Volume1
.pdf
xxxii Примечания для читателя
вычисления могут привести к пониманию принципов жизнедеятельности клеток. В нем представлены задачи, сопровождающие материал глав 1–20 книги «Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition». Каждая глава с задачами разбита на разделы, которые соответствуют таковым основного учебника, в ней вкратце освещены важнейшие термины, проверяется усвоение основных понятий и предлагаются задачи исследовательского характера. Книга «Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition: The Problems Book» будет полезна как в качестве домашних заданий, так и для работы в классе. Задачник может даже вдохновить фантазию педагога на составление экзаменационных вопросов. Решения ко всем задачам находятся на лазерном компакт-диске, сопутствующем книге. Также в Задачнике приведены решения задач, помещенных в конце глав основного учебника.
Мультимедийный компакт-диск MBoC5
DVD-диск, вложенный в каждый экземпляр книги «Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition», содержит рисунки, таблицы и микрофотографии из книги, занесенные в презентации Power Point, – по одной на главу. В отдельной папке находятся оригинальные версии всех рисунков, таблиц и микрофотографий в формате JPEG. Приложения представлены в формате PDF. Кроме того, на диск записано более 125 видеофильмов, а также мультипликации, обучающие программы по структуре молекул и микрофотографии высокого разрешения. Авторы пожелали включить в него материал, который не только подкреплял бы основные концепции и понятия, но также обогащал содержание книги и расширял пределы ее дидактических возможностей. К мультимедийным источникам можно обращаться либо как к отдельным файлам, либо через мультимедийный проигрыватель Cell Biology Interactive. Как было сказано выше, мультимедийный проигрыватель был запрограммирован на работу с медиакодами, вкрапленными в текст книги. Полное оглавление и краткий обзор всех электронных ресурсов содержатся в PDF-файле MBoC5 Media Viewing Guide, расположенном в корне DVD-диска и в Приложении мультимедийного проигрывателя. DVD-диск содержит также главы 21–25, которые охватывают многоклеточные системы. Эти главы представлены в формате PDF и могут быть легко распечатаны или подвергнуты поиску с помощью программы Adobe Acrobat Reader или какого-либо иного программного средства работы сфайлами PDF.
Обучающие приложения
Обучающие приложения к книге «Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition»
(«Молекулярная биология клетки») будут высланы квалифицированным преподавателям по запросу.
Набор диапозитивов MBoC5
Этот набор включает 200 полноцветных ацетатных диапозитивов с наиболее важными иллюстрациями из книги, предназначенными для демонстрации с помощью эпидиаскопа.
Тестовые вопросы MBoC5
При желании можно заказать набор тестовых вопросов. Написанные Кирстеном Бенджамином (Kirsten Benjamin; «Amyris Biotechnologies», Emeryville, California) и Линдой Хуан (Linda Huang; University of Massachusetts, Boston), эти вопросы,
Примечания для читателя xxxiii
требующие работы мысли, позволят преподавателям проверить усвоение студентами материала каждой из глав.
Конспекты лекций
Конспекты лекций представляют собой краткие планы, составленные на основе выделенных в тексте книги понятий.
Garland Science Classwire™
Все обучающие приложения на DVD-диске (как то: рисунки в формате JPEG и Power Point; главы 21–25 в формате PDF; 125 видео, мультипликаций и фильмов), а также тестовые вопросы и конспекты лекций доступны преподавателям соответствующей квалификации по сети в режиме реального времени на веб-сайте
Garland Science Classwire™. Garland Science Classwire™ предлагает доступ к другим учебным ресурсам изо всех учебников, изданных Garland Science, и предоставляет бесплатные диалоговые средства организации учебных курсов. Дополнительную ин-
формацию можно получить на веб-сайте http://www.classwire.com/garlandscience
или по электронной почте science@garland.com. Classwire — торговая марка ком-
пании «Chalkfree, Inc.».
Примечание: Adobe и Acrobat являются или зарегистрированными торговыми марками, или торговыми марками компании Adobe Systems Incorpareted в Соединенных Штатах Америки и (или) других странах.
PowerPoint является или зарегистрированной торговой маркой, или торговой маркой корпорации Microsoft Corporation в Соединенных Штатах Америки и (или)
других странах.
Часть I Введение в мир клетки
Главы
1.Клетки и геномы
2.Химия клетки и биосинтез
3.Белки
1
Клетки и геномы
Поверхность нашей планеты населена живыми существами — поражающими всякое воображение необычайно сложно организованными химическими фабриками, которые вбирают в себя вещества из окружающей их среды и используют это сырье для того, чтобы производить копии самих себя. Живые организмы являют удивительное разнообразие почти во всех отношениях. Что могло бы разниться сильнее, чем тигр и морская водоросль или бактерия и дерево? Еще наши предки, ничего не зная о клетках и ДНК, осознавали, что все сущее имеет что-то общее. Это «что-то» они назвали «жизнью». Изумляясь ей, они изо всех сил старались дать ей точное определение и отчаивались в попытках объяснить в понятиях, относящихся к неживой материи, ее суть и устройство.
Открытия XX века ничуть не умалили это чудо — совсем наоборот. Однако они приоткрыли завесу тайны, окружающей природу жизни. Теперь мы знаем, что все живые существа построены из клеток и все эти единицы живой материи имеют общие механизмы реализации большинства основных своих функций. Хотя живые существа представляются нам бесконечно разными, когда рассматриваются с внешней стороны, их внутреннее устройство по сути едино. Вся биология — контрапункт между двумя темами: поразительным разнообразием в отдельных деталях и удивительным постоянством в фундаментальных механизмах. Первую главу этой книги мы начнем с особенностей, которые универсальны для всех живых существ. Затем кратко рассмотрим разнообразие клеток и увидим, что благодаря общему коду, которым написаны инструкции для всех живых организмов, мы можем читать, соизмерять и расшифровывать эти инструкции, с тем чтобы прийти к ясному пониманию основ всех форм жизни – от самой маленькой до самой большой.
1.1. Универсальные особенности клеток на Земле
По оценкам ученых, сегодня на Земле существует более 10 миллионов, а возможно, даже 100 миллионов видов организмов. Каждый вид отличен от других и каждый воспроизводит себя в точности, давая потомство, которое принадлежит к тому же самому виду: родительский организм передает следующему поколению информацию, определяющую, с точностью до малейших деталей, характеристики, которые должен иметь потомок. Это явление — наследственность — образует тот стержень, вокруг которого строится определение жизни: оно отличает жизнь от других процессов типа роста кристалла, или горения свечи, или формирования волн на воде, в ходе которых производятся упорядоченные структуры, но единообразного типа связи между особенностями родителей и особенностями потомка здесь нет. Подобно пламени свечи, живой организм должен потреблять свободную энергию, чтобы создавать и поддерживать свою организацию; но в организме
2 |
Часть 1. Введение в мир клетки |
|
|
свободная энергия питает чрезвычайно сложную систему химических процессов, происходящих при реализации наследственной информации.
Большинство живых организмов представлено одиночными клетками; другие, такие как мы с вами, являются огромными многоклеточными сообществами, в которых отдельные группы клеток выполняют специализированные функции и связаны между собой сложными системами связи. Но во всех случаях, обсуждаем ли мы обособленную бактерию или совокупность более чем 1013 клеток, которые образуют тело человека, организм полностью формируется за счет многочисленных делений клеток и берет начало от одной-единственной клетки. Так что клетка исполняет роль транспортного средства для хранения и передачи наследственной информации, характеризующей вид (рис. 1.1). И, будучи хранителем и носителем этой информации, клетка включает в себя механизмы, позволяющие не только «добывать» из окружающей среды сырье, но и строить из него по своему образу и подобию новую клетку, укомплектованную свежей копией наследственной информации. И такой способностью обладает не только клетка.
Рис. 1.1. Наследственная информация в оплодотворенной яйцеклетке определяет природу целого многоклеточногоорганизма.а, б)Яйцеклеткаморскогоежадаетначаломорскомуежу.в,г)Яйцеклетка мышипорождаетмышь.д, е)ЯйцеклеткаморскойводорослиFucusдаетжизньморскойводорослиFucus. (Снимока—предоставленDavidMcClay;б—любезностьМ. Gibbs,OxfordScientificFilms;в—сразрешения PatriciaCalarco,изстатьиG. Martin,Science209:768–776,1980.©AAAS;г—любезностьO. Newman,Oxford ScientificFilms;дие—спозволенияColinBrownlee.)
1.1.1. Все клетки хранят свою наследственную информацию в единообразном линейном химическом коде (ДНК)
Компьютеры познакомили нас с понятием информации как измеряемой величины — миллион байтов (соответствующих приблизительно 200 страницам текста) умещается на дискете, 600 миллионов — на лазерном диске и так далее. Наряду с этим, они убедили нас в том, что разнообразие при записи одной и той же инфор-
Глава 1. Клетки и геномы 3
мации — далеко не идеальная форма для ее использования. Документ, который написан на компьютере одного типа, может оказаться недоступным для чтения на машине другого типа. По мере того как компьютерный мир эволюционирует, диски и ленты, которые мы применяли для создания наших электронных архивов, скажем, лет 10 назад, на современных машинах становятся нечитаемыми. Подобно компьютерам, живые клетки обмениваются информацией, не прекращая эволюционировать и дифференцироваться, по оценкам ученых, на протяжении вот уже более чем 3,5 миллиардов лет. Едва ли кто ожидал, что все клетки хранят свою информацию в одной и той же форме или что архивы клетки одного типа читаются механизмами обработки информации, присущими клетке другого типа. Но оказалось, что это действительно так. Все клетки на Земле – не известно ни одного исключения – хранят свою наследственную информацию в форме двухцепочечных (двунитевых) молекул ДНК — длинных неразветвленных спаренных полимерных цепей, всегда образованных из одних и тех же четырех мономеров: A, T, C, G. Эти мономеры связаны в длинную линейную последовательность, которая кодирует генетическую информацию точно так же, как последовательность единиц и нулей кодирует информацию в компьютерном файле. Мы можем взять часть ДНК из клетки человека и вставить ее в бактерию или, наоборот, взять часть бактериальной ДНК и вставить ее в клетку человека – и в обоих случаях информация будет успешно читаться, интерпретироваться и копироваться. С помощью химических методов ученые могут прочитать полную последовательность мономеров в любой молекуле ДНК — вплоть до миллионов нуклеотидов — и таким образом расшифровать наследственную информацию, которую содержит любой организм.
1.1.2. Все клетки воспроизводят свою наследственную информацию посредством матричной полимеризации
Чтобы постичь механизмы, которые лежат в основе жизни, необходимо понять структуру двухцепочечной молекулы ДНК. Каждый мономер в единичной цепи ДНК — то есть каждый нуклеотид — состоит из двух частей: сахара (дезоксирибозы) с прикрепленной к нему фосфатной группой и азотистого основания, которым может быть аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) или тимин (T) (рис. 1.2). Каждое сахарное звено связано со следующим через фосфатную группу, благодаря чему образуется полимерная цепь, состоящая из цепочки повторяющихся сахаро-фос фатных звеньев с выступающими из нее основаниями. Полимер ДНК наращивается путем присоединения мономеров к одному из концов. К одной отдельно взятой нити ДНК они, в принципе, могли бы добавляться в любом порядке, потому что каждый мономер связывается со следующим одним и тем же способом – через ту часть молекулы, которая одинакова для всех звеньев. Однако в живой клетке действует следующее ограничение: ДНК синтезируется не в виде свободной обособленной цепи, но на матрице, которой служит уже существующая нить ДНК. Основания, расположенные на существующей нити, связываются с основаниями синтезируемой нити согласно строгому правилу, определяемому взаимно комплементарной структурой оснований: А связывается с T, а C связывается с G. Такое спаривание оснований удерживает новый мономер в соответствующем месте и тем самым обеспечивает правильный выбор следующего, одного из четырех, мономера, который должен быть добавлен к растущей цепи. Таким образом создается двухцепочечная структура, состоящая из двух в точности комплементарных друг
4 |
Часть 1. Введение в мир клетки |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.1.2.ДНКиееструктурныезвенья.а)МолекулаДНКпостроенаизпростыхсубъединиц,называемых нуклеотидами;каждыйнуклеотидсостоитизсахарофосфатногозвенасприкрепленнойкнемубоковой группой—азотистымоснованием.Основанияпредставленычетырьмятипами(аденин,гуанин,цитозин итимин),которыесоответствуютчетыремразличнымнуклеотидам,обозначаемымбуквамиA,G,CиT. б)ОдноцепочечнаяДНКсостоитизнуклеотидов,соединенныхмеждусобойсахаро-фосфатнымимости- ками.Обратитевнимание,чтоотдельновзятоесахарофосфатноезвенонуклеотидаасимметрично,что придаетцепиДНКопределеннуюнаправленность,илиполярность.Этаполярностьнаправляетмолекулярныепроцессы,посредствомкоторыхзаложеннаявДНКинформацияинтерпретируетсяикопируется в клетках: информация всегда «считывается» в определенном порядке — так же как английский текст читаетсяслеванаправо.в)Приматричнойполимеризациипоследовательностьнуклеотидоввсуществующей (родительской) цепи ДНК управляет последовательностью присоединения нуклеотидов в новой нитиДНК:TводнойнитиспариваетсясАвдругой,аGводнойнити—сCвдругой.Последовательность нуклеотидов новой цепи комплементарна последовательности старой, родительской, цепи, а направ- ленностьсахаро-фосфатногоостовавновьсинтезированнойцепиДНКпротивоположнародительской: например,последовательностиGTAA…висходнойнитисоответствуетпоследовательность…TTACвновой. г) В норме молекула ДНК состоит из двух таких комплементарных цепей. Нуклеотиды в пределах каждойцеписвязанымеждусобойпрочными(ковалентными)химическимисвязями;комплементарные нуклеотидыпротивоположныхцепейудерживаютсявместеслабымиводороднымисвязями.д)Обецепи закрученыоднавокругдругойтакимобразом,чтообразуютдвойнуюспираль—устойчивуюструктуру, которая может вместить в себя любую последовательность нуклеотидов, не изменяя при этом своего основногостроения.
другу последовательностей нуклеотидов: А, С, T и G. Обе нити закручиваются одна вокруг другой и образуют двойную спираль (см. рис. 1.2, г).
По сравнению со связями в сахаро-фосфатных мостиках, связи между парами оснований слабы, и это позволяет двум нитям ДНК расходиться без разрыва
Глава 1. Клетки и геномы 5
их основных цепей. Каждая нить после этого может служить матрицей (только что описанным способом) для синтеза новой цепи ДНК, комплементарной своей матрице, то есть новой копии наследственной информации (рис. 1.3). В клетках разных типов этот процесс – репликации ДНК – происходит с разной скоростью, с использованием разных средств управления, необходимых для его запуска и остановки, и с привлечением разных вспомогательных молекул, способствующих его протеканию. Но основы процесса универсальны: ДНК — хранилище информации, а матричная полимеризация — способ, которым эта информация копируется во всем живом мире.
Рис.1.3.УдвоениегенетическойинформациипутемрепликацииДНК.Входеэтогопроцессадвецепи двойной спирали ДНК расходятся, и каждая служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи.
1.1.3. Все клетки преобразуют часть своей наследственной информации в одинаковую промежуточную форму (РНК)
Чтобы выполнять возложенную на нее функцию хранения информации, ДНК должна делать нечто большее, чем просто копировать себя перед каждым делением клетки сообразно только что описанному механизму. Помимо этого, она должна выразить, или, говоря научным языком, экспрессировать, свою информацию, чтобы направлять синтез других молекул в клетке. Этот процесс также происходит за счет действия механизма, общего для всех живых организмов, который прежде всего обеспечивает производство полимеров двух других ключевых классов: РНК и белков. Процесс начинается с матричной полимеризации, называемой транскрип- ция, в ходе которой сегменты последовательности ДНК используются в качестве матриц, направляющих синтез более коротких полимерных молекул, близких по природе к ДНК, — рибонуклеиновой кислоты, или РНК. Позже, в более сложном процессе, трансляции, многие из этих молекул РНК будут использованы для того, чтобы направлять синтез полимеров совершенно иного химического класса — бел-
ков (рис. 1.4).
В РНК основная цепь сформирована из сахара, немного отличающегося от такового в ДНК — рибоза вместо дезоксирибозы, — и одно из четырех оснований немного отличается по своей природе — урацил (U) вместо тимина (T); но другие три основания: A, C и G — те же самые, и все четыре основания спариваются с комплементарными им «парами» в ДНК: A, U, C и G РНК соответственно с T, A, G и C ДНК. В процессе транскрипции мономеры РНК выстраиваются в очередь
6 |
Часть 1. Введение в мир клетки |
|
|
Рис.1.4.ОтДНКкбелку.Генетическаяинформациясчитываетсяивводитсявиспользованиепосредствомдвухступенчатого процесса. Сначала, на этапе транскрипции, сегменты последовательностиДНКиспользуютсядлятого,чтобынаправлять синтез молекул РНК. Затем, во время трансляции, молекулы РНКиспользуютсядлятого,чтобынаправлятьсинтезмолекул белка.
и отбираются для полимеризации на матричной нити ДНК по тому же принципу, что и мономеры ДНК во время репликации. Поэтому в итоге обра-
зуется полимерная молекула, последовательность
нуклеотидов которой в точности воспроизводит часть генетической информации клетки, правда, записанной немного иным алфавитом, состоящим
из мономеров РНК вместо мономеров ДНК. Один и тот же сегмент ДНК может использоваться неоднократно и направлять
синтез множества идентичных друг другу РНК-транскриптов. Таким образом, если архив генетической информации клетки в форме ДНК является неизменным и неприкосновенным, то РНК-транскрипты выпускаются серийно, в большом количестве и предназначены для одноразового использования (рис. 1.5). Как мы увидим, главная роль большинства этих транскриптов — служить промежуточным звеном в передаче генетической информации: они представляют собой информационные, или матричные, РНК (мРНК), которым предписано направлять синтез белков согласно генетическим инструкциям, хранящимся в ДНК.
Молекулам РНК присущи характерные структуры, которые могут обусловливать индивидуальные химические свойства молекулы. Поскольку молекулы РНК одноцепочечные, их остов довольно гибкий, так что полимерная цепь может загибаться на себя, что позволяет разным участкам одной и той же молекулы обра-
Рис.1.5.Какреализуетсягенетическаяинформацияклетки. Каждая клетка содержит постоянный на-
бормолекулДНК—ееархивгенетическойинформации.ОпределенныйсегментэтойДНКнаправляет синтезбольшогочислаидентичныхРНК-транскриптов,которыеслужатрабочимикопиямиинформации, хранящейсявэтомархиве.Благодарятомучтотранскрипцияможетпроходитьизбирательно,наотдельных участках длинной последовательности ДНК может быть получено множество различных наборов молекулРНК;наклеточномуровнеэтоозначает:каждаяклеткаможетиспользоватьодинаковоедлявсех хранилищеинформациипо-своемуи,крометого,по-разномуприразличныхобстоятельствах.
Глава 1. Клетки и геномы 7
зовывать между собой слабые связи. Это происходит, когда сегменты последовательности локально комплементарны: например, сегмент …GGGG… будет стремиться примкнуть к сегменту …CCCC…. Внутренние объединения такого типа могут вынуждать цепь РНК принимать определенную форму (конформацию), которая предписана ее нуклеотидной последовательностью (рис. 1.6). А присущая молекуле РНК конформация, в свою очередь, позволяет ей узнавать другие молекулы и избирательно с ними связываться — а в некоторых случаях даже катализировать химические процессы в молекулах, с которыми она связывается. Как мы увидим в дальнейшем, несколько химических реакций, катализируемых молекулами РНК, являются ключевыми в некоторых самых древних и фундаментальных процессах, происходящих в живых клетках, на основании чего высказано предположение, что осуществляемый РНК всесторонний катализ играл центральную роль на ранних этапах эволюции (обсуждается в главе 6).
Рис. 1.6. Конформация молекулы РНК. а) Образование пар между нуклеотидами, находящимися в различных областях одной и той же полимерной цепи РНК, придает молекуле своеобразную форму. б)ТрехмернаяструктурамолекулыРНКвирусагепатита-дельта,котораякатализируетрасщеплениецепи. Голубаялента–этосахарофосфатныйостовРНК,апланки–спаренныеоснования.(Рисунокбвыполнен наоснованиииллюстрацииизстатьиA. R. Ferré-D'Amaré,K. ZhouиJ. A. Doudna,Nature395:567–574,1998. СразрешенияиздательстваMacmillanPublishersMagazinesLtd.)
1.1.4. Все клетки используют белки в качестве катализаторов
Молекулы белка, подобно молекулам ДНК и РНК, представляют собой длинные неразветвленные полимерные цепи, образованные за счет связывания мономерных звеньев, отобранных из стандартного ассортимента, общего для всех живых клеток. Как и ДНК и РНК, они несут в себе информацию в форме линейной последовательности символов — таким же образом, как сообщение человека, записанное с помощью букв. В каждой клетке находится много различных белковых молекул, и, без учета воды, они составляют бóльшую часть массы клетки.
Мономеры белка, аминокислоты, сильно отличаются от мономеров ДНК и РНК и представлены 20-ю типами вместо 4-х. Любая аминокислота построена