниях:
1. канал открыт и ионы перемещаются по гра-
диенту концентрации;
2. канал закрыт и не пропускает ионы.
При таком способе перехода канала из одного
состояния в другое регуляция осуществляется
по воротному механизму. Молекулярный ворот-
ный механизм, по-видимому, заключается в зна-
чительных изменениях общей конформации ка-
нального белка. В результате этого процесса
формируется канал для прохождения ионов в
клетку и из клетки.
Регуляция конформационного состояния ионно-
го рецептора осуществляется различными способа-
ми. Некоторые каналы открываются в ответ на
связывание химических лигандов со специфиче-
скими доменами этих каналов. Например, ней-
ротрансмиттеры и гормоны присоединяются к
внеклеточным участкам каналов, а вторичные
мессенджеры, активируемые трансмиттерами, взаи-
модействуют с цитоплазматическими участками ка-
налов. Некоторые каналы активируются изменени-
ем мембранного потенциала, тогда как другие — ме-
ханическим растяжением мембраны (рис. 9-11).
Рис. 9-10. Общие особенности ионных каналов. Показана структура двух ионных каналов клеток млекопитающих
(Ма+-канал из мозга крысы и Са2+-канал из скелетной мышцы кролика). Обратите внимание, что оба мембран нм
белка состоят из четырех субъединиц (I-IV), каждая из которых включает шесть а-спиральных доменов, пронижи
вающих клеточную мембрану. Кроме того, N- и С-концы обоих каналов находятся в цитоплазме. (Воспроизведено и
Hall ZW. An Introduction to Molecular Neurobiology. Sinauer, 1992.)
Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации
203
Активность разных каналов может изменяться
под воздействием различных факторов: (1) метабо-
лических реакций и фосфорилирования, (2) эффек-
тов токсинов и лекарственных веществ. Некоторые
иммунные заболевания, такие как злокачественная
миастения, возникают в результате выработки
специфических антител против канальных белков.
Детальное изучение структуры и функции различ-
ных канальных белков помогает разрабатывать но-
вые терапевтические подходы к лечению некото-
рых неврологических и психических заболеваний,
связанных с нарушением функционирования ион-
ных каналов.
Рецепторы, сопряженные
с G-белком
Семейство рецепторов, связанных
с G-белками
Основная структура рецепторов, связанных с
G-белками, описана в главе 2. Напомним, что
N-концевой участок находится на наружной сторо-
не клеточной мембраны, полипептид семь раз про-
шивает мембрану, цитоплазматический домен со-
держит участки связывания G-белка. Существуют
сотни различных форм G-белковых рецепторов,
а химическое разнообразие их лигандов чрезвы-
чайно велико (таблица 9-2). Высокоспецифичные
рецепторы этого семейства реагируют на:
• небольшие молекулы, такие как катехолами-
ны, пептиды и хемокины;
• высокомолекулярные соединения, такие как
гликопротеиновые гормоны;
• тромбин:
• световые импульсы:
• летучие пахучие вещества.
Хотя общее строение G-белков одинаково, выяв-
лены важные различия:
(1) различное расположение этих белков в ли-
пидном бислое;
(2) различия пространственной структуры ре-
цепторов, что объясняет наличие различных
участков связывания и специфичность этих
молекул.
Рис. 9-12 иллюстрирует некоторые структурные
различия рецепторов, сцепленных с G-белком,
и объясняет широкую лигандную специфичность
белков этого класса.
поверхность
Б. Управляемый фосфорилированием
В. Управляемый электрически
Рис. 9-11. Ионные каналы. Выделяют четыре типа ион-
ных каналов в зависимости от стимула, регулирующего
их открытие и закрытие. (А) Кальциевые каналы отно-
сятся к каналам, управляемым лигандом. Ионный канал
открывается благодаря энергии связывания с лигандом.
(Б) В каналах, управляемых фосфорилированием, от-
крытие происходит благодаря присоединению к ним вы-
сокоэнергетического фосфата. (В) Каналы, управляемые
электрически, открываются при изменении мембранного
электрического потенциала. (Г) Механически управляе-
мые каналы открываются в ответ на растяжение или дав-
ление на мембрану клетки и цитоскелет. (Воспроизведе-
но с разрешения из: Kandel ER et al. Essentials of Neural
Science and Behavior. Appleton & Lange, 1995, p. 127.)
204
Глава 9
Таблица 9-2. Примеры G-белков и их физиологических эффектов
Стимул Тип клетки Клетки печени Адипоциты Фолликулы яичников 1 G-белок । Эффектор I Эффект
|| || Адреналин, глюкагон { Адреналин, глюкагон [лютеинизирующий j гормон Gs Аденилатциклаза Gs ' Аденилатциклаза Gs Аденилатциклаза । Расщепление гликогена Расщепление жиров [ Усиление синтеза эстро- гена и прогестерона
| Антидиуретический гормон Клетки почек 1 Gs , Аденилатциклаза Задержка воды почками ; |
Ацетилхолин || Энкефалины, эндор- 11 фины, опиоиды Клетки сердечной I Gj Калиевый канал Брадикардия и снижение мышцы | । насосной силы Нейроны головного 1 Gj /Go Кальциевые и калиевые Изменение электрической мозга ка на л ы, аденилатциклаза ; активности нейронов
Ангиотензин Гладкомышечные клет- ! Gq ; Фосфолипаза С Мышечное сокращение; ки кровеносных сосудов повышение артериально- 1 1 го давления
1 _ । Пахучие вещества Нейроэпителиальные ' клетки носа Goif Аденилатциклаза Распознавание запаха । j
1 Свет Палочки и колбочки । сетчатки ; Gt cGMP-фосфодиэстераза j — > GPA1 ; Неизвестен ] Распознавание зритель- ных сигналов _____
Феромон Пекарские дрожжи Стыковка клеток
Воспроизведено с разрешения из: Linder М, Gilman AG. G Proteins. Sci Am 1992;267:56.
А. Свет
Д. Тромбин
А и Г. Катехол- Б. Пептиды, В. Гликопро- Г. Глутамат,
амины, другие хемокины теиновые гор- Са2+
низкомолекуляр- моны
ные лиганды
Рис. 9-12. Различные способы распознавания лигандов рецепторами, сопряженными с G-белками. Для каждой
из шести моделей распознавания приведены примеры соответствующих лигандов. На первом слева рис. схематиче
ски изображена молекула родопсина, рецептора, реагирующего на свет. Остальные пять моделей показывают связы-
вание лиганда с различными участками рецептора: с впутримембранпыми доменами (А, Г); с наружной поверхностью
рецептора (Б); с большим внешним N-концевым доменом (В): с небольшим участком внешнего N-концевого домена
(Г), и с новым N-концевым доменом, сформированным при расщеплении исходной последовательности (Д)
(Воспроизведено с изменениями с разрешения из: Coughlin SR. Expanding horizons for receptors coupled to G proteins
diversity and disease. Curr Opin Cell Biol 1994;6:195.)
G-белки: связь с клиникой
Нарушение функционирования рецепторов,
связанных с G-белком, может вызывать различные
заболевания человека (таблица 9-3). Мутации,
приводящие к потере функции, — это рецессивные
признаки, которые фенотипически проявляются
у гомозиготных организмов. Кроме этого, обнару-
жены некоторые соматические мутации, вызы-
вающие активацию этих рецепторов. Например, т
результате недавних исследований было доказано
существование токсических аденом щитовидной
железы, обусловленных соматическими мутация-
ми рецепторов ТТГ.
Молекулярн ые механи змы передачи с и гнал а: ос но вные пути м ежклеточ ной сигнализации ____205
Таблица 9-3. Примеры заболеваний человека, связанных с G-белками Заболевание Дефектный рецептор G-белка Семейная гипокальциурическая гиперкальциемия Человеческий аналог BoPCaR! Дефектный G-белок
Неонатальный тяжелый гиперпаратиреоз । Человеческий аналог BoPCaRI (гомозиготный) Гипертиреоз (аденомы щитовидной же л езы) Тиреотропиновый рецептор — — —
Раннее половое созревание Рецептор лютеинизирующего гор- । мона Х-связанный нефрогенный несахарный диабет Рецептор вазопрессина V2 Пигментозный ретинит Родопсиновый рецептор -
Цветовая слепота, нарушения цветового восприятия ! Колбочкоый олеиновый (иодопси- ' новый) рецептор
Семейная глюкокортикоидная недостаточность, изо- Рецептор адренокортикотропного ! лированная глюкокортикоидная недостаточность гормона Наследственная остеодистрофия Олбрайта и псевдо- ; гипопаратиреоз ' _ Gas
Синдром МакКьюна-Олбрайта . GaS
Опухоли гипофиза (gsp онкоген) . .. .. GaS
Опухоли гипофиза, щитовидной железы, коры надпо- чечников и яичников (gip онкоген) ; Ga|
Воспроизведено с изменениями с разрешения из Clapham DE: Mutations in G protein-linked receptors: novel
insights on disease. Cell 1993;75:1237
Основной механизм сигнального действия
G-белков. G-белок состоит из трех полипептидов:
а-субъединица. соединена с молекулой GTP и гид-
ролизует ее, р- и v-субъединицы образуют димер,
плотно соединенный нековалентными связями.
При соединении а-субъединицы с молекулой GDP
и с Ру-субъединицами образуется неактивный три-
мер, который прикрепляется к С-концевому участ-
ку рецептора. Связывание лиганда с этим рецепто-
ром приводит к изменению конформации цито-
плазматического домена рецептора. Конформация
а-субъединицы также изменяется, при этом ее
сродство к GDP снижается, и GDP отщепляется от
активного участка а-субъединицы.
GTP быстро связывается с активным участком,
поскольку его внутриклеточная концентрация
приблизительно в 10 раз превышает концентрацию
GDP. После связывания GTP а-субъединица при-
нимает активную конформацию и отщепляется как
от рецептора, так и от ру-субъединицы. GTP-свя-
занная а-субъединица активирует различные эф-
фекторные молекулы (например, аденилатциклазу,
образующую сАМР). а-субъединица остается в ак-
тивном состоянии до тех пор, пока входящая в ее
состав СТРаза не гидролизует GTP до GDP. Сразу
после гидролиза GTP а- и ру-субъединицы вновь
соединяются и возвращаются к рецептору. Основ-
ные этапы этого процесса представлены на
рис. 9-13.
Раньше считалось, что только а-субъединица
G-белка взаимодействует с эффектором, а Ру-ком-
плекс либо совсем не участвует в этом процессе,
либо действует как отрицательный регулятор.
Сейчас известно, что Ру-субъединица также может
активировать эффекторные молекулы (например,
мускариновые К+-каналы). Таким образом, и а-субъ-
единица, и ру-комплекс участвуют в регуляции
клеточного ответа.
Эффекторные молекулы, взаимодействую-
щие с G-белками. G-белки играют ключевую
роль в активации каскада эффекторных молекул.
К основным эффекторным молекулам, контроли-
руемым G-белками, относятся:
• аденилатциклаза
• фосфолипаза С (PLC)
• фосфолипаза А2 (PLA2)
• фосфоинозитид-3-киназа (Р13-киназа)
• киназа p-адренорецептора (pARK)
Хотя в регуляции участвуют и а-субъединица,
и ру-комплекс, механизм регуляции специфичен
для каждого эффектора. Например, существуют
несколько различных форм аденилатциклазы.
Каждая форма этой эффекторной молекулы акти-
вируется различными субъединицами G-белка: ли-
бо а, либо ру, либо обеими субъединицами.
206
Глава 9
Связывание с лигандом изменяет конформа-
цию рецептора таким образом, что участок
связывания Gs-белка открывается
Диффундируя в бислое, Gs-белок связывается
с лиганд-рецепторным комплексом, при этом
активируется обмен GDP на GTP
Лиганд
Аденилатциклаза
Внеклеточная поверхность
Плазматическая мембрана
Цитоплазматическая поверхность
Замена GDP на GTP вызывает отделение
а-субъединицы от Gs-комплекса, открывая на
ней участок связывания для аденилатциклазы
а-субъединица активирует циклазу для синте-
за большого количества молекул сАМР
Гидролиз GTP вызывает отделение а-субъеди-
ницы от циклазы (что делает ее неактивной) и
воссоединение с ру-комплексом. Таким обра-
зом а-субъединица возвращается к исходному
состоянию
Активация циклазы повторяется при связыва-
нии новой молекулы лиганда
Рис. 9-13. Сигнальный механизм G-белка. (Детали уточняются в тексте) (Воспроизведено с изменениями с разреше-
ния авторов из: Alberts В et al. Molecular Biology of the Cell, 3rd ed. Garland, 1989. Воспроизведено с изменениями
с разрешения авторов из: Kandel ER et al. Essentials of Neural Science and Behavior. Appleton & Lange, 1995, p. 248.)
Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации
207
1. Семейство а-субъединиц G-белков
Ранее мы исходили из того, что все G-белки
имеют одинаковую а-субъединицу. Однако это не
так. Фактически, существует около 20 различных
форм а-субъединиц, которые сгруппированы в че-
тыре класса на основе сходства их аминокислот-
ной последовательности. Большинство форм
а-субъединиц присутствуют во всех клетках орга-
низма, связанных с G-белками; однако в клетках
органов чувств, зрения, вкуса и обоняния обнару-
жены уникальные а-субъединицы.
1. Gas. Эта молекула активирует аденилатцик-
лазу.
2. Gai. Эта субъединица ингибирует аденилат-
циклазу.
3. Ga0. Эта субъединица опосредует закрытие
Са2+-каналов и ингибирует метаболизм фос-
фоинозитола (PI)
4. Gay. Эта субъединица расположена на поверх-
ностных сегментах фоторецепторных палочек
и стимулирует фосфодиэстеразу. Другие спе-
циализированные a-субъединицы органов
чувств обозначаются как a-olf для обонятель-
ного и a-gust для вкусового анализатора.
Кроме этого, еще несколько a-субъединиц обна-
ружено в нервных клетках.
Известно также, что существуют различные
изоформы Ру-субъединиц, выполняющие различ-
ные регуляторные функциям и имеющие различные
эффекторные молекулы. Ру-комплекс выполняет
три функции:
Таблица 9-4. Липидные связи белков
(1) увеличивает сродство a-субъединицы к GDP;
(2) активирует р-семейство фосфолипаз С;
(3) модулирует роль a-субъединиц в регуляции
аденилатциклазы.
Неудивительно, что различные формы а-субъ-
единиц по-разному действуют на эффекторные мо-
лекулы. Более того, оказалось, что эффекты неко-
торых бактериальных токсинов связаны с модифи-
кациями а-субъединиц G-белков.
Как G-белки прикрепляются к клеточной
мембране
G-белки не относятся к классическим мембран-
ным белкам, скорее они «привязаны» к цитоплаз-
матической поверхности мембраны с помощью
одного из четырех типов липидных связей, как по-
казано в таблице 9-4.
у-субъединица тримерного G-белка содержит
миристиновую кислоту, связанную амидной свя-
зью с N-концом, а также пальмитоил, присоединен-
ный тиоэфирной связью, a-субъединица содержит
геранилгеранилизопреноид, присоединенный тио-
эфирной связью. Карбоксильный конец а-субъеди-
ницы метилирован. Связь с внутренней поверхно-
стью мембраны позволяет G-белкам располагать-
ся близко к их рецепторам, а во многих случаях
и к эффекторным молекулам, встроенным в мем-
брану (таблица 9-4).
2. Эффекторные механизмы G-белков
Существует по крайней мере четыре сигналь-
ных механизма, связанных с процессом активации
Липид Структура Примеры модифицированных белков Модифицируемый участок
N-Миристоил 0 H Тримерные G-белки (a) NRTK МНг-конец
S-Пальми- тоил (S-ацил) 0 S-Cys Тримерные G-белки (а) GPCR Ras j Внутренние участки; нет оп- ределенных участков
;S-пренил S-Cys Геранилгеранил s-Cys Фарнезил Тримерные G-белки (у) Небольшие G-белки Сетчаточный GRK СООН-конец
GPI Сложная структура, содержа- щая этаноламин, сахара и фосфатидилинозитол Многие белки клеточной поверхно- сти СООН-конец
Воспроизведено с разрешения из: Casey PJ. Lipid modifications of G proteins. Curr Opin Cell Biol 1994;6:219
208
Глава 9
G-белков. Все эти механизмы обсуждаются ниже.
Одна сигнальная молекула может запускать не-
сколько различных механизмов передачи сигнала
и вызывать множество метаболических ответов
одновременно.
Роль аденилатциклазы, сАМР и Са2+
Фермент аденилатциклаза катализирует образо-
вание молекулы вторичного мессенджера сАМР.
Аденилатциклаза — это крупный (молекулярная
масса 120 000) белок с двумя трансмембранными
участками, каждый из которых состоит из шести
доменов (рис. 9-14). Восемь изоформ фермента де-
лятся на две группы: (1) активируемые при уча-
стии кальций-связывающего белка кальмодулина
и (2) без его участия. Аденилатциклаза присутст-
вует во всех клетках, но характер экспрессии этого
белка значительно варьирует, что объясняет специ-
фическую активность отдельных клеток.
Gas-белок активирует аденилатциклазу, которая
катализирует синтез сАМР. Предполагается, что
ру-субъединицы могут усиливать стимулирующее
действие Gas-субъединицы на определенные изо-
формы аденилатциклазы. Изменение конформаци-
онного состояния рецептора после связывании
лиганда передается на G-белок, в результате чего
изменяется связывание Gas-субъединицы с GDP и
с другими субъединицами. При связывании Gas-
субъединицы с аденилатциклазой исходный сиг-
нал усиливается в 1000 раз путем образования
вторичного мессенджера сАМР. Прекращение сиг-
нала обеспечивается тремя событиями:
(1) когда СТРаза Gas-субъединицы превращает
GTP в GDP, Gas-субъединица отделяется от
фермента (аденилатциклазы);
(2) молекулы сАМР активируют фермент фос-
фодиэстеразу, который гидролизует сАМР до
5’АМР и снижает внутриклеточную концен-
трацию вторичного мессенджера;
(3) при отделении Са-субъединицы от ру-субъе-
диницы рецептор теряет сродство к лиганду.
Таким образом, для функционирования такой
сигнальной системы необходим механизм пере-
ключения сигнала и наличие агонистов, стимули-
рующих ответ (рис. 9-15).
Различные изоформы a-субъединицы вызывают
различные физиологические эффекты. Например,
в адипоцитах адреналин и глюкагон активируют
аденилатциклазу через Gas, а простагландин Ei ин-
гибирует аденилатциклазу. Простагландин Ei свя-
зывается с G-белком, в состав которого входит
Gaj-субъединица. Эта изоформа тоже присоединя-
ет GTP и связывается с аденилатциклазой, однако
ингибирует, а не активирует синтез сАМР.
Два бактериальных токсина поражают клетки
путем взаимодействия с G-белками. Токсин, секре-
тируемый холерным вибрионом, катализирует
ADP-рибозилирование Са5-субъединицы. Такая
модификация ингибирует СТРазную активность
этой субъединицы. Следовательно, Gas не гидролизу-
ет GTP и постоянно стимулирует аденилатциклазу.
Огромное количество образующихся молекул
сАМР превышает возможности ингибитора сАМР,
фосфодиэстеразы, восстановить нормальный
Активаторный рецептор
Ингибиторный рецептор
Аденилатциклаза
Цитоплазма
АТР гАМР . 5’АМР
I
Протеинкиназа А
I
Фосфопротеины
I
Физиологические эффекты
Рис. 9-14. Структура аденилатциклазы; активация и ингибирование системы сАМР. Взаимодействие аденилатцикла-
зы с активаторным комплексом рецепторы-белок приводит к образованию сАМР и последующим физиологическим
эффектам. Взаимодействие этого же фермента с ингибиторным комплексом рецептор-Сгбелок приводит к образова-
нию 5’-АМР. В этом случае физиологический эффект отсутствует. (С изменениями с разрешения из: Ganong WF
Review of Medical Physiology, 17th ed. Appleton & Lange, 1995, p. 39.)
Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации
209
уровень сАМР. Холерный токсин поражает клетки
кишечного эпителия. Повышение уровня сАМР
приводит к нарушению электролитного баланса
в этих клетках и вызывает диарею.
Коклюшный токсин также поражает G-белки,
однако в данном случае происходит ADP-рибози-
лирование и ингибирование Ga-субъединицы.
GDP остается связанным с субъединицей, и адени-
латциклаза не ингибируется должным образом.
Поскольку Gai принимает участие в процессе акти-
вации К+ каналов, эти каналы тоже ингибируются.
Нарушение механизма работы G-белков явля-
ется причиной многих заболеваний человека
(см. таблицу 9-3).
сАМР и протеинкиназа А
сАМР регулирует различные функции клетки
путем активации или ингибирования специфиче-
ских клеточных белков. Изменяя активность спе-
цифических белков посредством сАМР-зависи-
мой протеинкиназы А (РКА), сАМР может также
изменять экспрессию различных генов. Некоторые
особенности РКА заслуживают особого внимания.
Этот фермент состоит из четырех полипептидов,
двух регуляторных и двух каталитических, удер-
живаемых вместе нековалентными связями; в этой
конформации комплекс неактивен. При увеличе-
нии концентрации сАМР в цитоплазме две моле-
кулы сАМР соединяются с регуляторными субъ-
единицами, изменяя конформацию комплекса.
При этом две каталитические субъединицы отде-
ляются от комплекса и могут фосфорилировать
субстрат.
На N-концах каталитических субъединиц распо-
ложены участки связывания АТР. Эти субъедини-
цы переносят концевую фосфатную группу АТР на
специфические сериновые и треониновые остатки
акцепторных белков. Фосфорилирование этих
белков регулирует их активность. Выявлена значи-
тельная гомология аминокислотной последова-
тельности каталитических доменов РКА и эука-
риотических протеинкиназ.
Рецептор Эффектор
1. В состоянии покоя G-белок, со-
стоящий из а-, р- и у-субъеди-
ниц, связан с гуанозиндифосфа-
2. При связывании с гормоном или
другим первичным мессенджером
рецептор вызывает в молекуле
G-белка замену GDP на GTP, кото-
рый активирует G-белок.
том (GDP) и не соприкасается с
рецептором.
4. Через несколько секунд а-субъе
диница превращает GTP в GDP и
самоинактивируется. а-субъедини-
ца вновь соединяется с комплек-
Рис. 9-15. G-белки как переключатели эффекторных молекул. Схематично изображен цикл из четырех этапов:
(1) связывание с первичным мессенджером, (2) передача через G-белок, (3) активация эффектора, (4) восстановле-
ние комплекса G-белка и инактивация эффектора. (Воспроизведено с разрешения из: Linder М, Gliman AG..
G Proteins. Sci AM 1992:56)
3. Затем G-белок распадается, а
a-субъединица диффундирует
вдоль мембраны и связывается с
эффектором, активируя его. Таким
образом происходит включение.
210
Глава 9
Протеинкиназа А
Многие каскадные процессы передачи сигнала
начинаются с того, что сАМР активирует протеин-
киназу А. Активированная РКА запускает следую-
щие процессы:
(1) метаболические реакции;
(2) транскрипцию;
(3) активацию ферментных систем, которые от-
щепляют фосфаты от протеинкиназы А, по
механизму отрицательной обратной связи.
Метаболические процессы,
регулируемые протеинкиназой А
Глюкоза запасается в форме гликогена в мышеч-
ных и печеночных клетках. Гликоген образуется
в результате трех ферментативных реакций:
(1) гексокиназа присоединяет фосфат к шестому
атому глюкозы;
(2) фосфоглюкомутаза превращает глюко-
зо-6-фосфат в глюкозо-1-фосфат;
(3) пирофосфорилаза и уридинтрифосфат фор-
мируют уридиндифосфоглюкозу (UDP-глю-
козу), необходимую для образования глико-
генового полимера.
На завершающем этапе гликогенсинтетаза
использует UDP-глюкозу для образования глико-
генового полимера.
Мышечные клетки постоянно синтезируют гли-
коген, поскольку он обеспечивает источник энер-
гии, которая быстро высвобождается в случае не-
обходимости. Как обсуждалось выше, адреналин
стимулирует протеинкиназу А через G-белковый
механизм. Протеинкиназа А активирует распад
гликогена путем фосфорилирования киназы гли-
когенфосфорилазы, активирующей гликогенфос-
форилазу.
Протеинкиназа А*
Киназа фосфорилазы
-> Киназа фосфорилазы
Гликогенфосфорилаза
> Г ликогенфосфорилаза
> Г люкозо-1 -фосфат
Гликоген
Гликолиз
> АТР (энергия)
Хотя этот метаболический путь известен уже не-
сколько десятилетий, связь между адреналином
и активацией протеинкиназы А G-белком была об-
наружена совсем недавно. Здесь мы должны под-
черкнуть, что РКА участвует также в регуляции
многих других метаболических процессов.
Процессы транскрипции, регулируемые
РКА: сАМР контролирует различные гены
Почти во всех генах имеется регуляторная или
промоторная зона. Этот участок содержит после
довательности ДНК, связывающиеся со специфи-
ческими белками, и участвует в транскрипции гена
Специфическая последовательность нуклеотидов
к которой прикрепляются белки, называется чув-
ствительным элементом. После активации проте-
инкиназы А циклическим АМР некоторые из акти-
вированных субъединиц переносятся в ядро, гд-
они фосфорилируют специфические белки: белка
связывающиеся с сАМР-чувствительным элемен-
том (CREB). Активированная РКА фосфорилир.
ет сериновый остаток (Serl33) CREB-белка, чт
приводит к активации генов, содержащих этот чув-
ствительный элемент в зоне промотор^
CREB-белки могут также активироваться при уве-
личении концентрации ионов Са2+. В результате
повышения концентрации кальция в цитозоле
активируется кальций-кальмодулинкиназа, кото-
рая фосфорилирует Ser 133.
Роль протеинфосфатаз в передаче сигнала
Протеинфосфатазы удаляют фосфатные группы
присоединенные протеинкиназами. Уровень про-
цессов фосфорилирования в клетке зависит от ба-
ланса между активными киназами и фосфатазами
Фосфатазы обычно более специфичны по сравне-
нию с киназами. Существует два основных типа
фосфатаз:
(1) отщепляющие фосфатные группы от остат-
ков серина и треонина (серин-треонинфос-
фатазы);
(2) отщепляющие фосфатные группы от остат-
ков тирозина (тирозинфосфатазы).
Идентифицированы четыре типа серин-трео-
нинфосфатаз: I, ПА, ПВ, ПС. Они отличаются друг
от друга лишь регуляторными субъединицами
(каталитические субъединицы одинаковы).
• Фосфатаза I инактивирует многие фермен-
ты, стимулируемые протеинкиназой А, вклю-
чая белки CREB.
• Фосфатаза ПА снимает фосфорилирование
катализируемое серин-треонинкиназами; эт<
важно для процессов регуляции клеточного
цикла.
• Фосфатаза ПВ, называемая также кальцинев-
рином, широко распространена в головном
мозге и активируется свободным кальцием.
• Фосфатаза ПС отличается от других типов
по структуре; специфически связываете?:
Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации
211
с ферментами, регулирующими метаболизм
холестерола.
Показано, что фосфатазы почти не изменились
в процессе эволюции. Это означает, что данные фер-
менты выполняют жизненно необходимую функ-
цию во всех эукариотических клетках. Например,
фосфорилированные остатки серина и треонина
составляют более 97% фосфатов, связанных с бел-
ками активированных клеток.
При втором типе фосфорилирования для пере-
дачи сигнала внутрь клетки используются опреде-
ленные тирозиновые остатки белков-мишеней.
Детали этого каскадного механизма обсуждаются
в главе 10. Здесь же необходимо отметить, что ти-
розинфосфатазы составляют более крупное семей-
ство ферментов по сравнению с серин-треонинфос-
фатазами.
Мобилизация вторичного
мессенджера: кальций
Концентрация кальция в цитоплазме поддержи-
вается на низком уровне, 10”7 моль/л. При повы-
шении концентрации Са’ запускается множество
ферментативных процессов, что доказывает роль
кальция как вторичного мессенджера. Для выпол-
нения этой функции в клетке должна поддержи-
ваться постоянная концентрация кальция.
В процессе эволюции выработались различные
механизмы, поддерживающие концентрацию Са2+
внутри клетки на более низком уровне, чем во
внеклеточной среде. На плазматической мембране,
а также на мембране эндоплазматического ретику-
лума и митохондрий имеются АТР-зависимые
кальциевые каналы, активно удаляющие свобод-
ный кальций из цитозоля во внеклеточную среду
или в полость этих органелл. Любой приток каль-
ция из внутриклеточных депо или из внеклеточной
среды обычно быстро ликвидируется. В эндоплаз-
матическом ретикулуме имеются особые каль-
ций-связывающие белки. Эти белки связывают
большое количество кальция с низким сродством.
Поэтому в полости ЭПР свободный кальций нахо-
дится в слабо связанном состоянии.
Выявлены и хорошо изучены два сигнальных
механизма с участием кальция. Один из них функ-
ционирует в нервных клетках. Деполяризация
нервного волокна вызывает приток ионов Са2+ в
нервное окончание, что приводит к высвобожде-
нию нейротрансмиттера. Са2+ поступает в клетку
через потенциалозависимые каналы, которые
открываются в ответ на деполяризацию плазма-
тической мембраны. Второй сигнальный меха-
низм с участием Са2+ обнаружен во всех клетках
и запускается при связывании лиганда с рецепто-
рами, расположенными на плазматической мем-
бране. В данном случае Са2+ поступает в цитозоль
из эндоплазматического ретикулума под действи-
ем другого вторичного мессенджера, инозитолтри-
фосфата.
Протеинкиназа С и клеточная
сигнализация
Роль мембранного фосфоинозитола
Фосфатидилинозитол — малораспространен-
ный липид, встречающийся преимущественно во
внутреннем слое плазматической мембраны
(см. главу 2). Этот фосфолипид участвует в пере-
даче сигнала, поступающего от рецепторов клеточ-
ной мембраны, и является субстратом для фосфо-
липазы С (PLC). Существует множество изоформ
фосфолипазы С. Как обсуждалось выше, PLC-p от-
щепляет головную группу от ацильных цепей фос-
фатидилинозитола.
Большинство клеток реагирует на активацию
поверхностных рецепторов гидролизом инозитол-
фосфолипидов. При этом образуются два хорошо
изученных вторичных мессенджера: инозитолтри-
фосфат и диацилглицерол (см. рис. 9-3). Образова-
ние производных мембраносвязанных фосфоино-
зитолов показано на рис. 9-3. Каждый фермент за-
мещает гидроксильную группу инозитольного
кольца на фосфатную. Этот фосфорилированный
продукт является важным компонентом различных
сигнальных механизмов. Инозитолфосфатный ме-
ханизм очень сложен и включает несколько недав-
но открытых ферментов. Инозитол-содержащие
липиды делятся на три основных типа:
(1) фосфатидилинозитол (PI) 80%
(2) фосфатидилинозитол-4-фосфат (PIP) 15%
(3) фосфатидилинозитол-4, 5-бисфосфат (PIP2) 5%.
Инозитолфосфолипиды гидролизуются фосфо-
липазами типа С. Выявлено три семейства фосфо-
липаз С: р, у и 8. Отдельные подтипы фосфолипаз
внутри каждого семейства обозначаются арабски-
ми цифрами, например фосфолипаза С-Pi (PLC-Pi)
и фосфолипаза С-Р2 (PLC-p2).
Механизмы активации PLC-p и PLC-y различа-
ются. PLC-p регулируется G-белками, в то время
как PLC-y регулируется тирозинкиназами. В акти-
вации фермента PLC-p участвуют Ga-подтипы, из-
вестные также как Gq (Gaq). Белок Gq активируется
при связывании агонистов (ацетилхолина, гистами-
на, адреналина, 5-гидрокситриптамина, тромбокса-
на и глутамата) с соответствующими рецепторами
212
Глава 9
и в свою очередь активирует PLC-J3, которая рас-
щепляет фосфоинозитолдифосфат на инозитол-
трифосфат и диацилглицерол. Хотя Gctq-подтип
встречается в большинстве клеток, концентрация
этого белка выше всего в клетках головного мозга.
Фосфолипаза С-у активируется факторами рос-
та, например, эпидермальным фактором роста.
При связывании этих лигандов с их рецепторами
происходит фосфорилирование тирозиновых ос-
татков, расположенных в цитоплазматических до-
менах рецепторов. Этот процесс также приводит
к образованию инозитолтрифосфата, диацилглице-
рола и других важных вторичных мессенджеров.
Фосфоинозитол-З-киназа и PLC-y связываются
с цитоплазматическими доменами многих рецеп-
торов, относящихся к семейству тирозинкиназ.
Таким образом, тирозинкиназы стимулируют ката-
литическую активность этих ферментов. Два меха-
низма, регулирующие образование 1Рз и DAG,
представлены на рисунках 9-3 и 9-4.
Роль 1Р3 в клеточной сигнализации. Инози-
толтрифосфат действует как лиганд, активирую-
щий кальциевые каналы эндоплазматического
ретикулума. В клетках мышечной ткани гладкий
эндоплазматический ретикулум называется сар-
коплазматическим ретикулумом, а кальциевые
каналы — рианодиновыми каналами. Оказалось,
что эти каналы одинаковы для всех типов клеток;
1Р3 соединяется с белком канала, открывает его
и ионы Са2+ выходят в цитозоль по градиенту кон-
центрации. В этих каналах также существуют каль-
ций-связывающие белки, таким образом, выход
ионов Са2+ способствует открытию дополнитель-
ных ионных каналов. Это происходит в течение
1-2 секунд и сопровождается увеличением прито-
ка кальция в цитозоль.
Этот процесс включает следующие основные
этапы.
• Лиганд активирует G-белок.
• Gaa активирует PLC-В, которая отщепляет
1Рз ОТ Р1Р2.
• IP3 связывается с Са2+ и открывает мембран-
ные каналы.
• Са2+ выходит из гладкого ЭР в цитозоль.
• 1Р3 дефосфорилируется цитоплазматически-
ми фосфатазами и отсоединяется от ионных
каналов.
• Каналы закрываются.
• Ионы Са2+ удаляются из цитозоля с помощью
ATP-зависимых ионных насосов.
Р1Р2 и актин-связывающие G-белки. Рецеп-
торно-опосредованный гидролиз Р1Р2 часто сопро-
вождается увеличением клеточной подвижности
и изменениями цитоскелета, что обусловлено из-
менениями физических свойств актиновых сетей.
Свойства этих сетей зависят от длины и концен-
трации актиновых филаментов, количества и гео-
метрии поперечных связей между ними. Образование
филаментов регулируется актин-связывающими
G-белками. Во многих случаях взаимодействия
между сетевыми белками и актином изменяются
молекулами, участвующими в процессе внутри-
клеточной сигнализации, включая ионы кальция
и Р1Р2. К актин-связывающим G-белкам, взаимо-
действующим с Р1Р2, относят:
• профилин, белок разделяющий актиновые
мономеры;
• G-белки, разрывающие актиновые филамен-
ты, гельзолин, виллин, северин, ад северин
дестрин и кофилин;
• белок gCap39, блокирующий концы актино-
вых филаментов;
• a-актинин, белок, сшивающий актиновые фи-
ламенты.
Взаимодействие актин-связывающих белков с
Р1Р2 обычно усиливает полимеризацию актина, в
то время как их взаимодействие с ионами Са2
обычно усиливает деполимеризацию. Снижение
концентрации Р1Р2, сопряженное с увеличением
концентрации Са2+, приводит, таким образом, к де-
полимеризации филаментов. То есть изменение
клеточной подвижности и формы контролируется
в частности, изменением концентрации Р1Р2 и Са2*
Другие функции Са2+ как вторичного мессенджера
обсуждаются в других разделах этой главы.
Роль DAG в клеточной сигнализации. Одн\
из цепей диацилглицерола составляет радикал по-
линенасыщенной С-20 жирной кислоты арахидо-
нат, соединенный эфирной связью с глицеролом
Арахидонат отщепляется от DAG фосфолипазой
А2 и служит источником образования различных
простагландинов и эйкозаноидов. DAG также вы
полняет роль одного из важнейших вторичных
мессенджеров, который активирует РКС. Сочета-
ние DAG и этого киназного белка взаимно усили-
вает их активность.
DAG играет важную роль в активации связан
ной с мембраной протеинкиназы — РКС. DAG ак-
тивирует РКС кратковременно, так как период еп
полужизни очень невелик (несколько секунд)
Активация этого фермента на более длительный
срок происходит за счет других липаз, активиро-
ванных агонистами. Однако DAG рассматривается
как важнейший ингибитор такой активации РКС
Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации
213
Роль РКС в клеточной сигнализации
Протеинкиназа С, известная также как С-кина-
за, — это белок с молекулярной массой 65-78 кДа.
Семейство РКС включает множество различаю-
щихся по размеру изоформ этого фермента. Регуля-
торные домены РКС располагаются ближе к N-koh-
цу молекулы. Каталитический (киназный) домен
находится в той же части белка, а АТР-связываю-
щий локус — вблизи каталитического участка.
Для полной активации РКС требуется присутст-
вие ионов Са2+, DAG и связь с фосфолипидами
внутренней поверхности плазматической мем-
браны, преимущественно с фосфатидилсерином.
В неактивном состоянии протеинкиназа С раство-
рена в цитозоле. Цитозольная концентрация
кальция повышается после активации кальциевых
каналов инозитолтрифосфатом. При повышении
концентрации кальция РКС переносится к плаз-
матической мембране. Фермент встраивается
в мембрану и удерживается в ней за счет ион-
ных взаимодействий с отрицательно заряжен-
ным фосфолипидом — фосфатидилсерином.
Связь с мембраной облегчает работу протеинки-
назы С. Кальций-связывающие домены РКС
обеспечивают изменение конформации молекулы
и увеличение ее каталитической активности. РКС
фосфорилирует специфические остатки серина
и треонина в молекулах-мишенях. При гидролизе
DAG или при снижении внутриклеточной концен-
трации ионов кальция РКС инактивируется.
Физиологические функции РКС
Существует, по крайней мере, 10 подтипов РКС,
различающихся по субстратной специфичности,
внутриклеточной локализации, распределению
в тканях, скорости инактивации и потребности
в кальции. Кроме того, в одной клетке могут при-
сутствовать различные типы протеинкиназы С.
Например, РКС-у, обнаруженная только в клетках
головного и спинного мозга, по-видимому, участ-
вует в специфических нейрональных процессах.
РКС участвует в ряде жизненно важных клеточ-
ных процессов: клеточном делении, секреции, эк-
зоцитозе, переносе ионов, сокращении гладкой
мускулатуры и экспрессии генов.
Особенный интерес представляет роль РКС в ре-
гуляции экспрессии генов. РКС активирует одну
из важнейших цитозольных киназ — киназу мито-
ген-активируемого белка. Эта киназа запускает
каскадный механизм, приводящий к фосфорили-
рованию ядерного фактора транскрипции Elk-1.
Связывание этого фактора с так называемым сы-
вороточным чувствительным элементом приводит
к увеличению транскрипции генов, кодирующих
белки клеточной репликации. Протеинкиназа С
запускает также второй механизм регуляции ген-
ной экспрессии — высвобождение цитоплазмати-
ческого фактора транскрипции NFkB, который
активируется в результате его отделения от инак-
тивирующего комплекса IkB (см. главу 10).
Внутриклеточные кальциевые
каналы
Как было показано выше, ионы Са2+ играют
ключевую роль в регуляции внутриклеточных
механизмов передачи сигнала. При использовании
специальных красителей было показано, что повы-
шение концентрации Са2+ происходит внезапно
в отдельных участках клетки (так называемые
всплески кальция), и затем волнообразно распро-
страняется по всей цитоплазме. Клетки использу-
ют для генерации сигнала два источника:
(1) высвобождение Са2+ из внутренних депо;
(2) приток Са2+ через плазматическую мембрану.
Выход ионов кальция из внутренних депо кон-
тролируется двумя типами каналов: рианодиновы-
ми рецепторами и 1Р3 рецепторами. Существуют
различные изоформы этих каналов, но все они
функционируют сходным образом. Результаты
многочисленных исследований свидетельствуют
о том, что каналы регулируются изменением кон-
центрации ионов кальция. При снижении концен-
трации внеклеточного Са2+ усиливается его вы-
ход из внутриклеточных депо, а при увеличении
концентрации внеклеточного кальция высво-
бождение из внутриклеточных депо блокируются.
За быстрым и резким выходом кальция, называе-
мым кальциевым всплеском, следует его волнооб-
разное распределение по всей клетке. Высвобожде-
ние и обратный захват ионов Са2+ — это очень
сложный механизм, понимание которого дает до-
полнительную информацию о пространствен-
но-временных характеристиках внутриклеточного
сигнала.
Функции кальция как вторичного мессенджера
заключаются в следующем.
1. Са2+ напрямую связывается с различными
эффекторными молекулами, например с РКС.
2. Са2+соединяется с неактивными цитоплазма-
тическими модуляторами эффекторных мо-
лекул и активирует их.
214
Глава 9
Кальмодулин: самый
распространенный
кальций-связывающий белок
Присутствующий во всех клетках кальмоду-
лин — это небольшой белок (14 кДа), который
содержит четыре участка для присоединения каль-
ция. Он выполняет множество эффекторных функ-
ций. Уникальная особенность этого белка состоит
в его способности значительно изменять конфор-
мацию при соединении с Са2+. Са2+-кальмодулино-
вый комплекс участвует в регуляции многих
ферментов, таких как Са2+-активируемые насосы,
удаляющие свободный кальций из цитозоля.
Кроме того, этот комплекс принимает участие
в процессах фосфорилирования; молекулы ком-
плекса служат кофактором для активации так на-
зываемых кальций-кальмодулин-зависимых киназ
(СаМ-киназ) (рис. 9-5), которые фосфорилируют
остатки серина и треонина на специфических
белках.
Одна из наиболее хорошо описанных киназ -
СаМ-киназа II. Она составляет приблизительно
2% общей массы белка в клетках головного мозга
млекопитающих и, по-видимому, существует во
всех животных клетках. Эта киназа сконцентриро-
вана в синапсах и, возможно, играет роль молеку-
лы памяти, которая включается при стимуляции
кальцием и кальмодулином, и поддерживает био-
молекулярный сигнал даже после прекращения
кальциевой стимуляции. При активации Са2+ каль-
модулином эти киназы самофосфорилируются
и фосфорилируют другие белки. Благодаря само-
фосфорилированию этот фермент остается актив-
ным после снижения концентрации кальция, что
обеспечивает удлинение сигнального эффекта
Сигнал выключается когда самофосфорилирова-
ние ингибируется другими киназами.
Молекулярные принципы передачи сигнала в сенсорных клетках
В органах чувств млекопитающих имеются осо-
бые клетки:
• зрительные клетки — фоторецепторы
• обонятельные нейроны
• вкусовые рецепторы языка для восприятия
соленого, сладкого, кислого и горького вкуса
• механорецепторы, обеспечивающие тактиль-
ную чувствительность.
Большинство чувствительных клеток — это эпи-
телиальные клетки, соединенные с нейронами, пере-
дающими сигналы в головной мозг. Обонятельные
клетки представляют собой модифицированные
нейроны. В механорецепторах, чувствительных
к растяжению и прикосновению, а также во вкусо-
вых клетках рецепторную функцию выполняют
белки натриевых каналов, локализованные в мем-
бране клеток. Передача сигнала происходит во вре-
мя открытия канала, когда ионы натрия входят
в клетку и вызывают ее деполяризацию.
Фоторецепторные клетки и обонятельные нейро-
ны воспринимают сигналы рецепторами, семикрат-
но пронизывающими мембрану и сопряженными
с G-белками.
Молекулярный механизм зрения
Фоторецепторная сигнальная система:
палочки
Сетчатка человека содержит два типа фоторецеп-
торных клеток: палочки и колбочки. Палочки сти-
мулируются при слабой освещенности (рис. 9-16)
а колбочки при ярком свете.
Наружный сегмент фоторецептора содержит
множество дисков — мембранных складок, покры-
тых молекулами рецепторного белка родопсина.
Во внеклеточном домене олеинового белка имеется
гидрофобный карман для связывания светочувст-
вительного пигмента, 11-цис-ретиналя. Это единст-
венный стереоизомер витамина А, который связывает-
ся с опсиновым белком. Сразу после присоединения
11-цмс-ретиналя к олеиновому белку рецептор мо-
жет активироваться световым фотоном. Пигмент
(11-цмс-ретиналь) поглощает фотон и превращается
в полный тпранс-ретиналь; это приводит к отделе-
нию пигмента от рецептора, опсина (см. рис. 9-18)
В результате этого процесса активируется специ-
фический G-белок. Родопсиновые рецепторы мем-
бранных складок находятся в непосредственной
близости от белков Na+ каналов.
В состоянии покоя палочки деполяризованы
Низкий потенциал покоя обеспечивается тем, что
Na+ каналы постоянно находятся в открытом со-
стоянии и Na+ относительно свободно проникает
внутрь клетки. При таких условиях фоторецептор
Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации
215
Наружный
сегмент
Внутренний «
сегмент
Синаптическое
окончание
4MMU
jjjg- Цитоплазма
Палочка
Плазмати-
- ческая
мембрана
Ресничка
Митохондрии
Ядро
Колбочка
Наружный
сегмент
* Внутренний
сегмент
Синаптическое
। окончание
Складки наруж-
ной клеточной
мембраны
Палочка
Свободно плавающие
диски
Складки
наружной ч
клеточной
мембраны
Соедини- „ ,
тельная Колбочка
ресничка
А, Морфология фоторецепторов
Б. Наружные сегменты фоторецепторов
Рис. 9-16. Структура фоторецепторных клеток. (А) Название клеток соответствует их форме. Они имеют сходное
строение и состоят из синаптического окончания, наружного и внутреннего сегментов. Наружный сегмент содержит
фоторецепторный аппарат — мембранные диски. (Б) Диски образованы за счет инвагинаций плазматической мембра-
ны. Однако в палочках складки отделены от мембраны, представляя собой свободно плавающие диски. В колбочках
диски связаны с плазматической мембраной. (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Kandel ER et al.
Essentials of Neural Science and Behavior. Appleton & Lange, 1995, p. 411.)
Наружный сегмент Зрительный пиг- G-белок cGMP-фосфо-
мембраны мент (родопсин) (трансдуцин) диэстераза
Рис. 9-17. Перенос сигнала в палочках. Перенос фотона ведет к закрытию ионных каналов. В состоянии покоя кана-
лы поддерживаются за счет внутриклеточной cGMP в открытом состоянии, и ионы Na+ свободно поступают в клетку.
Световой стимул приводит к закрытию ионных каналов, которое осуществляется в три этапа. Сначала свет поглоща-
ется ретиналем, входящим в состав молекулы родопсина. Затем активированная форма родопсина взаимодействует
с G-белком трансдуцином, активируя cGMP-фосфодиэстеразу. Внутриклеточная концентрация cGMP снижается
благодаря превращению cGMP в 5’-GMP. На третьем этапе снижение cGMP вызывает закрытие cGMP-зависимых
каналов, что приводит к уменьшению притока Na+ и гиперполяризации мембраны, обеспечивая тем самым нейро-
нальную реакцию на световой сигнал. (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Kandel ER et al.
Essentials of Neural Science and Behavior. Appleton & Lange, 1995, p. 412.)
также секретирует нейротрансмиттеры и поддер-
живает биполярную клетку в постоянном возбуж-
дении (рис. 9-17).
Родопсиновый комплекс. Когда родопсино-
вый комплекс поглощает фотон света в диапазоне
длин волн 400-600 нм, происходит изомеризация
11-цйс-ретиналя в полный тпуэанс-ретиналь, кото-
рый отделяется от олеинового белка (рис. 9-18).
Эта конформационная перестройка пигмента акти-
вирует олеиновый белок, который использует
216
Глава 9
Наружный сегмент
Зрительный пигмент
11-цис-ретиналь
A NH2
Рис. 9-18. Родопсин и ретиналь. (А) Родопсин, состоящий из белка опсина и фоторецепторной молекулы ретиналя,
локализован на мембране дисков в клетках палочек. (Б) Изменение конформации молекулы ретиналя в ответ на све-
товой стимул — это первый этап в процессе передачи сигнала. (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов
из: Kandel ER et al. Essentials of Neural Science and Behavior. Appleton & Lange, 1995, p. 413.)
энергию протона для активации тримерного
G-белка, связанного с внутренней поверхностью
рецептора. В данном случае рецептор активируется
при удалении лиганда (поглощающего свет пиг-
мента). Это сильно отличает опсиновый рецептор
от других рецепторов, сопряженных с G-белками,
которые активируются при связывании агониста.
Первой была идентифицирована Ga-субъедини-
ца фоторецептора, названная трансдуцином (или
Gay). Как и в других G-белковых сигнальных сис-
темах, Gay-субъединица отделяется от (Зу-субъеди-
ницы и активирует связанную с мембраной моле-
кулу эффектора.
В палочках натриевые каналы активируются
cGMP, синтез которого катализируется гуанилат-
циклазой. В состоянии покоя Na+ каналы открыты.
Для поддержания белков канала в открытом со-
стоянии необходима высокая концентрация cGMP,
три молекулы на рецептор. При световой активации
GaT отделяется от рецептора и активирует cGMP-
фосфодиэстеразу, гидролизующую cGMP до GMP,
что приводит к закрытию натриевых каналов.
cGMP-фосфодиэстераза неактивна до тех пор.
пока она связана с ингибитороной субъединицей.
ay-субъединица G-белка связывается с фосфодиэ-
стеразой и отщепляет ингибиторную субъединицу,
обеспечивая тем самым быстрый гидролиз cGMP.
Как и в других Ga-субъединицах, связанная GTP
быстро гидролизуется до GDP, что вызывает отще-
пление Gay от диэстеразы и обратное связывание
Молекулярные механизмы передачи сигнала: основные пути межклеточной сигнализации
217
с Ру-субъединицей. Далее cGMP-фосфодиэстераза
становится неактивной, уровень cGMP повышается,
натриевые каналы открываются, и ll-^wc-изомер
соединяется с молекулой опсина.
Фоторецепторная сигнальная система:
колбочки
Функция палочек подавляется ярким светом,
а колбочки не реагируют на слабое освещение.
При переходе из света в темноту необходим крат-
кий период зрительной адаптации. Открытие мо-
лекулярных процессов преобразования световой
энергии в химическую — одно из самых значитель-
ных достижений последнего десятилетия. Биохи-
мическая адаптация к источнику света происходит
по механизму отрицательной обратной связи.
Ферментативная активность гуанилатциклазы сти-
мулируется ионами С;г': в состоянии покоя кон-
центрация Слг' достаточно высока для того, чтобы
поддерживать образование cGMP. Этот цикличе-
ский нуклеотид контролирует натриевые и кальцие-
вые каналы, открывающиеся в ответ на повышение
концентрации cGMP. Снижение внутриклеточной
концентрации Са_ активирует кальций-чувстви-
тельные белки, связывающиеся с гуанилатцикла-
зой. Вслед за этим включается другой механизм,
модулирующий чувствительность палочек к свету:
опсинкиназа, присутствующая в цитоплазме пало-
чек, фосфорилирует цитоплазматическую поверх-
ность опсинового рецептора в нескольких местах.
Потенциально могут фосфорилироваться семь
сериновых и треониновых остатков, и чем больше
Библиография
Baldwin JM: Structure and function of receptors coupled to
G proteins. Curr Opin Cell Biol 1994;6:180.
Beato M et al: Steroid hormone receptors: many actors in
search of a plot. Cell 1995:83:851.
Bootman MD, Berridge MJ: The elemental principles of cal-
cium signaling. Ceil 1995:83:675.
Bourne HR: GTPases: a turn-on and a surprise. Nature
1993;366:628.
Clapham DE: Calcium signaling. Cell 1995:80:259.
Divecha N, Irvine RF: Phospholipid signaling. Cell 1995;
80:269.
Felder CG: Muscarinic acetylcholine receptors: signal trans-
duction through multiple effectors. FASEB J 1995; 9:619.
Forman BM et al: 15-Deoxy-12-14-prostaglandin J2 is a
ligand for the adipocyte determination factor PPAR
gamma. Cell 1995,83:803.
Goetzl EJ et al: Specificity of expression and effects of
eicosanoid mediators in normal physiology and human
diseases. FASEB J 1995;9:1051.
их подвергнется фосфорилированию, тем меньше
способность рецептора активировать Сат-субъеди-
ницу. При интенсивном освещении опсин макси-
мально фосфорилирован; чем больше сила света,
тем больше опсина фосфорилируется. При переме-
щении в темное помещении опсин дефосфорили-
руется, и меньший световой сигнал может активи-
ровать клетку.
Молекулярные механизмы
обоняния
Установлено, что человек может различать
10 000 различных запахов. Обонятельные рецепто-
ры — это измененные нейроны, а не специализиро-
ванные эпителиальные клетки. Предполагается,
что для каждого пахучего вещества есть свой ней-
рон.
Обонятельные нейроны имеют специализиро-
ванные реснички, содержащие обонятельный ре-
цептор, связанный с G-белком. Предполагается,
что для каждого запаха есть свой рецептор, хотя
это еще не доказано. Сигнальные процессы обо-
няния включают растворение пахучей молекулы
в секрете, покрывающем поверхность обонятельно-
го эпителия. Применение технологии клонирова-
ния позволило выявить несколько сотен различ-
ных генов обонятельных рецепторов. Обонятель-
ные нейроны живут обычно около месяца, после
чего замещаются; эти клетки относятся к очень
редкому типу делящихся нейронов.
Henry Y et al: EPR characterization of molecular targets for
NO in mammalian cells and organelles. FASEB J 1993;
7:1124.
Lambright DG et al: The 2.0 A crystal structure of a hetero-
trimeric G protein. Nature 1996:379:311.
Mangelsdorf DJ, Evans RM: The RXR heterodimers and or-
phan receptors. Cell 1995;83:841.
Mangelsdorf DJ et al: The nuclear receptor superfamily: the
second decade. Cell 1995;83:835.
Marietta MA: Nitric oxide synthase: aspects concerning
structure and catalysis. Cell 1994;78:927.
Neer EJ: Heterotrimeric G proteins: organizers of trans-
membrane signals. Cell 1995;80:249.
Schmidt H, Walter U: NO at work. Cell 1994;78:919.
Strader CD et al: Structure and function of G protein-cou-
pled receptors. Annu Rev Biochem 1994;63:101.
Taussig R, Gilman AG: Mammalian membrane-bound ade-
nylyl cyclases. J Biol Chem 1995;270:l.
Waterman MR: Biochemical diversity of cAMP-dependent
transcription of steroid hydroxylase genes in the adrenal
cortex. J Biol Chem 1994;269:27783.
Механизмы передачи сигнала: 10
фермент-связывающие
и фермент-содержащие
рецепторы
Основные термины
Тирозинкиназный домен
Внеклеточный домен
Трансмембранный домен
Цитоплазматический домен
Рецепторные тирозинкиназы (RPTKs)
RPTK-рецепторы
Лиганды RPTK
RPTK сигнализация
Промежуточные белки
Ras-механизм
Митогенактивирующий белковый (МАР)
механизм
Src-семейство
Тирозинфосфатазы (PTPs)
Рецепторы, содержащие киназы
Рецепторы без тирознкиназной активности
Плейотропия
Дублирование
Цитокиновый сигнальный механизм
Интерфероны
Интерлейкины
Трансформирующий фактор роста-p (TGF-P)
Тирозинкиназный каскад
В предыдущей главе мы обсудили ядерные ре-
цепторы, рецепторы ионных каналов и большую
группу рецепторов, семикратно пронизывающих
мембрану и передающих сигнал путем активации
тримерных G-белков. В этой главе мы рассмотрим
еще четыре типа поверхностных рецепторов и их
сигнальные механизмы:
(1) рецепторы, которые содержат в своей поли-
пептидной цепи тирозинкиназный домен,
т. е. фактически являются тирозинкиназами
(например рецепторы к факторам роста);
(2) рецепторы, активируемые специфическими
цитоплазматическими тирозинкиназами
(например рецепторы интерлейкинов);
(3) рецепторы, содержащие в своей структуре
серин-треонинкиназный домен (например
семейство трансформирующих факторов рос-
та р [TGF-p]);
(4) интегриновые рецепторы.
Первые два типа охватывают большее число
рецепторов, чем последние два, поэтому их сиг-
нальные механизмы будут рассмотрены более под-
робно. Рецепторы обоих типов активируются при
фосфорилировании определенных остатков тиро-
зина, входящего в состав цитоплазматического до-
мена рецептора.
Информационные сигналы, возникающие при
активации этих рецепторов, участвуют в механиз-
мах пролиферации или дифференцировки клеток.
Лиганды таких рецепторов относятся к группе
факторов роста, а сами рецепторы называются
рецепторами факторов роста. Обычно эти рецеп-
торы стимулируют клеточный рост, однако при оп-
ределенных условиях они могут подавлять клеточ-
ный рост или регулировать основные функции
клетки, практически не влияя на пролиферацию.
Так, в группу цитокинов входит множество моле-
кул, которые не являются факторами роста.
Наибольшую группу составляют рецепторы, со-
держащие в своей цитоплазматической части ки-
назный домен. Они называются рецепторными ти-
розинкиназами (receptor protein-tyrosine kinases,
RPTKs). Рецепторы второй группы, рассматривае-
мые позже в этой главе, не содержат киназных до-
менов. Важно запомнить, что лиганды (факторы
роста, гормоны, интерлейкины и т.д.), участвую-
щие во всех сигнальных механизмах, являются
исключительно «переносчиками информации»
и после связывания с рецептором не выполняют
каких-либо других функций. Собственно клеточ-
ный ответ, как и наше обсуждение, начинается
с рецепторов.
Механизмы передачи сигнала: фермент-связывающие и фермент-содержащие рецепторы
219
Рецепторные тирозинкиназы
Основная структура
RPTK-рецепторов
В отличие от рецепторов, семикратно пронизы-
вающих мембрану, полипептиды RPTK-рецепторов
пронизывают мембрану только один раз. Кроме то-
го, они относятся к I типу рецепторов, т.к. N-конец
белковой молекулы ориентирован наружу клетки.
Наружный домен
У рецепторов этого класса обычно имеется
крупный наружный домен, расположенный на по-
верхности клетки. В наружном домене RPTK-ре-
цепторов имеются структурные особенности, ха-
рактерные для белков других типов. Например,
многие RPTK-рецепторы содержат следующие
участки аминокислотной последовательности:
• иммуноглобулиноподобные последователь-
ности (Ig-подобные домены);
• домены фибронектина III, богатые цистином;
• домены, богатые лейцином;
• домены эпидермального фактора роста (EGF-
подобные домены).
Функциональное значение этих участков неиз-
вестно. Предполагают, что они участвуют в связы-
вании различных лигандов. Помимо различных
«узнающих» последовательностей, большинство на-
ружных доменов этих рецепторов имеют как N-, так
и О-связанные углеводные группы (рис. 10-1).
CZZZZZZZZZZJ
gszszras
qqmj Повтор последователь-
ности фибронектина III
Каталитический домен
Дискоидин 1-подобный
домен
Участки, богатые цистеи-
ном
[]Блок кислых остатков
—ЗЕОГ-подобный домен
lg-подобный домен С^—^Кадгериновый домен
Участки, богатые лей- _
вином Knngle-домен
Рис. 10-1. Примеры различных рецепторных тирозинкиназ (RPTK). Все рецепторы этого типа содержат цитоплазма-
тический киназный домен. Во внеклеточных доменах имеются аминокислотные последовательности, найденные также
в нерецепторных белках. Функция этих участков неизвестна. (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из:
Geer Р. et al. Receptor protein tyrosine kinases and their signal transduction pathways. Annu Rev Cell Biol 1994; 10:254.)
220
Глава 10
Трансмембранный домен
У всех рецепторов этот домен состоит из 20-24
аминокислот с основными группами, которые дей-
ствуют как сигнал остановки переноса, удержи-
вающий белок в липидном бислое.
Цитоплазматический домен
Цитоплазматический домен большинства RPTK
содержит от 250 до 400 аминокислотных остатков.
Киназный домен включает около 250 остатков
и расположен в центре цитоплазматического доме-
на. Прилегающие к нему аминокислотные остатки
могут служить «знаками препинания» или выпол-
нять другие некаталитические функции. Каталити-
ческие домены RPTK-рецепторов характеризуются
высокой степенью гомологии аминокислотных по-
следовательностей.
Семейство рецепторных тирозинкиназ
Белки этой группы эволюционно тесно связаны
между собой. На рис. 10-2 представлен молеку-
лярный филогенез 52 различных RPTKa3.
Схема построена на основе сходства аминокислот-
ных последовательностей каталитических доменов
и показывает, что различные виды рецепторов
можно объединить в одни и те же группы.
Лиганды ЛРТКаз
При исследовании различных типов клеток, рас-
тущих в культуре ткани, было показано, что
РРТКазы взаимодействуют с полипептидными ли-
гандами, специфически влияющими на рост клеток
(пролиферацию). Одним из первых был обнару-
жен эпидермальный фактор роста (EGF), дейст-
вующий на эпителиальные клетки, выделенные из
слюнных желез мыши. Тромбоцитарные факторы
роста (PDGF) были идентифицированы как ком-
поненты плазмы, присутствующие в сыворотке, но
отсутствующие в несвернувшейся крови. Позднее
было показано, что его высвобождение происходит
при активации тромбоцитов во время тромбообра-
зования. Фактор роста нервов (NGF) и фактор
роста фибробластов (FGF) стимулируют рост
соответствующих типов клеток. После выделения
и очистки специфического фактора роста необхо-
димо определить его структурные особенности
и механизмы передачи информации в клетку.
Идентифицирована большая группа рецепторов,
связывающих факторы роста. В настоящее время
известно, что существуют различные типы лиган-
дов, или сигнальных молекул, которые на основе
их аминокислотных последовательностей можно
объединить в семейства (табл. 10-1).
Рис. 10-2. Молекулярный филогенез семейства RPTKa3. При изучении аминокислотных последовательностей ки-
назных доменов у 52 рецепторов этой группы была выявлена значительная степень гомологии. Наибольшее сходство
отмечено у рецепторов, имеющих одинаковые лиганды. (Сокращения: EGFR — рецептор эпидермального фактора
роста; FGFR — рецептор фактора роста фибробластов; PDGF — фактор роста тромбоцитов; INSR — инсулиновый
рецептор.) (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Geer Р. et al. Receptor protein tyrosine kinases
and their signal transduction pathways. Annu Rev Cell Biol 1994; 10:258.)
Механизмы передачи сигнала: фермент-связывающие и фермент-содержащие рецепторы
221
Таблица 10-1. Семейства сигнальных цитокинов
Факторы роста
Семейство тромбоцитарных факторов роста (PDGF) !
PDGF А
PDGF В
VEGF
! PLGF
CSF-1
SCF (стабильный фактор)
Семейство факторов роста фибробластов (FGF)
aFGF J
pFGF
int 2
K-FGF
FGF-5
GFG-6
KGF
FGF-8
FGF-9
Семейство инсулинов
Инсулин
Инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1) •
Инсулиноподобный фактор роста-2 (IGF-2)
Семейство эпидермальных факторов роста (EGF)
Фактор роста опухолей a
Семейство факторов роста нервов (NGF)
NGF
BDNF
NT-3, 4, 5
Семейство факторов роста гепатоцитов (HGF)
Интерфероны
Интерферон a
Интерферон [3
Интерферон
< Интерлейкины
Интерлейкин 1—17
; Фактор некроза опухолей (TNF) :
TNFa |
TNFp i
; Колониестимулирующие факторы (CSF)
Гранулоцитколониестимулирующий фактор (G-CSF)
‘ Моноцитколониестимулирующий фактор (M-CSF) ;
Гранулоцит-моноцитколониестимулирующий фактор !
(GM-CSF) I
Фактор роста о п ух о л е й-/? (TGF ft)
Механизмы передачи сигнала
РРТКазами
В предыдущей главе мы рассмотрели примеры
сигнальных систем, использующих рецепторы, се-
микратно пронизывающие мембрану и активирую-
щие тримерные G-белки. В таких сигнальных сис-
темах каскад реакций начинается с активации
а-субъединицы G-белка, которая затем активирует
эффекторные молекулы (такие как аденилатциклаза,
фосфолипаза С или протеинкиназа С, см. рис. 9-4).
Сигнал, воспринимаемый рецепторными тирозинки-
назами, также проходит хорошо изученные этапы.
1. Активируется киназный домен рецептора.
2. В результате фосфорилирования тирозино-
вых остатков в цитоплазматическом отделе
рецептора формируются участки связывания
для других субстратов.
3. Рецептор может фосфорилировать связываю-
щиеся с ним белки.
4. Активированный рецептор инициирует даль-
нейшую передачу или выключение сигнала.
Это типичный процесс активации RPTK. Пере-
дача молекулярного сигнала от лиганда к цито-
плазматическому участку рецептора происходит
путем димеризации (в некоторых случаях олиго-
меризации) рецепторного комплекса. При таком
межмолекулярном взаимодействии киназные до-
мены двух (или более) рецепторных субъединиц
соединяются, вызывая самофосфорилирование,
а зачастую и перекрестное фосфорилирование ос-
новных тирозиновых остатков. Такое фосфорили-
рование изменяет конформацию рецептора, что
обеспечивает стыковку цитоплазматических бел-
ков, содержащих специальные домены, с фосфори-
лированным тирозином рецептора. Во многих слу-
чаях после стыковки цитоплазматические белки
также фосфорилируются рецепторной киназой
или специальной цитоплазматической тирозинки-
назой. Эти фосфорилированные белки активируют
другие компоненты, принимающие участие в пер-
вом этапе сигнального процесса. Взаимодействие
RPTK-рецептора с лигандом, содержащим ЗН2-до-
мен, показано на рис. 10-3.
В результате мутаций генов, кодирующих цито-
плазматический домен, нарушается киназная ак-
тивность рецептора, формирование связывающих
участков или регуляция рецептора, что вызывает
аномальный клеточный ответ и приводит к забо-
леванию. Показано, что изменения одного ко-
дона достаточно, чтобы белок утратил способность
к инактивации. В результате происходит бескон-
трольный рост мутантных клеток. Многие онкоге-
ны (раковые гены) вызывают мутацию генов, коди-
рующих рецепторы факторов роста.
Передача сигнала от активированного
RPTK-рецептора
Основной механизм передачи сигнала от
RPTK-рецепторов вовлекает связанные с мембра-
ной Ras-белки (подробнее они описаны ниже).
Кроме Ras-белков, РРТКазы активируют другие
222
Глава 10
Рис. 10-3. Связывание цитоплазматических эффекторных молекул с активированным рецептором фактора роста.
Несколько эффекторных молекул связываются с фосфорилированными тирозинами на цитоплазматическом домене
рецептора. 5Н2-домены эффекторных молекул обеспечивают места стыковки с фосфорилированными остатками
тирозина (YP). (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Balcavage WX, King MW. Biochemistry:
Examination Board Review. Appleton & Lange, 1995, p. 361.)
молекулы-мишени (см. табл. 10-2) — ферменты,
промежуточные и структурные белки.
Таблица 10-2. Некоторые субстраты и мишени ти-
розинкиназных рецепторов
Ферменты
PLCy
RAS
Семейство Src-киназ
SH-PTPs (тирозинфосфатазы)
Р13-киназа '
Промежуточные белки
IRS-1
NCK
CRK
GRB-2
SHC
Структурные белки
Аннексины
Эзрин
Клатрин
Винкулин
Талин
Тензин
Пакс ил ин '
AFAP (белок, связывающий F-актин) |
SH2 и SH3 домены. Для того чтобы понять
значение фосфорилирования тирозиновых остат-
ков, необходимо установить физический механизм,
по которому фосфорилированные остатки «при-
тягивают» другие молекулы для взаимодействия
с рецептором. Объяснение механизма этого про-
цесса стало важным достижением, подтверждаю-
щим особое функциональное значение трехмерной
структуры белковых молекул.
Трехмерная структура растворимой цитоплазма-
тической тирозинкиназы, называемой Src, позво-
лила выявить субстрат-связывающий домен этого
белка, состоящий приблизительно из 100 аминокис-
лотных остатков. Очень похожий участок амино-
кислотной последовательности имеется во многих
белках, взаимодействующих с цитоплазматиче-
ским отделом RPTK-рецептора. Этот домен, на-
званный SH2 доменом (Src-homology 2), а также
другой домен, названный SH3 (около 60 аминокис-
лот), были изучены с помощью кристаллографи-
ческих методов. Показано, что они содержат «кар-
ман», к которому должен подходить фосфорили-
рованный остаток тирозина. Такой участок име-
ется практически у всех белков, связываю-
щих фосфорилированные тирозиновые остатки. SH2-
и 5НЗ-домены присутствуют в цитоплазматических
Механизмы передачи сигнала: фермент-связывающие и фермент-содержащие рецепторы
223
белках, которые участвуют в тирозинкиназной сиг-
нальной системе.
Промежуточные белки. Одно из первых
событий, происходящих в цитоплазме после акти-
вации RPTK-рецептора, — это связывание с рецеп-
тором особых промежуточных белков. Промежу-
точные молекулы обычно содержат один или более
8Н2-доменов и связываются с фосфотирозинами
цитоплазматического отдела рецептора. Эти моле-
кулы присоединяют другие цитоплазматические
белки к активированному рецептору. Одним из
первых был обнаружен промежуточный белок
Grb2 — белок массой 24 кДа, содержащий один
SH2- и два ЭНЗ-участка. Grb2 присоединяет к ре-
цептору белок, обменивающий нуклеотиды. Обра-
Рис. 10-4. Сигнальный механизм Ras-белка. Эта упро-
щенная модель изображает взаимодействие активиро-
ванного киназного домена рецептора с промежуточной
молекулой СгЬ2-белка, который затем присоединяет
и активирует SOS-белок, заменяющий связанный
с Ras-белком GDP на GTP. Эта замена запускает киназ-
ный каскад, регулирующий клеточное деление. (Воспро-
изведено с изменениями с разрешения авторов из:
Ganong WF. Review of Medical Physiology, 17th ed.
Appleton & Lange, 1995, p. 41.)
зовавшийся комплекс оказывает стимулирующее
влияние на Ras-белок (см. рис. 10-4), который за-
пускает другие сигнальные процессы, рассмотрен-
ные ниже.
К другому типу промежуточных белков отно-
сится инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1).
Он не содержит ни SH2- ни БНЗ-домены, но имеет
несколько реакционноспособных остатков тирози-
на, которые фосфорилируются при стимуляции ре-
цептора инсулином. Фосфорилированный тиро-
зин затем связывается с SH2-доменом ОгЬ2-белка
и этот комплекс активирует Ras-белок. Другой
промежуточный белок — NCK — обнаруживается
в большинстве клеток в период гистогенеза, орга-
ногенеза и органной дифференцировки. Он связы-
вается с рецепторами тромбоцитарного и эпидер-
мального факторов роста.
На рис. 10-5 изображен цитоплазматический до-
мен рецептора тромбоцитарного фактора роста
(PDGF-рецептор); показаны различные участки
связывания промежуточных молекул, а также уча-
стки, где к нему могут присоединяться другие ци-
топлазматические белки.
Сигнальный механизм Ras-белка. Основным
ферментом тирозинкиназного каскада является
Ras-белок — небольшая (21 кДа), связанная с мем-
браной СТРаза. Ras относится к группе мономер-
ных СТРаз, которые играют роль «молекулярных
преключателей». Ras особенно примечателен тем,
что он активирует молекулы, влияющие на клеточ-
ную пролиферацию (см. рис. 10-4).
Ras может находиться в активном состоянии,
контактируя с GTP, и в неактивном — контактируя
с GDP. Активация и инактивация Ras обеспечива-
ются двумя специфическими белками. Первый —
фактор, обменивающий гуаниннуклеотиды (guani-
nenucleotide exchange factor, GEF), вызывает заме-
ну GDP на GTP в Ras-белке, в результате чего
Ras-белок переходит из неактивного состояния
в активное. Затем Ras взаимодействует с белком,
повышающим СТРазную активность (GTPase-ac-
celerating protein, GAP), и инактивируется.
Примечательно, что между Ras и G а-субъедини-
цей G-белка имеется некоторое сходство. Они оба
содержат одинаковые аминокислотные последова-
тельности, расположенные около GTP-связывающе-
го участка, и нуждаются во взаимодействии с други-
ми белками для активации и высвобождения GTP.
GEF, активирующий Ras в тирозинкиназном сиг-
нальном каскаде, называется SOS-белком. Это на-
звание возникло, когда при исследовании развития
глаза у дрозофилы было установлено, что GEF не-
обходим для развития нервных клеток сетчатки.
Мутация, приводящая к дефициту этого фактора,
224
Глава 10
Рис. 10-5. Взаимодействие различных сигнальных молекул с фосфорилированными остатками тирозина, входящими
в состав PDGF-рецептора. PDGF-рецепторы содержат разделенные киназные участки. На рис. показано расположен
ние остатков фосфотирозина, с которыми связываются различные эффекторные молекулы. Src-белок связывается
с остатком фосфотирозина, расположенным недалеко от мембраны. Связывание и активация фосфолипазы С-
(PLC-y) происходит около С-конца рецептора. Линия на схематическом изображении каждой сигнальной молекулы
отделяет 5Н2-участок. (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Claesson-Welsh LJ. Platelet derived
growth receptor signals. J Biol Chem 1994; 269:32023.)
была названа son of sevenless, сокращенно SOS.
Этот белок активируется при связывании с проме-
жуточным СгЬ2-белком. В активном состоянии
SOS вызывает замену связанного с Ras-белком
GDP на GTP. Последний запускает киназный кас-
кад, изменяющий экспрессию генов, особенно сти-
мулирующих клеточное деление.
Этапы сигнального каскада, приводящие к акти-
вации Ras:
1. Фактор роста связывается с RPTK-рецептором.
2. Димеризация рецептора и самофосфорили-
рование рецепторных остатков тирозина.
3. 5Н2-домен СгЬ2-белка связывается с фосфо-
рилированным тирозином.
4. Связывание вызывает конформационные
изменения СгЬ2-белка и его ЗНЗ-участок
связывается с SOS.
5. SOS взаимодействует с мембраносвязанным
Ras-белком, превращая GDP в GTP и акти-
вируя таким образом Ras.
После активации Ras в процесс включается не-
сколько других внутриклеточных киназ, которые
рассматриваются в следующем параграфе.
Механизм действия МАР. Установлено, что
Ras инициирует серию реакций, в результате кото-
рых активируются другие внутриклеточные киназы,
вызывающие клеточное деление. Этот механизм,
называемый киназным митогенактивирующим
Механизмы передачи сигнала: фермент-связывающие и фермент-содержащие рецепторы
225
механизмом (mitogen-activated protein (MAP)
kinase pathway), действует в клетках всех организ-
мов, изученных до сих пор. Он активируется в пе-
риод развития, когда для формирования тканей
и роста органов необходимо интенсивное размно-
жение клеток, и инактивируется в полностью диф-
ференцированных неделящихся клетках. Однако
в тех случаях, когда необходимы новые клетки
(например при репарации тканей), киназный кас-
кад активируется вновь. Кроме того, многие типы
опухолей возникают в результате нарушения регу-
ляции этого механизма.
Первый белок, с которым взаимодействует акти-
вированный Ras, — это внутриклеточная серин-тре-
онинкиназа Raf-1. Эксперименты показали, что
Raf-1 является первым компонентом ферментного
каскада. Активированный Raf-1 связывает и активи-
рует другую внутриклеточную киназу, содержащую
каталитические домены для фосфорилирования ос-
татков тирозина, серина и треонина. Эта киназа по-
лучила название МЕК (MAP kinase/extracellular
signal-regulated kinase) или МАР2К (MAP kinase
kinase). Она может передавать сигнал, полученный
от рецептора, несколькими способами. Один из
них — активация киназ, контролирующих цикли-
ны, а также цпклинзависимых киназ (см. главу 6),
вызывающих деление клетки.
При изучении сложных взаимодействий моле-
кул в сигнальном каскаде MAP-механизма возни-
кают трудности, связанные с отсутствием единой
номенклатуры соединений. Мы попытались по
возможности упростить названия, однако при этом
мы пользовались различной терминологией. Raf-1
известен также как киназа киназы протеинкиназы,
активируемая митогеном, МАР киназа киназы ки-
назы или просто МАРЗК.
С активированным Ras-белком связывается NH-2
домен Raf-1-белка, после чего Raf-1 фосфорилирует
третью молекулу, участвующую в этом сигнальном
механизме — МАР2К. Белок МАР2К уникален в том
смысле у что он может самостоятельно фосфорили-
ровать регуляторные остатки треонина и тирозина
в своем субстрате. MAP-киназа (МАРК) является
основным элементом MAP-механизма. МАР2К фос-
форилирует два остатка в молекуле МАРК, сначала
тирозин-185, затем треонин-183. Как только остатки
тирозина и треонина фосфорилируются, МАР2К
инактивируется специфической фосфатазой.
МАРК-семейство включает три изоформы
(МАРК, Erk-1, Erk-2), которые могут активиро-
ваться в ответ на воздействие многих факторов
роста и митогенов. Во всех этих молекулах для
полной активации фермента необходимо фосфори-
лирование остатков тирозина и треонина. Активи-
рованная МАРК может фосфорилировать множе-
ство ядерных и цитоплазматических белков. К ним
относятся факторы транскрипции, регуляторные
белки цитоскелета и даже компоненты пускового
сигнального каскада (SOS, Raf-1 и даже сами
RPTK-рецепторы, связанные положительной об-
ратной связью с последующими компонентами
сигнальной системы).
Доказано, что сигнальный каскад, запущенный
фактором роста, является ведущим сигнальным
механизмом клетки. Более 50 известных онкогенов
кодируют белки, которые участвуют в каскадных
реакциях, стимулирующих клеточное деление.
Эти гомологи нормальных белков можно подраз-
делить на четыре большие группы:
• факторы роста
• рецепторы факторов роста
• белки, передающие сигнал, поступающий от
факторов роста
• факторы транскрипции.
Белки, передающие сигнал от факторов роста,
представляют особый интерес, так как некоторые
из них входят в состав МАРК каскада.
Таким образом, MAP-путь включает следую-
щие этапы.
1. Фактор роста связывается с соответствую-
щим рецептором. Это приводит к димериза-
ции рецептора и самофосфорилированию.
2. 5Н2-домен СгЬ2-белка соединяется с фосфо-
рилированными тирозинами.
3. БНЗ-домен связывается с SOS.
4. Комплекс Ras-Grb2-SOS взаимодействует
с Ras-GDP и SOS катализирует замену GDP
на GTP, приводящую к активации Ras.
5. Ras-GTP активирует Raf-1, соединяясь с его
МН2-доменом.
6. Активный Raf-1 взаимодействует с С-концом
МАР2К и активирует МАР2К.
7. Активированный МАР2К активирует МАР
и киназы, участвующие в других сигнальных
механизмах.
8. Активированный МАР фосфорилирует фак-
торы транскрипции, изменяя активность раз-
личных генов.
Src-семейство внутриклеточных
тирозинкиназ
85 лет назад Фрэнсис Пейтон Раус обнаружил
вирус, вызывающий рак у кур, названный вирусом
саркомы Рауса. После выделения и очистки виру-
са было доказано, что он вызывает опухолевую
трансформацию инфицированных куриных клеток
226
Глава 10
в культуре тканей in vitro. Другой, родственный,
вирус поражал куриные клетки, размножался в них,
но не вызывал опухолевой трансформации. Это ис-
следование показало, что вирус саркомы Рауса со-
держит онкоген, отсутствующий у «доброкачествен-
ного» вируса. Когда стало возможным сравнение
геномов различных вирусных штаммов, было пока-
зано, что вирус саркомы Рауса содержит дополни-
тельный ген, названный v-src (viral-sarcoma).
Позже было установлено, что когда ген v-src пере-
носится в нормальную клетку, происходит опухо-
левая трансформация этой клетки, т.е. v-src является
онкогеном.
Геном нормальной клетки содержит сходный
ген, названный c-src, кодирующий синтез тирозин-
киназы. Мутация в этом гене приводит к перерож-
дению нормальных клеток в опухолевые, поэтому
он является протоонкогеном. Считается, что v-src
ген возник в результате захвата вирусом c~src ДНК
клетки-хозяина. Через несколько поколений виру-
са произошла мутация этого гена, приведшая к ут-
рате нормального регуляторного участка гена.
Это была первая идентифицированная тирозин-
киназа, названная Src-киназой, в соответствии
с типом опухоли (саркома), которую она вызывает.
В настоящее время известно, что Src-киназа пред-
ставляет целое семейство внутриклеточных тирозин -
киназ (рис. 10-6). Известно девять киназ этого се-
мейства (Src, Fyn, Yes, Fgr, Lek, Yrc, Hck, Lyn, Blk).
Многие из них имеются только в гемопоэтических
клетках, однако Src, Fyn и Yes присутствуют и в дру-
гих типах клеток. Имеется значительная структур-
ная гомология между отдельными членами Src-ce-
мейства.
Примечательно, что белки Src-семейства могут
активироваться с помощью сигнальных механиз-
мов, запускаемых факторами роста. Например, ко-
гда PDGF стимулирует рецептор, один из фосфо-
рилированных остатков тирозина связывается
с 8Н2-доменом Src-белка. (Напомним, что тиро-
зинсвязывающий домен был впервые обнаружен
в Src-киназе и назван Src-гомологичным или
8Н2-участком.) Src-киназы активируются также
рецепторами, сопряженными с G-белками. Напри-
мер, тромбин, участвующий в свертывании крови
и действующий как фактор роста, имеет свои соб-
ственные рецепторы, связанные с G-белками, также
активирует Src-киназы в некоторых типах клеток.
Представители семейства Src участвуют в не-
скольких сигнальных механизмах, которые приводят
Рис. 10-6. Участие Src-киназ в клеточных сигнальных системах. Разные внешние сигналы активируют различные
Src-киназы. На нижней половине рисунка представлены разнообразные сигнальные механизмы или специфические
субстраты, активируемые Src-киназами. (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Erpel Т; Courtnei-
dge SA. Src family protein tyrosine kinases and cellular signal transduction pathways. Curr Opin Cell Biol 1995;7:176.)
Механизмы передачи сигнала: фермент-связывающие и фермент-содержащие рецепторы
227
к делению клеток, перестройке цитоскелета, обес-
печивают восстановление клеток при различных
стрессах (гипоксия и т.д.), реакцию на действие
раздражителей. Эти внутриклеточные киназы про-
являют себя в различных механизмах клеточного
ответа и, вероятно, являются основными регулято-
рами функции клетки. Нарушение регуляции этих
киназ приводит к бесконтрольной клеточной про-
лиферации и развитию опухолей.
Участие протеинфосфатаз
в передаче сигнала
Протеинфосфатазы делятся на две большие
группы: серин-треонинфосфатазы (protein serin-
threonine phosphatases, PSPs) и тирозинфосфатазы
(protein tyrosine phosphatases, PTPs). Существу-
ет около 1000 генов, кодирующих протеинфос-
фатазы (конечно, не все из них экспрессируются
в одной клетке). Внутриклеточная активность PSP
и РТР строго регулируется. Как было показано
в главе 6, PSPs делятся на 4 типа: PPI, РР2А,
РР2В и РР2С; многие из них содержат многочис-
ленные копии каталитических субъединиц. PSP
и РТР играют важную роль в жизнедеятельности
клетки. Это подтверждается тем, что они часто
служат мишенями вирусных и бактериальных ток-
синов, которые нарушают нормальное функциони-
рование клетки. Несколько бактериальных ток-
синов специфически ингибируют фосфатазную
активность. (Очищенные бактериальные токсины
используются для изучения специфических функ-
ций клеточных фосфатаз.)
Для нормальной работы сигнальных механизмов
необходимо согласованное действие тирозинкиназ
и тирозинфосфатаз. При активации RPTK тирози-
новые остатки остаются фосфорилированными
очень недолго. Если обработать клетку ингибитором
тирозинфосфатазы (например ванадатом натрия),
продолжительность сигнала значительно увеличит-
ся. Было установлено, что первая тирозинфосфатаза,
выделенная из человеческих тканей, полностью
гомологична поверхностному антигену лейкоцитов,
названному CD45. Это трансмембранный белок,
. Внеклеточ- ;
ные домены ‘
Фибронектин III
lg-подобный
Карбоангидразо-
подобный
Плазмати- \
ческая i
: мембрана ?
; Цитоплаз- :
j матические ;
домены
Каталитический
домен
rzzzzzzzzzzj
Рис. 10-7. Во многих клетках фосфатазы функционируют как рецепторы. Многие клетки содержат однопроходные
мембранные белки, в цитоплазматическом участке которых имеются фосфатазные домены. Практически все рецепто-
ры этого типа содержат два каталитических фосфатазных домена. (Воспроизведено с изменениями с разрешения
авторов из: Hunter Т et al. Receptor protein tyrosine kinases and phosphatases. Cold Spring Harbor Symp Quant Biol
1992; 57:25.)
228
Глава 10
содержащий каталитический фосфатазный домен,
необходимый для активации Т-лимфоцитов.
Идентифицированы и синтезированы две тиро-
зинфосфатазы, содержащие 8Н2-домены. SH-PTP1
связывается с остатками тирозина в цитоплазмати-
ческом участке рецепторов, связывающих факторы
роста (PDGF, EGF, IGF-1), и дефосфорилирует ти-
розиновые остатки, ослабляя тем самым сигнал, по-
ступающий от факторов роста. SH-PTP2 связывает-
ся с фосфотирозинами последующих субстратов
сигнального каскада. Понятно, что соотношение ме-
жду фосфорилированием и дефосфорилированием,
происходящим при передаче сигнала от факторов
роста, строго регулируется. На рис. 10-7 показано,
как некоторые тирозинфосфатазы и CD45 могут
выполнять функцию рецепторов.
Передача сигнала от тирозинкиназных рецепторов
В последние годы обнаружено много сигналь-
ных молекул, не относящихся к группе факторов
роста. В большинстве случаев эти небольшие рас-
творимые белки (10-30 кДа) участвуют в передаче
сигнала между клетками иммунной и гемопоэтиче-
ской систем, а также в передаче сигнала от клеток,
находящихся в очаге воспаления. Они участвуют
также в процессе формирования нервной ткани
и в эмбриональном развитии.
Рецепторы этой группы инициируют второй
сигнальный механизм с участием фосфорилиро-
ванных тирозиновых остатков. Как и RPTK-рецеп-
торы, они представляют собой монотопные мем-
бранные белки и активируются при связывании
лиганда с фосфорилированными тирозиновыми
остатками, расположенными в цитоплазматиче-
ской части рецептора. В отличие от RPTK-рецеп-
торов (в состав которых входит киназный уча-
сток), эти рецепторы фосфорилируются особыми
цитоплазматическими тирозинкиназами, называе-
мыми Janus kinases (JAKs). Семейство JAKs
включает четыре фермента: JAK1, JAK2, JAK3
и TYK2. Предполагается, что эти киназы располо-
жены на внутренней поверхности мембраны в не-
посредственной близости от рецепторов. JAKs фос-
форилируют определенные остатки тирозина как
на рецепторах, так и на сигнальных белках, связы-
вающихся с рецепторами.
Эти молекулы относятся к группе цитокинов
и могут быть разделены на следующие подгруппы.
1. Интерфероны (IFNs). Известно три типа:
IFNa, IFNp и IFNy. Каждый из них синтези-
руется в клетках различных типов и выпол-
няет независимые, но частично совпадающие
функции.
2. Интерлейкины (IL). Известно 17 различных
полипептидов (IL-1-IL-17). Эти молекулы
участвуют в передаче сигнала между клетками
иммунной системы (Т-лимфоцитами, В-лим-
фоцитами, NK-клетками, макрофагами).
3. Фактор некроза опухоли (TNF) участвует
во внутриклеточных процессах, сопровож-
дающих острое воспаление. TNF получил свое
название в связи со способностью убивать
определенные опухолевые клетки.
4. Колониестимулирующие факторы (CSFs)
названы так в связи со способностью стиму-
лировать дифференцировку и созревание лей-
коцитов in intro. Лейкоциты содержат грануло-
цит-колониестимулирующий фактор (G-CSF),
моноцит-колониестимулирующий фактор
(M-CSF) и гранулоцит-моноцит колониести-
мулирующий фактор (GM-CSF).
Подробное описание функций каждой из этих
молекул выходит за рамки нашего обсуждения.
В последующих разделах будут обсуждаться толь-
ко наиболее важные общие храрактеристики цито-
кинов.
Свойства нетирозинкиназных
рецепторов
Избыточность
Многие представители семейства цитокинов вы-
зывают одинаковый клеточный ответ, поэтому ци-
токины могут заменять друг друга. Избыточность
сигнальных систем необходима для поддержания
жизненно важных клеточных реакций. Считается,
что дополнительные сигналы поступают в клетку
через цитокиновые рецепторы. Молекулы, которые
инициируют одинаковые клеточные ответы, назы-
ваются дублирующими сигналами.
Разделение передающих рецепторных
субъединиц
Поверхностные цитокиновые рецепторы, кото-
рые передают дополнительные сигналы, состоят из
двух полипептидных цепей. Одна субъединица
распознает и связывает цитокины, другая служит
для генерации сигнала, который передается в клетку.
Механизмы передачи сигнала: фермент-связывающие и фермент-содержащие рецепторы
229
Поскольку некоторые цитокины могут использо-
вать один и тот же передающий белок, сигналы,
поступающие в клетку при связывании этих цито-
кинов, будут одинаковы. Например, перечислен-
ные ниже цитокины имеют общие субъединицы
(см. также рис. 10-8):
• IL-6, IL-11, цилиарный нейротрофический
фактор (CNTF); фактор, ингибирующий лей-
кемию (LIF)
• IL-3, IL-5 и GM-CSF
• IL-2, IL-4 и IL-7.
Рис. 10-8. Разделение рецепторных субъединиц объяс-
няет избыточность действия цитокинов в гемопоэтиче-
ских клетках. (А) Пять представителей подгруппы IL-6
(IL-6, CNTF, LIF, ОМ, IL-11) содержат одинаковую сиг-
нал-передающую субъединицу gpl30. Каждый из них
имеет свой собственный рецептор, узнающий только оп-
ределенный цитокин. (Б) Эти три цитокина IL-3, IL-5,
GM-CSF содержат общую р-субъединицу. (В) Эта систе-
ма имеет общую у-субъединицу, а также общий рецеп-
тор. Для передачи сигнала от IL-2 необходимы три раз-
личных полипептида. (Воспроизведено с изменениями
с разрешения авторов из: Kishimoto Т et al. Cytokine
signal transduction. Cell 1994;76:259.)
Плейотропия
Раньше было принято считать, что каждый ци-
токин оказывает специфическое влияние на опре-
деленную клетку-мишень. Однако, как выяснилось
впоследствии, это не совсем так. Многие цитокины
по-разному действуют на разные клетки-мишени.
Эта особенность цитокинов называется плейотро-
пией. Например, IL-6 стимулирует дифференциров-
ку В-лимфоцитов в плазматические клетки, проду-
цирующие антитела; он также стимулирует гепато-
циты, повышая продукцию некоторых белков плаз-
мы. Кроме того, IL-6 участвует в процессе
повышения температуры при воспалении и в про-
цессе развития нервных клеток. Таким образом,
IL-6 выполняет множество функций и вызывает
различные реакции в различных клетках. Подоб-
ное плейотропное действие отмечено и у других
представителей семейства цитокинов.
Цитокины гемопоэтической и иммунной систем
контролируют множество клеточных функций
(см. табл. 10-3). В большинстве случаев цитокины
используют паракринный механизм межклеточной
сигнализации, хотя при патологических состояни-
ях некоторые из них обнаруживаются в циркуля-
торном русле. Эти цитокины можно раделить на
две основные функциональные группы: (1) цито-
кины, которые обеспечивают провоспалительный
ответ, и (2) цитокины, которые служат общим сиг-
налом тревоги и мобилизуют иммунную систему.
К воспалительным цитокинам относятся TNF, IL-1
и IL-6. Противовоспалительными цитокинами яв-
ляются IL-2, IL-4 (часто также и IL-6) и IL-10.
Другие гемопоэтические цитокины регулируют
экспрессию определенных генов в гемопоэтиче-
ских клетках.
Согласно классическому определению, гормо-
ны — это молекулы, синтезируемые клетками, сек-
ретируемые в кровь и действующие на клетки-ми-
шени, удаленные от места синтеза. В определенных
случаях цитокины можно рассматривать как гор-
моны. Например, при некоторых патологических
состояниях (воспаление, сепсис) в крови обнару-
живаются IL-1, TNF, IL-6, которые выполняют
свою сигнальную функцию вдали от места их обра-
зования, хотя в норме эти белки функционируют
как элементы паракринной системы. Очевидно, что
в определении этих протеинов имеется некоторая
неоднозначность.
230
Глава 10
Таблица 10-3. Основные источники и эффекты некоторых цитокинов
Цитокин Основной источник Основное биологическое действие
IL-1 Макрофаги Медиатор острой фазы воспаления; усиливает иммун- ный ответ
IL-2 Т-лимфоциты Обеспечивает активацию и рост Т-лимфоцитов
IL-3 Т-лимфоциты Гемопоэтический фактор роста, «мультиколониестиму- ; лирующий фактор»
IL-4 Т-лимфоциты Действует на В- и Т-лимфоциты, стимулирует клеточные факторы роста; способствует переключению изотипа IgE
IL-5 Т-лимфоциты Фактор роста В-лимфоцитов; стимулирует продукцию IgA; обеспечивает рост и дифференцировку эозинофилов
; IL-6 Макрофаги, Т-лимфоциты Фактор дифференцировки В-лимфоцитов, белок острой ; фазы воспаления
IL-7 Стромальные клетки тимуса и селезенки Фактор роста юных Т- и В-лимфоцитов _
TNF Макрофаги, Т-клетки, тучные клетки, N К-клетки । Похож на IL-1, но обладает большей противоопухолевой активностью
! IFN-a IFN-P IFN-у В-лимфоциты, макрофаги Фибробласты, эпителиальные клетки Т-лимфоциты Противовирусная и противоопухолевая активность: ак- тивация макрофагов, повышение цитотоксичности лим- фоцитов и NK-клеток
GM-CSF Т-лимфоциты, фибробласты, эндотели- альные клетки. i Фактор роста гранулоцитов, макрофагов и эозинофи- лов; активирует фагоцитарную активность нейтрофилов; । повышает эозинофил-опосредованную цитотоксичность; ; способствует высвобождению гистамина из базофилов.
Воспроизведено с разрешения из: Tierney LM Jr et al. Current Medical Diagnosis & Treatment, 33rd ed. Appleton &
Lange, 1994, p. 645.
IL — интерлейкин; TNF — фактор некроза опухоли; IFN — интерферон, GM-CSF — гранулоцитарно-макрофагаль-
ный колониестимулирующий фактор, NK — клетки естественные киллеры
Рецепторы гемопоэтических
цитокинов
Как указывалось ранее, рецепторы многих моле-
кул запускают сигнальный каскад так же, как
RPTK-рецепторы. Эти сигнальные каскады вклю-
чают активацию генов дифференцировки и усили-
вают их экспрессию. Точнее, сигналы, получаемые
от цитокинов, зачастую также используют Ras-ме-
ханизм для активации генов клеточной пролифе-
рации. Ниже описаны некоторые специфические
характеристики гемопоэтических рецепторов, ко-
торые имеют несколько общих особенностей.
• Они относятся к группе монотонных транс-
мембранных белков.
• Их внеклеточные участки содержат повто-
ряющиеся АК-последовательности.
• Их цитоплазматические домены, несмотря
на различия в длине, содержат тирозиновые
остатки, которые, будучи фосфорилирован-
ными, служат как места присоединения суб-
страта, участвующего в последующих каскад-
ных реакциях.
• Ни один не содержит киназного домена.
Последняя особенность характерна для всех ге-
мопоэтических цитокинов. К сказанному выше
можно добавить, что многие цитокиновые рецепто-
ры состоят по крайней мере из двух субъединиц,
хотя некоторые являются одиночными полипепти-
дами. Самые известные из них — это рецепторы
эритропоэтина (EpoR), гормона роста (GHR)
и пролактина (PRLR).
Существует четыре основных семейства рецеп-
торов различных гемопоэтических цитокинов:
класс I, класс II, фактор некроза опухоли и ин-
терлейкин-1 (рис. 10-9). Большинство цитокиновых
рецепторов относятся к 1-му классу. Во внеклеточ-
ном домене рецепторов этой группы имеются кон-
сервативные участки аминокислотной последова-
тельности. К ним относятся четыре остатка цистеина,
расположенные в приблизительно одинаковых уча-
стках полипептидной цепи, и последовательность
Trp-Ser-X-Trp-Ser (W-S-X-W-S), где X — различ-
ные аминокислоты. Те же лиганды связываются
с рецепторами 2-го класса, которые также содер-
жат 4 остатка цистеина в фиксированных положени-
ях, однако в них отсутствует W-S-X-W-S-участок.
Пятую группу составляют воспалительные ци-
токины, хемокины, известные своими хемоаттрак-
тивными свойствами; эти цитокины выделяются
Механизмы передачи сигнала: фермент-связывающие и фермент-содержащие рецепторы
231
Класс I
Класс II TNF
IL-1
IL-2Rpc IL-2R7C
IL-3Ra IL-3R0C
IL-4Rd
lL-5Ra
GM-CSFRa
IL-7Ra IL-9Ra
EpoR GHR
PRLR
IL-6Ra
IL-6Rp(gp 130)
IL-12RP
LIFRa
OSMRa
G-CSFR
Type I IFNR
Type II IFNRa
Type III IFNRJi
IL-10R
Type I TNFR
Type II TNFR
NGFR
Fas
CD40
Type I IL-1R
Type II IL-1R
0 Домен фибро-
нектина III типа
• Домен, богатый
цистеином
е Иммуноглобулино-
вый домен
АК-последователь-
ность (участок)
W-S-X-W-S
~ Консервативные цистеиновые остатки
Рис. 10-9. К лассы рецепторов гемопоэтических цитокинов. Схематически изображены структурные мотивы, харак-
терные для каждого класса рецепторов. Наибольшую группу составляют рецепторы 1-го класса, содержащие четыре
консервативных остатка цистеина и аминокислотную последовательность W-S-X-W-S. В одной из подгрупп этого се-
мейства имеется также иммуноглобулино-подобный участок. Второй класс рецепторов сходен с первым, однако не
имеет мотива W-S-X-W-S. Также показаны общие структурные мотивы рецепторов, относящихся к семействам фак-
тора некроза опухоли (TNF) и интерлейкина-1 (IL-1). (Воспроизведено с изменениями с разрешения из: Taniguchi Т.
Cytokine signaling through nonreceptor protein tyrosine kinases. Science 1995;268:252.)
макрофагами и нейтрофилами в очаг воспаления.
Рецепторы хемокинов семикратно пронизывают
мембрану и сопряжены с G-белками (см. главу 9).
Сигнальный механизм
гемопоэтических цитокинов
Многочисленные цитокиновые рецепторы могут
передавать два типа сигналов: (1) сигнал, активи-
рующий описанный выше Ras-механизм, и (2)
более специфичный сигнал, активирующий цито-
кин-чувствительные гены. При удалении различ-
ных частей цитоплазматических доменов рецепто-
ров было показано, что участки, расположенные
в проксимальном отделе мембраны, необходимы
для активации Ras-белка (рис. 10-10). Оказалось,
что в отличие от них, С-концевые участки рецепто-
ров активируют цитокин-специфические гены.
Когда молекула цитокина связывается с наруж-
ным доменом рецептора и вызывает его димери-
зацию, происходит быстрое фосфорилирование
тирозиновых остатков. Такое фосфорилирование
осуществляется специальным семейством цито-
плазматических тирозинкиназ, известных как JAK
(см.выше). Эти киназы расположены на внутрен-
ней поверхности клеточной мембраны вблизи ци-
токиновых рецепторов. Когда рецептор димеризует-
ся в ответ на связывание с лигандом (цитокином),
JAK активируется и фосфорилирует рецептор,
а также молекулы, присоединяющиеся к фосфори-
лированным тирозиновым остаткам рецептора.
Многие типы цитокинов используют «латентные»
факторы транскрипции, присутствующие в цито-
плазме. При активации эти факторы транскрипции
перемещаются в ядро и соединяются с регулятор-
ными участками специфических генов. Одну из
групп таких факторов составляют белки STAT
(Signal Transdusers and Activators of Transcription).
На сегодняшний день выделено шесть различных
видов STAT-белков.
232
Глава 10
Рис. 10-10. Схематическое изображение двух цитокиновых сигнальных механизмов, благодаря которым цитокины
могут стимулировать специфические гены и активировать Ras-механизм. Интерлейкин-6 (IL-6) и интерлейкин-1
(IL-1) не только активируют специфические гены с помощью механизмов STAT или NF-кВ, но и стимулируют Ras-
белок, что приводит к активации МАРК механизма и делению клетки. (Воспроизведено с изменениями с разрешения
авторов из: Kishimoto Т et al. Cytokine signal transduction. Cell 1994;76:259.)
При активации STAT происходят следующие
процессы (рис. 10-11).
1. После того как JAK активирует цитокиновый
рецептор, STAT присоединяется к 5Н2-доме-
ну рецептора.
2. JAK фосфорилирует STAT.
3. STAT отделяется от рецептора и образует ди-
мер с другой активированной молекулой
STAT.
4. Димер STAT быстро перемещается в ядро.
IL-6
LIF GH
ЕРО
IL-2 IL-4
IL-5 IL-3 [IL-12
CNTF EGF
OSM GM-CSF INFa
IL-11 PDGF INF? |NF[i
(STAT5lSTAT6XSTAT4XSW3XSTAT1t^CSTAT1 gXSTAT2 )
CjsiatX
(Димер,
Ядерная мембрана
Рис. 10-11. Многие цитокины и рецепторы факто-
ров роста активируются с помощью JAK и исполь-
зуют одинаковые STAT-белки. На рис. показано,
что многие интерлейкины используют одни и те
же молекулы STAT для активации генов. Обратите
внимание, что перед вхождением в ядро и соедине-
нием с чувствительными элементами промоторной
области гена все STAT-белки димеризуются.
(ЕРО — эритропоэтин; IL — интерлейкин; LIF —
лейкозный ингибирующий фактор; CNTF — цили-
арный нейротрофический фактор; GF — фактор
роста; INF — интерферон.)
С Ген
Механизмы передачи сигнала: фермент-связывающие и фермент-содержащие рецепторы
233
Рецепторы с серин-треонинкиназным доменом
Трансформирующий фактор роста /3
Трансформирующий фактор роста /3 (TGF-/2)
является предшественником суперсемейства родст-
венных полипептидов, выполняющих в клетке ряд
важных функций. Члены этого семейства участвуют
в процессах клеточной дифференцировки и эмбрио-
генеза. Некоторые из них участвуют в формирова-
нии хрящей и костей, в развитии половых органов.
Белки семейства TGF-p выполняют функции
факторов роста, однако наиболее изученным их эф-
фектом является подавление роста клеток многих
типов. Yin факторов роста и Yang трансформирую-
щего фактора роста-р (стимулирующий эффект
факторов роста и подавляющий эффект трансфор-
мирующего фактора роста) представляют собой
один из важнейших механизмов задержки клеточ-
ного цикла и развития морфологических структур
формирующегося эмбриона. Например, члены се-
мейства TGF-р экспрессируются в местах диффе-
ренцировки нейронов автономной нервной систе-
мы. Костный морфогенетический белок-2 (bone
morphogenic protein 2, ВМР2) экспрессируется
в спинной аорте развивающегося эмбриона, вблизи
мест образования симпатических ганглиев. ВМР2
участвует также в процессе роста симпатических
нейронов. TGF-р 1 заставляет определенные эм-
бриональные клетки дифференцироваться в клетки
гладкой мускулатуры. Таким образом, эти два фак-
тора роста влияют на образование различных кле-
ток-предшественников и обеспечивают тканевое
разнообразие. Белки семейства TGF-р участвуют
в процессах развития в течение всего филогенеза.
Белки TGF-р представляют собой гомодимеры
с молекулярной массой 25 000. Они синтезируются
в виде предшественников и секретируются как ла-
тентные комплексы, активирующиеся с помощью
протеолиза. После активации TGF-р могут дейст-
вовать на различные клетки. Кроме участия в раз-
витии и дифференцировке, TGF-p играют важную
роль в процессе заживления ран и регуляции вос-
палительных реакций. Например, TGF-p стиму-
лирует синтез белков внеклеточного матрикса, та-
ких как коллаген II и IV типов и фибронектин;
стимулирует остеогенную активность, действует
как хемотаксический фактор для моноцитов, фиб-
робластов и астроцитов. Вместе с тем, он подавля-
ет пролиферацию и функцию Т и В- лимфоцитов
и эндотелиальных и эпителиальных клеток.
Рецепторы TGF-/2
Рецепторы TGF-p составляют третий тип сиг-
нальных рецепторов, упомянутых в начале главы.
Эти рецепторы уникальны, так как их сигнальный
участок является киназой, которая самофосфори-
лирует остатки серина или треонина, но не тирози-
на (как в случае RPTK и гемопоэтических цитоки-
новых рецепторов).
Существует три основных типа рецепторов
TGF-p: тип I (53 кДа), тип II (70-85 кДа) и тип III
(200 кДа). Оказалось, что рецепторы типа III, по-
верхностные протеогликаны, регулируют доступ
TGF-p к остальным типам рецепторов. К I и II ти-
пам относятся монотонные рецепторы с цито-
плазматическим серин-треонинкиназным доменом
(рис. 10-12А). Рецепторы обоих типов участвуют
в сигнальных процессах. Когда TGF-p связывается
с рецепторами I и II типов, эти рецепторы образу-
ют гетеродимер, активирующий киназные участки.
В нескольких различных экспериментах было
показано, что для передачи сигнала нужны TGF-p
рецепторы как I-го, так и П-го типа. В этом заклю-
чается другое серьезное отличие TGF-p рецепторов
от других рецепторов, обсуждаемых в этой главе.
Для определения типа TGF-p рецептора, участ-
вующего в передаче сигнала, были проведены сле-
дующие эксперименты (рис. 10-12Б). Рецепторы
TGF-P I-го и П-го типов по отдельности или вме-
сте внедрялись в интактные клетки. Затем в среду
добавлялся лиганд TGF-p. Клетки, содержащие
либо I, либо II тип рецепторов, не реагировали на
TGF-p. Ответная реакция на TGF-p наблюдалась
только в клетках, содержащих оба типа TGF-p ре-
цепторов.
Обнаружено несколько субстратов, связываю-
щихся с рецептором TGF-p. Оказывается, что од-
ной из первых реакций, появляющихся в ответ на
связывание TGF-p, является активация протеин-
киназы С. Как уже было сказано, клетки по-разно-
му реагируют на TGF-p. Некоторые физиологиче-
ские реакции, без сомнения, вызваны связыванием
внутриклеточных белков с активированным ре-
цептором. Однако точные механизмы связывания
и активации до сих пор не установлены. По-види-
мому, TGF-p регулирует экспрессию белков, инги-
бирующих активность клеточного цикла во многих
клетках.
Для передачи сигнала необходимы рецепторы I
и II типов, однако в различных типах клеток эти
рецепторы значительно различаются по структуре,
обеспечивая большое разнообразие эффектов,
вызываемых цитокинами.
234
Г лава 10
I тип
II тип
(TPR-II) ~
11 Киназный домеи
GS-домен
Киназный домен
Концевой участок
А
100 аминокислот
Подавление роста
Экспрессия генов
Б
Рис. 10-12. Модель TGF-p рецепторов I и II типов. Механизмы димеризации и передачи сигнала. (А) Строение ре-
цепторов I и II типов. В цитоплазматических участках обоих рецепторов имеется крупный киназный домен, богатый
сериновыми и треониновыми остатками. В рецепторе I типа рядом с киназным доменом находится GS блок
(GSGSG), функция которого неизвестна. Внеклеточный домен содержит несколько участков, богатых цистеином.
(Б) Эксперименты, подтверждающие, что в процессе передачи сигнала участвуют оба типа рецепторов. По отдельно-
сти рецепторы I и II типов не передают сигнал. Если один из двух рецепторов содержит мутацию, а другой — нор-
мальный, передачи сигнала также не происходит. Клетка реагирует на присоединение TGF-p только при наличии
двух полноценных рецепторов. (Воспроизведено с изменениями с разрешения авторов из: Massague J et al. The TGFp
family and its composite receptors. Trends Cell Biol 1994;4:176.)
Передача сигнала через интегриновые рецепторы
Прикрепление интегрина
к внеклеточному матриксу
и цитоскелету
Интегрины относятся к поверхностным рецеп-
торам клетки, соединяющим ее с внеклеточным
матриксом. Как уже говорилось в главе 8, эти ре-
цепторы обеспечивают взаимодействие клеток
друг с другом и с внеклеточной средой и участву-
ют во многих клеточных процессах, включая эм-
бриональное развитие, рост и метастазирование
опухолевых клеток, апоптоз, свертывание крови
и миграцию клеток в зоны воспаления. Напом-
ним, что интегрины представляют собой некова-
лентно связанные димеры, состоящие из а- и £-
субъединиц. Всего известно 16 разновидностей а-
и 8 разновидностей р-субъединиц интегринов.
Различные комбинации этих субъединиц обеспе-
чивают существование разнообразных интегринов,
20 из которых уже идентифицированы. Большин-
ство интегринов обеспечивают связывание клеток
с внеклеточным матриксом, однако некоторые из
них необходимы для формирования межклеточ-
ных контактов. Они называются внутриклеточны-
ми молекулами адгезии (ICAM).
Для активации внутриклеточных интегринов
необходимо связывание лиганда и группирование
рецепторов. Скопление интегриновых рецепторов
приводит к образованию фокальных адгезионных
пластинок. В этих пластинках интегрины связыва-
ются с пучками актиновых филаментов, входящи-
ми в состав цитоскелета. Эти многомолекулярные
комплексы играют важную роль в обеспечении
подвижности клеток, регулируя клеточную адге-
зию и изменение формы клеток (см. главу 8).
Структура и компоненты адгезионных
пластинок
Как и цитокиновые рецепторы, цитоплазматиче-
ские домены интегриновых субъединиц не облада-
ют каталитической активностью. Они сопряжены
с цитоплазматическими комплексами, состоящими
Механизмы передачи сигнала: фермент-связывающие и фермент-содержащие рецепторы
235
А
Ras ?
Рис. 10-13. Модель передачи сигнала через интегрины. (А) Трансмембранные интегрины связаны с молекулами вне
клетки (внеклеточный матрикс), а их цитоплазматические участки соединены с цитоскелетными белками: винкули-
ном, талином, а-актинином и паксиллином, соединяющими их с F-актином (актиновыми филаментами). При такой
организации внутриклеточные белки образуют плотно упакованный комплекс, называемый фокальным контактом.
Такая агрегация структурных белков стабилизируют адгезионные пластинки и регулирует форму, морфологию
и подвижность клетки. Эти структуры опосредуют также интегрин-зависимые изменения свойств клетки. Схемати-
чески показано возможное расположение различных молекул в комплексе фокальной адгезии. (Б) Присутствие SH2
доменов в сигнальных молекулах и их прикрепление к цитоплазматической тирозинкиназе, называемой киназой фо-
кальной адгезии (FAK). Белки семейства Src связываются с FAK, так же как они соединяются с адаптерным белком
Grb2. Показаны возможные механизмы активации Ras. Эта схема демонстрирует важность скопления структурных
белков и дает общую картину возможного взаимодействия молекул в интегриновом сигнальном каскаде, который вы-
зывает морфологические и функциональные изменения клетки. (Воспроизведено с изменениями с разрешения авто-
ров из. Clark ЕА, Brugge JS. Integrins and signal transduction pathways: the road taken. Science 1995;268:235.)
236
Глава 10
из белков цитоскелета и сигнальных белков.
Важно отметить, что интегрины соединяют белки
внеклеточного матрикса с белками цитоскелета
и актиновыми филаментами, находящимися внутри
клетки. Предполагаемая модель этого взаимодей-
ствия показана на рис. 10-13. Точные межмолеку-
лярные взаимодействия еще окончательно не уста-
новлены, однако эта модель достаточно правдопо-
добно изображает многомолекулярные комплексы.
Заключение
В этой главе мы рассмотрели большую группу
белков, называемых цитокинами, которые служат
переносчиками информации. Рецепторы цитоки-
нов делятся на два основных типа: рецепторы, со-
держащие тирозинкиназный домен, и рецепторы,
активирующиеся цитоплазматическими тирозин-
киназами.
Кроме этого, существует третья группа, рецепто-
ры TGF-p, которые содержат серинтреонинкиназ-
ный домен. Этот сигнальный каскад изучен хуже.
Каждый цитокин, относящийся к подгруппе
факторов роста, имеет свой собственный рецептор
с тирозинкиназным доменом. При активации ре-
цептора (то есть при фосфорилировании тирози-
нов) внутриклеточные молекулы связываются
с рецептором и активируются, запуская каскад сиг-
нальных реакций. Процесс передачи сигнала
от фактора роста включает активацию связан-
ной с мембраной СТРазы Ras, которая специфиче-
ски активирует киназу Raf-1. Raf-1 передает сигнал
фактора роста к присоединенной киназе, которая
Библиография
Blumer KJ, Johnson GL: Diversity in function and regula-
tion of MAP kinase pathways. Trends Biol Sci
1994;19:236.
Claesson-Welsh L: Platelet-derived growth factor receptor
signals. J Biol Chem 1994,269:32023.
Davis RJ: The mitogen-activated protein kinase signal
transduction pathway. J Biol Chem 1993;268:14553.
Erpel T, Courtneidge SA: Src family protein tyrosine kin-
ases and cellular signal transduction pathways. Curr
Opin Cell Biol 1995;7:176.
Felder CC: Muscarinic acetytcholine receptors: signal trans-
duction through multiple effectors. FASEB J 1995;9:619.
Howe LR et al: Activation of the MAP kinase pathway by
the protein kinase raf. Cell 1992;71:335.
инициирует клеточную пролиферацию, изменения
цитоскелета или экспрессию генов, ответственных
за дифференцировку клеток.
Мы обсудили два семейства внутриклеточных
растворимых тирозинкиназ — Src и JAK. Семейст-
во Src связано в основном с сигнальным механиз-
мом, приводящим к делению клетки, в то время
как семейство JAK — со стимуляцией экспрессии
генов в дифференцированных клетках. Белки JAK
семейства обнаруживаются в основном в клетках
иммунной, кроветворной и нервной систем. Рецеп-
торы, активирующие JAK, отличаются от рецепто-
ров факторов роста тем, что в их состав не входят
тирозинкиназы. Однако, как и рецепторы факто-
ров роста, белки JAK активируются путем фосфо-
рилирования их цитоплазматических доменов
Для прекращения этого сигнала служат тирозин-
фосфатазы. Существует большое число тирозин-
фосфатаз и серин-треонинфосфатаз, активность
которых также строго регулируется протеинкина-
зами.
Одной из подгрупп факторов роста является
семейство трансформирующего фактора роста р
(TGF-P). TGF-p действует и как ингибитор, и как
стимулятор роста и дифференцировки клеток
Наконец, известны особые рецепторы, интегрины.
связывающие клетку с внеклеточным матриксом
Таким образом, все примеры, представленные в этой
главе, описывают молекулярные механизмы пере-
дачи сигналов, регулирующих внутриклеточные
процессы.
Hunter Т et al: Receptor protein tyrosine kinases and phos-
phatases. Cold Spring Harbor Symp Quant Biol
1992:57:25.
Ihle JN: Cytokine receptor signalling. Nature 1995;377:591.
Marshall MS: Ras target proteins in eukaryotic cells. FA-
BEBJ 1995:9:13118.
Seger R, Krebs EG: The МАРК signaling cascade. FASEB J
1995;9:726.
Shenolikar S: Protein serine/threonine phosphatases - new
avenues for cell regulation. Annu Rev Cell Biol
1994:10:55.
Stoddard BL et al: Receptors and transmembrane signaling.
Cold Spring Harbor Symp Quant Biol 1992;62:1.
Vojtek AB et al: Mammalian ras interacts directly with the
serine/threonine kinase raf. Cell 1993:74:205.
Приложение А
Микроскопия
Таблица А-1. Основные методы подготовки ткани к микроскопическому исследованию*
[метод и его назначение Разновидность метода Ограничения и артефакты
Фиксация. Сохраняет структурную организацию исследуемых клеток, тка- ней и органов. Предотвра- щает бактериальную и ферментативную перера- ботку, фиксирует клеточ- ные компоненты, защищает Химическая фиксация: наиболее распространенный под- ход. Химические фиксаторы используются в смеси или раздельно. Наилучшие результаты достигаются при быст- ром проникновении фиксатора в живую ткань. Небольшие тканевые фрагменты могут быть зафиксированы путем им- мерсии. Целый орган может быть зафиксирован методом перфузии (фиксатор накачивается по сосудам, снабжаю- щим исследуемую ткань) Вызванные фиксатором изме- нения химического состава и структуры могут вызывать ар- тефакты. Структурные изме- нения могут включать денату- рацию и сшивание белков
от разрушения на после- дующих этапах обработки ткани Замораживание (физическая фиксация): может быть использовано для световой и электронной микроскопии. Ткань погружается в криопротектор (глицерин). Быстрое замораживание при низких температурах уменьшает обра- зование кристаллов льда, снижая тем самым число воз- можных артефактов. Готовая ткань разрезается (или рас- щепляется) без последующего обезвоживания или очистки. Быстрее, чем химическая фиксация. Предотвращает рас- творение липидов и денатурацию белков, чувствительных к фиксатору (например ферментов, анти генов) Замороженные препараты не могут так долго храниться, как химически фиксированные. Крайне сложно получить се- рийные замороженные срезы
Обезвоживание (субсти- туция). Облегчает проник- новение очищающего ве- щества в ткань. Подготав- ливает фиксированную ткань к погружению в про- питывающую среду Замещает в ткани воду на органический растворитель; чаще всего используется этанол. Фиксированная ткань не- сколько раз погружается в растворы с возрастающей кон- центрацией этилового спирта, вплоть до 100% спирта Спирт может денатурировать интересующие белки. Потеря воды приводит к появлению осадка из компонентов с раз- личным содержанием воды. Могут появляться избыточные промежутки между клетками и слоями тканей
Очистка. Подготавливает фиксированную ткань к инфильтрации. Дегитрати- рующие вещества замеща- ются очищающими веще- ствами Обезвоженная ткань обрабатывается либо рядом спирто- вых растворов с возрастающей концентрацией очищающе- го вещества, либо непосредственно очищающим вещест- вом. Для световой микроскопии чаще всего используется ксилол (парафиновый растворитель), а для электронной микроскопии — пропиленоксид (пластиковый раствори- тель) ... ~ Очищающие вещества могут вызывать денатурацию иссле- дуемых белков. Некоторые структуры высыхают неровно после денатурации их белков
Пропитывание. Подготав- ливает очищенную ткань к заливке Очищенную ткань обрабатывают рядом смесей, состоящих из очищающего вещества и пропитывающей среды с по- степенным возрастанием концентрации последней. Обра- ботка проводится при умеренно высоких температурах. Очищающее вещество замещается пропитывающей средой Слишком высокая температу- ра может привести к денату- рации исследуемых белков. При недостаточном пропиты- вании могут оставаться пу- зырьки
Заливка. Подготавливает пропитанную ткань к на- резке. Увеличивает плот- ность ткани и предотвра- щает сдавливание и дру- гие нарушения тканей при нарезке. Обеспечивает приготовление тонких сре- зов После пропитывания ткань помещается в форму с заливоч- ной средой, которая затем застывает. Застывший блок по- мещается в микротом для приготовления срезов. При при- ' готовлении препаратов для световой микроскопии обычно | используется парафин, реже — целлоидин, пластик, поли- i этиленгликолевый (водорастворимый) воск. Для электрон- । ной микроскопии обычно используют пластик и эпоксид- ные смолы (например Эпон и Аралдит). Для затвердева- ; ния (полимеризации) заливочной среды необходим катали- затор. Более твердые заливочные среды позволяют делать i более тонкие срезы, необходимые для электронного мик- роскопа Высокое качество срезов, ко- торое достигается благодаря заливке, имеет ограничения, связанные с обезвоживанием, очисткой и пропитыванием ткани
238
Приложение А
Метод и его назначение
Разновидность метода
Изготовление срезов.
Как правило, исследуемые
ткани непрозрачны, а их
толщина слишком велика
для микроскопического
анализа внутренних струк-
тур. Тонкие срезы позво-
ляют световому или элек-
тронному пучку проходить
через препарат и форми-
ровать изображение
Для световой микроскопии используется стандартный ро-
тационный микротом со стальным лезвием, который дела-
ет срезы препаратов, погруженных в парафин, целлоидин
или полиэтиленгликоль; толщина срезов составляет
3-8 мкм. Стеклянные или алмазные лезвия используют для
! обработки тканей, залитых в пластик, и делают срезы тол-
щиной 1-5 мкм. Замороженные срезы, 5-25 мкм, делаются
замораживающим микротомом или в криостате (стандарт-
ный микротом в холодильной камере). Для электронной
микроскопии используется ультрамикротом со стеклян-
ным или алмазным лезвием. Он делает очень тонкие срезы
(0,08-0,1 мкм или до 0,5 мкм для высоковольтного элек-
тронного микроскопа). В ультрамикротом вмонтирован
стереомикроскоп, позволяющий наблюдать за процессом
изготовления срезов
Закрепление на носите-
ле. Удобно и снижает риск
повреждения препарата
при исследовании
Для световой микроскопии срезы располагают на пред-
метном стекле, предварительно покрытом тонким слоем
альбумина, желатина или полилизина для улучшения фик-
сации. После окрашивания срезы закрывают покровным
стеклом, сохраняя их для последующих исследований. При
электронной микроскопии срезы закрепляются на медных
сетках. Пучок электронов не проходит сквозь стекло
Ограничения и артефакты
Срезы обычно обеспечивают
лишь двухмерное изображе-
ние пространственной струк-
туры. Тупое лезвие может
смять или повредить ткань.
Если лезвие вибрирует во
время нарезки, получаются
неровные срезы (волнообраз-
ные). Зазубрины на лезвии
могут повредить ткань
При изготовлении срезов мо-
гут образовываться складки,
которые содержат большее
число клеток и сильнее окра-
шиваются. Для препаратов,
закрепленных на сетке, видна
только часть, расположенная
между прутьями сетки
Окрашивание. Большая
часть тканевых субструк-
тур неразличима даже при
большом разрешении мик-
роскопа. Для установления
локализации отдельных
компонентов клеток и тка-
ней используются красите-
ли, специфические лиган-
ды с особыми оптически-
ми свойствами и радиоак-
тивные метки. Знание
особенностей таких ве-
ществ позволяет получить
дополнительную информа-
цию о структуре и составе
ткани
Для световой микроскопии. После прикрепления среза
к стеклу парафин растворяют, а ткань регидратируют. Пла-
стиковые срезы окрашиваются без удаления пластика. Чув-
ствительность к большинству красителей основывается на
возникновении кислотно-основных взаимодействий краси-
теля и ткани. Кислые красители (например эозин) связы-
ваются с основными (то есть ацидофильными) структура-
ми и составляющими (например с цитоплазматическими
белками). Основные красители (например гематоксилин)
связываются с кислыми (то есть базофильными) тканевы-
ми структурами (например нуклеиновыми кислотами в ри-
босомах). Смешанные красители выявляют множество кле-
точных компонентов. Гематоксилин-эозин, наиболее рас-
пространенная для световой микроскопии смесь красите-
лей, позволяет отличить ядро от цитоплазмы
Для трансмиссионного ЭМ. Большинство красителей
для ТЭМ (контрастирующих веществ) выбираются по спо-
собности поглощать или рассеивать электроны и по срод-
ству к определенным клеточным структурам. Чаще всего
используются соли тяжелых металлов, такие как цитрат
свинца и ацетат урана. Фиксирующий тетроксид осмия
взаимодействует с липидами с образованием электрон-
но-плотного осадка, что используется при окрашивании
Кислотно-основные границы
могут не соответствовать гра-
ницам между структурами.
Для характеристики отдель-
ных компонентов клеток и тка-
ней может потребоваться по-
। вторное окрашивание. По-
скольку цветовой оттенок мо-
жет быть ложно истолкован,
при исследовании нужно об-
: ращать внимание на структу-
ру, а не на цвет
1 ТЭМ-красители не пропускают
! электроны. ТЭМ-изображение
! является тенью участков, ок-
1 рашенных тяжелыми металла-
ми. Реальные тканевые струк-
туры не видны
клеточных мембран____________________________________
Для сканирующего ЭМ. По существу, препараты, пред-
назначенные для СЭМ, не окрашиваются. Сначала они вы-
сушиваются при критической температуре, что предотвра-
СЭМ выявляет детали строе-
ния поверхности, но оболочка
| из тяжелых металлов препят-
щает возникновение артефактов, связанных с поверхност-
ным натяжением. Обезвоженные препараты пропитывают
жидкостью, смешанной с СО2 или фреоном, и ставят в вы-
сушивающую камеру. Камера нагревается до критической
температуры (31°С), давление повышается до 73 атм, то
есть когда нет поверхностного натяжения на границе меж-
ду газовой и жидкостной средами и жидкость выходит из
препаратов без повреждения структуры. Перед просмот-
ром препараты помещаются на специальный штырь и по-
крываются (опрыскиваются) тонким слоем частиц тяжелых
металлов (например, золота)
ствует проникновению элек-
тронов к внутренним структу-
рам
Воспроизведено с разрешения из: Paulsen DF. Basic Histology: Examination & Board Review. Appleton & Lange. 1996.
Микроскопия
239
Таблица А-2. Специальные методы подготовки материала для работы с микроскопом* *
_Ргран_ичения____________J
Получается полностью !
искусственное изображе- [
ние, на котором исходная |1
ткань не видна. Разреше- |
ние ограничено размера-
I ми частицы и толщиной |
| покрытия 1|
Разновидность метода_________________________
Ткань замораживается при очень низких температурах и
разламывается с помощью тонкого лезвия. Препараты на-
ходятся в вакууме, где лед возгоняется. При уменьшении
; уровня льда на поверхности препарата появляются струк-
1 туры (холодное травление). Вытравленная ткань опрыски-
Метод и его назначение
, Замораживание-скалывание
i и замораживание-травление:
!; позволяют проводить электрон-
j ную микроскопию тканей без
I] предшествующей фиксации и
’I заливки, снижая количество ар- ! вается под углом частицами золота, создающими эффект
j тефактов. Позволяют проверять затенения, а затем покрывается слоем частиц углерода с
!| результаты, полученные при ис- образованием слепка. Ткань и слепок возвращаются в ат-
!| пользовании обычных методов мосферное давление, ткань растворяется в сильной кисло- !
4 электронной микроскопии те, а слепок закрепляется на сетке. Электронная микроско- |
j , пия слепка дает рельефное, псевдотрехмерное изображе- [
ние клеточных и тканевых структур
Радиоавтография (автора-
I диография): позволяет опре-
I делять местонахождение ра-
диоактивных элементов в клет-
| ках и тканях. Особенно удобна
| для прослеживания меченых
I предшественников и молекул,
। встраивающихся в различные
ткани и клетки
Перед фиксацией ткань инкубируется с веществами-пред-
шественниками, меченными радиоактивными изотопами,
например, 3Н-тимидин для ДНК, 3Н-уридин для РНК, 3Н-
или 14С-лейцин для белка. Срезы фиксируют на предмет-
ных стеклах, очищают от заливочной среды, покрывают
фотографической эмульсией и оставляют в темноте.
| Эмульсия засвечивается (бромид серебра восстанавлива-
ется до элементарного серебра) в областях контакта с ра-
диоактивными метками; при проявлении над мечеными
структурами появляются черные зерна (световая микро-
скопия) или завитки (электронная микроскопия). Число то-
чек или завитков на эмульсии пропорционально присутст-
вующим меткам. При световой микроскопии для выявле-
ния структуры ткани срезы дополнительно окрашиваются
Радиация распространя-
ется в разных направле-
ниях от радиоактивных
структур. Некоторые ме-
ченые структуры могут не
засвечивать эмульсию, а
зерна серебра над одной
структурой могут быть
следствием излучения
другой
I
* Воспроизведено с разрешения из: Paulsen DF. Basic Histology: Examination & Board Review. Appleton & Lange. 1996.
Приложение В
Нуклеиновые кислоты
и аминокислоты
Дезоксицитидилат
Дезокси гуани ди л ат
Рисунок В-1. Нуклеотиды дезоксирибонуклеиновой кислоты. Нуклеотиды последовательно связываются и форми-
руют цепь ДНК (Воспроизведено из: Seashore МК., Wappner R.S. Genetics in Primary Care & Clinical Medicine.
Appleton & Lange, 1996).
241
______________ При яожение В
Таблица В-1. L-альфа-аминокислоты белков*
Название j С алифатическм Глицин Аланин Валин Лейцин Изолейцин Условное обозначение ми боковыми цепями Gly [G] Ala [А] Vai [V] Leu [L] He [I] Структурная формул a H—CH—COO' 1 +NH3 CH»—CH—COO' 3 1 iNH3 H3c ^CH—CH—COO~ H3C Л3 н3с /СН—сн2—CH—COO~ нзс CH3 XCH2 /СН—CH—COO- CH3 NH3 pKi а-СООН 2,4 2,4 2,2 2,3 2,3 рКг a-NH3+ 9,8 9,9 9,7 9,7 9,8 рКз Группа R
С боковыми цег Серин Треонин Тирозин 1ями, содержащими гид Ser [S] Thr [T] Tyr [Y] эоксильную (ОН) группу CH? —CH—COO' 1 1 OH +NH3 CH3—CH—CH—COO- OH +NH3 См. ниже _______ 1 2,2 2,1 9,2 9,1 10,8 9,3 -13 ~13
С боковыми цепями, содержащими awi Цистеин । Cys [С] I Метионин । Met [М] I i I мы серы CH9—CH—COO" 1 1 SH +NH3 CHn—CH9—CH—coo к 1 S—CH3 +NH3 1,9 2,1 8,3
С боковыми цег Аспаргиновая кислота Аспарагин Глутаминовая кислота Глутамин I 1ями, содержащими кис Asp [D] Asn [N] i Glu [E] I Gin [Q] лые группы или их амиды оос—сн2—сн—соо +NH3 H?N—С—СН,—CH—COO- 2 II “ 1 ° оос—сн,—сн2—СН—СОО' +NH3 H,N—C — СН,—СН, —СН — СОО' 2 1 0 ж 2,0 2,1 2,1 2,2 9,9 8,8 9,5 9,1 3,9 4,1
Нуклеиновые кислоты и аминокислоты
242
Название Условное обозначение Структурная формула рк. pK2 рКз
С боковыми цег Аргинин Лизин 1ями, содержащими осн Arg [R] Lys [К] овные группы Н—N—сн2—сн2—СН2—СН—СОСГ C=NH2 .nh3 nh2 сн2—сн2—сн2 —сн2—СН—COO" +NH3 +NH3 a-COOH 1,8 2,2 a-NH3+ 9,0 9,2 Группа R 12,5 10,8
Гистидин His [Н] f П Lzr12 wTi WJU 1,8 9,3 6,0
Содержащие ар Г истидин Фенилаланин Тирозин Триптофан оматические кольца His [Н] Phe [F] Туг [Y] Trp [W] См. выше CH,—CH — COO “ W I +NH3 НО CH2^CH“CO°' +NH3 CH — CH piyy 2,2 2,2 2,4 9,2 9,1 9,4 10,1
11 J i +NH3 1 H
Иминокислоты Пролин Pro [Р] ^N^COCr «2 2,0 10,6
* Воспроизведено с разрешения из Murray RK et al. Harper's Biochemistry, 24th ed. Appleton & Lange. 1996, p.25.
Таблица В-2. Классификация L-альфа-аминокислот
в зависимости от их гидрофильных (предпочтитель-
ное связывание с водой) и гидрофобных (предпоч-
тительное связывание с неполярными молекулами)
свойств
Гидрофобные Гидрофильные
Аланин Изолейцин Лейцин Метионин Фенилаланин Пролин Триптофан |Тирозин I Валин Аргинин Аспарагин Аспарагиновая кислота Цистеин Глутаминовая кислота Глутамин Глицин Г истидин Лизин Серин Треонин
Воспроизведено с разрешения из Murray RK et al.
Harper’s Biochemistry, 24th ed. Appleton & Lange. 1996,
p.27.
243
Приложение В
Цитидилат
HN^ ХСН
Рис. В-2. Нуклеотиды рибонуклеиновой кислоты. Основная функция РНК — перенос информации с ДНК на белок.
(Воспроизведено с разрешения из Seashore MR, Wappner RS. Genetics inPrimary Care & Clinical Medicine. Appleton &
Lange. 1996.)
Рис. В-3. Двойная спираль ДНК. Водородные связи удер-
живают вместе две комплементарные спирали ДНК, кото-
рые скручиваются друг с другом с образованием двойной
спиральной молекулы. Полный набор молекул ДНК состав-
ляет геном
(Воспроизведено с разрешения из Seashore МК, Wapper RS.
Genetics in Primary Care & Clinical Medicine. Appleton &
Lange, 1996.)
Предметный указатель
Термины и слова, встречающиеся в таблицах и подписях к рисункам, отмечены литерами «т» и «р» со
ответственно.
ARF (фактор рибозилирования аденозиндифосфата),
90, 92
АТР-синтаза (ATP-синтазный ферментный ком-
плекс), 114
Caenorhabditis elegans, развитие клетки и, 13
сАМР, 193
протеинкиназа А и, 209-211
СВ45-антиген, 228
Cdk-циклиновые комплексы
ингибирующие белки, 133-134
клеточный цикл и, 131-132, 132р
cGMP, 193, 198
СОР-1, 90
СОР-П, 90
С-конец, 67
Drosophila melanogaster, развитие клетки и, 13
Fc-рецептор, 106
F-актин, 107, 157
GO-фаза, 127, 138
G1-регуляторная точка, 132
фаза, 126
С2-регуляторная точка, 132-133
фаза, 132
GPI-связи, 110
СгЬ2-протеин, 223
G-белки, 50, 94, 192, 204-209
актин-связывающие, 212
гетеромерные, 161
распознавание лигандов, 204р
связывание с липидами, 207т
связанные с ними заболевания человека, 205т
сигнальный механизм, 206р
сопряженные рецепторы, 197
субъединицы, 207
физиологические эффекты, 204т
эффекторные молекулы и, 209р
эффекторные реакции, 207-209
Н-полосы, 165
Igp А, 97
Igp В, 97
1-клеток болезнь, 100-102, 101р
молекулярный дефект при, 53т
поврежденные белки при, 85т
1-полосы, 165
Janus kinases (JAKs), 228
МАР2К-белок, 225
МЕК-киназа, 225
NCK-белок, 223
NF-белки, 148-149
А-этилмалеимид-чувствительный фактор (NSF),
92-93, 109
Rab-белок, 94
Rac-белок, 161
Raf-1-киназа, 225
Ras-белок, 223
сигнальный механизм, 223, 223р
Ras-родственные белки, 161
RGD (аргинин-глицин-аспарагиновая кислота) после-
довательность, 178
Rho-белок, 161
5Н2-домен, 222
БНЗ-домен, 222
SNAPs (soluble NSF attachment proteins), 92, 96
SNARE (ловушка), 92
SOS-белок, 223-224
Src-киназа, 225-227
клеточная сигнализация и, 226р
STAT (Signal transducers and activators of
transcription), 231
S-фаза, 126
ТАТА-блок, 23
Tetrahymena, структура аксонемы, 156p
Т-лимфоциты; взаимодействие с антиген-представ-
ляющими клетками, ЗОр
Zona occludens, 49
Z-диск, 165
Z-линия, 165
Адаптины, 93
Адгезионные пластинки, структура, 234
Адгезионный пояс, 163
Адгезионный пояс, 49, 175
Адгезия, 173
Аденилатциклаза, G-белок
эффекторные механизмы и, 207-209
Аденилатциклаза, структура, 208р
Аденозинтрифосфат (АТР), 92, 112
гидролиз, полимеризация актина и, 158
дыхательная цепь и, 123
окислительное фосфорилирование и, 119
синтез, 119р
Аденомы щитовидной железы токсические, 204
Адреналин
арахидоновой кислоты высвобождение и, 38
физиологические эффекты, 204т
Адренолейкодистрофия, 68т
Адренолейкодистрофия неонатальная, 68т
характеристики, 68т
Адресный маркер, 109
245
Предметный указатель
Адресный сигнал, 74
Акантоцитоз, 83т
Акаталаземия, 68т
характеристики, 68т
Аксонема, 155
структура, 156р
Активные метаболиты кислорода, 137
Актин
глобулярный 157
изомеры, 158т
мышечное сокращение и, 167р
поперечнополосатая/гладкая мышца и, 170т
строение эритроцита и, 159р
фагоцитоз и, 105
Актина полимеризация, 158, 212
а-Актинин, 160, 165, 179
Актиновая кора, 147
Актиновые сети, 212
Актиновые филаменты, 157-158, 175
свойства, 145т
функция, 160-161
Актиновый цитоскелет, 107
Актиновый цитоскелет; рак и, 161
Актиномицин D, синтез белка и, 72т
Актин-связывающие белки (actin-binding proteins,
ABPs), 147, 159-161
Актин-сшивающие белки, 160
организация актина и, 160т
Акцептор, 90
Аллостерические изменения, 200
Альдостерон, структурная формула, 200р
Альпорта синдром, 186-187
Альфа-липопротеина недостаточность, семейная, 83т
Аминокислоты
белков, 252~253т
классификация, 253т
боковые группы, 45
Аминофосфолипидтранслоказа, 84
Амфифильность, 36
Амфифильные спиральные белки, 25
Амфифильный завиток, 67
транспорт белка в митохондрии и, 67т
Анафаза, 148
Ангиотензин II, высвобождение арахидоновой кисло-
ты и, 39
Ангиотензин, физиологические эффекты, 212т
Анкириновые мостики, 165
Антероградный транспорт, 95, 96р
Антибиотики, синтез белка и, 75т
Антиген-представляющие клетки, взаимодействие
с Т-лимфоцитами, 31р
Антигены
гистосовместимости, 31
групп крови, 30, 34
клеточной поверхности, групп крови
трансфузии/трансплантация и, 30-31
Антидиуретический гормон (АДГ), физиологические
эффекты, 212т
Апикальная мембрана, 180
Апикальная поверхность, 49
А-полосы, 171
Апопротеинов классификация, 84т
Апоптоз, 139-140
механизмы передачи сигнала при, 140
Апоптозные тела, 139
Арахидоновая кислота (арахидонат), 39, 220
биосинтез простагландинов и, 39
высвобождение и метаболизм, 42р
образование в тромбоцитах, 40
Арилсульфатаза, субстрат, 102т
Армадилло, ген, 184
Аспартилгюкозаминурия, 106т
Ассоциированные с микротрубочками белки (MAPs),
158
Астральные микротрубочки, 147
Аутокринный механизм, 203
Аутофагия, 104
Аутофосфорилирование, 204
Ацетил-коэнзим А, образование, 122
Ацетилхолин, физиологические эффекты, 212т
Ацилпереносящие белки (АСР), 83
Базальная мембрана, 15, 155, 180, 185, 188
типы, 17р
Базальная поверхность, 49
Базальные тельца, 163
Базолатеральная поверхность, 49
Бассена-Корнцвейга синдром, 86т
Белка активация, 200
Белка перенос, 77
в митохондриальный матрикс, 68р
в эндоплазматический ретикулум, 78р
механизмы, 79-80
Белки
аминокислоты в, 241-242р
классификация, 242т
гликозилирование, 196
движение в мембранах, 52р
задержка в эндоплазматическом ретикулуме,
73-74
импорт в пероксисомы, 67
интегральные. См. Интегральные белки
клеточные мембраны и, 42-45
мембранные. См. мембранные белки
перемещение по комплексу Гольджи, 87р
периферические. См. Периферические белки
связанные с углеводами, 45
синтез и процессинг, 63р
филаментов, 175т
ядерное гликозилирование, 78-80
Белки «спираль-поворот-спираль», 24
Белки натриевых каналов, 214
Белки обмена липидов, 83
Белки теплового шока (hsps), 64
hsp60, 66
hsp70, 66
hsp90, 66
Предметный указатель
246
Белки типа «цинковый палец», 24
Белки филаментов, 175т
Белки, формирующие пучки, 160
Белки-супрессоры опухолей, 134
Белков поток, 56
Белков фосфатазы
клеточный сигнал и, 210
передача сигнала и, 227-228
Белково-липидной мозаики модель, 42
Белок слияния, 93
Бесклеточная диагональ, 138
Бета-адренергический рецептор, строение, 51р
Бета-окисление, 67
Бимолекулярный слой, 36
Биосинтетический механизм, 98
Биохимический осциллятор, 129
Бифункционального ферментна дефицит,
характеристика, 68т
Блок разрушения, 130
Болезнь накопления эфиров холестерола, 82т, 101т
Болезнь рыбьего глаза, 83т
Болезнь удаления остатков липопротеинов, 82т
Брадикинин; высвобождение арахидоновой кислоты
и, 38
Буллезная пузырчатка, 179
Везикулярный механизм, 81
Везикулярный транспорт, 131
Виды контактов, 173
Виллин, 163
Виментин, 148
Винкулин, 177
Вирус саркомы Рауса, 225
Витронектина рецептор, 135
Внезапность (повышения внутриклеточной концен-
трации кальция), 213
Внеклеточный домен, 50
Внеклеточный матрикс, 163, 172, 179—190
молекулы, 12
перенос сигнала в, 181-183
Внутренняя митохондриальная мембрана, 64,
112-114
Внутриклеточные молекулы адгезии (ICAM), 234
Воздействие окислительное; старение и, 137
Волокно скелетной мышцы, 17р
Волмана болезнь, 82т, 101т
Воротный механизм, 202
Вторичные мессенджеры, 193
мобилизация, 211
образование, 194р
структура, 193р
Высвобождения ионов кальция каналы, 169
Вытянутый крест, 188
Галактосиалидоз, 101т
Ганглиозидоз, ЗЗр, 101т
ферментный дефицит при, 33т
Ганглиозиды, 33
Гельзолин, 161-162
Гельформирующие белки, 160
Гемопоэтическая сигнальная система; классы рецеп-
торов и последовательностей, 231р
Генетическое переключение, 138
Гены; конститутивно экспрессирующиеся, 24
Гены-супрессоры опухолей, 139т
Гепарансульфат; состав и распределение, 182т
Гетерологичная десенсибилизация, 196
Гетерофильное взаимодействие, 176
Гетерофильное связывание, 189
Гиалуронан, 179
Гиалуроновая кислота, 181
состав и распределение, 182т
Гидрокси лизина остатки, 183
Гидроксипролина остатки, 183
Гидролазы лизосомные, 99-100
Гидрофильных рецепторов семейство, 198
Гидрофобный домен, 36
Гиперлипопротеинемии, 82т, 83т
Гипертриацилглицеролемия семейная, 82т
Гиперхолестеринемия семейная, 105, 105р
пораженные белки при, 85т
Гипобеталипопротеинемия семейная, 81т
Гиполипидемические лекарственные средства
пероксисомы и, 67
Гистон Н1, 131
Гистоны, 140
Главный комплекс гистосовместимости (МНС), 30
Гладкая мышца
актин-миозиновое взаимодействие, 170т
механизм сокращения, 169-170
свойства, 164т
Гланцманна тромбастения, 179
Глии клетки, 17
функции, 17
Гликогенсинтетаза, 210
Гликозаминогликаны
свойства, 181
состав и распределение, 182т
структура, 182р
Гликозидазы; субстраты, 97т
Гликозилирование, 96
ядерное, 69, 78-80
Гликолиз, 115-117
стадии, 116р
Гликолипиды, 29
Гликопротеины, 29
нарушения, 101т
трансмембранные, 178
Гликосфинголипиды, 33-34
Гликофорин, 45
Глицеролфосфоинозидный (GPI) якорь, 45
Глицерофосфолипиды, 31-32
Глициновые остатки, 183
Глобоидная лейкодистрофия; ферментный дефицит
при, 33т
Глобулярный актин, 157
Глутарил-КоА-оксидазы дефицит, 68т
характеристики, 68т
247
Предметный указатель
Глюкагон; физиологические эффекты, 204т
[З-Глюкуронидазы недостаточность, 101т
Головной домен, 147
Гольджи комплекс, 55р, 90-96
биохимические процессы в, 91
гликозилирование в, 91
направленный транспорт из, 91
нарушения и вызванные ими болезни, 51т
полярность, 90-96
перемещение белков по, 87р
структура, 90р
функции, 27т, 56т
Гомологичная десенсибилизация, 196
Гомотипичные маркеры, 29
Гомофильное взаимодействие, 176
Гомофильное связывание, 189
Гормон роста, 230
Гормонально-освобождаемой липазы печени дефицит,
82т
Гормоны; стероиды, структурные формулы, 200р
Гоше болезнь, 101т
ферментный дефицит при, 33т
Грузовой поток, 89
Грузовые молекулы, 86
Групп крови антигены, 29, 33
Гуанинтрифосфат (GTP), 92
Гуанозинтрифосфатаза (ОТРаза), 50, 94, 192-193
мономерная, 94, 94т
Rab-белки, 94
Rac-белки, 160
Ras-белки, 223
Гудпасчера синдром, 186
Гунтера синдром, 101т
Гурлера болезнь, молекулярный дефект при, 53т
Гурлера синдром, 34, 101т
биохимический или лизосомально-ферментный де-
фект при, 34т
Гурлера-Шая синдром, 101т
Двигатель клеточного цикла, 129
Двигательные домены, 146
Дегрануляция; в нейтрофилах, 94р
Дезоксирибонуклеаза, субстрат, 92т
Деполимеризация, 150, 212
Деполяризация в покое, 214
Дерматансульфат, состав и распределение, 182т
Десенсибилизация, 196
Десмин, 148
филаменты, 177
Десмоглеины, 176, 177
Десмоколлины, 176, 177
Десмосомные соединения, 177
Десмосомы, 149, 177
Детская болезнь накопления свободной сиаловой ки-
слоты, 101т
Детская болезнь Рефсума, 68т
характеристики, 68т
Дефицит адгезии лейкоцитов; пораженные белки, 85т
Дефосфорилирование, 192
Диабет; молекулярный дефект при 53т
Диацилглицерол, 41, 135, 193
образование, 194р
роль в клеточной сигнализации, 212
Динамическая нестабильность, 150
микротрубочки и, 150-152
Динеин, 143, 146, 157
Дисбеталипопротеинемия, семейная, 82т
Дистрофин, 169
Дисульфидные мостики, 184
формирование, 69
Дифтерийный токсин; синтез белка и, 72т
ДНК двойная спираль, 243р
ДНК нуклеотиды, структурные формулы, 240р
ДНК
матрица; функциональные области, 19
митохондриальная, 63
повреждения; типы, 133т
Долихол, 78
Донор, 90
Дыхательная цепь митохондрий, 115р
Дыхательная цепь, 115р, 117
аденозинтрифосфата синтез и, 123
ингибирование, 121р
Железо-серный белок, 122р
Жидкостно-мозаичная модель, 28р
Жиры как источники энергии, 115-117
Заболевания, связанные с нарушением сигналов
внутриклеточного транспорта, 85т
Замедленная фаза, 150
Запирающий контакт 173
Зрение; молекулярный механизм, 214-217
Избыточность; цитокиновая сигнальная система и,
228, 229р
Импортин, 62
Инозитол, 41
Инозитолтрифосфат, 193
функция в передаче сигналов, 212
Инозитолфосфолипид, 193
Инсулиноподобный фактор роста-1 (ИРФ-1), 223
Интегральные белки, 30, 45
Интегральные мембранные белки, 80, 197, 201
ориентация, 84р
Интегральный ЭР-белок, 72
Интегративный путь, 191
Интегрин(ы), 178-179, 188
клеточная адгезия и, 178р, 189р
Интегриновые рецепторы; передача сигнала, 234-236
Интегрин-фибронектиновый рецептор; метастазиро-
вание и, 187-188
Интерлейкины, 228
Интерфаза, 126
Интерфероны (INFs), 228
Информационные молекулы, 50
Ионные каналы, 203р
общие особенности, 202р
рецепторы, 197
Ионных каналов рецепторы, 201
Предметный указатель
248
Иприт; синтез белка и, 72т
Кадгериновая молния, 176
Кадгерины, 176
клеточная адгезия и 176р
типы 176т
Кальмодулин, 163, 176, 208, 214
Кальнексин; полость эндоплазматического ретикулу-
ма и, 72
Кальретикулин; полость эндоплазматического рети-
кулума и, 73
Кальциевый всплеск, 213
Кальций
внутриклеточные каналы для, 213
высвобождение, 211
как вторичный мессенджер, 193, 194р
клеточная адгезия и, 176, 189
мышечное сокращение и, 169
полость эндоплазматического ретикулума и, 72
центральные поры и, 49
Кальций-кальмодулин-зависимые киназы (СаМ-кина-
зы), 214
Кальциневрин, 210
Кальция ионы; апоптоз и, 135
Канамицин, синтез белка и, 72т
Кардиолипин, процент содержания в мембранах, 32т
Кариотипические сигналы, 149
Картагенера синдром, 157
молекулярный дефект при, 53т
Каскады ферментативных реакций, 191
Катенины, 177
Катепсины: субстраты, 92т
Катионы двухвалентные; апоптоз и, 135
Кератинсульфат; состав и распределение, 182т
Кератины, 147-148
тяжелые, 147
Киназа гликогенфосфорилазы, 210
Киназный домен, 129
Киназы, 13, 192
Кинезин(ы), 143, 146
Кинезинового поперечного мостика образование,
154р
Кинетохор, 142-143
Кислой мальтазы недостаточность, 101т
Кислород; токсичность, 137
Клатрин, 93
Клатрин-зависимый эндоцитоз, 102
Клатриновые участки, 93
Клетка-сателлит скелетной мышцы, 19р
Клетки млекопитающих
механизмы передачи сигнала, 196-197
регуляция клеточного цикла, 131-144
Клетки
деление; механизм, 139-142
дифференцировка, 196
внеклеточный матрикс при, 181-185
значение мембран, 27-30
колбочка, 217
млекопитающих
механизмы передачи сигнала, 196-197
фенотипы, 13-18
организация в ткани, 13-18
палочка, перенос сигнала, 215р
повреждения компонентов клетки и связанные
с ними заболевания, 53т
полярные; поверхности мембран, 48
программируемая смерть, 134, 196
репликация, 213
рост
контактное подавление, 133
нерегулируемый, 138-139
старение, 136-137
типы взрослого человека, 21~23т
фоторецептор; структура 215р
экспрессия генов; регуляция, 19-25
эукариотические
молекулярные двигатели, 153т
признаки, 54т
промежуточные филаменты, 146р
Клеточная адгезия
интегрин-опосредованная, 178р
регуляция, 190р
кадгерин-опосредованная, 176р
нейрональная, 189р, 189-190
передача сигнала и, 190
Клеточная сигнализация, 191-197
оксид азота и, 198-199
протеинкиназа С и, 211-213
протеинфосфатазы и, 210-211
Src-киназы и, 226р
Клеточное ядро. См. Ядро
Клеточной адгезии молекулы, 189-190
Клеточно-матриксные взаимодействия, 177
Клеточные контакты и адгезия, 172-179
Клеточный цикл, 127р
не связанная с делением часть клеточного цикла,
138
продолжительность, 127
регуляция, 137-138
регуляторные точки, 132, 133р
развитие рака и, 140р
регуляция у млекопитающих, 131-143
фазы, 126
Коатомер, 90
Колбочки, 217
Коллаген, 183-187
биосинтез, 184
болезни, 186-187, 186т
организация, 185р
основные различия с эластином, 187т
прочность, 185-186
строение, 184р
тип IV, 186
типы, 183т-184т
характеристики, 185т
Коллагеназа; субстрат, 92т
249
Предметный указатель
Колониестимулирующие факторы, 228
Колхицин; синтез белка и, 72т
Коммуникационные контакты, 173
Компактизация хромосом, 129
Компартмент клеточной дифференцировки, 138
Комплексы транспорта электронов; свойства, 120т
Коннексины, 179
Коннексоны, 49, 179
Конститутивная секреция, 94р
Конститутивной секреции механизм, 89
Контактное торможение роста, 29
Концевые цистерны, 169
Концентрации градиент, 202
Кора клетки, 147, 160
Кортизол, структурная формула, 200р
Костный морфогенетический белок-2 (ВМР2), 233,
234р
Краббе болезнь; ферментный дефицит при, 33т
Красные кровяные клетки. См. Эритроциты
Кребса цикл, 117
Кристы, 64, 112
Критическая концентрация, 150, 158
Ксилозо-галактозо-галактозо-глюкуроновая кислота,
181
Культура клеток, 12
Культура ткани, 12
Ламеллоподии, 160
Ламин(ы), 58, 131, 149
Ламинин, 181, 187р, 188
Латеральная мембрана, 173
Лейкотриеновый путь, 39
Лейкотриены, 38
связь с клиникой, 39-41
Лиганд(ы). 50
липофильные, 199-208
распознавание рецепторами, 204р
связывание, рецептором 51
Лигандный сигнал, проведение, 51
Лизосомный мембранный транспорт, нарушения,
101т
Лизосомы, 58р, 92-110, 97р
измененные; связанные болезни, 53т
образование и функции, 98р
структура и функции, 92-100
ферменты в, 92т
функции, 27т, 56т
Липид(ы)
гликозилирование, 91
G-белки и, 207т
функциональные свойства, 35-38
ядерное гликозилирование, 78-83
Липидная мозаика, 37
Липидные мембраны, образование, 37р
Липиды мембран, 26-28, 32
амфипатическая природа, 35-36
биосинтез, 80-83
движение в плоскости мембранного бислоя, 37
клеточные сигналы и, 3-42
механизмы переноса, 8
образование жидкостей, 37
процент содержания в мембране, 32т
синтез в эндоплазматическом ретикулуме, 80т
типы и функции, 31-35
транслокация, 38
Липоксигеназы, 38
Липопротеин низкой плотности (ЛНП), 103
Липопротеиновые комплексы, состав, 80т
Липосомы, образование, 37р
Липофильных рецепторов семейство, 196-197
ЛНП-рецептор, 105
ЛХАТ-дефицит, наследственный, 82т
Лютеинизирующий гормон (ЛГ); физиологические
эффекты, 204т
Макропиносомы, 106
а-Маннозидазы дефицит, 101т
Маннозидоз, 101т
Маннозо-6-фосфат (М-6-Р), 91
Маннозо-6-фосфата (М-6-Р) рецептор, 94
Марото-Лами синдром; лизосомально-ферментные
или биохимические дефекты при, 34т
Матрикс соединительной ткани, 17р
Матриксное пространство, 112
Матричная РНК, 12
трансляционный конец,
Межклеточная адгезия кальций-независимая, 189
контакт межклеточный, 134, 138
межклеточные взаимодействия в тканях, 48
передача сигнала, 197
связывание, 195
соединение, 172
соединение межклеточное; в эпителиальной ткани,
174р
Межклеточная сигнализация, 195р
оксид азота и, 198р
Межклеточные контакты, 172
десмосомные, 177-178
запирающие, 173
коммуникационные, 173
межклеточные адгезионные, 175-176
плотные, 49, 173-174, 175т
прикрепительные, 173, 173т, 175
Межмембранное пространство, 63, 112-114
Меклоретамин; синтез белка и, 72т
Меланома; наследственная, 134
Мембранная ямка, 93
Мембранные «тени», 46
Мембранные белки
интегральные, 80, 197, 201
ориентация, 89р
механизм переноса, 76-77
ориентация в эндоплазматическом ретикулуме,
76р
поток, 60р
свойства, 43-45
связанные с липидами, 45
Мембранные пузырьки, 32 74
Предметный указатель
250
Мембраны цитоскелет, 46-48
Мембраны
апикальные, 173
базальные, 173
белковые связи внутри, 47р
важнейшие функции, 29
жидкостно-мозаичная модель, 29р
латеральные, 173
лизосомные, 92-98
направление к различным участкам, 109
перенос веществ и информации, 29т
плазматические, 26-28
полярных клеток, 48
поверхностные рецепторы, 50-51
сборка, 30~31
специализация, 49-50
ферментные маркеры, 27т
функции, 27т, 56т
Менкеса болезнь, 186
Метаболические ферменты, 64
Метастазирование; интегрин-фибронектиновый ре-
цептор и, 187-188
Метахроматическая лейкодистрофия;
молекулярный дефект при, 53т
ферментный дефицит при, 33т
Механизм действия киназы митоген-активируемого
белка (МАР), 224-226
Механизм отрицательной обратной связи, 217
Мешочки, 90
Миастения, 203
Микроворсинки, 49, 163-164
Микроскопия; подготовка тканей, 229-231
Микротрубочки связывающий домен, 152
Микротрубочки, 145-147
астральные, 142
динамическая нестабильность и, 150-152
измененные; связанные заболевания, 53т
кинезиновые поперечные мостики и, 154р
минус-конец, 145, 150, 157
митоз и, 142
плюс-конец, 145, 150, 157
полярные, 142
сборка in vitro, 150, 15Ip
свойства, 145т
связь с клиникой, 152-153
структура, 149-150, 150р, 155р
Микротубулярные двигатели, 143
Миозин II, 162-163, 162р
Миозин, 146, 162-163
мышечное сокращение и, 167р
поперечнополосатые и гладкие мышцы и, 176т
Митоген-активируемого белка (МАР) киназа, 213
Митоз, 139
регуляция, 129
Митоз-стимулирующий фактор (MPF), 128
регуляция митотических процессов и, 129, 129т
Митомицин С, синтез белка и, 72т
Митохондриальная FoFl-АТРаза, 123р
Митохондриальная ДНК, 63
Митохондриальная цитопатия; молекулярные дефек-
ты, 53т
Митохондриальные распознающие рецепторы, 64
транспорт белка в митохондрии и, 64т
Митохондриальные шапероны. См. Шапероны
Митохондриальный матрикс, 64, 114
перенос и сворачивание белков в, 68р
Митохондрии, 58р, 62-64, 112-125, ИЗр
заболевания и, 123-124
измененные, обусловленные болезни, 53т
мембраны, 66-67, 112-114, ИЗр
организация, 112-114
принципы устройства и работы, 62т
структура и функция, 62
транспорт белка в
механизм, 64
элементы процесса, 64т
функции, 27т, 56т
Митрамицин; синтез белка и, 72т
Мицеллы, 36
образование, 37р
Многослойный плоский неороговевающий эпителий,
16р
Многослойный плоский ороговевающий эпителий,
16р
Модель молнии, 106
Модель скользящих нитей, 165
Молекулы адгезии нервных клеток (N-САМ), 189р,
189-190
Молекулярная биология, 12-13
Молекулярное сито, 201
Молекулярные двигатели, 146, 153-154, 153т
Молекулярные переключатели, 92, 192, 223
Мономерный обмен, 83
Монотонные белки,
механизм переноса, 76-80
Монотонный трансмембранный белок, 45, 51
Моркио синдром; лизосомально-ферментный или
биохимический дефект, 34т
Мощный толчок, 167
Муковисцидоз, 89
белки, пораженные, 85т
Муколипидоз, 101т
Мукополисахаридов накопления болезни, 100, 101т
Мукополисахаридозы, 33-34
лизосомально-ферментные или биохимические де-
фекты, 34т
Мутация «son of sevenless», 224
Мышечная дистрофия, 169
Мышечная ткань, 164-170
гладкая. См. Гладкая мышца
сердечная. См. Сердечная мышца
скелетная. См. Скелетная мышца
типы, 164т
Мышечная ткань; клетки, 12
Мышечное сокращение, 165-169
актин-миозиновое взаимодействие, 167р
251
Предметный указатель
кальций, 169
механизм, 168р
механизм скользящих нитей, 165
регуляция, 168
цикл, 165-168
Накопительные пузырьки, 197
Направление движения пузырьков, 92, 93
Направленное перемещение рибосом, 76
Направленный транспорт, 86
Наружная мембрана, митохондриальная, 63, 114
Наружный домен, 219
Нарушения накопления в лизосомах, 100-102, 101т
Небулин, 169
Нейромедиация, 198-199
p-Нейроминидазы дефицит, 101т
Нейроны; окись азота в, 199
Нейротрансмиттеры, 15, 108—109
Нейрофиламенты, структура, 148р
Нейтрофилы; дегрануляция в, 99р
Нексус, 49-50
Неомицин; синтез белка и, 72т
Неподвижных ресничек синдром, 157
Нервная ткань; клетки 14-17
Ниманна-Пика болезнь, 101т
ферментный дефицит при, 33т
Новобиоцин; синтез белка и, 72т
Нуклеации участки, 147
Нуклеация, 150
Нуклеосома, 140
Нуклеотиды
ДНК, структура, 240р
РНК, структура, 243р
Обоняние; молекулярные основы, 217
Образование пузырьков; основные принципы, 85т
молекулярный механизм, 90-96
Общая бета болезнь, 82т
Овалоцитоз наследственный; молекулярный дефект,
48т
Ожирение, 200-201
Окаймленные пузырьки, формирование, 96р
Окаймленные ямки, 103
Окисление и восстановление флавиновых нуклеоти-
дов, 121р
Окисление, 114-117
Окислительное воздействие; старение и, 137
Окислительное фосфорилирование, 112, 114
аденозинтрифосфат и, 117
нарушения, 124т, 125т
Оксид азота
как клеточный сигнал, 198-199
межклеточная передача сигнала и, 198р
Олигосахарид-Ф-Ф-долихол; биосинтез, 81р
Олигосахариды; процессинг, 82р
Онкогены, 221, 226
рак и, 139т
Ооциты, развитие и оплодотворение, 128р
Опиоиды; физиологические эффекты, 204т
Опоясывающая десмосома (адгезионный пояс), 49
Опсиновый белок, 214
Опсонизация, 106, 106р
модель, 107р
Органеллы
внутриклеточные; функции, 27т, 56т
кинезиновые поперечные мостики и, 154р
последовательности/компоненты, направляющие
белки, 70т
синтез белка, процессинг и, 32р
эукариотические, 58р
О-связанные (углеводы), 181
Основное вещество, 172, 179
Отпочкование пузырьков, 83, 90
Палочки; перенос сигнала, 215р
Паракринный механизм, 195
Пахучие вещества, физиологические эффекты, 204т
Пептидлейкотриены, 39
Переливание крови; антигены клеточной поверхности
и, 29
Переходный эпителий, 16р
Период задержки, 200
Перистальтика, 197
Периферические белки, 44, 45-47
Периферические нервные волокна, 21р
Пероксисомные лакуны-предшественники, 67
Пероксисомный направляющий сигнал,
Пероксисомы, 66-72
биогенез, 70
болезни, 69, 68т
характеристики, 68т
импорт белков, 70
структура и функция, 66-67
функции, 27т, 56т
Пиноцитоз, 103, 102р
Пиропойкилоцитоз наследственный; молекулярный
дефект при, 48т
Пируват, 116, 117
Плазмалогены, 70
Плазматическая мембрана, 26-28
различные участки, 109
функция, 27т, 56т
Плакоглобин, 177
Плейотропия, 229
Плотные контакты, 49, 173-175, 175т
Плотные тельца, 176
Поздняя эндосома, 100, 103
Полимеризации фаза, 150
Полисомы, 74
Политопные белки, 45
механизмы формирования, 77-78
трансмембранные, 45, 76
Полоса-Ш, 159
Полудесмосомы, 149, 178
Получение энергии, 114-123
протоны и, 114-115
углеводы и жиры и, 115-117
Полярное тельце, 128
Полярность (филаментов), 145
Предметный указатель
252
Полярные микротрубочки, 142
Помпе болезнь, 101т
Поперечная исчерченность, 185
Поперечная трубочка, 169
Поперечнополосатая мышца; актин-миозиновое взаи-
модействие, 176т
Поперечные мостики, 148
Порин, 63
Последовательность возврата-задержки, 74
Последовательность начала переноса, 76, 77
Последовательность окончания переноса, 76, 77
Поток пузырьков, 56
Предсердного натрийуретического фактора рецептор,
197
Прикрепительные контакты, 173, 173т, 175
Провоспалительный ответ, 229
Прогестерон, структурная формула, 200р
Программируемая клеточная смерть, 134, 196
Проинсулиновый сахарный диабет; молекулярный
дефект, 53т
Проколлаген, 184-185
Пролактин, 230
Пролина остатки, 183
Промежуточные филаменты, 147-149, 177
белки, 147-149
классы, 149т
свойства, 145т
структура, 147
Промежуточный белок, 223
Промоторная область, 210
Пропептид, 184
Простагландины, 38
биосинтез, 38-39, 41р
связь с клиникой, 39-40
Протеиндисульфидизомераза; полость эндоплазмати-
ческого ретикулума и,
Протеинкиназа С, 193
клеточная сигнализация и, 211-214
физиологические функции, 213
Протеинкиназа А; сАМР и, 209-211
Протеогликаны, 173, 180, 181-183
гликозилирование и сборка, 91
локализация в организме, 183т
структура, 182р
Протеосомы, 130
Протонный насос, 114
Протонный насос; система транспорта электронов и,
122
Протоны и генерация энергии, 114-115
Протоонкогены, 138-139, 226
Профаза, 128
Профессиональный фагоцитоз, 94
Профилины, 159
Псевдонеонатальная адренолейкодистрофия, 68т
характеристики, 68т
Псевдополидистрофия Гурлера, 101т
Пузырчатка, 177
Пузырьки 72
мембранные, 32
накопительные, 197
окаймленные; формирование, 96р
покрытые клатрином, 93
ретроградные, 74
с плотным ядром, 108
секреторные, 108
синаптические, 108
транспортные, 32
эндоцитозные, 108
Пуромицин; синтез белка и, 72т
Разность скоростей пролиферации и смерти клеток,
134
Разрушение ядерной оболочки, 129, 140-141
Рак
актиновый цитоскелет и, 167
нарушение регуляции клеточного цикла и разви-
тие, 140р
раковые онкогены, 139т
Ранняя эндосома, 100, 103, 108
Распознающий белок, 130
Регулируемая секреция, 90
Регуляторная субъединица, 129
Регуляторная точка в S-фазе, 132
Редокс-потенциал, 69
Реснитчатый псевдомногослойный (многорядный)
цилиндрический эпителий, 16р
Реснички, 49, 154-167, 154р
дисфункция, 157
строение, 155р
Ретиналь, 216р
Ретинобластомы белок, 134
Ретиноевая кислота; структурная формула, 200р
Ретроградные пузырьки, 74
Ретроградный транспорт, 90, 96р
Рефсума болезнь, 68т
характеристики, 68т
Рецептор тирозинкиназных рецепторов; структура,
219, 219р
Рецептор тромбоцитарного фактора роста; связыва-
ние сигнальных молекул, 224р
Рецептор, активируемый пероксисомным пролифера-
тором, (PPAR), 67, 201
Рецепторно-негативный ген, 105
Рецепторно-опосредованный эндоцитоз, 103, 102р,
104р
нарушения, 105
характеристики, 104т
Рецепторные тирозинкиназы (RPTK), 218, 219-228
лиганды, 220
молекулярный филогенез, 220р
передача сигнала, 221-225
субстраты и мишени, 222т
Рецепторы гемопоэтических цитокинов, 230
Рецепторы трансформирующего фактора роста-0
(TGF0), 242
модель, 243р
Рецепторы факторов роста, 227
253
Предметный указатель
Рецепторы, 50, 192, 196
гидрофильные, 197
интегриновые: передача сигналов, 234-236
ионных каналов, 201
липофильные, 196-197
с серин-треонинкиназным доменом, 233
с тирозинкиназной активностью: передача сигнала,
228-233
связанные с G-белками, 203
факторов роста, 219
цитокиновые гемопоэтические, 230
ядерные, 199-200
консервативные домены, 201р
Рецессивные признаки, 204
Рециркуляция пузырьков, 92
Рианодиновые каналы, 212
Рибонуклеаза; субстрат, 97т
Рибонуклеопротеиновые комплексы, 30
Рибосомальная РНК; упаковка, 58
Рибосомы. 30, 58
синтез в ядрышке, 58
транспорт белка в митохондрии и, 64т
функции, 27т, 56т
Ригидная конформация, 167
Ризомелическая точечная хондродисплазия, 68т
характеристики, 68т
РНК-нуклсотиды; структурные формулы, 243р
РНК-полимераза II, 19
Родопсин. 216р
Родопсиновый комплекс, 215-216
Сальтаторное движение, 146
Сандхоффа-Ятцкевича болезнь; ферментный дефи-
цит, 33т
Санфилиппо синдром, 34
лизосомально-ферментный или биохимический де-
фект. 34т
Сарколемма, 169
Саркомеры. 14, 164
Саркоплазматический ретикулум, 169, 212
Сахарозо-изомальтазы дефицит врожденный, пора-
женные белки, 85т
Сборка веретена, 129
Сборка субъединиц, 69
Свет; физиологические эффекты, 211т
Световая микроскопия, 25
Сворачивание белка; митохондриальный матрикс и,
65р
Сворачивание полипептидов, 69
Секреторные белки; механизм переноса, 76-77
Секреторные гранулы с плотным ядром, 88
Секреторные пузырьки, 108
Секреция
конститутивная, 89р
по умолчанию, 89
регулируемая, 87-89
Сенсорные клетки; пути передачи сигнала, молеку-
лярные основы, 214-217
Сердечная мышца, 19р
механизм сокращения, 169—170
свойства, 164т
Серин-треонинкиназы, 192
Серин-треонинфосфатазы белков (PSPs), 227
Серпантинные рецепторы, 50
структура, 51р
Сиалолипидоз, 101т
Сигнала передача, 83
в палочках, 215р
внеклеточный матрикс и, 181-183
клеточная адгезия и, 190
при апоптозе, 135
фосфатазы белков и, 227-228
этапы, 192р
Сигнальная метка, 56
Сигнальная последовательность, 76
Сигнальные молекулы
экзогенные, 191
способы доставки к клеткам, 195
Сигнальные якорные белки; встраивание в мембрану,
77р
Сигнальный пептид, 64, 75, 76
транспорт белка в митохондрии и, 64т
Сигнальный участок, 99
Синапсы, 15
химическая передача, 109р
Синаптические пузырьки, 108
Синатобревин, 92
Синдеканы, 183
Синдром псевдо-Цельвегера, 68т
характеристики, 69т
Синтаксин, 92
Синтетаза оксида азота, 198
активация и подавление функции в клетке, 199т
Система транспорта электронов, 115
Скелетная мышца, 164-165, 165р
свойства, 164т
сокращение/расслабление; последовательность со-
бытий, 169т
уровни организации, 166р
Складчатость, 160
Скрученные спиральные димеры, 147
Слая синдром; лизосомально-ферментный или биохи-
мический дефекты, 34т
Слияние пузырьков, 83, 86р
Соединительная ткань, 180
клетки, 14, 16р
Сократительное кольцо, 163
Сократительный пучок, 147
Сокращения матки и волны межклеточного переме-
щения кальция, 198
Сортировка белков, 71р
Сортирующие сигналы, 110
Состояние предслияния, 162
Спектрин, 159-160
Спектриновый цитоскелет, 47
Спиновая метка, 37
Способность растворяться, 149
Предметный указатель
254
Старение
клеточное, 136-137
окислительное воздействие и, 137
Стержневой домен, 148, 162
Стероидная сигнальная система, 200-201
Стероидные гормоны, структурные формулы, 200р
Стероидных гормонов рецепторы, 199
Стимулированная секреция, 108
Стрептомицин; синтез белка и, 72т
Стрессовые волокна, 160, 163
Стыковочные участки, 192
Сульфатидный липидоз; ферментный дефицит при,
33т
Сферические единицы, 55р
Сфероцитоз наследственный, молекулярный дефект,
41т
Сфинголипиды, 32
заболевания, 103т
нарушения метаболизма и связанные с ними рас-
стройства, 33т
Сфингомиелин
процент содержания в мембране, 32т
структурная формула, 32р
Сфингомиелиназы дефицит, тип I, 101т
Сшивки, 156
Талин, 179
Танжье болезнь, 83т
Телофаза, 143
Терминальная сеть, 163
Терминирующий кодон, 74
Тестостерон, структурная формула, 200р
Тимозин, 159
Тирозинкиназные рецепторы: передача сигнала от,
228
Тирозинкиназы, 192
активируемые рецепторы, 197
внутриклеточные, Src-семейство, 225-227
Тирозинфосфатазы белков, (PTPs), 227-228
Титин, 169
Ткань, 12, 172
клеточная организация, 13-18
эпителиальная, типы, 15р
Толстые/тонкие филаменты, 165
Топогенный домен, 89
Топогенный сигнал, 89
Трансдуцин, 216
Транскрипция, 58
Транслокон, 75
Трансляционный конец, 74
Трансмембранные белки, 45
Трансмембранный гликопротеин, 178
Трансмембранный домен, 50, 220
монотонный,
Трансмембранный сигнал; механизм проведения,
51-52
Трансплантация тканей; антигены клеточной поверх-
ности и, 29
Транспорт лизосомных ферментов, нарушения, 101т
Транспорт электронов, 120-122
протонный насос и, 122
Транспортные пузырьки, 84
Транспортный пузырек, 31
Транс-регуляторный элемент, 19
Трансферрин, 103
Трансформирующий фактор роста-0 (TGF-0), 233
Трансцитоз, 108
Тревоги сигналы, 229
Триада, 169
Трискелион, 93
Тромбоксан; биосинтез, 40р
Тромбоцитарный фактор роста, 220
клеточный цикл и, 137
Тромбоцитов агрегация; оксид азота и, 198
Тромбоциты; образование арахидоновой кислоты, 39
Тропомиозин, 168
Тропонин, 168
типы, 168, 168т
Т-трубочки, 169
Тубулиновый полипептид, 149
Тучные клетки; медиаторы, 42р
Тея-Сакса болезнь, 101т
ферментный дефицит, 33т
Убиквитин, 130
Убиквитинлигаза, 130
Убихинон, 117
Углеводы: производство энергии и, 115-117
Фабри болезнь, 101т
ферментный дефицит, 33т
Фаголизосомы; образование, 107
Фагосомы, 107
Фагоцитарный сигнал, преобразование, 107
Фагоцитоз, 99, 102р, 105-106
Фагоциты
захват частиц; механизм, 106-107
профессиональные, 99
Фаза М, 126
Фаза стабильного состояния, 150
Фактор некроза опухоли (TNF), 228
Фактор роста нервов (NGF), 221
Фактор роста фибробластов, 221
Фактор, стимулирующий созревание, 128-129
Факторы роста, 50т, 103, 218
клеточный цикл и, 137-138
Факторы транскрипции, 200
Фаллоидины, 160
Фарбера липогранулематоз, ферментный дефицит
при, 33т
Фенотипы, 13-18
Ферменты репарации ДНК, 132
Феромоны; физиологические эффекты, 204т
Фибриллярный коллаген, 183
Фибробласт(ы), 14, 180-181
Фибронектин, 181, 187-188, 187р
Филамент(ы)
актиновые, 157-158, 175
функции, 160
255
Предметный указатель
свойства, 145т
десминовые, 177
промежуточные. См. Промежуточные филаменты
толстые, 165
тонкие, 165
цитокератиновые, 177
Филамин, 160
Филоподии, 160
Фимбрин, 160
Флавин-нуклеотиды; роль в окислительно-восстано-
вительных про 51цессах, 121р
Флиппазы, 80
Фодрин, 159
Фокальные адгезионные пластинки, 138
Фокальные контакты, 138, 160, 163
Фосфатазы, 192
субстрат, 97т
Фосфатидилинозитол
метаболизм в мембране, 43р
процент содержания в мембране, 32т
Фосфатидилсерин, процент содержания в мембране,
32т
Фосфатидилхолин
процент содержания в мембране, 32т
структурная формула, 32р
Фосфатидилэтаноламин, процент содержания в мем-
бране, 32т
Фосфоглицериды; процент содержания в мембране,
32т
Фосфоинозитиды, 41-42
Фосфолипид; взаимодействие с холестеролом, 35р
Фосфолипидный бислой; встраивание холестерола,
35р
Фосфорилирование, 51, 149, 191-197, 199
аденозинтрифосфат и, 117
нарушения, 124т, 125т
окислительное, 112, 114
Фосфорилирующие комплексы, ИЗр
Фотон, 214
Фоторецепторные клетки; строение, 215р
Фузионный белок млекопитающих, 94
Фукозидоз, 101т
ферментный дефицит, 33т
Хэйфлика феномен, 136
Хемиосмотическая теория, 115
Хемиосмотическое сопряжение, 117-119, 119р
Химический синапс, 109р
Хлорамфеникол; синтез белка, 72т
Хлорохин; синтез белка и, 72т
Холестерол, 34-35
взаимодействие с фосфолипидами, 35р
встраивание в фосфолипидный бислой, 35р
липопротеинов низкой плотности, 103
процент содержания в мембране, 32т
структурная формула, 34р
Хондроитин-4-сульфат; состав и распределение, 181т
Хроматин, 58
Хромосом нерасхождение, 133
Хромосома(ы)
конденсация, 139-140
образование, 141р
организация материала, 141р
Цельвегера синдром, 68т
пораженные белки, 85т
псевдо-Цельвегера синдром; характеристики, 68т
характеристики, 68т
Центр организации микротрубочек, 142, 147
Центриоли, 57р, 142, 152, 154-157
Центросомы, 145-147, 150
Церамиды, 32
Цереброзиды, 33
Цикл лимонной кислоты, 117, 118р
Циклин В
концентрация; клеточный цикл и, 130р
митоз и, 129
разрушение, 130, 130р
строение, 129
Циклин(ы), 13
клеточный цикл и, 132т
Циклинзависимые киназы (Cdk), 131
клеточный цикл и, 132т
ингибиторы
р!5 семейство, 134
р16 семейство, 134
р21 семейство, 133-134
р53 белок, 132, 134
р53 связывающий домен, 134
Циклогексимид, синтез белка и, 72т
Цис-, промежуточные и транс-стопки комплекса
Гольджи, 95-96
Цис-регуляторные элементы, 19
Цистерны, плоские, 95
Цитозоль, 30
синтез белка в, 30
функции, 27т, 56т
Цитокератиновые филаменты, 177
Цитокинез, 143, 163
Цитокиновые рецепторы, 197
гемопоэтические, 232
Цитокины
источники и эффекты, 232т
семейства, 223т
сигнальные системы, 232р
избыточность, 237, 238р
Цитоплазматический домен, 51, 220
Цитоплазмы перетекание, 161
Цитоскелет, 145
актиновый, 107
актиновый; рак и, 161
мембраны, 46-48
функции, 27т, 56т
элементы, 145т, 146р
Цитохалазины, 160
Цитохромов простетическая группа, 121р
Частица распознавания сигнала, (SRP), 75-76
Чресклеточная диффузия, 199
Предметный указатель
Чувствительный элемент, 210
Шапероны, 64-66, 198
полость эндоплазматического ретикулума и, 72
свойства, 66т
сворачивание белка и, 66т
транспорт белка в митохондрии и, 64т
Шейе синдром; лизосомально-ферментный или био-
химический дефект, 34т
Щелевой контакт, 49-50, 185, 186р
передача сигнала через, 198
Эйкозаноиды, 38, 212
свойства, 39т
Экдизон, структурная формула, 200р
Экзогенные сигнальные молекулы, 191
Экзоцитоз, 108
Экспрессия генов
протеинкиназа С и, 205
регуляция, 18-25
Эластин; различие с коллагеном, 187т
Электронная микроскопия
секреторные пути и, 86
Электростатические связи, 201
Электрохимический протонный градиент, 114
Элемент гормонального ответа, 199
Элементы PPAR-ответа (PPRE), 201
Эллиптоцитоз наследственный; молекулярный де-
фект, 48т
Элонгация, 150
Эмульсии; образование, 36р
Эмфизема легких наследственная; дефектные белки,
85т
Эндокринный механизм, 195
Эндоплазматический ретикулум (ЭР), 69
биосинтез мембранных липидов, 79т
гладкий, 55р
задержка белка в, 73-74
ориентация белков в мембранах, 73р
отпочковывание пузырьков от мембраны, 81
перенос белка, 75р
синтез белка, 30
функции, 27т, 56т
шероховатый, 55р, 69, 70р
ядерное гликозилирование, 78-83
Эндоплазматического ретикулума полость, 69-73
компоненты, 72
физико-химическая среда, 69
Эндорфины; физиологические эффекты, 204т
Эндосомы
поздние, 100, 103
ранние, 100, 103, 108
Эндоцитоз, 102-104
клатрин-зависимый, 102
клатрин-независимый, 102
механизм, 102р
рецепторно-опосредованный, 103, 102р, 104р
дефекты, 105
признаки, 104т
Эндоцитозные пузырьки, 108
Эндоцитозный механизм, 108
Энкефалины; физиологические эффекты, 204т
Энтактин, 189
Энхансеры, 23
Эпидермальный фактор роста, 221
Эпителиальные клетки, 13, 15р
базолатеральная поверхность, 49-50
структура и функции, 175р
Эпителиальные ткани
межклеточное соединение, 174р
типы, 15р
Эритропоэтин (EpoR), 231
Эритроциты, 43р
белки цитоскелета, 46-47
дефекты цитоскелета; генетические нарушения
48т
структура; актин и, 159р
электрофорез препарата эритроцитов, 47р
Эстрадиол, структурная формула, 200р
Эукариотические клетки
молекулярные двигатели, 153т
признаки, 56т
Эукариотических клеток органеллы, 57р
Юкстакринный механизм, 195
Ядерная ламина, 130, 149
Ядерная оболочка, 55р, 58
строение, 59р, 60р
Ядерная пора, 58-59
Ядерное гликозилирование, 69, 78-80
Ядерные рецепторы, 199-200
консервативные домены, 201р
Ядерный импорт/экспорт; механизмы, 59
Ядерный локализационный сигнал, 62
Ядерный поровый комплекс, (ЯПК), 58-59, 59р
импорт белков, 61р
Ядро, 54-58
модель, 58р
растворение и сборка, 62
строение, 57р
функции, 27т, 56т
Ядрышко, 55р
синтез рибосом, 58
Ядрышковый организатор, 58
Яйцо лягушки; процессы созревания, 128-129