Молекулярная биология клетки. Том 1
.pdf
111
Рис. 2-41. Пространственное разобщение трех стадий расщепления глюкозы в эукариотической клетке. Гликолиз осуществляется в цитозоле, тогда как реакции цикла лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования - только в митохондриях.
ключены функционально связанные ферменты для выполнения специальных задач. В определенном смысле живая клетка подобна современному городу со множеством специализированных служб, концентрирующихся в разных районах и связанных друг с другом при помощи обширной сети различных коммуникаций.
В многоклеточных организмах пространственная организация выходит далеко за пределы отдельной клетки. Различные ткани тела обладают разнообразным набором ферментов и по-разному способствуют выживанию организма. Кроме различий в специализированных продуктах, таких, как гормоны или антитела, между разными типами клеток одного и того же организма имеются еще и существенные различия в общих для всех клеток метаболических путях. Хотя фактически во всех клетках имеются ферменты гликолиза, цикла лимонной кислоты, синтеза и распада липидов и метаболизма аминокислот, уровни всех этих процессов по-разному регулируются в различных тканях. Нервные клетки, возможно, наиболее «привередливые» клетки организма, содержат крайне малые запасы гликогена или жирных кислот, целиком «полагаясь» на глюкозу, поставляемую с кровью. Клетки печени снабжают глюкозой клетки активно работающих мышц. Кроме того, они используют молочную кислоту, образованную в мышцах, для синтеза глюкозы (рис. 2-42). Клетки каждого типа обладают специфическими для них особенностями метаболизма и широко сотрудничают как в нормальном состоянии, так и при тренировках, стрессе или голодании.
Заключение
Тысячи и тысячи различных биохимических реакций, одновременно осуществляемых клеткой, тесно скоординированы между собой. Разнообразные механизмы контроля регулируют активность клеточных ферментов при изменении существующих в клетке условий. Наиболее общая форма регуляции - это легко обратимое ингибирование по принципу обратной связи, когда первый фермент метаболического пути ингибируется конечным продуктом этого пути. Более длительная форма регуляции включает в себя химическую модификацию одного фермента под действием другого, что часто происходит в результате фосфорилирования. Комбинации регуляторных механизмов могут вызывать сильные и длительные изменения в метаболизме клетки. Не все клеточные реакции происходят в одних и тех же внутриклеточных компартментах, и пространственное разграничение клетки внутренними мембранами позволяет органеллам осуществлять специализацию своих биохимических функций.
Рис. 2-42. Схематическое изображение метаболического взаимодействия между клетками печени и мышц. Основным «топливом» для клеток активно работающих мышц служит глюкоза, значительная часть которой поставляется клетками печени. Молочная кислота - конечный продукт анаэробного распада глюкозы в мышцах в процессе гликолиза - вновь превращается в глюкозу в ходе глюконеогенеза в печени.
112
Литература
Основная
Herriott J.; Jacobson G; Marmur J.; Parsom W. Papers in Biochemistry. Reading, MA: Addison-Wesley, 1984. *Lehninger A.L. Principles of Biochemistry. New York: Worth, 1982.
Stryer L. Biochemistry, 3rd ed. New York: W.H. Freeman, 1988.
Wood W.В.; Wilson J.H.; Benbow R.M.; Hood I.E. Biochemistry: A Problems Approach, 2nd ed. Menlo Park. CA: Benjamin-Cummings, 1981.
Цитируемая
1.Henderson L.J. The Fitness of the Environment. Boston: Beacon, 1927; reprinted 1958. (Классический анализ в доступном изложении.)
2.Ingroham J. L.; Maaloe О.; Neidhardt F. C. Growth of the Bacterial Cell. Sunderland, MA: Sinauer, 1983.
3.Roehrig K. L. Carbohydrate Biochemistry and Metabolism. Westport, CT: AUI Publishing, 1984.
Sharon N. Carbohydrates. Sci. Am., 243(5): 90-116, 1980.
4.Robertson R. N. The Lively Membranes. Cambridge, U. K.; Cambridge University Press, 1983.
5.Saenger W. Principles of Nucleic Acid Structure. New York: Springer, 1984.
6.Hess В.; Markus M. Order and chaos in biochemistry. Trends Biochem. Sci. 12,: 45-48, 1987.
Lehninger A.L. Bioenergetics: The Molecular Basis of Biological Energy Transformations. 2nd ed. Menlo Park, СA: Benjamin-Commings, 1971.
**Schrodinger E. What is Life? Mind and Matter. Cambridge, U. K.: Cambridge University Press, 1969. 7. Dickerson R.E. Molecular Thermodynamics. Menlo Park. Ca.; Benjamin, 1969.
Klotz I. M. Energy Changes in Biochemical Reactions. New York: Academic Press, 1967.
8.Raven P. H.; Evert R. H.; Eihhorn S. E. Biology of Plants, 4th ed. New York: Worth, 1981.
9.Racker E. From Pasteur to Mitchell: a hundred years of bioenergetics. Fed. Proc. 39: 210-215, 1980.
10.Fothergill-Gilmore L.A. The evolution of the glicolitic pathway. Trends Biochem. Sci. 11: 47-51, 1986. Shulman R.G. NMR Spectroscopy of living cells. Sci. Am. 248(1): 86-93, 1983.
11.Lipmann F. Wanderings of a Biochemist. New York: Wiley, 1971.
12.Schlenk F. The ancestry, birth and adolescence of ATP. Trends Biochem. Sci. 12: 367-368, 1987.
13.McGilvery R. W. Biochemistry: A Functional Approach, 3rd ed. Philadelphia: Saunders, 1983.
Racker E. A. New Look at Mechanisms in Bioenergetics. New York: Academic Press, 1976.
14.Kornberg H.L. Tricarboxylic acid cycles. Bioessays 7: 236-238, 1987.
15.Krebs H. A. The history of the tricarboxylic acid cycle. Perspect. Biol. Med. 14: 154-170, 1970.
Krebs H. A.; Martin A. Reminiscences and Reflections. Oxford, U. K.: Clarendon Press; New York: Oxford University Press, 1981.
16.Pullmann M. E.; at al. Partial resolution of the ensymes catalyzing oxidative phosphorylation. J. Biol. Chem. 235: 3322-3329, 1960.
17.Prigogine I.; Stengers I. Order out Chaos: Man's New Dialogue with Nature. New York: Bantam Books, 1984.
18.Eisenberg D.; Crothers D. Physical Chemistry with Applications to the Life Sciences. Menlo Park, СA: Benjamin-Cummings, 1979. Reich J. G.; Selkov E. E. Energy Metabolism of the Cell - A Theoretical Treatise. New York: Academic Press, 1981.
19.Martin B.R. Metabolic Regulation: A Molecular Approach. Oxford, U.K.; Blackwell Scientific, 1987.
***Newsholme E.A.; Start C. Regulation in Metabolism. New York: Wiley, 1973.
20.Pardee A. B. Molecular basis of biological regulation: origins of feedback inhibition and allostery. Bioessays 2: 37-40, 1985.
21.Hess B. Oscillating reactions. Trends Biochem. Sci. 2: 193-195, 1977.
22.Cohen P. Control of Enzyme Activity. 2nd ed. London: Chapman and Hall, 1983.
В русском переводе имеются следующие издания *Ленинджер А. Основы биохимии. В 3-х томах. -М.: Мир. 1985.
**Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физика. Изд. 2-е. М., Атомиздат, 1972.
***Ньюсхолм Э., Старт К. Регуляция метаболизма. М.: Мир, 1977.
113
3. Макромолекулы: структура, форма и информационные функции
Макромолекулы клетки отличаются от ее малых молекул не только более крупными размерами. Белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды обладают уникальными и поистине поразительными свойствами, мало похожими на те, которые присущи их составляющим малым молекулам. Биологические макромолекулы построены из тысяч, иногда миллионов, атомов, собранных в точно детерминированную пространственную структуру. Каждая из этих макромолекул несет специфическую информацию, заключенную в их структуре. Ее можно рассматривать как серию биологических посланий, которые могут быть «прочитаны» при их взаимодействии с другими молекулами, что позволяет осуществить определенную функцию, необходимую для клетки.
В этой главе мы проанализируем структуру макромолекул, главным образом белков и нуклеиновых кислот, и попытаемся объяснить, как они в процессе эволюции приспособились к выполнению своих функций. Мы рассмотрим принципы, по которым эти молекулы катализируют химические превращения, строят сложные макромолекулярные структуры, осуществляют движение и (самое важное) хранят и передают наследственную информацию.
3.1. Процессы молекулярного узнавания [1]
Макромолекулы обычно имеют молекулярные массы от 10000 до 1 млн., т. е. по размеру такие молекулы занимают промежуточное положение между описанными в гл. 2 органическими молекулами и надмолекулярными структурами и органеллами, которые будут обсуждаться в последующих главах (рис. 3-1). Одна малая молекула, вода, составляет 75% общей массы клетки; почти всю остальную массу клетки составляют макромолекулы (табл. 3-1).
Как описано в гл. 2, макромолекулы собираются из низкомолекулярных субъединиц, которые, присоединяясь одна за другой, образуют длинную полимерную цепь (см. рис. 2-33). Обычно в построении каждой цепи участвуют лишь субъединицы одного семейства. Так, аминокислоты, связываясь с другими аминокислотами, образуют белки; нуклеотиды, связываясь с другими нуклеотидами, образуют нуклеиновые кислоты, а сахара, соединяясь с другими сахарами, формируют полисахариды. Поскольку для нормального функционирования макромолекулы решающее значение имеет точная последовательность субъединиц (мономеров), при биосинтезе макромолекул должны действовать механизмы, точно определяющие положение каждого мономера в цепи полимера.
Рис. 3-1. Сопоставление размеров белков с размерами других компонентов клетки. Рибосома представляет собой макромолекулярный комплекс, состоящий из примерно 60 белков и молекул РНК.
114
Таблица 3-1. Примерный химический состав типичной бактерии и типичной клетки млекопитающего
|
|
Доля от общей массы клетки, % |
|
|
|
Компонент 1) |
бактерия Е. coli |
клетка млекопитающего |
Н2О |
70 |
70 |
Неорганические ионы (Na +, K +, Mg2 +, Са2+, Сl - и т. п.) |
1 |
1 |
Разнообразные низкомолекулярные метаболиты |
3 |
3 |
Белки |
15 |
18 |
РНК |
6 |
1,1 |
ДНК |
1 |
0,25 |
Фосфолипиды |
2 |
3 |
Другие липиды |
— |
2 |
Полисахариды |
2 |
2 |
|
|
|
Общий объем клетки |
2-10-12 см3 |
4-10-9 см3 |
Относительный объем клетки |
1 |
2000 |
1) Белки, полисахариды, ДНК и РНК - это макромолекулы. Липиды обычно не считают макромолекулами, хотя они и обладают некоторыми свойствами последних; например, большинство липидов синтезируется в виде линейных полимеров из молекул меньшего размера (ацетильной группы ацетилкофермента А) и путем самосборки образует более крупные структуры (мембраны).
3.1.1. Специфические взаимодействия макромолекулы зависят от слабых нековалентных связей [2]
Макромолекулярные цепи образуются с помощью ковалентных связей, которые достаточно прочны, чтобы поддерживать последовательность субъединиц макромолекулы в течение длительного времени. Но заключенная в этой последовательности информация выражается с помощью значительно более слабых нековалентных связей. Такие слабые связи возникают между разными частями одной и той же макромолекулы и между разными макромолекулами. В совокупности эти связи определяют и пространственную структуру макромолекулярных цепей, и то, как эти структуры взаимодействуют друг с другом.
Нековалентные связи в биологических молекулах обычно подразделяют на три типа: ионные взаимодействия, водородные связи и вандерваальсовы взаимодействия. Еще одно важное слабое взаимодействие создается пространственной структурой воды, которая стремится свести вместе гидрофобные группы и тем самым ослабить их разрушительное действие на сеть водородных связей молекул воды (схема 2-1). Такое выталкивание из водного раствора иногда считают четвертым типом слабой нековалентной связи. Все эти четыре типа слабых связей представлены на схеме 3-1.
В водном растворе каждая нековалентная связь в 30-300 раз слабее, чем типичные ковалентные связи, удерживающие вместе биологические молекулы (табл. 3-2) и лишь ненамного превышает среднюю энергию столкновения молекул, обусловленную тепловым движением при 37 °С. Одна нековалентная связь в отличие от одной ковалентной слишком слаба, чтобы противостоять тепловому движению, стремящемуся раз-
115
двинуть молекулы в разные стороны, поэтому, чтобы скрепить поверхности двух молекул требуется большое количество нековалентных связей. Большое число нековалентных связей может образоваться между двумя поверхностями только тогда, когда большое число атомов поверхностей точно соответствуют друг другу (рис. 3-2). Именно этим объясняется специфичность биологического узнавания, которое происходит, например, между ферментом и его субстратами.
Слабые нековалентные связи определяют, как различные участки одной молекулы располагаются друг относительно друга, кроме того, они определяют, как такая макромолекула взаимодействует с другими молекулами. Однако, как можно видеть в верхней части схемы 3-1, атомы ведут себя как твердые шары определенного радиуса («вандерваальсов радиус»). Невозможность взаимного перекрывания двух атомов ограничивает число пространственных расположений атомов (или конформаций), которые возможны для каждой полипептидной цепи. В принципе длинная подвижная цепь, такая, как молекула белка, может складываться огромным числом способов, при которых каждая кон-формация будет иметь разный набор слабых взаимодействий между цепями. Однако на деле большинство клеточных белков стабильно складывается только одним способом; в ходе эволюции была отобрана такая последовательность аминокислотных субъединиц, одна конформация которой способна образовывать значительно более благоприятные взаимодействия между цепями, чем любая другая.
3.1.2. Спираль является общим структурным элементом биологических молекул, построенных из повторяющихся субъединиц [3]
Биологические структуры часто образованы путем соединения похожих друг на друга субъединиц, таких как аминокислоты или нуклеотиды, в длинную повторяющуюся цепь (разд. 2.4.5). Если все субъединицы одинаковы, то соседние субъединицы в цепи будут соединены друг с другом только одним способом: их взаимное расположение будет таково, что энергия контакта между ними окажется минимальной. Каждая субъединица при этом расположена точно так же, как соседние, так что субъединица 3 будет входить в субъединицу 2, а субъединица 2 - в субъединицу 1 и т. д. Поскольку сборка субъединиц в виде прямой линии явление очень редкое, то обычно образуется спираль - регулярная структура, напоминающая винтовую лестницу, как показано на рис. 3-3. В зависимости от направления закручивания различают спирали правые и левые (рис. 3-4). Направление спирали не изменится, если спираль перевернуть, но изменится при зеркальном отражении.
Спирали весьма распространены среди биологических структур. Спирализации подвержены и молекулы, состоящие из субъединиц, соединенных ковалентными связями (ДНК), и большие белковые молекулы с нековалентными связями (актиновые нити). Это неудивительно: спираль возникает при простом накладывании друг на друга многих субъединиц, каждая из которых строго повторяет положение предыдущей.
3.1.3. Диффузия - первая стадия молекулярного узнавания [4]
Прежде чем связаться друг с другом, две молекулы должны прийти в соприкосновение. Это достигается путем теплового движения, вызывающего случайные перемещения, или диффузию молекул. Поскольку, находясь в жидкости, молекулы быстро сталкиваются и отскакивают
116
Схема 3-1. Основные типы слабых нековалентных связей, участвующих во взаимодействии макромолекул.
117
118
Таблица 3-2. Ковалентные и нековалентные химические связи
|
|
Энергия связи, ккал/моль 1) |
|
Тип связи |
Длина, нм |
|
|
в вакууме |
в воде |
||
|
|
|
|
Ковалентная |
0,15 |
90 |
90 |
Ионная |
0,25 |
80 |
1 |
Водородная |
0,30 |
4 |
1 |
Вандерваальсова |
0,20 |
0,1 |
0,1 |
________________________________________________________
1) Энергию связи можно представить как энергию, необходимую для ее разрыва. Здесь она дана в килокалориях на моль (ккал/моль). Одна килокалория - это количество энергии, необходимое для повышения температуры 1000 г воды на 1°С. Широко используется и другая единица измерения -килоджоуль (кДж), равный 0,24 ккал. Индивидуальные связи значительно варьируют по силе в зависимости от конкретных атомов в микроокружении, так что приведенные величины могут служить лишь для грубой ориентировки. Обратите внимание на то, что водная среда клетки существенно ослабляет ионные и водородные связи между неводными молекулами.
друг от друга, индивидуальная молекула движется сначала В одну сторону, затем в другую, описывая «беспорядочную траекторию» (рис. 3-5). Среднее расстояние, пройденное такой молекулой, пропорционально квадратному корню времени. Иными словами, если перемещение некой молекулы на 1 мкм занимает в среднем 1 с, то перемещение на 2 мкм в среднем займет 4 с, а на 10 мкм - 100 с и т.д. Таким образом, диффузия - это эффективный способ перемещения молекул на ограниченные расстояния, но неэффективный для перемещения на большие расстояния.
В опытах с введением в клетки флуоресцентных красителей и других меченых молекул было установлено, что в цитоплазме малые молекулы диффундируют почти так же быстро, как в воде. Молекуле такого размера, как АТР, требуется лишь 0,2 с для диффузии в среднем на расстояние 10 мкм, что составляет диаметр небольшой клетки животного. Однако макромолекулы движутся значительно медленнее. Объясняется это не только тем, что им присуща меньшая скорость диффузии, но и тем, что их движение тормозится частыми столкновениями со многими другими макромолекулами, положение которых в цитоплазме фиксировано (рис. 3-6).
Рис. 3-2. Схема, иллюстрирующая, как макромолекулы узнают друг друга с помощью слабых взаимодействий.
119
Рис. 3-3. Спираль образуется, когда серии субъединиц подстраиваются друг к другу регулярным образом. На переднем плане показано взаимодействие двух субъединиц, а сзади изображены спирали, получающиеся в результате этого взаимодействия. Эти спирали имеют две (А), три (Б) и шесть (В и Г) субъединиц на один оборот. В верхней части рисунка - вид спирали сверху. Обратите внимание, что спираль Г имеет более широкий шаг, чем В.
Рис. 3-4. Сравнение лево- и правозакрученной спиралей. Полезно вспомнить, что стандартный винт, который закручивается при вращении по часовой стрелке, является правозакрученным. Отметим, что спираль сохраняет закрученность, если ее перевернуть сверху вниз
Рис. 3-5. Беспорядочное движение. Молекулы в растворе движутся случайным образом из-за постоянных столкновений с другими молекулами. Благодаря этому малые молекулы диффундируют из одной части клетки в другую за удивительно короткое время - менее чем за секунду.
Рис. 3-6. Электронная микрофотография участка цитоплазмы животной клетки, иллюстрирующая высокую концентрацию содержащихся в ней белков. Макромолекулы в цитоплазме диффундируют относительно медленно, поскольку они взаимодействуют с другими макромолекулами; малые молекулы диффундируют почти столь же быстро, как в водном растворе. Клетка, представленная на этой микрофотографии, обработана по специальной методике быстрого замораживания, позволяющей сохранить цитоплазматические структуры. (Из Р. С. Bridgman and Т. S. Reese, J. Cell Biol. 99: 1655-1668, 1984. С разрешения Rockefeller University Press.)
120
3.1.4. Тепловое движение не только приводит молекулы в соприкосновение, но и отбрасывает их друг от друга [5]
Две макромолекулы или одна макромолекула и одна малая молекула, сталкиваясь в результате простой диффузии, образуют комплекс. Образование комплекса может произойти либо немедленно (в этом случае говорят, что скорость образования комплекса лимитируется диффузией), либо с некоторой задержкой, если взаимодействующие поверхности оказываются подогнанными друг к другу только после некоторой «подстройки» структуры одной или обеих молекул. В любом случае,
Рис. 3-7. Принцип равновесия. Равновесие между молекулами А и Б и комплексом АБ поддерживается двумя показанными на схемах / и 2, противоположно направленными реакциями. Отношение констант скоростей ассоциации и диссоциации (3) равно константе равновесия реакции К. Поскольку для того, чтобы прореагировать, молекулы А и Б в реакции 2 должны столкнуться, скорость этой реакции пропорциональна произведению концентраций А и Б. В результате в конечном выражении для К появляется произведение [А] • [Б] (квадратные скобки означают концентрацию). Принято, что концентрации продуктов ставятся в числитель, а концентрации реагентов - в знаменатель уравнения константы равновесия. Поэтому константа равновесия на схеме 3 относится к реакции ассоциации А + Б → АБ, а величина, обратная ей, будет константой
равновесия для реакции диссоциации АБ → А + Б. Однако, когда мы имеем дело с простыми взаимодействиями связывания, правильнее говорить о константе сродства, или константе ассоциации, выражаемой в литрах на моль; чем больше величина константы ассоциации (Ка), тем сильнее связывание между А и Б. Обратной к Ка является константа диссоциации, выражаемая в молях на литр; чем меньше величина константы диссоциации Kd, тем сильнее связывание между А и Б.