Биохимия Р.Марри

41

Л~дерные пептиды Phe, His, Leu, Thr, и IIv

PheA: met-Lуs-Нis-llе-Рrо-РНЕ-РНЕ-РНЕ.Аlа-РНЕ-РНЕ-РНЕ­

Thr-PHE-Pro

His: Met-Thr-Arg-Val-Gln-Phe-Lys-H/S-H/S-H/S-H/S-H/S-

H/S-H/S-Pro-Asp

Рис. 41.11. Модель процесса аттенуации для Тrp-оперона

E.coli. При избытке триптофана рибосома. транслирует ли­

дерную РНК, в результате синтезируется полны й лидерный

пептид. Рибосома маскирует области 1 и 2 цепи мРНК

и препятствует таким образом образованию ШПИ_'1ек из по­

следовательностей 1:2 и 2:3. В этих условиях свободно образуется только шпилька 3:4. РНК-полимсраза (не пока­

зана) транскрибирует лидерный пептид до полной останов­

ки транскрипции. При недостатке триптофана заряженная

трнкТгр будет лимитирующим фактором и рибосома за­

держится на тандемных триптофановых кодонах лидерно­

го пептида. В данном случае рибосома маскирует ТО."1ЬКО

область, поэтому может образоваться шпилька 2:3, что ис­ ключает возможность образования терминирующей шпи­ льки 3:4. В связи с этим РНК-полимераза продолжает транскрипцию области структурных генов. Когда лидер­

ный транскрипт не транслируется, становится возможным

образование шпильки 1:2 непосредственно после синтеза

соответствующих участков в ходе транскрипции, что

в свою очередь создает благоприятные условия для форми­ рования терминирующей шпильки 3:4. (Reproduced with

permission [гот Oxender О., Zurawski а., Yanofsky С. Ане­ nuration of the Escherichia coli tryptophan орегоп: Role of RNA secondary structure involving trytophan codon region.

Ргос. Natl. Acad. Sci. USA 1979. 76, 5524.)

РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ У ЭУКАРИОТ

в эукариотических клетках ядерная мембрана фи­

зически разделяет процессы транскрипции и транс­

ляции, поскольку рибосомы присутствуют только

в цитоплазме. Экспрессия генов у эукариот включает

гораздо большее число этапов, нежели у прокариот, особенно это относится к процессингу РНК. Соответ­

ственно у эукариот сушествует ряд точек приложе­

ния регуляторных воздействий, полностью отсут­

ствующих в прокариотических системах. Так, про­

цессинг РНК у эукариот включает кэпирование 5'- конца первичного транскрипта. добавление полиаде­ нилатного «хвоста» К 3'-концу транскрипта и выреза­

ние интронов. Полученные к настоящему времени

данные свидетельствуют, что экспрессия генов эука­

риот регулируется на уровне транскрипции, процес­

синга РНК в ядре и стабильности мРНК. Кроме того,

бьшо показано, что на экспрессию эукариотических

генов оказывают влияние амплификации и перестрой­

ка генов.

Рис. 41_12_ УстаНОВ.lенные по нуклеотидной последователь­

ности первичные структуры лидерных псптидов Phe до.

His-. Lcu-. Thr- и Ilv (изолейцин, лейнин. валин)-оперонов

E.coli или S. typblmur;um. Аминокислоты, регулирующие данный оперон, выделены шрифтом и подчеркнуты. (Re-

produced \vith permission from Yanofsky С. Аttепuаtiоп in со­ ntrol ofexpression ofbacterial operons. NаtШ-t: 1981.289.751.)

Благодаря достижениям генной инженерии за по­ следние годы достигнут значительный прогресс в по­

ним~lНИИ процесса экспрессии эукариотических ге­

нов. Однако, поскольку большинство эукариот со­ держит значительно больше генетической информа­

ции, чем прокариоты, а возможности манипуляций

с генами эукариот существенно ограничены, молеку­

лярные аспекты регуляции эукариотических генов

изучены гораздо хуже. В этой части главы очень

кратко представлено несколько типов реГУЛЯIIИИ

эукариотических генов.

АмплификаlЩЯ геllО8 в ходе развития

На ранних этапах развития многоклеточных во­ зникла необходимость в резком увеличении ЧИСЛ:l определенных молекул, например рибосомных РНК

или мРНК белков, формирующих такие специфиче­

ские образования, как, например, яичная CKOP_1YlIa. Одним из путей интенсификации синтеза таких мо­

лекул может служить увеличение числа копий соот­

ветствующих генов. Так, например, повторяющиеся

последовательности ДНК включают сотни копий ге­

нов рРНК и тРНК. Многокопийность этих генов за­

ложена в геномном материале гамет изначально и,

следовательно, передается от поколения к поколс­

нию. У некоторых организмов, таких, как плодовая мушка (Dro~'ophila), амплификация нескольких опре­

деленных генов, например генов белков хориона,

происходит в ходе оогенеза. В этом случае увеличе­

ние числа копий данного гена, вероятно, достигается путем многократной ИНИЦИ:lЦИИ синтеза ДНК в од-

Неамплифицированы sЗб sЗ8

sЗ6 sЗ8

Амплифицированы

Рис. 41.13. Схема процесса а:\1плификации генов хориониче­

ских белков s36 и s38. (Reproduced with регшissiоп fюш Chis-

hо\ш R. Gene l\шр\ifiсаtiоп duгiпg dеvе\оршспt. Trcl1ds Bioc-

hеш. Sci. 1982, 7, 16\.)

ственно не связаlПlые между собой. Впервые раздель­

ная локализация фрагментов одного и того же ге­ на была продемонстрирована на примере сегментов

ДНК, кодирующих вариабельный и константный домены легкой цепи молекулы иммуноглобулинов

(антител). Иммуноглобулины, как описано в гл. 55,

состоят из двух различных полипептидных цепей­ легкой (L) и тяжелой (Н) (рис. 55.3). Как L-, так и Н­

цепи имеют на N-конце вариабельные (V) и на С­ конце константные (С) участки. Вариабельные обла­

сти ответственны за распознавание антигенов (чуже­ родных молекул), а константные-за эффекторные

функции, определяющие дальнейшую судьбу ком­

плекса антиген - -антитело.

ном И том же репликационном пузыре, благодаря че­

му возникают множественные сайты инициации

транскрипции соответствующих генов (рис. 38.16

и41.13).

Впоследние годы появилась ВО"JМОЖНОСТЬ вызы­

вать амплификацию специфических областей генома культивируемых клеток млекопитаюших. В некото­

рых случаях последовательное применение увеличи­

вающихся доз селективного агента приводит к ам­

плификации специфического гена в несколько тысяч раз. Так, у онкологических больных, получавших ме­

тотрексат (противораковый препарат), развивалась устойчивость опуходевых клеток к этому лекарству.

В основе этой лекарственной резистентности лежит

амплификация гена дигидрофолатредуктазы, кото­

рая сама по себе является точкой приложеllИЯ в тера­

певтическом действии метотрексата. Спонтанно

произошедшая амплификация генов in vivo, т. е. в от­

сутствие экзогенных селективных агентов, может за­

крепиться в геноме при соответствующем давлении

отбора.

Перестройка генов иммуноглобулинов

Один из наиболее интересных и сложных вопро­ сов, вставших перед биологами в последние десяти­ летия, был связан с генетическими и молеКУ:IЯРНЫМИ основами множественности анти;rел (см. гл. 55).

Кроме того, благодаря достижениям в области им­

мунологии было показано. что клетки иммунной си­ стемы человека, дифференцируясь, производят анти­ тела с одной и той же специфичностью, но с различ­

ными эффекторными функциями. В последние не­ сколько лет исследования ряда лабораторий внесли

весомый вклад в понимание генетической основы

множественности антител и регуляции экспрессии ге­

нов иммуноглобулинов в ходе развития и клеточной дифференцировки.

Как описано в гл. 39, нуклеотидные последова­ тельности, кодирующие ту или иную белковую мо­

лекулу, в геноме млекопитающих часто оказывают­

ся разделенными на отдельные сегменты, непосред-

За формирование молекулярной структуры им­

муноглобулинов отвечают три несцепленных семей­

ства генов. Два из них кодируют легкие л- и К- цепи

и одно-тяжелые цепи иммуноглобулинов. Каждая легкая цепь детерминирована тремя от­

дельными сегментами- вариабельным (VL)'соеди­

нительным (J ) и константным (C ). Гаплоидный ге­

L L

ном млекопитающих содержит около 500 различных V•.-сегментов. 5-6 Jl-сегментов и, вероятно, 10 или 20 Cl-сегментов. При дифференцировке лимфоид­ ных В-клеток VL-сегмент переносится с дистального участка данной хромосомы ближе к JL - И CL-

сегментам. Такая перестройка хромосомной дик по­

зволяет осуществить транскрипцию всех трех се­

гментов в виде единого первичного транскрипта

РНК-предшественника, образующего после процес­ синга зрелую молекулу мРНК легкой цепи иммуно­ глобулинов данного вида. Перестановка различных

V -, J - и CL-сегментов в геноме позволяет иммун­

L L

ной системе организма создать чрезвычайно разно­

образную библиотеку антигенспецифических моле­

кул иммуноглобулинов. Такие перестановки при образовании генов легких цепей называют V- J -соединением.

Тяжелая цепь кодируется четырьмя сегментами:

VН' D (от англ. divеrsitу-разнообразие), JH и Сн' Ва­

риабельная область тяжелой цепи образуется при со­ единении Vн-, JH- И О-сегментов. Образовавшая VН-О- -Jн-область ДНК в свою очередь соединяет­

ся с одним из восьми Сн-генов. Эти Сн-гены (CIJ, Св,

Су3, Суl, Су2Ь, Сu2а, Си и Ct;) определяют классы

и подклассы-IgМ, IgG, IgA и т.д.­

иммуноглобулиновых молекул (см. гл. 55). Пример

перестроек и процессинга, приводящих к образова­

нию тяжелой цепи Су2Ь. представлен на рис. 41.14. В результате дифференцировки В-клетки. секре­

тирующие антитела против определенного антигена,

получают возможность секретировать антитела раз­

личных классов, характеризующихся одинаковой ан­

тигенной специфичностью, но различной биологиче­ ской функцией. Различные классы иммуноглобули­

нов построены из одинаковых легких цепей и Vн­

областей тяжелых цепей, но содержат различные Сн-

вичного транскрип га при сплайсинге, механизм ко­

торого рассмотрен в гл. 39.

Описанная комбинаторика сочетаний отдельных сегментов со всей очевидностью значительно увели­ чивает закодированный в геноме объем информа­

ции. Этот механизм не только обеспечивает множе­

ственность вариантов структур вариабельных обла­

стей, но позволяет закрепить полезные перестройки при изменении функции клеточной линии в ходе кле­ точной дифференцировки.

Кажущийся сложным процесс перестройки ДНК при развитии и диффереНllировке клеток может быть

объек гом достаточно простой регуляции, основан­ ной на своевременной индукции и репрессии специ­ фических сшиваюших белков. узнающих высококон­

сеРВdтивные последовательности, фланкирующие

соответствующие кодирующие последовательности.

ТранскрипциOlШЫЙ KO"TPO~1Ь

В гл. 39 ).щно определение промотора как такого

участка последовательности гена, с которым должна

связываться РНК-полимераза, чтобы начагь транс­ крипцию с соответствуюшего саЙта. Промоторные

последовательности точно определяют, где РНК­

полимераза начнет транскрипцию. Решение вопроса

о том, KOI'.Ja(или как часто) такая транскрипция дол­ жна происходить. предс гавляет собой более сло­

жную и значительно менее понятную щюблему. Как

показано в гл. 39, два отдельных фрагмента ДНК

в комплексе со специфическими связывающимися

белками определяют именно эти «где» и «когда». В предельном случае, когда транскрипция находится

на нулевом уровне, вопросы «где» и «когдю> не

имеют особого смысла, поскольку транскрипция не начинается вовсе. ЛО"1ТОМУ сигнал типа «где» являет­

ся потенциальным сигналом, не имеющим смысла

в том случае, если сигнал «когдю> принимает значе­

ние «не сейчас». Как показано в гл. 38. в хроматине

ядра можно выделить как достаточно обширные

транскрипuионно-неактивные области (конститутив­ но или факультативно), так и области потенuиально­

активного хроматина. Кроме того, как отмечалось

Роль энха"сеРО8

В дополнение к крупным изменениям структуры

хроматина, влияющим па транскрипционную актив­

ность, в молекуле ДИК существуют спеuифические

сигналы-усилители, способствующие повышению

эффективности транскрипции. Например, у вируса

обезьян SV40 промотору ранних генов предше­

ствуют (на расстоянии около 200 пар оснований) две

идентичные тандемные последовательности длин­

ной 72 пары оснований, способные значительно уси­

ливать экспрессию генов in vivo. Эти так называемые

энхансерные ЭJIементы (от англ. to enhance-

усиливать) отличаются от промоторов двумя основ­

ными чертами. Они могут влиять на транскрипцию генов, даже будучи удалены от промоторов на тыся­ чи пар оснований, и второе-их усиливающий

эффект не зависит от ориентаuии. Действие энхансе­

ров имеет неспецифический характер- они могут

усиливать транскрипцию с любых доступных про­

моторов. Так, введение энхансерного элемента виру­ са SV40 в плазмиду, несущую клонированный ген р­ глобина, может привести к 200-кратному усилению

транскрипции :ного гена. Энхансерный элемент,

судя по всему, не кодирует какого-либо спеuифиче­

ского эффектора. непосредственно воздействующего

на промотор, поскольку его действие проявляется

только по отношению к промоторам, находяшимся

на той же молекуле ДНК, что и сам энхансер (цис­

эффект). В настоящее время уже вьщелены белки,

связывающиеся с энхансерами. Изучение их функ­ ций, вероятно, поможет понять механизм действия

этих регуляторных элементов. Энхансеры придают тем областям ДНК, где они расположены, гиперчув­

ствнтельность к действию нуклеаз (см. гл. 38).

Уже выявлено много генов, обладающих энхан­

серами, расположенными самым различным обра­ зом относительно кодирующих участков. В дополне­

ние к простому усилению транскрипции некоторые

энхансерные элементы обладают тканевой специ­

фичностью. Так, энхансер. расположенный между 1- и С-областями генов иммуноглобулинов, усиливает

экспрессию этих генов преимущественно в лимфоид-

ных клетках. 3нхансерные элементы генов панкреа­ тических ферментов способны избирательно усили­

вать экспрессию сцепленных с ними чужеродных ге­

нов в клетках поджелудочной железы мыши (введен­

ных в составе генно-инженерной конструкции на ста­

дии одноклеточного эмбриона методом микрохи­ рургии). Таким образом, тканеспецифичная экспрес­ сия генов может быть опосредована действием энхансеров или энхансероподобных элементов.

Другие регуляторные элементы

отвечали на присутствие цинка в питьевой воде

усилением экспрессии тимидинкиназы или гормона

роста. В последнем случае трансгенные животные достигали вдвое большего размера, чем контроль­ ные нормальные особи.

Глюкокортикоиды-это класс стероидных гор­

монов, регулирующих экспрессию генов (см. гл. 44). При попадании молекул глюкокортикоидов в клетку

млекопитающих они связываются со стероид-спе­

цифичныIM рецептором, который претерпевает при этом конформационные изменения в uитоплазме и проникает в ядро. Комплекс глюкокортикоид­

траНСКРИПlIИИ. Рассмотрим в качестве примера ме­

таллотионеин- белок, связывающий тяжелые ме­

таллы и содержащий много остатков цистеина, ко­

торый присутствует в большинстве органов млеко­ питающих. Если организм или культивируемая кле­ точная линия подвергаются обработке ионами ме­ таллов. таких, как цинк или кадмий, то наблюдается

усиление транскрипции металлотионеинового гена

и соответствующее повышение уровня белка метал­ лотионеина, способного связывать потенциально токсичные ионы. С использованием методов генной инженерии стало возможным выделение области ДНК размером в несколько сот пар оснований, ра­

сположенной вблизи сайта инициации транскрипции

гена металлотионеина. К этому металлотионеиново­

му регуляторному элементу можно присоединить

другой структурный ген, например ген тимидинки­ назы. Полученную химерную конструкцию можно ввести в куль гивируемые клетки, при этом в некой небольшой доли клеток реализуется встраивание чу­

жеродной ДИК в геном. При обработке трансфор­ мированных таким образом клеток ионами тяжелых

может быть клонирована и присоединена к другому

структурному гену. После встраивания таких химер­

ных конструкций в геном культивируемых клеток

млекопитающих репортерные структурные гены

приобретают способность контролироваться содер­

жанием глюкокортикоидов в среде, т. е. становятся

стероид-индуцибельными генами. Постепенно уко­

рачивая нуклеазной обработкой концы клонируемо­

го фрагмента и вводя в него мутации, можно иденти­ фицировать районы ДНК, которые непосредственно

участвуют в связывании с гормон-рецепторным ком­

плексом. Создается впечатление, что связывание гор­

мон-рецепторного комплекса с определенным участ­

K()~ ДНК превращает его в активный энхансерный элемент. В ближайшем будущем мы, вероятно, смо­

жем разобраться в молекулярном механизме точной

регуляции экспрессии эукариотических генов, в част­

ности на примере стероид-зависимых генов.

Процессинг РНК как мехаllИЗМ

регуляции экспрессии

процессингу. Что касается выбора первичных транс­

криптов, подлежащих процессингу, то механизм это­

го процесса неизвестен так же, как нет и прямого до­

казательства того, что выбор этот может меняться

в ходе развития или в ответ на факторы окружаю­

щей среды.

Прямое доказательство дифференциального про­

цессинга первичных транскриптов получено при изу­

чении регуляпии синтеза иммуноглобулинов.

Дифференциа~lЬНЫЙ процессинг РНК

Выше уже ГОВОРИ."'J:ось о том, что первым имму­

ноглобулином, СИlIтезирующимся при дифферснци­

ровке В-клеток, является IgM. Однако на самых ран­

них стадиях развития В-клеток IgM при секреции не

проходит полностью через клеточную мембрану.

С-концевая область Jl-цепи, подобно мембранным

белкам. остается встроенной в мембрану (см. гл. 42). Jl-Uel1h нормально секретируемого IgM обозначают

Jls' а Il-цепь IgM, остающегося связанным с мембра­

ной,- Jlm' Аминокислотные последовательности Jls-

и Jlm-цепей единичной В-клетки или клеточной линии

идентичны вплоть до домена C~,4 С-концевой обла­

сти (см. рис. 55.3). Вслед за доменом CJ.l4 в цепи Jls

рисположен гидрофильный 20-звенный сегмент. в то время как С-конец Jlm-цепи содержит гидрофобный

38-звенный сегмент, заканчивающийся последова-

с них кднк-копий. Выяснилось. что Jlm-MPHK со­

стоит из 2700 оснований. а Jls-MPHK из 2400 основа­

ний. Анализ нуклеотидной последовательности

клонированного геномного участка, кодирующего

молекулы Jl-MPHK. показал. что оба вида Jl-MPHK обрuзуются из общего транскрипта-пред­

шествепника в результате альтернативного про­

llессинга РНК в ядре. На рис. 41.15 представлены два возможных пути сплайсинга для образования Jl,-

и Jlm-MPHK молекул, транскрибированных с единич­

ного Jl-гена.

Общий mPHK-предшественник содержит два по­

тенuиальных сайта полиаденилирования (см. гл. 39):

один - между экзонами С1.14 и М и второй- со сто­

роны 3'-конца от экзона М. В зависимости от того.

какой из двух возможных сайтов полиаденилирова­ ния подвергается эндонуклеазной атаке в ходе под­ го гонки к полиаденилированию, образуется тот или

иной из двух типов Jl-MPHK (Jlm- или Jls-) тяжелых це­ пей с различными 3'-концами. Возможно, что именно

выбор сайта полиаденилирования и определяет один

из двух альтернативных вариантов сплайсинга экзо­

нов первичного транскрипта.

Стабильность мРНК

Стабильность молекул матричной РНК в цито­

плазме представляет собой фактор. изменение кото­

Конец

секрети-

руемого

продукта м 3кзоны

Таблица 41.2. Частоты встречаемости различных типов контроля (с разрешения Оагпеll J. Е. Variety in the leve1 of ge-

пе contro1 in eukariotic cel1s, Nature 1982,297,359 Copyright i ]982 Ьу Масшillап Journals Ltd).

строго обосно­

ванные примеры

Ядро

часов. Кроме того. известно, что эстрогены усили­ вают транскрипцию данного гена в 4--6 раз. Все 'НО

вместе приводит к значительному накоплению ви­

теллогениновой ·мРНК. Время полужизни мРНК ос­ новного молочного белка - казеина - также значи­ тельно увеличивается при инкубации клеток молоч­

ной железы с гормоном пролактином.

ка считывания (аттенуация)

Процессинг РНК

эффективное гь трансляции которых не удается до­ статочно четко различить in vitro. Это предполагает существование неких факторов. способных ра­ спознавать специфические зрелые молекулы мРНК и избирательно изменять скорость их трансляции по сравнению с другими молекулами мРНК.

В табл. 41.2 сравнивается частота различных ти­

пов контроля экспрессии эукариотических генов.

характера

Эффективность трансляции '" 1О конкрет­

Предполагается, что количество примеров будет расти для тех ва­

риантов контроля, которые пока представлены лишь одним или не­

сколькими примерами. На сегодняшний день бессмысленно даже

предполагать, каковы же истинные частоты использования различ­

ных типов контроля экспрессии генов.

рого может влиять как положительно. так и отрица­

ЛИТЕРАТУРА

Compere S. J., Palmiter R. D. DNA шеthуlаtiоп controls the inducibility оГ the mouse metallothioncin-I gene in Iymphoid ceIls, СсН. 1981. 25. 233.

Darnell J. Е. Variety iп the level of gene сопtгоl iп eukaryotic ceI1s, Nature, 1982. 297. 365.

Jacob F., Monod J. Gепеtiс regulatory шесhапisms in ргоtеiп

synthesis, J. Mol. Biol., 1961, З. 318.

McKnight s.. Tjian R. Transcriptional selectivity оГ viral genes in шашшаliап ceIls, СеН, 1986, 46, 795.

PtasJme М., Johnson А. D.. РаЬо С. о. А genetic switch iп

а bacterial virus. Sci. Аш. (Nov.). 1982, 247, 128.

Sltiтizu А.. HOlljo Т. IпшшпоglоЬu1il1 class s\vitching, Сеll,

1984.36,801.

тельно на уровень экспрессии данного гена. Стаби­

лизация мРНК при фиксированной скорости транс­

крипции будет приводить к ее накоплению, и наобо­ рот. О механизмах, вовлеченных в систему деграда­ ции мРНК, известно немного. и все же можно приве­

сти несколько описанных примеров контроля этого

процесса. Эстрадиол продлевает время полужизни

мРНК вителлогенина с нескольких до более чем 200

sи,({t G. Н. е! а/. Tissue-specific expression ()Г the rat p<increatic elastase I gene in tf<insgenic шiсе, СеН, 1984, 38. 639.

ВаЫ С. R.. Narang S. А. Lactose operator-repressor interaction, Сигг. Тор. СеН. Regul., 1978, 13, 137.

Уаmаmotо К. Steroid receptor rcgulated transcription of specific gene <ind gene networks. Аппи. Rev. Genet., 1985, 19, 209.

Yanofsky С. Attenuation in the сопtго1 of expression оГ bacteri<il operons, Nature, ]981. 289. 751.

ВВЕДЕНИЕ

Мембраны - это чрезвычайно вязкие, но тем не

менее пластичные струк гуры. окружающие все жи­

вые клетки. Плазматическая мембрана образует

замкнутый отсек (компартмент), внутри которого находится цитоплазма; э го обеспечивает изоляцию одной клетки от другой и оБУСЛОВ.lИвает их индиви­ дуальность. Плазматическая мембрана обладает се­

'1ективной проницаемостыо и является барьером.

с помощью которого поддерживается различный со­ став вне- и ВНУ гриклеточной среды. Селек гивная

прониuаеМОСl ь обеспечивается работой каналов

и насосов, транспортирующих различные ионы

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Изменения в мембранных структурах могут ска­

зываться на водном балансе и ионных потоках,

а следовательно, на любых проuессах, протекающих

внутри клетки. Отсутствие какого-то мембранного

компонента или его модификация приводят к раз­

личным заболеваниям. В качестве примеров можно

указать на отсутствие в лизосомах кислой мальтазы,

приводящее к нарушению з(!пасания гликогена ти­

па 1I; дефиuит переносчик(! иода, вызывающий

появление врожденного зоба (см. рис. 46.2); наруше­ ние эндоцитоза липопротеинов низкой плотности,

приводящее к р(!звитию гиперхолестеролемии и ар­

жающей средой путем экзо- и эндоцитоза; суще­

ствуют также особые мембранные структуры-­

щелевые контакты, через которые соседние клетки

обмениваются веществами.

Мембраны формируют также спеuиализирован­ ные компартменты внутри клетки. Такие внутрикле­ точные мембраны образуют многочисленные мор­ фологически р(!зличимые структуры (органеллы)-­

митохондрии, эндоплазматический ретикулум, сар­ коплазматический ретикулум. комплекс Гольджи,

секреторные гр(!нулы, лизосомы и ядерные мембра­ ны. В мембранах локализованы ферменты, функuио­

нирующие как интегральные элементы процесс(! воз­

буждения и ответа на него, а также ферменты, уча­ ствующие в преобразовании энергии в таких процес­

сах, как фотосинтез и окислительное фосфорилиро­

ПОДДЕРЖАНИЕ НОРМАЛЬНОГО

СОСТАВА СРЕДЫ

Поддержание нормального состава среды внутри

клетки и вокруг нее-это основ(! жизнедеятельно­

сти. Жизнь возникла в водной среде, следовательно, ферментативные реакции, клеточные, субклеточные

и другие биологические процессы эволюциониров(!­

ли именно в этом окружении. Сейчас большинство

млекопитающих обитают в газообразной среде. Как же поддержив(!ется у них водный статус? Вода удер­ живается в организме благодаря мембранам, кото­ рые пронизывают водную среду и образуют ком­

ные молекулы регуляторов (гормонов), координи­ руюших работу пространственно разобшенных кле­ ток. Внеклеточная жидкость удаляет СО2, отходы метаболизма и токсичные или обезвреженные ве­

шества из непосредственного окружения клетки.

Состав клеток и внеклеточной

жидкости

Как видно из табл. 42.1, ионный состав внутри­

клеточной ЖИДКОСТИ сильно отличается от состава

внеклеточной среды. Внутриклеточная среда богата

ионами К+ и Mg2+, а основным анионом является

фосфат, тогда как внеклеточная жидкость содержит в большом количестве ионы Na + и Са2 +, а основным анионом является С] -1). Отметим также, что концен­

трация глюкозы во внеклеточной жидкости выше,

чем в клетке, а для белков наблюдается обратная си­

туация. Чем обусловлено такое различие? Пола-

СТРУКТУРА МЕМБРАН

Мембраны - это сложные структуры, состоящие из ЛИlIИДОВ, белков и углеводов. Различные мембра­

ны внутри клеток и между ними имеют неОДинако­

вый состав. характеризуемый отношением белки: ли­ пиды (рис. 42.1). Это неудивительно, если учесть, какие разнообразные функции выполняют мембра­ ны. Мембраны являются асимметричными плоски­ ми замкнутыми структурами. обладающими внеш­ ней и внутренней поверхностями. Эти плоские струк­ туры образованы не с помощью ковалентных связей,

итем не менее они термодинамически стабильны

иметаболически активны. В мембранах «заякорены»

особые белковые молекулы, которые осушествляют

функции, специфические для определенных орга­

нелл, клеток или организмов.

1) Указанное соотношение анионов характерно в ос­

новном для клеток животных.- Прuм. перев.

ТаБЛИI,а 42.1. Средние концентрации различных веществ

снаружи и внутри клеток млекопитающих

ЛИПИДНЬIЙ СОСТАВ

Большинство липИДов В мембранах млекопитаю­

щих представлены фосфолипидами, гликосфинголи­

пидами и холестеролом.

Фосфолипиды

Фосфолипиды в составе мембран подразделя­ ются на две основные группы. Наиболее распростра­ нены фосфоглицериды, состоящие из остатка глице­

рола, к которому присоединеllЫ эфирными связями две жирнокислотные молекулы и фосфорилирован­ ный спирт (рис. 42.2). Жирные кислоты обычно со­

держат четное число атомов углерода, в основном 14 или 16. Их углеродные цепочки не разветвлены и мо­ гут быть как насыщенными, так иненасыщенными Наиболее простым фосфоглицеридом является фосфатидная кислота-1, 2-диацилглицерол-З-фос­ фат- ключевой интермедиат при образовании

Рис. 42.1. Отношение белок/липид в разных мембранах. Количество белка равно или превышает количество липида почти во всех мембранах. Исключением из ,ного правила

является лишь миелин --электрический изолятор. обнару­

женный во \oIногих нервных волокнах. (Из работы Singer

S. J.: Architecture and topography of biologic membranes. Chapter 4 In: СеIJ Membranes: Biochemistry. СеIl Biology and Pathology. Weissman а.. Claibome R. [editors] HP PubIising

Со, 1975, с любезного разрешения.)

всех других фосфолипидов (см. гл. 25). В дру­ гих фосфолипидах фосфат этерифицирован спир­

товой группой таких соединений, как этанола­

мин. холин, серин. глицерол или инозитол.

Второй класс фосфолипидов представлен сфинго­ миелинами, содержащими остаток сфингозина вме-

Жирные КИСЛОТbI

}

сто глицерола. Жирная кислота присоединена к ами­

ногруппе сфингозина амидной связью. Первичная гидроксильная группа сфингозина этерифицирована фосфорилхолином (см. с. 157). Сфингомиелины,

как следует из их названия. входят в состав миелино­

вой оболочки.

Гликосфинrолипиды

Гликосфинголипидыэто липиды' содержащие

остатки сахаров. Сюда входят цереброзиды и ган­

глиозиды. а также производные сфингозина. Цере­

брозиды и rанглиозиды отличаются от сфингомиели­

на тем, какие группы присоединены к первичной гид­

роксильной группе сфингозина. В сфингомиелине

к спиртовой группе присоединен фосфохолин, а цере­

брозид содержит в "Этом положении остаток гексозы,

глюкозы или галактозы (см. с. 157). Ганглиозид со­

держит цепочку из трех и более сахаров, причем по крайней мере один из них- это сиаловая кислота,

связанная с первичной спиртовой группой сфингози­

на.

Стеролы

Наиболее распространенным стеролом в мембранах

является холестерол, который содержится почти ис­ ключительно в плазматической мембране клеток

млекопитающих, но в меньшем количестве может

присутствовать также в митохондриях, мембранах

аппарата Гольджи и ядерных мембранах. Содержа- .

ние холестерола обычно увеличивается в направле­ нии к наружной стороне плазматической мембраны.

Холестерол встраивается между фосфолипидными

молекулами, причем его гидроксильная группа кон­

тактирует с водной фазой, а остальная часть распо­ лагается внутри гидрофобного слоя. При температу­ ре выше температуры фазового перехода (см. описа­

ние жидкостно-мозаичной модели) его жесткое сте­

рольное кольцо взаимодействует с ацильными груп­ пами фосфолипидов, ограничивая их подвижность;

это приводит К уменьшению текучести мембран.

С другой стороны, при температурах, близких к тем­ пературе фазового перехода, взаимодействие холе­

стерола с ацильными цепями препятствует их взаим­

ному упорядочиванию. В результате снижается тем­ пература, при которой происходит переход жид­

кость-гель, а это помогает поддерживать текучесть

мембраны при более низких температурах.

Амфифильная природа мембран