Что регулирует циклическую работу биологического двигателя
Перейти к содержимому

Что регулирует циклическую работу биологического двигателя

  • автор:

Причины движения живого

Из приведенных выше примеров следует, что движение живых организмов является механическим движением, а причиной любого механического движения являются силы. В частности, причиной движения планет является гравитационная сила Солнца. Причиной движения двигателей, построенных человеком, являются либо электромагнитные силы (электродвигатели), либо сила давления горячего газа на поршень (тепловые двигатели). Что же является причиной движения живых организмов?

Как вам уже известно, субстратом жизни служат полимерные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Все процессы в живом организме происходят вследствие химических реакций между этими и другими молекулами, составляющими живой организм или поступающими в организм. Каким же образом химические превращения способны вызвать механическое движение?

Среди различных белков, составляющих организм, важную роль играют молекулы, получившие название белки — молекулярные моторы. Характерным свойством таких молекул является способность изменять свою форму, т. е. взаиморасположение отдельных составляющих молекулы. Примерам такого белка является молекула миозина, которая при наблюдении в электронный микроскоп видна как короткая толстая нить с утолщением-головкой на одном из концов. Эта головка способна поворачиваться относительно нити.

Если головку прикрепить к какой-либо другой молекуле, при повороте она способна совершать механическую работу. Откуда берется энергия для такой работы? Энергию поставляет молекула АТФ — универсальный источник энергии клеток всех живых организмов.

Однако при движении головки относительное изменение длины молекулы миозина оказывается незначительным. Мышцы, созданные из таких молекул, могли бы сокращаться на единицы процентов (реальное сокращение мышц может доходить до 50%). И природа «исхитрилась» создать мотор, работающий по циклу, подобно тепловым двигателям, созданным человеком. Правда, произошло это за миллиарды лет до создания человеком тепловых двигателей. Биологический двигатель состоит из двух молекул — миозина, осуществляющего движение, и актина, молекулы которого, соединяясь между собой, образуют длинные тонкие нити.

Следует отметить, что КПД такого двигателя (отношение совершенной механической работы к затраченной энергии) в несколько раз превосходит КПД тепловых двигателей, созданных человеком. Человек еще не достиг совершенства, имеющегося в природе; возможно, двигатели, подобные биологическим, будут изобретены в будущем.

Что же регулирует циклическую работу биологического двигателя? Под воздействием нервного импульса в цитоплазме увеличивается концентрация ионов Ca 2+ . Они способствуют контакту актина с миозиновой головкой и соединению миозина с одной из составляющих молекулы АТФ (в определенном смысле действие ионов кальция подобно действию катализаторов при химической реакции). После того как миозиновая головка совершила очередное тянущее движение, концентрация ионов кальция уменьшается.

Биологические моторы основаны на взаимодействии двух типов молекул: молекулы, изменяющей форму, и перемещаемой молекулы. Эти молекулярные комплексы работают циклично и обусловливают практически все движения, которые наблюдаются в живой природе.

Читать далее
Предметы
  • Астрономия
  • Биология
  • География
  • Допризывная подготовка (Беларусь)
  • Естествознание
  • Информатика
  • История Древнего мира
  • История Словакии
  • История Средних веков
  • Легкая атлетика
  • Обществоведение
  • Туризм
  • Физика
  • Фотография
  • Человек и мир

§ 64. Движение в живой природе

Монада, точка малая средь вод,
Без ног, без членов плавает, снует,
Там вибрион, как угорь вьется,
Живым мерцает колесом Сувойка,
А там играет формами Протей,
То шар, то куб, то будто червь иль змей.
Э. Дарвин

Какой механизм лежит в основе движения живых организмов? Как действуют биологические моторы? Как работают мышцы? Каков механизм движения отдельных клеток и одноклеточных организмов?

Урок-лекция

МНОГООБРАЗИЕ ФОРМ ДВИЖЕНИЯ ЖИВОГО. Движение — одно из фундаментальных свойств живого. В повседневной жизни мы сталкиваемся в основном с движением, которое осуществляется благодаря работе мышц; это и бег коня, и полет бабочки, и ползание дождевого червя, и плавание карася. В основе этих внешне столь различных форм движения лежит активность мышечных волокон. Но не только сокращение мышц обеспечивает движение. Одноклеточные организмы, например амебы, жгутиконосцы, инфузории, тоже обладают способностью к перемещению в пространстве. Перемещения разного рода осуществляются и внутри самих клеток: движение вакуолей, транспортных пузырьков, содержащих выработанный клеткой секрет, расхождение хромосом делящейся клетки. Есть ли что-либо общее между всеми этими столь различными на первый взгляд процессами?

ПРИЧИНЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИВОГО. Из приведенных выше примеров следует, что движение живых организмов является механическим движением, а причиной любого механического движения являются силы. В частности, причиной движения планет является гравитационная сила Солнца. Причиной движения двигателей, построенных человеком, являются либо электромагнитные силы (электродвигатели), либо сила давления горячего газа на поршень (тепловые двигатели). Что же является причиной движения живых организмов?

Как вам уже известно, субстратом жизни служат полимерные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Все процессы в живом организме происходят вследствие химических реакций между этими и другими молекулами, составляющими живой организм или поступающими в организм. Каким же образом химические превращения способны вызвать механическое движение?

Раскадровка движения балерины

Среди различных белков, составляющих организм, важную роль играют молекулы, получившие название белки — молекулярные моторы Характерным свойством таких молекул является способность изменять свою форму, т. е. взаиморасположение отдельных составляющих молекулы. Примером такого белка является молекула миозина, которая при наблюдении в электронный микроскоп видна как короткая толстая нить с утолщением-головкой на одном из концов. Эта головка способна поворачиваться относительно нити (рис. 73).

Рис. 73. Движение головки миозина

Если головку прикрепить к какой-либо другой молекуле, при повороте она способна совершать механическую работу. Откуда берется энергия для такой работы? Энергию поставляет молекула АТФ — универсальный источник энергии клеток всех живых организмов.

Однако при движении головки относительное изменение длины молекулы миозина оказывается незначительным. Мышцы, созданные из таких молекул, могли бы сокращаться на единицы процентов (реальное сокращение мышц может доходить до 50%). И природа «исхитрилась» создать мотор, работающий по циклу, подобно тепловым двигателям, созданным человеком. Правда, произошло это за миллиарды лет до создания человеком тепловых двигателей. Биологический двигатель состоит из двух молекул — миозина, осуществляющего движение, и актина, молекулы которого, соединяясь между собой, образуют длинные тонкие нити. Рабочий цикл актин-миозинового мотора схематично изображен на рисунке 74.

Рис. 74. Схема рабочего цикла актин-миозинового мотора

Следует отметить, что КПД такого двигателя (отношение совершенной механической работы к затраченной энергии) в несколько раз превосходит КПД тепловых двигателей, созданных человеком. Человек еще не достиг совершенства, имеющегося в природе; возможно, двигатели, подобные биологическим, будут изобретены в будущем.

Биологические моторы основаны на взаимодействии двух типов молекул: молекулы, изменяющей форму, и перемещаемой молекулы. Эти молекулярные комплексы ра-циклично и обусловливают все движения, которые наблюдаются в живой природе.

Что же регулирует циклическую работу биологического двигателя? Под воздействием нервного импульса в цитоплазме увеличивается концентрация ионов Са 2+ . Они способствуют контакту актина с миозиновой головкой и соединению миозина с одной из составляющих молекулы АТФ (в определенном смысле действие ионов кальция подобно действию катализаторов при химической реакции). После того как миозиновая головка совершила очередное тянущее движение, концентрация ионов кальция уменьшается (см. рис. 74).

МЫШЕЧНОЕ СОКРАЩЕНИЕ. Рассмотрим работу мышцы. Схема мышцы приведена на рисунке 75. Мышечные волокна, имеющие диаметр порядка 50 мкм, состоят из отдельных цилиндрических структур — миофибрилл, которые имеют диаметр 1—2 мкм.

Рис. 75. Схема строения мышцы

Если сделать поперечный срез миофибриллы и взглянуть на него через электронный микроскоп, то можно увидеть правильно чередующиеся тонкие нити белка актина и толстые, связанные в пучок своими хвостовыми концами молекулы миозина. При зацеплении головки миозина за актиновую нить образуются поперечные мостики.

Основу работы мышцы составляет работа множества элементарных актин-миозиновых биологических моторов.

Схема работы отдельной сократимой единицы миофибриллы приведена на рисунке 76.

Рис. 76. Схема работы миофибриллы: расслабленное состояние (а), сокращенное состояние (б)

В расслабленном состоянии мышцы миозиновые и актиновые нити перекрываются незначительно. После нескольких циклов актин-миозиновых моторов актиновые нити оказываются втянутыми в промежутки между миозиновыми нитями, что приводит к сокращению мышцы.

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР БИОЛОГИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ. Описанные биологические моторы обусловливают различные движения живых организмов. Примерами таких движений являются изменение формы клетки и образование перетяжки между дочерними клетками в ходе клеточного деления, движение жгутиков и ресничек простейших живых организмов (жгутиконосцы, инфузории), амебовидное движение — один из самых распространенных способов перемещения клеток.

Исследование амебоидного движения показало, что в прилежащем к наружной плазматической мембране амеб слое цитоплазмы имеется сеточка из нитей актина и миозина. Сокращение и расслабление этой сеточки фактически изменяет упругость наружной оболочки, в результате чего цитоплазма перетекает в область, где эта упругость меньше. В этой области образуется вырост — псевдоподия, которая закрепляется на окружающих амебу телах. Затем вещество амебы постепенно перекачивается в область, где закрепилась псевдоподия, после чего цикл повторяется.

Подобный способ движения характерен также для лейкоцитов — элементов крови человека и позвоночных животных — участвующих в иммунном ответе организма. Перемещаясь, как амебы, эти клетки скапливаются вокруг проникших в организм инородных объектов и нейтрализуют их вредное воздействие на организм,

Движение при помощи жгутиков и ресничек чрезвычайно распространено среди одноклеточных организмов. Изгибаясь, жгутики и реснички совершают сложное движение. Движение жгутика напоминает движение гребного винта. Движение реснички напоминает движение рук человека, плывущего брассом: вначале следует прямой удар ресничкой, затем она изгибается и медленно возвращается в исходное положение.

Несмотря на огромное разнообразие форм движения живых существ, все они оказываются достаточно сходными и основанными на одних и тех же молекулярных механизмах.

Жгутики и реснички не содержат мышц. Под микроскопом видно, что жгутики и реснички состоят из микротрубочек, образованных молекулами белков. К каждой микротрубочке прикреплены ручки, образованные белком — молекулярным мотором (рис. 77).

Рис 77. Схема, иллюстрирующая механизм изгибания жгутиков и ресничек

Цикл движения состоит в том, что ручки микротрубочки цепляются за соседнюю микротрубочку, затем, изгибаясь, подтягивают соседнюю микротрубочку, после чего, отцепляясь, возвращаются в исходное положение. Таким образом, функцию актина в актин-миозиновом комплексе в данном случае выполняют микротрубочки. Если микротрубочки одним концом скреплены между собой, то при циклическом движении ручек происходит изгиб микротрубочек.

  • Как осуществляется механическое движение в живой природе?
  • Можно ли найти что-то общее в беге леопарда и ползании амебы? Если да, то что?
  • За счет какого вида энергии совершается механическая работа при действии биологического мотора?

Цыганков В.Д. ОБ УРОВНЯХ ПОСТРОЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Н.А. Бернштейн

(Об уровне А для медицинских работников, инженеров и математиков по Н.Бернштейну)

Н.А. Бернштейн (1896 — 1966)

Введение

Знание фундаментальных законов функционирования самого нижнего звена сложной иерархической системы любой двигательной активности живого организма и, особенно, человека, важно для диагностики, терапии, а также для обоснованного проектирования протезов и интеллектуальных искусственных медицинских систем. Таким базовым звеном и является уровень построения движения А в концепции Н.А. Бернштейна об уровнях построения движений [1].

1.Эффекторные функции или действия (мышечные движения) — являются определяющими для получения живой системой полезного результата [2 и 3]. Они определяют возможность и эффективность достижения цели всей целостной системы [4].

2.Сенсорные или рецепторные функции — выполняет важную обслуживающую для эффекторных систем функцию сигнализации и коррекции (координации).

3.Центральные перерабатывающие функции — выполняют для сенсорных систем обслуживающие функции, а такжефункции целеполагания [5].

4.Все движения или действия, совершаемые эффекторными системами, имеют многоуровневую организацию или структуру. Каждый новый в эволюции, выше лежащий уровень построения движения, имеет новое движение или новый класс движений. N уровням соответствует N списков или классов движений.

5.Эффекторная или двигательная система состоит, в общем случае, из двух частей:
— скелета, пассивной части,
-мышц или двигателей, активной части.

6.Степень свободы — направление подвижности, мера разнообразия направлений и форм подвижности. Это независимая координата. Число степеней свободы — это число независимых координат.

7.Переход от одной степени свободы к двум и более означает возникновение необходимости выбора. Биосистема всегда имеет возможность сама обосновать свой выбор.

8.В многостепенной эффекторной системе происходит суммирование во времени погрешностей и ошибок.

9. При построении движения учитываются реактивные силы инерции, трения, деформации.

10.Учитывая п.п. 8 и 9, протекание движения (траекторию) невозможно заранее предусмотреть и заранее запрограммировать, как в отношении точности, так и в отношении управляемости, т. е. послушности командам управления по ходу движения. Это важнейшая особенность биоуправления.

11.Задача координации и управления движением — это превращение движущегося органа — многозвенного манипулятора в управляемую систему, т. е. закрепление, преодоление, исключение избыточных степеней свободы. Для достижения этой цели имеется два средства:
-двигатели — связи,
-динамические силы, внутренние и внешние.

12.Между командой Е из центра, величиной управляющего импульса на двигатель, усилием Р, развиваемым мышцей, и результирующим движением delta l нет простой и однозначной связи или зависимости. Здесь имеется принципиальная неопределенность (рис. 1).

Рис.1

Рис.1.

Усилие, развиваемое двигателем или мышцей, зависит от текущей длины и изменения длины, от позы организма, от скорости движения, состава, деформации, реактивных сил. Величину команды из центра Е нельзя заранее рассчитать и предсказать однозначно, т. к. имеет место еще и кольцевая зависимость (обратная связь) между эффекторной и сенсорной системами (рис.2). Неоднозначность и кольцевая зависимость – более трудная задача для системы управления, чем простое исключение избыточных степеней свободы в многозвенной кинематической системе.

13.Центральная система решает задачу выбора команды Е из семейства возможных (рис.1). Решение вопроса о неоднозначности Е лежит в использовании следующих сенсорных сигналов:
— о позе кинематической цепи,
— о величине угловых скоростей в сочленениях,
— о величине длины мышцы в данный момент,
— о величине напряжения (давления, статического усилия) каждой из влияющих на
движение мышц.

Сенсорные сигналы – это непрерывно текущий поток информации от рецепторов к центру, а от него – к эффекторам.

14.«Принцип сенсорной коррекции» [1]. Он ведет систему, определяет характер движения, его целеустремленность за счет постоянной коррекции эффекторных команд информацией от сенсорных систем.

15.Сенсорным системам, помимо коррекционной роли, принадлежит главная роль в:
инициации движения,
задании установок, задания порогов и параметров регулирования,
запуске самого движения.

16.Протекание процесса управления движением в виде взаимодействия эффекторных (моторных) и сенсорных процессов, в виде «рефлекторного кольца» (рис. 2) (а не цепи «сенсорное воздействие – рефлекторный эффекторный ответ»). Это фундаментальная форма протекания любого двигательного акта. Это координация вида эффекторной команды Е.

Рис.2

Рис.2

17.Для достижения управляемости кинематической системой необходимо найти
равнодействующую
следующих сил:
— активной – мышечного усилия Р,
— внешней Fвн,
— реактивной Fр.

18.Все вышесказанное можно выразит в форме известного дифференциального уравнения Н.А.Бернштейна [6],уравнения движения одного кинематического звена в поле тяготения под действием одной мышцы:
Jd 2 α/dt = F[ E(t, αdαdt) αdα/dt] + mG(α(1),

где J – момент инерции звена,
F – момент, усилие, мера напряжения мышцы,
E – команда из центра,
m – масса,
G(α) — момент силы тяжести,
α – угол сочленения.

Из уравнения (1) следуют следующие выводы:
— взаимодействие центра и периферии носит циклической, кольцевой характер,
— имеется несколько циклов (рис. 3), контуров связи, внутренние и внешние через фото- и тактильные рецепторы, а также, через другие типы сенсорных систем,
однозначной связи между командой из центра и траекторией движения нет,
— произвольное, целенаправленное движение возможно только лишь при условии тончайшего, непрерывного, не запрограммированного заранее, согласования, коррегирования центральных команд с явлениями, происходящими на периферии.

19.Необходимость постоянного учета вариабельности, лабильности [8 и 9] и нестабильности параметров управляемой системы: переменная масса груза, меняющаяся эффективность двигателя и др., еще более усложняют задачу управления движением из центра.

20.Каждому уровню движения соответствуют свои сенсорные поля или системы, определенные виды рецепторов. Каждой двигательной задаче, в зависимости от ее содержания, смысловой структуры, соответствует тот или иной уровень построения движения и, соответственно, тот или иной, наиболее ему адекватный, сенсорный синтез, по качеству и составу образующих его сенсорных сигналов с тех или иных рецепторов. Каждой двигательной задаче соответствует свойведущий уровень построения движения или управления.

Двухконтурная регуляция движения

Рис.3. Двухконтурная регуляция движения

21.В нервной системе человека и позвоночных различают пять основных уровней построения движений:

  1. Уровень А – кинетических регуляций.
  2. Уровень В – синергий, штампов.
  3. Уровень С – пространственного поля.
  4. С1 – слежения по ходу движения.
  5. С2 – целевой.

4. Уровень Д– действий.

5. Уровень (группа уровней) Е – символических координаций.

22. Все уровни построения движения можно охарактеризовать рядом общих показателей:
— локализация в мозге (рис. 4) и субстрат (аппаратура и ее размещение в
технической системе).
— ведущие сенсорные сигналы,
— характеристика специфических свойств движения,

Рис.4.

Рис.4.

— самостоятельные движения (внутренняя активность), управляемые данным уровнем,
— фоновая роль уровня в двигательных актах вышележащих уровней в многоуровневой системе.
— дисфункция, проявление нарушений, отказы работы уровня.

Ниже следует подробный анализ уровней построения движения.

1. УРОВЕНЬ А.
1.1. «Аппаратура» и ее расположение в системе управления уровня А. Субстрат и его локализация показаны на рис. 4.
1.2. Ведущая сенсорная информация уровня А:
— информация об уровне метаболизма, обменного процесса и о функциональном состоянии мышц, нервов, нейронов, рецепторов, т. е. о величине коэффициентов, значении параметров в дифференциальных уравнениях контуров регулирования,
— информация с датчиков величины мышечного напряжения (с рецепторов Гольджи), о направлении развиваемого усилия, величины усилия, положения вектора гравитационного поля (с отолитов),
— проприоцепторика тропизмов, длина мышцы (с веретен, суставных рецепторов),
— информация о глубинном осязании, давлении на опору (с датчиков Паччини, рецепторов Мейснера, Краузе).

На данном уровне построения движения свой (на каждом уровне свой) прием, состав и способ осуществления сенсорной коррекции.
Элементарная кольцевая связь типа «активность мышцы, т. е. ее метаболизм, — длина мышцы» — это внутреннее кольцо регуляции.
Следующий иерархический уровень регуляции (кольцо) внутри уровня А – это «мышечное веретено, рецепторы Гольджи – мотонейроны передних рогов спинного мозга», и т.д. по иерархии.

1.3. Характеристики и свойства движений уровня А.
1.3.1. Самая древняя двигательная система – это гладкая мускулатура без костно – суставного аппарата, управляемая вегетативной нервной системой (медуза).

1.3.2. Движения данного уровня являются палео кинетическими (древними, связанными со структурой мозга — паллидум), плавными, тоническими по своей природе, играют позную, статокинетическую, формоприспособительную роль. На этом уровне не решаются двигательные задачи, связанные с точными координатами тела и, тем более, с координатами внешними.

В мягких органах (кишечник, желудок, матка) уровень А выполняет самостоятельную двигательную функцию, такую, например, как проталкивание пищи, перемешивание пищи, выталкивание плода и др.
При наличии костно – суставного аппарата, уровень А выполняет вспомогательную, фоновую роль, роль тонического приспосабливания быстрого фазного силового движения к внешним условиям и состоянию внутренней среды. Он играет роль тонкой регуляции силы, величины и скорости, формы быстрых движений (движений балерины), осуществляет позные рефлексы (статические реакции позы и равновесия).

1.3.3. Уровень А осуществляет смещение семейства кривых «удлинение — сила» (рис. 1).

Это аналоговый – градуальный процесс смещения порогов, коэффициентов усиления и постоянных времени звеньев регулятора. Направление и величина сдвигов определяется либо верхним, вышележащим командным уровнем управления, если он есть, либо обменными процессами метаболизма на данном уровне, если он единственный (медуза). То есть, решается двигательная задача сохранения структуры субстрата, обеспечения надежности функционирования и выживания.

При наличии уровней В, С, Д, Е, при управляемости сверху, уровень А регулирует их, обеспечивая гибкость и настраиваемость движения на этих уровнях.

1.3.4. На уровне А осуществляется активный тонический процесс удлинения мышцы при реципрокном сокращении ее антагониста, т. е., не просто ее выключение из работы, а управляемое торможением расслабление. Это связано с подпороговым, до срабатывания фазных мотонейронов, сдвигами тонуса напряжения мышцы. Это центральная преднастройка для тонических мышц быстрых фазных мышечных движений, которые осуществляются дискретным принципом, путем включения разного целого числа мышечных волокон, и не поддается аналоговому регулированию. Здесь налицо взаимодействуют два аппарата: дискретный, грубый, сильный быстрый (баллистический), неуправляемый по ходу движения, и аналоговый, мягкий, плавный, чуткий, тонкий.

1.3.5. Уровень А устанавливает предварительно константы и параметры, по которым будет протекать фазный дискретный процесс. Он осуществляет перестройку параметров звеньев регулятора по ходу движения.

1.3.6. Перестройка параметров и констант звеньев регулятора осуществляется еще путем постепенного вовлечения мышечных волокон и двигательных единиц, последовательного и параллельного распределения команд по группам двигателей в одной мышце и по антагонистическим парам мышц. Происходит перестройка вязкости, упругости и тянущего усилия одной мышцы.

Реципрокная (антагонистическая, синергетическая, парная) иннервация и координация командных сигналов по парам мышц – антагонистов (сгибателей — разгибателей) является основой всякого движения костно – суставного аппарата. Имеет место активное удлинение антагониста при развитии напряжения внешней силой тянущей мышцы при ее сокращении.

1.3.7. Построить сложное движение высшего уровня из совокупности, суммы простых движений нижних уровней нельзя. В синтезе движения высшего уровня осуществляется разгрузка ведущего уровня движения по сенсорной информации. Ведущий уровень распространяет свой регулирующий контроль на нижележащие, фоновые в данном сверху движении уровни. Нижние уровни, работая на движение вышележащего уровня, теряют свою индивидуальность.

1.4. Самостоятельные движения, управляемые уровнем А.
1.4.1. Уровень А – это абсолютный монополист по тонусу во всей центральной нервной системе (ЦНС). Он осуществляет ряд специальных рефлексов:
реципрокное активное удлинение антагонистов (реципрокное торможение). Об это выше было сказано;
центральное регулирование постоянных времени, скоростных процессов возбудимости функциональных единиц «мотонейрон – двигательная единица» или группа двигательных единиц – клеток, управляемых одним мотонейроном; синхронизация работы групп мышц, волокон и нейронов, изохронизм в системе. Осуществление переходов «изохронизм — герерохронизм». Они осуществляются, в основном, путем регуляции порогов срабатывания мотонейронов, т. е. регулированием задержек выдачи импульсных сигналов на мышцы. При этом дозируется поток импульсов команд на мотонейроны мышц – антагонистов, регулируется их переключение по каналам «сгибание — разгибание». Этот тип регуляции служит целям реципрокной координации;
тонические рефлексы из системы Красного ядра, т. е. «мышечный тонус». Он реализуется в основном у беспозвоночных животных гуморальным химических сдвигом, смещением характеристик семейства «усилие — удлинение» (рис. 1). И его деформацию за счет изменения механических характеристик мышцы (механических параметров двигателя). У позвоночных, что имеет прямое отношение к управлению манипулятором, за счет синтеза медиаторов электротонического быстродействующего смещения порогов возбудимости, постоянных времени и коэффициентов усиления звеньев регуляторов и параметров механических звеньев, т. е. превращение режима работы дискретных звеньев в аналоговые. Перевод работы фазных мышц в режим гладких мышц.

Виды тонусов мышцы и ткани:
эластичный тонус коркового происхождения,
вязкий тонус уровня регуляции среднего мозга, его экстрапирамидной системы,

Они проявляются при шейно – туловищных стато – кинетических рефлексах («тетанический тонус»).

Тонус мышцы. – это фактическое состояние вязкости и упругости мышечной ткани, и все виды гибкого, пластического регулирования чувствительности к импульсным, рывковым движениям.

Тонус – это меняющееся состояние нервно – мышечной предподготовленности периферийного аппарата к избирательному приему команды и ее реализации. Напряжение мышцы определяется уравнением с двумя неизвестными:
— функциональным состоянием мышцы, механической мерой чувствительности к импульсным командам, градуальностью, аналоговой характеристикой;
— наличной длиной мышцы и скоростью ее изменения.

Вторая переменная, т. е. текущие значения α(t),dα/dt(t) не подвластны ЦНС, и через проприорецепторные каналы сигнализируется в ЦНС. Задача ЦНС – подставить в уравнение значение первой переменной. Найти такую форму мышечного воздействия, чтобы полезным результатом решения уравнения было бы значение величины мышечного усилия, как раз требуемого по условиям движения, т. е. в соответствии с двигательной задачей. Налицо здесь алгоритм и его внутреннее содержание акцептора действия будущего результата работы функциональной системы П.К.Анохина [5]. Аппарат предвосхищения или упреждения (планирования, предсказания) будущего результата, работающего целиком на использовании содержимого памяти, накопленного прошлого прижизненного или генетического опыта. Это и есть то, что делает уровень А. Он дозирует дискретные кванты через:
— управляемую амплитуду импульсов, создавая и регулируя аналоговую подкладку или составляющую;
— изменение процента, доли работающих двигательных единиц и числа мышечных волокон или сократительных клеток в двигательной единице за счет герерохронизма или периодического на малый интервал времени выключения (включения) отдельных каналов в пучке. Порождает пачки импульсов управления;
— регуляцию механических характеристик двигателей – мышц, их вязкости и упругости.

1.5. Фоновая роль уровня А.
Принятие и удержание позы. Возникновение режима «тремор покоя» — это генерация чисто синусоидальных колебаний нервно-мышечного звена около уровня равновесия в регуляторе. Это основной фон любого движения организма. Фон гибкого реактивного перестраиваемого тонуса всего мышечного массива тела. Фон регулирования фазных движений. Взаимодействие уровней построения движения осуществляется по «принципу пластичности».

1.6. Дисфункции и синдромы уровня А.
— Разрушения на уровне А, вызванные дистонией, т.е. виды тони b: гипертония и гипотония. Утрата управления уровнем Асверху вызывает синдром Паркинсона в виде тремора, регидность при исчезновении сверху контроля за тонусом.
— Треморы:
а) «Тремор покоя» — это гиперфункция или усиление функции эффектора на частоте 8 – 10 герц. Он исчезает во сне и с началом активной двигательной деятельности. Возникает при утомлении, парабиозе при длительном протекании однообразного движения.
б) «Интенционный тремор» — это гипофункция, ослабление сверху влияния Красного ядра. В покое отсутствует. Возникает при сознательном намерении или начале действия. Проявляется как неправильное, суетливое колебательное подергивание или движение. Чем большее усилие, направленное на его подавление, тем сильнее тремор проявляется. При этом выпадает функция реципрокная координация и торможение антагониста. Эффекторная команда «затекает» в мышцу — антагонист. Происходит борьба противоречивых команд на мотонейронах и мышц – антагонистов за направление и скорость движения. При этом нет правильной дозировки усилий.

1.7. Уровень А – это уровень моторики туловища тела и его сегментов.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Бернштейн Н.А. Физиология движений и активность. М. Наука. 1990.

Что регулирует циклическую работу биологического двигателя

МЕХАНОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ И РЕГУЛИРУЕМЫЕ ОБЪЁМОМ КЛЕТКИ

Каналопатии — наследуемые болезни, вызванные мутациями генов, кодирующих синтез субъединиц ионных каналов (табл. 2-2). Поскольку каналы контролируют электрогенез в структурах возбудимых тканей, проявления каналопатий зарегистрировано преимущественно при нервно-мышечных расстройствах. Ионные каналы могут быть вовлечены в ненаследуемую патологию. Например, причиной диареи являются токсическое действие ряда веществ, в первую очередь самих токсинов, на функцию каналов, функционирующих в плазматической мембране эпителиальных клеток слизистой оболочки пищеварительного тракта. Ионные каналы выступают в роли мишеней для многих лекарственных средств. Эффективный скрининг подобный средств осуществляют с использованием технологии клонированных каналов.

Таблица 2-2. Некоторые болезни и синдромы, связанные с дефектами генов ионных каналов

Дефектный канал / ген

Врождённая миотония. Болезнь Томсена

Хлорный канал CLCN1

Синдром удлинённого интервала Q-T

Калиевые каналы KCNA9, KVLQT1

Синдром Jervell–Lange–Nielsen — сочетание синдрома удлинённого интервала Q — T с редкой формой глухоты

Калиевый канал KVLQT1

Хлорный канал CFTR

Врождённая гипертензия. Синдром Лиддла

Натриевый канал ENaC , g -субъединица канала SCNN1G

Генерализованная миотония. Болезнь Беккера

Хлорный канал CLCN1

Врождённый гиперкальциурический нефролитиаз. Синдром Дента

Хлорные каналы CLCN2, CLCK5

Атаксия эпизодическая, тип 2

Кальциевый канал P/Q, субъединица a 1A

Атаксия спиномозжечковая, тип 6

Кальциевый канал P/Q, субъединица a 1A

Семейная гемиплегическая мигрень

Семейный гипокалиемический периодический паралич

Кальциевый канал CACNA1A

Семейные доброкачественные неонатальные судороги, тип 1 и 2

Калиевые каналы KCNQ2 и KCNQ3

Термин «активный ионный транспорт» подразумевает происходящий при участии АТФаз энергозависимый трансмембранный перенос ионов против электрохимического градиента. Наиболее известны следующие насосы: натрий, калиевый (Na + ,K + -АТФаза), протонный (H + ,K + -АТФаза) и кальциевый (Ca 2+ -АТФаза).
Натрий , калиевая АТФаза выкачивает Na + из клетки в обмен на K + , чем поддерживается трансмембранный градиент Na + и K + . Насос регулирует потоки воды, поддерживая постоянный объём клетки; обеспечивает Na + -связанный трансмембранный транспорт множества органических и неорганических молекул, участвует в создании мембранного потенциала и генерации потенциалов действия нервных и мышечных элементов.
· Na + ,K + -насос — интегральный мембранный белок, состоящий из 2-х СЕ (каталитическая субъединица a и гликопротеин b ). Известно 2 изоформы ( a и a + ) каталитической СЕ. Почка содержит преимущественно форму a , а ЦНС, жировая ткань, скелетные мышцы — обе формы каталитической СЕ. b -Субъединица имеет две формы, b 2 –СЕ экспрессируется преимущественно в ЦНС.

Молекула адгезии глиальных клеток (ген AMOG ) — интегральный мембранный гликопротеин с Mr 45–50 кД. При формировании мозжечка экспрессируется глиоцитами и направляет миграцию зернистых клеток. Не исключено, что этот гликопротеин идентичен b 2 –СЕ Na + ,K + -АТФазы.

· Связывание катионов. Участки связывания Na + расположены на цитоплазматической поверхности a –СЕ , а K + — на наружной её поверхности.
· Кинетика. При гидролизе одной молекулы АТФ 3 иона Na + выкачиваются из клетки, и 2 иона K + закачиваются в неё.
· Блокатор. Na + ,K + -АТФазу блокирует гликозид уабаин, специфически взаимодействующий с участком связывания K + . Уабаин — стероид, получаемый из древесины Acocanthera ouabaio или из семян Strophanthus gratus, действие идентично действию гликозидов наперстянки. Применяют для быстрой дигитализации.
Протонная и калиевая АТФаза. При помощи этого фермента париетальные клетки желёз слизистой оболочки желудка участвуют в образовании соляной кислоты (электронейтральный обмен внеклеточного K + на внутриклеточный H + ). H + ,K + -АТФаза — гетеродимер (высокомолекулярная a –СЕ + меньшей молекулярной массы и сильно гликозилированная b –СЕ). b –СЕ — главный Аг, к которому при некоторых заболеваниях (например, пернициозная анемия, атрофический гастрит) в крови циркулируют АТ.
Са 2+насосы ( Са 2+ -АТФазы ) откачивают ионы кальция из цитозоля против значительного концентрационного градиента. Са 2+ — насос саркоплазматического ретикулума откачивает ионы кальция из цитозоля не во внеклеточное пространство (как Са 2+ -АТФаза плазмолеммы), а во внутриклеточные депо кальция (как правило, в замкнутые межмембранные объёмы гладкой эндоплазматической сети, называемой в скелетных мышечных волокнах и кардиомиоцитах саркоплазматической сетью). Гистологические элементы мышечной ткани (быстрые мышечные волокна и медленные мышечные волокна + кардиомиоциты) имеют соответственно две такие Са 2+ -транспортирующие АТФазы.

Миопатия Броди — недостаточность Са 2+ -АТФазы саркоплазматического ретикулума, проявляющаяся симптомами мышечной усталости при физической нагрузке.

К трансмембранным белкам-переносчикам (транспортёры, ионофоры) относятся переносчики глюкозы (например, транспорт глюкозы в нервные клетки и кардиомиоциты для обеспечения их аэробного метаболизма, всасывание глюкозы в энтероцитах кишечника, реабсорбция глюкозы в проксимальных извитых канальцах нефрона), аминокислот (например, всасывание аминокислот в кишечнике, реабсорбция в канальцах нефрона, обратное всасывание аминокислот-нейромедиаторов в мозге), анионообменники (регуляторы внутриклеточного рН) и ряд других. Примеры некоторых нарушений при дефектах молекул трансмембранных белков-переносчиков приведены в табл. 2-3.
Переносчик веществ через мембрану связывает переносимое вещество и перемещается в мембране. Если переносчик связывается с транспортируемым веществом путём невалентных взаимодействий (ионными, гидрофобными и др. силами), то такой процесс называется вторичной транслокацией. Различают 3 её типа: облегчённая диффузия (унипорт), котранспорт (симпорт) и противотранспорт (антипорт) (рис. 2-5). Отдельное вещество транспортируется путём облегчённой диффузии. Котранспорт (симпорт) — сочетанный (совместный) транспорт двух и более веществ в одном направлении. Так, транспорт фосфатов в эпителии канальцев почки сопряжён с транспортом Na + , что обеспечивается специальным переносчиком SLC17A1 ( Npt 1). Противотранспорт (антипорт) — согласованный перенос двух и более веществ через мембрану в противоположных направлениях. В случае противотранспорта перенос вещества в одном направлении сопряжён с потоком другого вещества в противоположном направлении. Этим способом осуществляется обмен внутриклеточного К + на внеклеточный H + практически во всех клетках. Процессы сопряжённого транспорта (симпорт и антипорт) имеют большое значение при переносе веществ против градиента концентрации. Такой активный транспорт, в отличие от пассивного транспорта (по концентрационному градиенту), требует затрат энергии. При этом энергия химического превращения расходуется на поддержание осмотического потенциала или асимметрии по обе стороны мембраны.

Рис. 2-5. Типы транспорта . Отдельное вещество транспортируется путём облегчённой диффузии (унипорт). Котранспорт (симпорт) — сочетанный (совместный) транспорт двух и более веществ в одном направлении. Противотранспорт (антипорт) — согласованный перенос двух и более веществ через мембрану в противоположных направлениях. [51]

Таблица 2-3. Примеры некоторых нарушений при дефектах молекул трансмембранных переносчиков

SLC5A5 (SL55, NIS)

Котранспорт NaJ и одновалентных анионов: ClO 3 – , SCN – , SeCN – , NO 3 – , Br – , BF 4 – , IO 4 – и BrO 3

SLC4A4 ( SLC4A4, NBC1, KNBC, SLC4A5)

Котранспорт Na + и HCO3 –

Почечный ацидоз с глазными нарушениями

SLC11A3 (FPN1, IREG1, HFE4)

Котранспорт H + и ионов двухвалентных металлов

Гемохроматоз тип 4

Анемии вследствие нарушения синтеза ДНК (гиперхромные макроцитарные с мегалобластным типом кроветворения)

SLC3A1 ( ATR1, D2H, NBAT )

Транспорт цистина, двуосновных и нейтральных аминокислот

SLC26A4, PDS, DFNB4

Синдром Пендреда, глухота, расширенный водопровод преддверия

SLC26A2, DTD, DTDST, D5S1708, EDM4

Диастрофические дисплазии, ателостеогенез тип II, ахондрогенез Ib, множественные эпифизарные дисплазии

Глюкоза
Переносчики глюкозы — интегральные гликопротеины . Инсулин увеличивает захват глюкозы клетками, вызывая быстрое перемещение этих гликопротеинов из цитоплазмы клетки в плазмолемму. Известно не менее 6 кодируемых генами GLUT трансмембранных переносчиков глюкозы из внеклеточной среды.
· Нервная ткань и GLUT3. Органы и клетки, имеющие значительную потребность в глюкозе (в первую очередь мозг), содержат переносчик GLUT3.
· GLUT4 и кардиомиоциты. Экспрессия гена усиливается под действием йодсодержащих гормонов.
· Сперматиды и GLUT5. Экспрессия гена GLUT5 — маркёр созревания сперматозоидов.
· Всасывание в кишечнике. GLUT5 содержится в щёточной каёмке энтероцитов тонкого кишечника (также переносчик фруктозы). GLUT2 базолатеральной части энтероцитов реализует выход сахаров из клеток.
· Инсулин-независимый сахарный диабет. Точечная мутация гена GLUT2 (замена валина на изолейцин в позиции 197) — одна из причин развития диабета типа II.
· Сочетанный транспорт глюкозы и Na + в тонком кишечнике и канальцах почки обеспечивают мембранные гликопротеины, кодируемые генами SGLT. Это главный механизм почечной реабсорбции глюкозы, происходящей в начальном отделе проксимальных извитых канальцев нефрона.

Глюкозурия . Известно несколько мутаций гена SGLT2 , приводящих к потере глюкозы в почках (до 60 г в сутки).

Аминокислоты
Всасывание аминокислот в кишечнике, их реабсорбция в канальцах нефрона, а также поглощение аминокислот-нейромедиаторов нейронами и глиоцитами мозга реализуются при помощи не менее десятка переносчиков, кодируемых генами SLC1 и SLC3, специфичных по отношению к b -, двухосновным, нейтральным и отдельным аминокислотам.
· Глутамат и аспартат (аминокислоты-нейромедиаторы). Белок-переносчик транспортирует эти аминокислоты в цитоплазму нейронов и глиоцитов. Накапливаясь в межклеточном пространстве ЦНС, глутамат и аспартат могут оказывать цитотоксический эффект. Кодируемый геном SLC1A2 белок-переносчик транспортирует эти аминокислоты в цитоплазму нейронов и глиоцитов.

Цистинурия . Несколько мутаций гена SLC3A1 приводит к избыточной секреции цистина (при некоторых формах также лизина, аргинина и орнитина) и к образованию мочевых камней.

Анионообменники
Анионообменники — регуляторы внутриклеточного pH .
· Обмен Cl – на бикарбонат. Среди переносчиков этой группы хорошо изучен гликопротеин полосы 3 мембраны эритроцитов. Белок полосы 3 мембраны эритроцитов — многофункциональный транспортный белок глюкозы, анионов и воды. Анионообменник обеспечивает эффективный обмен Cl – на HCO3 – : поступление бикарбоната в эритроциты в обмен на Cl – в капиллярах разных органов, обратный процесс — в капиллярах лёгкого. При деградации полосы 3 мембраны эритроцитов образуется так называемый Аг старения клеток — метка, распознаваемая иммунной системой. Эритроциты, несущие эту метку (повреждённые, заканчивающие жизненный цикл, инфицированные плазмодиями малярии), распознаются макрофагами селезёнки и печени и фагоцитируются ими.
· Фосфаты. Система сочетанного транспорта фосфатов и Na + в почке важна для гомеостаза фосфатов в организме. Реабсорбция фосфатов происходит в проксимальных извитых канальцах нефрона при помощи двух кодируемых генами NPT2 переносчиков. Почечные потери фосфатов при ряде наследуемых болезней (гипофосфатемия, гипофосфатемический рахит, гипофосфатемический рахит с гипокальциурией, гипофосфатемическая болезнь костей), вероятно, обусловлены дефектами генов NPT2.
· Обмен Na + на H + Гены SLC9A кодируют белки плазмолеммы NHE [от Na, H, Exchanger (обменник)], осуществляющие обмен внеклеточного Na + на внутриклеточный H + . Мембранные белки NHE — регуляторы внутриклеточного pH.

Ú Диуретик амилорид ингибирует NHE1, NHE2 и NHE4 и не оказывает эффекта на NHE3 и NHE5.

Ú NHE1 (ген SLC9A1) экспрессируется практически во всех клетках, а в клетках эпителия — в базолатеральных отделах плазмолеммы (в том числе в канальцах почки). Амилорид ингибирует, а факторы роста, митогены, нейромедиаторы — активируют деятельность этого обменника. Дефекты гена SLC9A1, скорее всего, приводят к артериальной гипертензии (эссенциальная гипертоническая болезнь).

Ú NHE2 экспрессируется в канальцах почки и эпителии слизистой оболочки ЖКТ.

Ú NHE3 апикальной мембраны эпителиальных клеток кишечника и канальцев почки важен для трансэпителиального переноса Na + . В отличие от базолатерально расположенного NHE2, NHE3 нечувствителен к амилориду.

Ú NHE4 локализован преимущественно в эпителии слизистой оболочки желудка.

Ú NHE5 функционирует как регулятор pH и объёма клеток в ЦНС.

Разные переносчики
· Таурин.
· Креатин. Кардиомиоциты и скелетные мышечные волокна не синтезируют креатина, необходимого для энергетического обеспечения их функции (цикл креатин–фосфокреатин). Ингибирование переносчика креатина ведёт к развитию мышечной слабости. Дефекты кодирующего переносчик гена SLC6A8 — причина одной из форм кардиомиопатии (синдрома Барта).
· Фолаты. Этот переносчик обнаружен в плаценте и печени.
· Лактат и пируват транспортируются в обоих направлениях через плазмолемму эритроцитов, гепатоцитов, эпителия кишечника и почки, клеток мышечных тканей.
· Норадреналин. Выделившиеся в синаптическую щель нейромедиаторы частично транспортируются обратно в пресинаптические терминали. Трициклические антидепрессанты (например, дезипрамин, имипрамин), а также кокаин и амфетамины взаимодействуют с синаптическими транспортными системами биогенных аминов. Мутации генов, кодирующих переносчики норадреналина и серотонина, могут привести к развитию психиатрической патологии (например, маниакально-депрессивного психоза).
Клетка, воспринимая и трансформируя различные сигналы, реагирует на изменения окружающей её среды. Плазматическая мембрана — место приложения физических (например, кванты света в фоторецепторах), химических (например, вкусовые и обонятельные молекулы, рН), механических (например, давление или растяжение в механорецепторах) раздражителей внешней среды и сигналов информационного характера (например, гормоны, нейромедиаторы) из внутренней среды организма. При участии плазмолеммы происходят узнавание и агрегация (например, межклеточные контакты) как соседних клеток, так и клеток с компонентами внеклеточного матрикса (например, адгезионные контакты, адресная миграция клеток и направленный рост аксонов в нейроонтогенезе). Совокупность этих процессов — межклеточные взаимодействия. Все виды информационных межклеточных взаимодействий реализуются в рамках концепции «сигнал–ответ», основы которой заложил Пауль Эрлих. Информационные межклеточные взаимодействия укладывается в схему, предусматривающую следующую последовательность событий: сигнал ® рецептор ® (второй посредник) ® ответ.
Передачу сигналов от клетки к клетке осуществляют сигнальные молекулы (первый посредник), вырабатываемые в одних клетках и специфически воздействующие на другие клетки — клетки-мишени. Специфичность воздействия сигнальных молекул определяют присутствующие в клетках-мишенях рецепторы, связывающие только собственные лиганды. Все сигнальные молекулы (лиганды) — в зависимости от их физико-химической природы — подразделяют на полярные (точнее — гидрофильные) и аполярные (точнее — жирорастворимые).
Гидрофильные молекулы (например, нейромедиаторы, цитокины, пептидные гормоны, Аг) не проникают через плазматическую мембрану и связываются с рецепторами плазмолеммы (мембранные рецепторы).
Жирорастворимые молекулы (например, стероидные гормоны) проникают через плазмолемму и связываются с рецепторами внутри клетки (ядерные рецепторы).
Рецепторы регистрируют поступающий к клетке сигнал и передают его вторым посредникам.
Мембранные рецепторы
Мембранные рецепторы — гликопротеины. Они контролируют проницаемость плазмолеммы путём изменения конформации белков ионных каналов (например, н-холинорецептор), регулируют поступление молекул в клетку (например, холестерина при помощи рецепторов ЛНП), связывают молекулы внеклеточного матрикса с элементами цитоскелета (например, интегрины), регистрируют присутствие информационных сигналов (например, нейромедиаторов, квантов света, обонятельных молекул, Аг, цитокинов, гормонов пептидной природы). Мембранные рецепторы регистрируют поступающий к клетке сигнал и передают его внутриклеточным химическим соединениям, опосредующим конечный эффект (вторые посредники). Функционально мембранные рецепторы подразделяют на каталитические, связанные с ионными каналами и оперирующие через G–белок.
· Каталитические рецепторы — трансмембранные белки, наружная часть которых содержит связывающий лиганд участок, а цитоплазматическая часть функционирует как протеинкиназа (тирозинкиназа). Некоторые каталитические рецепторы не имеют внеклеточной части и постоянно находятся в активном состоянии. Подобные дефектные рецепторы кодируются некоторыми онкогенами. Через каталитические рецепторы на клетку действуют факторы роста. Среди них фактор роста фибробластов ( FGF ), эпидермальный фактор роста ( EGF ), фактор роста из тромбоцитов ( PDGF ), фактор роста нервов ( NGF ) и многие другие. На примере EGF рассмотрим механизм его стимулирующего влияния на пролиферацию эпителиальных клеток. Рецептор EGF — крупный трансмембранный гликопротеин, продукт одного из онкогенов семейства erb. Молекула рецептора EGF , как и молекулы всех рецепторных тирозинкиназ, состоит из 3-х основных доменов: внеклеточного N–концевого гликолизированного лиганд-связывающего, составляющего около половины всей молекулы и обеспечивающего специфичность восприятия сигнала; собственно трансмембранного a -спирального домена, состоящего всего из 23-х гидрофобных аминокислот, и наиболее консервативного внутриклеточного тирозинкиназного домена (542 аминокислоты). В лиганд-связывающем домене выделяют 2 богатых цистеином участка, стабилизирующих вторичную структуру домена, и 2 глобулярных, богатых глицином, фрагмента, которые ответственны за узнавание специфических лигандов. Непосредственно к трансмембранной спирали с внутриклеточной стороны примыкает небольшой так называемый околомембранный регуляторный фрагмент, затем следуют собственно киназный, АТФ-связывающий участок, еще один «шарнирный» регуляторный фрагмент и, наконец, аутофосфорилируемый С–концевой субдомен. В регуляторных фрагментах находятся остатки треонина и серина, которые фосфорилируются внутриклеточными протеинкиназами, такими как протеинкиназа C или митоген-активируемая протеинкиназа ( MAP ) или киназа митоген-активируемой протеинкиназы ( MAPK ). Далее развёртывается следующая цепь молекулярных событий: узнавание фактором EGF своего рецептора ® активация комплекса «лиганд-рецептор» ® активация фофолипазы C ® превращение инозитолдифосфата в инозитолтрифосфат и диацилглицерол. Каждое из образованных веществ служит вторым посредником. Инозитолтрифосфат мобилизует свободный внутриклеточный Са 2+ , а диацилглицерол активирует протеинкиназу С — ключевой фермент регуляции пролиферации, транскрипции и многих других внутриклеточных событий. Протеинкиназа C , в свою очередь, активирует фосфолипазу D, стимулируя, тем самым, гидролиз другого важного фосфолипида — фосфатидилхолина.

Другой путь передачи митогенного сигнала с участием EGF связан с активацией системы гена Ras . Продукт этого гена, белок р21 ras , — регуляторный трансмембранный G–белок. Как все G–белки, р21 ras активен в ГТФ-связанном состоянии и неактивен в ГДФ-связанной форме. Результатом взаимодействия EGF со своим рецептором является аутофосфорилирование последнего с последующим присоединением к нему комплекса адапторных и эффекторных белков, в частности, белка GRB 2 (Growth Factor Receptor Bound 2), содержащего домен SH 2 ( Src H omology 2), который представлен последовательностью из 100 аминокислотных остатков, и белка SOS (гуанин-нуклеотид освобождающий белок, гомолог регуляторного белка дрозофилы S on O f S evenless). Активация белка SOS стимулирует Ras к связыванию с ГТФ и переходу в активное состояние. Мишенью активированного р21 ras является внутриклеточная серин-треониновая протеинкиназа Raf . Белок Raf , в свою очередь, активирует каскад внутриклеточных митоген-активируемых протеинкиназ и их киназ. В результате этой активации фосфорилируется транскрипционный фактор протоонкоген с-jun и индуцируется транскрипция онкогенов с-fos, c-myc и других генов, запускающих митоз. Raf может также непосредственно фосфорилировать и, соответственно, активировать находящийся в цитоплазме неактивный протонкоген c-myc, в результате чего он возвращается в ядро и инициирует экспрессию генов с-fos, с-jun и с-ras.

· Рецепторы, связанные с каналами. Взаимодействие лиганда с рецептором оказывает влияние на воротный механизм связанного с рецептором канала, в результате чего канал открывается или закрывается. Подобным образом функционируют н-холинорецепторы, рецепторы глицина, g -аминомасляной кислоты и другие.
· Рецепторы, связанные с G–белком, представляют собой трансмембранные белки, ассоциированные с ионным каналом или ферментом, расположенным вблизи цитоплазматической поверхности плазмолеммы. Белок-рецептор может быть связан с гетеротримерным или с мономерным G–белком. В первом случае связывание лиганда с рецептором инициирует взаимодействие молекулы того же рецептора с гетеротримерным G–белком. В результате этого взаимодействия активируется система второго посредника и чаще всего цАМФ и Ca 2+ . Во втором случае передача сигнала в клетку осуществляется при помощи небольшого мономерного G–белка. В различных клетках в качестве такого белка задействованы ГТФазы Ras, Rho, Rab, Ran и другие. Через рецепторы, связанные с мономерным G–белком реализуются процессы регуляции пролиферации клеток, синтеза белка, адгезии, экзоцитоза и др. Открытый первым мономерный G –белок Ras представляет собой клеточную копию вирусного гена, который является причиной рака. 30% всех раковых опухолей у человека связаны с мутациями генов Ras , одного из классических онкогенов.
Ядерные рецепторы — белки-рецепторы стероидных гормонов (минерало- и глюкокортикоиды, эстрогены, прогестерон, тестостерон), ретиноидов, тиреоидных гормонов, жёлчных кислот, витамина D3. Каждый рецептор имеет область связывания лиганда и участок, взаимодействующий со специфическими последовательностями ДНК. Другими словами, ядерные рецепторы — активируемые лигандом транскрипционные факторы. Некоторые ядерные рецепторы — протоонкогены (например , гены ERBA кодируют рецепторы тиреоидных гормонов). В геноме человека имеется более 30 ядерных рецепторов, лиганды которых находятся на стадии идентификации (сиротские рецепторы).
Внутриклеточные сигнальные молекулы (вторые посредники) передают информацию с мембранных рецепторов на эффекторы (исполнительные молекулы), опосредующие ответ клетки на сигнал. Стимулы, такие как свет, запах, гормоны и другие химические сигналы (лиганды), инициируют ответ клетки-мишени, изменяя в ней уровень внутриклеточных вторых посредников. Вторые (внутриклеточные) посредники представлены многочисленным классом соединений. К ним относятся циклические нуклеотиды (цАМФ и цГМФ), инозитолтрифосфат , диацилглицерол, Ca 2+ .

Диацилглицерол и инозитолтрифосфат

Общим источником для диацилглицерола и инозитолтрифосфата является мембранный фосфолипид фосфатидилинозитол 4,5-бифосфат ( PIP 2 ). PIP 2 — минорный компонент плазмолеммы, локализованный в её внутреннем липидном слое (рис. 2-2). Многие гормоны и ростовые факторы вызывают гидролиз PIP 2 с участием фосфолипазы C , в результате чего образуются два вторых посредника — диацилглицерол ( DAG ) и инозитол 1,4,5-трифосфат ( IP 3 ) (рис. 2-6). DAG и IP 3 стимулируют 2 различных сигнальных пути: DAG активирует протеинкиназу С, а IP 3 опосредует выход ионов Ca 2+ из внутриклеточных депо.

Рис. 2-6. Роль ингибирования инозитолт рикиназы g в предотвращении воспаления и повреждения сустава при ревматоидном артрите . Артрит характеризуется выработкой антител против коллагена типа II , которые атакуют суставной хрящ. Связанные с хрящом антитела фиксируют комплемент, что приводит к освобождению белкового компонента комплемента C 5 a , а также связывают резидентные клетки, которые узнают Fc фрагменты фиксированных антител. Резидентные клетки активируются и выделяют хемокины. C 5 a и хемокины взаимодействуют с рецепторами, связанными с G –белком, встроенными в плазмолемму циркулирующих лейкоцитов. Следующим шагом в патологической цепочке является активация инозитолтрикиназы g , которая катализирует образование второго посредника IP 3 из предшественника PIP 2 . Повышение уровня второго посредника в лимфоците индуцирует перестройку цитоскелета и активную миграцию клетки в структуры сустава. Проникшие в сустав клетки являются источником воспалительных цитокинов, поддерживающих процесс воспаления в суставе, и протеаз, повреждающих ткань и кость. Ингибитор инозитолтрикиназы блокирует образование IP 3 , индуцируемую хемокинами миграцию лейкоцитов в сустав и продуцирование ими цитокинов и протеаз, что защищает сустав от повреждения. [107]

Различают собственно G–белок и Ras G–белок.
· G–белок (связывающий гуаниновые нуклеотиды белок) состоит из трёх субъединиц (СЕ) — a , b и g ( рис. 2-7), расположенных ближе к цитоплазматической поверхности мембраны. В покое СЕ объединены, a –СЕ связана с гуанозиндифосфатом. При активации — взаимодействии G–белка с комплексом «лиганд-рецептор» — гуанозиндифосфат отделяется от a –СЕ, а место гуанозиндифосфата занимает ГТФ. В результате G–белок активируется и диссоциирует. a –СЕ с ГТФ перемещается в мембране и связывается с эффектором, активируя его. Затем a –СЕ катализирует переход ГТФ в гуанозиндифосфат, инактивируется и вновь объединяется с другими СЕ G–белка.

Рис. 2-7. Роль G–белка в активации эффекторов . 1. Выключенное состояние. a –СЕ связана с ГДФ и не контактирует с рецептором; 2. При взаимодействии лиганда с рецептором гуанозиндифосфат заменяется на ГТФ, G–белок активируется; 3. G–белок диссоциирует, и несущая ГТФ a –СЕ перемещается в мембране, связывается с эффектором и активирует его; 4. a –СЕ превращает ГТФ в гуанозиндифосфат, инактивируется и объединяется с другими СЕ G–белка. [17]

Ú Активируемые эффекторы. Независимо, антагонистически или синергестически, G a и комплекс G bg активируют: калиевые каналы типа IK,Aцетилхолин (G a , G bg ) и IK, ATФ (G a ), фосфолипазы А2 (G bg ) и С b 1-3 (G a , G bg ), аденилатциклазы I-IV, Са 2+ -каналы типов L и N (G a ), фосфодиэстеразу цГМФ (G a ), киназу ацетилхолинового мускаринового рецептора (G bg ), b -адренорецепторы (G bg ).

Ú Лиганды связанных с G–белком мембранных рецепторов: ангиотензин II, АТФ, ацетилхолин (мускариновые рецепторы), бомбезин, брадикинин, вазопрессин, вещество Р, гистамин, глутамат, люлиберин, кванты света, нейромедин, нейропептид Y, норадреналин, одоранты, ПТГ, серотонин, ТТГ, тромбин, тромбоксан А2, фактор агрегации тромбоцитов, холецистокинин, эндотелин.

Ú Полиморфизм и регуляция. Существует несколько изоформ каждой СЕ; токсин коклюша инактивирует гетеротример при АДФ-рибозилировании G a ; кальмодулин и фосдуцин действуют на G bg , изменяя их активность.

Ú Функциональные формы. Различают: Gs — активатор аденилатциклазы, Gi — ингибитор аденилатциклазы, Gp — активатор фосфолипазы C, Gt — активатор цГМФ-фосфодиэстеразы (трансдуцин). Эти формы выявлены в плазматических мембранах клеток различных типов и воздействуют в них на различные эффекторы (табл. 2-4).

Ú Дефекты G–белка (табл. 2-5) приводят к развитию наследственной остеодистрофии Олбрайта и псевдогиперпаратиреоидизма, повышению риска развития опухолей гипофиза, щитовидной железы (онкоген gsp), яичника и коры надпочечников (онкоген gip); точечная мутация a –СЕ G–белка (в позиции 366 аланин замещён на серин) вызывает развитие псевдогиперпаратиреоидизма типа Ia в сочетании с преждевременной маскулинизацией.

Таблица 2-4. Молекулярные формы G–белка и их эффекты [91]

Активатор аденилатциклазы (цАМФ ­ )

Взаимодействие адреналина с b -адренорецептором

Ингибитор аденилатциклазы (цАМФ ¯ )

Протеинкиназы не активируются

Взаимодействие адреналина с a 2 -адренорецептором

Активатор фосфолипазы С

­ Ca 2+ в цитозоле (активация протеинкиназы С и выброс гистамина из тучных клеток)

Связывание комплекса Аг–IgE

Активатор цГМФ-фосфодиэстеразы (цГМФ ¯ )

Гиперполяризация мембраны фоторецепторной клетки

Активация фоторецепторных клеток

Холера . Сведения о формах G–белка позволили установить молекулярные механизмы нарушений при холере. Холерный токсин блокирует способность Gs гидролизовать ГТФ. Аденилатциклаза, активированная такой видоизменённой a –СЕ (Gs), остаётся в активированном состоянии неопределённо долго. Это приводит к увеличению уровня цАМФ в эпителиальных клетках слизистой оболочки кишки, потере ими Na + и воды, что вызывает тяжёлую диарею и обезвоживание.

Таблица 2-5. Болезни человека, связанные с G–белком [17]

Дефект a –СЕ

Наследственная остеодистрофия Олбрайта

Опухоли гипофиза и щитовидной железы (онкоген gsp)

Опухоли надпочечника и яичника (онкоген gip)

П реждевременное половое созревание и псевдогипопаратиреоидизм Ia

Г иперкальциурическая гиперкальциемия

Ca 2+ -сенсор эндокринных клеток паращитовидной железы PCAR1

Ca 2+ -сенсор PCAR1

Гиперпаратиреоидизм (+ аденомы щитовидной железы)

Преждевременное половое созревание мальчиков

X-сцепленный нефрогенный несахарный диабет

Нарушения спектральной чувствительности

Семейная недостаточность глюкокортикоидов

· Ras G–белок кодируется одним из генов онкогенного семейства ras. У Ras G–белка функционально различают: связывающий гуанозин дифосфат белок (неактивная форма) и связывающий ГТФ белок (активная форма, быстро переходящая в неактивную). Активная форма фосфорилирует продукт другого онкогена raf — Raf-белок. Так начинается серия последовательных фосфорилирований разных белков — Rasкаскад. В финале Ras-каскада — транскрипция соответствующих генов. Продукты генов семейства ras в сочетании с другими белками формируют мощную и разветвлённую систему передачи сигнала на пути: каталитические рецепторы ® регуляция транскрипции. Тирозинкиназа — фермент, фосфорилирующий остаток тирозина (тирозил). Рецепторы фактора роста эпидермиса, инсулина, фактора роста нервов, тромбоцитарного фактора роста и другие известны как рецепторные тирозинкиназы, так как их внутриклеточные домены — тирозинкиназы, фосфорилирующие ряд субстратов. Рецепторные тирозинкиназы фосфорилируют Raf-белок (начальная стадия Ras-каскада) и фосфолипазу С g 1. Фосфолипаза С g 1 образует вторые посредники: инозитол 1,4,5-трифосфат и диацилглицерол. Инозитолтрифосфат, в частности, регулирует сокращение ГМК.

Ú Rasкаскад — последовательность внутриклеточных реакций преобразования сигнала; существенная часть реакций происходит при фосфорилировании компонентов каскада; внешний сигнал — преимущественно факторы роста, некоторые пептидные гормоны; результат — транскрибирование генов, обеспечивающих пролиферацию и/или дифференцировку клеток; в злокачественно трансформированных клетках мутации генов ras приводят к бесконтрольной пролиферации.

Ú Rasподобные ГТФазы кодируются генами ras, передают сигналы от рецепторных тирозин киназ плазматической мембраны к серин/треониновым киназам, от которых сигнал поступает в ядро клетки (Ras-каскад). Rho/Rac–белки осуществляют контроль организации цитоскелета, Rab–белки — транспорт пузырьков между компартментами клетки, Ran–белки — ГТФазы клеточного цикла.

Оксид азота (NO) — газообразный медиатор межклеточных взаимодействий, влияющий на функции многих клеточных типов. Образуется из L -аргинина при участии фермента NO -синтазы. В клетках-мишенях активирует гуанилатциклазу, что приводит к увеличению уровня второго посредника — цГМФ.
Другой сигнальной молекулой, действующей на клетку-мишень не через специальный белок-рецептор, а в результате проникновения в её цитоплазму, является монооксид углерода (угарный газ, CO). Как сигнальная молекула CO играет важную роль в иммунной, сердечно-сосудистой системах и периферической нервной системе. CO — продукт ферментного расщепления гема. Реакцию конверсии гема в CO, Fe 2+ и биливердин, который быстро конвертируется в билирубин, катализирует гемоксигеназа. Изоформа этого фермента, гемоксигеназа-1, экспрессируемая в эндотелиальных и гладкомышечных клетках сосудистой стенки, контролирует образование CO, необходимого для размножения клеток и роста капилляров. В низких концентрациях CO рассматривают как фактор цитопротекции и модулятор сосудистого тонуса при гипоксии.
Функции клеток выполняются на разных уровнях реализации генетической информации (например, транскрипция, посттрансляционная модификация) и крайне разнообразны (например, изменения режима функционирования, стимуляция или подавление активности, перепрограммирование синтезов и так далее). Изменения пространственной организации (конформация), как правило, происходят при множестве взаимодействий между молекулами: связывании лигандов с рецепторами, ионов Ca 2+ с их рецепторами, молекулы с макромолекулами и т.п..
Эндоцитоз — поглощение (интернализация) клеткой воды, веществ, частиц и микроорганизмов (рис. 2-8А). Эндоцитоз также происходит при перестройке или разрушении участков клеточной мембраны. К морфологически различаемым вариантам эндоцитоза относят пиноцитоз, фагоцитоз, опосредованный рецепторами эндоцитоз с образованием окаймлённых клатрином пузырьков и клатрин-независимый эндоцитоз с участием кавеол (рис. 2-8, рис. 2-11).

Рис. 2-8. Эндоцитоз (А) и экзоцитоз (Б). При эндоцитозе участок плазматической мембраны впячивается и замыкается. Инвагинация плазмолеммы и сближение краёв формирующейся ямки происходит главным образом за счёт перестройки примембранного F –актина. Образуется эндоцитозный пузырёк, содержащий поглощённые частицы. При экзоцитозе мембрана транспортных или секреторных пузырьков сливается с плазматической мембраной, и содержимое пузырьков высвобождается во внеклеточное пространство. В слиянии мембран участвуют специальные белки. [17]

Пиноцитоз — процесс поглощения жидкости и растворённых веществ с образованием небольших пузырьков. Пиноцитоз рассматривают как неспецифический способ поглощения внеклеточных жидкостей и содержащихся в ней веществ, когда некоторая область клеточной мембраны впячивается, образует ямку и далее пузырёк, содержащий межклеточную жидкость.

Опосредуемый рецепторами эндоцитоз

Опосредуемый рецепторами эндоцитоз (рис. 2-9, рис. 2-10, рис. 2-50) характеризуется поглощением из внеклеточной жидкости конкретных макромолекул, связываемых специфическими рецепторами, расположенными в плазмолемме. Помимо рецепторов, в реализации этого варианта эндоцитоза принимает участие образующий наружную оболочку пузырька клатрин. Клатрин связан с мембраной пузырька опосредованно через молекулы адаптина (белка–адаптора) AP-2, которые, в свою очередь, присоединены к цитоплазматическим доменам трансмембранных гликопротеинов (рецепторов). Кроме того, AP-2 действует как платформа для обеспечения взаимодействия между рядом белков, участвующих в клатрин-зависимом эндоцитозе, включая амфифизин, эпсин, синаптоджанин, кортактин, интерсектин (рис. 2-11). Все вместе, клатрин, AP-2 и ассоциированные белки, составляют эндоцитозный комплекс. Отделение окаймлённого пузырька контролируется динамином и сопровождается перестройкой примембранного F–актина; показана ключевая роль динамина во взаимосвязи эндоцитоза и актинового цитоскелета. Богатый пролином домен (PRD) динамина связывается с SH3 (Src гомолог 3)-доменами белков, взаимодействующих с F–актином (это интерсектин, синдапин, актинсвязывающий белок млекопитающих mAbp1 ( m ammalian A ctin — b inding p rotein ), кортактин и другие белки) (рис. 2-11).
Последовательность событий опосредованного рецепторами эндоцитоза такова: взаимодействие лиганда с мембранным рецептором ® концентрирование комплекса «лиганд–рецептор» на поверхности окаймлённой ямки ® формирование окаймлённого клатрином пузырька ® погружение в клетку окаймлённого пузырька. Обладающий ГТФазной активностью хемомеханический белок динамин на стыке плазмолеммы и окаймлённого пузырька формирует т.н. молекулярную пружину, которая при расщеплении ГТФ распрямляется и отталкивает пузырёк от плазмолеммы (рис. 2-9Б). Подобным образом клетка поглощает трансферрин, холестерин вместе с ЛНП и многие другие молекулы.

Рис. 2-9. Опосредуемый рецепторами эндоцитоз ( А ). Многие внеклеточные макромолекулы (трансферрин, ЛНП, вирусные частицы и др.) связываются со своими рецепторами в плазмолемме. Образуются окаймлённые клатрином ямки, а затем — окаймлённые пузырьки, содержащие комплекс «лиганд–рецептор». Окаймлённые пузырьки после освобождения от клатрина — эндосома. Внутри эндосом лиганд отщепляется от рецептора . Погружение окаймлённого пузырька в цитоплазму ( Б ). Присоединение к динамину ГТФ инициирует формирование механохимической молекулярной пружины из плотно упакованных колец динамина с шагом в 11 нм вокруг шейки эндоцитозного пузырька. При гидролизе ГТФ расстояние между смежными кольцами увеличивается до 22 нм. Таким образом, ГТФаза динамина катализирует расщепление ГТФ и тем самым растяжение пружины с последующим отрывом окружённого клатрином эндоцитозного пузырька от плазмолеммы. [17]

Рис. 2-10. Опосредованный рецепторами эндоцитоз и секреция . От плазмолеммы отделяется пузырёк, окружённый клатриновой оболочкой, которая затем исчезает, и пузырёк включается в состав эндосомы; последняя взаимодействует с транс-сетью или транс-цистерной комплекса Гольджи с последующим образованием секреторной гранулы, окружённой клатрином. [17]

Рис. 2-11. Эндоцитоз и примембранный актин. В клатрин-зависимом (А) и клатрин-независимом (Б) эндоцитозе участвует основной комплекс белков, состоящий из динамина, кортактина, комплекса Arp и F–актина. Кортактин является центральным связующим звеном между эндоцитозом и опосредованной динамином реорганизацией актина. Интерсектин и ряд других белков (см. в тексте) опосредуют взаимодействие актина и динамина. [60 ]

Ранние эндосомы
После поступления в цитоплазму эндоцитозные пузырьки теряют клатриновую оболочку и быстро сливаются друг с другом, образуя ранние (периферические) эндосомы. Каждый эндоцитозный пузырёк содержит пару интегральных мембранных белков семейства SNARE — v — SNARE ( v esicle ) и t — SNARE ( t arget ). Взаимодействие комплементарных v — и t — SNARE обеспечивает слияние пузырьков. Слиянию предшествует развёртывание пар SNARE с участием NSF ( N –этилмалеимид-чувствительный фактор, N EM — S ensitive F actor ) и SNAP . Развёрнутые t — SNARE стабилизируются фактором, называемым LMA -1. t — SNARE одного пузырька устанавливается напротив v — SNARE другого пузырька. В это же время специфические факторы докинга (стыковки) (например, Rab 5, обладающий ГТФазной активностью) приводят пузырьки в тесное соприкосновение друг с другом через Rab 5-ГДФ. Другим фактором докинга является EEA 1 ( E arly E ndosome A ssociated P rotein ); его COOH –конец содержит домен FYVE finger , который связывает фосфатидилинозитолтрифосфат мембран пузырьков. EEA 1 соединяет пузырьки и активирует их слияние (рис. 2-12).

Рис. 2-12. Формирование ранней эндосомы . NSF разворачивает SNARE с участием SNAP . LMA -1 стабилизирует t — SNARE после опосредованного NSF отделения от v — SNARE . Факторы докинга — рабаптин-5 комплекс и белок, ассоциированный с ранними эндосомами EEA 1 обеспечивают соединение и слияние пузырьков и формирование ранней эндосомы [137]

Ранние эндосомы расположены по периферии клетки и содержат комплексы рецептора с лигандом, поступившие в клетку в ходе опосредованного рецепторами эндоцитоза. Они формируют компартмент неразделённых рецептора и лиганда ( CURL — C ompartment of U ncoupling of R eceptor and L igand ). В мембране эндосом работающая протонная АТФаза создаёт внутри эндосомы кислую среду (рН 6,0), что способствует расщеплению макромолекулярного комплекса лиганда с рецептором. С участием пузырьков, отделяемых от ранней эндосомы, рецептор возвращается в плазмолемму. После этого ранняя эндосома становится поздней эндосомой.

Путём клатрин-независимого эндоцитоза происходит поглощение (интернализация) многих объектов и молекул, например, белков, связанных с гликозилфосфатидилинозитолом, рецептора TGF b , b ‑цепи рецептора интерлейкина-2, g c -рецептора цитокинов, токсинов, вирусов и др. Эндоцитоз происходит с участием рафтов — мембранных липидных микродоменов, богатых холестерином и гликосфинголипидами и содержащих резидентный белок флотилин .
Один из путей клатрин-независимого эндоцитоза — поглощение молекул с помощью небольших инвагинаций плазмолеммы диаметром 50–80 нм — кавеол. Кавеолы характерны для большинства клеточных типов; особенно многочисленны в эндотелиальных клетках, где они участвуют в транспорте крупных макромолекул. Кавеолы содержат рафты и имеют оболочку, образованную белком кавеолином-1. Кавеолин-1 ( VIP 21, V esicular I ntegral — membrane P rotein ) связывает ассоциированные с кавеолой сигнальные белки, такие, как Src и гетеротримерный ГТФ-связывающий белок Gi , в их неактивной форме. Кавеолы содержат белок gp 60, который соединён с Gi и способен активировать формирование мембранного пузырька и его направленную миграцию в клетке. В эндоцитозе с участием кавеол задействованы ассоциированный с мембраной белковый комплекс, содержащий интерсектин, динамин, SNAP -23, SNARE , кавеолин-1, Rab 5, а также липиды, организованные в цитозольные надмолекулярные белково-липидные комплексы. Интерсектин ассоциирован преимущественно с перешейком кавеолы и остаётся соединённым с кавеолой после её отрыва от плазмолеммы. Интерсектин способствует кластеризации динамина (в нативном состоянии — димеров и тетрамеров). Интерсектин «собирает» динамин вблизи плазмолеммы, способствуя его взаимодействию с мембранными липидами и создавая высокую локальную концентрацию динамина, необходимую для формирования «воротника» вокруг перешейка кавеолы (рис. 2-11). При пониженном содержании интерсектина нарушается отделение кавеолы от плазмолеммы.

Белки клатрин-зависимого и клатрин-независимого эндоцитоза

Интерсектин — динамин-связывающий белок, участвует в клатрин-зависимом эндоцитозе. Интерсектин имеет Eps15-гомологичный домен и взаимодействует с эпсином. Эпсин связывается с AP-2 ( A daptor P rotein , белок-адаптер, соединяющий клатрин с плазмолеммой). Эпсин также содержит 5 SH3-доменов для связывания с динамином, синаптоджанином и N–WASP. N–WASP (Wiscott-Aldrich S yndrome P rotein ) служит связующим звеном между актином и является активатором комплекса Arp (относящегося к актину белка, A ctin — r elated p rotein ). Интерсектин — периферический мембранный белок, партнер динамина в клатрин-зависимом эндоцитозе. Идентифицировано два сходных гена интерсектина, интерсектин-1 и интерсектин-2, каждый продуцирующий 2 изоформы интерсектина альтернативным РНК–сплайсингом. Для коротких субъединиц интерсектинов характерны два домена–гомолога Eps15, центральная биспиральная область и 5 последовательных SH3 доменов. Длинная субъединица нейроноспецифичного интерсектина-1 и длинная субъединица интерсектина-2 обладают обширной COOH-областью, состоящей из DH домена (Dbl гомолог), PH домена (плекстрин гомолог) и C2 домена. Возможно, интерсектин регулирует сборку мультибелковых комплексов в участках формирования окаймлённых пузырьков и кавеол. Биспиральный домен интерсектина соединяется как с SNAP-23, так и с SNAP-25. Длинная изоформа интерсектина может стимулировать сборку актина Cdc42 активацией N–WASP и комплекса Arp.
Динамины . Семейство динаминов состоит из 3 белков: динамин-1 (нейрональная форма), динамин-2 и динамин-3, имеющих сходное (на 70%) строение. Динамин-2 — наиболее распространённая форма. Динамин содержит домен, гомологичный плекстрину, который связывает фосфатидилинозитол, что обеспечивает его ассоциирование с плазмолеммой. Динамин необходим для клатрин-зависимого эндоцитоза и может быть вовлечён в клатрин-независимый эндоцитоз. Динамин вызывает изменение актинового цитоскелета при эндоцитозе. Динамин содержит PRD/аргинин-богатый домен для связи с SH3-доменами белков, ассоциированных с актином.
Синаптоджанин регулирует уровень PIP 2 ; PIP 2 опосредует передачу сигналов от плазмолеммы на актиновый цитоскелет, связываясь с эпсином, AP-2 или динамином. Синаптоджанин участвует в ранних этапах клатрин-зависимого эндоцитоза, формировании окаймлённых ямок и пузырьков. Синаптоджанин связывается с клатрин-ассоциированными белками эндофилином и амфифизином. Локализуется совместно с динамином в окаймлённых ямках и пузырьках и может взаимодействовать с различными партнёрами динамина и клатрина.
Синдаптин , связывающийся с PRD–доменом динамина, также регулирует клатрин-зависимый эндоцитоз. Как и динамин, синдаптин взаимодействует с N–WASP, обеспечивая связь с актиновым цитоскелетом, а также с синаптоджанином.
mAbp1 — белок, связанный через динамин с актиновым цитоскелетом и участвующий в эндоцитозе. mAbp1 связывается с PRD–доменом динамина и F–актином. mAbp1 колокализован с динамином в окаймлённых ямках и вовлечён в клатрин-опосредованный эндоцитоз.
Кортактин содержит F–актин связывающие участки и SH3-домен на COOH–конце для соединения с PRD–доменом динамина. Кортактин взаимодействует с Arp, что стимулирует Arp2/3-зависимую нуклеацию. Кортактин участвует и в клатрин-зависимом, и в клатрин-независимом эндоцитозе.
Фагоцитоз — поглощение крупных частиц (например, микроорганизмов или остатков клеток). Фагоцитоз осуществляют специальные клетки — фагоциты (макрофаги, нейтрофилы). В ходе фагоцитоза образуются большие эндоцитозные пузырьки — фагосомы. Фагосомы сливаются с лизосомами и формируют фаголизосомы. Фагоцитоз, в отличие от пиноцитоза, индуцируют сигналы, воздействующие на рецепторы в плазмолемме фагоцитов. Подобными сигналами служат АТ, опсонизирующие фагоцитируемую частицу.
В ходе фагоцитоза происходят скоординированные и последовательные события перестройки актинового цитоскелета, формирования эндоцитозных пузырьков (фагосом), их последующего созревания. Созревание (ремоделирование) включает в себя последовательное слияние фагосомы с различными компонентами эндолизосомного пути и сопутствующие деления, необходимые для сохранения неизменного размера пузырька. Эти процессы созревания регулируются Rab -ГТФазами и фосфоинозитидами. Rab 5 a , ассоциированная с ранними эндосомами, управляет взаимодействием фагосом с ранними эндосомами, а также слиянием гомотипичных эндосом. Rab 5 a способствует образованию фосфатидилинозитолтрифосфата ( PIP 3 ). Совместное присутствие Rab 5 a и PIP 3 необходимо для мобилизации антигена ранних эндосом 1, который опосредует контакт и слияние пузырьков. Активная Rab 7 на мембране фагосомы ассоциирована с лизосомным белком RILP ( R ab 7- I nteracting L ysosomal P rotein ). RILP обеспечивает соединение фагосомы с динактин-динеиновым комплексом, который опосредует перемещение фагосомы вдоль микротрубочек в компартмент поздних эндосом (рис. 2-13). Динактин-динеиновый комплекс также способствует росту ассоциированных с фагосомами трубочек, соединяющих фагосомы с поздними эндосомами и/или лизосомами. С участием этих трубочек происходит слияние содержимого фагосомы и поздней эндосомы/лизосомы. Трубочки остаются связанными с фагосомами многие секунды спустя после поступления в них содержимого поздних эндосом/лизосом. Маркёром зрелой фаголизосомы служит белок LAMP 1. Другой путь поступления содержимого поздней эндосомы/лизосомы в фагосому — по принципу » kiss — and — run «, когда содержимое доставляется в фагосому короткими временными взаимодействиями её с эндосомами/лизосомами.

Рис. 2-13. Формирование фаголизосомы . Ранняя фагосома приобретает Rab 7 или из растворённого пула, или/и при слиянии с Rab 7-содержищими эндосомами. Затем Rab 7-ГТФ мобилизует белок лизосом RILP , который, в свою очередь, способствует связыванию фагосомы с динактин-динеиновым комплексом. Этот комплекс опосредует перемещение фагосом вдоль микротрубочек по направлению к центру организации микротрубочек ( MTOC ), а также способствует формированию начинающихся от фагосом трубочек, которые объединяются с поздними эндосомами и/или лизосомами. Ферменты лизосомы по трубочкам поступают в фагосому. В конечном итоге фагосомы и поздние эндосомы и/или лизосомы сливаются в одну органеллу. [132]

Экзоцитоз (секреция) — процесс, когда внутриклеточные секреторные пузырьки (например, синаптические) и секреторные гранулы сливаются с плазмолеммой, а их содержимое освобождается из клетки (рис. 2-8Б и рис. 2-10). Процесс секреции может быть спонтанным и регулируемым.

Секреторные гранулы и пузырьки

Мембранные пузырьки содержат вещества, подлежащие выведению из клетки (секреции, экзоцитозу). Такие пузырьки образуются в комплексе Гольджи. Гранулы — секреторные пузырьки с электроноплотным содержимым, они присутствуют в хромаффинных и МИФ-клетках (катехоламины), тучных (гистамин) и некоторых эндокринных клетках (гормоны).

Конститутивная и регулируемая секреция

Одна часть пузырьков постоянно сливается с клеточной мембраной (конститутивная секреция), в то время как другая часть пузырьков накапливается под плазмолеммой, но процесс слияния пузырька и мембраны происходит только под действием сигнала, чаще всего вследствие увеличения концентрации Са 2+ в цитозоле (регулируемый экзоцитоз). Конститутивная секреция обеспечивает встраивание в плазмолемму вновь синтезированных белков и рецепторов, интернализованных при опосредованном рецепторами эндоцитозе. В регулируемом экзоцитозе участвуют секреторные гранулы, а также специализированные эндосомы (например, синаптические пузырьки).
Слияние секреторных пузырьков с плазмолеммой проявляется практически во всех клетках в форме конститутивного экзоцитоза, который необходим для встраивания вновь синтезированных компонентов плазмолеммы. Ряд внеклеточных молекул (например, белки плазмы, антитела, белки внеклеточного матрикса и т.д.) также секретируются путём конститутивного экзоцитоза.
При регулируемом экзоцитозе происходит экзоцитоз пула заранее сформированных стабильных гранул, которые в ряде клеток существуют довольно долго в отсутствие стимуляции. Экзоцитоз может происходить по принципу «всё или ничего» с высвобождением содержимого всех гранул (например, как при дегрануляции тучной клетки). Для многих клеточных типов (нейроэндокринных, эндокринных, экзокринных) характерна секреция только небольшой части (1%) имеющегося большого резервного пула.
В ходе экзоцитоза можно выделить следующие последовательные стадии: перемещение везикулы в субплазмолеммальное пространство, установление связи и докинг (от англ. dock — стыковка) к участку плазмалеммы, слияние мембран, высвобождение содержимого гранулы (пузырька) и восстановление (обособление) мембраны гранулы.
Слияние мембран начинается с формирования поры слияния. Пора слияния может временно открываться и затем максимально быстро закрываться ( kiss and run , экзоцитоз); в других случаях происходит расширение поры с последующим слиянием мембран гранулы и плазмолеммы.
Слияние мембран происходит, когда гидрофобные хвосты молекул фосфолипидов двух мембран приходят в контакт, для чего требуется очень плотное прилегание друг к другу двух соседних мембран (рис. 2-14). Такому плотному прилеганию препятствует электростатическое отталкивание отрицательно заряженных фосфолипидов. Для преодоления такого отталкивания формируется многокомпонентный белковый комплекс, который действует как мостик, связывая мембрану секреторного пузырька и мембрану-мишень. Центральным компонентом мостика являются белки SNARE (рецепторы для SNAP ). SNARE присутствуют как в мембране везикулы ( v — SNARE ), так и в мембране-мишени ( t — SNARE ). t — SNARE и v — SNARE связываются между собой максимально тесно, притягивая мембраны вплотную друг к другу, что приводит к слиянию бислоёв мембран. Для слияния требуется участие небольших ГТФ-связывающих белков Rab , относящихся Ras –белкам. Rab –белки регулируют формирование комплекса v — SNARE / t — SNARE . Rab действуют как молекулярные переключатели, которые объединяются с комплексом SNARE , когда он связывает ГТФ, и отделяются от комплекса при гидролизе ГТФ с образованием ГДФ. Rab -ГТФ комплекс необходим для того, чтобы произошло слияние. Везикула теряет свою сферическую форму и включается в мембрану-мишень. Далее комплекс t — SNARE / v — SNARE разъединяется с тем, чтобы его компоненты могли быть использованы повторно. В разъединении участвуют рекрутируемые из мембран белки SNAP и АТФ-гидролизующий фермент NSF . SNAP «нацеливает» NSF на SNARE -комплекс. Последующий гидролиз АТФ вызывает диссоциацию SNARE -комплекса.

Рис. 2-14. Слияние мембран . Слияние опосредовано связыванием между комплементарными парами v — SNARE везикулы и t — SNARE мембраны-мишени. Для формирования комплекса t — SNARE / v — SNARE необходимо присутствие ГТФ-связывающих белков Rab . После слияния мембран происходит разъединение комплекса t — SNARE / v — SNARE с участием SNAP и NSF . [149]

Трансцитоз — транспорт макромолекул через клетку, в ходе которого происходит быстрое и эффективное переключение эндоцитоза на экзоцитоз. Трансцитоз обычно осуществляется с участием кавеол. Кавеолы формируют дискретные пузырьки-переносчики, курсирующие между апикальной и базальной частями клетки, подвергаясь в каждом обороте (круге транспорта) процессу отрыва–слияния. Трансцитоз характерен, например, для эндотелиальных клеток, где происходит транспорт макромолекул через клетки из просвета сосуда в ткань.
Типы секреции (мерокриновый, или эккриновый, апокриновый и голокриновый) рассмотрены в главе 5 .
Ядро ¾ самая крупная органелла клетки ¾ состоит из хроматина, ядрышка и нуклеоплазмы, окружённых ядерной оболочкой. Хранение и реализация генетической информации (транскрипция ® процессинг ® трансляция ® посттрансляционная модификация , см. рис. 2-15), а также ряд других функций ядра происходят при участии ДНК и разных видов РНК.

Рис. 2-15. Этапы считывания генетической информации . В ходе транскрипции на ДНК–матрице синтезируется длинная молекула РНК (первичный транскрипт), содержащая последовательности экзонов и интронов. По завершении синтеза РНК–транскрипта последовательности интронов удаляются, что делает молекулу РНК значительно короче. Эта мРНК выходит из ядра в цитоплазму и соединяется с рибосомами. Молекула мРНК продвигается сквозь рибосому, и её нуклеотидная последовательность транслируется в соответствующую последовательность аминокислот создаваемой белковой цепи. [17]

Термином «хроматин» обозначают комплекс ядерной двуцепочечной ДНК с белками (гистоны, негистоновые белки). Хроматин представлен хроматиновыми волокнами диаметром 11 нм, состоящими из сферических структурных единиц — нуклеосом (рис. 2-16). Гистоны (H2A, H2B, H3 и H4) в составе нуклеосом содержат большое количество положительно заряженных аминокислот аргинина и лизина, что увеличивает аффинность гистонов к отрицательно заряженной ДНК. Соотношение ДНК и белков в хроматине составляет 1:1. Различают гетеро- и эухроматин.

Рис. 2-16. Нуклеосома содержат по две копии гистонов (H2A, H2B, H3 и H4), вокруг которых лежит молекула ДНК. [17]

Гетерохроматин — транскрипционно неактивный, конденсированный хроматин интерфазного ядра. В световом микроскопе — базофильные глыбки, в электронном — скопления плотных гранул. Располагается преимущественно по периферии ядра и вокруг ядрышек, составляет 10% от общего хроматина. Типичный пример гетерохроматина — тельце Барра.

· Тельце Барра. Во всех соматических клетках генетически женского организма одна из X–хромосом инактивирована и известна как половой хроматин (тельце Барра). Инактивация Х-хромосомы известна как лайонизация.

· Лайонизация . Механизм компенсации дозы генов X–хромосомы у женщин объясняет гипотеза Мэри Лайон. Согласно гипотезе, инактивация X–хромосомы происходит в раннем эмбриогенезе, осуществляется случайным образом (инактивированной может быть либо отцовская, либо материнская X–хромосома), затрагивает целиком всю X–хромосому и характеризуется устойчивостью, передаваясь клеточным потомкам. Клетки женского организма по экспрессии генов X–хромосомы мозаичны.

Эухроматин — менее конденсированная (диспергированная) часть хроматина, локализуется в более светлых участках ядра между гетерохроматином. Эухроматин составляет 90% от общего хроматина, где 10% ¾ транскрипционно активная часть и 80% ¾ неактивная.

В трансформированных (опухолевых) клетках отношение эухроматина к гетерохроматину выше, чем в здоровых клетках.

Хромосомы (рис. 2-17) видны при митозе или мейозе, когда полностью конденсированный хроматин образует многочисленные плотно упакованные петли. Каждая хромосома содержит одну длинную двуцепочечную молекулу ДНК и ДНК– связывающие белки. Результатом взаимодействия ДНК с ДНК– связывающими белками является компактизация хроматина. Длина молекулы ДНК, в составе одной хромосомы приблизительно составляет 4 см, тогда как длина метафазных хромосом равняется 4 мкм.
Центромер ¾ специализированная последовательность нуклеотидов в области первичной перетяжки хромосомы. Кинетохор (белковый комплекс, включающий ассоциированные с микротрубочками белки) прикрепляется к центромеру, обеспечивая связь микротрубочек кинетохора ( от 20 до 40) с хромосомами в митозе.
Теломер ¾ локализованная на концах хромосом теломерная ДНК, представленная многочисленными короткими повторами ( GGGTTA ) длиной от 2 до 20 тыс. пар оснований. Повторяющиеся последовательности теломерной ДНК формируют петли на концах хромосом, таким образом предохраняя концы хромосом от разрушения. Теломерная ДНК, несмотря на то, что в ней отсутствуют гены, играет важную роль в пролиферации клеток. Теломер предотвращает деградацию и слияние хромосом в митозе. В линейных ДНК для полной репликации концов их молекул используется РНК–содержащий фермент теломераза, отвечающая за репликацию концевой ДНК, поскольку ДНК–полимеразы неспособны обеспечить полную репликацию ДНК.
· Теломераза ¾ РНК–зависимая ДНК–полимераза (обратная транскриптаза). В состав этого фермента входит РНК, используемая в качестве матрицы для синтеза теломерной ДНК.
· Бессмертие клеток и старение . Высокая теломеразная активность выявлена в стволовых и в т.ч. половых клетках. Хромосомы этих клеток имеют теломеры, состоящие из наибольшего числа ДНК–повторов и содержащие все необходимые белки для нормальной пролиферации. Напротив, в клетках, вступивших в дифференцировку, активность теломеразы падает, а теломерная ДНК укорачивается. В таких клетках с каждым новым клеточным делением снижается экспрессия гена, кодирующего каталитическую СЕ теломеразы. Укорочение хромосом заканчивается гибелью клетки, что может быть одной из причин старения организма.

Рис. 2-17. Организация хромосомы . В неконденсированном хроматине двойная спираль ДНК лежит на поверхности октамера гистонов (H2A, H2B, H3 и H4), образуя хроматиновые волокна диаметром 11 нм. Смежные нуклеосомы разделены интервалами в 200 пар оснований. В конденсированном хроматине дополнительно присутствует гистон H1, соединяющий нуклеосомы с образованием хроматиновых волокон диаметром 30 нм. Во время митоза хроматин полностью конденсируется, формируя видимые хромосомы. [17]

Цитогенетика изучает кариотип и хромосомные аномалии, лежащие в основе наследственных болезней.
· Кариотип описывает количество и структуру хромосом. Гаплоидный набор — 23 хромосомы — характерен для гамет. Диплоидный набор — стандарт хромосом (23 ´ 2) — для соматических клеток. Международная цитогенетическая номенклатура хромосом человека (ISCN, 1978), основанная на дифференциальном окрашивании хромосом, позволяет подробно описать индивидуальную хромосому. Короткое плечо обозначается как p (petit), а длинное плечо — q (queue). Каждое плечо хромосомы делится на районы, полосы, субполосы, суб-субполосы. Например, 7q 11.2 указывает, что интересующий локус находится в 7-й хромосоме, длинном плече, район 1, полоса 1, субполоса 2.
· Кариограмма (идиограмма) ¾ детальное изображение кариотипа, полученное после дифференциального окрашивания хромосом.

Ú G-окрашивание применяется в качестве стандартного метода цитогенетического анализа. Хромосомы окрашивают красителем Гимзы. Под световым микроскопом в хромосомах видны светлые и темные полосы — G-полосы. Каждая хромосома имеет характерное расположение полос, что позволяет установить её порядковый номер и обнаружить хромосомные аберрации.

Ú C-окрашивание используют в исследованиях центромеров.

Ú T-окрашивание применяется для анализа теломеров.

Молекула ДНК построена из двух (смысловой и антисмысловой) полинуклеотидных цепей, кодирующих ядерный геном клетки (рис. 2-18). ДНК служит матрицей для синтеза РНК.
Нуклеотиды — фосфатные эфиры нуклеозидов. Нуклеозиды — N–гликозильные производные (N–гликозиды) разных азотистых оснований (пурины, пиримидины), содержащих дезоксирибозу или рибозу (в молекуле РНК).
· Пуриновые основания — аденин (A) и гуанин (G).
· Пиримидиновые основания — цитозин (C), тимин (T) и урацил (U), присутствующий только в молекуле РНК.
Полинуклеотиды . При помощи фосфодиэфирных связей нуклеотиды образуют полинуклеотидную цепь , при этом ковалентные фосфодиэфирные связи соединяют 5’‑атом углерода одного нуклеотида с 3’‑атомом углерода следующего нуклеотида цепи. Последовательность нуклеотидов в цепи кодирует наследственную информацию.
· Экзон — последовательность нуклеотидов, кодирующих молекулу РНК.
· Интрон — некодирующая последовательность между экзонами. После синтеза РНК на ДНК–матрице (транскрипция) последовательности РНК, комплементарные последовательностям интронов, удаляются при помощи специальных ферментов, а оставшиеся последовательности сближаются (сплайсинг).
· Кодон — последовательность из трёх смежных нуклеотидов, кодирующая какую-либо аминокислоту или терминацию полипептидной цепи.
Две антипараллельные (5’-конец одной цепи располагается напротив 3’–конца) комплементарные цепи полинуклеотидов, соединённые водородными связями в парах A–T и G–C, образуют двуцепочечную молекулу ДНК. Молекула ДНК спирально закручена вокруг своей оси. На один виток ДНК приходится приблизительно 10 пар оснований.
· Смысловая цепь ДНК кодирует информацию о первичной структуре белка и РНК (тРНК, рРНК, интерферирующей РНК).
· Антисмысловая цепь служит матрицей для сборки РНК, по сути, являющейся копией смысловой цепи ДНК.
Различают ядерный и митохондриальный геномы. Ядерный геном — полный комплект генов в 46 хромосомах диплоидной клетки. Примерно 3 миллиарда пар оснований ДНК кодируют две копии примерно 24 000 генов. Причём кодирующая часть ДНК занимает менее 5%. Плотность распределения генов в хромосомах варьирует.
Ген — участок ДНК, отвественный за образование одной функциональной молекулы РНК. Экспрессия гена, кодирующего последовательность аминокислот в полипептидной цепи, протекает по схеме (рис. 2-15): транскрипция (синтез первичного транскрипта на матрице ДНК) ® процессинг (образование мРНК) ® трансляция (считывание информации с мРНК) ® сборка полипептидной цепи (включение аминокислот в полипептидную цепь на рибосомах) ® посттрансляционная модификация (добавление к полипептиду разных химических группировок, например, фосфатных [фосфорилирование], карбоксильных [карбоксилирование] и т.д.).

Моногенные болезни . Описано более 5000 наследуемых заболеваний, обусловленных дефектом одного гена с различным типом наследования: аутосомный доминантный, аутосомный рецессивный и сцепленный с полом (точнее с Х- или с Y-хромосомой).

Рис. 2-18. Молекула ДНК. (1) . Ковалентные фосфодиэфирные связи соединяют 5’-атом углерода одного нуклеотида с 3’-атомом углерода следующего нуклеотида. Антипараллельные цепи комплементарно спарены. (2) : аденин (A) с тимином (T), гуанин (G) c цитозином (C). Клетки перед каждым делением воспроизводят (реплицируют) ДНК. (3) : дочерние молекулы ДНК воспроизводятся при помощи ДНК–полимеразы. [17]

Клетки перед каждым делением воспроизводят (реплицируют) ДНК: дочерние молекулы ДНК воспроизводятся при помощи ДНК–полимеразы одновременно в нескольких, т.н. точках начала репликации, обеспечивающих быструю репликацию (рис. 2-19).

Рис. 2-19. Репликация ДНК . Пояснения в тексте.

· ДНК–геликаза распознаёт точки начала репликации (определённая последовательность из 300 нуклеотидов) и разъединяет спираль ДНК, образуя репликационные V -образные вилки.
· ДНК–полимераза катализирует полимеризацию нуклеотидов в направлении 5’ ® 3’, т.е. присоединяет дезоксирибонуклеотид к 3’-ОН–концу цепи ДНК. Родительские цепи ДНК антипараллельны, поэтому одна из дочерних цепей (лидирующая) растёт в направлении 5’ ® 3’, опережая рост второй дочерней цепи (отстающей) в обратном направлении. ДНК–полимераза d катализирует репликацию ДНК лидирующей цепи. Репликация отстающей цепи начинается с синтеза РНК–затравки (праймера) с помощью ДНК–праймазы. ДНК–полимераза a , используя 3’-ОН-конец РНК–затравки, синтезирует на матрице отстающей цепи короткий фрагмент ДНК (фрагмент Оказаки). Участки фрагментов Оказаки, занятые РНК–затравками, удаляются, а на их месте достраивается ДНК с помощью ДНК–полимераз b и e .
· ДНК–лигаза завершает сшивку отдельных фрагментов Оказаки.
· ДНК–полимераза g катализирует репликацию митохондриальной ДНК.

Репарабельные повреждения ДНК

Апуринизация . За одни сутки ДНК в каждой соматической клетке теряет примерно 5000 пуриновых оснований (остатков аденина и гуанина) в результате разрыва N–гликозидной связи между пуриновым основанием и дезоксирибозой. Восстановление ДНК происходит за счёт комплементарной цепи. На первом этапе репарации с помощью АР-эндонуклеазы и фосфодиэстеразы от ДНК отщепляется сахарофосфатная группа, потерявшая своё основание. Далее, ДНК–полимераза заполняет образовавшуюся брешь размером в один нуклеотид, а ДНК–лигаза завершает репарацию ДНК.
Дезаминирование. В сутки приблизительно 100 цитозиновых оснований спонтанно дезаминируются в урацил ( C ® U ) . При репликации такое повреждение приведёт к замене пары C — G на T — A , т.е. искажению наследственной информации. Репарация дезаминирования начинается с распознавания и удаления урацила из цепи ДНК с помощью урацил-ДНК гликозидазы. Вслед за этим АР-эндонуклеаза и фосфодиэстераза вырезают из ДНК сахарофосфатную группу, лишённую урацила, а ДНК–полимераза и ДНК–лигаза восстанавливают целостность полинуклеотидной цепи.
Димеризация пиримидинов. Под действием ультрафиолетового излучения рядом стоящие пиримидиновые основания могут ковалентно связываться друг с другом, образуя, например, тиминовые димеры. Репарация таких повреждений начинается с распознавания тиминовых димеров мультиферментным комплексом uvr ABC (ultraviolet repair), который вырезает из ДНК олигонуклеотид длиной в 12 остатков, включающий тиминовый димер. ДНК–полимераза и ДНК–лигаза восстанавливают корректную последовательность повреждённой цепи ДНК.
· Наследственный неполипозный рак прямой кишки составляет 15% случаев злокачественных опухолей прямой кишки. Гены MSH 2 , ответственные за развитие заболевания, являются гомологами mutS и mutL , кодирующих репарационные ферменты в кишечной палочке Escherichia coli . Ранняя диагностика, основанная на выявлении мутаций генов MSH 2 , значительно увеличивает выживаемость больных.
· Пигментная ксеродермия возникает в результате мутации генов семейства XP . Дефект ферментов репарации ДНК проявляется брешами, возникающие в молекуле ДНК под воздействием ультрафиолетового излучения. Больные вынуждены избегать попадания на кожу прямых солнечных лучей, частота в Европе ¾ 1:250 000.
· Анемия Фанкони характеризуется лейкемией и прогрессирующей апластической анемией. Причина болезни ¾ дефекты репарации повреждений ДНК, вызванных химическими мутагенами и канцерогенам (не УФ-излучением), в результате мутаций генов FAA , FAB , FAC .
РНК — полинуклеотид, сходный по химическому составу с ДНК, но содержащий в нуклеотидах рибозу вместо дезоксирибозы и азотистое основание урацил (U) вместо тимина (T). Различают мРНК, тРНК, рРНК. Синтез полимеров рРНК, мРНК и тРНК на матрице ДНК катализируют соответственно РНК–полимераза I, II и III.
Матричная РНК (мРНК, информационная РНК) содержит сотни и тысячи нуклеотидов и переносит генетическую информацию из ядра в цитоплазму и непосредственно участвует в сборке полипептида на рибосомах (трансляция). Синтез полипептидной цепи при трансляции инициирует стартовый кодон AUG, а один из терминирующих кодонов (UAA, UAG или UGA) его прекращают.
Транспортная РНК (тРНК) содержит около 80 нуклеотидов и доставляет аминокислоты к рибосоме, где они присоединяются к растущей полипептидной цепи. Существует минимально одна тРНК для каждой из 20 аминокислот. Один конец тРНК (акцептор) присоединяется к аминокислоте, а другой конец содержит антикодон из трёх нуклеотидов, который узнаёт соответствующий кодон мРНК и спаривается с ним. Так тРНК переводит последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислот.
Рибосомная РНК (рРНК) взаимодействует с мРНК и тРНК в ходе сборки полипептида, в комплексе с белками (в т.ч. ферментами) образует рибосому.
Интерферирующая РНК комплементарно взаимодействует с мРНК, инициируя деградацию мРНК–мишени, и как следствие, прекращение трансляции чужеродного или эндогенного белка. Такой механизм посттранскрипционной блокады синтеза белка получил название «РНК–интерференция».
· Короткая интерферирующая РНК . Синтез молекулы начинается с транскрипции длинной двухцепочечной РНК (обычно ³ 200 пар нуклеотида). Эндогенная рибонуклеаза III ( Dicer ) процессирует длинную двухцепочечную РНК с образованием siRNA ( siRNAs — s mall i nterfering R iboNucleic A cids — короткие интерферирующие рибонуклеиновые кислоты; в дальнейшем будет применяться англоязычное сокращение термина) длиной в 19–23 нуклеотида. Далее процессированная двухцепочечная siRNA попадает в протеиновый комплекс RISC ( R ibonucleic A cid I nduced S ilencing C omplex ). RISC раскручивает двойную спираль siRNA и освобождается от смысловой нити. Антисмысловая нить siRNA в составе белкового комплекса прикрепляется к комплементарному участку информационной РНК–мишени и RISC разрезает информационную РНК. Клеточные нуклеазы заканчивают деградацию информационной РНК, предотвращая, таким образом, синтез белка. Реакция RISC ¾ каталитическая, она повторяется несколько раз, обеспечивая очень эффективное и долговременное ингибирование экспрессии определённого белка. Кроме того, siRNA может функционировать как праймер для синтеза дополнительных длинных двухцепочечных молекул РНК, усиливая эффект siRNA , участвующей в ингибировании экспрессии белка. 2′ O метил РНК олигонуклеотиды восстанавливают трансляцию белка, ингибируя функцию интерферирующих РНК.
· microRNAs/miRNAs ¾ группа молекул РНК длиной в 22 нуклеотида ¾ как и siRNA образуются путём процессирования с помощью Dicer первичной pre -miRNA длиной 70 пар нуклеотидов и регулируют экспрессию генов. Каждая miRNA по принципу комплементарного спаривания распознаёт свою специфическую информационную РНК и блокирует синтез белка. miRNAs прекращают трансляцию белка без деградации информационной РНК.
· Клиническое применение РНК интерференции . В онкологии с помощью РНК интерференции проводится скрининг генов опухолевых тканей, с целью выявления генов, ответственных за малигнизацию и нечувствительность к химио- и радиотерапии. Способность siRNA инициировать посттранскрипционное «молчание» генов, ассоциированных с конкретными заболеваниями, в культуре клеток и на моделях болезней человека у животных определила новое направление в генной терапии. Совершенствование способов доставки молекулы siRNA в клетку и потенциальная возможность искусственного синтеза короткой интерферирующей РНК, комплементарной к любой известной информационной РНК, открывает широкие перспективы применения РНК интерференции в лечении инфекционных, онкологических и нейродегенеративных заболеваний, таких как боковой амиотрофический склероз, хорея Хантингтона, болезнь Альцхаймера. У трансгенных мышей SCA 1 со спиномозжечковой атаксией после внутримозжечковой инъекции вирусного вектора, экспрессирующего siRNA , комплементарной мутированному гену ATX 1 (атаксин 1) значительно улучшается координация движений и восстанавливается цитоархитектоника мозжечка. Внутримышечная или интраспинальная инъекция siRNA , комплементарной информационной РНК мутированного SOD 1 , трансгенным G 93 A мышам отсрочивает начало заболевания (модель бокового амиотрофического склероза человека) и значительно увеличивает время жизни G 93 A -мышей. В настоящее время ведётся интенсивная подготовка клинических испытаний интерферирующей РНК у больных, страдающих дегенерацией жёлтого пятна.
ДНК–праймаза синтезирует короткие примерно из 10 нуклеотидов РНК–затравки (праймеры), инициирующие синтез фрагментов Оказаки на отстающей цепи при репликации ДНК.
В широком понимании экспрессия гена обозначает считывание генетического (наследственного) кода с матрицы ДНК и трансляцию (передачу) полученной информации в клетку в виде белка или РНК (тРНК, рРНК, интерферирующая РНК, РНК–затравка).
Транскрипция (синтез молекул мРНК на матричной ДНК) — первый этап реализации генетической информации в клетке. РНК–полимераза II присоединяется к промотору — специфическому сайту молекулы ДНК, с которого начинается синтез полимера. РНК–полимераза II раскручивает участок двойной спирали ДНК, обнажая матрицу для комплементарного спаривания оснований. Когда РНК–полимераза встречает один из терминирующих кодонов, синтез полимера прекращается. Фактически на этом этапе с матричной ДНК снята РНК–копия, но она ещё не готова для участия в синтезе белка. Пока это только первичный транскрипт. В дальнейшем он процессируется, в результате образуется зрелая мРНК, выходящая из ядра в цитоплазму через ядерные поры (см. рис. 2-5).
Уровень транскрипции мРНК регулируют такие процессы как метилирование ДНК, ацетилирование гистонов и факторы транскрипции.
· Метилирование . Фермент метилаза присоединяет метильную группу к цитозину. Метилирование ДНК изменяет конформацию молекулы, блокируя транскрипцию мРНК. Инактивация X–хромосомы в клетках женского организма характеризуется высокой степенью метилирования ДНК. Метилирование/деметилирование объясняет тканеспецифическую (дифференциальную) и последовательную (временную) экспрессию генов.
· Ацетилирование . NH 2 –концы гистонов содержат остатки лизина, обуславливающих положительный заряд гистонов и прочное взаимодействие с отрицательно заряженной молекулой ДНК. В таком состоянии ДНК транскрипция гена невозможна. Ацетилирование амино группы остатков лизина нейтрализует положительный заряд гистонов, что «разрыхляет» связь ДНК с гистонами и обнажает ген для взаимодействия с белками, инициирующими транскрипцию гена.
· Транскрипционные факторы ¾ белки, регулирующие транскрипцию генов. Транскрипционный механизм вместе с РНК–полимеразой II включает основные и специфические факторы транскрипции.

à Основные транскрипционные факторы. TFIID ¾ первый белок, прикрепляющийся к ТАТА-боксу промотора гена и определяющий правильную точку начала транскрипции. TFIIA , TFIIB , TFIIF , TFIIE , TFIIH и TFIIJ последовательно связываются с TFIID , обеспечивая связь РНК–полимеразы II с ДНК.

à Специфические транскрипционные факторы требуются для активации транскрипционной машины. Регуляторные белки взаимодействуют с цис-элементами (энхансерами-усилителями), расположенными за пределами промотора. Благодаря гибкости молекулы ДНК образуются петли ДНК, позволяющие взаимодействовать энхансеру и промотору с последующей активацией транскрипции гена. Многочисленные регуляторные белки связываются с ДНК при помощи специфических доменов. Негистоновые белки, содержащие домены «спираль-поворот-спираль», «цинковые пальцы» и «лейциновая застёжка» связываются с энхансером и усиливают транскрипцию гена (табл. 2-6).

Таблица 2-6. Специфические транскрипционные факторы

Транскрипционный фактор

Активация фактора

Дефект гена/белка

CREB (белок взаимодействующий с цАМФ-чувствительным элементом)

Взаимодействие лиганда с рецептором, связанным с G s –белком ® аденилатциклаза ® цАМФ ® протеинкиназа А ® CREB ® транскрипция

Усиление транскрипции соматостатина, энкефалинов, глюкагона, вазоактивного интестинального полипептида

Хромосомные аберрации затрагивающие локус CREB являются причиной острой миелоидной лейкемии. Синдром Рубенштейна-Тэйби ¾ аутосомно- доминантный тип наследования мутации гена, характеризующейся дефектами развития, лица, психическими расстройствами, склонностью к опухолевому росту

Фосфорилируемые митоген-активируемыми протеинкиназами

Фактор роста ® активация рецепторной тирозин киназы ® Ras-каскад ® транскрипция

Пролиферация и дифференцировка клеток в эмбриогенезе

Различные гемобластозы развивается на фоне избыточной экспрессии гена, мутации c — Myc не совместимы с жизнью

Фактор роста ® активация рецепторной тирозин киназы ® Ras-каскад ® транскрипция

c — Jun и c — Fos образуют гетеродимер, входящий в состав AP -1 ( activator protein -1). c — Fos ¾ транскрипционный фактор, критичный для регуляции развития скелета

Патогенез ряда заболеваний костной ткани (остеосаркома, болезнь Педжета, фиброзная дисплазия) обусловлен избыточной экспрессией гена c Fos . Повышенная экспрессия гена c — Jun обнаружена в некоторых опухолях

Стероид / тиреоидные рецепторы

Рецепторы йодсодержащих гормонов

Йодсодержащие гормоны (Т 3 и Т 4 ) ® образование гетеродимеров из активированного тиреоидного рецептора и рецептора 9-цис-ретиноевой кислоты (может не содержать лиганда) ® транскрипция

Усиливают потребление кислорода и образование тепла, глюконеогенез, распад гликогена, окисление глюкозы, липолиз

Мутация гена ERBA 1 ¾ причина врождённого кретинизма, наследующегося по аутосомно-доминантному типу. Мутация гена ERBA 2 передаётся по аутосомно-доминантному типу и характеризуется генерализованной нечувствительностью к тиреоидным гормонам, известна аутосомно-рецессивная форма заболевания

17 b -эстрадиол, эстрон, эстриол ® образование гомодимеров из двух активированных рецепторов эстрогенов ® транскрипция

Стимулирует пролиферацию и дифференцировку клеток в тканях-мишенях

Точечная мутация гена ( A 908 G ) встречается при раке молочной железы ввиду повышенной чувствительности аномального рецептора к эстрогенам. Небольшое количество мутаций гена было выявлено также при раке эндометрия и психических заболеваниях

Тестостерон, дигидротестостерон ® образование гомодимеров из двух активированных рецепторов андрогенов ® транскрипция

Стимулирует пролиферацию и дифференцировку клеток в тканях-мишенях

Синдром тестикулярной феминизации развивается вследствие мутации гена рецептора андрогенов. Дефект гена может стать причиной сцепленной с Х-хромосомой спинальной и бульбарной мышечной атрофии (болезнь Кеннеди). Аномальные рецепторы могут стимулировать митозы клеток простаты, приводящие к злокачественной опухоли железы

Прогестерон ® образование гомодимеров из двух активированных рецепторов прогестерона ® транскрипция

Стимулирует пролиферацию и дифференцировку клеток в тканях-мишенях

Дефект рецептора приводит к отсутствию характерных для секреторной фазы менструального цикла изменений эндометрия

Кортизол, кортизон, кортикостерон ® образование гомодимеров из двух активированных рецепторов глюкокортикоидов ® транскрипция

Имеют противовоспалительный эффект, стимулируют пролиферацию и дифференцировку клеток органов-мишеней. Глюкокортикоиды регулируют превращение жиров и белков мышц в гликоген

По аутосомно-доминантному типу наследуются мутации гена, приводящие к развитию нечувствительности клеток-мишеней к глюкокортикоидам

Альдостерон ® образование гомодимеров из двух активированных рецепторов минералокортикоидов ® транскрипция

Минералокортикоиды усиливают реабсорбцию ионов натрия в дистальных канальцах нефрона и секрецию ионов калия в собирательных трубочках. Гормоны увеличивают реабсорбцию натрия в клетках выводных протоков эккриновых потовых желёз и всасывание натрия каёмчатыми клетками толстой кишки

Дефект рецептора ¾ причина наследуемого псевдогипоальдостеронизма типа I , характеризующегося потерями ионов натрия с мочой

Витамин А (ретинол), ретиноевая кислота ® образование гетеродимеров из активированного рецептора ретиноевой кислоты и рецептора 9-цис-ретиноевой кислоты (может не содержать лиганда) ® транскрипция

Ретиноиды имеют выраженный эффект на эмбриональное развитие. Ретиноевая кислота является морфогеном, а с другой стороны ¾ сильным тератогеном

Хромосомная аномалия, затрагивающая ген рецептора ретиноидов может стать причиной острой промиелоцитозной лейкемии. Транслокация затрагивает 15 и 17 хромосомы, t (15;17)

Рецептор витамина D

1 a ,25-дигидрохолекальциферол ® образование гетеродимеров из активированного рецептора витамина D и рецептора 9-цис-ретиноевой кислоты (может не содержать лиганда) ® транскрипция

Регуляция обмена кальция и фосфатов

Дефект гена ¾ причина рахита типа IIA , известного также как, гипокальциемический резистентный к витамину D рахит

· Посттранскрипционный уровень регуляции экспрессии гена . В каждом гене между экзонами присутствуют некодирующие последовательности — интроны, которые должны быть удалены (процессинг мРНК) из первичного транскрипта с помощью сплайсинга. Далее зрелая мРНК стабилизируется. К молекуле присоединяется поли-А–фрагмент (полиадениловый хвост), от длины которого зависит продолжительность жизни мРНК и таким образом регулируется трансляция белка. Транспорт мРНК из ядра в цитоплазму означает начало её функциональной активности.

Альтернативный сплайсинг позволяет получить различные белковые продукты с одного гена. Ген кальцитонина может кодировать гормон кальцитонин и относящийся к кальцитониновому гену пептид a . В С-клетках щитовидной железы в результате сплайсинга объединяются экзоны 1–4, которые кодируют кальцитонин. В чувствительных нейронах процессируется мРНК, в которой отсутствует экзон 4, но прибавляются экзоны 5 и 6. В результате вместо кальцитонина клетки синтезируют относящийся к кальцитониновому гену пептид a .

Обратная транскрипция — процесс синтеза ДНК на матрице РНК; обычно реализуется под действием обратной транскриптазы (РНК–зависимой ДНК–полимеразы).
· Теломераза ¾ РНК–содержащий фермент, обеспечивающий синтез теломерной ДНК при репликации хромосом.
· Ретровирусы . Приставка retro (обратный) в названии обозначает обратную направленность передачи генетической информации (не от ДНК к РНК, а наоборот, от РНК к ДНК), обусловленной присутствием обратной транскриптазы (РНК–зависимой ДНК–полимеразы).
· Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ ) — цитопатогенный ретровирус (подсемейство Lentivirinae, семейство Retroviridae) около 100 нм в диаметре, с липидной оболочкой, содержащей гликопротеиновые «шипы» (рецептор gp140 для связывания с CD4-лимфоцитом и gp41, обусловливающий слияние с клеткой). Вирус содержит РНК, белки, обратную транскриптазу, эндонуклеазу. ВИЧ проходит следующий жизненный цикл:

Ú связывание через gp120 с CD4 лимфоцитом (T–хелпером);

Ú слияние мембран ВИЧ и лимфоцита;

Ú высвобождение содержимого вируса (включая РНК и ферменты) в цитоплазму лимфоцита;

Ú обратная транскрипция (построение ДНК вируса на матрице его РНК с участием обратной транскриптазы);

Ú проникновение ДНК вируса в ядро CD4-лимфоцита и встраивание в ДНК хозяина;

Ú T –хелпер начинает продуцировать копии компонентов ВИЧ;

Ú протеаза (эндонуклеаза) способствует формированию новых вирусных частиц, «разрезая» крупные вирусные полипептиды на небольшие функциональные белки.

Ú образовавшиеся ВИЧ (вирионы) обособляются от лимфоцита.

Для лечения ВИЧ-инфекции используют антиретровирусные препараты, которые могут прервать жизненный цикл вируса на различных стадиях:

Ú ингибиторы слияния блокируют связывание вируса с CD4-лимфоцитом;

Ú ингибиторы обратной транскриптазы связываются непосредственно с ферментом и меняют его структуру;

Ú нуклеозидные ингибиторы, являясь дидезоксинуклеозидами — структурными аналогами нуклеозидов, конкурируют с нормальными нуклеозидами и, встраиваясь в ДНК, нарушают сборку ДНК вируса;

Ú ингибиторы протеаз, блокируя вирусную протеазу, нарушают завершающую стадию вирусной репликации.

Синтез полимеров рРНК и тРНК катализируют соответственно РНК– полимераза I и III.

Антибиотики, блокирующие синтез РНК

Рифампицин (обладает высокой активностью против палочки Коха, возбудителя туберкулеза) формирует стабильные комплексы с ДНК–зависимой РНК–полимеразой, прекращая синтез РНК. ДНК–зависимая РНК–полимераза у млекопитающих не имеет сродства к рифампицину.
Актиномицин D (продукт жизнедеятельности Streptomyces antibioticus ) противоопухолевый антибиотик применяется для лечения злокачественных новообразований (опухоль Вильмса, саркомы). Актиномицин D специфически связывается с dG(3´-5´)dC последовательностью ДНК, образуя стабильные комплексы и прекращая ДНК–зависимый синтез РНК. К сожалению, действие препарата распространяется и на здоровые клетки и в первую очередь клетки обновляющейся популяции (стволовые клетки красного костного мозга и эпителий пищеварительного тракта).
Ядрышко — неокружённая мембраной компактная структура в ядре интерфазных клеток, содержащая петли ДНК 13, 14, 15, 21 и 22 хромосом (см. рис. 2-20А). В ядрышке различают фибриллярный центр — слабоокрашенный компонент, содержащий транскрипционно неактивную ДНК; плотный фибриллярный компонент (pars fibrosa) состоит из транскрипционно активных участков ДНК, от которых перпендикулярно отходят различной длины 45 S –предшественники рРНК ; гранулярный компонент (pars granulosa), содержит зрелые предшественники рибосомных СЕ, имеющих диаметр 15 нм. Основные функции ядрышка — синтез рРНК (транскрипция и процессинг рРНК) и образование субъединиц (СЕ) рибосом.
Транскрипция рРНК происходит в ядрышковых организаторах , получивший название в связи с тем, что восстановление ядрышка в фазу G1 клеточного цикла начинается с этой структуры. Ядрышковый организатор содержит кодирующие рРНК гены, расположенные друг за другом. Рибонуклеиновые нити перпендикулярно отходят от ДНК, формируя структуры, напоминающие ветви новогодней ёлки. РНК полимераза I обеспечивает транскрипцию 45 S –предшественника рРНК (5 S РНК транскрибируется вне ядрышка). Образование субъединиц рибосом см. на рис. 2-20.

Рис. 2-20. Участие ядрышка в образовании рибосом . Здесь осуществляются транскрипция и процессинг рРНК. Сначала при помощи РНК–полимеразы I на ДНК–матрице синтезируется 45S–предшественник рРНК. Далее 45S–предшественник рРНК взаимодействует с рибосомными белками с последующим разделением на 28S, 18S и 5,8S рРНК. Рибонуклеопротеины, содержащие 28S и 5,8S рРНК, затем объединяются с 5S РНК, синтезирующейся вне ядрышка, и образуют большую СЕ рибосомы. Рибонуклеопротеины, содержащие 18S рРНК, формируют малую СЕ рибосомы. [17]

Рис. 2-20А. Ядрышки флюоресцируют зелёным цветом. Клетки Hep2 in vitro, антиядерные АТ к т.н. ядерным Аг характерным образом окрашивают разные структуры в составе ядра при системной красной волчанке, ряде системных коллагеновых заболеваний.

В состав ядерной оболочки (рис. 2-21) входят наружная и внутренняя ядерные мембраны, перинуклеарные цистерны, ядерная пластинка, ядерные поры.

Н аружная ядерная мембрана

На поверхности наружной ядерной мембраны расположены рибосомы, где синтезируются белки, поступающие в перинуклеарную цистерну, рассматриваемые как часть гранулярной эндоплазматической сети.

Перинуклеарная цистерна локализуется между наружной и внутренней мембранами, шириной в 20–40 нм. В местах слияния двух мембран расположены ядерные поры.

Внутренняя ядерная мембрана

Снаружи граничит с перинуклеарной цистерной, изнутри отделена от содержимого ядра ядерной пластинкой.

Ядерная пластинка толщиной 80–300 нм содержит белки промежуточных филаментов — ламины A, B и C, участвует в организации ядерной оболочки и перинуклеарного хроматина, может разделять комплексы ядерных пор и дезинтегрировать или интегрировать структуру ядерной оболочки в ходе митоза. Фосфорилирование ламинов ферментом ламин киназой приводит к диссоциации филаментов и разборке ядерной оболочки в прометафазе митоза, дефосфорилирование способствует реорганизации ядерной оболочки в телофазе.

Содержимое ядра сообщается с цитозолем через 3–4 тысячи специализированных коммуникаций — ядерных пор, осуществляющих диффузию воды, ионов и транспорт множества макромолекул (в т.ч. разных РНК, рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов, транскрипционные факторы, ДНК и РНК полимеразы) между ядром и цитоплазмой. Ядерная пора (рис. 2-21) имеет диаметр 80–150 нм, содержит канал поры и комплекс ядерной поры. Перенос макромолекул через ядерные поры осуществляют специальные транспортные белки — кариоферины, которые специфически распознают и связывают свои молекулы и курсируют между ядром и цитоплазмой, перенося связанную молекулу в одном направлении: из цитоплазмы в ядро (импортины) или из ядра в цитоплазму (экспортины). Все представители семейства кариоферинов взаимодействуют с одной из форм ГТФазы, называемой Ran . Связывание Ran –ГТФ с импортином вызывает отделение переносимой молекулы. И наоборот, экспортины связываются с переносимой молекулой только в присутствии Ran –ГТФ. Направление транспорта зависит от концентрации Ran –ГТФ.
· Канал поры диаметром 9 нм беспрепятственно пропускает небольшие водорастворимые молекулы.
· Комплекс ядерной поры образован 8-ю большими белковыми гранулами, сформированных примерно из 100 разных белков. Белки-рецепторы, реагирующие на сигналы ядерного импорта (своего рода входной билет в ядро) — содержат специальные последовательности из 4–8 основных аминокислотных остатков (например, в составе нуклеоплазмина или Т-Аг). Рецептор ядерной поры может увеличивать диаметр канала поры и обеспечивать перенос в ядро больших макромолекул (например, ДНК и РНК полимеразы с Mr 100–200 кД). Комплекс ядерной поры включает цитоплазматическое кольцо, нуклеоплазматическое кольцо и среднее кольцо.

Ú Цитоплазматическое кольцо. Восемь субъединиц с филаментами, направленными в цитоплазму, располагаются вокруг поры на наружной мембране.

Ú Нуклеоплазматическое кольцо. Восемь субъединиц находятся вокруг ядерной поры на внутренней мембране со стороны нуклеоплазмы. К нуклеоплазматическому кольцу прикрепляется ядерная корзинка, состоящая из фибриллярных структур.

Ú Среднее кольцо. Восемь субъединиц, встроенных между цитоплазматическим и нуклеоплазматическим кольцами, выступают в просвет ядерной поры.

Рис. 2-21. Поры в оболочке ядра . Комплекс ядерной поры образован 8 большими белковыми гранулами, расположенными по окружности вблизи края поры и соединяющими обе ядерные мембраны (внутреннюю и наружную). Часто в центре поры присутствует большая центральная гранула. Она состоит из вновь синтезированной СЕ рибосомы, переносимой в цитоплазму. [17]

Нуклеоплазма заключена в ядерную оболочку, состоит из ядерного матрикса и разных ядерных частиц.
Фибриллярные элементы ядра и рибонуклеопротеиновая сеть формируют матрикс, в который погружены ядерные рецепторы, ферменты (АТФаза, ГТФаза, НАД-пирофосфатаза, ДНК– и РНК–полимеразы) и множество других молекул, часто образующих ассоциации — ядерные частицы. На транскрипцию и процессинг РНК в матриксе влияют ядерные рецепторы, канцерогены, транскрипционные факторы, белки теплового шока, вирусы.
· Интерхроматиновые гранулы — частицы диаметром 20–25 нм, содержащие рибонуклеопротеины и различные ферменты (АТФаза, ГТФаза, НАД-пирофосфатаза и др.).
· Перихроматиновые гранулы диаметром 30–50 нм расположены по периферии гетерохроматина, окружены ореолом из менее плотного материала, содержат 4,7S РНК и белки. Количество этих частиц увеличивается в ядрах клеток печени при воздействии канцерогенов или температуры выше 37 °C.
· Гетерогенные ядерные рибонуклеопротеиновые частицы — комплекс предшественников мРНК и белков — участвуют в процессинге мРНК.
· Малые ядерные рибонуклеопротеиновые частицы участвуют в процессинге мРНК, состоят из белков и небольших РНК.
· Ядерные рецепторы.
Жидкая часть цитоплазмы (цитозоль), составляет около половины объёма клетки. Помимо воды, в цитозоле присутствуют ионы, множество химических соединений разной природы, макромолекулы. Цитозоль — не просто раствор, его физико-химическая природа сложна, а характеристики последней постоянно изменяются. Именно в связи с этим обстоятельством, а также в силу сложности изучения микрокомпонентов цитозоля в их нативном состоянии постоянно присутствует опасность получения артефактов. Тем не менее, некоторые макромолекулярные комплексы существуют реально. К ним, в частности, относятся апоптосомы — активаторы каспаз при регулируемой гибели клеток, а также протеосомы — комплексы нелизосомных протеаз, осуществляющие вместе с убиквитинами деградацию короткоживущих белков.
Цитозоль с одержит цитоскелет, органеллы, включения. Органелла (органоид) — специализированный для выполнения конкретной функции и метаболически активный элемент цитоплазмы (рис. 2-22). К органеллам относят свободные рибосомы, гранулярную эндоплазматическую сеть (шероховатый эндоплазматический ретикулум), гладкую эндоплазматическую сеть (гладкий эндоплазматический ретикулум), митохондрии, комплекс Гольджи, центриоли, окаймлённые пузырьки, лизосомы, пероксисомы.

Рис. 2-22. Органеллы и включения . [17]

Трёхмерная цитоплазматическая сеть волокнистых и трубчатых структур различного типа формирует цитоскелет. К элементам цитоскелета относят микротрубочки, промежуточные филаменты, микрофиламенты. Цитоскелет придаёт клетке определённую форму и выполняет множество других функций (например, подвижность клетки, внутриклеточный транспорт).
Микротрубочки состоят из 13 параллельных тубулиновых протофиламентов (нитей), образующих полые цилиндры диаметром 25 нм и длиной в несколько мкм (рис. 2-22А, рис. 2-24). Каждая нить собрана из гетеродимерного белка тубулина, состоящего из двух глобулярных субъединиц (СЕ) — a — и b –тубулина.

Рис. 2-22А. Фибробласт . Иммунофлюоресцентным методом выявлены митохондрии (зелёное свечение) и микротрубочки (красное свечение). Митохондрии окрашены при помощи первых АТ к СЕ F1 АТФазы и связанных с родамином вторых АТ. Микротрубочки выявлены при помощи АТ против тубулина.

Полимеризация и деполимеризация микротрубочек

Элонгация (рост) микротрубочек происходит за счёт полимеризации молекул тубулина, при условии, что b –тубулин гетеродимера ассоциирован с ГТФ. Присоединение каждого тубулинового гетеродимера ( a / b -ГТФ) к растущему концу микротрубочки осуществляется за счёт гидролиза ГТФ, причём головной конец одной молекулы присоединяется к хвостовому концу другой (рис. 2-24). Такая ориентированная сборка микротрубочек обусловливает их полярность. В каждой микротрубочке различают (+)-конец и (–)-конец, отличающиеся своими биохимическими свойствами. В составе микротрубочек молекулы тубулина несут продукт гидролиза ГТФ (ГДФ), который уменьшает аффинность тубулина в составе полимера и, таким образом, определяет их готовность к деполимеризации. Как только прекращается добавление новых димеров, связанных с ГТФ, к растущему концу, в этом месте сразу начинается разборка полимера. Повторяющиеся раунды полимеризации и деполимеризации характеризуют динамическую нестабильность микротрубочек. Микротрубочки постоянно подвергаются полимеризации и деполимеризации с (+)–конца, тогда как с противоположного (–)–конца (если он не занят стабилизирующим белком) тубулиновые гетеродимеры отделяются от микротрубочек. Микротрубочки — динамичные структуры, время их полужизни составляет несколько минут. Цитозольные белки, способные связываться с концами микротрубочек и стабилизировать их, относят к семейству ассоциированных с микротрубочками белков.

Синдром Шедьяка-Хигаси . Генетически обусловленный дефект полимеризации микротрубочек сопровождается нарушениями функций лизосом, и как следствие, неполноценным фагоцитозом бактерий. В цитоплазме лейкоцитов выявляются крупные неправильной формы лизосомы.

Ассоциированные с микротрубочками белки

Микротрубочки ассоциированы с рядом белков, имеющих общее наименование MAP ( M icrotubule — A ssociated P roteins ). MAP–белки стабилизируют микротрубочки и связывают их с другими элементами цитоскелета и органеллами.
· MAP–белки. Из мозга выделены три группы MAP–белков ¾ высокомолекулярные MAP-1 (300–350 кД) и MAP-2 (270–285 кД) и низкомолекулярный MAP-T ( t -белок ) (55–62 кД). MAP-2 и t -белок в дефосфорилированном состоянии связываются с микротрубочками, а в фосфорилированном ¾ диссоциируют. Киназа, регулируемая внеклеточным сигналом ERK (Extracellular Signal-Regulated Kinase) фосфорилирует MAP-2. Киназа ERK относится к семейству MAPK (Mitogen-Activated Protein Kinase) митоген-активированных протеинкиназ.

Ú Гиперфосфорилированная форма MAP-Т входит в состав нейрофибриллярных клубков в цитоплазме нейронов мозга при болезни Альцхаймера.

Ú Экспрессия мутированной формы MAP-Т причина болезни Пика (лобно-височная деменция), паллидо-понто-нигральная дегенерация, корково-базальная дегенерация, синдром Стила–Ричардсона–Ольшевского (прогрессирующий надъядерный паралич).

· Хорея Хантингтона — наследственное нейродегенеративное заболевание, характеризующееся прогрессирующей гибелью нервных клеток в базальных ганглиях, особенно в хвостатом ядре и скорлупе. Патогенез заболевания связан с мутацией гена хантингтина. Мутированный ген содержит увеличенное число повторов CAG кодонов и кодирует аберрантный белок, полиглутаминовый трек которого содержит более 40 остатков глутамина при нормальной длине 20–25 остатков. Делеция гена HD у мышиных эмбрионов сопровождается ранней внутриутробной летальностью, в тоже время функциональная значимость хантингтина изучена недостаточно. Известно, что хантингтин антероградно транспортируется по аксону вдоль микротрубочек в комплексе с HAP1 (хантингтин-ассоциированный белок 1), взаимодействующим с лёгкими цепями кинезина (KLC). В патогенезе хореи Хантингтона, с одной стороны, ядерная агрегация аберрантного белка провоцирует апоптоз, а с другой — нарушает функционирование клетки путём искажения транспорта везикул в аксоне и дендрите.
Преимущественно сборка микротрубочек осуществляется в т.н. центре организации микротрубочек ( MTOC ), в центрос о ме, которая обычно находится рядом с ядром и играет важную роль в клеточном делении. Центросома включает две центриоли и перицентриольный матрикс (рис. 2-23).
· Центриоль имеет форму цилиндра диаметром 150 нм и длиной 500 нм; стенка цилиндра состоит из 9 триплетов микротрубочек. В центросоме центриоли расположены под прямым углом друг к другу. В ходе фазы S клеточного цикла центриоли дуплицируются. При этом образовавшиеся дочерние центриоли располагаются перпендикулярно по отношению к материнским. В митозе пары центриолей, каждая из которых состоит из первоначальной и вновь образованной, расходятся к полюсам клетки и участвуют в образовании митотического веретена.
· g -Тубулин ¾ глобулярный белок цитоплазмы, окружающей центриоли.

Рис. 2-23. Центросома . Центросома состоит из пары центриолей (в виде буквы Т) и примыкающей цитоплазмы, содержащей g –тубулин. 10–13 молекул g –тубулина формируют g –тубулиновые кольца (чёрные кружки), которые служат затравками, инициирующими начало полимеризации тубулиновых гетеродимеров и формирования микротрубочки. Растущие микротрубочки (–)–концами ассоциированы с центросомой, а их (+)–концы в виде лучей радиально направлены в цитоплазму (астральные микротрубочки). [114]

· Катанин. В нервных клетках фермент катанин «отрезает» от астральных микротрубочек короткие полимеры, которые далее транспортируются по аксону в конус роста, где они присоединяются к (+)–концу микротрубочек, обеспечивая удлинение аксона в ходе развития.
Ряд агентов (цитостатики, или статмокинетики) нарушает сборку или распад микротрубочек, что блокирует митоз и внутриклеточный транспорт. Это свойство цитостатиков широко используют в клинике (преимущественно в онкологии) при химиотерапии некоторых опухолей для блокады пролиферации трансформированных клеток.
· Колхицин связывается с субъединицами тубулина и препятствует их присоединению к (+)–концу микротрубочек, блокируя их рост. При этом продолжающаяся деполимеризация микротрубочек с (–)–конца приводит к полной разборке всех микротрубочек. Колхицин действует в М–фазе клеточного цикла, препятствуя образованию митотического веретена и как следствие этого делению клеток.
· Алкалоиды Vinca rosea. Винбластин и винкристин имеют тот же эффект, что и колхицин. Они специфически действуют на клетки в М–фазе.
· Таксол выделен из коры тиса . В отличие от алкалоидов Vinca rosea и колхицина, подавляющих сборку микротрубочек, таксол, связываясь с микротрубочками, препятствуют их деполимеризации, что приводит к образованию стабильных микротрубочек. В митозе появление устойчивых к деполимеризации микротрубочек вызывает тот же эффект, что и алкалоиды Vinca rosea и колхицин: происходит торможение пролиферации клеток. Таксол действует в поздней G2— и M–фазах клеточного цикла. Этот мощный ингибитор деления эукариотических клеток используют в качестве антибластомного препарата.
Как элемент цитоскелета микротрубочки участвуют в поддержании формы клетки, антероградном и ретроградном аксоном транспорте макромолекул, органелл и секреторных везикул, фагоцитозе и функции лизосом. Микротрубочки образуют аксонемы и базальные тельца, обеспечивая подвижность жгутиков и ресничек, в составе центриолей они обеспечивают расхождения хромосом при делении клеток.

Рис. 2-24. Микротрубочка. 13 параллельно расположенных протофиламентов состоит из отдельных субъединиц — димеров a — и b –тубулина. 13 параллельно расположенных тубулиновых протофиламентов формируют полый цилиндр диаметром 25 нм. Протофиламенты образуются путём полимеризации гетеродимерного белка тубулина, состоящего из глобулярных субъединиц ¾ a и b –тубулина. [114]

Это АТФазы (динеины и кинезины), одним доменом связывающиеся с тубулином микротрубочек, а другим — с различными мембранными органеллами (митохондриями, секреторными везикулами из комплекса Гольджи, элементами эндоплазматической сети, эндоцитозными пузырьками, аутофагосомами) или макромолекулами. За счёт расщепления АТФ моторные белки перемещаются вдоль микротрубочек и таким образом транспортируют ассоциированные с ними органеллы и макромолекулы. При этом кинезиновый мотор направлен к (+)–концу, а динеиновый ¾ к (–)–концу микротрубочки (рис. 2-28).
· Тубулин-кинезиновый хемомеханический преобразователь образуют молекулярный мотор, который обеспечивает внутриклеточный транспорт органелл и перемещение хромосом вдоль микротрубочек в ходе клеточного деления. Перемещение органелл вдоль микротрубочек с участием кинезинов осуществляется в направлении (+)–конца микротрубочек (рис. 2-28).

à KIF 5 A . При мутации гена тяжёлой цепи нейрон-специфического кинезина KIF5A развивается наследственная врождённая спастическая параплегия в результате дегенерации длинных аксонов нейронов коры головного мозга.

à Болезнь Шарко–Мари–Тута IIА возникает в следствие мутации гена KIFB b .

· Тубулин-динеиновый хемомеханический преобразователь в цитоплазме отвечает за направленный транспорт макромолекул и органелл к (–)–концу микротрубочек. В составе аксонемы тубулиновый молекулярный мотор приводит в движение жгутик сперматозоида и реснички мерцательных клеток.

à Аксонема формируется путём самосборки. Матрицей для сборки служит центриоль или базальное тельце. Аксонема (рис. 2-25) состоит из 9 периферических пар микротрубочек и двух расположенных центрально одиночных микротрубочек. В каждой периферической паре различают субфибриллу А, содержащую 10–11 тубулиновых протофиламентов, и субфибриллу В, содержащую 13 протофиламентов. Смежные пары микротрубочек соединены между собой эластичным белком нексином. С субфибриллой А связаны наружные и внутренние ручки. В их состав входит белок динеин, содержащий 2–3 глобулярные головки, соединённые с гибкой фибриллярной частью молекулы. Основание фибриллярной части вплетено в микротрубочку (субфибрилла A). Глобулярная головка обладает АТФазной активностью. При расщеплении АТФ она скользит по поверхности микротрубочки (субфибрилла B) соседней пары (рис. 2-25) по направлению к её (–)–концу. Этот механизм аналогичен скольжению элементов актомиозинового хемомеханического преобразователя в мышце. Аксонема — основной структурный элемент реснички и жгутика.

à Базальное тельце состоит из 9 триплетов микротрубочек, расположенных в основании реснички или жгутика; служит матрицей при организации аксонемы.

Рис. 2-25. Аксонема состоит из комплекса микротрубочек и связанных с ними белков . 9 пар микротрубочек расположено по окружности, одна пара находится в центре. Каждая периферическая пара образована субфибриллой A и субфибриллой B. Субфибриллы состоят из протофиламентов. Обладающий АТФазной активностью белок динеин — компонент тубулин-динеинового хемомеханического преобразователя — входит в состав ручек, связанных с субфибриллой A. [17]

à Ресничка — вырост клетки длиной 5–10 мкм и шириной 0,2 мкм, содержащий аксонему (рис. 2-26). Реснички присутствуют в эпителиальных клетках воздухопроводящих и половых путей, перемещают слизь с инородными частицами и остатками отмерших клеток и создают ток жидкости около клеточной поверхности.

à Киноцилия — (греч. kinesis, движение; cilium, ресничка) специальная органелла подвижности на поверхности волосковых клеток органа равновесия.

Рис. 2-26. Ресничка — тонкий вырост на поверхности клетки . Стержень реснички образован аксонемой — системой микротрубочек 9+2. В основании реснички расположено базальное тельце, служащее матрицей для формирования аксонемы . [17]

Рис. 2-27. Характер движения жгутика (А) и реснички (Б) . Несмотря на то, что молекулярная основа подвижности у жгутиков и ресничек одинакова, характер их движения различен. Жгутики обычно длиннее ресничек , и для них характерно синусоидальное движение, в отличие от циклических волнообразных изгибов ресничек. [17]

à Жгутик (рис. 2-27), как правило, не встречается в количестве более двух на клетку. В сперматозоиде человека имеет длину 50–55 мкм и толщину 0,2–0,5 мкм, содержит аксонему.

Нарушения организации аксонемы . Дефекты ресничек и жгутиков проявляются отсутствием в аксонеме динеиновых ручек, центральной капсулы или центральных микротрубочек. Эти дефекты проявляются при синдроме неподвижных ресничек, возможно развитие рецидивирующего хронического бронхита и синусита. Более половины больных с подобным синдромом имеет situs viscerus inversus — транспозицию внутренних органов (сердце справа, печень слева и т.д.), что в совокупности описывает синдром Картагенера.

Рис. 2-28. Молекулярные моторы. Тубулин–кинезиновый хемомеханический преобразователь. Двигательные белки молекулярных моторов (динеин и кинезин) — ферменты, преобразующие энергию АТФ в механическую работу. Кинезиновый мотор обеспечивает транспорт органелл к (+)–концу, а динеиновый ¾ к (–)–концу микротрубочек. [114]

· Цитоплазматический динеин — форма динеина, ответственная за внутриклеточные ретроградные перемещения пузырьков и органелл вдоль микротрубочек. Такие перемещения цитоплазматический динеин осуществляет в комплексе с динактином (рис. 2-29). Динактин представляет собой совокупность 10 полипептидов Mr 22–150 кД. Динактин–динеиновый комплекс необходим для осуществления различных клеточных функций, в том числе для транспорта пузырьков от эндоплазматической сети к комплексу Гольджи, формирования веретена деления, цитокинеза, перемещения хромосом, установления положения ядра, аксоногенеза. В качестве карго могут также выступать липидные капли, вирусные капсиды. Динактин-динеиновое взаимодействие является ключевым компонентом механизма ретроградного аксонного транспорта пузырьков и органелл в нейроне. Динактин связывается с микротрубочкой через белок CLIP 170. Связывание с мембранами комплекса Гольджи опосредуется связыванием Arp 1 (относящегося к актину белка 1, A ctin — r elated p rotein 1) со спектрином мембран Гольджи. С динактин-динеиновым комплексом могут связываться многие белки, например, EB 1, NuMA , спектрин, белок полосы 4.1, вирусные белки, хантингтин-ассоциированный белок и др.

à Наиболее крупный белок комплекса динактин 1 ( p 150, p 150 glued ) связан непосредственно с микротрубочкой и промежуточной цепью цитоплазматического динеина, а также взаимодействует с белками комплекса mapre . Выделено 2 функционально разные изоформы динактина 1: одна изоформа — присутствующая повсеместно, другая — специфична для мозга. Динактин 1 необходим для опосредованного динеином ретроградного транспорта пузырьков и органелл вдоль микротрубочек.

à Динактин 3 ( p 22) (ген DCTN 3 ) — наименьшая (22 кД) субъединица динактинового макромолекулярного комплекса. Динактин 3 связывается непосредственно с динактином 1. В интерфазу динактин 3 локализован в центросоме, а в ходе митоза соединён с кинетохорами веретена деления.

Ú Болезни, вызванные дефектами аллелей гена динактина 1 DCTN 1 (примеры):

Ú прогрессирующая нейромоторная болезнь ( plmnd , p rogressive l ower m otor n euron d isease ), динактинового типа: чрезмерная экспрессия белка p 50 (динамитина) в составе динактинового комплекса приводит к разрушению комплекса.

Ú предрасположенность к боковому амиотрофическому склерозу.

Ú дефект гена динактина 1 — причина мышечной дистрофии тазового и плечевого пояса.

Рис. 2-29. Белки динактинового комплекса и их взаимодействие с микротрубочкой и цитоплазматическим динеином . Комплекс включает ряд белков — Arp 1, динамитин ( p 50), p 150 Glued , p 24, p 62, актин, Arp 11, кэппирующий белок, p 25, p 27 и др. [68]

Д ве переплетённые нити F–актина (фибриллярного), составленные из G–актина (глобулярного), формируют микрофиламенты диаметром 6-8 нм. В комплексе с актин-связывающими белками актиновые филаменты образуют различные внутриклеточные структуры (тонкие нити миофибрилл, кортикальный примембранный скелет, опоясывающую десмосому, микроворсинки, стереоцилии, терминальную сеть).
Существуют три формы G–актина ¾ a , b и g . В мышечных клетках содержится a –актин, а в немышечных клетк ах b — и g –актины. Для гладких, сердечных и скелетных мышечных клеток характерны специфичные изоформы a –актина. Важным свойством G–актина является его способность к полимеризации с образованием фибриллярного F–актина. (рис. 2-30).

Точечные мутации гена a –актина сердечной мышцы — причины развития кардиомиопатий. Возможны нарушения, связанные с дефектами прикрепления актиновых нитей к Z -диску или взаимодействия актина с миозином. В скелетной мышце мутация гена вызывает немалиновую миопатию с доминантным (NEM1) или рецессивным (NEM2) типом наследования.

Рис. 2-30. Сборка микрофиламентов начинается с образования ядра полимеризации . Три молекулы G–актина, несущих АТФ, образуют стабильный комплекс ¾ ядро полимеризации, которое служит затравкой для сборки микрофиламента. Полимеризация молекул актина происходит за счёт гидролиза АТФ. При этом в составе микрофиламентов G–актин, несущий продукт гидролиза АТФ (АДФ), остаётся в готовности к быстрой диссоциации (деполимеризации). [114]

Полярность микрофиламентов
Как и микротрубочки, микрофиламенты полярны; присоединение (полимеризация) новых молекул G–актина, несущих АТФ, происходит на (+)–конце, а деполимеризация (разборка полимера) на ( — )–конце микрофиламента. Известны токсины, связывающиеся с актином и блокирующие его полимеризацию, нарушая тем самым подвижность клеток, фагоцитоз и цитокинез.
Ú Цитохалазины ¾ группа родственных по химической структуре метаболитов различных плесневых грибов. Они связываются с (+)–концом микрофиламентов, блокируя присоединение новых молекул актина.
Ú Латрункулин морских губок и толитоксин сине-зелёных водорослей (цианобактерий) как и цитохалазины останавливают полимеризацию актина.
Ú Фаллоидин (циклический олигопептид бледной поганки Amanita phalloides) в противоположность цитохалазинам, стабилизирует актиновые филаменты, препятствуя как полимеризации, так и деполимеризации.
Белки, связывающие актин с интегральными белками плазмолеммы
· a –Актинин служит посредником между актином микрофиламентов и мембранными интегринами, обеспечивающими клеточную адгезию. В составе Z-линий и плотных телец ГМК a –актинин фиксирует концы тонких актиновых нитей.
· Филамин образует сшивки актиновых филаментов с трансмембранными рецепторами адгезии. В тромбоцитах филамин связывает актиновые нити с интегральным мембранным гликопротеином Ib , что имеет важное значение для прикрепления тромбоцитов к повреждённой стенке кровеносного сосуда.
Белки, сшивающие микрофиламенты
· Фимбрин и виллин сшивают фибриллярный F–актин в микроворсинках каёмчатых клеток (рис. 2-31).
· Фодрин структурирует терминальную сеть в каёмчатых клетках (рис. 2-31).

Рис. 2-31. Организация микроворсинки в апикальной части каёмчатой клетки . Около 30 параллельно идущих микрофиламентов образуют стержень микроворсинки. (+)–Концы двух переплетённых нитей F–актина микрофиламентов направлены к вершине микроворсинки. Микрофиламенты сшивают актин-связывающие белки фимбрин и виллин. Микрофиламенты присоединены к внутренней поверхности плазматической мембраны при помощи миозина I . В основании микроворсинок актиновые нити ( — )–концами заякорены в терминальную сеть ¾ примембранное сплетение микрофиламентов сшитых между собой фодрином. [114]

Примембранный кортикальный скелет . Микрофиламенты образуют скопления по периферии клетки. Актин-связывающие белки прикрепляют микрофиламенты к плазмолемме. Кортикальный скелет поддерживает форму клетки и обеспечивает упругость клеточной мембраны.
И зменение консистенции цитозоля, переход золя в гель и обратно (например, для изменения вязкости примембранной цитоплазмы при образовании псевдоподии, в конусе роста аксона).
Э ндоцитоз и экзоцитоз
П одвижность немышечных клеток (например, нейтрофилов и макрофагов) связана с изменением формы клеточной поверхности вследствие регулируемой полимеризации актина.
Стабилизация локальных выпячиваний плазматической мембраны связана с пучками поперечно сшитых актиновых филаментов.

Ú Микроворсинки. Пучок параллельных микрофиламентов образует сердцевину микроворсинок высотой 1 мкм (рис. 2-31). Эпителиальные клетки тонкой кишки содержат более 1000 микроворсинок, которые увеличивают площадь апикальной поверхности клеток в 20 раз.

Ú Болезнь Дэвидсона. Тяжёлая трудноподдающаяся лечению диарея новорождённых по причине атрофии микроворсинок каёмчатых клеток кишечника.

Ú Стереоцилии. Высокие микроворсинки на эпителиальных клетках придатка яичка и семявыносящего протока, волосковых клетках органа слуха и равновесия.

Транспорт . Вместе с микротрубочками микрофиламенты участвуют в направленном транспорте органелл в цитоплазме. Миозин V выполняет роль мотора в быстром аксонном транспорте пузырьков гладкой эндоплазматической сети.
Адгезионные фокальные контакты . Микрофиламенты кортикального цитоскелета через a –актинин и филамин взаимодействуют с интегринами (трансмембранными рецепторами макромолекул внеклеточного матрикса).
Опоясывающая десмосома . Примембранные микрофиламенты через a –актинин и винкулин связаны с Е-кадгеринами (трансмембранными гликопротеинами адгезии).
Цитокинез ( деление цитоплазмы ) обеспечивает кольцо из актиновых филаментов вокруг средней части клетки.
Нити цитоскелета диаметром 8–12 нм названы промежуточными, поскольку по величине диаметра они находятся между микротрубочками и микрофиламентами. Промежуточные нити (филаменты) состоят из мономеров фибриллярных белков (кератина, виментина, десмина, глиального фибриллярного кислого белка, ламинов, белков нейрофиламентов), принадлежащих к одному семейству генов. Экспрессия белков промежуточных нитей специфична для определённых клеточных типов (табл. 2-7). Нейрофиламенты состоят не из одного белка, а из трёх, имеющих различную молекулярную массу: лёгкий NF — L (70 кД), средний NF — M (140 кД) и тяжёлый белок нейрофиламентов NF — H (210 кД).

Образование промежуточных нитей

В отличие от микротрубочек и микрофиламентов, промежуточные филаменты не полярны и не требуют АТФ или ГТФ для полимеризации. Однако, все белки промежуточных филаментов способны фосфорилироваться , что влияет на полимеризацию промежуточных филаментов. Сборка филаментов начинается с образования димеров — двух переплетённых фибриллярных мономеров, которые укладываются «сторона к стороне», образуя тетрамеры. Далее такие тетрамеры упаковываются «сторона к стороне» и «конец в конец» формируя промежуточные филаменты. Характер расположения белков в составе промежуточного филамента напоминает многожильный провод. Ламины образуют ортогональную решётку из фибрилл толщиной около 10 нм.
Промежуточные нити создают внутриклеточный каркас, обеспечивают упругость клетки, поддерживают упорядоченность расположения компонентов цитоплазмы, координируют связи между внеклеточным матриксом, цитоплазмой и ядром. Иммуноцитохимические реакции с АТ против белков конкретных типов промежуточных нитей нашли применение в цитодиагностике генеза опухолей (табл. 2-7).

Таблица 2–7. Белки промежуточных филаментов различных клеток

Некоторые специальные функции

Цитокератин (29 изоформ)

Создают тянущее усилие, взаимодействуют с десмосомами и полудесмосомами. Маркёры опухолей эпителиального происхождения (плоскоклеточная карцинома, аденокарцинома)

Клетки мышечных тканей

Структурируют сократительные органеллы миофибриллы. Маркёры опухолей мышечного происхождения (рабдомиосаркома)

Клетки мезенхимного генеза: фибробласты, ГМК, эндотелиальные, хондробласты, остеобласты, макрофаги

Формируют сетевидную структуру вокруг ядра клетки. Маркёры опухолей соединительной ткани (фибросаркома, липосаркома, ангиосаркома, хондросаркома, остеосаркома)

Глиальный фибриллярный кислый белок

Астроциты,
олигодендроциты,
шванновские клетки

Структурная поддержка цитоплазмы. Маркёры опухолей, возникающих из глиальных клеток (астроцитомы)

Белки нейрофиламентного триплета

Поддерживают структуру и форму отростков нейрона (аксонов и дендритов)

Организуют ядерную пластинку и лежащий около неё хроматин

Мутации генов белков промежуточных филаментов рассматривают как причины некоторых заболеваний, большинство которых характеризуются аутосомно-доминантным типом наследования (табл. 2-8).

Таблица 2-8. Болезни, обусловленные точечными мутациями генов белков промежуточных филаментов

Дефектный белок

Заболевание

Цитокератины 14 и 15

Врождённый буллёзный эпидермолиз

Цитокератины 1 и 10

Эпидермолитическая ладонно-подошвенная кератодермия

Кардио-скелетная мышечная миопатия, аутосомная форма дилатационной кардиомиопатии 1 I

Глиальный фибриллярный кислый белок

Болезнь Александра (прогрессирующая лейкоэнцефалопатия)

Лёгкий белок нейрофиламентного триплета NF — L

Шарко–Мари–Тута типа 2 E

Мышечная дистрофия Эймери–Дрейфуса, дилатационная кардиомиопатия, семейная частичная липодистрофия Даннигана

Белки, ассоциированные с промежуточными филаментами

Филагрин сшивает кератиновые нити в плотные агрегаты в эпителии кожи.
MAP1 и MAP2 взаимодействуют с нейрофиламентами , образуя связки между ними и микротрубочками .
Десмоплакины цитоплазматической пластинки десмосом взаимодействуют с кератиновыми филаментами, обеспечивая связь между цитоскелетом и десмосомой.
Рибосома состоит из большой и малой СЕ, содержащих различные типы рРНК и белки (рис. 2-32). Малая СЕ связывается с мРНК и активированными тРНК. Пептидилтрансфераза в большой СЕ катализирует образование пептидных связей и присоединение аминокислот к растущей полипептидной цепи. Терминирующие кодоны (UAA, UAG, UGA) контролируют отделение от рибосомы готового полипептида и мРНК. Функция рибосом — трансляция (считывание кода мРНК и сборка полипептидов). Рибосомы подразделяют на митохондриальные и более крупные цитоплазматические.

Рис. 2-32. Рибосома. А . Рибосома 80S состоит из большой и малой субъединиц (СЕ). Большая СЕ содержит 5S, 28S и 5,8S РНК и ~ 49 белков, малая СЕ включает 18S РНК и ~ 33 белка. Б . Рибосома имеет три различных участка связывания РНК — один для мРНК и два для тРНК. Пептидил-тРНК–связывающий участок (P‑участок) удерживает молекулу тРНК, присоединённую к растущему концу полипептидной цепи; расположенный рядом аминоацил-тРНК–связывающий участок (А‑участок) фиксирует только что поступившую в рибосому молекулу тРНК с аминокислотой (аа). [17]

Митохондриальные рибосомы (60S) состоят из 45S и 35S СЕ, содержащих соответственно 16S и 12S рРНК, кодируемые митохондриальной ДНК. Эта ДНК содержит последовательности для митохондриальных мРНК и тРНК. Большинство ферментов, участвующих в трансляции митохондриальной мРНК, кодируется ядерной ДНК.
Цитоплазматические рибосомы — небольшие электроноплотные частицы размером 12 ´ 25 нм (80S), состоят из синтезируемой в ядрышке рРНК и белков. Цитоплазматические рибосомы подразделяют на свободные и связанные с мембранами эндоплазматической сети (поэтому такая эндоплазматическая сеть и называется гранулярной) и наружной ядерной мембраной. Ассоциаты рибосом формируют полирибосомы.
Полирибосома (полисома) — комплекс нескольких рибосом, расположенных на одной молекуле мРНК. Полирибосомы, как и отдельные рибосомы, находятся в цитоплазме в свободном состоянии или прикреплены к мембранам эндоплазматической сети. Свободные полирибосомы синтезируют белки и ферменты для самой клетки (конститутивный синтез), а полирибосомы гранулярной эндоплазматической сети — предназначенные для хранения или выведения из клетки (синтез на экспорт).

Ú Антибиотики, ингибирующие трансляцию белка

Ú Различия между рибосомами бактерий (50S и 30S) и млекопитающих (60S и 40S) обуславливает избирательное взаимодействие антибиотиков этой группы с бактериальными рибосомами.

Ú Тетрациклины образуют комплексы с рибосомой 30S, угнетая начальную стадию трансляции белка.

Ú Аминогликозидные антибиотики (стрептомицин, гентамицин амикацин) повышают сродство молекулы тРНК с А-участком рибосомы 50S, что приводит к ошибочному считыванию генетической информации, и как следствие, к синтезу функционально неактивного белка.

Ú Макролиды (эритромицин, кларитромицин, рокситромицин) связываются с рибосомой 50S и ингибируют пептидилтрансферазу, блокируя наращивание полипептидной цепи.

Ú Циклогексимид (4- <(2 R )-2-[(1 S ,3 S ,5 S )-3,5- dimethyl -2- oxocyclohexyl ]-2- hydroxyethyl >piperidine -2,6- dione ) — продукт жизнедеятельности Streptomyces griseus , ингибитор синтеза белка эукариот. Циклогексимид подавляет активность пептидилтрансферазы рибосомы 60 S , прекращая сборку полипептидной цепи. Из-за выраженного токсического и тератогенного эффектов циклогексимид применяют только в экспериментальной медицине.

В эндоплазматической сети вырабатывается, процессируется и транспортируется множество веществ, которые используются клеткой или выделяются из неё. Различают гранулярную (зернистую, шероховатую) и гладкую эндоплазматическую сеть (ретикулум). Цистерны гранулярной и гладкой эндоплазматической сети не сообщаются. Клетки, специализированные на выработку белка, имеют более развитую гранулярную эндоплазматическую сеть. Клетки, продуцирующие липиды и стероидные гормоны, содержат выраженную гладкую эндоплазматическую сеть.
Функции эндоплазматической сети :
Ú поставка липидов другим органеллам (гладкая);
Ú гомеостаз Ca 2+ (гладкая);
Ú биогенез органелл (гранулярная);
Ú формирование пространственной (трёхмерной) структуры (укладки) белков (гранулярная);
Ú посттрансляционный контроль качества белка (гранулярная).

Гранулярная эндоплазматическая сеть

Гранулярная эндоплазматическая сеть — система плоских мембранных цистерн с находящимися на их наружной поверхности рибосомами (рис. 2-22). Рибосомы связываются с мембранами сети при помощи рибофоринов. В шероховатой эндоплазматической сети происходит синтез белков для плазматической мембраны, лизосом, пероксисом, а также синтез белков на экспорт, т.е. предназначенных для экзоцитоза. Механизм поступления синтезированных на рибосомах полипептидов внутрь цистерн эндоплазматической сети объясняет сигнальная гипотеза (рис. 2-33). Мембраны гранулярной эндоплазматической сети связаны с наружной мембраной оболочки ядра и перинуклеарной цистерной.

Рис. 2-33. Сигнальная гипотеза поступления секреторных, мембранных и лизосомных белков в гранулярную эндоплазматическую сеть . мРНК для этих белков содержит последовательности для сборки сигнального пептида, который первым синтезируется на рибосоме. Дальнейшая последовательность событий такова: частица, распознающая сигнал, связывается с сигнальным пептидом; синтез полипептида на рибосоме временно останавливается. Частица, распознающая сигнал, взаимодействует со своим рецептором в мембране эндоплазматической сети. Далее большая СЕ рибосомы связывается с рибофоринами, что позволяет синтезированному полипептиду через поры войти внутрь цистерны; частица, распознающая сигнал, отделяется, и синтез полипептида возобновляется, но теперь уже на рибосоме, расположенной на мембране; за некоторое время до завершения полного синтеза специальная пептидаза в мембране эндоплазматической сети отрезает сигнальный пептид. [17]

Гранулярная эндоплазматическая сеть располагается в непосредственной близости от ядра и комплекса Гольджи. Она участвует в синтезе и процессинге белков, преимущественно предназначенных для выделения из клетки. Рибосомы связаны с наружной (обращенной в цитозоль) поверхностью сети. Их количество, например в гепатоците, достигает 13 млн. Собранные на рибосомах белки поступают внутрь цистерны для последующего процессинга. Концентрация белка здесь может превышать 100 мг/мл. Белки могут быть либо трансмембранными, т.е. находиться в составе мембраны цистерны, либо водорастворимыми и полностью утрачивать связь с мембраной цистерны и находиться в просвете цистерны. Здесь же происходит укладка белков и формирование правильной трёхмерной структуры. В цистернах сети к белкам присоединяются углеводы с образованием гликопротеинов, а также формируются белковые комплексы с металлами. Так, в цистернах гранулярной эндоплазматической сети протекает сборка молекулы гемоглобина из четырех полипептидных цепей (субъединиц). Из эндоплазматической сети многие белки поступают во все компартменты клетки для выполнения своих функций или направляются в комплекс Гольджи для последующего процессинга и модификации. Наряду с покидающими сеть белками, имеются резидентные белки, которые постоянно присутствуют в просвете цистерн и нужны для поддержания функции сети, а именно для узнавания образованных здесь белков, их процессирования и удержания в течение необходимого времени до отправления их по нужному адресу. Примером резидентных белков может служить белок BiP — шаперон иммуноглобулин-связывающего белка, принадлежащий семейству белков теплового шока Hsp 70. В контроле качества белка участвуют шапероны двух классов — BiP и кальнексин\кальретикулина. При этом шапероны образуют комплексы с некоторыми кофакторами и между собой. В белковом матриксе эндоплазматической сети шапероны и «укладывающие» ферменты многочисленны и численно превосходят вновь синтезируемые белки. Они предотвращают агрегацию белков и делают возможной эффективную укладку большого их разнообразия. Гранулярная эндоплазматическая сеть сообщается с оболочкой ядра, которая также несёт рибосомы. Поэтому пространство между наружной и внутренней ядерной оболочками вместе с просветом прилежащей цистерны сети рассматриваются как единый клеточный компартмент. С эндоплазматической сетью тесно связан комплекс Гольджи. Исследования показали возможность прямой передачи продукта из цистерн сети в цистерны комплекса Гольджи, минуя традиционный способ передачи через цитоплазму при помощи транспортных пузырьков.

Формирование трёхмерной структуры молекулы белка и посттрансляционный контроль его качества

Несмотря на то, что нативная конформация белка закодирована в его гене и, следовательно, в последовательности аминокислотных остатков, эндоплазматическая сеть вносит существенный вклад в посттрансляционную укладку полипептидных цепей. Для этого приблизительно треть всех белков в клетках эукариот направляется в эндоплазматическую сеть. Эта органелла обладает уникальным окислительным потенциалом, который поддерживает образование дисульфидных связей в процессе укладки белка. Эндоплазматическая сеть содержит шапероны и ферменты, необходимые для укладки каждого конкретного белка. Белки с корректной укладкой экспортируются из эндоплазматической сети. Белки с нарушенными последовательностями аминокислотных остатков или укладкой остаются в цистернах сети и подвергаются ассоциированной с эндоплазматической сетью деградации ( ERAD — E ndoplasmic R eticulum A ssociated D egradation ). В этом случае неправильно упакованный белок направляется обратно в цитозоль, где подвергается деградации в протеосомах. Для отправки на ERAD неправильно уложенные белки должны быть помечены специальным протеином PDI ( P rotein D isulfide I somerase ).
· Молекула главного комплекса гистосовместимости I класса . Проследим работу эндоплазматической сети на примере процессинга молекулы главного комплекса гистосовместимости I класса (MHC I) (рис. 2-34). Эта молекула представлена на поверхности практически всех клеток, служит маркёром биологической индивидуальности организма и контролирует иммунный ответ. MHC I присутствует практически во всех ядерных клетках. Молекулы MHC I синтезируются с необычайно высокой скоростью, мембранные молекулы после их удаления с помощью протеолиза замещаются за 6 часов. Белки, находящиеся в цитозоле, расщепляются в протеосомах на небольшие пептиды, которые остаются в цитозоле. Затем эти пептиды транслоцируются из цитозоля в цистерну эндоплазматической сети, в просвете которой взаимодействуют с пептид-связывающим сайтом вновь синтезированных молекул MHC I. В транслокации пептидов из цитозоля внутрь цистерны участвуют специальные транспортные белки TAP ( T ransporter associated with A ntigen P rocessing ) вместе с другими белками, такими как тапасин, кальретикулин, кальнексин и ER 60 (рис. 2-34). Будучи в цистерне молекула MHC I подвергается посттрансляционной модификации, которая затрагивает N –гликан-связывающие фрагменты. Образованный комплекс « MHC I –пептид» направляется в комплекс Гольджи, где продолжается его модификация с участием N –гликана, но с большей интенсивностью. Из комплекса Гольджи в составе экзоцитозных пузырьков комплекс направляется в плазматическую мембрану. В ходе экзоцитоза мембрана везикулы вместе с комплексом «MHC I–пептид» оказывается частью наружной клеточной мембраны. Отдельная клетка может нести на своей поверхности до 250 000 разных молекул, связанных с MHC I. Если пептид, находящийся в просвете цистерны, по каким-то причинам не связался с молекулой MHC I, то он выводится из эндоплазматической сети в цитозоль через канал sec 61. В цитозоле этот пептид может модифицироваться и при помощи TAP обратно возвращаться в цистерну для связывания там с молекулой MHC I .

à Тапасин, трансмембранный белок, кодируемый геном, связанным с MHC, присоединяет свободную от пептида молекулу MHC I к молекуле TAP, формируя сердцевину «пептид-загружающего комплекса», в состав которой входят также шаперон кальретикулин и тиоловая оксидоредуктаза ERp57. Гликопротеины с несформированной третичной структурой взаимодействуют с кальретикулином или с родственным шапероном кальнексином через N–связанные гликаны. Тиоловая оксидоредуктаза ERp57 вместе с кальретикулином обеспечивает формирование «правильных» дисульфидных связей в многочисленных молекулах вновь образованных гликопротеинов вскоре после их синтеза.

à Около 40% синтезированных полипептидов не становятся функционально активными из-за ошибок трансляции и дефектов укладки. Большая часть этих пептидов (defective ribosomal products — DRiPs) деградирует с помощью протеосом практически сразу после синтеза. Затем фрагменты DRiPs встраиваются в молекулы MHC I класса. На долю чужеродных пептидов приходится малая доля белковых фрагментов, встраиваемых в молекулы MHC I. В результате распознавания именно этих пептидов активируются иммунные реакции организма. Для чего на поверхность клетки в комплексе с молекулой MHC I класса выносятся эндогенные пептиды, остается неясным.

Рис. 2-34. Процессинг цитозольных белков и представление их фрагментов на поверхности клетки в связи с молекулой MHC I класса. Расщепление вновь синтезированного цитозольного белка в протеосоме с образованием пептидов, состоящих из 8–10 аминокислотных остатков. Эти пептиды должны быть представлены на поверхности клетки в связи с молекулой MHC I . Присоединение пептидов к MHC I осуществляется внутри цистерны эндоплазматической сети. Поэтому пептид из цитозоля должен быть загружен в цистерну. Процессу загрузки пептида предшествует сложный каскад формирования связанного с мембраной цистерны мультимолекулярного комплекса. Вначале к тяжёлой цепи молекулы MHC I присоединяется шаперон кальнексин. Затем к комплексу добавляются b 2 -микроглобулин, белок ERp 57 и шаперон кальретикулин. Образованный комплекс связывается с интегрированными в мембрану цистерны молекулами TAP через белок тапасин. Именно TAP контролируют транслокацию пептидов из цитозоля внутрь цистерны, что позволяет им находить здесь молекулы MHC I и связываться с ними. После формирования подобной связи тапасин отделяется от TAP , и комплекс пептида с « MHC I — b 2 -микроглобулином — тапасином» какое-то время еще присутствует в мембране цистерны, затем от него отделяется тапасин. На последующем этапе комплекс пептида с MHC I и b 2 -микроглобулином при помощи транспортных везикул переносится в комплекс Гольджи, а оттуда в плазматическую мембрану, где становится доступным для узнавания иммунокомпетентными клетками, например цитотоксическими T–лимфоцитами. [55]

· Тапасин — мембранный гликопротеин, член надсемейства иммуноглобулинов. Вновь синтезированная и интегрированная в мембрану цистерны эндоплазматической сети молекула MHC I через тапасин связывается с шапероном эндоплазматической сети кальретикулином. Образует тример с белками TAP 1 и TAP 2, который временно связывается с комплексом «тяжёлая цепь– b 2 -микроглобулин» в молекуле MHC I (рис. 2-35). Одна молекула TAP связывает до 4-х комплексов « MHC I –тапасин». Тапасин необходим для загрузки самой молекулы MHC I в цистерну эндоплазматической сети. Тапасин поддерживает экспрессию белков TAP 1 и TAP 2, поэтому мутации гена тапасина и его исчезновение приводят к потере TAP . Подобная картина наблюдается при синдроме «голых» ( naked ) лимфоцитов, который характеризуется уменьшением количества молекул MHC I в плазматической мембране. Ранее этот синдром связывали с утратой TAP . У больного с данным синдромом показано исчезновение тапасина в результате делеции в соответствующем гене. При этом отмечено, однако, что снижение экспрессии MHC I не настолько выражено, как у больных с тем же синдромом вследствие повреждения TAP .

Рис. 2-35. Тапасин в составе мультибелкового комплекса кальретикулин– Erp 57–тапасин– MHC I – TAP . [135]

à Муковисцидоз (кистозный фиброз). Приблизительно у 80% больных муковисцидозом зарегистрированы мутации регулятора трансмембранной проницаемости CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator), приводящие к нарушению транспорта CFTR из эндоплазматической сети и встраивания его в плазматическую мембрану эпителиальных клеток. Большинство мутаций приводит к нарушению укладки CFTR с последующей деградацией. Но не только дефектные CFTR подвергаются ERAD. До 75% нормального CFTR (дикого типа) вступает в ERAD. В укладке CFTR участвует шаперон BiP. При нарушении укладки CFTR этот белок до отправления на деградацию образует скопления в цистернах эндоплазматической сети, формируя тельца Рассела. Причиной одной из форм болезни является выпадение одной единственной аминокислоты, фенилаланина, в функционально значимой области белка BiP. В этих условиях белок BiP может полностью справляться со своей задачей. Тем не менее, система контроля качества белка BiP в эндоплазматической сети идентифицирует его и отделяет от мембраны цистерны в её просвет.

à Несовершенный остеогенез. Фибробласты больных с мутантным геном коллагена I типа характеризуются повышенным синтезом молекулы BiP. Вследствие врождённого дефекта на С–конце молекулы проколлагена оказывается невозможным образование цепочек, и BiP сохраняет стабильную связь с отдельными мономерами.

à Дефектный инсулин. При аутосомном доминантном наследовании одного из аллелей гена инсулина развивается гипергликемия с выраженной дисфункцией b -клеток островков Лангерханса поджелудочной железы. В этих клетках при электронной микроскопии выявлено выраженное снижение количества секреторных гранул и аномальное расширение цистерн эндоплазматической сети. При этом только незначительная часть проинсулина превращается в инсулин, который выделяется из клеток. В них присутствуют высокомолекулярные формы проинсулина, связанные с интенсивно экспрессируемым шапероном BiP.

à Дистрофия сетчатки. При одной из форм врождённой дистрофии сетчатки мутантная форма родопсина утрачивает способность встраиваться в плазматическую мембрану наружного сегмента палочек и накапливается в их эндоплазматическом ретикулуме и комплексе Гольджи. Мутантный белок не способен образовывать 11-цис-ретиналь и формирует комплекс с шаперонами BiP и Grp94, членами семейств Hsp70 и Hsp90 соответственно, что свидетельствует о его аномальной пространственной конфигурации.

· Протеомика. Геном человека насчитывает от 30 000 до 40 000 генов, которые кодируют 300 000 белков. Качественный и количественный состав белков и их взаимодействия в организме изучает протеомика. В её задачу входит не только считывание последовательности аминокислот, но и выяснение белок–белковых взаимодействий, анализ посттрансляционных модификаций (охарактеризовано более 300 различных типов), исследование модифицированных белков (фосфорилированных, гликозилированных, процессированных и др.). Протеомика выясняет состав функционально активных комплексов в метаболических цепях, а также взаимодействия различных белков или субъединиц в составе олигомерных комплексов. В патологически измененных тканях выявляются диспропорции определённых белков. Сравнение белковых спектров различных клеток в норме и при патологиях позволяет расшифровать механизмы патологических реакций и на основе этого разрабатывать новые методы медицинской диагностики, основанные на данных о подавлении или стимуляции синтеза отдельных белковых компонентов клетки при изменении её функции. Поскольку подавляющее большинство всех фармакологических средств нацелено на протеины, протеомика может значительно ускорять разработку лекарств. Протеомика позволяет идентифицировать новые мишени действия лекарств, что создает основу поиска новых патогенетических средств. Высокая специфичность и чувствительность протеомного анализа позволяют регистрировать развитие патологических процессов на ранних этапах, без видимых симптомов заболевания. Первостепенно значимо медицинское приложение протеомики, в частности, выявление “молчащих” опухолевых клеток по их белковым спектрам, сравнение клеток до и после определенных воздействий. Онкопротеомика — идентификация всех белков данной опухоли и сравнение их с аналогичными белками в нормальной ткани.

Гладкая эндоплазматическая сеть

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *