Елинов Н.П. Основы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

Тубулин входит в состав микротрубочек. Это глобулярный

белок с диаметром порядка 4 нм, но после сборки 13 его протофи-

ламентов (от греч. protos — первый, от лат. filamentum — ниточка)

в цилиндрическую структуру, внешний диаметр ее составляет 28

нм (внутренний — 14 нм).

Тубулин диссоциируется при действии алкалоидов индольного

ряда(винбластина,винкристина) и трополона (кольцо С в колхици-

не).

Белки цитоскелета по своим функциям могут быть подразделе-

ны на гелеобразующие, фрагментирующие, кэпирующие (от англ.

cap

—

шапка, кепка, колпак),

CHi

*~J~~

-CHJ

адгезирующие, регулирую-

iA_

0Н

Д_

„/\н Щие и другие.

_ /Ч MN"^N С

учетом новых групп

I Ч.^^ .^sr

белков, выявленных

цито-

1 Г

]Г

сн

г~

сн

) скелете, становится очевид-

/чТ

-сн

ным,

что

само название

ка-

I ° жется не совсем адекват-

ен*

ным,

поскольку цитоскелет

винбластин: R= СНз _

это не непод

вижный кар-

винкристин: К=СНО "^

кас,

или скелет, а сложная и

гибкая система, способная в

К1НГПГН Р

сл

учаев к фрагмента-

3 ции и самосборке, к сколь-

Н^СО "^^^ jfr""""'^ жению и другим функциям.

Тем не менее, определенные

Н^СО v^^/W^ элементы цитоскелета дей-

ствительно служат для со-

здания статичного остова

гН^СО клетки (кератин в клетках

колхицин эпителия, десмин в мышеч-

ных клетках, и т. д.).

При выделении молекулярных компонентов клетки и тополо-

гической привязки их в фиксированных клетках необходимо

учитывать тот факт, что цитоскелетные структуры находятся в

процессе постоянных сборки и разборки в живых клетках.

В настоящее время выделяют 5 основных классов белков,

образующих так называемые промежуточные фила-

менты: виментиновые

(ММ

кДа) в ткани мезенхимы

(зародышевая соединительная ткань большинства многоклеточных

животных и человека), глиальные (ММ =

кДа) в клетках глии

123

(клетки в головном и спинном мозге), десминовые (ММ = 52 кДа)

в мышцах, нейронные (три белка с ММ = 70 кДа, 150 кДа и 200

кДа) в нейронах, кератиновые (около 20 белков с ММ от 40кДа до

70 кДа). Функция их окончательно не установлена. Предполагают,

что они причастны к митозу, к развитию клеток в норме и при

опухолевой патологии, выполняют роль механического скелета.

Элементы цитоскелета поддерживают клеточную мембрану,

взаимодействуют с мембранами органелл и, как считают, участву-

ют в трансмембранной передаче сигналов в обоих направлениях,

что исключительно важно при объединении отдельных клеток в

ткани. В трансмембранной передаче сигналов участвуют мембран-

ные гликопротеины, или гликопротеиновые рецепторы, контакти-

рующие с филаментами. Эти последние индуцируют систематиче-

ское движение рецепторов. За обратимое "заякоривание" рецеп-

торов ответственны тубулы, или микротрубочки. Эти данные

представляют большой интерес не только с точки зрения раскры-

тия и познания фундаментальных биологических явлений, но и с

практической точки зрения, например, при использовании лекти-

нов (от лат. legere — читать, отбирать, выбирать) — как митогенных,

токсических и цитолитических агентов.

Цитоскелетные структуры имеют прямые связи, например,

микротрубочки с митохондриями, синаптическими пузырьками

(области контактов нервных клеток, или нейронов друг с другом

и с клетками исполнительных органов), ядром; промежуточные

филаменты — с ядром.

Эукариотические клетки многоклеточных организмов отлича-

ются друг от друга в зависимости от ткани (органа), из которой

они изолированы. Например, у млекопитающих клетки кожи

отличаются от клеток печени, у растений клетки эпидермы отли-

чаются от клеток колленхимы, у грибов рода Penicillium зароды-

шевые клетки — экзоспоры, или конидии отличаются от клеток

вегетативного мицелия.

Клетки эукариот в большинстве своем крупнее клеток прока-

риот по диаметру и объему, пространственно более организованны

и дифференцированны, чему во многом способствует цитоскелет.

Внутреннее содержимое клетки разделено на отграниченные мем-

бранами пространства — отсеки, или компартменты (от англ.

compartment — отделение, купе, отсек). Поэтому компартментали-

зация типична для эукариотической клетки и несвойственна по-

давляющему большинству прокариотических клеток.

Клеточная мембрана эукариот сходна по составу и строению с

124

клеточной мембраной прокариот

—

ней содержатся белки (в том

числе — маркерный фермент — 5'-нуклеотидаза), липиды

угле-

воды. Однако компонентный состав каждого

из

названных пол-

имеров

эукариот

прокариот

не

идентичен. Например, ключе-

вым гликозиллипидом мембраны прокариот является бактопренол

(ундекапренол). Это

—

С55-соединение, содержащее

цис-двойных

связей

и 2

транс-двойные связи

относящееся

изопреноидным

липидам. Бактопренол участвует

процессах биосинтеза О-анти-

генов грамотрицательных бактерий,

а так же

пептидогликанов

клеточных стенках грамположительных бактерий.

СНо

н]_сн

—с=сн—сн

си.

-сн

-с=сн-снрн

бактопренол

В клеточной мембране дрожжей содержится долихол, сходный

с бактопренолом,

но не

тождественный

ему.

Долихол, будучи

гликолипидом, также является изопрениловым спиртом, способ-

ным фосфорилироваться

участвовать в синтезе маннопротеинов

клеточной стенки

неорганических полифосфатов (рис. 41);

нем

содержится 16-20 пренильных остатков

и в

среднем 80-100 угле-

родных атомов.

СНо

сн.

цИС

СН,

С£=СИ'

сн.

сн

-§W

сн

сн<" "сн'

он.

7-9

с=си-сн

—

он—р=о

{

Man

Дрожжевая долихолфосфатманноза

125

Гидрофобная часть изопреноидов закрепляется

мембране,

гидрофильная

—

выступает

цитоплазму.

Ж.

tfi*

-s-s-

S-S-

№

-S-S-

hs-s-

№

-s-s

s-s-

-s-s-

Маннопротеиновый^

слой

hS-

l-S-S-J-S-S-

связанные

k-s-J-s-s

Глюкановый

слой

'полипептидные

цепи

Маннан

Глюкан

EE-

©^3CE|

Маннопротеины

ферменты

Периплазма

Плазмалемма

Рис.

41.

Схема строения клеточной стенки

Saccharomyces cerevisiae

(по В,

Фаркашу, 1985).

СНу-СН=

СИ,

=С—СНо-Н

сн

-сн

сн

,-сн=о-

CHJ-CHJ—СН

—СН—СН^

"И

К(гь4-6)

витамин

К1

(фиппохинон)

СО.

СО

сн

—сн=с—сн

--н

сн

-сн=с—он

-|-н

6-10

убихиноны

Долихолы являются также участниками реакций переноса ман-

нозильных

N-ацетилглюкозильных единиц

на

гликопротеины

клетках млекопитающих.

К производным полипреноидов относятся такие

БАВ,

как ви-

тамины

К,

убихиноны, пластохиноны, токоферолы

(в

частности,

витамин

Е),

каротиноиды, фитольная группа хлорофилла, способ-

126

CH,

"''TV

! J

^^i^i

J—

--CH

—CH

—

V I ° CH.

CH,

ot- токоферол (в>-тоюфаролв содержится Н в позиции 7;

вУ-тотфароле содержится Н • позиции 6;

в^-томоферолв содержится Н в позициях 5 и 7)

с сн

каротин из зеленых листьев растении - предшественник

витамина А у животных

Н С-СН-(СН )-СН-(СН-)-СН-(СН )-С=СН-СН

O-CO-R

сн

2'г

сн,

остаток фитола

R - Mg-порфириновый скелет

ствующая встраиванию пигмента в липидныи слой мембраны,

эфирные масла.

В состав эфирных масел входят монотерпены и сесквитерпены,

относящиеся к классу терпеноидов, то есть соединений, кратных

по составу изопрену (CsHe).

Почти все мембранные

образования внутри клетки

являются либо производны-

ми клеточной мембраны или

скелетная формула скелетная формула Непосредственно СВЯЗаНЫ С

монотерпенов типа секвитерпенов типа

: К

ОМПЛвКС ГоЛЬДЖИ (ДИК-

п-ментана

(ментол, кадинана (кадинены,

цинеол,

лимонены, калакарен и др.) ТИОСОМЭ у ГрибОВ И раСТе-

иД

Р)

ний) и эндоплазматический

127

Coj\

ретикулум (ЭПР), эндосомы и ли-

зосомы, пероксисомы и др. Иск-

лючение представляют митохон-

дрии, о возникновении которых

сказано ранее (рис. 42).

Комплекс Гольджи — пред-

ставляется параллельными труб-

чатыми структурами, связанны-

ми с шероховатым ЭПР (шерохо-

ватость ЭПР обусловливается

присоединенными к его наруж-

ной поверхности рибосомами).

Принадлежностью мембраны

комплекса Гольджи являются

специфические гликозилтранс-

феразы, катализирующие реак-

ции присоединения моносахари-

дов из УДФ- или ЦМФ-сахаров к

белкам с помощью гликозидных

связей — через гидроксильную

группу серина или треонина, ре-

же — через амидную группу ас-

парагина. Синтезированный гли-

копротеин может выделяться из клетки благодаря экзоцитозу или

отлагаться до времени в вакуолях комплекса Гольджи в виде гранул

или, наконец, переноситься в другие места клетки. В растительных

и грибных клетках аналогом комплекса Гольджи является диктио-

сома — немногочисленные параллельные дисковидные пластинки,

по периферии которых имеются валикообразные расширения и

множество разной величины пузырьков. Не исключается возмож-

ность участия диктиосомы в синтезе и секреции компонентов

клеточных стенок.

ЭПР — мембранная структура, локализующаяся вблизи ядра.

Считается, что секретируемые белки мембран синтезируются при

участии шероховатогоЭПР, а белки, которые используются

клеткой — на свободных рибосомах. Без присоединенных рибосом

ЭПР называют гладким. В нем локализуются различные

ферменты, включая оксидазы, участвующие в детоксикации ядо-

витых для клетки веществ. При участии гладкого ЭПР осуществ-

ляется синтез липидов и гидролитическое расщепление гликогена

(гликогенолиз).

128

Рис.

42. Основные мембранные структу-

ры в эукариотической клетке: 1 — кле-

точная мембрана, 2 — мембрана мито-

хондрий, 3 — ядерная мембрана, 4 —

мембрана эндоплазматического ретику-

люма, 5 — мембрана диктиосом, 6 —

мембрана вакуоли.

Эндосома — это мембранная везикула (от лат. vesicula —

пузырек), возникающая в результате эндоцитоз

а;

под термином

эндоцитоз понимают проявления общего механизма захвата плот-

ных частиц (ф а г о ц и т о з, от греч. phagos — поедание), вирусов

— виропексисот лат. pexis (в конце слова) — соединение,

скрепление, коллоидов (коллоидопексис)и капелек жидкости

(п и н о ц и т о з, от греч. pino — пью, впитываю). Однако чаще

захват водонерастворимых веществ (микробов, эритроцитов и

других частиц с диаметром более 1 мкм) с образованием ф а г о-

с о м ы относят к фагоцитозу, тогда как поглощение водораство-

римых веществ с ММ от 180 до 150000 Да и более (антитела,

гормоны, маннит, пептиды, сахароза, ферменты) с образованием

пиносомы относят к пиноцитозу. Пиноцитоз может быть

неселективным (жидкостно-фазным), когда поглощаемое

вещество предварительно не связывается с мембраной, и с е-

лективным (неспецифическим, адсорбционным

и рецепторно-опосредованным), когда вещество предварительно

связывается с определенными участками мембраны.

Следовательно, эндосома возникает при эндоцитозе благодаря

инвагинации (впячиванию) клеточной мембраны, проявляющей

свойства текучести и самозамыкания (жидкостно-мозаичная

структура). Во многих случаях эндоцитоз опосредуется рецептора-

ми,

находящимися на поверхности мембраны (мембранные "пэт-

чи",

от англ. patch — лоскут, обрывок, заплата). У простейших и

низших позвоночных эндоцитоз является единственным механиз-

мом питания. На поверхности клетки может располагаться множе-

ство рецепторов. Например подсчитано, что на одном нейтрофиле

размещается порядка

2»10

рецепторов лишь для фракции компле-

мента 5а, а клетка Candida albicans связывает около 2,5-3»

молекул СЗ-фракции комплемента. Рецепторами в гепатоцитах

(клетки печени) являются структуры, распознающие галактозу и

N-ацетилгалактозамин в гликопротеинах (Гал/Гал-МАц-рецепто-

ры),

в том числе — в IgG-иммунных комплексах; секреторные

компоненты, связывающие IgA-иммунные комплексы; рецепторы,

специфичные для маннозо-6-фосфата, и т. д.

Рецепторы животных организмов подразделяют на э к с т е-

рорецепторы и интерорецепторы. Первые из

них воспринимают сигналы извне: слуховые, обонятельные, вку-

совые, тактильные (от лат. tactilis — осязательный), и др.; вторые

воспринимают из внутренней среды — гормональные, медиатор-

ные.

Так, наиболее чувствительные к нервным медиаторам участки

между нервными волокнами и клеточной мембраной называют

5 т. 8524

129

медиаторными рецепторами, а мембранные сайты,

чувствительные к гормонам, называют гормонал ь н ы м и

рецепторами. Иногда используют термин химичес-

кие рецепторы, когда хотят сказать о биомолекулах клетки,

взаимодействующих с лекарственными или токсическими вещест-

вами. Так, веротоксин Е. coli 0157.Н7 взаимодействует с рецепто-

рами ряда клеточных линий, включая Hela и Vero. Вначале его

В-субъединица присоединяется к специфическому рецептору на

поверхности клетки с интернализацией (от лат. internus — внут-

ренний) активной субъединицы А, которая прерывает функции

клетки благодаря взаимодействию со специфическими компонен-

тами субклеточной "машины". Указанный выше рецептор специ-

фичен для веротоксинов 1, 2 и Shiga-токсина. Он представляет

собой гликолипид — глоботриозилцерамйд (Gb3).

Рецепторами также могут быть сульфгидрильные, карбониль-

ные,

аминные и другие функциональные группы. Однако рецеп-

торы обладают не только химическими группировками или моле-

ОН

NH-COR

i-^c-fCH^

-сн=сн-сн-сн-сн

он

Рис.

43.

Синаптйческие бляш-

ки на нервной клетке в ганг-

лии сердца лягушки (1 — си-

наптическая щель, 2 — мы-

шечное волокно,

3 —

синапти-

ческая бляшка, 4 — тело по-

стсинаптической клетки, 5 —

пресинаптический аксон, 6 —

постсинаптический аксон).

церамид (R-остаток жирной кислоты)

кулами взаимодействия с лигандами, но

и своей архитектоникой (от греч.

architectonike — строительное искусст-

во).

Так, в вегетативной нервной системе

место контакта нервных элементов —

синапс включает: пресинаптическое

нервное окончание, в котором синтези-

руется медиатор; синаптическую щель,

куда поступает медиатор; постсинаптиче-

скую мембрану, в которой имеются ре-

цепторы, взаимодействующие

медиато-

рами (рис. 43). Широко известными ме-

диаторами являются адреналин, норадре-

налин, ацетилхолин.

Поэтому говорят об адренорецепто-

рах и холинорецепторах (рис. 44). Изве-

стны otl-, ос2-,

(31-,

(32- и у-адренорецепто-

ры,

а также холинорецепторы нервно-

мышечных синапсов (рис. 45). Одни хо-

линорецепторы проявляют высокую чув-

130

ствительность к алкалоиду мускарину, поэтому их называют

м-холинорецепторами, другие — к алкалоиду никотину,

их называют н-холи-норецепторами. На примере

н-холинорецептора из электрического органа электрического ска-

та доказано, что рецептор существует в виде розеток в двух формах

—

легкой (95 кДа) и тяжелой (135 кДа); первая — мономер, вторая

— димер (рис. 46).

Специфическими лигандами для рецепторов в а-бунгаротокси-

не являются аминокислоты Арг-37 и

Асп-31.

а-Бунгаротоксин

образуется крайтом Bun gams (змея — аспид); он представляет

он

сн—сн

он

адреналин

он

норадреналин

СН—СН

—NH

;

он

0—СО—О—(СН

)

—N=(CH

)

ацегилхопин

собой полипептид из 71-74 аминокислотных остатков, стабилизи-

рованный четырьмя дисульфидными мостиками (жесткая структу-

ра).

<Uk

Рис.

44. Адренорецепторы (а и (3) в

стенке артерии: 1 — стенка артериаль-

ного сосуда, 2 — миофибриллы, 3 —

адренорецепторы, 4 — возбуждение, 5

— сокращение, 6 — торможение, 7 —

расслабление.

Рис.

45. Схематичное строение нервно-

мышечного синапса по С. Куфлеру и

Дж. Николсу (1979): 1 — частички, 2 —

ямки, 3 — синаптические визикулы, 4

— пресинаптическая мембрана, 5 —

постсинаптическая мембрана, 6 —

складки постсинаптической мембраны,

7 — синаптическая щель.

131

Из рис. 46 следует, что ионный канал в н-холинорецепторе

создается самим рецептором. Теперь доказано, что женщины,

болеющие раком молочной железы и не имеющие на раковых

клетках рецепторов эстрогена, излечиваются эндокринными пре-

паратами лишь в 10% случаев. Напротив, при наличии таких

рецепторрв излечиваются подобными средствами в

50-65%

случаев

и более. Заболевания типа тяжелой миастении (Myastenia gravis)

и редкой устойчивой к инсулину формы диабета обусловливаются

аутоиммунными реакциями, когда собственные антитела блокиру-

ют рецепторы, вызывают их транспозицию (перемещение) внутрь

клетки и разрушение.

Рецепторы, соединяю-

*<'"2К щиеся с молекулами — ли-

::!•::••/

'••£"'.

-¾°

гандами, группируются

;

\. j' образовывающихся в мемб-

••,,-• .-«ii' ране окаймленных ямках,

Рис.

46.

н-холинорецептор электрического

или

углублениях. Диаметр

ската; молекулы рецептора

составе фосфо- углублений ОКОЛО

100 НМ. В

липидных пузырьков

(А);

розетка рецептора структуре

их

выделяют

ТЯ-

(Б)

двумя местами связывания а-бунгароток-

» .

пп

сина желые (ММ

180 кДа)

лег-

кие (ММ

35 кДа) цепи клат-

ринов

(от лат.

clathrum

—

решетчатый барьер), формирующих

ассамблею протомеров

форме корзинок, которые

покрывают

окаймленные углубления.

При

эндоцитозе клатриновая клетка

—

ловушка втягивает внутрь участок мембраны

—

пэтч.

При

этом

углубления

как бы

опускаются внутрь клетки, края

их

сужаются,

остается маленькое отверстие, которое вскоре исчезает,

мемб-

рана становится гладкой. Мембрана таким образом лишается пэтча,

трансформировавшегося внутри клетки

свободно передвигаю-

щуюся везикулу (пузырек). В зависимости

от

процесса (фагоцитоз,

пиноцитоз) везикулу называют: "фагосома", "пиносома", "фагоци-

тарная", "пиноцитарная"

или

"эндоцитарная вакуоль", эндосома.

Окаймленные ямки дают начало окаймленным пузырькам, теряю-

щим впоследствии клатриновое покрытие

способным сливаться

с другими неокаймленными везикулами

—

эндосомами, лизосома-

ми

по цис- и

транс-м еханизмам. Цис-механизм заключается

в слиянии поверхностей мембран, непосредственно контактирую-

щих

цитоплазмой. Транс-механизм заключается

сближении

наружных поверхностей мембраны.

По

цис-механизму протекает

132