10.2. Самосборка и биогенез клеточных структур

319

белковой молекулы, начиная от синтеза ее рибонуклеиновой матрицы и до вхождения наряду с другими соединениями в со- став определенных компонентов клетки, связаны с процессами самосборки. Именно эти процессы лежат в основе формирова- ' ния и биогенеза клеточных структур.

Самосборка — это процесс спонтанной агрегации одно- орка родных или разнородных молекул, который приводит к упоря-

^тур дочению молекул и росту многокомпонентных структур. Само-

сборку можно рассматривать как процесс кристаллизации, если агрегация молекул не сопровождается образованием кова-лентных связей. Если же вслед за самосборкой возникают ко-валентные связи, то такой процесс называют полимеризацией.

Механизмы самосборки основаны на слабых взаимодей­ствиях. В первую очередь ориентирующее влияние на моле­кулы начинают оказывать дальнодействующие электростатиче-• ские силы (на расстоянии 0,7 нм). Затем взаимное притяжение молекул дополняется водородными связями и, наконец, на рас­стоянии ОД нм начинают проявляться ван-дер-ваальсовы и ги­дрофобные взаимодействия. Ван-дер-ваальсовы силы возни­кают между нейтральными атомами и молекулами вследствие их поляризации. Избирательность механизма самосборки обес­печивается благодаря существованию у молекул биополимеров участков узнавания, комплементарных к определенным локу-сам молекул-партнеров. Комплементарными (дополняющими друг друга) называют стерическце структуры, которые могут входить в контакт с несколькими атомами или группами ато­мов, способными к попарным нековалентным взаимодей­ствиям. Этим обеспечивается высокое сродство и специфич­ность образования такого рода комплексов. Самосборка молекул происходит со снижением свободной энергии и пото­му самопроизвольно. Так как в процессе участвуют лишь слабые связи, самосборка молекул обратима.

Характер самосборки предопределяется особенностями пер­вичной структуры полимера, однако во многих случаях проис­ходит дополнительная регуляция процесса агрегации. В каче­стве регулятора могут выступать физико-химические условия среды, специализированные молекулы-регуляторы и другие факторы. Очень важный элемент узнавания — подстройка структуры одного из полимеров к месту связывания другого, что создает наиболее точное стерическое соответствие взаимо­действующих участков молекул. Например, установлено, что РНК-полимераза способна «приспосабливаться» к месту при­соединения в молекуле ДНК (промотору), приобретая различ­ную конфигурацию на разных промоторах.

Самосборка в биологических системах проявляется в бис-лойном расположении фосфолипидов в мембранах, комплемен­тарной последовательности азотистых оснований в нуклеи­новых кислотах, во взаимодействии фермента и субстрата, белка-рецептора и эффектора (например, фитогормона), в сбор­ке многокомпонентных ферментативных комплексов и т. д. На­пример, рибулозодифосфаткарбоксилаза в хлоропластах соби­рается из восьми больших и восьми малых субъединиц.

Большие субъединицы синтезируются в хлоропластах и выпол­няют каталитическую функцию, а малые образуются в цито­плазме и необходимы для регуляции активности фермента. Ни-трогеназный комплекс строится из двух компонентов: железо­содержащего белка и комплекса из четырех субъединиц и отдельного кофактора, в состав которых входят негемовое железо и молибден.Мультиэнзимные комплексы,выполняющие последовательные реакции в метаболических циклах, также монтируются в мембранах или на элементах цитоскелета пу­тем самосборки.

Предполагается, что в составе живой клетки имеются ком­плементарно связанные блоки ферментов и других биополиме­ров, эти блоки в свою очередь комплементарно объединены друг с другом и таким образом создают единую взаимосвязан­ную систему (Б. Ф. Поглазов, 1977). В связи с этим нужно от­метить, что в водной среде, в том числе в цитоплазме, агрегация веществ приводит к образованию жидкокристаллического со­стояния веществ системы.

Жидкокристаллическое состояние можно рассматривать как четвертое состояние вещества. Жидкие кристаллы более струк­турированы, чем жидкости, и менее, чем эти же вещества в твердом виде. Белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды, темы образуют в воде жидкокристаллические струк­туры. Важное свойство жидких кристаллов — их структурная упо­рядоченность и одновременно молекулярная подвижность. Та­кие жидкие кристаллы «реагируют» на разнообразные воздей­ствия внешней среды — свет, звук, механическое давление, изменение температуры, электрические и магнитные поля, на химические изменения в окружающей среде, т. е. обладают свойством, характерным и для живых клеток (Г. Браун, Дж. Уолкен, 1982).

Самосборка мембран. Входящие в состав мембран белки и липиды способны к самосборке. Гидрофобные мембран­ные белки ассоциируют друг с другом. Предполагается, что структурные белки мембран определяют ориентацию дру­гих мембранных белков. В формировании липидных компо­нентов мембран участвуют липиды, синтезируемые в глад­ком ЭР, хлоропластах, а также локализованные в липид­ных каплях (сферосомах). Гликопротеины и гликолипиды, синтезированные в АГ, доставляются в везикулах к мес­ту сборки.

Процесс сборки протекает в несколько этапов в соответ­ствии с принципом взаимного «узнавания» составных частей и липид-липидных, белок-белковых, липид-белковых взаимо­действий. Прочность мембранам придают гидрофобные связи между компонентами. Кроме того, в формировании плазма-леммы участвуют готовые мембранные блоки везикул Гольд­жи, встраивающиеся в нее в процессе секреции компонентов клеточной стенки.

Самосборка полисом. Сборка субъединиц рибосом осущест­вляется поэтапно. Вначале последовательно встраиваются бел­ки, спе ифичные для каждой субъединицы с участием структур

28S и 18S рРНК. Малая рибосомальная субъединица взаимодей­ствует с инициаторной тРНК в присутствии GTP, АТР и бел­ковых факторов инициации. Этот комплекс связывается с мРНК в присутствии ионов магния. Последней к мРНК при­соединяется большая рибосомальная субъединица (см. рис. 10.2).

Поскольку одну молекулу мРНК могут транслировать не­сколько рибосом, из которых каждая собирается на мРНК ана­логичным образом, в цитоплазме возникают полирибосомные комплексы. Другим типом полирибосом являются шерохо­ватый ЭР и наружная мембрана ядерной оболочки, на которых также собираются рибосомы.

Самосборка микротрубочек и микрофнламентов. Микротру­бочки жгутиков, кортикального слоя цитоплазмы и митотиче-ского аппарата построены по единому плану из глобулярного белка тубулина. Для сборки микротрубочек необходимы кислый рН среды, присутствие магния, GTP и АТР. Сборка чувствительна и к ионам Са²⁺: их избыток (0,02 ммоль/л и вы­ше) способствует разборке микротрубочек.

Скорость сборки зависит также от концентрации свободных мономеров тубулина. В контроле сборки микротрубочек уча­ствуют связанные с поверхностью микротрубочек белки. Сбор­ка осуществляется в два этапа. Вначале собирается затравка (ядро), а затем микротрубочка растет путем сборки субъеди­ниц. Существует критическая концентрация мономеров тубу­лина, превышение которой индуцирует сборку микротрубочек.

Микротрубочки — поляризованные структуры. Их сборка инициируется в центрах-организаторах микротрубочек, ко­торыми служат, например, скопления мембран ЭР на полюсах веретена (аналог центриоли), кинетохоры хромосом. Если один конец микротрубочки локализован в центре-организаторе, то прирост ее осуществляется у свободного (дистального) конца. У изолированных микротрубочек полярность выражается в раз­личной скорости сборки у двух концов.

В цитоплазме растительных клеток обнаружен немышечный актин.. Сборка глобулярных мономеров Г-актина в двойную спираль фибриллярного Ф-актина происходит с затратой энер­гии АТР в присутствии Mg²⁺. Фибриллярный актин образует пучки микрофиламентов, принимающие участие в движении цитоплазмы. Помимо микрофиламентов, актин может форми­ровать тонкие фибриллы, способные замыкаться, создавая се-теподобную структуру в цитоплазме. Превращение фибрилл актина в замкнутые структуры приводит к местному обратимо­му желатинированию цитоплазмы, что вызывается локальным увеличением концентрации ионов кальция. Это наблюдается, например, при прохождении потенциала действия по клетке ме­ждоузлия нителлы.

Биогенез хлоропластов. В онтогенезе клетки хлоропласты формируются из пластид со слаборазвитой системой внутрен­них мембран — пропластид, присутствующих в меристематиче-ских клетках (рис. 10.4). Развитие хлоропласта из пропластиды сопровождается диф еренцировкой мембранной системы

(образованием ламелл и гран) через ряд видоизменений пла­стиды. Одновременно осуществляется синтез и происходит пространственная организация пигментов, светособирающих комплексов, белков ФС I и ФС II и других компонентов. Пере­стройка мембранной системы хлоропластов и других пластид сопровождается постоянным обновлением структуры мембран, разрушением липидов и белков и включением в мембраны новых компонентов.

Биогенез хлоропластов осуществляется только на свету. Он наглядно прослеживается при развитии хлоропластов из сфор­мировавшихся в темноте этиопластов. Превращение этиопла-ста в хлоропласт сопровождается активным синтезом хлоро-пластных мРНК, рРНК, синтезом структурных белков и других компонентов. При этом под влиянием света прото-хлорофиллид этиопластов очень быстро превращается в хлоро­филл а (рис. 10.5, А). Затем около 2 ч длится фаза медленного изменения концентрации хлорофиллов (рис. 10.5, Б), после ко­торой их синтез значительно возрастает (рис. 10.5, В). К этому моменту ламеллярная структура хлоропласта уже сформирова­лась, но гран еще нет. Предполагается, что образование тила­коидов и гран из них связано с синтезом прежде всего бел­ковых компонентов ССК и ФС II в полисомах хлоропластов, имеющих вид колец. Белковые комплексы ФС II и ССК являются организаторами гран.

Количество хлоропластов при росте клетки увеличивается путем деления пропластид или дифференцирующихся хлоро- пластов. При делении ламеллярная система пересекается пере- мычкой поперек органоида. В ряде случаев наблюдалось по- чкование хлоропластов. Вслед за делением увеличивается размер дочерних хлоропластов. Деление хлоропластов проис- З^еалщигел ходит через 6 — 20 ч и не обязательно одновременно с делением

^Ж^Хшм'('ы'^С ядра. Деление пластид может регулироваться красным светом

[-■'■''«а (660 нм) и устраняется облучением дальним красным свеюм