Sovremennaja Biochimija v Shemah

hnPHK (ГЕТЕРОГЕННАЯ ЯДЕРНАЯ РНК)

Роль информационной РНК (мРНК) состоит в переносе информации, заключенной в последовательности нуклеотидов, кодирующих последовательность аминокислот белковой молекулы, из ядра в цитоплазму. В ходе этого переноса мРНК подвергается действию нуклеаз. Для надежности передаваемой информации сначала в ядре синтезируется hnPHK. Ее молекула во много раз больше соответствующей молекулы мРНК (в мРНК около 4000 нуклеотидов, а в hnPHK около 30000 нуклеотидов, мол. масса 1-2•107). Эта гигантская молекула (называемая также пре-мРНК) связана с поверхностью белковых молекул, называемых информатином (мол. масса 800000). В результате с одной стороны, предотвращается взаимодействие hnPHK с гистонами и, с другой стороны, облегчается ее последовательное расщепление нуклеазами. в ходе которого освобождается информатин (согласно работе Харберса, 1975 г.).

мРНК

мРНК, переносящая генетическую информацию в цитоплазму, защищена от действия нуклеаз тем, что образует с белковыми молекулами комплекс, называемый информосомой. У млекопитающих этот комплекс по 5'-Р-концу защищен 7-метилгуа- нозином.

Кодону, с которого начинается синтез белка, предшествует район РНК с повторяющейся последовательностью оснований AGGA или GGUUUGG, транслируемая часть мРНК ограничена стартовым кодоном AUG и терминирующим кодоном UAG. Повторяющиеся последовательности, возможно, служат для адаптации и образования инициирующего комплекса (аналогично промотору в РНК-полимеразе). Жизнеспособность мРНК увеличивается путем связывания по 3'-ОН-концу фрагмента poly(А), содержащего 50-200 нуклеотидов и замедляющего деградацию, протекающую в направлении, указанном стрелкой. Петли (b) и (с), заключенные между концом мРНК и poly (А), могут играть аналогичную роль (согласно работе Прудфута и сотр., 1974 г.). Окрашенная область включает межвидовые гомологичные последовательности.

ТРАНСКРИПЦИЯ И ТРАНСЛЯЦИЯ

Оба процесса продемонстрированы на примере хромосом E. coli по данным электронной микроскопии. Синтез РНК начинается после связывания РНК-полимеразы с кодирующей цепью ДНК в местах, обозначенных жирными точками. Синтез протекает справа налево. Рибосомы связываются с образующейся мРНК, давая так называемые полисомы. тРНК присоединяется к большой субъединице рибосомы и длина пептидной цепи увеличивается по мере удаления от ДНК.

141

142

РИБОСОМАЛЬНЫЙ ЦИКЛ

После окончания синтеза пептидной цепи рибосомы освобождаются из комплекса с мРНК. Затем рибосомы диссоциируют на большую и малую субъединицы. Для участия в синтезе белков рибосомы должны подвергнуться ряду пре-

вращений. Малая субъединица (30S) связывается с инициирующими факторами (F1-F3), с молеку-

лой мРНК и с fMet-тРНК, образуя таким образом инициирующий комплекс. Затем этот комплекс объединяется с 50S субъединицей, создавая функционально активную рибосому, из которой затем высвобождаются инициирующие факторы F1- F3. Вновь образованная пептидная цепь содержит метионин на NH2-конце: в бактериях NH2-группа метионина формилирована и, таким образом, неспособна к дальнейшим взаимодействиям. В бактериях присутствует специальная тРНК, называемая fMet-тРНК, которая служит для запуска синтеза пептидной цепи.

ШЕРОХОВАТЫЙ ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКИЙ РЕТИКУЛУМ

Полисомы связаны с внешней поверхностью мембраны эндоплазматического ретикулума клеток эукариот. Связь осуществляется через большую субъединицу рибосомы и, по-видимому, с участием специфических белков. Пептидные цепи, синтезированные на поверхности рибосом, проходят через мембрану шероховатого эндоплазматического ретикулума (ШЭР) в цистерны и переносятся в гладкий эндоплазматический ретикулум (ГЭР) и в комплекс Гольджи. Затем с помощью гликозилтрансфераз пептидные цепи связывают моносахариды и образуют гликопротеины. Существует предположение, что белки, которые должны быть секретированы, синтезируются в ШЭР, а остальные белки - на свободных полисомах. Однако такое предположение может быть не всегда оправданным.

143

ИНГИБИРОВАНИЕ БЕЛКОВОГО СИНТЕЗА. АНТИБИОТИКИ

На синтез пептидной цепи могут влиять различные антибиотики. Несмотря на то что описанный выше синтез белка в общем виде справедлив, в разных типах клеток существуют значительные различия в структуре рибосом и специфичности белковых факторов, участвующих в синтезе белка. В результате возникают различия в ингибировании отдельными антибиотиками. Кроме того, каждый тип клетки имеет различную проницаемость для данного ингибитора, что приводит в свою очередь к значительной разнице в их чувствительности к ингибированию. Следовательно, данные по ингибирующему действию отдельными антибиотиками должны относиться к данной клетке или виду; аналогично результаты, полученные in vitro, нельзя непосредственно переносить на условия in vivo.

Индивидуальные антибиотики довольно специфично ингибируют разные стадии белкового синтеза.

Актиномицины (актиномицин D, в частности) действуют на уровне транскрипции, связываясь с кодирующей цепью ДНК. Синтез ДНК сам по себе не ингибируется.

Дауномицин почти в одинаковой степени ингибирует как синтез ДНК, так и синтез РНК. Начало белкового синтеза ингибируется пактамицином

и ауринтрикарбоновой кислотой. Оба соединения нарушают образование инициирующего комплекса.

Тетрациклины нарушают связывание аминокислот и тРНКАА в А-центре, а стрептомицин инги-

бирует белковый синтез прежде всего на стадии индукции, и, кроме того, он ингибирует удли-

нение пептидной цепи. Стрептомицин связывается с 30S рибосомальной субъединицей и мешает правильному прочтению кодонов молекулы мРНК.

Кроме того, он частично ингибирует окончание пептидного синтеза.

Хлорамфеникол (связываясь с 50S рибосомальной субъединицей) ингибирует синтез пептидной связи (пептидилтрансферазу).

Эритромицин и олеандомицин ингибируют активность транслоказ в 70S рибосомах аналогично циклогексимиду, действующему исключительно на 80S рибосомы. Терминация белкового синтеза ингибируется пуромицином, который благодаря его структурному сходству с концевым AMP в тРНК действует как нуклеофильный акцептор пептидной цепи пептидил-тРНК, связанной с П-участком. Кроме того, ряд антибиотиков (например, эритромицин, линкомицин, стрептомицин и т.д.) мешает функционированию белков RF1-RF3, необходимых для узнавания и отделения синтезированного белка с поверхности рибосом.

144

XIV Сократительная система клетки мышцы

Сократительная система клетки мышцы обеспечивает превращение химической энергии в механическую энергию движения. Это может быть движение живой системы как целого относительно окружающего пространства или движение ее отдельных компонентов относительно друг друга.

Структура и функция сократительного элемента лучше всего изучена для скелетной мышцы. Именно она будет предметом нашего дальнейшего рассмотрения. Миофибриллы скелетной мышцы состоят из функциональных сократительных элементов, саркомеров, которые содержат параллельные нити двух типов. Под микроскопом видно, что темные А-диски (анизотропные или двулучепреломляющие) образованы системой параллельно расположенных толстых филаментов, тогда как светлые I-диски (изотропные, с нормальным лучепреломлением) образованы системой тонких филаментов. Такой вид скелетной мышцы под микроскопом объясняет, почему ее часто называют поперечнополосатой. Во время сокращения и расслабления тонкие филаменты скользят вдоль толстых, причем ни те, ни другие не изменяют своей длины. При этом связи между филаментами двух типов разрушаются и быстро возникают вновь.

Толстые филаменты образованы пучками нитевидного белка миозина. Его молекула состоит из двух идентичных пептидных цепей, свернутых в двойную спираль. Конец (головка) молекулы миозина имеет глобулярное строение и связан нековалентно с четырьмя дополнительными короткими полипептидными цепями. Миозин обладает АТРазной активностью, которая проявляется в присутствии Са2+. При обработке трипсином миозин расщепляется на фрагменты двух типов: легкий меромиозин L и тяжелый меромиозин Н. Меромиозин Н, который соответствует протяженному концевому участку миозина, обладает АТРазной активностью.

Тонкие филаменты саркомера образованы двумя скрученными α-спиральными цепями фибриллярного белка F-актина, который представляет собой полимер глобулярного белка G-актина. Полимеризация G-ак- тина стимулируется в присутствии АТР, который одновременно дефосфорилируется с образованием ADP, причем ADP остается связанным с субъединицей, G-актином (в стехиометрическом отношении 1:1). Способ соединения тонких филаментов F-актина с Z-пластинками, образованными молекулами α-актинина, в настоящее время не расшифрован. Актиновые филаменты расположены гексагонально, т. е. каждый миозиновый филамент окружен шестью актиновыми. Кроме этих двух основных белков сократительная система содержит тропомиозин и комплекс тропонина.

Тропомиозин представляет собой спирализованный белок и состоит из двух полипептидных цепей. Он занимает бороздки в спирально скрученной молекуле F-актина и увеличивает ее стабильность. Кроме того, он вместе с тропониновым комплексом участвует в регуляции взаимодействия актина с миозином.

Комплекс тропонина образован тремя белками: тропонином Т (ТпТ), образующим связь с тропомиозином, тропонином I (ТпI), который может ингибировать АТРазную активность, и тропонином С (ТпС), обладающим значительным сродством к Са2+. Тропониновый комплекс связан как с актином, так и тропомиозином, причем регулярным образом с интервалом 40 нм, который соответствует семи субъединицам F-актина в активном филаменте.

In vitro актин и миозин образуют комплекс, называемый актомиозином. Он обладает АТРазной активностью, которую стимулирует Mg2+. По-видимому, в связывании актина участвуют SH-группы миозина, существенные для АТРазной активности. В присутствии АТР этот комплекс разрушается аналогично тому, как разрушаются связи между филаментами при сокращении мышцы.

Сокращение мышц происходит только при достаточной концентрации Са2+ в пространстве между молекулами актина и миозина. Ионы кальция диффундируют в это пространство из элементов саркоплазматического ретикулума, где они прочно связаны белками, называемыми кальсеквестрином и «Са2+-связыва- ющим белком с высоким сродством». Первый из них присоединяет 43 иона Са2+ на молекулу, второй - 25. Кроме того, кальций присутствует в виде фосфатов и оксалатов. При изменении проницаемости мембраны, окружающей саркоплазматический ретикулум, часть ионов кальция высвобождается. Это изменение вызывается деполяризацией мембраны под действием электрического импульса, передаваемого на мышечную клетку двигательным нервом и быстро распространяющегося через клеточную мембрану (сарколемму), которая соединена со всеми саркомерами поперечными трубочками так называемой Т-системы. Эта система связывает все саркомеры мышечной клетки с саркоплазматическим ретикулу-

145

МИОФИБРИЛЛА СКЕЛЕТНОЙ МЫШЦЫ

Миофибриллы клетки скелетной мышцы объединены в параллельные пучки, окруженные саркоплазмой. Они существуют в виде длинных тонких структур, в которых под микроскопом различаются оптически более и менее плотные зоны. Более светлые зоны представляют собой изотропные I- диски, а темные - анизотропные А-диски. Длина А- лисков около 1,6 мкм, а I-дисков - около 1,0 мкм. Светлые зоны пересекаются темной линией шириной около 80 нм, так называемой Z-личией (или Z-пластинкой). Центральная часть А-диска, называемая Н-диском, может быть разделена пополам темной М-линией. Целая продольная единица ограничена двумя Z-линиями и называется саркомером.

Каждая миофибрилла состоит из нескольких па-

раллельных филаментов, которые бывают двух типов - толстые и тонкие. Тонкие филаменты диаметром около 6 нм расположены в I-дисках. Более

приводит к хорошо известному двойному лучепреломлению. Тонкие филаменты начинаются у Z-ли- ний и кончаются у Н-диска, тогда как толстые проходят по всей длине А-диска.

На поперечном разрезе можно видеть гексагональное расположение тонких филаментов вокруг толстых; каждый толстый филамент окружен шестью тонкими. Структурная связь между филаментами осуществляется только регулярно расположенными мостиками. При сокращении филаменты двух типов скользят относительно друг друга не изменяя своей длины. Изменяется только расстояние между Z-линиями. При максимальном сокращении саркомер укорачивается на 20-50% своей нормальной длины.

ПОПЕРЕЧНЫЙ РАЗРЕЗ МИОФИБРИЛЛЫ

На схеме показано гексагональное расположение толстых и тонких филаментов в миофибрилле скелетной мышцы. Утолщения находятся на толстом филаменте спирали и сгруппированы в пары. каждая из которых смещена на спирали на 120° относительно соседней. Эти утолщения соответствуют глобулярным головкам молекулы миозина. Расстояние между ними около 14 нм, так что картина повторяется через каждые 43 нм. Длина утолщений около 9 нм. Толстые филаменты образуются при спонтанной ассоциации 400 молекул миозина.

147

148

АКТИН

Этот белок существует в двух формах - G- и F- актин. Нитевидный F-актин является полимером G-актина. G-актин имеет М ~46000 и состоит из одной пептидной цепи, сложенной в глобулу. Его концевая аминокислотная последовательность такова: N-ацетил-Asp-Glu-Thr. Он содержит также редкую аминокислоту ε-N-метиллизин, большое количество остатков пролина и 7 остатков цистеина. Молекула G-актина может связать 1 молекулу АТР. Присоединение АТР приводит к полимеризации в F- актин с одновременным расщеплением АТР до ADP и Pi. ADP остается связанным с G-актиновыми субъединицами F-актина.

F-актин состоит из двух филаментов, скрученных в спираль. Каждый филамент образован большим числом глобулярных молекул G-актина.

ТРОПОМИОЗИН И КОМПЛЕКС ТРОПОНИНА

Тропомиозин (Тm) состоит из 2 полипептидных цепей, образующих двойную спираль. Его молеку-

соответствует 7 субъединицам G-актина и контактирует лишь с одной из двух цепей F-актина. Комплекс тропонина состоит из 3 субъединиц с глобулярной структурой и расположен примерно на концах каждой молекулы Тm. Тропонин Т (ТпТ) обеспечивает связывание с Тm, тропонин С образует связь с ионами Са2+ на поверхности Тm, в результате чего изменяется его конформация. Тропонин I (ТпI) расположен таким образом, что может предотвращать взаимодействие актина с миозином. Положение ТпI переменно и зависит от присутствия Са2+ В присутствии Са2+ изменение конформации ТпС приводит к изменению положения ТпI по отношению к актину, в результате чего последний может взаимодействовать с миозином.

ВЗАИМНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ АКТИНА И Тm

Точное пространственное расположение всех главных белков сократительной системы - необходимое условие сокращения и расслабления, а также регуляции этих процессов. Сокращение связано с образованием комплекса между актином и миозином, в котором каждая субъединица актина (А) взаимодействует с сегментом, содержащим головку миозина ( F 1 — FS1). Релаксация происходит при прекращении этого взаимодействия. Взаимодействия актина и миозина регулируются молекулой Тm, которая находится в бороздке F-актина и может изменять свое положение в зависимости от конформации комплекса тропонина, находящегося на расстоянии 13 нм от конца молекулы Тm. Изменение конформации тропонина передается Тm, который или погружается глубже в бороздку, разрешая взаимодействие актина с FS1 миозина (на схеме изображен вид сверху актина, расположенного вдоль оси), или сдвигается к периферии субъединиц актина (пунктир), делая это взаимодействие невозможным.

149