Д.Г. Кнорре, С.Д. Мызина - Биологическая химия (1128707), страница 107
Текст из файла (страница 107)
В последнее время выявлено несколько регуляторных белков, ответственных за дифференцировку и формообразование (морфогенез). Ведется интенсивный 'Природа взаимосвязи между содержанием глюкозы и образованием цАМФ в бактериальных клетках еще не вполне ясна. 430 поиск и ужо достигнуты определенные успехи в выявлении белков, функционирующих лишь в определенных тканях и вызывающих тканеспецифичную транскрипцию. Так, имеются сообщения об обнаружении в клетках гипофиза специального белка, индуцирующего транскрипцию генов, кодирующих гормон роста и пролактин — пептидные гормоны, йродуцируемыо гипофизом. Описано также выделение из тканей иммунной системы белка, который индуцирует транскрипцию генов иммуноглобулинов.
Все это, однако, — лишь первые ласточки. Выявление всего комплекса регуляторных механизмов и всего набора регуляторных белков находится в начальной фазе исследования. Огромное значение этого вопроса для понимания биохимических основ развития и функционирования многоклеточных организмов и особенно человека, несомненно, будет стимулировать быстрый прогресс в развитии этой области биохимии. 10.4. КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Жизнь представляет собой наиболее высокоорганизованную из существующих в природе форм организации материи.
Ее основными атрибутами являются пространственная структура, в том числе распределение в пространстве систем протекающих в живых организмах биохимических процессов и регуляция их протекания во времени. Последний вопрос был рассмотрен в предыдущем параграфе. Этот параграф посвящен краткому изложению вопросов, связанных с пространственной организацией биохимических процессов.
Первым уровнем в иерархии структур, формирующих живые организмы, являются сами биополимеры. Они уже представляют собой уровень организации материи более высокий, чем низкомолекулярные органические 'соединения и полимеры, построенные из одинаковых мономерных звеньев.
Уникальная первичная структура, т. е. определенный порядок, в котором для каждого биополимера располагаются вдоль цепи составляющие его разнотипные мономоры, закладывает основу для формирования уникальной пространственной структуры, вторичной и третичной, или нескольких таких структур, между которыми возможны направленные конформационные переходы, Об этом много говорилось в предыдущих главах, поэтому здесь этот вопрос не рассматривается. Следующим уровнем пространственной организации являются надмолекулярные структуры — комплексы, образованные несколькими белками, и нуклеопротеиды. Так, в биосинтезе белка неотъемлемым элементом .являются такие сложные надмолекулярные структуры, как рибосомы. Основные стадии репликации, репарации и траскрипции ДНК у эукариот проходят в чрезвычайно сложной многокомпонентной структуре, какой является хроматин.
Ранее неоднократно упоминались в разных контекстах мпогосубъединичные белки с аллостермческим взаимодействием между субъединицами. Все живые организмы, включая простейших прокариот, отделены от окружающей среды клеточной мембраной. При этом роль мембран не ограничивается просто механическим отделением содержимого клетки Они необходимы также для протекания некоторых основополагающих для живой материи процессов, в первую очередь производства АТФ.
Как при окислительном фосфорилировании, так и при фотосинтезе сложный надмолекулярный комплекс, вмонтированный в мембрану, обеспечивает создание трансмембраниого градиента концентрации протонов, за счет которого и происходит фосфорилирование АДФ. 431 У эукариот оба перечисленных принципа организации — образование надмолекулярных структур и наличие процессов, требующих участия двух фаз, разделенных мембранами, — не только сохраняются, но и используются в значительно более разнообразных вариантах.
Но наряду с этим в клетках эукариот широко- эксплуатируется следующая по уровню сложности форма организации биохимических процессов — распределение их по клеточным органеллам У многоклеточных организмов важнейшим элементом пространственной организации биохимических процессов является распределение их между разными типами клеток, а также межклеточные взаимодействия. Многие процессы происходят фактически лишь с участием высокоорганизованного конгломерата клеток, К их числу относится мышечное сокращение (см.
1 10.6). Общим для всех уровней организации является вопрос о путях сборки этих структур. У многоклеточных организмов это решается в первую очередь в процессе индивидуального развития. У одноклеточных организмов основные элементы пространственной структуры закладываются в период деления клетки. У эукариот это сопряжено с такими сложными процессами, как конденсация и деконденсация хромосом. Эти процессы сегодня являются предметом в первую очередь феноменологического описания, и имеются лишь отдельные отрывочные сведения о лежащих в их основе биохимических превращениях. На молекулярном уровне в настоящее время ведутся исследования самосборки надмолекулярных структур— рибосом, вирусов. Клетки эукариот богаты различными органеллами.
Прежде всего это клеточное ядро, в котором происходят все процессы с участием ядерной ДНК, входя— щей в состав хроматина, в первую очередь процессы репликацни, репарации и транскрипции. Даже в пределах ядра имеется распределение процессов между отдельными его частями. Наиболее четко это выражено в случае синтеза рибосомных РНК и формирования рибосом. Участки хроматина, содержащие гены рибосомных РНК, находятся в виде петель хроматина в определенной области ядра, называемой ядрмихож. Здесь происходит их транскрипция с помощью РНК— полимеразы 1 и первые фазы формирования рибосом. Рибосомные белки, необходимые для сборки рибосом, поступают из цитоплазмы, в которой сосредоточено их производство. В связи с биосинтезом рибосом игнтересно упомянуть важную особенность этого процесса, имеющую прямое отношение к самосборке надмолекулярных структур.
Рибосомные РНК эукариот тршзскрибируются в виде единого предшес— твенника, так называемой 458 РНК, содержащей в своем составе полные нуклеотидные последовательности для трех нз четырех рибосомных РНК эукариот, а именно 288, 188 и 5,88 РНК. Сборка нуклеопротеидной структуры начинается на этой единой полинуклеотидпой цепи и приводит к образованию единого предшественника рибосомы, уже содержащего ббльшую часть из числа примерно 70 рибосомных белков, входящих в зрелые рибосомные частицы. В них содержатся также некоторые дополнительные белки, в конечной структуре отсутствующие и, по-видимому, нужные на промежуточных этапах сборки.
Только гюсле этого происходит первая фаза процессинга рибосомных РНК, приводящая к формированию предшественников рибосомных субъединиц. Незрелые субъединицы выходят на определенном этапе их формирования из ядрышка и ядра в цитоплазму, где они проходят заключительные фазы процессинга и превращаются в зрелые рибосомы. На этом примере видно, что для правильной сборки сложных нукле- 432 опротеидов необходимы и дополнительные полинуклеотидные фрагменты, отсутствующие в завершенной структуре, и некоторые дополнительные белки, которые в данном случае скорее всего вообще не выходят за пределы ядрышка и сохраняются в нем для повторного участия в формировании новых предшественников.
Наиболее детально вопрос о распределении биохимических процессов между клеточными органеллами изучен на примере митохондрий Главным назначением митохондрий является окислительное фосфорилирование. В митохондриях происходят такие процессы, как цикл трикарбоновых кислот, окисление жирных кислот, собственно окислительное фосфорилирование и некоторые другие превращения, о которых будет сказано ниже. Системы, осуществляющие перечисленные процессы, распределены л~ежду различными отделами митохондрий Так, комплекс белков, осуществляющих перенос электронов от 810.Н к молекулярному кислороду и сопряженное фосфорилирование АДсР, полностью вмонтирован во внутреннюю митохондриальную мембрану. Цикл трикарбоновых кислот функционирует в митохондриальном матриксе, за исключением стадии дегидрирования сукцината, которое осуществляется с помощью сукцинат дегндрогеназы, также входящей в состав внутренней мембраны.
Пируватдегидрогеназный комплекс и система ферментов, катализирующих окисление жирных кислот, поставляющие ацетил-СоА в цикл трикарбоновых кислот, целиком сосредоточены в матриксе. Уже из этого краткого перечисления следует, что у митохондрий должно существовать интенсивное общение с окружающей средой В них должны поступать жирные кислоты и пируват, который производится системой гликолитических ферментов, функционирующей в цитоплазме, В митохондрии должен также поступать АДФ и ортофосфат, а из них должен выводиться АТФ.
К этому можно добавить, что митохондрии являются активными участниками некоторых этапов азотного обмена. В матриксе функционирует глутамат дегидрогеназа, продуцирующая при работе в направлении образования о-кетоглутарата ионы йН . В связи с необходимостью нх удаления в матриксе сосредоточены первые этапы цикла мочевины — образование карбамоилфосфата и его взаимодействие с орнитином с образованием цитруллина.
Поэтому в митохондрии должны поступать ионы аммония и орнитин, а из них в цитоплазму должен выводиться цитруллин. Существует несколько форм транспорта веществ через митохондриальную мембрану. Прежде всего это пассивный транспорт незаряженных молекул, таких, как СОъ 0г и некоторые другие. Кроме того, в незаряженной форме через мембраны митохондрий проходят ионы аммония в виде аммиака и некоторые цвиттерионные соединения, например цнтруллин. Существуют специальные системы, обеспечивающие согласованный встречный транспорт анионов. Так, по-видимому, согласованно переносятся анионы НАРО и 0И и ряд других пар анионов. Некото- рые заряженные частицы предварительно превращаются в незаряженные молекулы, как это, например, имеет место при переносе ацильных остатков с помощью карнитина. Этот механизм избавляет митохондрии от необходимости транспортировать такие громоздкие заряженные молекулы, как ацильные производные кофермента А.
Особо следует отметить вопрос о переносе адениловых нуклеотидов. Для этой цели мембраны митохондрий снабжены специальным белком — переносчиком адениаоомх нухэеотидоо. Этот белок обладает специфичным сродством к двум аденоловым нуклеотидам — АТФ и АДФ.
Перенос АМФ он осуществлять не может, и для ликвидации АМФ, образующегося внутри митохондрий, в межмембранном пространстве находится аденилат киназа, переводящая монофосфат в дифосфат. Митохондрии располагают своим собственным аппаратом для хранения и экспрессии их генетической информации. Эта информация, содержащаяся в митохондриальной ДНК, включает программы для синтеза специальных митохондриальных транспортных и рибосомных РНК. Кроме того, в митохондриальной ДНК запрограммировано несколько полипептидов, участвующих в выполнении основных функций митохондрий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
