Author: Альбертс Б.   Брей Д.   Хопкин К.  

Tags: материальные основы жизни   биохимия   молекулярная биология   биофизика   общая биология  

ISBN: 978-5-00101-087-6

Year: 2018

Similar

Биохимия и молекулярная биология

Молекулярная биология клетки: в 3-х томах. Том 1

Молекулярная биология

Биохимия. Химические реакции в живой клетке. Том 3

Text 
                    Б. АЛ ЬБЕРТС, Д . БРЕЙ,
К.ХОПКИН, А . ДЖОНСОН,

ДЖ.ЛЬЮИС, М.РЭФФ,
К. РОБЕРТС, П . УОЛТЕР

OCHOBbl
МОЛЕКУЛЯРНОЙ
БИОЛОГИИ
КЛЕТКИ


Аминокислоты и их символы

R

GAC
GAA
AGA

к

ААА

н

САС

N

ААС

Q

САА

AGC

AGU

GAU
GAG
AGG
AAG
CAU
AAU
CAG
UCA

Thr

т

АСА

АСС

Туг

у

А

глицин

Ala
Gly

валинVаl

V

лейцин
изолейцин

Leu
lle

UAC
GCA
GGA
GUC
UUA
AUA

UAU
GCC
GGC
GUG
UUG
AUC

пролин

Pro

р

ССА

ссс

фенилаланин

Phe
Met
Trp
Cys

F

uuc

uuu

AUG
UGG
UGC
UAA

UGU
UAG

аспартат
глутамат
аргинин
лизин
гистидин
аспарагин
глутамин

серин

Ser

треонин

тирозин
аланин

метионин

триптофан
цистеин

Asp
Glu
Arg
Lys
His
Asn
Gln

s

Кодоны

D
Е

G
GUA
L
1

м

w
с

СТОП-кодоны

CGA

CGC

CGG

ucc

UCG
ACU

ucu

ACG
GCG
GGG
GUU
CUA
AUU
CCG

CGU

GCU
GGU

cuc

CUG

cuu

ccu

UGA

Полярные отрицательно заряженные аминокислоты показаны з елень1м .
Полярные положительно заряженные аминокислоты показаны серым .
Полярные незаряженные аминокислоты показаны оранжевым .

Неполярные

-

голубым .

ОБЪЕМ

ДЛИНА

1 км (километр)
1 м (метр)
1 см (сантиметр)
1 мм (миллиметр)
1 мкм (микрометр)
1 нм (нанометр)
1 А (Ангстрем)

= 10 м
3

= 10=
=

2

м

10-э м

= 10- м
= 10- 10 м
9

= 103 г

=
=

= (10-1 М) Э

=
=

10 -э л

= ( 10-2 М) Э

= 1 см

=

10 -б л

= (10-3 М) Э
= (10-4 М) Э

= 1 мм 3

= 10-

9

л

КОНЦЕНТРАЦИЯ

1 М (моль)
1 мМ (миллимоль)
1 мкМ (микромоль)
1 нМ (наномоль)

= 1 моль/л = 6,02 х 10 23
= 10-э м
=

10 -в м

=

10 -9 м

10-э г

1О - 6 г

= 10-9 г

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ КОНСТАНТЫ, ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1 моль
1 кал (калория)
1 Дж (джоуль)
1 ккал (килокалория)
1 л воды
1 Да (дальтон)
1 кДа (килодальтон)
масса Земли
геном бактерии

геном человека

3

10 -в м

МАССА

1 кг (килограмм)
1 г(грамм)
1 мг (миллиграмм)
1 мкг (микрограмм)
1 нг (нанограмм)

1 л (литр)
1 мл (миллилитр)
1 мкл (микролитр)
1 нл ( нанолитр)

= 6 ,02 х 1023 молекулы
= количество теплоты , необходимое для нагревания 1 г воды на 1 ·с
= 0,239 кал
= 103 кал = 4, 18 кДж (килоджоулей)
= 1 кг (при 4 °С)
= приблизительно равен массе одного атома водорода ( 1,7 х 10- 24 г)
= 103 Да
= 10 24 кг
= 0,5 - 5 х 106 пар нуклеотидов, в зависимости от организма
= 3 х 109 пар нуклеотидов (гаплоиды)

молекул/л


основы

МОЛЕКУЛЯРНОЙ
БИОЛОГИИ
КЛЕТКИ


В.

ALBERTS, D. BRAY, К. HOPKIN, А. JOHNSON
J. LEWIS, М. RAFF, К. ROBERTS, Р. WALTER

ESSENTIAL
CELL
BIOLOGY
third edition

m ~~~~~~n~s ~r~~;nce
NEW YORK AND LONDON


Б. АЛЬБЕРТС, Д. БРЕЙ, К. ХОПКИН, А. ДЖОНСОН
ДЖ. ЛЬЮИС, М. РЭФФ, К. РОБЕРТС, П. УОЛТЕР

основы

МОЛЕКУЛЯРНОЙ
БИОЛОГИИ
КЛЕТКИ
2-е издание, исправленное

Перевод с английского
под редакцией
канд. биол. наук С. М. Глаголева

и докт. биол. наук Д . В. Ребрикова

Москва

Лаборатория знаний


УДК
ББК

ВНИМАНИЕ
Ссылка на электронное приложение
к этой книге смотри ниже!
Выделено желтым!

577
28.05
А56

А11 ьб е ртс Б .

А56

Основы
Д. Брей ,

М.

молекулярной

К. Хопкин

и др .

: Лаборатория знаний ,
ISBN 978-5-00 1О l-087-6

биологии

; пер. с
20 18. - 768

клетки
англ .

-

с.

ил.

:

/

2-е

6.

Альберте,

изд .,

испр.

-

Многим поколениям биологов з наком пятитомник Альбертса «Молеку­
лярная биология клетки », на русском яз ыке вп е рвые выпуще нный п 1987 1~
С тех пор вышло

пять его и зданий , каждое из которых вмещал о самые

последние достижения молекулярной биологии . Не в последнюю очеред 1,

именно увел и чивающимся объемом книги обусловл е но рсшс 1ше авторов
написать се сокращс 1н~ый вариант. В ю1иге поддсрж~ша традиция очень
яс~юго и логичного и з ложения материала в 1m д е красоч 1-1 ых, понятньrх схем

и и нтересных иллюстраций с подробными подписями к ним.

Издание адресовано студентам младших курсов биоло 1·ичсских и мед и­
цинских специальностей , школьным учителям и преподавателям вузов при

подготовке лекций и семинаров , а также всем интересующимся предметом
и и зучающим его на профильном уровне.

УДК

577

ББК

28.05

Уважаемые покупатели !
Спасибо за покупку нашего и здания. К книге , которую вы приобрели, предлагается бесплатное эл ектронное приложение ,
которое

вы

можете

скачать

http ://fi les.pilotLZ.rL1/dvd/o111bk.zip
Электронное приложение является

не01ъемлемой

по

ссылке :

пароль

частью книги.

Все

T8oYIDVn8o
права з ащищены.

Копирование,

раз множение ,

распространею1е или иное использ ование приложения без письменного р аз решения правообладателя з апрещены.

Уч ебное издани е
Альбе рте Брюс

Б р ей Деннис
Хо n к 1111 Карен и др .

ОСНОВЫ МОЛЕ КУЛ ЯРН ОЙ БИОЛОГИИ КЛЕТКИ
Ведущий редактор канд . биол. наук В. В . Гейд ебрехт" Редактор канд . биол . н аук

r

В . Липииа

Художник Н. А. Новак
Технический редактор Е. В. Детокова
Компьютерная верстка : Т. Э. Виукова

Под писано в печать
Усл. печ. л .

96,00.

06.06. 17.

Формат

60 х 90/8.

Заказ № ВЗК - 02793- 1 7 .

Издательство «Лаборатория з н аний»

125167,

Москва, проезд А э ропорта , д.
Телефон:

e-mail: info

3

(499) 157-5272

pi l otLZ.щ http : //www. pilotLZ . п1

Отпечата но в АО «Первая Образцовая типография »,

филиал «Дом печати

6 10033 , г.

-

ВЯТКА » .

Киров , ул. Московская ,

122.

© 20 1О

Ьу Bl'L1ce Alberts, D e nлi s Bray,
Kai·e11 Hopkin, A l exaлder Jolш soп, JL1lia11 Lewi s,
Maiiin Raff, Keitl1 Roberts, алd Реtег Walte1·
Все права з ащище ны .

Автори з ова нный перевод англ ояз ычного

JSBN 978-5-00101-087-6

©

и здания , опубликова~нюго Garland Sci e п ce,
входящим о Taylor & Francis GroL1p LLC.

Лаборатория з 11 аний ,

20 18


Предисловие редактора перевода

Наuерное, м ногие биологи моего п околения п ом ня т, ка1<им
соб ы тием стало п оявление пят и томника << Молекулярная

ные для восприятия порции. Кни га снабжена красочными,

биология клетки >>, выпущенного издательством << Мир~.> в

прилжаемом

1986- 1987 rr. <<Ал 1,бертс~.> стоял на полке практически у

вопросы для самопров ер ки.

п онятными схемами и интересными иллюстрациями. На

DVD* соб раны

а ним а ции , видеофрагменты и

КаJ1<До1-о научного сотрудника, занимаю щеrосЯ' биохими ей и

Еще одна важная особенносп, ю tити - нал ичие подроб 1-1ы х

клеточной биоло гией . Сам я в пошюй мере оцеt1ил эту книту,

подп:исей к рисую<ам. Они заюгмают заметную часть объема

когда в

текста и н есут важнейшую смысловую нагрузку. Книга снабже­

1994 r. на

русском языке вышло ее второе издание.

Первое издание книги было заду мано в

1978 r. по иници ­

на подробным предметным указателем и июпострированным

ативе Джеймса Уотсона (вошед шего в авто рский коллектив)

словарем терм:и1-ю в; это позволяет б ы стро найти и п о нять все

и вышло в свет н а а нглий ском в

г. Как отмечал один

и с пол ьзуемые в кtrиre б иологич ески е термины и понятия. Во­

Брюс Ал1,бертс, в про цессе

про с ы по тексту и в ко1ще глав заставляют задумываться н ад

из ос н овных авто ро в учеб ника

-

1982

его написания сами авторы узнали м1-ю1-о нового о биоло 1:"ии

1трочитанным и позволяют прове рить себя. Разделы << Откуда

клет ки и стали луч ш е ее понимать.

мы з н аем ,> п освящены тому, как биоло гич еские эксперим енты

С тех пор учеб ни к стал од ним из основ ны х пособий для
многих униве рситетов по всему миру. Его достоинство

-

гю­

Я'Вление нового переработанного изданиЯ' каждые пять лет.

п озволяют решип, СJюжю,rе проблемы и как они влияют 1-1 а
возн ию-юве11 ие но вых идей. На в юrадках в 0 1тrималы юй для ус­
воения форм е даются н е 1<0торые ключевые сведения о клетке.

Авторы следят за всем и главными достижениями моле­

Очень важ но, '!ТО книга эта доступн а для любого человека,

куля рн ой биологии и стараются их учесть в своей работе.

освоившего школьны.й ку рс биологии. Все необходимые све­

Оборотная сторон а такого обновления - гигантский объем

дения из области химии, выходящие за рамки школыюй про­

к ниги. Последн ее (пятое) издание

граммы, вводятся в самом учебнике (в основном

2008

г. содерж ит около

1600 с., а на прилагаемом DVD размещены видео, а ним ации
и до полнитель ная информаци5r.

-

в гл.

2).

Надеюсь, благодаря всем этим досто ин ствам книга ока­
жется пол езной для широкого круга читателей, прежде всего

Четвертое издание 1шиги досту пно на английском в

студентам млад ших курсов биологически х и медицинских

Интернете (это поможет тем , кто захочет подробнее оз нако­

специ альностей. Думаю, что и пре подавателям вузов она

миться с какими - нибудь разделами: книгу п о частям можно

окажет п о мощь при подготовке лек ций и семинаров. Книгу

просматрилатъ на сайте NCВI, h ttp :j/www.ncbl.нlш.nih.gov/

могут использовать школьные у чителя биологии и ста рше­

books/NBK21054/ ).

классники, иtпе р есующиеся пред м ето м и и зучающи е его на

Одним из главных факторов, сподвит ш их авторов н а на­
писание сокращенного варианта

- ~ основ молекулярной
биологи.и клетки ~.>, стал рост студенческой аудитории, заин­
тересованной в изуче нии биомед ицин ских проблем в более

профильном уровне .

Основн ую

часть

текста

п еревели

канд.

биол.

наук

С. М . Глаголев (гл.

1, 11, 12, 15- 20, ~ ответ ы ~.>, ~ словар 1, те р ­
минов~.> ) и канд. б иол . наук Н . Ю. Усман (гл. 2- 4). Кром е того,

U.Lироком биологическом контексте. Этот у чебник рассчитан

в работе над п ереводом принял и участие канд. б иол. наук

в основном ~, а студенто в-п е рвокурсников, изучаю щих биоло-

Д . А. Кнорре и старший преподаватель ка фед ры физиологии

1~ю, вышел в свет в

растени-й биофаI<а МГУ Е . С. Глаголева ( rл. 7), канд. биол. наук

третьего изда ния

1998 r. и выдержал три издания. Перевод
(2010) и предлагается вниманию читателей.
Учет сов ременных дост и жений клеточной биоло гии -

Г. А. Базыкин (гл .

далеко не единственное достоинство учебника. Он очень ясно

и логич но написан. Од н а и з главных особенн остей

-

четкое

9),

н аучный сотруд ник кафедры эмбрио-

1югии биофака МГУ Н. С. Гла 1-олева (гл.

8),

ка нд. биол . наук

П . А. Волко ва (rл." 5), ас пирант кафедры биохимии биофака
МГУ Ю . С. Быков (гл.

6)

и студент 3-го курса кафедры моле­

структу рирование материала, разбитого на н ебол ьши е, у доб-

кулярной биологии биофака МГУ И. М. Флям ер (гл.

* Здесь и далее: ко второму русскоЯ"зыч1-юму изданию DVD
не прила гается. Все материалы, размещенные н а DVD,

кам и оглавления - канд. б и ол. наук Е. А. Мусаткина. В сем им

можно бес п латн о скач ать на сайте издательства по ссылке

http:j /files. pilotLZ.гu/dvd/ombk.zip п а роль T8oYIDVn8o.

10, 13 и
14). В п ереводе н есколък их глав техническую помощь оказали

А. Иванова и А. Кириче нко, в подготовке подписей к ри сун ­
р едакто р искренне при зн ателен за участи е в проекте .

С. М. Глаголе в,

2014


Предисловие авторов

В нашем мире вряд ли можно найти более удивителы-rое

Потребность в кратком и зложе 1-1ии основ клеточной

явление, чем живая клетка . Крошечная, хрупкая, неверо­

биологии стала ясна для нас во время написания лособия

ятно сложная, постоянно самообповляющаяся, она, тем

<< Молекулярная биология клетки ~ (Moleculai- Biology о/
the Cell, МВоС), выдержавшего уже пять изданий . МВ0С ­

н е менее, сохраняет в своей ДНК информацию, существу­

со времен, ко1·да наша план ета

объем 1-1ая книга, предназначенная для продви~1утых сту­

едва остыла посл е формирования Солнечной системы из

ющую более

3 млрд

лет

дентов младших 1< у рсов и старшекурсников, и зучающих

раскаленной материи. По стоянно перест раиваясь и ста но­

биологию ишr медицину. Для многих студентов и специ­

вясь более разнообразными в ходе эволюции, 1<летки, тем

алистов д ругих профессий МВоС может оказаться излиш­

не менее, сохраняют сложный самореплицирующийся хи­

не подробной. << Основы молекулярной биологии клетки >>

-

мический м еханизм. Этот м еха~1изм, общий для всех жи­
вых организмов на Земле, непрерывно воспроизводится

-

(ОМБК), ~1 ап ротив, посвящены фундамеюа.11ы1ым поло­

жениям клеточной биологии, которые потребуются каж­

в каждом животном, листе растения, бактерии в ломтике

дому для понимания биомедицинских и более широких

сыра, клетке дрожжей в кружке пив а.

биологичес1шх проблем, влияющих на нашу жизнь. В на­

Не только простое любопытство должно заставлять

стоящем, третьем, издании ОМБК мы дополнили каж­

нас изучать биологию клеп<и. Имеются и важные прак ­

дую часть современными н аучными данными, включили

тические соображения, по которым клетuчна>1 бишю1 ·ия

liШ!ЫЙ MaTt:(JИa.lJ u стµуктурt: X)JUM()CUM, .:J IIИl 't:}lt:' J ' ИЧ.t:CKOM

должна быть частью общего образования. Мы состоим и з

н аследова нии , роли микроРНК и РНК-интерференции,

клеток, мы питаемся

ими , и наш мир созда 1-1 пригодным

ко 1-проле ка<1ества белков, взаимном опозиавании клеток,

для обитания клетки. Мы долж ны знать клеточиую био­

генетической изменчивости, ст во;ювых клетках и пер ­

логию, LJТобы понимать работу собственного организма,

с п ективах

обеспечивать себя пищей и сох ранять находящиеся под

рапии онкологических заболеваний, э волюции геномов и

их медицинского

использования,

успехах те­

угрозой разруше~1 ия экосистем ы. Углублять знания и ис­

по многим другим темам. Мы расшири ли обсуждение во­

-

это задачи ученых. Но каж­

просов энергетик и кл етк и и термодинамики, объединили

дый челов ек должен понимать устройство современного

в одной главе рассмотре ни е клеточного цикла и деле ния

кать пути их использования

мира

от пробл е м охраны здоровья до общественной з на­

клетки и обновили разделы << Откуда мы з наем~, показы­

чимости изменений окружающей среды, биомедицинских

вающие, как биоло1· ические экс 11 рим е нты ттомо1·ают ре­

-

технологий, развития сельского хозяйства или эпи дем ий

шать научны е проблемы и порождают новые идеи. Как и

инфек ционных заболева11ий .

в предыдущих изданиях, в иллюстрациях в ОМБК под ­

Клеточная биология

-

обширный раздел, связанный

черкиуп, 1 11ринципиал1,ные моменты и опущены 1-1

су щ е­

практически со всеми другими областями науки. Поэто­

ственные детали . КлюLrевые термины, вводимые в каждой

му изучение биологии клетки столь важно для научного

главе, объясняются при первом у помин а 1-1ии и собра ны в

образования. Однако здесь легко закопаться в деталях,

конце ю1иги в большой, частичио илJ11острирова~11-1ый сло­

увлечься обилием информации и специальной терми­

варъ термююв. Список литературы для дополнительного

нологии. Поэто му в данной книге мы постаралис 1, обе­

Lrтения н е приводится: желающие изучить предмет более

спечит~, удобный

глубоко мо1уr обратиться к спискам рекомеrщуемой лите­

-

понятный и увлекателышй

-

обзор

главных принципов клеточной биологии. Мы по стара­

ратуры из

лись объяснить принцип работы живой клетки так, что­

ных источников с помощ~,ю одной из поисковых систем,

бы это стало понятно даже читателю, который впервые

в первую очередь белки, ДНК и

например Pubmed (http:j/www.пcЬi.n l.111 . пil1.gov) или
Google Sс ]ю l аг (]1ttp ://scho l aг.google.com ).
Ключевая особенность этой ю1и1- и - многочислен­

взаимодействуют, образуя эту замечательную си­

ные вопросы, раз мещенные в тексте и в конце каждой

знакомится с сов реме нной биологией, и показать, ка]( мо ­

лекул ы живых клеток
РНК

-

-

5- 1·0 и зда ния МВоС или н айти обзоры современ­

стему живого организма, способ н ую литаться, отвечать

главы. Они должны побуждатr, студентов задумываться

на раздр ажит ели, двигаться, расти и деюrп, ся, самовос ­

о прочит а нном и делап, пау зы в чте 1-ши , пров е ряя пони­

производяс ь в ряду ПО](Оле ний.

мание текста. Многие вопросы ставят студе нтов перед


н еобходимостью поме щать свежую инфор мацию в более
лее одного правИJ1ьно 1 ·0 ответа. При ответе н а част,, во­

ной и ра с шир е нной в е рс ии вид ео м ате риалов Essential
Cell Biology Interactive (прилагается к каждому экзем­
п11яру книги на DVD-ROM). Он соде ржит более 130 ви­

просов nредnолаrается в ы дви же ние и обсуж1tение гипо­

део фра г м е нтов , анимаций, моделей строеиия молекул и

тез. Отв еты на все вопросы да ны в конце книги , во мно-

микрофотографий, дополняющих мате риал конкретных

широкий биологический ко11те кст, некоторые имеют бо­

1·их слуtrая х они соде ржат комментарии и ли до по л н е ния

~·ла в книги. Н е воз можно иабл юдать за пол зающими , де ­

к основному тексту.

ля щими ся

Те м , кто хо ч ет более актив110 полу чать з нания по кле­

и

рас пр едел яющимися

хромосомами ,

п е р е­

ст раивающими свою форму клетками без восхищения

точной биоло,·ии и глубже по11яп, то, как клеточные био­

п ер ед мол е кул ярными мехаииз мами , об ес печивающи ­

лог и делают выводы на основе э ксп е рим е нтов , мы р е ко­
1
мендуем зада чник
'

ми эти проц есс ы. Глядя на анимацию удвоения ДНК,

А РrоЫет

Moleculm· Biology of tlte Cell, 5' eclition:
App1·oach (авторы - John Wi l so п и Tiin Hunt).

и с пытыва е шь живое ощущ е ние чуда , которо е открыва ет

наука при исследовании обыденных явл ений. Мы на­

Этот задачник написан как приложени е к МВоС, но содер­

деемся , что вид е омат е риал ы заинте р ес уют студ е нтов и

жит вопросы всех уровней сложности и может служ ить

мотивируют осваивать основные концепции , изложе н­

для студе ,пов и преподавателей полез ным источником за­

ные в тексте, сделав из учение биологии клетки легче и

даний, требующих размышления. При написании ОМБК

увлекательнее.

некоторые вол росы мы заимствовали оттуда, за что оче нь

Как и в МВоС, каждая глава в ОМБК

-

результат со­

вместной работы авторов . Кром е того , нам помогали многие

признательны его авторам.

Взрывное разв итие новых технологий визуали з а­

другие люди; их вклад упомянут в разделе << Благодарно­

ции, в том t1исле компьюте рных , дает захватывающи е

СТИ>>. Несмотря на все наши старания, в книге могут встре­

возможно сти и з ображения процессов,

титься ошибки . Мы просим зам етивших эти ошибки чита­

проис ходящих

внутри живой клетки. Зр ел ищность н екоторых из э тих

телей сообщить нам о них по адресу

достижений мы полытались показать в отр едактирован -

для исправления их в следующем издании.

science@garland.com

Предисловие авторов

7


&лаrодарности

Авторы благодарны многим преподавателям и студентам

(Коннектикутский колледж), Мартин Рамсби (Йоркский

из разных стран мира за их вклад в создание третьего изда­

университет),

ния ОМБК. Особенно мы благодарны студеитам, участво­
вавшим в апробации работы: они обеспечивали необходи­

ситет в Джонстауне), Роджер Д. Слобода (Дартмудский

мую обратную связь при использовании книги и

и

Джульеп Спенсер (Университет Сан-Франциско), Паулъ

многие их предложения были учтены при подготовке по ­

Х. Томашек (Университет штата Калифорния в Нортрид­

собия

же), Гэри Уэссел (Университет Брауна), Эстер Ф. Уиллер

r<

DVD,

печати.

Эстер

Зжфрид (Питтсбургский универ­

колледж), Джулио Сото (Универитет штата Сан-Хосе),

Мы благодарим преподавателей, организовавших в
своих учебных заведениях группы для апробации посо­

(Техасский технологический университет), Кереи Уиткин

бия,

дарить их за проделанную работу.

-

Криса Брандла из Университета Западного Онта­

рио, Дэвида Л. Гарда из Университета штата Юта, Жюли

(Массачусетский университет, Бостон). Мы рады поблаго­

Спенсер из Университета Сан - Фраrщиско, Кэрен Уиткин

Особая благодарностъ Дэвиду Моргану за его помощъ
в лереработке главы о делении клетки, а также всем чита­

и Линду Хуан из Массачусетского у1шверситета в Босто­

телям, указавшим 1-~.ам на 1-1айденные ими в предыдущих

не. Мы очень признательны им за дружескую поддержку.

изданиях ошибки.

Мы также получили детальные отчеты от преподава­

Миоrие сотрудники издательства Ga.гland

Science внесли

телей, использовавших второе издание. Это Марrарида

свой вклад в создание этой книги и сделали приятным наш

Амарал (Лиссабонский университет), Лини Арнсон (Аме­

труд над ней. Прежде всего, особую признателъностъ мы вы­

риканский университет),

Карл Ауфдерхейд (Техасский

ражаем Михаэлю Моралесу, нашему редактору. Он координи­

А&М университет), Дэвид К. Бэнфилд (Гонконгский уни­

ровал все предприятие: организовал начальное рецензирова­

верситет науки и технологии), Стефен Ф. Барон (Бриджу­

ние, тестовые группы для апробации, работал с авторами над

отерский колледж), Дебора Билсен (Университет штата

их главами, умело и красиво выполJ-Jил основную работу по

Иллинойс в Урбана-Шампани), Барбара Д. Бойан (Техно­

оформлению, компоновке и выпуску ОМБК Сигрид Мессон

логический университет штата Джорджия), Крис Брандл

руководила издательским процессом при выпуске книги, вы­

(Университет Западного Онтарио), Кейт Браун (Бристолъ­

верила весь текст и наблюдала за созда~1ием ба 1-JКа вопросов.

ский университет), Джейн Брюнер (Университет штата

Кейт Геззи и Моника Толедо были помощниками редактора.

Калифония-Станислаус), Патрик Брайан (Медлэссекский

Найгел Орме проработал исходные иллюстрации, созда.ш,ые

комыонити-колледж), Шарон К. Балок (Виргинский I<ом­

одНИ_М из авторов, Кейт Робертс, и перерисовал их с помощью

мэнвелф-университет),

Майк

Клеменс

(Медицинская

компыотерной графики, а в некоторых случаях

-

вручную.

ш1<ола госпиталя Святого Георгия, Лондонский универси­

Мэтт МакКлеменс создал графический дизайн к~1иги и

тет), Энн Кордон (Торонтский университет в Миссасуге).

Эмма Лефкокк сделала блестящую верстку книги, аккуратно

Эндрю Делби (Университет Эксетера), Дэн Эшел (Бру­

внося наши бесконечные правки . Элеонора Лоуренс и Шер­

DVD.

клинский колледж), Николае Форрас (Кингстонский уни­

ри Грэнем осуществили литературное редактирование глав,

верситет), Дэвид Л. Гард (Университет штата Юта), Марк

сгладив многие шероховатости, а Элеонора не только прочи­

Граймс (Университет штата Монтана), Холи Гейл-Донзи

тала книгу от начала до конца, проверяя ясность и единство

(Университет штата Луизиана), Линн Ханнум (Колби кол­

изложения, 1-ю та1<же внесла до ,юлнепи:я в словарь терминов.

ледж), Нэвил Л. Хасан (Университет Бирзейта), Жанне-гг

Адам Се11дрофф и Люси Броди собрали отзывы пользовате­

М. Луш (Университет штата Арканзас), Чарт,з Мэллери
(Университет Майами), Кэти Мартин-Трой (Центральный

лей пособия и представили кни1у1 широкой публике. Денис
Шеш<, заместитель директора Gaгland Science, управляла

университет штата Коннектикут), Гордон Т.А. МакИвен

всей этой работой с огром1-1ым тактом и дипломатическим

(Институт медицинских наук, Абердинский университет),

Жерар МакНейл (Йорк колледж, университет города Нью­
Йорк), Роджер В. Мелволд (Университет Северной Дако­

искусством. Мы искренне благодарны всем, кто упомянут в
этом длинном списке.

Нако11ец (но не в последнюю очередь!) мы благодар­

ты, школа медицинских наук), Кристина Мурга (Автоном­

ны, конечно же, нашим семъям, нашим коллегам и тем, кто

ный Мадридский университет), Е. Пейдж Овен, эсквайр

заботился о наших детях, за их поддержку и терпение.


J

Ресурсы для студентов
~

и преподавателеи

Иллюстрации к третьему изданию
«Основ молекулярной биолоrии клетки»

пользован ия форматах:

Иллюстрации к книге доступн ы в двух удобных фор ­
матах

-

Powerpoiпt и

JPEG. Эт и рисун ки есть на при ­
DVD и могут быть загружен ы с сайта
C]assvvii-e отделы1ые файлыJРЕG можно

лагаемом к кните

Classwire тм_

На

WMV, Qui ckTim e и iPod . В е р­
WMV подходит для импорта видео в PowerPo int
для Windows. Версия Qui ckTime позволяет импортиро­
вать видео в PowerPoint для Macintosh. Н аконе ц, iРоd­
сия

версия пр ед назнас1ена с п еци аль но для использования в

iPod

и iTнne.

найти по номеру рисунка, его названию или ключевым

Оzлавлепие

словам из п одписи к н ему.

Содержание

DVD
DVD дано

в РDF-формате и включает также

текст звукового сопровожде иия всех видеофрагме нтов.

DVD
Иллюстрированное

К каждому экзем п ляру юtиги прилагается DVD со следу­

краткое содержание лекций

ющими р есу р сами для преподавателей и студе нтов :

Заголовки раздело в, основные концепции

и рисунки

Иптера~стивиые « Основы моле~сулярпой биолоzии 1<Jtemicu»

из текста книги скомбиниро ваны в виде презентаций

(Essential Cell Biology Jnteractive)
Медиаnлеер содержи т более 130 видеофрагментов ( а ни ­

Pow e гPo i 11t. Они будут полезны для преподавателей,

маций, видео фильмов и видеосхем молекулярных про ­

Как и все наши РоwегРоiпt - презе нтации , р езюме лекций

цессов), тесты для само пров е рки к каждой главе и про­

можно адаптировать к требованиям пользовател я. На­

готовящих презентации лекций своего учебного курса.

грамму для изучения строения клетки по фотоснимкам

пример , их можно комбииировать с видеофрагментами

высокого раз решения. Ссылки на видеофрагменты даны в

из

тексте у ч ебника; они выделены красным цветом (напри­

даний ~, чтобы создать свои собственные лекции , облег­

DVD или с вопросами из текста книги л ибо

« Банка за­

мер, ВИДЕО 1.1). Если вы вводите номер в идеофрагме нта

чающие интерактив ное обучение в классе. Этот ресу рс

в поисковое окно видеоплеера , автомат ич ески зап ускает ­

доступен на Classwi.гe.

ся данный фрагмент. Этот способ поиска, предложен ный
студентами,

по зволяет акт ив~1 ее использовать

видео

в

ходе обучения.

Банк заданий

Вопросы для самопроверки (Student Self-Quizzes)
Наличие этого ресу рса - нововведение третьего англий­

Банк заданий, созданный Линдой Хуанг (Liпd a

Huang),

Массачусетск ий университет, Босто н , и Ч е рил Воган

С!<ого издания. Он позволяет студентам проверить базовое

(Cl1ei-yl D. Vaughan),

усвое ,ше мате ри ала каждой главы . Выход на него осущест­

непрерывного образования, в этом издании отредактиро­

вляется че рез

ван и расширен. Он соде ржит задания разны х типов

Essential Cell Biology Interactive медиаплеер.

Иiииострации к третъе.му издапию
« Осиов молекулярной биолоzии клеm1СU »
Архив фолдеров содержит все рисунки из книги в виде
ФайловJРЕG и PoweгPoiпt (см. выше).

База дшmых видеофраг.ментов
Этот архив содержит все видеофрагменты медиаплеера
Essential Cell Biology Jnteractive в трех удобных для ис-

Гар вардский у нив ерситет, факультет

-

с

множественным выбо ром , заполне ни ем пропусков, в ы­
бором @ерно - неверно>>, уста новле ни ем соответствий и
причинно-следственных связей, а также сложные вопро­

сы «на соображение ~ . На каждую главу при ходится при­
мерно по

50- 60 вопросов; зна чител ьиое чи сло вопросов
с множественным выбо ром удобн о испол.ъзовать при :на­
личии у у че ников персональных компьютеров. Создавая

Банк заданий, авторы основывались иа представлении ,
что хороший э кзамен должен н.е только проверять способ-


но сть ученика запомин ать информацию: о н должеи так­

объяс няют суть сво и х и сследован и й и лелятся своими от­

же требоват ь ее осмысл ния и обобщеиия, осмысле нн ого

крьпиями. Рассказывается о том, как кл етки б ыли откры­

владения ею. Набор зада ни й мож но использошпъ либо не­
п осредственно, либо как образец для созда 1-1ия преподава­
телем своих собствен ны х контроль ных тестов. Получи ть
Баик заданий преподаватель может по за просу (электро н ­

ты , как они работают, как от это 1·0 зависит здо ровье и за­

болевания , и что сулят н ам буJ,у щи е ус п ех и в их изу l1е нии .

ная поч та: sci e nce@gaг l and .com).

Classwire™

Изучая живую клетку (DVD-видео)

w i re.co m/gaгland sc i eл ce ) позволяет преподавателям с
легкостью создавать неб-сайты для с вои х курсов . Он а

Этот у никальны й

также служит онлай~1-архивом для учебны х ресу рсов.

DVD,

созда нный Кри стианом Сарде

(Chri st i aл Saгd et) , Селt1·е National de la Recherche Sc i e пti­
fiqL1e (CNRS) под руководств ом В е роники Кляйн ер (Ve гo ­
nique Кl e iл er) , позволяет нам совершить путе шестви е вну ­
три основной ед иницы жизни: живой кл етки. Испол ьзуя
как п е рвы е рисунки клеток, так и захватывающи е сво е й

красотой изображения, получ енные с помощью современ­
ных микроскопов, извест ные биологи и молодые ученые

1О

Основы молекулярной биологии клетки

Система для созда 11ия курсов

После рег и страции на

Classwire

Classwire (www.class-

вы сможете загружать

все ри суики из книги и все виде офр агм е нт ы с

Classwire

DVD.

На

доступны также ресу рсы для пре подавания

по другим у чебникам , изда нным Gaг l and Science. Свя­
житес ь с science@gaг land.coin, чтобы получить информа­
цию о доступе к C l asswiгe (Classwiгeтм - торговая марка
C l1a l kfгee, Inc.).


Краткое оrлавление
и особые разделы

Гnава 1

Общее представnение о кnетках

Вкладка 1- 1

Микроскопия

Вкладка

Строение клеток

1-2

13

18-19
35
39-41

Откуда мы знаем: главные свойства живого
Гnава 2

47

Химический состав клеток

Откуда мы знаем: что такое макромолекулы?

Вкладка

2-1
Вкладка 2-2
Вкладка 2-3
Вкладка 2-4
Вкладка 2-5
Вкладка 2-6
Вкладка 2-7

Химические свойства воды

65-66
70-71
72-73

Некоторые типы сахаров

74-75

Жирные кислоты и другие липиды

76-77
78-79
80-81
82-83

Химические связи и группы

Двадцать аминокислот, из которых состоят белки
Обзор нуклеотидов
Основные типы слабых нековалентных связей

Гnава З

Энерrия, катализ и биосинтез

Вкладка 3- 1

Свободная энергия и биохимические реакции

85

96-97

Откуда мы знаем: использование кинетики для моделирования метаболических путей

103-105

и манипуляций с ними

Гnава 4

Структура и функции белков

Вкладка 4- 1

Функции белков

Вкладка

Четыре разных способа изображения небольшого белкового домена

4-2
Вкладка 4-3

117

SH2

Создание и использование антител

Откуда мы знаем: анализ структуры белка
Вкладка 4-4

Разрушение клеток и первичное фракционирование клеточных экстрактов

Вкладка 4-5

Разделение белков методом хроматографии

Вкладка 4-6

Разделение белков с помощью электрофореза

Гnава 5

ДНК и хромосомы

Откуда мы знаем: гены сделаны из ДНК
Гnава 6

ДНК: репликация, репарация и рекомбинация

Откуда мы знаем: сущность репликации
Гnава 7

От ДНК к белку: как клетки реаnизуют rенетическую информацию

Откуда мы знаем: как взломали генетический код

11 8- 119
128-129
140-141
153-156
160-161
162
163
167

169-172
191

193-196
221

237-239


Глава 8

Реrуляция rенной экспрессии

Откуда мы зноем : регуляция гена - истории гена

Глава

255
eve

Как эволюционируют rены и rеномы

9

Откуда мы зноем: кок сосчитать гены
Глава

10

Анализ rенов и rеномов

Откуда мы зноем : секвенировоние генома человеко
Глава

11

Строение мембраны

Откуда мы зноем: измерение потоков мембран
Глава

12

Мембранный транспорт

Откуда мы зноем : кальмар раскрывает секреты возбудимости мембраны
Глава

13

Вкладка

13-1

Как клетки получают энерrию из пищи

Стадии гликолиза

Откуда мы зноем: открытие цикла лимонной кислоты
Вкладка
Глава

13-2

14

Полный цикл лимонной кислоты
Производство энерrии в митохондриях и хлоропластах

Откуда мы зноем : хемиосмотическое сопряжение используется для синтеза АТФ
Вкладка
Глава

14-1

15

Редокс-потенциолы
Внутриклеточные компартменты и внутриклеточный транспорт

266- 268
279
297- 298
305

322- 325
337

354-355
359

381-383
391

396-397
403-405
406-407
415

427-428
430
451

Откуда мы зноем: отслеживание перемещений белков и транспорта везикул

471-472

Глава

479
504-506

16

Межклеточные взаимодействия

Откуда мы зноем : распутывание сигнальных путей клетки
Глава

17

Вкладка

17-1

Цитоскелет

Три типа белковых филоментов

Откуда мы зноем: погоня за моторными белками
Глава

18

Клеточный цикл

Откуда мы зноем : открытие циклинов и Cdk
Вкладка 1 8- 1 Основные стадии М-фозы в животной клетке
Глава

19

Вкладка

19-1

Генетика и пол
Некоторые основные положения классической генетики

Откуда мы зноем : использование SNP кок инструмента диагностики заболеваний человеко
Глава

20

Мноrоклеточные сообщества: ткани, стволовые клетки и рак

Откуда мы зноем : выявление генов, определяющих развитие онкологических заболеваний

513

514
527-529
547
551-553
562-563
583

603
607-609
615

646-648

Ответы

653

Словарь

719

Указатель терминов

751

12 Основы молекулярной биологии клетки


•

ЕДИНСТВО И МНОГООБРАЗИЕ КЛЕТОК

за ре ше ни е огром ной историч еско й проблемы су щест во­

КЛЕТКИ ПОД МИКРОСКОПОМ

11ри чи 11 ы 0 1.11 ело мля юще го разнооб разия и освое ния ею

вания жиз 11и н а Земле: ее за гадо чного происхожде ни я,

всех подходя щих местообитаний. В то же время клето чная

ПРОКАРИОТИЧЕСКАЯ КЛЕТКА

б ио.1ю 1- ия может дать н ам ответы на вопрос ,,, , касающиеся
нас самих: как появи лся наш вид? Как мы разв и вае мся и з

ЭУКАРИОТИЧЕСКАЯ КЛЕТКА

ед ин стве нной оплодотворен н ой яйцеклетки? Чем каждый

МОДЕЛЬНЫЕ ОРГАНИЗМЫ

и з нас отличается от л юбого д ру гого человека на Земл е?
Поч е му мы боJiее м , старее м и у мира ем ?

Что ознаlrает б ып) ж ивым? Люд и , петунии, тина из пру­

Эту главу мы нач н е м с рассмот р е ния огром н ого р аз-

н е­

1-1 ообразия форм, св ой ств е нного клеткам, а затем оки ­

ж и в ые. Но каковы же фундаментальные свойства, ха рак­

н е м взглядом х имич еские м еха низмы функционирова­

те ризу ющие живые объекты и составляю щи е их отличия

ни я, общи е для всех клеток. Затем мы р азбе ре м ся, как

да

-

в се они живые; камни, п есок и летний ветерок

-

от н еж и вой материи?

клет ки и зу чают с помощью микроскопа и ч то мы можем

От вет баз ируется на том основ н ом факте, который в

ув ид еть ,

когда за гля д ыва ем в н у тръ кле т 1< и. Након е ц ,

наши д ни кажется биологам очевидным, но представлял

мы

собой револ юцию в научном мы1ш1ении 170 лет тому 1-1 а­

жив ыми с о зда ниям и , проводя с р ав нитель н ое изуче н и е

зад, когда

01 1 был уста 1ювле 11. Все живые о рганизм ы со­
(cells) - м елк их , ок руже нны х м емб ра н ой

стоят и з клеток

уз н аем,

как можно ус т а н авл ив ать сходство

всех форм жизн и на Земле,

-

между

от самой крошечной бак­

те рии до могу ч е го дуба.

еди ниц , за п ол н е н1-1ы х конце нтрир ован11ым вод ны м р ас­

твором разл ичны х ве щ еств и наделе нны х уд ивител ,, ной

способ н остью созда вать собственны е копии п утем роста
и деле ния н адвое. Про с те й 111 и е формы жи з ни

-

это оди ­

н оч ны е кл еп<и. Высшие организмы , вклю ч ая нас с вами,

-

ЕДИНСТВО И МНОГООБРАЗИЕ КЛЕТОК
Клеточные б иологи ч асто говоря т <<клетка ,> без указа н ия на
кю<ой-то конкретный вид. Но н е все клетки оди наковы : н а

сооб щества кл еток, воз никающие 11 уте м роста и деле 11и я

самом деле они могут очен ,, с ильно р азличаться . Установ­

еди н стве 111юй и сход н ой клетки. Каждое ж ивотное, расте­

ле н о, что на Земл е су ществует не менее

ни е или гри б

100 м л н -

-

совоку л,юсть боJ11) 1110го чи сла отде1н,~1 ых

ки н ам нуж но оце нит ь, в че м сходство клеток бактерии и

нруе мы х сложной с и стемо й взаимодействий.

Таким образом, клетки

-

фу 1ща м е1пал 1, 1-1ые ед ини ­

цы живого, и п оэтому им е нно 1Слеточ11ая биология

возмож н о,

Пе ред более глубоким погруже ни ем в б иоJюr- ию кJ 1 ет­

КJ1 еток, вы п оJ11rяющих спе 11 иализ11рова1111ые функцни и
1 <оорди11

10 млн -

видов живых существ.

бабо чки, розы и де11 ьфи н а и чем о н и разлиlrаются?

(ce ll

Ьi o l ogy) долж н а ;щтъ ответ на во11рос о том , что такое
Ж и з 111, и как фу н1щио ннру ют живые с и стем ы . Дости гн ув

Клетки очень разнообразны по форме и функциям

более глубокого 1 юнима н ия строе ни я, работ 1,1 , п оведени я

Начнем с разме ров. Бактериальная клетка, например, клет­

и ЭВОЛЮ il ИИ клеток, мы сможе м более э 11 е р1- ичн о взяться

ка

Lactobacillus

в ломти ке с ыра, им еет flЛ И1-1 у в н ескол ько


микрометров, ил и мкм (mi c гo m ete r·s,

µ111).

[1 мкм ( мик ро­

м етр , или м икро н) =

1/ 1000 мм (см. рис. 1-6, с. 21. - Прим.
перев.] Это при мерно в 25 раз ме н ь ш е, чем тол щина ч елове­
ческого волоса. И крин ка ля гу ш ки- - а это тоже одн а юr ет­
ка - и меет диаметр около 1 мм. Если клетку Lactobacillus
увеJ rич ить до размеров ч еловека, увел ич е нн ая во столько

же раз яй цею , етка лягуш к и достип-tет в ы соты в к ило м ет р!

Столь же силь но клетк и различа ются п о фо р ме и
фу нк циям. Рассмот ри м гале рею клеток, изображе н1-1ы х н а
РИС.

1-1 .

Ти пичная н ерв н ая клетка в ваш ем мозге о че нь развет ­
в ле нн ая. ; о н а п ос ы лает элект рич ес кие с и гн алы

п о дл ин ­

но м у то н кому отростку, дли на к ото р о го может в

10

ООО

раз прев ыш а ть толщину. От д ру гих клеток о на л олучает

си г нал ы: че рез много числе нные более ко ротк и е отростки,

(А )

(Б)

L_____J

100 мкм

Paramecium - одпрудов о й воды - н а по­

L_____J

25

м км

отходя щие от ее тела, как ветв и дер е в а .

1-ю клеточн ая и1-rфузо ри я и з капл и

м ин ает п о фо рме п одводную лод ку и п окрыта т ыся ч ами

волосовид ны х в ыростов

-

ресиuче1{,

(cilia).

И х вол r-юо­

бразные би ения продви га ют клетку вперед, при это м о на
в ращается вокруг дл юшой оси. Клетк и покровов расте ­

н ия

плоские, r-rе под в ижиые призмы , окружающи е себя

-

пр о чны м я щи ком из целл юлоз ы с н а руж н ой п о в е р х н о­
стыо, пок р ытой водо н е пр о ниц ае мы м слоем воска. Бак­

те ри я

Bdellovibrio -

сосисков и д на.я то рп еда, дв и ж и мая

п р и к р е пле нны м к ее зад и ему ко нцу в р а щаю щимся, п охо­

ж и м н а што л о р и дейс т ву ющим как пр о п еллер жгутu1{,ОJН

(flagell um). Ней троф и л ы

и ли мак рофаг и в теле ж н вотrюго

проби раются сквозь ткани, постоянн о ме н яя фо рму и п о­
гло щая

м е рт вые и

ум ир аю щи е

(В)

клетки, чужеродны е ми ­

L_J

( Г)

10 м к м

к р оо р га ни зм ы и д р уг и е ч аст и цы .

Од ~, и клетки окружен ы тол ы<о то 1-1кой, н е проч н ой мем­

б ран ой; дру ги е ус и ливают эту н ежную оболочку, заключая
себя в н аруж ный слой сл и зи, строя пpoLIJ-t y ro клеточную

стенку

(cell wall) и ли

ок ружая себя жест ким, м инерали зо­

ва нны м матери алом , как, н апример , в кост н ой ткани .

Клет к и также н еоб ы чайно раз н ообраз ны по своим 11 0треб r юстя м в х имически х вещест вах и по тип а м акти в но­
ст и . Н екото рым для жнз 1 1и требуется к исло род, для д ру­
г и х о н сме ртель н о ядо ви т. Н е кото рым нужны всего л ишь
воздух и вода в ка ч естве исход ны х м ате риало в для р ос та

да сол нечны й свет; для д ругих н еобход им а сложная смес ,,

РИС .

м олекул, пр о изводи мых дру гими клетками. Одни клет ки

(А) Н ерв н ая кл етка и з м озжечка (ча сть мозга , ко н т р ол ирующа я дви­

кажутся сnе циал и з ирова 11 11 ым и фаб ри ками по производ­

жени е ) . Эта кл ет ка обр а зует огромное ветвяще ес я дер ево отрос тк ов ,

ству о пр еделе нны х ве щ еств

-

rо рм о r юв, к р ахмала, ж ира,

лате к са ил и пигм е нтов. Д рутие клет к и , н а при ме р мыш е ч ­
ные,

-

это двигатели, сж и rаю щие го рю чее для в ып ол не-

1шя м еха ничес ко й работы . Ест~, клетк и

-

эле ктрич ески е

1-1 . Клетки имеют разнообразные размеры и форму.

через к оторые она пол учает с игн алы примерн о от
н ы х кл еток . ( Б ) И нфузория- туф ел ь ка ,

100 ООО други х н е рв ­
Paramecium . Этот протист -

един стве нная гигантска я клетк ~ пл а ва ет с помощью биени я ре с нич ек,

п о к рыва ю щи х е го п ов е р х н ость . ( В ) С рез молодого стебля ра сте ния ,

ге 1-1 е р ато ры , на пр имер видо и зме не нны е м ыш е чны е клеши

на котором целлюл оза о краше н а в кра сный цвет, а другой к омпо н е нт

эле ктри ческо го уг ря.

клет очной сте н к и , п ектин ,

Некотор ы е с п еци ал изи рова 11 11 ы е к;1 етки так с и л ьно

-

в оранжевый . Вн е шний сло й кл е ток н а­

ходится у ве рх н е го к ра я фото . (Г) М ел кая бакте рия ,

Bdellovibrio bac-

видо из м е н яются , что утрач и вают способность оставлять

teriovorus, и с п ользующая

п ото м ство. Та кая с пе ци ал и заци я б ыла б ы бессм ысле нн ой

ж гути к. Он а ата куе т, убивает и по еда ет други х, боле е крупн ы х б а кте­

для клеток, веду щих од иноч ный об раз жиз 1-1и . Одн ако в

рий . ( д) Белая кл ет ка к рови ч елов е к а (нейтрофил) , за гл ат ывающая

м r-ю гоклето чr-юм орган и зме межл.у

клеткам и

су щ ествует

разделение труда. Поэтому отдель ны е клетки м огут ста­
н ов иться узкос п е ц иализи р ова н ным и и в ы п ол нять только

с тр ого о пр еделе нны е зада чи , ч то делает и х во мн о ги х от-

14

ГЛАВА 1. Общее представление о кл етках

дл я дви жения един ственны й те рмин ал ьный

к р а сную к ровяную кл ет ку. ( А - с ра з р е шения

Constantino Sotello; Б - с
Anne Fleury, Michel Laurent и Andre Aboutte ; Г - с ра з р е­
ш ени я Murry Stein; д - с раз р е ш е ния Stephen Е . Malawista и Anne de
Boisfl eury Chevance. )
разр е ш е н ия


ВОПРОС 1-1

реакций ( см. гл.

А «Живое» легко распознать, но трудно определить. В словаре
rl' дано такое определение: «Состояние или качество , отлича-

t·ен етич еских инструкций

8 ющее живые созда н ия (орга ни змы ) от мертвых и от нежи вой

материи , х арактери з уе мое гл а вным обра з ом о б меном ве ществ , р о ­

стом и с п особно стью р азм ножат ьс я и от веч ать н а р аздраж ител и . »

Учеб ни ки би оло гии да ют обычно нескол ько более детальное опре ­
дел е ни е; н а пр и м е р , в одном и з известны х уч еб ни ков пр и води тс я
такой текст :

Живые орга низ мы

1. Име ют более сл ож ную структуру, ч ем н еживы е объекты есте­
стве нного п ро исхожде н ия .

2. Осуществляют гомеостаз, п одде рживая относительное постоянств о внутр е нн ей среды .

3. Восп ро изводят себе подобных .
4. Растут и развиваются , усложняяс ь в ходе раз вития .
5. П олучают из окружа юще й среды и тра нсформируют э не рги ю и
ве ще ст в а.

6. Отвеч а ют н а раздражител и.
7. Пр исп осабли ваются к с реде обита ния .
Как и ми из этих ха рактеристи к обл адаете вы са м и , пылесос и томат?

2).

У всех живых организмов 1-юсител и

-

гены

(genes) -

представле ны

молекулами ДНК и информация в них записана с помо ­
щыо универсалыrоt"о химичес кого кода. Этот код со стоит

из посл едователыюсти химических бло ков, одинаковых у
всех

организмов,

<~ читается>>

практ ически

иде нтичными

химическими устройствам и и удва ивается одинаковым

способом, что позволяет живым организмам раз множать­
ся. В любой клетке дл инные полимерные цепочки ДНК

(DNA) состоят из одного и того же набо ра ч етырех мо~ю­
- 1-tуклеотидов (nLLcleotides), соед и н е нных в раз ной

м еров

последовательности. Они играют роль букв алфавита, из
которых создаются слова, несу щие разну ю информацию.

В любой кл етке инструкции , содержащи еся в ДНК, п е ре­

носятся, ил и траис-крибируются (traпsc гi bed) , на м н оже­
ство сходных с ДНК поли.мерных молекул РНК

(RNA)

( РИС. 1-2) .
Мол екулы РНК выпоJJняют разли чны е ф ункции,
но глав ный их тип
иые

PJ-JJ(

-

это матричные, или u1-tформаи,ио1-t­

(мРНК, ил и иРНК) (m esse n ge г

RNA, mRNA) .

Информац ия , содержащаяся в э тих молекулах, тра1-t с­

лируется ( t гanslated) в еще один тип ттоJJиме ров

-

белки

(p1·otei11s).
ноше ниях зависим ыми от окружающих клеток. Даже 1-1 аи­

Белковые молекул ы у правляют поведе ни ем клеток.

более фундаментальная задача из всех - л ередача генети ­
ческих инструкций следующему покол ению - у мношх

тур, они выпол няют фу 1-1кцию катализаторов, молекуляр­

мноrоклеточн ых возлагается на специалистов: яй цеклет­

ных моторов и др. Белки синтез иру ются из ам.ино~сислот

ки и сперматозоид ы .

Из них состоит большинство внутриклеточных струк­

(amino acids),

и все живые организмы и спользуют для

сюп за белков набо р из одних и тех же

20

аминокислот.

Все клетки схожи по химическому составу

Но амю-ю1<ислоты соед иняются в разной пос;1 едов атель­

Несмотря на необычайное раз нообразие растений и жи­

трехмерную форму, или -коиформацию ( co nioгmation) (как

вотных, люди еще в н езапамятные времена поняли , что

из раз ных соч.етаний одних и тех же букв составляются

ности, что придает каждому типу белковых молекул сво ю

У всех этих организмов ест ь 1-1 ечто общее, что поз воляет

объединить их под названи ем живых существ. С началом
Использования микроскопа стало ясно, что живот н ые и

синтез ДНК

растения состоят и з клеток, что существуют также одио­

на ДНК (репликация))

клеточные организмы. Выяснилос ,, также, ч:то отдельны е

(

I<летки являются живыми, поскол ьку могут расти, размно­

ДНК

жаться, превращать э н ергию из одних форм в другие, кон­
т роли ровать свое внутреннее состояние, отвечат.ь на изме­

нения среды и так далее, т. е. обладают всеми основными

свойствами живого. И хотя оnознать живой организм ка­

синтез РНК на ДНК

жется достаточно легкой задачей, оказалось чрезвычай но

нуклеот иды

,,

трудно определить, в как их аспектах все жи вые орга ни з­
мы схожи. В учебниках определе ния жизни ограничива­

ются абстрактными общими терминами, касающимися в
ос11овном роста и размножения.

(транскрипция)

j

РНК

,,, ,, 1, .
синтез белка

Открытия, сделанные в биохими.и и молет<улярной

j

биологии, ликвидировали эту пробл ему весьма эффект­

на РНК (трансляция)

ным образом. Хотя все живые орга низм ы удивительно раз­
нообразны по внешн ему обл ику, все 011и столь же сходны

БЕЛОК

по внутреннему содержимому. Сейчас мы знаем, что все
1<летки

поразител r, но похожи д руг на д руга по с воему хи­

а минокислоты

мическому составу. Они обладают одинаковыми химиче­
ск и:ми механизмами для выполнения всех основных функ­

РИС.

ций. Все клетки состоят и з одних и тех же видов молекул,

(транскрипция), а от РНК- к белкам (трансляция). Вм есте эти про ­

котор ы е у ч аствуют в одних и тех же типах х имич еск их

цессы назы ва ют экс прессией ген о в .

1-2.

Во всех клетках информация передается от ДНК к РНК

Единство и многообразие клеток

15


ВОПРОС

1-2

А Мутации - ошибки в ДНК , изменяющие генетическую про­

'11' грамму

8

предшествующих поколений . Представьте себе

обувную фабрику. Можно ли ожидать, что из-за ошибок (то

есть непреднамеренных изменений) в производстве определен­

ного сорта обуви произойдет ее усовершенствование? Свой от­
вет обоснуйте.

нястся и з -за .мутаций
(А)

(mLrtations).

Вот почему дочерние

клетки не всегда генетически иде11тичны материнской.

(Б)

Мута ции могут б ыть вредными (в том смысJrс, что
их

но с ит ел и

хуже выживают и

разм нож аются

в ;1а11 1-1ых

условиях ) , полезными (их 11 осители лучше выживают и
размножаются) и 11 сйтраль~1ыми (011и не влияют 11а раз­

м,-южение и жи :шеспособность). В ходе бо рьбы за су ще­
ствова 11 ие носители вредных мута11ий исчезают, ,юсители
пол ез н ых н олучают пр еиму щество , а но с ители 1-, ей тра.111, ­

н ых могут выживать. Следующему поколению п е реда­

ются гены выживших особей. Время от времени J<артина
наследования

(В)

(Г)

РИС.

1-3.

при знаков

потом ством

может усложнять­

ся из-за полового разм ножения, при котором две клетки

раз ных особей одного вида сливаются, объеди 11 яя сво и

Все живые организмы состоят из клеток. Колония бакте­

ДНК Затем ге н ети ч еские карты тасуются, сдаются за 1-rово

рий , бабочка, роза и дельфин состоят из клеток , сходных по химическо­

и распределяются в новых комбинациях между особями

му составу и общим принципам работы . (А

следующего поколения, чтобы с нова пройти испытание в

и

Science Photo Library; В - с разре ш ения
Jonathan Gordon (FAW).)

- с разрешения Топу Brain
John lnnes Foundadtion; Г -

бор ,,бе за существование .
Эти п ростые лри r-щипы генетич ес ких и з м е н е 11 ий и

с разре ш ен и я

отбора, дейст вующи е 11 а протяже нии миллиардов клеточ­
ны х но1<олс 11ий , лежат в основе эволюции

-

процесса, в

разные слова). Таким образом, базовые общие биохимиче­

ходе котороt·о виды живых су ществ постепен,-rо изменяют­

ские механизмы служат для созда ния целой гаммы живых

ся и 11 рис1юсабливаются к с реде обитания все более изо­

ор 1·а~1измов ( РИС.

щре ш r ыми способа ми . Эволюция дает неож ида нное,

1-3).

Более леталы-юму рассмотре нию структу ры и функ­

ций белков, РНК и ДНК посвяще ны гл .

4- 8.

1-10

влолне убедител,,ное объясне11ие того, поч.ему совреме н­
ны е клетки так похожи

по своему химическому составу

элемс н та р1-1 ая еди ница живого, то 11и

и принципам работы: все они унаследовали свои генети­

од11а и з ее более мелких составных ч астей 11. е является в

ческие инструкции от одного общего предка. Уста r-ювле-

Если кл тка

-

что эта предковая кл тка существовала около

полном смысле слова живой. Например, вирусы пр ед­

110,

ставляют собой структуру с компактно у11акованной rе-

млрд лет назад, и пр ед пол агается, что в ней уже проходили

3,5- 3,8

1-1 етической и11формацией (в виде ДНК или РНК) , обыч­

основные биохимические процессы , которые ныне харак­

но окруженную белковой оболочкой. Но 0 1-rи н е слособ­

тер11ы для всего живого ~,а Земле. Благоларя мутациям ее

ш,1 размножат1,ся самостоятельно. Вирусы п аразитируют

потомки носте п е r-ню приобретали различия

внутри

р азм ножения

вали, освоив все п одходящие м еста обита~rия и ислользуя

клеточные механизмы воспроизводства. Таким образом,

у~tиве рсальные механизмы жизнед яте;rы-юсти бескон ч -

вирусы

1-10

клеток

-

и

и спользу ют

для

своего

это << химические зомби ~ : они инертны и 11 е

-

дивсрt·иро­

разнообразными с пособами.

проявляют жиз н едеятель но сти вне клетки-хозяина, хотя

осуществляют пагуб ный ко1-1 трол 1, над клеткой, ко r··да
проникают в нес .

Все клетки современных организмов , видимо , про­
изошли от одной предковой клетки

Гены обеспечивают инструкции, определяющие фор ­
му, функции и сложное поведение клеток
Геном

(g nom e)

клетки

-

вся совокупность ге11етической

информации, заю1юч е н1юй в ее ДНК,

-

представляет со­

бой генетическую нро,·рамму, в соответствии с которой

Клетки разм ножаются с помо1111,ю удвое ния ДНК и после­

клетка фу нкционирует у животных или растений,

дую щего деле ния 1-1адвое, п ередавая ко11ию генетической

грамму ра звития 11елого организма с сотнями ра з 11ови 11 -

-

про ­

информации , солержа 1цейся в Д НК, каждой из до ч ер ни х

1-юстей клеток. У од1ю~i особи животного или у растения

клеток. Поэтому дочерние клетки похож и н а материн­

эти клетки моt-ут быть чрезвычайно вариабелы н,,ми (см.

скую. Однако копирование ДНК нс вссr·да происход ит

,·л.

точ 11 0, и r·е11 ет ич ес кая информ а ция время от времени ме -

тканей кажутся такими 11 с похожими, какими толъко могут

16

ГЛАВА 1. Общее пр едста вл е ни е о клетка х

20).

Клетки жировой ткани, кожи, костной и н еро 11ой


быть клетки. ~ м н е ме нее все эти дифферен.цироваииые
J<.Летки

возникают в ходе э мбри ­

стало известно про клетки в те•r ение следующих двух сто ­

онального разв ития из одной оплодотворенной яйцеклет­

летий, было выяснено с его помощью. Световые микроско­
пы (light micгoscopes) , в которых для освещения объе ктов

ки и соде ржат и де 1пич 11 ы е копии ДНК, характерной для

и с пользуется видимый свет, остаются важной частью обо­

данного вида. Их разли•1ия обусловлены тем , как они ис­

рудован ия лабораторий клето чных биологов.

(diffe1· ntiated cell types)

пользуют ге н е тич ес кую информацию. В различных клет­
ках э1еспрессиру10тся ( ех р г е

s)

разны е гены,

-

т. е. в них

Хотя в 1-шстоящее время в световых микроско пах ис­
поЛJ,зуются

ра зл ичные

сложные

усовершенствования,

образу ются одни белки и н е образуются другие в зависи­

са ми свойства света накладывают ограничения на размер

мости от стимулов, которые они и их материнские кл етки

деталей, которые можно различить с их помощью. Элек­

получают от своего окружения.

троииые микроскопы ( electron m i cгoscopes ), изобретенные

ДНК - это не п росто список моле кул, которы е долж н а

-

в 1930-е годы, позволили п реодолеть эти ограиичения

11 е просто совокупность

благода ря применению в качестве источника освещения

вс х пунктов этого списка. Каждая клетка способна вы­

пучка эле ктронов вместо пучка видимого света. С их п о­

иметь каждая клетка, а клетка

полнять разл ичны е биологические задачи в зависимости

мощыо удается наблюдать гораздо более тонкие детали

от среды и истории своего развития , и при этом ее пов еде­

строения

нием руководит информация , з акодирован н ая в ДНК. В

Описание основных типов микроскопов, используемых

следующих главах мы под робно разберем, как ДНК опре­

для изуче1шя клеток, дано на ВКЛАДКЕ 1-1 ( с.

клеток и даже отдельные

крупные

молекулы .

18- 19).

деляет и список ком пон ентов клетки, и правила, опреде­
ляющие место и вре мя появлею,rя этих компонентов .

Изобретение светового микроскопа
привело к открытию клеток

КЛЕТКИ ПОД МИКРОСКОПОМ

Развитие световой микроскопии зависело от успехов в

производстве стеклянных л инз. К

XVII

в. линзы были

На сегодняшний день существуют методики, позволяю­

нас т олько усове р шенствован ы ,

щие расшифровывать механизмы, у правляющие строе­

зовать для и з готовления простых микроскопов. С помо­

•по

их

удалось

и с п оль ­

нием и работой югеток Но на началь н ом этапе развития

щыо такого микроскопа Роберт Гук исследовал с рез куска

клеточной биологии этих методов еще не было. Тогда

пробки и сообщ и л в Трудах Лондонского ко ролевского

клеточные биологи просто смотрели на клетки и ткани ,
раз рушая их или делая срезы и пытаясь раз глядеть их
13
1-tутренн ее содержимое. То , что они ви дели, было крайие
загадочным: набор каких -то крош ечных, с трудом раз ­
личимых структур, взаимосвязь которых со свойствами
живой материи казалась нераз решимой тайной . Однако

об щества, что пробка состоит из 1vнюжества мелких ка­

этот тип визуальных н аблюден ий был первым ш агом к
пониманию строен и я клетки и остается важиой частью

Левенгук смогли н аблюдать отдельные живые клетки,

ее исследования.

мер , котор ы е он назвал я•rейками, или « клетками >>

Гуко м структуры были всего лишь клеточными стен ками
мертвых

клеток ,

лишен н ых

внут р еинего

содержимого.

Позж е Гук и его голландский современник Антони ва н
открыв н овый ми р , кишащий п одвижными одноклеточ ­
ными органи з мами.

Как правило , клетки оч:ень мелки - настолько мелю,r,
что не видны невоо руженным глазом . Никто не наблюдал
их до XVII в . , когда был изобретен микроскоп . Все, ч:то

(cells).

На з ва н ие « клетка >> п р ижилось в науке , хотя описа юt ые

В течение по чти двухсот лет световой микроско п
оставался экзоти•rеским инструментом, доступным лишь

~,емногим состоятельным людям. Только в

XIX в.

он стал

действительно широко использоваться для наблюден ия за

ВОПРОС 1-3

. . . Вы

принимаете участие в амбициозном научном прl)екте :
rl' создать жизнь в пробирке . Вы кипятите в колбе густой рас-

8 твор дрожжевого экстракта , аминокислот и неорганических
солей , необходимых для работы клеток . Затем заты каете колбу и
даете ей остыть. Ч е рез нес колько месяцев жидкость все так же про ­
зрачна , в не й нет никаких признаков жизни . Ваш друг высказ ывает
гипотезу, что дело в нехват ке воздуха, так как большинству форм
Жизни н еобходим кислород . Вы повто ряете эксп е римент, но на этот
Раз оставляете колбу открытой . К ваше й радости , через нес коль ­
ко дней раствор мутнеет, и под ми крос копом в нем видны краси ­
в ые маленькие клетки , которые явно растут и делятся . Доказ ывает
ли этот о п ыт, что вам удал ось получить из неживой материи новую

Форму жи зни? Как м ожно в идоизменить опыт, чтобы позвол ить кис­
лороду проникать в колбу, но при этом ис ключить возможность п о­
пада ния туда спор ба ктерий из воздуха? ( Готовы й ответ содержится
в описаниях опытов Л уи Пастера по до казательству н е воз можн ости
сам озарождения м ик роор га ни змов . }

клетками . Вознию-ювею,rе клеточной биологии как особой
науки было постепенным п роцессом, в который внесли
вклад многие ученые; но ее офиц иальиое рождение обыч­
но связывают с двумя публикациями, одна из которых

(1838

г. ) принадлежит ботанику Матиасу Шлейдену, а

другая

(1839 r.) -

зоологу и физ и ологу Теодору Шванну. В

своих статьях Шлейден и lllванн опубликовали результа ­
ты система:ги•геских иссл едований растительных и живот­

ных тканей с помощью светового микроскопа, показываю ­

щие , что клетки

-

это универсальные строительн ые блоки

всех живых ткан ей. Их труды и работы д ругих микроско­
п истов

XIX

в. постепен н о привели к осознанию учен ы ми

того факта , ч то все живые клет к и формируются п утем
деления

пр ед ш ествую щ их

клеток

-

одн ого

из

главных

положений 'КЛеmочиой теории ( celI t heory) ( РИС.1-4). [ Ав ­
торы п е приводят других положен ий клеточной теории:

(1)

Все клетки сход ны по строению (в •1астности, окруже­

ны м ембраной и имеют рибосомы) и химическому составу

Клет к и под микро скопом

17


СВЕТОВОЙ МИКРОСКОП

глаз

ФЛУОРЕСЦЕНТНАЯ

А

МИКРОСКОПИЯ

наблюдателя ~

окуляр -

разлагающее
чивоть

тысячекратное

лучи спектра

увеличение

зеркало

( 1 ОООх} и позволяет различать де­
тали размером более 0, 2 мкм (это
ограничение

накладывается

не

ка­

чеством линз, о волновой природой

света) . Для наблюдения за клетками

в световой микроскоп требуются три
Клетки, окрашенные флуоресцентными красителями, изучают с

условия. Во-первых, это яркий свет,

который
вать но

необходимо

сфокусиро­

пр е пара т

помощью флуоресцентного микроскола. Он похож но обычный
световой микроскоп, только свет от осветителя проходит через

препарате с помощью линз

конденсора.

Во-вторых,

два набора фильтров . Через первый набор (

препарат

} свет проходит до

должен пропускать свет. В-третьих,

того, кок попадает но препарат;

нужно

лучи, возбуждающие молекулы определенного флуоресцентного

определенная

комбинация

при этом пропускаются только

красителя . Второй набор фильтров (

линз (объектива и окуляра}, чтобы
Путь световых лучей

сфокусировать изображение препа ­

в световом микро скопе

рата в глазу наблюдателя .

} не пропускает эти лучи, о

пропус кает только свет, испускаемый красителем. Окрашенные

объекты выглядят кок яркие цветные пятно но темном фоне .

НАБЛЮДЕНИЕ

ЗА ЖИВЫМИ КЛЕТКАМИ

Делящиеся ядро эмбриона мухи (изображение
получено с помощью флуоресцентного микро­

Изображения одной и той

культивируемой

. .,.

.
:~1

'.

>

'

•

клетки

(фи­

ско па после окрашивания специфичным флуо­

ресцентным красителем} .

броблосто} , полученные с по ­
мощью обычной (яркопольной}

•

оптики (А}, фозовоконтростной

,.. . ~, ; ~.4 -.,~
. ~··"' . · .·•~r~ ::..~ "t,l(yc:

• ·....;:,-~..

""""""' ,;..~ . -.--•~..

.. ...

'._,,., ;,,,',

оптики (Б) и интерференцион ­
но-констростной оптики (В} . Два
последни х

метода

используют

различия световы х волн , прохо ­
дящих через участки препарата
с

розными

по к азателями

пре­

ломления . Все три изображения
можно получить с помощью од­

ного микроскопа , меняя его оп­
тические компоненты.

50

м км

большинство

организмов

шей длины волны. Некоторые такие красители
специфически
молекулами в

связываются
клетках

и

с

определенными

позволяют выявить и х

расположение с использованием флуоресцент­

ФИКСИРОВАННЫЕ ПРЕПАРАТЫ
Т кони

Флуоресцентная краска поглощает свет одной

длины волны и испускает свет другой, боль­

ного микроскопа. Пример -

краситель для

недостаточно

показанный здесь

окрашивания ДНК

( зеленый} .

тонки и прозрачны для непосредственного наблю­

Другие красители можно присоединять к моле­

дения под микроскопом . Обычно ткани фиксиру­

кулам антител , которые затем используются кок

веществ

высокоспецифичные и многоцелевые реагенты .

(фик саторов } , затем из готавливают их тонкие

Они избирательно связываются с определенны­

ют,

помещая

срезы,

в

растворы

помещают

но

специальных

специальное

предметное

ми макромолекулами , по зв оляя нам выявлять их

стекло и окрашивают, что позволяет лучше раз ­

распределение в клетках . Но приведенном фото

личать розные компоненты клеток. Но фото пока ­

зан окрашенный срез кончика корня растения (Г} .
(С разрешения Cotherine Кidner.}

белок микротрубочек митотическоrо веретено
(Г)

(красный} окрашен флуоресцентным антителом .

(С разрешения Williom Sullivan .}


Конфокальный микроскоп - особая разновидность флуоресцентного микроскопа .
В нем изображение строится при сканировании объекта лазерным лучом . Луч фо­
кусируется в точке но определенной глубине образца, о точечная апертура детек­
тора позволяет только флуоресценции, испускаемой той же точкой, попадать но

изображение . Сканирование препарата лучом создает изображение плоскости
фокусировки - оптического среза . Но фотоснимках показан интоктный зародыш
насекомого, окрашенный флуоресцентным зондом к актину (белок, формирующий

нити) . А - обычный флуоресцентный микроскоп дает размытое изображение, ток
кок выше и ниже глубины резкости присутствует флуоресцентное окрашивание.

Б - конфокальный микроскоп дает оптический срез, но котором четко видны от­
дельные клетки. (С разрешения

Richord Worn

и

L_j

(Б)

(А)

10

Peter Show.)

ТРАНСМИССИОННЫЙ
ЭЛЕКТРОННЫЙ
МИКРОСКОП

мкм

СКАНИРУЮЩАЯ
ЭЛЕКТРОННАЯ
МИКРОСКОПИЯ

электронная [
пушка

фокуси­
рующая
лин за

электронной

микрофото­

графии внизу показан неболь­

линза

объ е ктива

шой участок клетки семенника .

Ткань было зафиксировано спе­
циальными

лин з а

реактивами

и

зали ­

линз а

то в особую пластмассу; затем

про е ктор а

объектива

были изготовлены очень тонкие
экран

монитора или

Фотопл е н ка

L

\

срезы, окрашенные солями уро­

электроны ,

на и свинца. (Любезно предо­

отра ж енные

ставлено

от образца

Doniel S. Friend.)

-

препар а т

В сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) образец, по­
крытый

очень тонким слоем тяжелого

металла,

сканируется

пучком электронов, который фокусируют но его поверхности
электромагнитные кольцо, действующие в электронном микро­

.
~

.j

..:,
,,,

,,,

. ).
1;,·
ij~~

..

'

,;_:;_

r

,"?.hi )·..
'

J

с ..,

'=• ,

rr

электронов, измеряется детектором и используется для контроля

яркости соответствующих точек изображения но видеоэкроне .
Микроскоп создает удивительные картины трехмерных объектов
с большой глубиной фокуса и, в зависимости от модели, позволя­

.r✓ 71'..:?'J:

*

скопе кок линзы . Количество электронов, отраженных и рассе­

янных каждой точкой образца при бомбардировке его пучком

ет выявлять детали размером от

.!"'

3

нм до

20

нм .

L___J

Полученная с помощью СЭМ микро­

0,5 мкм

фотография стереоцилей

Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) основано но

волосковых

клеток

- выростов

внутреннего

ухо

тех же принципах, что и световая микроскопия , но вместо пучка

(слева). Для сравнения показано, кок

света используют пучок электронов, о для его фокусировки -

выглядит

Магнитные кольцо вместо стеклянных лин з . Образец, который

структура

то
в

же
све ­

помещают в вакуум, должен быть очень тонким . Контраст обычно

товом микроскопе

достигается путем окрашивания образца электронно-плотными

при

солями тяжелых металлов. Накапливаясь в определенных участ­

разрешении (вни­

ках среза, они поглощают или рассеивают электроны, когда их

зу) . (С разреше­

пучок проходит через препарат. ТЭМ дает полезное увеличение

ния

до миллиона крот и позволяет различить но биологических пре­

и

паратах детали размером всего

0,2

нм.

предельном

Richord Jocobs
Jomes Hudspeth .)


(А)

(Б)

50
РИС.

1-4.

Новые клетки образуются путем деления предшествующих клеток. (А) В

1889 г.

м км

Эду ­

а рд Страсбур ге р и зоб р аз ил ж ивую растител ьн у ю клет ку ( клетку вол оска п окро вно й т ка н и цвет ка т ра­
деска нции ,

Tradescantia), которую он н аблюдал в х оде ее дел е ния в те ч е ни е 2,5 ч .

( Б) Похожа я кл ет ка ,

фото гра фии котор ой в ходе дел е ния п олуч е н ы с помо щь ю со в реме нн о го с в ето в ого м ик роско п а. ( Б ­
с р аз р е ш е н и я

( содержат ДНК,

Peter Hepler. )

РНК и белки, состоящие во всех клет](ах

из одного и того же набора мо1-юм.еров).

ми при з наками, гто-новому приспособле нных

1<условиям

Эти при з наки

среды. Теор и я эволюц ии объясияет, как появились разно­

клеток унаследованы ими от общего пред](а, т. е. п редстав­

образные организм ы , имеющие общих предков. В комби ­

(2)

ляют собой zолюлоzии - Прим . ред. ]

на ци и с клеточной теорией она позволяет взглянуть на все

Предпол ожение о том, что живые организмы не могут

живо е, от появл е ния жизни и до настоящего врем ени, ](ак

а появляются только в р е ­

н а одно о r· ром1ю е родослов н ое древо отдел 1, н ых клеток.

зультате размноже ния уже существующих кл еток, остава ­

Хотя эта ю-1 иr·а в основном посвяще на тому, ](ат< работают

спонтанно самозарождаться,

лось п редметом го р ячих споров, пока н е было око 1-1 чатель-

н ы н ешние клетки, мьr будем вновь и вновь сталкиватъся с

1 ю подтве рждено в

1860 r. экспериментом Луи

темой эволюции.

Положе ~1ие

теории,

клеточной

соrлас 11 0

Пасте ра.
которому

клетки воз ни](ают только из предсу ществующих и J1 аслс­

Под микроскопом можно увидеть клетки,

дуют их при знаки, лежит в основе всей биологии и при ­
дает этой 11 ау](е важную особе ,нюсть: в биологии вопро­

органеллы и даже отдельные молекулы

сы о н ы не 1.1.1 1-1 ем п оложении вещей н еразрывно связаны с

Если сделать очень тонкий срез каI<ой -либо раститель­

вопросами о п рошлом. Чтобы понятъ , поч ему нынешние

н ой или живоп-юй ткани и пом естить его под с ветовой

клетки и органи з мы ведут себя так или инач е, 1-1 ам н адо п о-

микроскоп , мы у видим, что тка н ь с остоит и з тысяч мсл -

11 имать их эволю н ио~1 1-1 ую историю, весь путь от за 1:,щоlr ­

1< их клетоI<.

О н и могут быть тес но сбл иже н ы или разделе ны меж -

н ого происхождения п ервых клеток на Земле . Теория эво­

люции Дарвина, увиде вшая свет в

1859 г. ,

дала 1<лючевос

1<J 1 етоlл-1.ым

в е щест вом ,

или

в11е1<леточиы,1t

м.атриксом.

объяс н ение историч ес кого развития живого, п оказав, ка 1<

( extгace ll lll ai·

случай ная насл едств е нная изм е 1-1 L1ивость и ес теств е н 1-1 ый

ящим и з бслI<овых во;юко 1-1 , закл ю ч енных в пол и сахарид-

отбор могут приводить к пояол е 11ию ор 1·анизмов с н овы-

1-1ы й

20

rЛАВА 1. Общее представление о клетках

111at1·ix) -

гел 1, ( РИС. 1-5).

плотным мат ри ало м, часто состо ­


Каждая

ю, етка

обычно

имеет

11,иаметр

порядка

0,2 мм
(200 мкм)

5- 20 мкм ( РИС. 1-6) .
Если держать образ ц ткани в надлежа щих услов иях,

максимальное разрешение
невооруженного глаза

х 10

можно увидеть, что клетки в н ем живые: в них движутся

какие-то частицы; а если наблюдать терпеливо, можно
увидеть, как клетки медле нно м е 1-1яют форму и делятся

надвое ( см .рис.

1-4 и ускоренное видео деле ния клетки за­

род ыша 1 1 ягушки, ВИДЕО

1.1).
Рассмотреть внутреннее строение клетки сложно н е
J5

только потому, что она мала, но и гтотому, что ее части

ffiI

проз рач 1-1ы и гто сrти бесцветны. Один из способов обойти
эту сложность

-

использовани е дифферен циальных кра­

~

Cl.

сителей, по-разному окрашивающих части клетки (см.
ри с.

максимальное разрешение

о

1-5).

светового мик~оскопа

Кроме того, можно учесть тот факт, что разные 1<ле ­
точные структуры имеют разлиt1ающи еся коэ ффицие н­
ты преломления света (так же, как различаются показа­

тели прело мления, н апример, воды и стекла, из-за чего
световые лучи преломляются, пе реходя из од ной среды в

другую). Н ебол ъшие разл ичия коэффициентов прелом­
ления можно выявить с помощью специальных оптиче­
с ких методов, а получаемые изображеиин можно улуч­

шить при специальной компьютерной обработке
вкл адку Н , с.

( см .

18- 19).

У клеток, н аблюдаемых с помощью таких методов,

0,2 нм

вь1являются характерные черты строения ( РИС . 1-7). Они

1

максимальное разрешение
электронного мик оскопа

имеют резтю очерченные границы , что говорит о ,-, али­
сrии ограничивающей их наружной м ембраны. В середине

клеткн находится крупное, округлое тело

-

1 м = 10 мм
= 106 м км (ми крометров)
= 109 н м (нанометров)
3

ядро (п ucl e us) .

РИС .

1-6. Что мы можем увидеть? Н а схе м е пр и в еде ны разме ры

кл е­

то к и их состав н ых ч астей, а также м е ры дл и ны , и с п ольз уе м ые для их
и зме ре ния.

Вокруг ядра, заполняя внутреннее пространство клетки,

лежит цитоплазма

(cytoplasin) -

прозрачная субстан ция ,

набитая, как кажется, ка~.1.1 ей и з разиообразных объектов.
С п омощью хорошего светового микрос копа мы начне м

различать и классифицировать отдельные компо н е 1-1ты
цитоплаз мы (см. рис .

0,2 мкм -

1-7,

Б). Однако структуры м ельче

около половины длины волны видимого света

-

н е.ш,зя разгл ядеть с помощью обычного светового микро ­
скопа (более близкие тосши неразличимы и вьн·лядят как
ОДНО ПЯТJ-IО) .

50

м км

50

м км

РИС. 1-5. Клетки животных и растений образуют ткани. (А) Клет­

За посл ед ние несколько лет появились новые типы
флуо ресцентных микроскопов, которые с использование м

сложных методов освещения и анализа изображений по­

ки ко н чика корня па п оротн ика. Ядра окраш е н ы красным, каждая
кл етка ок руже на то н кой клеточной сте н кой ( голубая). ( Б) Клетки со­

могают различить в несколько раз ме ньшие детали. Од­

бирательн ых трубочек поч ки. Каждая трубоч ка выглядит на этом сре­

решения используют электронны е микроскопы. Они по­

зе ка к кольцо тесн о сбл иже нн ых кл еток с окра ш е нны ми в красный
цвет ядрам и . Трубоч ки окружены внеклеточ ным матриксом ( пурпур­
ный ) . (А - с разре ш е н и я James Mauseth ; Б - с разре ше ния изд-ва
Elsevier из P.R. Weater et а/., Functional Histology, 2nd ed. Edinburg h:
Churchill Livingstone, 1987.)

нако для еще большего увеличения и более высокого раз­
зволяют видеть детали раз м е ром в несколько наномет ров

(нм) (пaпoineters, nю) (см. ри с.

1-6). Для

изучения клеток

с п омощыо электро н,-юго микроскопа требуется трудо­
е мкая подготовка п репаратов . Даже для световой микро ­

скопии ткани обычно нужно фиксировать (т. е. помещать

Клетки под микроскопом

21


наружная мембрана
цитоплазма

(плазмалемма)

ядро

(Б)

(А )

40
РИС.

1-7.

l__J

10

мкм

мкм

Внутреннюю структуру живой клетки можно наблюдать с помощью светового микро ­

скопа. ( А ) Кл етка кожи человека , в ы ра щенная в культуре и сфотографированная с помощью интер­
ференционно-контрастной оптики светового м и кроскопа (см . вкладку

1- 1, с . 18-19). Хоро ш о заметно

ядро . (Б) П игментная клетка лягушки , окра ш енная флуоресцентными красителями и сфотографиро­
ванная с помо щью конфокального микроско п а (см. вкл адку

гранулы

красным, а микротрубочки

-

топлазмы , - зеленым . (А

-

-

1-1).

Ядро окра ш ено голубым, п и г мент н ые

разновидность нитей, построенных из белковых молекул ци­

с разрешения

Casey Cunningham; Б - с разрешения Steve Rogers и lmaging

Technology Group.)

в раствор определ е нных х имических р еактивов) , затем

только вм ес то ви ; tимого с в ета ч е рез пр е парат в н е м лро х о ­

о су щ ес твл ять заливку в в о с к , 11арафи11 и л и с 1 1 е циал ьну ю

ди т лучо к эле ктро1ю в . В д ру гой раз новидности эле ктрон -

с мол у, а потом готов ить срез ы и окрашивать . Дл я эл е к ­

11о го м и к ро с коп а -

трон ной микроскопии требуются те же эта пы, но срезы

(scaппin g е l есtгоп inic гoscope)

должны б ыть горазло тоньш е. В эл ектронный микрос ко 11

на пове рх ности образца, и е го и с пол ьзуют для изуч ения

11 евоз мож1-ю н абл юдать ж ивы е клетки. После того как ул ь­

детале й строе ния 1 ю ве рхности клеток и други х объе ктов

тратонки е с р ез ы окраш е ны и пом е щ е ны под эле ктронный
микро с коп ,

в

цитоп л а з м е

орzаиешtы (oгga п e l l es )
с тр укту рны е

становят ся

виюrы

отд еJ11, ные

ч ет ко разл ичим1,1 е, уз на вае мы е

-

компон е нты

кле тки ,

которы е лиш1, с м у тло

различимы под с ветовым микрос ко1юм. В электронный

микроскоn вид н а тонкая , тол u.tи1-юй около

ме.мбраиа, или плазмале.мм.а

(plasina

5 11м , иаружиал

( см. в ю1 а; tку

скаиирующе.м электротю.м ми1сро с1'опе

1-1, с. 18- 19).

-

эле ктроны рассе иваются

Электронный микрос коп ло ­

з rюля ет б иоло 1"ам и зуlrать детали строе ния би ологич ески х
м е мбра н, им е ющих тол щину все го в д ве моле кулы ( см.
гл.

11 ). Од 11 а ко с

помощью даже самых мощных эл е ктрон­

ны х микро с копов не уд ается увид ет 1, отдельны е атомы, из

которых состоят мол е кул ы ( РИС. 1-9) .

in e inbгa п e) , о к ру жаю ­

щая клетку. Похожи е м е мбраны окружают и многи е орга­
н ел л ы вн утри н ее ( РИС.

1-8, А, Б ).

На ружную ме мб ра н у наз ывают плазматической .мем ­
браной (nлаз мал ммой) , а м ем б ра н 1,1 , окружаю1цие орга­
нелл 1,1 ,

РИС.

1-8. Тонкое строение клетки

можно увиде ть в трансмиссион ­

ны й эл е ктронны й микроскоп. (А) Ультратонкий срез клетки печени , на

виутре1mu.J1tu .мембраиа.ми ( i пtегпа] in embгaп es ).

котором видн о множество деталей строения. Н екоторые компоненты,

С помощ1, ю эле ктронн о го микро с копа в н утри клеток

упоминаемые в данной главе , подписаны; их можно узнать по форме и

мо ж но

размерам . (Б) Небольшой участок цитоплазмы при большем увеличе­

(рис.

-

у ви де 1ъ

даже

н е ко торы е

кр у пны е

молекул ы

1-8, В).

нии . Самые мелкие из ясно различимых структур

Эл е ктрон1-1ый микроскоп , пред наз на ч е нный для и зу­

ч е ния ул 1,тратонки х с резов объе ктов , н аз ыва ют траис.мис­

из них состоит примерно из

ным микроскопом. (А и Б

iniuoscope). В

решения

22

011

похож на с ветовой микроскоп,

ГЛАВА 1. Общее пр едставл ен и е о кл етка х

-

рибосомы, каждая

крупных молекул. (В) Участок длин ­

ной, нитевидной молекулы ДНК, выделенной из клетк и , под электрон­

сиотtым. электро1тым микроскопом ( t гa n s ini ss ion e l ect гon
1 1ринцип е

80-90

Mei LieWong.)

-

с ра з решения

Daniel S. Friend;

В

-

с раз­


2

2

м км

мкм

50 нм

Клетки под микроскопом

23


РИС.

1-9.

Какого размера клет ка и ее части? Этот р исунок п ередает соот н о ш е н ие между клетками

и атомами. Н а каждом следу ющем рисунке п оказа н а част ь п редыдущего , увеличе н ная в

10

раз и по­

казывающая пе р еход от п альца к участку кожи, е го клеткам, митохо ндрии, рибосоме и , наконец , группе
атомов одной из мно гих мол екул бел ка, составляющих на ш е тел о . Детали молекул яр н ой ст руктуры , п о­
каза нн ые на д вух п осл едн их р и сун ках, на ходятся за п редел ам и р аз р ешаю щей с п особ н ост и эл ектрон ­
н ого микроско п а .

Микро скоп

-

н еедиNственный инструмент современ-

ПРОКАРИОТИЧЕСКАЯ КЛЕТКА

1-rых клеточ ны х биологов, позвол яющий изучать тонкие
детали стро ния клеток. Например, для и зучения про­

Из вс ех типов клеток, открытых с помощью микроско па ,

странств енной структуры белков используют ре нтгено­

бактерии

структу рный анализ (см. гл.

ют нам жизнь, у прощенную до предела. Действительно, в

4).

По ходу изложения ма­

-

самые просты е ло строению; они демонстриру­

териала мы олишем и другие методы, испо льзуе мы е для

клетке бактерии почти отсутствуют органеллы

и зуч е ния клеток.

ядра, где соде ржалась бы ДНК. Эта особенность

24

ГЛАВА 1. Общее представление о клетках

-

нет даже

-

нали-


ВОПРОС

1-4

А Бактерия весит около 10· 12 г и может делиться кажды е 20 ми­

rl' нут. За какое время при сохранени и этого темпа деления по-

8

томство одной бактерии достигнет массы Земли (6 х 1024 кг) ?

На с амом же деле ба ктерии появились 3,5 млрд лет назад и делятся с
тех с амы х пор . Объя с ните этот п а радо кс (число клето к

сфе рич еск и е

п а лоч ковид н ы е

с пи ралевид ны е

клетки

кл етк и

клетки

(Streptococcus)

(Esherichia coli,
Salmonella )

(Treponema pallidum)

Nв

культуре в

дан н ы й м омент врем е ни t можно определить по формуле N=N0 х
где

N0 -

число клето к в начальный момент врем е ни , а

G-

2va,

время, за

которое удваивается чи сленность популяции) .

РИС. 1-10. Бактерии имеют разные размеры и форму клеток.
В одном масштабе нарисованы сфе рич еские, палочковидн ые и сп ира ­
Клетки быстро размножаются делением н адвое. При

левидны е клетки н екото рых бактерий. Кл етки с п ирал ьной формы п ри­
надл ежат возбудител ю си ф и л иса .

оптимальных

условиях , когда достаточ н о

прокариот могут делиться каждые

виях за
чие или отсутствие отделенного мембраной от цитоплаз­
мы ядра

-

служит основой для простого , но важного дел е­

ния всех организмов на две группы. Организмы с ядром

-

это эукариоты

(eukai·yotes) (от греч. eu - хороший или
настоящий, и kaгyon - ядро). Организмы, в чьих клетках
нет оформленного ядра - прокариоты (prokaryote ) ( от
pro - раньше; прокариоты - <<доядерные ~ ). Часто слова

11

20 мин.

пищи,

клетки

При этих усло­

ч одиа клетка может дать более

8 ООО

ООО ООО

потомков (больше, чем людей на Земле). Из - за своей вы­
сокой численности, быстрого размножения и сп особности
обме ниваться генетической ин формацией в ходе процес­
сов, н апомина~о щих половой процесс эукариот, популя­

ции прокариот могут быстро эволюциоаировать, приобре­

тая с пособность использовать новую пищу или вырабаты­
вая устойчивость к новому антибиотику.

~ бактерии~ и ~прокариоты>> используют как синонимы ,
хотя мы увидим, что к прокариотам относится и другая
группа организмов

- apxeu

(ед. число

-

архея)

(archaea,

singular a1-chaeon), которые лишь отдаленно родственны
бактериям.

Как правило , клетки бактерий имеют сферическую,

Прокариотические клетки

наиболее разнообразны
по биохимическим свойствам
Большинство прокариот

-

одноклеточные орrаиизмы,

палочковидную или закруче нную в виде штопора форму и

хотя некоторые могут объединяться в цепочки, гроздья

мелкие размеры - всего несколько микрометров в длину
(РИС. 1-1 О), хотя среди них встречаются и гиганты, длина
которых в сотни раз больше.

ток. По форме и строению r<леток пр окариоты кажутся

или

другие

структуры,

состоящие

из

множества

кле­

простыми и од н ооб разными, но по своим биохимиче­

У бактерий часто имеется плотная защитная обо­

ским процессам это самые изобретателыr ые и н аибо­

лочка - клеточная стенка, окружающая плазмалемму, и
один внутренний компартмент, включающий цитоплаз­
му и 1tу1слеоuд (п u c l eoid) (область клетки, где содержит­

лее разнообразные организмы. Они освоили orpoмtr oe

ся дНК). Под электронным микроскопом содержимое

клеток. По численности о н и во много раз превосходят

I<летки обычно выглядит как матрикс различ 1·1ОЙ плот­
ности, без каких-либо ясно различимых внутренних

все остальн ы е о р ганизмы. Некоторые из них

структур ( РИС. 1-11 ).

количество местообитаний
ни ч еских

источников

до

-

от ила горячих вулка­

цитоплазмы

других

ж и вых

-

аэро ­

бы, они используют кислород для окисления молекул
пищи; другие

-

строгие анаэробы, для них смертельна

даже QL1 ень низкая концентрация кислорода. Как бу­

дет 110.казано ниже в этой главе, .митохоидрии эукариот
( органеллы , в ы рабатывающие э н ер гию)

-

это потомки

аэробных бактерий, поселив ш ихся внутри анаэробных
предков современных эукариот. Так что наш собств ен­

ный аэробный обмен

-

результат активности бакте ри ­

альных клеток.

Баюерии могут использовать в пю.цу практически

любые органические вещества, от древесины до нефти.
Более тоrо

-

некоторые прокариоты могут обходиться

вообще без органических веществ; они способиы полу­
чать углерод из С0 2 , азот

1

РИС,

1-11.

Бактерия

Esherichia coli

(Е.

co/i)

м км

изучена детальнее,

чем любой другой живой организм. Н а рисун ке п оказана электро н­
ная микрофотография продольного среза ее клетки; ДНК сосредото­
че на в светлоокра ш енно й части клетки . ( С раз реше ния Е. Kellenberger. )

водород, серу и фосфор

-

-

из

N2 атмосферы, а кислород,

из воздуха, воды и минераль­

ных солей.

Некоторые прокариоты, как и растения, сп особны к
фотосинтезу - они получают энергию в виде солнечного

света ( РИС. 1-12), другие могут добывать ее в ходе окисле­
ния неорганических веществ ( РИС.1 - 13 ).

Прокариотическая клетка

25


Обе эти 1·руплы автот рофны х бактерий играют важ ­
н у ю ро.1 11, в круговор оте веществ: многи е друп1

мы потребля ют

01

орга11из ­

ганически е вещества, созда нны е а rпо­

трофами из н ео рганики.

Расте ния тоже способны улавл иват r, эне ргию сол неч ­
н ого света и фикс ировать атмосфе рный углек ислый t·а з .

Но без помощи прокариот растения не способ ны к азот­
фиксации , и в каком -то см ы сле даже нужда ются в помощи

бактерий, чтобы осуществлять фотос и н тез. Орган елл ы,
отвечающи е за фотосинтез в растительных клетках,

ропласты

-

хло­

произошли от фотосинтезирующих бактерий,

-

пос ел ив ш ихся в цито плазме кл еток у пр ед ков сов рем е н ­

ных расте ний.

1

мкм

РИС .

Мир прокариот включает два царства:

1-12. Некоторые бактерии способны к фотосинтезу. (А) Апа ­
Ьаепа cylindrica пр едставляет собой длинны е, мно гокл ето чны е н ити .

бактерии и археи

Н а этой получ енн ой с помощью с в етов о го ми к ро ско п а ф от ограф ии

Тради ц ион но всех прока риот считали од н ой большой

видны с п е ци али з иро в а нны е кл ет к и , ф икс иру ющие азот (т. е. п о гл о ­

группой

ща ющи е ат мосф е р н ы й

низмов. Но мол е кулярные исследова н ия показали, что на

N2

и в кл юч а ющи е е го в с о ста в орган ич еских

-

цар ством, или до минионом,

в е ще ст в, пом е ч е ны букво й Н) , фи кс ирующи е С0 2 в х оде фотос инте­

са м ом деле среди

за

группы (домиииоиа)

(V)

или пре враща ющи ес я в по ко ящи еся с поры

ми кро фотог рафия р одств е нн о го в и да ,

(S). (Б) Эл ектро нн а я
Phormidium /aminosum ; в идны

внут ре нни е м емб раны , н а кото р ы х прои сходит ф отос интез. Эти п р и ­

прокариот есть две

зывают эуба~стерии

- бактерии
(eL1 bacteria)

-

живых орга­

ч етко очерL1е н и ы е

(bacteгia), иногда их на­
и архе и

(archaea)

(или

архебактерии). На молекуля рном уровне бактерии и ар­

м ер ы п оказ ыв а ют, ч то даже н екото ры е пр окар и оты п редставл яют со ­

хеи отл ичаются друг от друта столь же сильно, как обе эти

бой п рост ы е м н о гокл ето ч н ы е о рга ни зм ы . (А

группы от эу кариот . Большинство прокариот, с которыми

Adams; Б - с р аз р е ш е н ия D.P. Hill и C.J. Howe. )

с разре ш е н и я

David

мы сталкиваемся. в повседневной жи зни , обита ющи е в
почве или вызывающие болезни, относятся к бактериям.
Археи встречаются как в обычных м естообита~шях, так и
в гораздо м ен ее приспособлешrых для жи з ни местах, где

обыlrн о н е выживают другие клетки. Среди архей есть
виды, живущие в кон центрированном раствор е соли, в го­
рячих кислотю,тх вут,анических и с точниках, в л иш е нных

кислорода глубоких слоях донных морских отложе ний,
в иле отстойников сточных вод, в водоемах Аитарктиды,

постоя ш-ю п окрытых льдом , и в кислой бескислородной
среде коровьего желудка, где они р ас щеплнют целл юлозу

и образуют метан. Суровые условия п одобных м ест обита­
ния похожи иа те, что должны были существовать на Зем ­
ле в нач а.,1 ьный п ериод эволюции до того, как атмосфера
стала н ас ы щаться кислородом.

ЭУКАРИОТИЧЕСКАЯ КЛЕТКА
Эукариотические клетки обычно крупнее .и более сложн о
устроены , ч е м клетки бактерий и арх е й. Некоторые из них
живут поодиночке, наприм ер таки е одноклеточны е орга-

1-~измы , как ам ебы или дрожжи ( РИС.1-14) . Други е живут в
составе многоклеточных организмов. Из эука риотически х
клеток с остоят в се достаточно с ;южные многокл етоlш 1, 1 е

орга н и з мы

-

расте ния , животные и 1·рибы .

По определе нию, клетки всех эу кариот им еют ядро. Но
РИС.
ления

1-13. Серная бактерия, получающая
H2S. Beggiatoa - бактер ия , жив ущая в

энергию за счет окис­

они отличаются от прокариотич еск их клеток н а.,rичи е м и

богаты х се ро в одо родом

многих дру гих органелл

местах об и та ни я. Он а п ол уч ает э н ер г и ю , о кисл я я

H2S до

се ры , и с п о­

-

субклеточных стру ктур , в ып ол­

няющих определе нные функции . Многи е из них, как ядро,

соб на фи кс и ро вать угл е род даже в тем н оте. Н а этой с в етовой ми к р о­

свойственны всем

фотогр афи и видн ы отл оже ния се ры в виде желты х гра нул вн утр и клеток .

час мы бегло рассмот р им основные органеллы эукарио ­

( С разре ш ен ия

тической клетки и выполняемые ими функции.

26

Ralph W. Wolfe.)

ГЛАВА 1. Общее представление о клетках

эука риотичес ким организмам.

Сей­


РИС.

1-14.

Дрожжи

-

простые одноклеточные эукариот ы. П оказанная на этой электронной ми­

крофотографии клетка принадлежит

Saccharomyces cerevisiae, тому самому
- превращаться в п иво. П ри

заставляют тесто подниматься , а пивное сусло

они поч куются

-

виду дрожжей, которые
бесполом размножении

делятся асимметрично на более крупную и более мелкую дочер н ие клетки. О бе эти

клетки имеют единственное ядро (на фото окрашено темным), н о в данном случае срез так прошел
через ядро неправильной формы у дочерней клетк и , что на фото оно выглядит как два отдельных ядра.
(С разрешения

Soren Mogelsvang и Natalia Gomez-Ostina.)

Клеточное ядро

-

хранилище

генетической информации
Ядро

-

обычно наиболее за мет~ ~а.я ор1'анелла ю1 етки эу ка ­

риот ( РИС.1-15 ) .

Яд ро за кл юlrе но в две концентрическ и расположе н­

ные мембраны, формирую1.ци е ядериую оболочку (rш с l еаг
е пvе! оре), и соде ржит молекул ы ДНК В этих чрезвыч ай­
но дл ин1-1ых полим е рных мол екулах за ко; tирована насл ед­

ственная ииформация органи з ма. В световой микроскоп

гигантские молекул ы ДНК видны как отдельные хромо­

сомы (c lнomosom es ) , когда они становятся более компакт­

5

РИС.

1-15.

ными при подготовке клетки к делению ( РИС.1-16 ) .

м км

Ядро содержит большую часть ДНК эукариотической клетки . (А) На этой схеме ти ­

пичной животной клетки с м н огочисленными мембран н ыми ор ганеллами ядро окрашено в корич н евый
цвет, ядерная оболочка
и ее органел лы

-

-

в зеленый, а цитоплазма (внутреннее содержимое клетки, окружающее ядро)

белые. (Б) Электронная микрофотография ядра клетки мл екопитающе го. Отдельные

хромосомы не видн ы , так как ДН К на этой стадии клеточного цикла рас п ределена по всему объему ядра
в виде тонких нитей . (Б

-

с разрешения

Daniel S. Friend .)

Эукариотическая клетка

27


к онд е н с ированны е

ядерная оболочка

sщро

х ромосомы

ок руже н а дву мя раз1-1 1,1 ми мембра1-1 ами . Внутренняя мем­
б р,ша об разует н а правле нн ые внутрь митохо н д рии сю~а;t­
ки ( РИС. 1-18) . М итохо н дрии содержат собствеш, ую Д НК
и размножаются деле ни ем 1-щдвое. Поскольку м итохо , , дрии

во многом напоминают бактерий, с читается, что они п ро­
и зо шли от бактерий , кото рые бы ли п оrло ще 1-1ы какими-то
предка ми сов ре м е 1-111ы х эу кариот ( РИС .

1-19). Между 1<.пет­

ко. й -хозяи1-1Ом и этими бактериями возн ик симбиоз
~
25 м км
РИС .

1-16.

Хромосомы хорошо видны, когда клетка готовится к

-

они

помоr,u rи д р уг д р угу выжив ать и р азмножат ,,ся.

Наблюде ния под микро ско п ом сам и по себе мало что
п озволяют п о н ять в работе митохо н дрий. Их фующии

делению. П о м е ре п одготовки эука риотиче ской кл ет к и к дел е нию ее
ДН К становится компактнее , или конденсируется, об разуя п алочковид­
ные х ромосомы , различимые п од световым микроскопом . Н а фотогра ­

фии по каз аны три последовательны е стадии этого процесса в культиви­

руемой клетке и з легки х тритона . (С разрешения

Conly L. Reader.)

Ге 1-1 ет ич ескан 11нформаци я за писана н а ДНК и в про­

кариотических клетках, только у ни х нет яде рн ой оболоч ­
ки, отграничивающ ей хра ни лище ДНК от цитоплазм ы ,
сама ДНК имеется всегда .

Митохондрии извлекают из пищи
энергию для жизненных нужд клетки

Митохондрии (mi tocl1011dria) есть почт и во всех эукари оти­
ч ес ких клетках ; это одни из самых заметных органелл цито­

плазмы ( РИС. 1-17). Под электронным микроскопом видно

их очень характерное строение. Каждая митохондрия обыч­

но имеет сосискооб разную или вытянутую червеобразную
форму ; длина митохондрии

-

от

1 до

1-, ес кольких мкм. Она
(А)

L.__J
нм

100

(Б)

РИС.

РИС.

мкм

1-17. Митохондрии могут иметь разную форму.

1-18.

Митохондрии имеют характерное строение. (А) Элек­

тронная микрофотография поп е р е чного с ре за митохо ндрии . Видны хо­

~

10

(В)

рошо развитые впячивания внутре нней мембраны . (Б) Трех мерная схе­
На этой свето­

ма строения митохо ндрии. Пока за но вза имно е расположе ни е м е мбр а н .

вой ми к рофотографии клетки мле копитающего митохондрии окрашены

Наружная мембран а гл адкая , внутренняя образует плоские складки . Н а

в зеленый цвет флуоре с центным красителем . Видно , что они имеют

внутренней ме мб ра н е ра с положе но большинство белков, отвечающих

червеобраз ную форму. Ядро окрашено в синий. Митох ондрии

за клеточное ды ха ние ; складки обес печивают увеличение площади по ­

-

« элек ­

тростанции » клетки. Они о к и сляют молекулы пищи , производя пол ез­

в е рх ности , на которой происходи т этот процес с. (В) На схе м е строения

ную х имичес кую энергию почти у всех эукариотич еск и х клето к. (С раз­

клетки внутренн ее про стра н ство митохо ндрии окрашено . (А

р е шения

ш ения

28

Lan

Во

Chen.)

ГЛАВА 1. Общее представление о клетках

Daniel S. Friend.)

-

с разре­


предковая

дают даже более слож ным строе нием, чем митохондрии.

эукариотическая

эукариотическая

клетка

клетка с
митохондриями

Кром

двух окружающих их мембра1-1 [дву м е мбранное

строени е имеют хлоролласты высших растений, зеленых

и красных водорослей; у пл аст и д большинства других

групп водорослей имеют более сложное строение (окру­
жены тремя или четырьмя мембранами) и происхожде-

-+

1-1и е (воз никл и из эукариотическ их водорослей, прогло­

ченных клеткой-хозяином).

,.

пигм е нт хлорофилл (chloюpl1yll) ( РИС.1-20). Когда расте­
митохондрии

РИС. 1-19. Митохондрии , скорее всего , произошли от бактерий ,
проглоченных клеткой предков эукариот. Очевидно , митохондрии
п роизошли от бактерий , поглощен н ых клетками предков эукариот,

выживш их внутри них и вступ ив ш их в си мбиотические отнош ен ия с

1-21

можно сделать

ложный вывод, что наружная мембрана митохондрий и хлоропластов
гомологична мембране пищеварительной вакуоли клетки - хозяина. Н а

-

грамотрицатель­

н ые бактерии , имеющие две мембран ы ( пл азмати ч ескую и наружную) ,
так что обе мембраны этих органелл имеют бактериальное п роисхож­
дение.

-

ни е де ржат в темноте, е го зеленая окраска исч езае т;

ели

его возвращают на свет, зеле ная окраска с нова появля ет ­

митохондрии

самом деле предки хлоропластов и митохондрий

Прим. ред. ] , в хлоропла­

п уз ырьков , на мембранах которых находится зеле ный

бактерия - п редок

клеткой-хозяином [из этой схемы и схемы на рис .

-

стах есть внутренние стопки уплощенных мембраиных

Прим. ред.] .

ся. Это позволяет пред гюла 1·ать, что хлоропласты и при­
даю щий им зеле 1-1ую окраску хлорофилл как-то связа1-1ы
с воздействием света на растения и водоросли. Но каково

это воздействие?

И животным, и растениям требуется энергия для жиз1-1 ею1ых нужд, в том числ е для роста и размножения. Жи ­
вотны е могут использовать только химическую э н е ргию,

которую они получают при употреблении органических
веществ, созданных другими организмами. Но растения
могут 1-шпрямую полу чат~, э нергию и з солнечного света,

и хло ропл асты позволя ют это делать. Для существования

жизни на Земле хлоропласты выпоJшяют даже более важ­

ную работу, чем митохондрии. Они осуществляют процесс

были открыты путем измельчения клеток и последующе­

фотосинтеза : улавливая с помощью молекул хлорофилла

го разделения смеси клеточных фрагм е~rтов в центрифуге.

При этом органеллы разделяются в зависимости от свого размера, формы и плотности. Затем выясняли, какие

х лоропл асты

химические процессы протекают в выделенных митохо1-1 дриях. Так удалось установить, что митохондрии - гене­
раторь1 химической энергии для жизненных н ужд клеш и.

Они вырабатывают энергию за счет окисления молекул

11

111ци (таких, как сахара), производя адеиозиитрифосфор-

1·1~10 1сислоту (аденоз интрифосфат, или АТФ) (ad e nosiл e
tripl10sphate, АТР). Это <<химическое топливо>> обеспечи­
вает большинство эиергое мких процессов в клетках. По ­
скольку в процессе синтеза АТФ митохондрии поглощают
кислород и выделяют углекисдый ~·аз, говорят, что 01-1и
осуществляют клеточное дыхаиие. Процесс клеточного
д ы хания детально рассмотрен в гл . 14.

Без митохо~щрий грибы, животные и растения не
могли бы и с пользовать кислород для извлече1шя макси­
маль1юго коли•rества э1-1е ргии из пищи. Кислород был бы
ДJrя ни х ядовит, и они оставались бы анаэробами. Многие
Прокариоты анаэробны; но среди эукариот лишь немногие

(например, кишечный паразит лямблия (Giai-dia)) лише­

ны Митохондрий и постоянно обитают в среде, где кисло­
род Практически отсутствует.

(А)

РИС.

Хлоропласты используют энергию
солнечного света

Хлоропласты (cl1loroplasts) - крупные, зеленые орга­

неллы, которые присутствуют в клетках растен ий и водо­
Рос;~ей, но отсутствуют у животных и rрибоn. Они: обла-

(Б)

10 мкм
1-20.

Хлоропласты растительных клеток улавливают энер ­

гию солнечного света . ( А ) Отдельная изолирован н ая клетка листа зе­
леного растения , в которой в световой микроскоп видны многочисл е н ­

ные зеленые хлоропласты . (Б) Схема строения одного хлоропласта; по­
каза н а сложная система внутренних мембран, на которых расположен
зеленый пигмент хлорофилл , улавливаю щий энергию солне ч ного света.
( А - с разре ш е н ия

Preeti Dahyia.)

Эукариоти ч еская клетка

29


ра н няя

эукариотическая

клетка-эукариот

клетка, с п особ н ая
к фотосинтезу

Эндо п лаз м ати ческ ий рети кулум (ЭПС), или эидопла.з­
матическая сеть (eпdoplasmic

1·cticL1lu111, Е R) - зал утан1-1ы й

лабиринтвзаимосвязаrшых полостей, окружс 11ны х мембра­
ной ( РИС . 1-22). В это й Ltасти клетки образуется б6льшая
ч аст ь ее мембран, а таюке многи

вещества, пред 1-1 аз 1-1 а­

LJСНныс << на экс порт,>. Стопки уп ло щенr-п,rх, окруженных

мембра r-юй полостей
appaтatu s) ( РИС.

-

это аппарат Голъдж:и (АГ)

(Go lgi

1-23) , в который посту 1 1 ают многи е веще­

ства из Э П С. Там они L1асто химически модифицируются,
а зате м направляются во внеклеточ ну ю с реду или
хл ороп л ас т ы

фотоси н тез и ру ю щая
бакте р ия

РИС.

13

друr·ие

ч асти клет ки . В м елк их ор 1·а н е; 1 лах неJJрав ил ьной формы,

лизосомах

(lysosoines),

происход ит в нутриклеточное пи ­

щеваре ни е . Оно служ ит для переваривания пищи или для

Хлоропласты произошли от проглоченных клеткой

рас в~е пл е н ия 1-1 енужных молекул с целью их rroвтop r roгo ис­

бактерий. Считается, что хлоро пл асты п роизо шл и от симбиоти ч еских

пользования л ибо выведения из клетки. В м елких м ем бран ­

фотоси н тезирующих бактерий, п роглоченных клетками эукариот, уже

ных пузырьках, перо1ссисомах (p eгo x i so mes ) , протекают р е­

со держа щ их митохондрии.

акции, в ходе которых образуется и рас щепляется .перек ись

1-21.

водорода, опасное для клетки вещество. Мембрана образу ­
ет также сте1-1 ки многочи с;1 енr-Lых м ел ки х везикул

(vesicles),

эн е ргию света, испол ьзуют ее для синтеза богатых эн е р­

внутри которых перемещаются раз ные вещества от одной

гией молекул сахаров. В ходе фотосинтеза как побочный

м ембранной органеллы к другой. Вся система мембранных

продукт расте ния выделяют ки сло род. Затем р астител ь ­

органелл клетки показана на РИС.

1-24, А.

ные клетки по мере н еобходимости извле кают эту запа­

Между ЭПС, АГ, лизосомами и внеклеточной средо й

сенную э нергию для окисления сахара в своих митохон­

происход ит постоmпrый обмен веществами. Эти ве щества

дриях

та.к же , как это дела ют животные кл етк и. Так им

-

образом, хло роп ласты производят и пищу, и кислород,

п ереме щаются

внутри

м елки х

мемб раины х

п уз ырьков

(вез икул ) ; они отделяются от мембраны одной органеллы

которые за т ем используют все митохондрии. Как они э то

и СJrиваются с другой , как крошечиые разделяющиеся и

делают, см. в гл.

сл ив ающиеся мыльные пузыри. Например, част~, н аруж­

14.

Как и митохондрии, хло роп ласты соде ржат собствен­

ной мембраны клет ки может влячиватъся и оттточковы-

н ую ДНК, раз множаются делением надво е и являются по­

томками в данном случае фотосинтезирующих бактерий,
которых проглот или клетки древ них эукариот ( РИС. 1-21 ).

ядро

яд ер н ая

э ндоп лаз м атическая

о бол оч ка

сеть

Внутренние мембраны создают внутриклеточные
компартменты с разными функциями
Ядро, митохондрии и хл оропласты

-

н е един ственны е

мембранные органеллы эука риотиLrес кой клетки .

Ци­

топлазма соде ржит множ ество других стр уктур, выпол­

няющих разнооб разны е функции ; болъп rинство из них
окружено одинарной мембраной. Многие из этих орга­

н елл связаны со с по собност ью клеток поr·лощат ь пита­

(А)

т ел ьиы.е вещества и вы делят ь с инт ез ированн ы е в е r_цеств а

и вредные продукты обмена. Число одних мембранных
орга11елл

р езко

увелич е но

в

клетках,

с п е циал и з ир ую­

щи хся на секре ции белко п; д ру ги е особенно хорошо раз­

1

виты в клетках, с п е циализирующи хся на пер еварив а нии
инородных ч асти ц .

РИС .

1-22.

мкм

Многи е компоненты клетки образуются в эндоплаз­

матической сети . (А) Н а схеме строения животной клетки эндо п лаз ­
матическая сеть п оказа н а зеленым. ( Б ) Электро н ная микрофотография
ВОПРОС

1-5

А Как связано нал ичие двух мембра н у м итохондр ий с их п po­

rl' исхожден и ем?

8

Какая из митохо ндриал ьных мембра н прин адлежит предковой эукариотической кл етке ( см . рис . 1- 19

и примеча н ие к не м у)? У кажите н а эл ектро н ной м икрофотографии,

где находится митохондр и а л ьная ДН К (эта часть м и тохондрии соот ­
ветствует цитозолю предковой бактерии).

тонкого среза клетки поджел удочной железы мл екопитающего. В иден

неболь ш ой участок э ндо пл азматической сети (Э П С), которая хорошо

развита в этих клетках, специализирующи хс я на секреции белков . Об­
ратите внимание, что Э П С

-

продолжение внеш н ей мембраны ядерной

оболочки. Ч ер н ые гранулы , п окрывающие ч асть мембран Э П С ,

ГЛАВА 1. Обще е представл е ни е о клетка х

это

П окрытую рибосомами часть Э П С обычно называют шероховатой, или

гранулярной Э П С . (Б - с разрешения

30

-

рибосомы (молекулярные « машины » , осуществляющие синтез белков) .

Lelio Orci.)


(А)

РИС. 1-23. Аппарат Гольджи напоминает стопку
уплощенных дисков . Эту органеллу можно наблюдат

в световой микроскоп, хотя часто она малозаметна.

Аппарат Гольджи (АГ) задействован в синтезе и упаков-

(Б)

ке молекул , выделяемых кл еткой наружу. О н также н а-

правляет вновь синтезированн ые белки в надлежащие

мембранные

компартменты клетки. (А) Н а схеме животной клетки АГ

пузырьки

показан красным. (Б) Схема строения АГ, выполненная
на основе реконструкции по электронным микрофото-

аппарат Гольджи

rрафиям. Органелла состоит из уплощенных мембранных полостей (цистерн) , образующих слои . Вокруг цистерн - множество мелких пузырьков ; некоторые из

них отделил ись от цистерн, другие вскоре сольются с
ними. П оказана только одна сто п ка цистерн, но в клетке их может быть несколько. (В) Электронная микро-

ядерна я оболочка

фотография АГ типичной животной клетки. (В - с раз-

1 мкм

решения Brij J . Gupta.)

ват~,ся от 11овсрхности, формируя вез икулы, доста вляющи е
в нутрь клетки вещества из вне шн е й среды ( РИС. 1-25). Этот

ПОГЛОЩЕНИЕ ВЕЩЕСТВ

Р 0 цесс 11азываrот эидоцuтозо.м ( e пdocytos.is). Затем всзи1<Ул ы сливаются с окруже11 ными мембраной э1tдосо.мами
11

(endosomes). Созревая, эндосомы пре вращаются в лизосо-

пла з м а лемм а
митохондрия

ЦvПОЗОЛЬ

а пп арат

Гольдж и

ВЫДЕЛЕНИЕ ВЕЩЕСТВ

РИС .

везикулы

(А)

(Б)

РИС. 1-24. Мембранные органеллы, находящиеся в цитоплазме.
(А) Внутри эукариотической клетки есть множество разделенных мем­
бранами компартментов (отсеков) , и каждый предназначен для выпол­

нения отдельных функций. (Б) Остальной объем клетки заполнен полу­
жидким содержим ым , цитозолем (на схеме голубой).

1-25. Клетки эукариот способны к эндоцитозу и экзоцитозу.

Клетки мо гут захватывать ве щества из внеклеточной среды, заключая

их в мембранный пуз ырек (везикулу) , отпочков ы вающийся от наруж­
ной мембраны . Затем эти везикулы могут сливаться с лизосомами, где
происходит внутриклето чное пищеварение . П утем обратного процесса
клетка выделяет (секретирует) вещества , си н тезирова нны е в ЭПС и АГ:
в е щества за п асаются во в нутр иклеточных везикулах, а затем секрети­

руются при с лиянии везикул с пл азмал еммой.

Эукариотическая клетка

31


РИС.

1-26. Цитопла з ма наполнена органеллами и множеством молекул разно го р а змера. Этот

рисунок , основанный на данных о размерах молекул и их концентрациях в цитозоле , показывает, ка к
плотно ими заполнена цитоплазма . Н а левом крае рисунка

поверхность клетки ; показаны (слева на­

-

право) участки Э П С, А Г, митохондрии и ядра (у правого края). Обратите внимание , что некоторые ри­

босомы (кру п ные розовые ч астицы) свободно плавают в цитозоле, а другие находятся на поверхности
Э П С . (С разрешения

D. Goodsell.)

мы, где погл още111-r ые в е щ ества rтере вариваются. Путе м эн­

в 1-1утрь мембранных орган еш1 . В болы11инстве клеток цито ­

доцитоза многи е животн 1, 1 е кл етr< и могут з агла тывать оч е нь

золь

кру пны е частицы, в том числе целы е чуж ерод ны е кл етки.

множество круп н ы х и м ел ки х моле кул , набиты х так плотно ,

При обратном п роцессе, Э1Сзоцитозе

LJTO

(exocytosis),

к которо ­

-

это наибол ее крупн1,1й ком1 1 артме нт. Он содержит

о н и ведут себя с корее как водный гель, че м как жидки~,

му тоже способны многи е клеп<и , везикулы сливаются с

раствор ( РИС . 1-26) . В 1 (итозол е проте кают многи е химич е­

п лаз мале ммой, и синтез ированны е внутри кл етки в е щества

с ки е реак11ии , необходимые дл я ж из ни кл ет ки , н а прим е р

попадают во вн ешнюю среду

(см.

рис.

1-25).

Кл етки выде ­

п

ляют путем э кзоцитоза (се кретируют) больши н ство гормо­

рвы е :=этапы расще пл е ния мол е кул питател ьных в е щ еств .

В цитозоле происходит од ин и з главных с интетически х

нов, 1-1 ейром едиаторы и другие сигнальные мол е кулы . Об­

процессов в клетке

м е 11 белками и д ругими мол е кулами между м ембранными

лярные маши н ы, создающи е моле кулы белков

орга 11 ел лами детальнее рассматривается в гл.

-

си н тез белков. Рибосомы - мол е ку­

-

вид ны в

эл е ктро 1-1 1 1 ый микроскоп как мелкие ча стицы , нах одящи еся

15.

н цитоз оле; многи е из них прикреп ле ны к вн е 11 1 н е й сторон е

Цитозоль

-

мембран Э ПС (см . рис.

концентрированный водный гель

1-8, Б

и

1-22, Б).

из крупных и мелких молекул

Цитоскелет отвечает за клеточную подвижность

Если бы можно было снят,, с эукариотической кл етки 11 лаз­
малемму, а затем удалит~, все мембра,шые органеллы , то мы

Цитоп л азма

бы пол у L1или цитозол:ь

(cytosol) ( см. ри с . 1-24, Б). И н ыми

и орга,-,елл. С помощыо электронного микро с копа мож н о

это част~, цитоп л аз мы , н е заюноч е н н ая

у видет1, в цитоз оле сеп, длинны х бел ковы х 11ите й . Ча сто

словами , цитоз оль

-

-

н е 1 1 росто бесстру кту рный су п из моле кул

(В)

50
РИС.

м км

1-27. Цитоскелет - сеть и з белковых нитей в цитоплазме клеток эукариот. Филаменты (нити)

из белков образуют сеть внутри всех клеток эукариот. Он и п оддерживают в н утре н нюю структуру и регулируют работу клетки , позволяют ей двигаться и менять форму. С помощью разн~1 х флуоресцентны х
красителей можно выявить разные ти п ы филаментов . На рисунке показаны: актиновые филаменты (А) ,

микротрубочки (Б) , п ромежуточ н ые фил аменты (В). (А
с разре ш ения

32

Nancy Kedersha;

В

-

с разрешения

ГЛАВА 1. Общее представл е ние о клетках

- с разре ш ения Simon Barry и Cris D'Lacey; Б Clive Lloyd .)


РИС .

1-26 . Продолжение .

эти нити заякоре ны одним концом н а наружной мембра­

Поскольку цито скелет управляет не только внешней

не ИJ!и расходятся от цент ра, находящегося возле ядра .

формой клетки, но и ее внутре нней структу рой , он н еоб­

Эта система белковых нитей наз 1 шается цитоскелетом
(cytoske1eton) (РИС. 1-27) . Наиболее тонкие из фила­
ментов - актиновые фwtам.енты, или лtuкрофилам.еиты
(actin .filaments) . Они имеются во всех клетках эукари­

ходим как ра стительным

клеткам, заключе нным в проч ­

ную сте1-rку из внекле точного в е щества, так и животным,

способным свободно и згибаться, вытягиваться, плыть или
полз ти. Наприме р , в расти тельны х клетках митохондрии

от, но особенно много их в мышечных клетках, где они

постоянно д вижутся в цитоплазме по к ругу вдоль « р ел ъ­

образуют часть аппарата, обеспеl1ивающего сокращен и е

сов~ из нитей цитоскелета. И животные, и растителыrые

мышц. Наиболее толстые нити н азываются микротру­

бочками (microtuЪu l es) и 11редставляют собой тонкие

клетки нуждаются в цитоск елете для распределения с вои х
компонентов между дочерним и клетками в ходе клеточно­

полые трубки. В делящейся клетке они р еорганизуются

го деления. Воз можно , участие в делеиии клетки

в веретено деления ( РИС . 1-28), которое растаск ивает по­

лее древняя из функций цитоскелета: даже у бактерий естъ

ловинки удвоившихся хромосом к полюса м и помогает

белки, отдаленно родственные белкам актиновых микро­

поровну

филам ентов и микротрубочек эукариот и играющие ролъ

ю, етками .

распредел ить хромосомы
Промежуточные

между дочерними

филам.виты

(iпte гm ed . i ate

fi lam.ents) по тол щине зан имают промежуточное положе­

ние между актиновыми фила ментами и микротрубочка­

наибо­

-

в клеточном делении. Мы подробно разберем цитоскелет
в гл.

17 и рассмотрим его

роль в делении клетки в гл .

его ответ на сигналы, получаемые клеткой

-

в гл.

18, а

16.

ми. Они обеспечивают механическую проlшо сть клеток.

Вместе все три типа филаментов и ассоциированные с

ними белки образуют с истему балок, веревок и моторов,
I<оторые придают клетке прочность, контролируют ее

Цитоплазма находится в постоянном движении
Внутри клетки происходит постоянное движе ние. Цито­

Форму, управляют ее движениями и направляют в н уж­

скелет

ную сторону ( см. ВИДЕО 1.2 и ВИДЕО 1.3) .

которые постоянно сплетаются и расплетаются. Отдель­

-

это динамичная сетъ и з << Веревок,> и « пруть евi>,

ные его нити могут собираться, а затем вновь распадаться
за нескольк их минут. Вдоль этих трасс и кабелей туда-сю­
да с ную т в ези кулы и д р угие органеллы, иногда п е р есекая

всю клетку всего з а секунду. Мол екулы внутри ЭПС и в
цитозо ле находятся в по стояшюм хаотическом т е плово м

движе нии. Незакрепленные молекулы белков снуют при
этом так быстро, что, хотя они движутся по случайным
траекториям, в течение н ескольких секунд они пос ещают

каждый у голок клетки и постояш-ю сталк иваются с более
м елк ими органическими молекулами, которы е движутся

е ще быстрее

ВОПРОС

-

как песчинки при пыльной буре .

1-6

А По каки м п рич и н ам для эука р иот могло оказаться вы годны м

rl' приобретение м еханизма погл о щения ве ществ из окружаю-

8
РИС.

1-28.

щей среды , которы й показан на р ис.

1-25?

Микротрубочки обеспечивают равное распределение

Хромосом между дочерними клетками при делении . П ри делен ии
клетки ее ядерная оболоч ка обыч но разрушается, а ДНК конденсирует­
ся в Удвоенные хромосомы; их полови н ки переносятся с помощью ми­
кротрубочек к полюсам, попадая в итоге в дочерние клетки . На микро­

фотографии, полученной с помощью трансмиссионного электронного

микроскопа, видны микротрубочки, расходящиеся от противоположных
полюсов веретена деления. (С разрешения Conly N. Reader.)

ВОПРОС

1-7

А Каков ы п реи мущества и недостатки световой и эл ектрон­

rl' н ой микроскоп ии? С помощью каких методов можно изучать

8

строе н ие (а) живой кл етки кожи, (б) митохондри и дрожжей,

(в ) бакте р ии и (г) мик р от рубоч ки?

Эукариоти ческая кл етка

33


ТАБЛИЦА

1-1. Некоторые важные открытия в истории изучения строения клетки

1665

Гук с помощью примитивного микроскопа описал мелкие ячейки на срезе пробки , которые он назвал клетками

1674

Левенгук описал протистов

1833

Браун опубликовал результаты изучения микрос к опического строения орхидны х , где впервые четко описал клеточное ядро

1838

(cells).

(protozoa). Девятью годами позже он впервые увидел бактерий (bacteria) .

Шлейден и Шванн сформулировали клеточную теорию (cell theory) , утверждая , что клетки с ядром

-

(nucleus).

универсальная элементарная единица

строения животных и растений.

1857

Келликер описал митохондрии

1879

Флеминг подробно описал поведение хромосом

1881

(mitochondria) в мышечных клетках.
(chromosomes) во время митоза в животной клетке .

Кахаль и другие гистологи разработали методы окрашивания , позволяющие выявить строение нервной клетки

(nerve cells) и структуру нерв­

ной ткани .

1898
1902

Гольджи впервые увидел и описал аппарат Гольджи
Бовери предположил участие хромосом

(Golgi apparatus), окрашивая клетки нитратом серебра.

(chromosomes) в передаче наследственных признаков,

наблюдая за поведением хромосом при по­

ловом размножении .

1952

Паллад, Портер и Сьестранд разработали методы электронной микроскопии

(electron microscopy), позволившие впервые увидеть многие

внутриклеточные структуры. Одним из первых применив эти методы , Гексли показал , что в мышцах есть упорядоченно расположенные белко­

вые нити (впервые обнаружив цитоскелет

(cytoskeleton)).

1957

Робертсон с помощью электронной микроскопии впервые наблюдал двуслойную структуру клеточной мембраны

1960

Кендрю впервые подробно описал трехмерную структуру белка

(cell membrane).

(protein structure) миоглобина (myoglobin) кашалота с разрешением 0,2 нм ,

используя рентгеноструктурный анализ . Перутц (с меньшим разрешением) расшифровал структуру гемоглобина (haemogloЬin) .

1965

Кристиан де Дюв с соавторами , используя метод фракционирования, выделили пероксисомы

(peroxisomes) , митохондрии и лизосомы

(lysosomes) из клеток печени крысы .
1968

Петран и его сотрудники сконструировали первый конфокальный микроскоп

1974

Лазаридес и Вебер использовали флуоресцентные антитела

1994

Чалфи с соавторами использовали зеленый флуоресцентный белок (green fluorescent protein, GFP) как маркер для наблюдения за поведе ­

(confocal microscope).

(fluorescent antibodies) для окрашивания цитоскелета.

нием белков в живой клетке .

Конечно , ни беспокойный характер клеточного содер­
жимого, ни детали внутренней структуры клетки еще не

были известны, когда ученые лишь начали наблюдать за
клетками в микроскоп. Наши знания о строении клетки
накапливались в течение длительного времени. Некото­
р ые из ключевых открытий на этом пути перечислены в

ТАБЛ.

1-1. На ВКЛАДКЕ 1-2 показаны разл ичия между жи­

вотиой, растительной и бактериальной f(Летками .

Эукариотические клетки, вероятно, приобрели свои
признаки из-за перехода к хищничеству

Эукариотические клетки обычно примерно в
ше по линейным размерам, а значит, в

10 раз боль­
1000 раз больше по

объему, чем прокариотические (хотя среди каждого типа
клеток размеры варьируют в очень широких пределах ) .

Кроме того, эукариоты отличаются от прокариот целым
комплексом признаков

-

•

Фотоси нтезирующие бактерии отн осятся к ра з ным группам (они есть среди
грамотрицательных и грамположительных бактерий), а не представл яют собой
единой филогенетической ветви прокариот . - Прим. ред.

наличием ,1итохондрий и дру­

гих мембранных органелл, цитоскелета.

РИС.

1-29.

Как возникли эукариоты? Линии эукариот, бактерий и ар­

Когда и ка1< у эукариот возникли эти признаки, остает­

хей разошлись на очень раннем этап е э волюции жизни на Земле . Позд­

ся загадкой. Хотя эволюцио1шые линии эукариот, бактерий

нее эукариоты приобрели митохо ндрии , а еще позднее не которые из

и архей воз никли уже на ранних этапах развития жизни на

ни х приобрели хлоропласты. У растений , жи вотны х и грибов митохон­

Земле (см. гл.

др ии очень похожи, видимо, они были приобретены их общими пред­

14),

эукариоты приобрели не все свои при­

знаки в один и тот же период ( РИС.

34

1-29). Согласно одной

ГЛАВА 1. Общее представление о клетках

ками однократно до дивергенции этих групп .


вн еклеточны й м ат ри кс
хромати н (д Н К)
ядер н а я п о р а

i
в е зикулы

.....
·'
~

..

.·...~'.

..•··
5 м км

эндо пл азмат ическая

аппарат

п ромежуточные

Гол ьджи

фи ламенты

Три типа клеток изображены здесь
более реалистично, чем на схе­
матичном рис . 1-24. Для одних и
тех

же

компонентов

исполь з ованы

В

качестве

клетки

одинаковые

примера

ве зде
цвета.

яде рн ая

--~1-+,->-1mь.:-,•.с;,::

пора

животной

клетки представлен фибробласт клетка соединительной ткани, об­

клеточ н ая
сте н ка

разующая ме ж клеточно е вещество

микро­

(внеклеточный

трубочка

ма т рик с ) .

Микро­

фотографию живого фибробласта
см . на рис . 1-7, А В качеств е при­
мера

бражена

вакуоль

и зо­

(заполнена

молодая

клетка листа .

жидкость ю )

также

палочковидна я

растительно й

Показана

клетки

бактерия с одним ж гути к ом, обе ­
спечивающим подви ж ность .

ДН К

плазма л емма

р ибосом ы
кл еточная сте н ка

_ __ ......._..._.,___

в цитозол е

акти н о вы е

- - --++-+-

микроф ил а м енты

БАКТЕРИАЛЬНАЯ
КЛЕТКА

РАСТИТЕЛЬНАЯ
КЛЕТКА

митохо ндри я


100

м км
(Б )

РИС.

1-30. Один протист заглатывает другого. ( А ) Didinium сам по себе, без добычи. Видны венчики
Didinium заглатывает другую инфузорию , Paramecium.
( С разре ш ени я О . Barlow.)
ресн и чек и «хобот » н а переднем конце тел а . ( Б )

( Б)

1----i

( Г)

РИС .

1-31 .

1------1

(д)

t-----i

Клетки протистов , демонстрирующие огромное разнообразие этой группы одно ­

клеточных организмов . М асштаб разный , на каждом рисунке показана масштабная линейка в 1О мкм .
(А " Б , Д , Ж , И) Инфузории . (В) Эвгленовая водоросль . (Г) Раковинная амеба .

панцирный жгутиконосец . (К) Солнечник . ВИДЕО

Biology of Protozoa. London: Edward Arnold, 1973.)

36

ГЛАВА 1. Общее представление о кл етках

(3) Динофлагеллята , или
1.4 (С разрешения Edward Arnold и з: М .А. Sleigh, The


из теорий, 1·1редки эу кариот стали хищниками: о~rи начали

виды быстро размножаются и подходят для генетических

пита~ъся, заглатывая дру r· ие клетки. Такой образ жизни

ма,-rипуляций; некото ры е многоклето,1 1-1ые проз раl11-гы , так

требовал наличия ,-ибкой наружной мембра11ы, увеличения

,по можно н епосредственно наблюдать за развитием всех

раз меров и усложнения цитоскел ета , поз воля ющ го быстро

их внутре 111-tих тканей и органов. По этой причине большие

I\Виrаться и ловит~, добычу. Яде рный компартмент мог воз­

сообщества биологов сосредоточились на изучении раз ­

ник11уть для изоляции ДНК от бурлящего котла подвиж­

ных аспектов биологии немногих избраю-1 ых вилов. Объ­

ной и химически активной цитоплазмы, что поз волило
клетке осуществлять более то нкий и сложный контроль

едине1шые усилия поз воляют дости'!Ъ более глубокого их
гrо1-1има11ия, чем если бы те же учею,1 е изучали множество

считываr-1ия своей ген етич еской информации.

разных видов . Данные, полученные в ходе таких исследо­

Видимо, таки е примитивные эукариоты, уже имевшие

ваний, позволяют лучше понять, как работают все клетки.

ядро и цитоскелет, << н аглотались>> свободноживущих аэроб­

Хотя список деталыю изучаемых организмов рас ширя ется,

нь, х бакте рий , которые стали предками митохондрий (см.
рис. 1-19). Считается, что этот симбиоз возник 1,5 млрд

ству информации, накопленной за долгие годы их исследо­

некоторые из них за нимают особое положение по количе­

лет назад, когда в атмосфере Земли впервы е повысилась

вания. В следующих разделах мы рассмотри-м некоторые из

концентрация кислорода

совреме1шым даныым, окси­

таких модельных организмов и те преи-мущества, которы е

rенный фотосинтез возник (или широко распространился)

каждый из них имеет при и зучении клеточной биологии и

[по

2,6- 2,5 млрд лет ~,азад; в этот период ко~щентраr.(ия кисло­

во !\IIногих случаях для раз вития медицины.

рода в атмосфере резко повысилась и доститла прим ерно

10% от совремеи н ого уровня. - Прим. перев. ] . Некоторые
эукариоты поздиее приобрел и хлоропласты , проr-лотив фо­
тос1111тезирующих баt<Терий (см.рис.

1-21

и

1-29).

Миоги е современные одноклето,mые эукариоты тоже

Молекулярные биологи сосредоточились
на изучении

Esherichia coli

Из тьмы мира бактерий прожектор молекулярной био­

активно двигаются и питаются, заглатывая дру гие клет­

логии

ки. К ним относятся представители сборной группы эука­

Escherichia coli,

риот

первую

очередь

выхватил

сокраще нно Е.

coli (см.

кишеч:ную

рис.

1-11).

пало чку

Эта мел­

(protozoans). Например,

кая, палочковидиая бактерия в норм е присутствует в ки­

И11фузо рия Didinium - крупный хищный протист. Диаметр

шеЧ]-JИК людей и друпrх по звоночных, и ее легко оыращи­

-

протисты, или простейшие

в

ее 1<летки достигает

150

мкм (примерно в

10

раз больше

вать в простой питательной среде в культуральной колбе.

диаметра средней по размеру клетки человека). Округлое

Е.

тело инфузории н есет два венчика ресничек, а на переднем ,
УГiлощеююм конце находится короткий хоботообразный
вырост ( РИС. 1-30). Didinium быстро плавает с помощью
ресни'-fек. Когда она находит подходящую добычу (обычно

сrшх параметров окружающей с реды и бы стро размножа­

coli

легко сп равляется с изменениями многих химиче­

ется. Генетическая информация этой бактерии записана в
еди н ственной J<ОJLЪцевой двухцегrочечной молекуле ДНК

длиной около

4,6

млн пар нуклеотидов, и она производит

это другие инфузории), из хобота выбрасываются мелкие,
мrrогочисленные парализующие жертву ~д ротики >> ( особые
органеллы) . Зат м Didinium прикрепляется к добыче и за­
глатывает ее, превращаясь в rюлый шар, чтобы окружит ~,
:же ртву почти равных с 1-гим размеров.

лучше, чем какого-либо другого живого организма. Боль­

Именно к лротистам относятся наиболее сложно

ении ДНК и считывани и генети,rеской информации при

устрое1-т 1-1ы е клетки. На РИС. 1-31 показана тол.ько часть
раз нообраз ных форм протистов. Столь же разнообраз­
но и их поведение: среди них сть фотосинтезирующие
и хищные, подвижные и сидячие. Строение ч асто весьма
CJroжrюe; встреLJаются такие органеллы, как се н со рные вы­
росты , фоторецепторы , подвижные реснички, стебельки,
1

<леточ1-1ый рот и клеточ_1-1ая глотка с особым вооружением,

около

4300

разных белков.

На мол е кулярном уров н е работа клетки Е.

coli изучена

шинство наших зна ний о фундаментальных механизмах

функционировааия живых клеток, в том числе об удво­
синтезе белков, полученr,1 при изучении Е.

coli.

Дальн е й­

шие исследования показали, что в наших клетках эти про­
цессы

происходят

во всех существенных деталях

гrочти

так же, как у кишечной 11 ало,1 ки.

Пекарские дрожжи

-

простая модельная

выбрасывающиеся органеллы нападения и защиты, раз­

эукариотическая клетка

ЛИ'-/1-rы е сокращающи еся структуры. По сложности строе­
~r ия и разнообразию одноклеточные протисты не уступа­

Мы чаще изучаем эукариот, посколы<у сами к ним при­

ют многим многоклеточным оргюшзмам .

с ними трудно работать . Если необходимо разобраться в

надлежим. Но ч еловеческие клетки довольно сложны, и

основах биологии эукариотической клетки, лучше сос ре-

МОДЕЛЬНЫЕ ОРГАНИЗМЫ
читается, что все клетки происходят от общего пред­

rса, и его главные при знаки сохра1-1ю1ись в ходе эволюции.

Поэтому знаиия, полученные при изучении од~1их орга­

низмов, часто можно применить при изу ч нии других, не
исюrючая и человека. Но одни организмы л е 1·че изучать в

лабораторных условиях, а другие - сложнее. Некоторые

ВОПРОС

1-8

А Ваш сосед по лестничной клетке пожертвовал 100$ на под­

rl' держку исследований рака и был в ужасе , когда узнал , что его

8

деньги были потрачен ы на изучение пекарских дрожжей . Как

бы вы помогли ему обрести душевный покой?

Модельные организмы

37


Arabldopsis thaliana был избран модельным объектом
среди 300 ООО видов цветковых растений
Крупные многоклеточные организмы , которые мы видим
вокруг

-

и животные, и растеNия,

-

кажутся фа~пастиче­

ски разнообразными. Но 01-1и имеют гораздо большее род­
ство друг другу и более близки по особенностям клеточного
строения и пов еде ния , чем разные представители 0 1·ром 1-rой
группы

микроскопических

одноютетоt~ных

организмов.

В то время как линии бактерий, архей и эукариот отделилисъ
друг от друга более 3 млрд лет назад, линии растений, жи­
вотных и грибов разошлись всего около 1,5 млрд лет назад,
рыбы и млекопитающие - всего 450 млн лет назад, а разные
виды цвешовых растений

-

менее

200 млн лет 1-1 азад.

Тес 1-юе эволюционное родство всех цветковых расте­
ний ознаLJает, что мы можем понять их клеточную и моле­

L__J

10

мкм

кулярную биологию, сфокусировавшись для детального
анализа на нескольких наиболее подходящих для изуче­
ния видах. Из нескольких сотен тысяч видов современ ных

РИС.

1-32.

Дрожжи

Saccharomyces cerevisiae -

модельный эука­

риотический организм. На этой микрофотографии, полученной с
помощью сканирующего эле ктронного микроскопа ,

видны несколь ­

ко кл еток дрожжей, находящихся в процессе деления (почкования) .

Другая микрофотография того же вида дрожжей представлена на
рис.

1-14. (С разре ш е ния lra Herskowitz и Erik Schabatach.)

доточиться иа изучеиии более простого и быстро размно­
жающегося вида. Чаще выбор падает

1-ia такой

<1простей­

ший ,> эукариотический организм, как пекарские дрожжи

Saccharomyces cerevisiae

( РИС. 1-32), тот самый микро­

организм, что используется

при

приготовлении пива и

дрожжевого теста.

Мелкий одноклеточный гриб

S. cerevisiae,

по совре­

меиным данным, как и другие грибы, ближе к животным,
чем к растениям. Его относительно 1-1 егюдвижные клетки
имеют

жесткую

клеточную

стеику,

содержат

митохон­

дрии, но не соде ржат хлоропластов. Когда пищи достаточ­

но, ои разм1-южается почти так же быстро, как бактерия.
Поскольку в ядре

в

2,5

S. cerevisiae содержится лишь примерно
coli, этот вид хоро шо под­

раза больше ДНК, чем у Е.

ходит для генетического анализа. Несмотря на маленький
(для эукар иот) размер генома, клетка

S.

ceтevisiae уме­

ет решать все основные задачи, которые решают другие

эукариотические клетки. Ген етические и биохимические
исследования дрожжей сыграли важнейшую роль в пони­
мании механизмов функционирования эукариотической
клетки, включая регуляцию клеточного цикла

-

цели со­

бытий, в ходе которых компоненты ядра и дру 1·их частей
клетки удваиваются и

распределяются

между двумя до­

черни ми клетками. Оказалось, что управляющие клеточ1-1 ым делением механизмы столь консерватиш-1ы и так мало

изменились в ходе эволюции, что м~югие их элеме н ты у

дрожжей и у клеток человека взаимозаменяемы. Если у

мутанта дрожжей не работает какой-то ген, необходимый
для нормального деления

клетки, то введение

в клетку

копии соответствующего гена человека может исправить

РИС .

1-33.

AraЬidopsis

thaliana,

резуховидка Таля,

-

модельный

вид цветкового растения. Этот мелкий сорняк стал любимым орга­

этот дефект и восстановитr, способность к нормальному

низмом молекулярных биологов и биологов развития , изучаю щих рас­

делению (см. раздел ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ , с.

тения. (С разрешения

38

39- 41).

ГЛАВА 1. Общее представление о клетках

Toni Hayden и John lnnes Centre.)


цветковых растений, населя ющих Землю, мол екулярные

биологи начали интенсивно изучать мелкий [в вы соту
обычно 10- 20 с м. - Прим . перев.] сорняк - резухови дку,
или арабидопсис

Arahidopsis thaliana

( РИС. 1-33). Ее ле гко

выращивать в больших количествах в лабо ратории, и ч е ­

рез 8-

10 н едел ь после прорастания се мян каждое расте ни е

дает тысячи семян нового покол е ния . Геном резухо видки
соде ржит около

110 млн пар оснований (приме рно в 8 раз
больше, чем у дрожжей), прич ем и звестна ет полная ну­
клеотидная

информацию

последовател ьность.

Изучая

генетическую

Arahidopsi.s, мы начинаем лу чше понимать

ге нетику, мол екулярную биологию и э волюцию цвет­

ковых растений

-

группы организ мов, доминирующей

почти во всех н аземных экосистемах. Поскольку гены ,

найденные у Arahidopsis, есть и у сельскохозяйстве нных

1

растений , изуч е ние этого простого сорняка обеслечивает

мм

знание развития и физ иологии культурных растений, от

РИС.

которых зависит наша жизнь, а также всех остальных рас­
тений, которые нас окружают.

ков и биологов развития. Молекул ярно-генети ч еские иссл едования ,

1-34. Drosophila melanogaster -

любимый организм генети­

проведенные на этой мелкой мухе , дали ключ к п ониманию механизмов
раз в ития мно гоклеточ н ы х животных. (С разре ш ения Е. В.

Lewis.)

Главные модельные объекты среди животных муха, круглый червь, мышь, рыба и человек

Многоклеточные животные составляют большинство из

значительной степени благодаря исследованиям этого на­
секомого. Выполненные более

80 лет назад

работы на пло­

всех описанных систематиками видов живых ореанизмов ,
а среди животных большинство составляют насекомые.

довой мушке дали четкие доказательства того, сrто гены

ка-дрозофила Dтosopliila melanogaste1' (РИС. 1-34), за:~шмает
центральное место в биологических исследованиях живот­
ных. Основы классической генетики были разработаны в

лия на то, чтобы подробнее изучить генетику дрозофилы,

Естественно, сrто именно насекомое, мелкая плодовая муш­

единицы наследств енности

-

-

~,аходятся в хромосомах. За

последние два десятка лет бы ли затрачены большие уси­
и в особенности генетические механизмы эмбрионалыrо­
rо и личиночного развития. Благодаря этим работам мы

rnдBHblE СВОЙСТВА живого
Все живые существа состоят и з клеток, а все кл етки, как
nоказано 13 этой главе , имеют фундаментальное сходст130
в ме анизмах работы. Все они содержат генетическую

информацию, записанную в молекулах ДНК, которая на­
правляет синтез белков . Белки, в свою очередь, участву­
ют 13 химис1еских реющий в клетках , придают им форму и
I<онтролируют их поведение. Но насколько глубоко сход­
ство всех клеток? Все ли части разных клеток взаимоза­
меняемы? Будет ли фермент, расщепляющий глюкозу в
клетке бактерии, работать в клетках дрожжей, омара или
человека? А как насчет молекулярных механизмов, ко­
nи~у~ощих и считывающих генетическую информацию?

де»ствительно ли они фу1-rкционально эквивалентны у

разнЬ!х организмов, а их молекулярные компоненты вза­
~мозаменяемы? Ответы можно получить разными спосоами, и один из наиболее показательных - опыты по из­
Учению одного из главных свойств живоm, способности
клеток к дел е ,шю .

Делись или умри
Все клетки возникают из предш ествующих клеток, и един­

ственный способ увеличения числа клеток

-

это их деле­

ние. Перед размиожением материнская клетка должна
проделать определенную последовательность действий,

благодаря которым она удваивает свое содержимое и де­
лится надвое . Эти важнейшие процессы удвое J-Jия и деле­
ния

-

юtето-чиый ЦИ1<Л

(cell cycle) -

тщательно контроли­

руются с помощью сложных механизмов. Дефект любого

из белков, участвующих в контроле клеточного цикла, мо­
жет оказаться фатальным для клетки.

К сожалению, летальный эффект мутаций, затрагиваю­

щих клеточный цикл, - большая проблема для тех, кто из­
учает компоненты системы его регуляции и механизмы их

работы. Ученым нужны мутанты для выявления функций

генов и белков: если ~:ен необходим для каJ(ого-то процесса,
то мутация, нарушившая работу гена, вызовет и нарушение
Продолжение иа с.

Модельные организмы

40

39


ГЛАВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО (продолжение)
данного процесса. Анализируя нарушения, возникшие у

Ближайший родственник

мутант1-1ых организмов, мы можем выявить те фующии , за

Дрожжи относятся I< одиою1 етОLНfЬJМ грибам и часто и с­

которые ответственен мутировавший ген, а с помощью а н а ­

пользу ются при и зучении клеточного деле ния. Эти 1-1 е­

л иза ДНК мутанта можно обнаружить сам этот ген.

большого р аз м ера эука риоты про сты, быстро делятся и

Однако дл я такого анализа недостаточ но одной му ­

удобны для экс п е рим ентал ьного и зуче ния . Наиболее

тантной клетки: н еобходима большая ко1ю~1ия клеток,

изу LJенный вид дрожж ей,

н есущих данную мутацию . Получить ее невозможно , если

делении образует маленькую почку, которая постепе нно

мутация

реше ни е этой проблемы. Мутантов , у которых нару шен

( см.
1-14 и 1-32). Предста витель д ругого вида д рожжей,
5accaromyces ротЬе, тоже широ ко используется для и з­

клеточный цикл , можно и зу ч ать, есл и их мутации услов­

у че ния кл еточ1-t0го цикла и деле ния кл еток [по совре­

иые

зат р агивает

таки е

жизнен но

важны е

проц ес ­

сы, как клеточное деление . Ген етики нашли хитроумное

при

р астет, а зате м отделяетс я от мате рин ской клетки

рис.

мениым да нным ,

не только к д ру­

ге на не работает только при определенных условиях . В

гому роду

к д ругому классу

частности , иногда удается обнаружить температурочув­

и подтил у су мчатых грибов. - Прим. ред .] . Его видово е

(conditional).

Это оз начает, что продукт мута нтного

5accaromyces ce1·evisiae,

5. ротЬе относится
(5chizosaccharomyces), но и

ствительные мутации. Мутантные белки н ормально ра­

н азва ни е дано по н азва нию африканского пив а, и з ко­

ботают при более низкой температуре, и клетки мо,-ут

торого он вп е рвы е был и зол ирован . Кл етк и

раз множаться. Но повышение температуры выз ывает

п алочковидные; при рост е они удлиняются, а зат е м де­

нару ш ение структуры мутантного белка,

лятся пополам , путе м формирования клеточной стенки

01-r

пе рестает

работат,, , что и поз воляет выявить конкретный дефект

5.

ротЬ е

п осередине клетки.

1-35). Изу че ,ш е таких условн ых

Хотя почкующи еся и делящиеся дрожжи различ а­

мутантов дрожжей привело к открытию генов, р егул иру­

ются по сГJособу деле ния клетки, оба этих вида пе р ед

ющих клеточный цикл (ге нов

деле нием долж ны уд воить свою ДНК для дал ы-, ейш ей

клеточного ци кла ( РИС.

Cdc),

и поз волило понять

механи з мы их работы.

п е реда чи ее потомкам. Чтобы выя снить, взаимозаме ня ­

Как оказал ось , темпе ратурочувствительные мутанты

дают возможность понять , вза имозаменяемы л и белки

е мы ли белки 5. cerevisiae и 5. ротЬ е, контролирующие
клеточн ы й цикл , Па ул ь I-Iepc (Pat1I Nuгse) и его коллеги

разных организмов. Может ли белок организ ма другого

решили пров е рить , может л и ге н

вида исправить дефект р егуляции клеточного цикла у му ­

дефект клеточного цикла у мутанта

танта дрожжей и позволить ему нормалт,но раз множать ­

была л олучена

ся? Первый такой экспе римент был проведен с использо­

мутантов

ванием двух раз 1-1ых видов дрожжей .

точный цикл при

5.

5. ce1-evisiae исправить
5. ротЬ е. Сначала

колония температурочувствителr,ных

ротЬе, н е способных осуществлять кле­

35

° С. У этих мутантных клеток был

колонии , получившиеся

путем множества циклов

колония, образованная

деления единичной

мутантной клеткой,

исходной клетки

делящейся при низкой
температуре

колонии переносятся

на две идентичные

чашки Петри и выращиваются

клетки с вызванными мутациями ,

при разной температуре

при высокой температуре
мутантная клетка не может

делиться и образовать
колон ию

высеянные на питательную среду

в чашке Петри и выраще нные до

образования отдельны х колон ий при

РИС.

1-35. Клетки

23 ·с

дрожжей, содержащие температурочувствительные мутации, можно полу­

чить в лаборатории. К культуре клеток дрожжей добавляют вещество , вызывающее мутации в их ДНК .
Затем их высевают на твердую культуральную среду и дают размножиться при низкой температуре . В
этих условиях клетки , содержащие температурочувствительную мутацию, как и немутантные клетки ,

нормально делятся, и каждая дает видимую невооруженным глазом колонию. Колонии переносят на две

идентичные чашки Петри, используя так называемый метод реплик . Одну из этих чашек содержат при

низкой температуре, а другую - при высокой , при которой мутантный белок не работает, а нормальный
работает. Клетки с температурочувствительной мутацией в каком-нибудь гене , необходимом для раз­

множения , могут делиться при низкой температуре, но перестают делиться при высокой.

40

ГЛАВА 1. Общее представление о клетках


жевых клеток ( см. рис.

,,..,_, ,,..,_,
,,..,_,,,..,_,
,,..,_,,,..,_,,,..,_,
,,..,_,,,..,_,,,..,_,
,,..,_,

ме 1-1т ДНК

фрагментов
ДНК из клеток

ла

5. ceтevisiae,

соде ржащий соответствующий ген

(Lee

H,н-twell) с соавторами по изучению клеточного

цикла почкующихся дрожжей.

другого вида

Допустим , этот результат не так уж удивителе н. Но

дрожжей
клетки

S. ротЬе

с температурочувствительной

мутацией ге н а

высевание клеток
на твердую среду

• инкубация

Исследователи установили,

( Cdc2), уже открытый в пионерских работах Ли Хартвел­

добавление

•

1-35).

что эти <<спасеины е >> дрожжевые клетки получили фраг­

Cdc2

не могут делиться при

высокой температуре

при

насколько два вида должны быть близкородственны для

такой процедуры? И как насчет более далеких родствен­

ников? Чтобы выяснить это , ученые провели дополни­
тельные

опыты,

на

этот раз

исполъзуя

для

« спасе ния >>

мутантных дрожжей человеческую ДНК Результат ока­

высокой те мпературе

зался таким же. Эквивалентный ген ч:еловека ~ спасал >>
мутантных дрожжей, возвращая их I<леткам способность
нормально делиться.

исходная клетка этой колонии

Чтение генов

получила работающий ген
в составе ДНК

Cdc2
S . cerevisiae

и смогла сформировать колонию ,

приобретя способность делиться
при высокой температуре

Белки LJеловека и дрожжей не тольI<о функционалъно
эквивалентны , но и имеют практически идентичный раз­
мер и очень похожую по следовательность аминокислот.

Когда группа Нерса изучила ами ноки слотную последо­

РИС, 1-36. Температурочувствительных мутантов S. ротЬе смута­

вательность этих белков, оказалось, что последователь­

цией одного из генов клеточного цикла может спасти соответству­
ющий ген 5. cerevisiae. ДНК, выделенную из клеток S. cerevisiae и раз­
Резанную на крупные фрагменты , добавляли в культуру температурочув­

ности ами нокислот в

ствительных мутантов S. ротЬе . Методы обработки ДНК и ее введения
в Разные типы клеток обсуждаются в гл . 10. Клетки дрожжей, в которые
попала чужеродная ДН К, высевали на твердую среду и выращивал и при
высокой тем пературе . Те редкие клетки, которые выживали и размножа­
лись в этих условиях, были спасены включением чужеродного гена, вос­
становившего их способность делиться при высокой температуре.

могут быть функционально взаимозаменяемы. Фактиче­

на

63%, а у

Cdc2 человека и 5. ротЬе совпадают
5. ce1-evisiae - на 58% ( РИС. 1-37).

человека и

Эти опыты показывают, LПО белки разных организмов
ски

оказалось,

что

молекулы,

у правляющие

клеточным

делением у эукариот, настолько жизненно важны , что они
оставались пр,штически неизменными в течение миллиар­
дов лет эволюции.

Тот же экс перимент продемонстрировал и другой,

е 1.це более важный факт. Мутантные дрожжевые ~<летки
были << спасены » не путем прямой инъе1щии человеческо ­
го белка, но путем введения фрагмента ДНК человека. А

дефектен ген Cdc2, необходимый для запуска ряда кшо­
Чевых событий клеточного цикла. Затем исследователи
ввели в мутантные клетки набор фрагме1-пов ДНК, по­
лученных из 5. ceтevisiae ( РИС . 1-36).
После этого культуру инкубировали rтри 35 • с и оказа­
JЮсь, что некоторые из клеток восстановили способность

Размножатъся: в результате посева на твердую среду они
деJJJ,~ лись вновr, и вновь, формируя колонии иормалъного
размера, каждая. из которых содержит миллионы дрож-

~еловек

s· POmbe

это

оз начает,

что дрожжевые

клетки

могут

правильно

прочитать и использ овать эту генетическую информа­
цию,

поскольку

молекулярные

механизмы

сч:и:тыва ыия

генетической информации, заложе нной в ДНК, также
схожи у разных клеток и орга ни змов . Клетка дро жжей

имеет все необходимое для интерпретации инструкций,
закодированных в гене человека, и может использоватъ

эту информацию для синтеза полнос,ъю функциональ­

ного человеlrеского белка.

... FGLAR AFG I р I RVY т н Е VVTL WY RS PEV L LG SAR у s т P VD I ws I GT I F АЕ LA тк L р L FH G DS Е I DQ L FR I

PR ALGT PN NE vwP EVE S.L Q DY KNT F р ..

··· FG LAR S FG V PLR N У Т НЕ I VT L WYR A PEV LLG S RH У S T GV D I WS VGC I F АЕ N I RRS PL F P G DS Е I D Е I FK I PQ VLGT PN EE VWP GVTL L QDY К S Т F Р "
. cerevisiae ... FG LARA FGV P L RA у т н Е I VT LW у RA РЕ V LLG GKQ Y s T GV DT Ws I GC I FAE нс NR L р I F S G DS Е I DQ I FK I р RV LGT PN ЕА I wр DI VY L р D F K PS F р ..
РИС.

1-37.

Белки, регулирующие клеточный цикл у дрожжей и человека, очень схожи по ами­

нокислотным последовательностям. Совпадения в позиция х аминокислот между участками белка

Cdc2 у ч ел овека, S. ротЬе и S. cerevisiae выделены зеленым фоном.

Каждая ами нокисл ота обозначена

одной буквой.

Модельные организмы

41


вредная в отличие от мно1·их других видов (например ,
повреждаю щих

корни

культурных

расте ний)

нематода

разв ивается от оплодотворенного яйца до взрослой осо­

би с точностью часового механиз ма, прич ем у всех гер­
мафродитных взрослых особей ровно по

клеток

959

(1-1

считая варьирующего колиLJества яйцеклеток и сперми­

ев ). Такая степе1-1ь детерминированности развития редко
встречается у животных. Сейчас до мельчайших деталей

и звест на посл едователь ность событий в ход
процесса

-

всего этого

то, как клетки делятся, двигаются, с п ец и али­

зи руются. Все эт и события прои сходят по LJетким и пред­

0,2
РИС.

сказуемым правилам. Геном нема тоды

мм

нуклеотидов и около

первый из многоклеточных

1-38. Caenorhabditis elegans -

19

ООО генов

-

-

около

97 млн

пар

был секвенирован, и

получен ряд мутантов, что позволило выяснить функции

организмов , чей геном был определен полностью. Это небол ь­

многих 1·е 1юв. О1<азалось, что

ш ая п очвенная нематода. Ее развитие от оп л одотворе н ного яйца до

гомологов у нематод ы, и С.

взрослой особи, чье тел о состоит все го из

важной моделью для изуLJения многих процессов, проис­

959 кл еток, б ыл о необ ыч ай ­

70% белков человека имеет
elegans стала, как и дрозофила,

но детально прослежено , и уже очень многое извест но о генетических

ходящих в нашем собственном организме. Например, из­

меха н измах, у правляющих ее развитием. Б оль ш и н ст во особей этого

учение нематод позволило выяс 1-~ить детали

вида

ных мех а ни змов запрогра"м. ;иuроватtой клеточной с.мерти

-

гермафродиты, производящие и яйцеклетки, и спермии. На ­

молекуляр­

лич ие цвета н а фото связано с особым с п особом осве ще н ия, п ред ­

(ргоgrашшеd

назначе н ным для уве л и ч ения контрастности изображения ; сам ч ервь

уничтожаются лишние клетки у всех животных. Изучение

п розрачный и бес цветн ы й.

клетоLJ1-юй сме рти очень важно для понимания npиLJИH р а­

cell death).

Этим способом в ходе разв ития

ковых заболеваний (см. гл.

18 и 20).

Еще один организм, обеспечивший по1-1имание про­
након е ц начинаем понимать в деталях один из самых уди­

цессов раз вития в пе рвую очередь у ло зво ноlrных

вительных трюков, на которые способны клетки: развит ие

лосатый данио, или рыбка-зебра

-

это по­

( РИС. 1-39) .

яйцеклетки, зиготы

Поскольку эти рыбки почти полностью прозрачны в тече­

многоклеточного организма, состоящего из мно­

ние двух п ервых недель жизни, они стали идеал ьным объ­

и з единственной

(zygote)

(Danio rerio)

оплодотворенной

жества разных типов клеток, соединенных в единое целое

екто м для изуч ения поведения клеток в живом организме

строго упорядоLJенным образом. Мутанты дрозофилы с

в ходе его развития .

Наконец, одни и з самых сложных животных

расположенными н е на своем месте или уродливо видоиз­

-

млеко­

мененными LJ.астями тела дали клюLJ. к обнаружению и вы­

питающие . По сравнению с дрозофилой генов у них ПОLJ ­

явлению свойств генов, управляющих развитием организ­

ти вдвое больше, содержание ДНК в их клетках в

ма, т. е. нужных для того, LJтобы все части тела взрослого

больше, а число клеток в их организме больше в милли­

животного

-

кишечник, крылья, ноги , глаза и т. д.

-

раз­

вивались в нужном месте в нужное время. Эти гены (ко­

25

раз

оны раз. Уже долгое время модельным объектом для из­
учения генетики, развит ия , иммунологии

и клеточной

пирующи еся и передающиеся каждой клетке организма)
определяют поведение клетки при ее взаwмодействиях с
родными и двоюродными сестрами

-

другими ю1етками

организма, тем самым контролируя форму и м есто поло­

жение структур, создаваемых клеткаю1.

Drosophila

более

LJ eм какой-либо другой вид позволила нам понять причюr­

но-сл едствс нную це пь событий на пути от гена к призна­
ку многоклеточного организма. Кроме того, оказалось, что

гены дрозофилы удивительно похожи на LJ ело веческие

-

гораздо более похожи, чем можно лредттоложить по степени
внешнего сходства. Поэтому муха может служить моделью

для изучения развития и болезней человека. Ге ном мухи

185 млн

пар нутwеотидов и более

гомологи [ гомоло гия

-

13

ООО генов

-

-

содержит

сходство, обусловленное родством .

1

Гомолоеичные структуры (н а пример , гены) унаследованы

от общего предка и поэтому похожи.

-

Прим. ред.] боль­

РИС.

1-39.

Полосатый данио

-

см

популярная модель для изучения

шинства человеческих генов, в том LJисле гены, отвечающие

эмбрионального развития позвоночных. Эта мал енькая выносл ивая

за развитие многих болезней человека.

тропическая р ы бка идеально подходит для генетических исследований .

Другой
кий

и

хорошо

проще

изуl1енный

устроенный,

организм,

чем

Caeno1·habditi.s elegans ( С. elegans)

42

более

дрозофила,

мел­

Н а ее живом прозрач ном зароды ш е можно наблюдать за движениями

н ематода

клеток и изменениями их признаков в ходе развития . (С разрешения

( РИС. 1-38) . Эта без-

ГЛАВА 1. Общее пр едставление о клетка х

Steve Beskouf.)


Сравнение нуклеотидных последовательностей
геномов выявило сходство всех живых организмов

На молекулярном уровне генетичес кие изменения проис­
ходят удивителъно медленно. Многие Liерты современных

организмов сохраняются уже более

3

млрд лет со времен

появления жизни иа Земле (что составляет одну пятую
частъ всего воз раста Вселенной). Этот эволюцио нный ко н ­

серватизм лежит в основе работы молекулярных биологов.
Чтобы подготовить читателей к пониманию следующих
глав , в конце этой главы мы LJуть подробнее разберем род­

РИС . 1-40. У разных видов живых организмов имеются сходные
гены. У ребенка и мы ш и похожие белые пятна на лбу. Это - резул ьтат

ственные отношения и основные черты сходства всех жи­

вых существ. За последние годы в этом вопросе был сделан

мутации одного и того же гена Кit, необходимого для развития и вы ­

ко;юссалr,ный прорыв благодаря сравнению нуклеотидных

жива ния пигментных клеток. (С разрешения Национальной академии

лоследовательностей геномов

н аук США и А .А. Fleishman из : Proc. Natl. Acad.

торых сочетания четырех стандартных нуклеотидов созда­

Sci. USA 88: 10885-

10889, 1991 .)

-

последовательностей, в ко­

ют уникальную ДНК данного вида ( см. гл.

9).

Секвенирование ДНК упростило задачу выявления

биологии млекопитающих служит мыш1,. Новые методы

общего происхождения генов: если два гена разных орrа1-шзмов

имеют высокую сте 11 ен 1, сходства нуклеотидных

исследований сделали ее роль еще более важной. Сейчас

последовательностей, то с большой вероятностью оба оии

получают мышей с произвольно вы званными мутациями

произошли от общего предкового гена. Гены (и генные
проду 1<Ты), имеющие общее происхождение, называют го­
мологичными (homologoL1s). Имея лолную последователь1-юсть геномов каких-либо представителей каждого из трех
доми нионо в живого - архей, бактерий и эукариот, - мож­

любого 1'ена или с искусственно сконструированными ге­
нами, введенными в их геном. Так можно выяснить , для
чего нужен данный re1-r и как он работает. ПоLJТИ все гены
Lrелове1<а имеют у мыши гомологов с похожей последова­
тельностью нуклеотидов и схожей функцией.

но занят1,ся поиском гомологии между эти ми столь дале ­

Но люди - это все-таки не мыши и тем более не LJерви,

ко разошедшимися линиями. Таким способом 1-1еслож но

не мухи и не дролоки. Поэтому необходимо изучать и самих
людей. Исследования во многих областях клеточной био­

выявить набор общих предковых признаков всех живых

логии связаны в основном с медицинскими проблемами, и
при изу чении клеток человека накоплен гигантский объем

предковых кл еток. На пути этого поиска нередко возни­

m~формации. Медицински е базы данных, содержащие ин­

существ и проследить историю живого вплоть до первых

кают сложности: некоторые предковые гены утеряны,

а

другие изме~1ились так сильно, что трудно распознать их

формацию о человеческих клетках, огромны. И хотя есте­
ственные мутации в каждом конкрет ном гене - редкое со­
бытие, на человеке удалось выяснить последствия мутаций

дРУL' от друга ветвей древа жи з ни может указать, какие

в тысячах разных генов, не прибегая к ге нной инженерии.

гены совершенно необходимы для любой живой клетки.

Это связано с уникальной особенностью поведения лю­
дей - и:х способностью фиксирова:п, и оnисыватъ собствен­
ные генетич еские дефекты. Не существует ни одного дру­
rого вида, миллиарды особей которого так же интенсивно

обследуются, описываются и изучаются, как человек.

общее происхождеиие. Несмотря на затруднения, сравне­

liие геномных последовательностей наиболее отдаленных

Сравнение полных ген омов пяти бактерий, одной археи
и одного эукариота (дрожжей) позволило выявить базовый

набор из

239

белок-кодирующих генов, представленных у

всех трех основных эволюционных линий. Известны фую<­

ции большинства этих генов: наибольшее число общих се­

Тем н е менее степень нашего невежества в вопросах

мейств участвует в метаболизме и транспорте аминокислот,

I<летоlmой биологии все еще пугающе велика. Организм

а также в образовании и работе рибосом. Видимо, число

МJ~екопитающе 1'0 чрез вычайно сложен, и попытки вы­

генов, необходимых клетке для выжвания в сов ременных

яснить, как ДНК оплодотворе нной яйцеклетки мыши

условиях, не намного меньше, ч ем

Удается создать мышъ , а ДНК человеческой яйцеклетки
Уарамяет развитием челов ека, могут показаться безна­
деж ~ щми . Однако открытия молекулярной биологии
деда10т такую задачу разрешимой. Новый прилив опти­
мизма воз 11ик, когда выяснилось, что гены одного типа

щенный геном из всех известных бактерий принадлежит

Животных имеют близких гомологов со сходными функ­
цнями у большинства других типов ( РИС. 1-40). Люди и
остальные животные имеют общее э волюционное про­
исхождение. При внимателыюм рассмотрении оказа­
лось, что у н ас общие молекулярные механизмы работы
КJtеток. Изу чение мушек, червей , рыб, мыши и чел ове ка
помогает понять, как устроены любые животные и как
работают их клетки.

Cai'sonella ruddii -

200- 300. Наиболее упро­

внутриклеточному эндосимбионту спе­

циализированных клеток тлей. В ее геноме всего

182

ге1-1а .

Однако жизнедеятель ность этой бактерии во многом зави­
сит от генов насекомого-хозяина.

У большинства организ мов геном содержит намного
больше информации, чем приведенный выше минимум , в
пару сотен генов. Даже геномы прокариот

-

~экономных ~

клеток, не содержащих лишнего генетического багажа,

обычно включают более

1

млн нуклеотидов и

-

1000- 8000

1-енов. С помощью этих нескольких тысяч генов бактерии
могут существовать даже в наиболее н ебла.rоприяп-1ых ме­

стах обитания.

Модельные организмы

43


человек

МЛЕКОПИТАЮЩИЕ
птицы

РЕПТИЛИИ
лягушка

тритон

АМФИБИИ

1

фугу

данио акула

РЫБЫ

РАКООБРАЗНЫЕ
дрозофила

НАСЕКОМЫЕ

1

моллюски

.--------------------

резуховидка

РАСТЕНИЯ

рис

пшеница

лилия

НЕМАТОДЫ
дрожжи

ГРИБЫ
ВОДОРОСЛИ

__-

АтоеЬа

ПРОТИСТЫ

Carsonella ruddii

[

Е.

coli
БАКТЕРИИ

АРХЕИ
1 111 1

10 5

1 1 1 111

1 1 1 11 11

107

10 6

10 8

1 1 1 111 1

1 11 11 11

109

1010

1 111 11

1011

1 1 111 1

1012

нуклеотидный парногаплоидный геном
РИС.

1-41 . Размеры

геномов живых организмов варьируют в чрезвычайно широких пределах.

Размер генома и зме ряется числом пар нуклеотидов на гаплоидный набор хром осом, т. е. на одну е го

копию . (Клетки большинства орга ни змов, размножающи хс я половым путем, в том чи сле наши соб­
стве нны е, об ычн о диплоидны: они содержат две ко пии ге н ома , по одной от каждо го из родителей) .
Близкородственные организмы могут сильно различаться по коли ч еству ДН К в их геномах (длина зе­

лены х полос на рисунке) , несмотря на то что имеют обычно сходное число работающих генов . (С раз ­
решения : Т.R .

Gregory, 2008, Aпimal Geпome Size Database: www.genomesize.com.)

Ге номы типичных эу кариот н а много превосходят ком­

давление , заставляюще е делать архив маленьким, н едо ­

пактные геномы типичных бактерий. Наприм е р, геном че­

статоч н о велико, то проще сохранять всю информацию ,

ловека содержит в

ч ем со ртировать ее, выбирая нужную и уничтожая бес­

геном н екото ры х

700 раз больше ДНК, чем геном Е. coli, а
п апоротников - в 100 раз бол r,ше ДНК,

полез ную. Большое колич ест во регуляторной ДНК по ­

чем ге r юм человека ( РИС. 1-41 ) . В числе генов, однако , раз­

з ооля ет м11оrокл е точным эукариотам

личия не столь вел ики. У нас всего в семr, раз больше ге­

деле ю-~ы е ге ны в действие в 1-1 ужное время и в нуж ном

нов, чем у Е.

м есте с помощью н еоб ы,rайно сложных и и зо щре нных

coli ( есл и с,rитать, ,rто

rе н

-

это участок мол е­

приводить опре ­

кулы ДНК, содержащий информацию об од ной мол екуле

р е гуляторных механи з мов . Но осноn н ой список 1дета­

белка) . Кром е того, многие из

л ей ,>

24

ООО кодирую1цих белки

-

н абор белков, которые за кодированы в ДНК и

генов ч еловека рас падаются на близкородственные груп­

произв одятся иашими клетками,

пы, такие как семейство ге нов гемоглобинов, включающее

ч е м сп и сок детале й автомобиля, и мноt· и е и з этих дета­

у человека

л е й и сп ользуют н е только животны е, но и все остальные

9

близкородственных генов. Число действи­

телr,но сильно разшгчающихся белков у ч ело века, таким

-

н е нам1-t01·0 длиннее,

живые существа.

образом, не r-r aмнol'o болr,ше, ч ем у бактерии, и для зн ачи­

То, что ли ней~rая лосл едовател ы-юсть нукл отидов

тель н ого коли,1естоа ге нов челов е ка можно найти гомоло ­

ДНК может лроrраммировать рост, развитие и размно­

гичные гены бактерий .

жение живых

Осталы-1ая часть ч ел ов еческой ДНК

-

б6льшая ее

низм ов ,

-

клеток и сложных многоклеточных орга­

действител 1,но заме чател ьно е явле ние. Далее

часть, н е кодирую rцая ни белков, ни фун rщионалr,ны х

мы постарае мся объяснить, как функционируют клетки:

молекул РНК,

это смесь последовательно стей, ре гу ­

разбе рем работу их компоне 1-1 тов, взаимодействия между

лирующих работу ге нов , и последователr,носте й, вероят­

ними, а также то, как t·еном каждой клетки контролирует

-

но, являто1цихся бесполезным t·руз ом и сохраняющихся

прои з водство этих компон е нтов, по з воляя живым суще­

как ворох старых бума ,· на рабоче м столе. Видимо , есл и

ствам поддерживать свое су ществование и раз множаться.

44

ГЛАВА 1. Общее представление о клетках


ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

•

•
•

•
•

Клетки

•

- осношrые единицы жи·ооrо. С'lитается , что осе

Это систе­

современные ~слетки произошли от исходной предковой

rслетки , клеточную подвижность, транспорт органелл и от­

клетки, существовавшей более

дельных молекул из одного участJСа цитоплазмы в другие

3 млрд лет назад.

Все клетки, а следовательно, все живые существа растут,

•

.

Среди свободноживущих одно1слеточных эуIСариотиче­

превращают энергию из одних форм в дру1·ие, восприни­

ских микроорганизмов встречаются самые сложно устро­

мают сигналы из внешней среды, реагируют на н11х, раз­

енные из известных клетшс. Они способны ru1авать, спари­

множаются

ваться, ловить и заглатывать добычу.

.

Все ~слетки ОIСружены наружной мембраной (плазмати'lе­

•

Животные, расте1rия и грибы состоят из разнообразных

ской мембра~юй, или n;1азмалеммой), которая отделяет

типов клеток. Клетки одного организма происходят от

внутреннее содержимое от внешней среды .

одной оплодотворенной яйцеклетJСи. Число JСлетоJС, со­

Все !Слетки содержат ДНК о 1сачестве хра~rnлища наслед­

ставляющих в совокупности крупный многоклеточный

ственной ЮJформации и используют эту и11формацию для

организм (например, тело человека), достигает тысяч

СЮJтеза молекул РНК и белков.

миллиардов

Клетки мноrоклето•шоrо организма обы•шо содержат оди­

•

.

Для подробно1·0 изучения биологи выбрали несколько мо­

нако11ые молекулы ДНК, однако могут быть очень разны­

дельных организмов. В их число входят ба~стерия Е.

ми. В зависимости от истории развития и стимулов, полу­

пекарские дрожжи, немато д а, плодовая му1шса, цвепсовое

ры генов

.

5- 20 мкм.

Их можно увидеть в световой микроскоп,

coli,

растение резуховид1са, рыбка данио , мышь и сам человек.

•

Клепси животных и растителы1ых тканей имеют диаметр
ОJСОло

•

цитоплазмы находится цитоскелет.

ма белковых нитей, отвечающих за поддержание формы

чаемых от своего окружения, они вJСлючают разные набо­

•

Внутри

Хотя минимальное •rисло генов, необходимых для поддер­

жания жизнеспособности клеток, составляет менее

400,

большинство JСлсток содержат значительно больше генов.

позволяющий разглядеть также некоторые внутренние

Такой сложный организм , как человек, имеет всего око­

стрУJСтуры (органеллы) .

ло

Электронный миIСроскоп помогает увидеть более мелкие

мухи, и в есмь раз больше, чем у бактерии Е.

24

ООО IСОдирующих бслJСи генов

- вдвое больше, чем у

coli.

органеллы и даже отдельные крупные молеJСулы, но при

этом требуется сложная подготовка образцов для иссле­

•

дования, и клепси нельзя наблюдать живыми.

Самые простые из современных клеток -

прокариоты.

Они содержат ДНК, но не имеют ядра и большинства дру­

•

•

МИТОХОндрИI

моромаст

6актерм.

МOД811wtli!A opra•

хромосома

имам

гих ор,·анелл. Вероятно, они в наибольшей степени напо­

f8НОМ

нанометр

цитомаама

минают предковые клетJСи.

rомопоrи.

орrанема

ЦИТОСКМ8Т

Разные виды прокариот сильно различаются по особен­

ДНК

прокариот

IIOIIIOЦИI

ностям обмена веществ и населяют поразительно широкий

метка

nротмст

1укармот

рибосома
РНК

1ДрО

ко разошед11rиеся эволюционные ветви

-

бактерии и археи .

микрометр

микроскоп

ЦИТOIOJIIJ

ЭУJСариотические ~слетки имеют ядро и другие мембра~шые
органеллы, отсутствующие у прокариот. Вероятно, в ходе

•

арх••

беnок

круг мест обита1rия . Среди про1сариот выделились две дале­

•

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

эволюции они приобретали свои призншси в нескольJСо

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

стадий. Важной стадией было приобретение митохондрий,

ВОПРОС

которые, как полагают, произошли от бактерий, прогло­

Вы уже познакомились с перечисленными ниже компонентами

1-9

ченных пред~совой эукариотической ~слеткой .

клетки . Кратко опишите , что они собой представляют и какие

Ядро -

функции выполняют.

наибш~ее заметная органелла большю1ства расти­

тельных и живопrьrх клетоJС. В нем содержится генетическая

А. Цитозоль

Ж. Хромосомы

информа1(ия организма, записанная в молекулах ДНК .

Б. Цитоплазма

3. Аппарат Гольджи

Цитоплазма включает все клето•пюе содержимое, кроме

В. Митохондрии

И. Пероксисомы

ядра. У эукариот в цитоплазме находится МJюжество раз­

Г. Ядро

К . Плазмалемма

ных мембранных органелл с особыми биохимическими

Д . Хлоропласты

Л . Эндоплазматическая сеть

функциями. В митохондриях происходит окисление моле­

Е . Лизосомы

М . Цитоскелет

кул пищи. В хлоропластах растительных клеток протеJСают

•

реа1щии фотосинтеза. Э1щоrutазматичес1Сая сеть, аппарат

ВОПРОС

Гольджи и лизосомы участвуют в синтезе сложных мо­

Выберите верные утверждения . Ответ поясните .

Jlекул, предназначенных для выделения во внеклеточное

А. Наследственная информация клетки передается через ее белки .

просч>анство, в образованю1 новых мембран, а также в

Б. Бактериальная ДНК находится в цитозоле .

1-10

поглощении и переваривании клеткой крупньrх молекул .

В. Все клетки данного организма имеют одинаковое число хро­

Пространство между мембранными органеллами цито­

мосом (за исключением яйцеклеток и сперматозоидов) .

плазмы заполнено цитозолем

-

JС01щентрированной сме­

Г. Цитозоль содержит мембранные органоиды, например ли­

сью больших и маль1х молекул. В цитозоле происходят

зосомы.

многие важные биохимические процессы.

Д . Ядро и митохондрии окружены двойной мембраной .

Вопросы в конце главы

45


Е. Протисты

-

сложные организмы с набором специализирован ­

ных клеток , которые образуют ткани, такие как жгутик , ротовые
органы, стрекательные тельца и ложноножки .

Ж. Лизосомы и пероксисомы

места, где разрушаются ненуж­

-

биотик), большинство клеток растут и размножаются медленно.
Но нередко общая скорость роста бактериальной культуры , вы­
ращиваемой в присутствии этого яда , через несколько дней до ­

стигает прежнего уровня (того , что был в отсутствие яда) . Как вы
думаете, с чем это связано?

ные клетке вещества .

ВОПРОС
ВОПРОС

1-11

Чтобы почувствовать, каковы истинные размеры клеток (и попрак­
тиковаться в использовании метрической системы), решите следу­
ющую задачу. Мозг человека весит около

1 кг и содержит примерно
10 12 клеток. Вычислите средний размер клетки (на самом деле их

размеры широко варьируют) , считая, что клетки состоят целиком

из воды (масса 1см 3 воды -1 г). Какова была бы длина ребра такой
средней клетки, если бы она имела форму куба? Если бы эти клет­
ки были расположены тонким слоем толщиной всего в одну клетку,
сколько страниц таких, как в этой книге, мог бы покрыть этот слой?
ВОПРОС

1-12

1-16

Примените уравнение экспоненциального роста (см. вопрос

1-14)

к клеткам многоклеточного организма (например , челове­

ка) . В теле человека около 10 13 клеток . Предположим , что в од­
ной из клеток возникла мутация, которая позволяет ей делиться
неконтролируемо (как это делают раковые клетки) . Некоторые

раковые клетки способны делиться каждые

24

ч. Если раковые

клетки не умирают, через какое время потомство исходной клетки

достигнет численности 10 13 (используйте уравнение N = N0 х 2 11э,
где t -

время , а

G-

длительность поколения . Обратите внима­

ние: 10 13 приближенно равно 243 ) .
ВОПРОС

1-17

Какие органеллы обозначены буквами А, Б, В, Г на рисунке? Ка­

Обсудите следующее утверждение: «Структура и функциониро ­

кова длина масштабной шкалы под рисунком?

вание живой клетки определяются законами физики и химии ».
ВОПРОС

1-18

Существуют ли преимущества у многоклеточности? Если да, то
какие?
ВОПРОС

1-19

Нарисуйте в масштабе контуры двух сферических клеток, одна

из которых

-

бактериальная с диаметром

животная с диаметром

15 мкм .

1 мкм,

а другая

-

Для каждой клетки рассчитайте

объем , площадь поверхности и отношение площади поверхно­
?
ВОПРОС

мкм

чить в понятие поверхности внутренние мембраны? (Считайте ,

1-13

Существует три основных типа белковых нитей, составляющих
цитоскелет. Назовите их и перечислите различия между ними .

Какие из них наиболее многочисленны в мышечной клетке?
В эпителиальной клетке эпидермиса кожи? Свой ответ поясните .
ВОПРОС

что площадь внутренних мембран примерно в

15

раз больше

площади плазмалеммы.) (Формула для объема шара
а для площади поверхности

- 4тсR 3/3,

2

- 4тсR , где R - радиус . ) Обсудите

следующую гипотезу: « Наличие внутренних мембран позволи­
ло клеткам в ходе эволюции увеличить свои размеры ».

ВОПРОС

1-14

Естественный отбор

сти к объему. Как изменится последняя величина , если вклю­

1-20

столь мощный фактор эволюции по при­

Каковы доводы в пользу того , что все живые клетки произошли

чине того, что клетки, имеющие даже небольшое преимущество

от одной предковой? Представьте себе ранний период суще­

в скорости размножения, быстро вытеснят конкурентов . Чтобы

ствования жизни на Земле . Как вам кажется, был ли этот общий

-

проиллюстрировать это , рассмотрим такой пример. Пусть бак­
териальная культура содержит

20

1 млн

клеток , делящихся раз в

мин . Одна клетка в этой культуре из-за мутации приобретает

способность делиться быстрее

-

раз в

15

мин . Предположим,

что количество питательных веществ неограниченно, и клетки

не гибнут. Через сколько времени потомство мутантной клетки

будет преобладать в данной культуре? (до начала расчетов по­
пытайтесь угадать , сколько времени это займет - день, неделю,

предок первой клеткой? Единственной клеткой, которая сфор­
мировалась к этому моменту?
ВОПРОС

1-21

На рис .

1-26 белки

синие , нуклеиновые кислоты

или красные, липиды

-

-

желтые, а полисахариды

оранжевые

-

зеленые .

Идентифицируйте основные органеллы и другие важные кле­

точные структуры на этом срезе эукариотической клетки.

месяц или год?) Сколько клеток каждого типа будет в культуре в

ВОПРОС

этот момент? (Напомним, что число клеток N в культуре описыва­

Рассматривая под микроскопом пробу воды из пруда, вы об­

ется уравнением

N = N0 х 2 11э, где N0 - число клеток в начальный
момент времени , а G - время , за которое удваивается числен­
ность популяции.)
ВОПРОС

1-15

1-22

наружили незнакомую палочковидную клетку длиной около

200

мкм . Известно, что некоторые бактерии могут достигать

таких и даже более крупных размеров . Вы хотите установить,
какая это клетка

-

прокариотическая или эукариотическая. Как

Когда бактерий выращивают в неблагоприятных условиях (на­

можно это сделать? Если клетка окажется не эукариотической,

пример , в присутствии ядовитого вещества, такого как анти-

как можно узнать , бактерия это или архея?

46

ГЛАВА 1. Общее представление о клетках


ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ

МОЛЕКУЛЫ В КЛЕТКАХ
МАКРОМОЛЕКУЛЫ В КЛЕТКАХ
Поверить, что живые существа - просто химические си­

В некотором смысле, в основе всей биологии лежат
химические взаимодейстия (или химия). В этой главе мы
вкратце рассмотрим химию живой клетки. Мы по знако­
мимся с молекулами, и з которых состоит клетка , изучим

их структуру, формы и химические свойства. Эти молеку­

лы определяют размеры, строение и работу живых клеток.

Представив себе, как они взаимодействуют, мы начнем по­

стемы, и смириться с этим нелегко. Живые организмы

нимать, каким образом клетки используют законы химии

невероятно многообразны, способны расти и размно­
жаться, обладают своеобразным поведением; они явно
стоят особняком от мира твердых тел, жидкостей и газов,
с которым обычно имеет дело химия . До XIX в. люди ве­
РI01и, что живые существа, особеюю животные, содержат
Некую жизненную силу, <<аJ-rимус,>, которая придает им
особые свойства.

и физики, чтобы поддерживать жизнедеятельность.

Теперь мы знаем, LIТO в живых организмах нет ничего
та1<оrо, что не подlшяялось бы законам химии и физики.

И все же <<ХИМИЯ>> у жизни особенная. Во-первых, это хи­

мия соеди нений углерода, наука о которых носит название
органuческойхи.мии (organic chemistry). Во-вторых, все хи­
мические реакции происходят в водиом (aqueous) раство­
ре и довольно узком диапазоне температуры, харакrерном

для земных условий. В-третьи х, эти реакции чрезвычайно
СJюжны: даже самая примитивная кл етка по сложности
Намного превосходит все известные неживые химические
системы. В-четвертых, в ней преобладают и << правят бал >,)

rpynrrы огромных поли.мериых молекул (polymeri c mole-

cules). Они состоят из малых молекул - мономеров, или
субъединиц (subunits), соединенных в цепи; уникальные
сво/:i.ства этих полимеров позволяют клеткам расти, раз­
МJ-rожаться и делать все, что ха рактерно для живого. Нако­

нец, химические процессы в живом организме строго ре­
rузгируются : клетки располагают арсеналом механизмов,
06

есnечивающих своевремениое и адекватное обстоятель­

ствам протекание всех химических реакций.

ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ
Любое химическое вещество можно охарактеризовать как
комбинацию химических элеме1-1,тов (иаnример, углеро­
да или водорода) , которые неделимы и не превращаются

друг в друга химическими способами. Мельчайшая части­

ца, которая обладает химическими свойствами элемента,
называется ато.мом. Свойства химических веществ
том числе тех, которые имеются в клетке,

-

-

в

определяются

составом и расположением групп атомов, образующих л1.о­
лекулы. Чтобы понять переход от химии неживой материи
к химии живых организмов, принципиально важно знать,

как образуются химические связи, удерживающие атомы
в молекулах.

В клетках можно встретить
только некоторые разновидности атомов

В центре каждого атома находится плотное положительно
заряже нное ядро, окруженное на н екото ром расстоянии

облаком отрицательно заряжен ных электронов, которые
удерживаются на своих орбитах за счет электростатиче­
ского притяжения к ядру ( РИС. 2-1 ). Ядро состоит из двух

видов субатомных частиц: положительно заряженных
протонов и электрически нейтральных ,tейтроиов. Число


облако электронов

ле ни я возраста ор,·анич е ских мате риалов , основа 11ны й на

н а с в оих орбитах

ядро

э том яв ле нии.

/

АтоМJ~ая масса рав 11 яется от 11 ошению массы 11.,u-1 1-ю го
атома к массе атома водорода. Точн о так же для молекул

определяется моле"улярная масса . Атом н ая масса с хо­
рошей точ 11 остью рав 11 яется сумма рному числу протонов
и не йтро нов, соде ржа щи хся в атоме и ли молекуле, так как
электроны н астолько ле ,· ки, LIТO почти не вносят 01<лада в

общую массу. Таким образом, об ьrююве ,шы й и зото п угле­

рода,

12

С, имеет атомную массу 12. Более редкий нестабиль­
14

ный изото п С им еет ато мн ую массу 14. Масса атома или
молекул ы обычно выражается п да.льтоиах. Один даль­
РИС.

2-1.

Атом состоит из ядра, окруженного электронным обла ­

ком. П оч ти вся масса атома п риходи тся на пл отное пол ожительно за­

тон

-

это ед ииица атомн ой м ассы ( обозначается

1 Да); 1 Да

прим е рно соответствует массе од1-юrо атома водорода.

р я жен н ое ядро . Легкие отр ицательно за р яженные эл ектроны занимают

Атомы до того малы, что это даже трудно себе пред­

пространство вок р уг я д р а, р аспреде л я я сь в соответствии с зако н ами

ставить. Диаметр атома углерода составляет пример но

ква нто вой механ и ки . Эл ектр оны из об раже ны как н е п ре ры в но е обл ако,

0,2

п оскол ь ку не существует с п особа точно установить местонахождение

1 мм,

эл ектро н а в конкретный момент времени . Густота цвета соотв етст вует

нм; чтобы выстроить атомы углерода в линию длиной

их понадобится около
трон весит примерно 1/ (6 х

5 м л н . Один протон или н ей­
10 2:J) грамма. У водорода все­

1 r водорода

в ероятности обна ружения эл ектрона в ко н кретной зоне облака . Д иа­

го один протон, так что

метр эл ектронного облака может составл ят ь от О , 1 нм (у в одорода) до

6 х 10 23 атомов.

0,4 нм

жит коэффициентом масштаба, который связывает дозы

(у ато м ов с больш ими атом н ым и чи сл ами). Ядро атома гораздо

меньше (на п ример, размер ядра атома углерода составл яет 2 х

10-5 н м).

содержит приме рно

Это огромное LJИCJIO, число Авогадро, слу­

вещесто, измеря емы е в обиходе на вес, с числом атомов
или мол е кул, которое в них содержится. Есл и молекуляр­
ная масса вещества равняется М, то М граммов этого веще­
23

протонов , при сутствующих в ядре атома, задает его атом-

ства будет содержать

1ю е число. Атом водорода имеет ядро, состоящее из одного

вещества наз ыв аетсн «л1.0лы, ( РИС .

11рото~1а; водород, атомное ч.исло которого, таким образом,

стве в е щества, измеря е мом в молях, широко используется

равно

1, -

6 х 10

молекул. Данное количество

2-3 ) . Понятие о кол иче­

самый легкий химич.еский элемент. Атом угле­

рода им еет ше сть протонов в своем ядре; со отв етственно,

его атомное число

- 6

( РИС.

нейтро н

2-2). Электрический заряд,

элект р он

который н есет протон , в точности рав ен заряду элект ро­
на и протююположен по знаку. Поскольку цел ый атом

•

эле ктрич ески нейтрал ен, число отрицателы-ю за ряжен­
ных электронов , окружающих я дро , равня ется числу по ­

•

лож итель но за ряженных протонов в ядре. Таким образом,
чи сло элект ронов в атоме тоже равняется атомному числу.

Вс е атомы одного элемента им еют одно и то же атомное
число, и вскоре мы увидим , что именно это число опреде­

ляет хими ческие свойства элеме н та .

Нейтроны , н еза ря женны е субатомны е частицы , им е­
ют массы, близкие к массам протонов. Они придают

структу ре ндра стабит,иость ( если н ейт ронов слишком
много или сли шком мало , может начать ся

радиоактив­

атом углерода

атом водорода

ный распад) , но н е меняют х имических с вой ств атома .

атомное число

=6

атомное число

Из-за изменчивости числа н ейт ронов элеме нт может су­

атом н ый вес=

12

ато м ный вес

ществовать в ~1ес колышх формах

-

=1

=1

физ ическ и разл иl1и ­

мых, но химически идентичных. Таки е формы называю т

РИС.

изотопа.ми. У каждого изотопа данного элемента свое

число. Схематичные изображения атомов углерода и водорода . Ядра

число н ейт роноп , но одно и то же число протонов . Поч.ти

всех атомов, за исключением атома водорода , состоят из положитель ­

2-2.

Число протонов в ядре атома определяет его атомное

для всех элеме нтов в природе встреlrается по н есколь к у

но за ряженн ы х протонов и электрич ески нейтральных нейтронов . Числ о

изотопов, сред и которых есть нестаб ильны е . Наприме р,

электронов в атоме равняется числ у п рото н ов, так что общий заряд ато­

б6льшая часть у гл ерода 11а Земле пр едставлена стабиль-

ма равен нулю . В отл ичие от рис .

11ым и зотопом

12

2- 1 здесь электроны изображе н ы как

С, с шестью протонами и шесть ю н ейтро ­

обособленные ч астицы. Концентрические черные круги очень схема­

нами ; но имеются еще малые количества нестабильного

ти ч но изображают орбитали (т. е . различные расп р еделения) электро­

изотопа 1 4 С, с шесть ю протон ами и восемью н ейтронами .
Изото п 1 4 С медле 1ню и н еукло нно прете рп евает радиоак­

нов . Размеры нейтронов , протонов и эл ектронов в реальности мизерн ы

тивный распад. В археоло гии применяется метод опреде-

си л ьно преувеличе н ы.

48

ГЛАВА 2. Химиче с кий состав кл еток

по отношению к размерам целых атомов; на этой схеме размеры части ц


Моль - это Х граммов ве щества, где Х

в химии; в нем отображе~ю число молекул, участвующих в

п

химических реакциях.

равня ется отно сительно й мол екулярно й

Всего в nрироде встречается

м ассе этого ве щества (его мол екуляр н ому

весу). М оль содержит 6 х 10

23

молекул

химических элеме 1-па;

Од н ако в живых организмах находятся далеко не все эле­

в е щ ес тв а.

1 моль
1 мол ь
1 моль

92

они отличаются числом протонов и электронов в атомах.

углерода весит
глю козы ве сит

менты:

12 г
180 г

хлорида н атрия вес ит

58

г

выраженную в моль вещества на

1 л и тр

раствора . Литр одномолярного

М)

раст вора глюкозы содерж ит

глюкоз ы ,

глюкозы содержи т

(1

(1
180 г

N

детельствует о ее особой химической оргаи изации и рез­
ко отличается от состава н еживой н еорганической среды

( РИС. 2-4), что говорит об особом характере химии живого.

мМ) ра створ а

Электроны внешнего уровня определяют

мг глю козы .

180

на дота

и кислорода О). Химический состав живой материи сви­

М олярные растворы имеют концентрацию ,

а л итр мил л имолярного

96,5% массы любого организма г~риходится

всего четырех элементов (угле рода С, водорода Н, азота

Стандартное обозначен ие для грамма

химические взаимодействия атомов
-

г,

Чтобы понять, каким образом атомы объединяются в моле­

для литра - л .

кулы, из кото р ых состоят живые организмы, придется об­
ратить внимание на электроны. Протоиы и нейтроны стис­
нуты в ядре (эта ситуация меняется лиш ь в экстремалъных

РИС . 2-3. Что та кое моль? Образцы расчетов кол ичеств вещества и

условиях

моляр н ых ко нце нтра ци й .

солнца или в ядерном реакторе) . В тканях живого организ­

-

например, г~ри радиоактивном распаде внутри

ма из всех субатомных частиц перестроениям подвержены
только электроны. Они п редставляют собой взаимодей­
ствующие части атомов и определяют п равила, в соответ­

70

ствии с кото рыми атомы, сочетаясь, образуют молекулы.
Электроны находятся в непрерывном движении во­
круг ядра. Движеиие п одчи нено иным законам, не тем,

60

с которыми м ы сталкиваемся в повседневной ж из ни . По

этим зако н ам электрону в атоме отведены дискретные об­
ласти

~

О)

о

с:

оболочку (electi-011 shell) . Электро 1-tы, которые боль шую
часть в ремеии иаиболее приближены к положительно за­

1 тело человека
1 земная кора

:::r
111

40

О)

:s:

:i:

ряженному ядру, п р итягиваются к нему сил ьнее других
эле1пронов и занимают прочно связа н ную с яд р ом вну­

[
О)

s:

орбитали, и существует строгое ограничение ч ис­

конкретного атома, образуя так называемую электро1t1tу10

1--

:i:

Q.

-

ла электрон ов, которое может находиться на о рбиталях

50

трею-пою оболочку; она может содержать не более двух
30

электро н ов. Вторая оболочка отстоит дальше от ядра, и

(.)

ее электроны связаны с ядром (и атомом) менее прочно.

О)

о

:i:

Она вмещает до восьми электронов. Электроны третьей

@ 20

оболоч ки удерживаются еще слабее; их тоже насчитыва­

~

ется до восьми. Четвертая и пятая оболочки вмещают ло

.Q

о

~

18

о

электронов [по последним данным, третья оболо ч ка

содержит до

10

18 электро 1юв,

чет вертая

-

до

32, а пятая те­

оретически может содержать до 50. - При.лt. ред. ] . В биоло­

н

с

о

JJ
Са

Na

и

и

Mg

к

р

1J

AI

Si

другие

гических молекулах очень редко можно встретить атомы ,

имеющие больше ч етырех электронн ых оболочек.
Самое стабильное расположение электронов в атоме
достигается тогда, когда все электроны находятся в наибо­
лее прочно связ~1ных состояниях, какие для них возмож­

ны

-

т. е. когда он и занимают как можно более глубокие

РИС. 2-4. Содержание различных химических элементов в земной

оболочки, ближайшие к положительно заряженному ядру.

kope реэkо отличается от их содержания в тканях орга низма жи ­
вотного. Содержани е каждого элемента выражено в процентах от об­
Щего числа атомов, п рисутствующих в биологическом и геологическом
Материале, вкл ючая воду. Например , больше 60% числа атомов в жи вом
орган изме приходится на атомы водо рода. Относител ьное содержан ие
эле ментов во всех жи вых существах приме рно одн о и то же.

Таким образом, за определенными исключениями для
I<рупных атомов, электроны в атоме зап олняют oбoJIOLIKи
по порядку: сначала первую, потом вторую и т. д. Атом,

чья наружная оболочка лошюстыо заполнена электрона­
ми, особенно стабиле1-1 и, следовательно, химически ю1ер­
тен . П римерами служат атомы гелия с двумя электронами

Химические с в язи

49


ВОПРОС

атом ы

2- 1

А Чашку воды, содержащую ровно 18 г воды , или 1 моль этого
вещества , вылили в Эгейское море 3000 лет назад. Какова

rl'

8

вероятность того, что такое же количество воды , зачерпну­

тое сегодня в Тихом океане , будет содержать хотя бы одну из «дре в­

негреческих» молекул воды , пребывавших в той чашке? Предпола ­

атомы

0 0 0 ~_{J
УnБОБЩЕСТВЛЕНИЕ

УпЕРЕНОС

!;~ЕКТРОНОВ

гается , что происходит идеальное перемешивание воды объемом в

1,5 млрд кубических километров (1,5 х 109 км 3 ) .

00

(атомное число 2), неон а 2 + 8 (атомное число 10) и аргона
2 + 8 + 8 (атомное число 18) - это инертные t·азы. В отличие

молекула

от них атом водорода со своим единственным элект роном

в единственной оболочке имеет эту оболочку полупустой;

!ЭЛЕКТРОНА

положительно

заряженный ион

ковалентная связь

о

отрицательно

заряженный ион

ионная связь

поэтому он очень легко вступает в реакции. Все атомы в
живых тканях имеют незапош1енные внешние электронные

РИС.

оболочки, и, следовательно, могут образовывать молекулы

электронов во внешних оболочках за счет взаимодействия друг с

в реакциях друг с другом ( РИС.

другом. Ковалентная связь образуется , когда атомы обобществляют

2-5) .

2-6. Атомы

могут обрести более стабильное расположение

Из-за того что незаполненная электронная оболочка

свои электроны. Ионная связь образуется при переносе электронов

менее стабильна, чем заполненная, атомы с н езаполнен­

с одного атома на другой . На рисунке изображены две крайности и не

ными внешними оболочками проявляют большую склон­

отражено одно важное обстоятельство : во многи х ковалентных свя­

ность к взаимодействию с другими атомами. Они стремят­

зях имеет место ча стичный перенос заряда, поскольку один из атомов

ся получить или отдатъ определенное число элект ронов,

перетягивает общие электроны на себя. Ковалентные полярные связи

чтобы внешняя электронная оболочка стала заполненной .

изображены на рис .

3-11 .

В заимодействие может осуществляться в виде переноса

электронов из одного атома в другой либо обобществле­
ния электронов двумя атомами. Две стратегии взаимо­

бывает, что один и з атомов перетягивает эту пару электро ­

действия порождают два типа химических связей : ио1та..я

нов на себя - образуется 1(Овале1-1т1-1ая поляр1-1а..я связь (polar covalent bond); ее мы вскоре обсудим.

связь образуется, когда один атом отдает другому электро­
ны, а 1(Овалентиа..я связь

-

Атом водорода Н , которому для заполне ния оболоч­

когда два атома начинают со­

вместно пользоваться парой электронов ( РИС.

2-6). Часто

ки нужен всего один электрон, обычно делит электроны
с каким-нибудь другим атомом; между ними имеет место
ковалентная связь, во многих случаях

атомное число

~--

+
~.,_,
,,_;

1
2
6
7
8
10
11
12
15
16
17
18
19
20
РИС.

1

Водород
Гелий
Углерод

Азот
Кислород
Неон
Натрий

Магний
Фосфор
Сера
Хлор
Аргон
Калий

Кальций

электронная оболочка

11

---~

111

•
••

IV

•• ••••
•• •••••
•• ••••••
•• ••••••••
•• •••••••••
•• •••••••• ••
•• •••••••• •••••
•• •••••••• ••••••
•• •••••••• •••••••
•• •••••••• ••••••••
•• •••••••• •••••••• •
•• •••••••• •••••••• ••

2-5. Химическая активность атома зависит от заполненности

внешней электронной оболочки. Красными кружками обозначены
электроны в незаполненны х внешних электронных оболочках. Атомы , из
которых состоят живые организмы , имеют незаполненные внешние обо­
лочки, поэтому они вступают в реакции с другими атомами . Инертные

газы (в таблице их строчки закра шены желтым), наоборот, имеют только
заполненные электронные оболочки и потому х имичес ки инертны.

50

ГЛАВА 2. Химический состав клеток

-

полярная . Атомы

других элементов, представленных в клетках (С ,

N

и О,

у которых не заполнена вторая оболочка, а также Р и S,
у которых не заполнена третья оболочка; см. рис 2-5), тоже
достигают заполнения своей наружной электронной обо­
лочки за счет образования нескольких ковалентных свя­
зей. Число электронов, которое атому нужно заб ратъ или

отдать ( за счет обобществления либо п ереноса) для запол­
нения внешней оболочки, определяет число связей, кото­

рые может образовать данный атом.
Поскольку состоянием вне шней электронной оболоч­
ки определяются химические свойства элеме 1па, в с пи ске
элеме нтов , упорядоченном по возрастанию атомных чи­

сел, элементы с похожими свойствами будут встречаться
с определенной периодичностью. Так, элемент с незапол-

ВОПРОС

2-2

А Атом углерода содержит шесть протонов и шесть нейтронов .

rl' А. Каковы его атомное число и атомная масса?

8

Б. Сколько в нем электронов?

В. Сколько дополнительных электронов ему нужно для заполнения

внешней оболочки? Как это влияет на его химические свойства?

Г. Углерод с атомной массой

14 является радиоактивным. Чем он от­

личается по строению от нерадиоактивного углерода? Как влияет

это отличие на его химические свойства?


атомное число

внешнюю обо; ючку до совершенства, получив одиr·t элек­
трон. Сле1tовательно, есл и атом

атомный вес

11

трон ~ перепрыгнет>> с

24
20

39

40

К Са

Na встретит атом Cl,

элек­

на С! , и оба атома окажутся с за­

полненными внешними оболочкам11. Резул,лат соеди~1ения

12

51

,-, атрия, мягкого и otreю нестабильного металла, с хлором ,

1

Na Mg
23
19

Na

28

2J .

2.J..

v \.r

а\

мn

21

Fe

27

Со

0111ZOOIII0,

28

28

Ni cu Zn
59

31

токсич_ным зеленым газом, представляет собой. обычную

30

1Иlfl

42

Мо

•

поваренную COJII,

lJI

1131

t27

(NaCI).

Когда электрон ~ перепрыгивает~,, с Na на

CI, оба атома
Na,

превращаются в электрически заряже нны е ионы. Атом

отдавший элект рон, теперь имеет на один электро н мень­
ше чи сла протонов в его ядре и , следовательно, несет ед и­

ничный положительный заряд

(Na+).

Атом С!, получив-

РИС . 2-7. Элементы , упорядоченные по возрастанию атомного

1.1.1ий электрон, теперь несет единич1iый отрицательный

числа, образуют периодическую таблицу. Элементы подраздел яют

заряд (С[- ). Положительные ионы t1азьшают катиоиам.и,

на группы с характерными химическими свойствами, обусловленны­
ми числом электронов во внеш ней оболочке. Атомы элементов, нахо­
дящихся в одном столбце, должны получить (или отдать) одно и то же
число электронов для обретения заполненной внешней оболочки , и по ­
этому они схожим образом ведут себя в химических реакциях. Напри­
мер, атом Mg стремится отдать два электрона внешней оболочки (чтобы
оставить предыдущую, заполненную, электронную оболочку в качестве
внеш ней}, и точно так же ведет себя атом Са .

а отрицательные

-

аииоиам.и. Ионы характеризуются чис­

лом отданных или получе нных электронов. Натрий

(Na) и

калий (К) имеют по одному <<дюшrему ,> электрону, поэто­

му они образуют катионы с еди ничным положительным
зарядом

(Na+ и

К+); магний

(Mg)

и кальций (Са) отдают

по два элект рона и становятся катионами с двумя положи­

тельными за ря дам и

(Mg 2+ и

Са 2 + ).

Из -за противоположности зарядов

Na+ и c J-

при ·

Атомы четырех элементов, выделенных розовым цветом, состав­
ляют 99% общего числа атомов в теле человека . Еще семь элементов,
выделенных голубым, вместе дают 0,9% общего числа атомов . Некото­

тягиватотся друг к другу и удерживаются вместе ионной

РЫе элементы необходимы человеку в следовых количествах (выделены
зеленым). (Необходимы ли человеку элементы, выделенные желтым,
пока не ясно.) Н а основан ии сказанного химия жизни вос п ринимается

сив так, что их за ряды уравновешены . Кристалл разме ром

как химия легких атомов .

связью . Кристалл соли содержит астрономическое число

иоtюв

Na+ и

с1 -, четко организованных в трехмерный мас­

1 мм в поперечном сечении содержит оr<оло 2 х 10 19 ионов
каждого типа ( РИС. 2-8) . Чистые вещества, подобны е NaCI,
удерживаем ые в целости одними только ионными связя -

Атомная масса, равная суммарному числу протонов и нейтронов в
ядре атома, не одинакова для разных изотопов элемента . В таблице ука­

заны значения атомной массы наиболее распространенных изотоп ов .

не нной второй оболоtrкой, содержащей одии электро н, бу­
дет вести себя подобно элементу с незаполнен ной третьей

обо 1юч.кой, содержащей один электрон . У всех металлов

незаполненная внешняя оболочка содержит всего один,
два, максимум три эле ктрона, а у инертных газов, как мы
только что видели, она запол н ена. Эта закономерность от­

атом натрия (Na)

атом хлора (CI)

ион натрия (Na+) ион хлора (СГ)

(А )

хлорид натри я

(NaCI)

Ражена в знаме нитой периодической таблице элементов
(periodic tаЫе), РИС. 2-7; цветом выделены элеме нты, при­

сутствую щие в живых организмах.

Ионные связи образуются

ПУfем обретения и потери электронов

И:оню,tе связи образуют атомы, у которых в незаполненной

вне~лней. электронной оболочке находится всего один или
два электрона, а также атомы, которым не хватает одного
ИJ1и двух электронов до заполне ния внешней оболочки. Та­

к~м атомам легче всего обзавестись заполненной внешней
ол.очкой, отдав электроны другому атому (или, соответ­
ственно, забрав их у него). Так, вернувшись к рис. 2-5, мы
Увидим, что атом натрия Na с атомным LJислом 11 может

0

(Б)

РИС .

2-8. Хлорид натрия удерживается

ионными связями . ( А ) Атом

натрия вступает в реакцию с атомом хлора. В каждом атоме изображены
все электроны на разных энергетических уровнях ; электроны химически

активных (незаполненных} внешних оболочек нарисованы красным. Ре­
акция идет с переносом одного электрона от натрия к хлору, при этом

образуется два иона с п ол ностью за п олне н ными внешними электрон ны ­
ми оболочками. Два иона с противо п оложными зарядами удерживаются
вместе за сч ет электростатического притяжения. (Б) П родукт реакции на­

<<раздеться~,, до за полненной оболочки, отдав едиt1ственный

трия с хлором , кристаллический хлорид натрия , содержит ионы натрия

он с внешней, третьей оболоtши. Напротив, атом

и хлора, плотно упакованные в регулярную структуру, где заряды точно

эз~ектр

XJropa (CI), атомное число котороr:о 17, может довести свою

сбалансированы. (В} Цветная фотография кристаллов хлорида натрия.

Химич е ски е свя з и

51


ми, фактически не имеют молекул; это соли ( м ~юги е дру­

лекуле ха ракт е ри зуе т ся о пр еделе нны ми углами

ги е вещест ва также не им еют молекулярной структу ры ,

связями, дли н ам и и э н е р г и ями связей ( РИС .

н априм ер метал11 ы . - Прим. . ред. ] .

тыре кооалеит 1-1ы е связ и , которые могут образоват1,ся

Ионные связи являются раз новидностью электро­
стат и ческого притяжения

противоположн о
ку

2-7, с. 82- 83).

-

силы, действую щ ей м ежду

за ряженными

атомам и

(см.

вклад­

За с ч ет взаимодействия и о нов с н оляр­

ными молекулами воды м1-юги е соли ( в том числе

между

2-10 ). Ч е­

вокруг атома угле р ода, н а правл е ны в trетыре угла пра­

оил1,ного тетраэдра . Ориентация ковале н т ны х связей
вокруг ато ма углерода служит о · н овой стереометри и
ор1: анических молекул.

NaCI)

хо рошо в н ей р аство ряют ся. При этом они диссо циир у­
ют н а ионы, кажды й из которых ок руже н молекулами

воды. К электростатическому притяжен ию между мо­
лекулам и и д ру гим и еко валеитиым. связям. м ы вернемся
д в а атома в одорода

позд н ее .

00

Ковалентные связи формируются

при обобществлении электронов
Все свойства клетки опред ляются свойствами моле­
кул, которы е она соде ржит . Молекула состоит и з ато­
мов ,

удерж ив аем ых

вм есте

ковалентными

атом

-

п а ры

ато мов

сов м ес тно

!

связями.

В молекулах элект роны не пе р еносятся с атома
по льзуютс я

на

л а рами

элект ронов. Обобществление электро нов придает обо­

слишком

лоч кам атомов законченный вид. В самой что ни на есть
про стой молекуле

-

молекуле водорода Н 2 -

БЛИ З КО

(ядра оттал кивают

при сут­

дру г друга)

ствуют два ато м а Н, каждый со св оим электро ном ; эт и

атомы объединили свои электроны . Получив шаяся па ра
элект ронов

образует облако отрицательного за ряда,

которое достигает наибольшей ПJt0т1-ю сти в пром ежут­
ке

между двумя

по ложитель но заряже н 1-1ыми

0

ядрами .

Электронная п лопюсть пом огает ядрам уде ржив аться
вместе, противодейст вуя и х взаимному отталкиванию,
поскольку инач е сила, действующая между за ря дами

од1-1ого з н ака, н еминуемо отдалила бы яд ра др уг от д ру­
га . Силы притя жения и отталкиваиия урав нов е ш е ны ,
когда ядра н аходятся н а конкретном р асстояни и ,

слиш ко м
ДАЛ Е КО
(нет притяжения)

име­

н уе мом длииой связи ( РИС . 2-9) .
ПОДХОДЯЩ ЕЕ
РАССТОЯН ИЕ
(ковалентная
связь)

Атом Н способе н образовать всего одну ковалентн ую
связь, другие атомы, лрисутствующие в клетках (С , О ,

S,

N,

Р), могут образовывать более одной . Внешние оболоч­

ки этих атомо в , как мы видел и , вмещают до восьми элек­

тро ,юв , и он и образуют ковалентные связи с тем ч и сдо м
д ругих атомов, которое необходи мо , чтобы их за полнить .

дл ин а связи :

0, 074

нм

Кислород с шестью электронами во внешней оболочке
молекула водорода

наиболее стабил ен , когда пол учает два до полнитель ны х
электрон а в доле с д р угими атомам и ; следователь но , он

образует в лучшем случае д~зе ковалентные связи. Аз от

РИС.

с пятью в нешними элект рон ами образует максимум три

зью . Каждый изолированный атом водорода имеет один электрон, и

2-9.

Молекула водорода удерж ивается ковалентной свя­

ковалентные с вя зи, тогда как угле род с четырьмя внеш ­

это означает, что его первая (и единственная) электронная оболоч ка

ними электро н ами образует до четырех ковалентных

за п олнена не до конца. Соединив ш ись , два атома водорода п ол учают

связей (полностью реализуя свой химический потенци ­

возможность совместного пользования двумя электронами; при этом

ал в совмест ном владеtши ч етырьмя пар а ми элект ронов ;

каждый из них обретает заполне н ную первую оболочку, поскольку те­

см . ри с.

п ер ь обобществленные эл ектроны с измененными орбитами совер ш а ­

2-5 ).

Когда атом образует ковалентные связи с н есколь­
кими

д ругими

а то мами,

эти

связи

по - р аз н ому

ориен­

ют движение вокру г обоих ядер . Ковалентная связь между двумя атома­

ми имеет определенную длину

(0,074 нм) .

Если бы атомы сблизились

тированы в лро стра ~1 стве по отношению д р уг к д р угу в

еще больше, положительно заряженные ядра стали бы отталкивать друг

соотв етствии с ориентациями орбиталей обобществлен­
ных электронов. О б щая картина состояния атомов в мо-

друга ; если бы они отдалились на большее расстояние , то не смогли бы

52

ГЛАВА

2. Химичес к ий со став кл ето к

так эффективно обобществлять электроны .


Ковалентные связи различаются по силе
Как мы з и аем, ковалентная связь между двумя атомами
имеет характе рн ую дл ии у, которая завис ит от того, что это

за атомы. Следую щей важнейшей характе ри стикой связ и
между атомами или молекулами

(А )

1

- N-

- 0кисл ород

ковале нт ной

-

-

ковале н т ной ил и н е ­

является ее си ла, или э1-1 е р 1·ия. Сшtа связи

-с-

измеряется количеством э н е р 1·· ии , кото ро е нужно прило­

1

1

азот

у глерод

жи т ь, чтоб ы раз ру11.1ить связ ,,; обычно с ила связи выража­
ется в юнюкало риях на моЛ1, (ккал /моль ) или килоджоу­

лях н а мол ,, (кДж/мол ь) . Кило кало рия

-

э н е ргии , необходимое, чтобы н а греть

воды на

то го чтобы раз рушить

6

х

1л

это количество

1 ° С. Для
10 23 одинаковых химических

связей, требуется одна килокалория э н е ргии , значит, сила
да н1-юй связи в даином химическом веществе (да нном со­

рте молекул) равн а
гюл у,1 ает

1

ккал /мот,. В биологии постепен но

распро ст р ан е ние

д р у гая

ед иница

из м е р е ния

э н ргии , кДж/моль, производная от единиц систе мы СИ

(Systeme

( Б)

Inte гnational e

d'Unites), употребляемой в физи ­
4,2 t<Дж. Характерные с илы

ке. Од на килокалория равна

и дли ны основных классов химических связей приведе ~1ы

РИС. 2-10. Ковалентные связи имеют определенные геометри­

в ТАБЛ .

ческие характеристики . ( А) Простра нстве н ное расположение кова­

2-1 .

Для получ е ния лредставле ни:я о том, что такое сила

лентных связей, образуемых атомами кислорода, азота и углерода .

химической связи, полезно с р ав нить силы химических свя­

(Б) Молекулы , образованные из этих атомов, имеют пространственную

з ей с ус р едн е нными значениями энергии ударов, пр етер­

структуру, строго детерминированную углами между ковал ентными
связями и длиной каждой конкретной ковалентной связи . Например,

другими молекулаl\Ш клеточной сред ы, т. е. с кол ебаниями

п еваем ы х молекулами при н е пр естанны х столкнове ния х с

Молекула воды имеет V-образную форму, угол в н ей приме рно раве н

тепловой энерги и молекул. Типовые зн ачения силы кова­

1

О9'. В моделях молекул , сделанных из шаров и палочек, шары изо­
бражают атомы, а палочки - ковалентные связи . Атомы углерода изо­
бражаются черными, водорода - белыми, азота - синими, а кислоро­

лентной с вяз и превосходят с ред нюю энергию тепловых

да - красными . Такое соответствие цветов элементам впервые в вел
химик Август В ильгел ьм Хофман н; давая публич н ые лекции в 1865 г. ,
он использовал набор раскраше н ных крокетных шаров для демон стра­
ции •сочетательной силы » атомов .

д виже11ия при нагрева.нии. Как прав ило, раз рыв и образова­

столюювений молекул в

100 раз. Ковалентные связи устой­

чивы к <, р астаскиванию ,> атомов за с ч ет усиления те п л ового

ни е ковалентных связей прои сходят в химических р еа.~щи ­

ях с друг ими атомами и мол екулами. В клетке эти реак ции
строго контролируются высокоспецифичными катализа­
тор а ми , которые носят назва ние фер.ме~-tтов, или эизи.мов

(e 11zyтn es). Нековалентны е связи, как правило, значитель­

ТАБЛИЦА 2-1. Длина и сила химических связей
Тиnсвязи

Длина, нм

Сила , ккал/моль
в вакууме

Ковалентная

0,15

Нековалентные: ионная связь*

0,25

но слабее ковалентных; позднее мы увидим, насколько они
в воде

90 (377)** 90 (377)
80 (335)

3 (1 2,6)

Большинство ковалентных связей задействуют два элек ­

0,30

4 (16,7)

1 (4,2)

трона, и каждый электрон в этой паре пр едоставляется од-

ва н-дер - ваал ьсовы

0,35

О , 1 (0,4)

О , 1 (0,4)

1шм из атомов, участвующих в образовании связи; такие
связи считаются одииариыми. Некоторые ковалентные
связ и воз никают при обобществлении более ч ем одной
пары электронов . При объединении ч ет ырех электро ­

это электростатическое притяжение между двумя полностью

~:Ряженными атомами .

Значения в скобках - это перевод в кДж/моль. 1 калория = 4, 184 джоуля .

ТАБЛИЦА 2-1. Ковалентные и не ковалентные химические связи

отличаются по силе и длине. Сила связи измеряется энергией, кото­
РУю необходимо потратить на ее разрыв . Эта энергия может быть вы­
Ражена в килокалориях или килоджоулях на моль (определения единиц
даны в Словаре). Длина водородной связи Х-Н-Х определяется как
Расстояние между атомами Х. Сила и длина связей даны приближенно,
потом

Существуют разные типы ковалентных связей

водородная связь

с илы (на атом)

• Ионная связь -

важны для вылолнения молекула ми ко 1-1кретных фунющй.

У что точные значен ия имеет смысл давать для конкретных пар

атомов. Различные ти пы нековалентных связей обсуждаются далее (см.
вкладку 2-7, с . 82- 83).

нов ,

по д ва элект рона от каждого участвующего

атома,

образуется двойиая связь . Двойные связи короче и проч­
н ее одинарных; они оказывают характерное влия11ие на

прост ра нственную геометрию молекул. В общем случае
од ин а рная ковалентная с вязь м ежду двумя атомами до пу­

сt<ает в р а щени е частей молекулы др уг относительно друга

вокруг оси связи. Двойная связь пре пятствует такому вра­
щению ( РИС. 2-11 ) . Это ограничение очень силь но вл ияет

на облик многих макромолекул. На ВКЛАДКЕ2-1 (с.

70- 71)

представле н обзор химических связей, которые обьг,rно

встреча.~отся в биологических молекулах.

Химическ ие связи

53


атомы О и

N

притягивают электроны силыrо, тогда как

атом Н п ритягивает их отн осителыю слабо (из -за раз ­
лич и й в 11оложител ы1 ых зарядах ядер С, О ,

N

и Н) . Это

приводит к тому, что связь ста н овится пол ярно й: частич ­

ный положительный заряд ока з ывается сосредоточен­

ным в од.~-юй области молекулы (положительный полюс) ,
а отр ицательный

-

в другой области (отрицателъный

п олюс). Ковалентные связи, в которых эле ктрон ы рас ­

(А) этан

п ределяются

1-1 ерав 1-юмер н о,

на з ывают

ковал е нтными

полярн ыми. Ковале н т н ые связи между кислородом и во­

до родом ( - O - Н) и м жду азотом и водородом

(- N- H)

п олярн ы ( РИС. 2-12) . Связь между водо родом и угле ро­

дом ( - С - Н) го раздо более сбалансирова на п о силе при­
тяжения электронов атомами и, значит, сравнитет, н о ~1 е­
лоляр н а.

(Б)

РИС.

2-11.

эте н

Углерод-углеродные двойные связи короче и жестч е

од ин а рны х . (А) Для моле кулы этана с одинарно й ковалентно й связью

Электростатическое притяжение

помогает сближению молекул в клетках

между двумя атомами углерода ха ра ктерно тетраэдрическое располо ­

В водных р астворах ковалент н ые связи в

же ние одинарных с вя зей, образуе м ых атомами угл ерода. (Б) Дво й н ая

силь н ее, Lteм п р оч и е с и л ы

притяжения

10- 100

раз

между атомами,

свя з ь между атомами углерода в молекул е этена ( этилен а ) ме н яет гео­

ч то на са м ом деле и л озволяет отгран ичивать одну моле­

метрию связе й, образуе мы х атомами углерода ; все атомы приводятся

кулу от д ру гой. Но в б и ологии все процессы зав и сят от

в одну плоскость . Дво й н ая с вя з ь предотвращает вра щение групп СН 2

с п еци ф ичного связывания между разным и молекулами .

друг отно с ительно дру га.

Такое связывание опосредовано гру п пой нековалентных

взаимодействий, совсем слаб ы х по отдельности. Однако
сумма рная эне ргия этих связей может создавать эффек­

Некоторые молекулы соде ржат атом ы , объединяю­

тив н ую с и лу взаимодействия двух отдельных м олекул.

щие свои электроны так, ч то обарзуются связи п ромежу­

Мы уже о п исывали ион н ые связи, удерживающ ие вместе

точного ха р актера, нечто

с р еднее

между одинарн ыми и

двойными связями. Например , оче нь стабильные молеку­

ио ~1ы

Na+и

с 1 - в кристалле соли. Это о ч е н ь силы-1 ые элек­

т р остат ич еские притяжен ия, п отому что в иих уLi аствуют

лы бен зола п редставляют собой. колъцо из шести атомов

пол ность ю заряжен 111,те и оны

углерода,

чрезв ыч айно важное для б иологии электростати ческое

в

котором

связующие

элект ро ны

рав н омерно

Na+ и

с 1 - . Более слабое, но

расп ределен ы ( хотя их расположение ин огда обоз нача­

пр итяже н ие имеет место между молекулами, в котор ы х

ется как случайное раслределеиие одина рн ых и двойных

есть к ооален тн ы е п оля р ные связи.

связей, как показа но на вкладке

Ковалент н ые л оля р ные связ и создают неоднород-

2- 1).

Если атомы, объеди и ен н ы е одинарн ой ковале нпюй

1-1 ост 1, рас лр еделения зарядов,

ва ть

электроны с разной силой. Так,

между молекулами или частями кру п1-1ых молекул. Лю­

rro срав 1-1 е 1-1ию с атомом С

н ековале н тны м

что позволяет су щество­

связью, от н осятся к р аз н ым элеме нта м , о н и п ритятивают

элект р и ч ески м

взаимодействиям

бая к ру п ная молекула с множеством полярных групп

будет иметь на своей п оверхности о п ределенный рельеф
частич н ых

п олож и тельных

и

от р ицательных

зарядов.

Когда эта молекула вст р ет и т д ругую молекулу с '/СО.мпле­

.меитариым ( т. е. подходящим в качестве с п ецифич н ого

0 = 0

допол н е н ия) набором зарядов, две молекулы будут ис­
пытывать притяжение за счет взаимодействия, на п оми­

нающего ио нные связи в NaCI (но более слабого). При
хоро шем локальном соответствии п овер хностей молеку­
лы специфично п рию,1-1ут друг к другу, как п оказано на

кисл ород

вода

РИС.

2-12. В полярн ых ковал е нтн ых свя зях эл ектро н н ая плотность

смеще н а . Сра внен ие распредел е н ий обобще ствл е нны х эл ектронов в
полярных мол е кул ах
вроде к ислор ода
ь·

0 2.

-

та к и х, как вода Н 2 O

-

и неполярн ых мол екул ах

ь+ об оз н а ч ает ч а стичный пол ож ительный за ряд ,

- частичны й отр ицательны й.

54

ГЛАВА 2. Химический состав клето к

ВОПРОС2-З

А Корректно ли такое утверждение : « В принципе ионную

r1' связь можно рассматривать как очень полярную ковалент-

8

ную связь . Таким образом , ковалентные полярные с вязи

занимают промежуточное положение между ионными связями на
одном к р а ю спектра и ковалентными неполярными свя з ями на

другом » ?


каждая такая связь существует недолго. Но общее влия­
ние множества таких связей на свойства воды весъма ~1 е­

тривиально. Образуется сетка из молекул воды, в которой
водородные связи непрерывно рвутся и восстанавливают­

ся. Имени о благодаря переплетению водородных связей
п ри комнатной температуре и нормальном атмосферном

давлении Н 2 O лредставляет собой жидкость с высокой
температурой кипения и сильным пове р хност 1-1ым натя­

жением. Без водородных связей она была бы газом. Без
водород 1-1 ых связей жиз нь в з накомой нам форме не могла

бы су ществовать. Обзор биоло гически значимых свойств
ВОДЫ дан на ВКЛАДКЕ 2-2 ( с.

72- 73).

Атомы водорода не всегда образуют водородные свя­

зи. В общем случае водо родная связь образуется, если по­
ложителы-ю заряженный Н, удерживаемый ковалентной

полярной связью в составе какой-нибудь молекулы, под ­

ходит близко к отрицательно заряженному атому, при ­
надлежащему другой молекуле. Водородные связи также

могут образовываться между более или менее отдаленны­
ми частями крупной м олекулы, придавая ей форму. Водо­

родные связи

это разновидност ь слабых нековалентных

-

связей, которые играют важнейшую роль в фор м ировании
пространстве н ной организац ии кр упных молекул и их из­

бирателыюм связывании с другими молекулами. Вскоре
мы это обсудим.

Молекул ы , л одобные спиртам, соде ржащие полярные

РИС. 2-13. Крупные молекулы, такие как белки, могут связывать­

связи и способные образовывать водородные связи, хорошо

ся друг с другом через взаимодополняющие заряды на своих по­

смешиваются с водой. Ионы, как уже было сказано, обыLIНО

верхностях.

хорошо раство ряются в воде. Такие молекулы называют ги­

дрофильными

РИС. 2-13. Правда, в биологической реальности притяже­
l·Пiе между зарядами на поверхностях крупных молекул
значительно ослабляется водой.

Молекулы воды образуют друг с другом

водородные связи

На долю воды приходится около 70% массы клеток; боль­

(hydrophilic), т.

е. <<любящими воду>>. В эту

категорию попадает подавляющее большинство молекул
в водной среде клетки; гидрофилыrыми являются сахара,

ДНК, РНК, большинство белков. ~Боящиеся воды~,, гидро­
фобные ( hydroplюЬi c) молекулы не имеют заряженных
групп; они образуют очень малое число водородных связей
или вообще их не образуют и поэтому не растворяются в
воде. Многие биолопrчески зн ачимые молекулы, которые
в целом ~-идрофильны, содержат гидрофобн ые части. Важ­
ным примером таких гидрофобных модулей служат углево­

u~ и.нство rшеточных химических реакций происходит в
водной среде. Жизнь на Земле, по всей видимости, заро­

дороды. В них атомы Н соединены с атомами С ковалент­

дилась в океаи е, и это наложило отпечаток на все после­
дующие поколения живых существ. Химия жиз1-1и была
11 0
Р диктована свойствами воды .

потому имеют прен еб режимо малый положительный за­

В I<аждой молекуле воды два атома Н соединены с
атомом О ковалентными связями. Эти связи полярны, по­
~<ольку атом О притягивает электроны силъно, тогда как
rrритяrивает их слабо. Таким образом, из-за неравно­

~ерного распределения электронов в молекуле воды налюдается смещение положительного заряда на атомы Н,

а отрицательного заряда - на атом О (см. рис. 2- 12). Когда
Положительно заряженная область одной молекулы воды
(т
· е. один из атомов Н) приближается к отрицателъно заРяже~-11-юй области второй молекулы воды (т. е. к атому О),
Между ними может образоваться водородная связь. Водо­
Роднъ1е связи гораздо слабее, чем ковалентные; они легко

Р?тся из-за случайных термодинамических флуктуаций,
Условленных тепловым движением молекул, поэтому

0

ными неполярными связями (см. вкладку

2-1 , с . 70- 71 )

и

ряд. Из -за этого углеводороды не могут эффективно обра­
зовывать водо р одные связи с другими молекулами . Как это

свойство используется клетками, чьи мемб раны построены
из молекул с длинными углеводородными

увидим в гл.

11.

хвостами, мы

Здесь отметим только, что гидрофобные

углеводороды могут образовьшать тонкие мембранные ба­
рьеры, которые о-rделяют обводненную внутренность клет­
ки от столь же обводненной ОJ<ружающей среды.

Некоторые полярные молекулы проявляют
в водных растворах кислотные и основные свойства
Одна из п ростейших химических реакций, очень важных
для ю1етки , имеет место п ри растворе~-rии в воде молеку­

лы с высоко полярной ковалентной связью между водо­
родом и д ругим атомом. Атом водорода в такой молекуле

Химические связи

55


ВОПРОС

2-4

Ки слоты характ ри зуются как сильные или слаб 1, 1 е

А Что не так в следующем утверждении : «Когда NaCI раство­

rl' ряется в воде, молекулы воды , ближайшие к ионам , пред-

8

в за висимо ст и от того, на скол ько ле гко оии отдают сво и

прото 1-1ы воде. Силь1-1ыекислоты, наприме р соля 1-1 ая

(HCI),

почитают ориентироваться так, что их атомы кислорода по­

быстро расстаются со своим протоном. Уксусная кислота,

ворачиваются к ионам натрия и отворачиваются от ионов хлора»?

на против, явля ется слабой, потому что держится за сво й

А может быть , все верно? Обоснуйте свой ответ.

протон гораздо крепче. М1-1оrи е важные для клетки ки сло­
ты, в чи сле которых много р аз ны х молекул , соде ржащих

карбоксильную группу - СООН, являются слабыми (см .
вкладку

2-2, с . 72- 73). Их <<осторожность в вопросах дис­
- полезаое свойство, позволяющее п оверхно­

почти пот-юстыо отдает свой эле ктрон атому-компа~-1ьо 1·tу

социации ~

и ведет существование почти обнаженного положитель­

стям крупных молекул чувствов ать измен е ния условий

но заряжеююго ядра, фактически протоиа (ргоtо11, н+). В

кл еточной с ред ы.

окружении молекул воды этот н+ притянется к частичному

отрицательному заряду на атоме О ближайшей молекулы

Ионы

гид ро ксония

могут

отдавать

протоны

раз­

личным молекулам . От этого молекулы меняются, и все

воды. Затем протон может покюrуть своего партнера по

процессы н ачин ают идти по-другому. Чтобы клетка чув ­

ковалентной связи и присоединиться к атому кислорода в

ствовала себя нормально, концентрация Н 3 O+ внутри нее

молекуле воды с образованием иона гидроксония
11iuш

.io11,

(.hydro-

Н 3 0\ РИС. 2-14, А). Точно так же идет обратная

( кислоп-,остъ

виутриклеточtюй среды) должна тщательно

р егулироваться. Кислоты, особеино слабы е, будут охотнее

реакция, и можно представить себе состояние равновесия,

р асставаться со своими прото н ами при низкой концентра­

при кото ром миллиарды протонов н еп рерывно сове ршают

ции Н 3 O +, а при высокой коицентрации будут стремиться

пер ех оды между двумя типами молекул в водном растворе.

получить протон обратно.

Вещества, которые в водных растворах отдают моле­

По

химической

природе кислоте

противополож,-ю

кулам воды свои протоны с образованием Н 3 O+, назьmа­

основание . Основанием называется любая мол е кула, спо­

ют кислотами. Чем выше концентрация НэО+. тем кислее

собная принятъ протон . Определя ющим свойством кис­

раство р . Даже в чистой воде имеются Н 3 O + в результате

лоты является способность ее молекул повышать концен­

перемещения протонов от одной молекулы воды к другой;
1

трацию ионов Н 3 O +, а определяющим свойством основа­

Б) . По традиции, концентрацию Н 3 O+ обычно называют

гидроксид-иоиов он -. Гид роксид натрия

концентрация Н 3 O + в чистой воде равна

М (рис.

10-

2-14,

~ кшщентрацией н+>,), хотя давно известно, что в водных

растворах большинство протонов присутствует в виде
Н 3 O+ . Чтобы не связываться с громоздкими цифрами ,
кон центрацию Н 3 O+ выражают при помощи логарифми­

ческой шкалы так называемого водородного показателя

рН (см. вкладку
тралъна

-

2-2).

Чистая вода имеет рН

ни кислая (рН <7) , ни щелочная

7,0, она
(pl-1>7).

ней­

ния

-

способность его молекул повышать конце нтра цию

(NaOH)

ется основа1-1ием , п отому что в водиом раствор

циирует с образованием ионов

Na+ и

явля­

он диссо­

ионов он-, повышая

концентрацию последних. Гидроксид нат рия д и ссоцииру ­
ет легко и является силы-,ым основанием (в от ношении

сильных осиова,шй часто используется термин щелочъ ).

Но в клетках более важную роль играют слабые основа­
ния

-

вещества, которые

проявляют умеренную склон­

ность к заимствова1шю протона у воды . Миоrие биологи­
ч ески з начимые слабые основаиия содержат аминогруп­
о

СН г С

уксу сная кислота

вода

,f'

"о 9

+

Н -0

/

н

® "н

ацетат-ион

ион
гидрксония

(А)

пу

Забирая протон у воды, эта химическая группа

- NH 2.

может порождать он·:
вкладку

2-2, с. 72- 73).

- NH 2 + Н 2 0-+ - NH/ + он-

(см .

Так как ион он- , сочетаясь с ионом Н 3 O+, образует две
молекулы воды, увеличеJ-Lие ко1-щентра~.1ии он- ведет к

уме ньшению концентрации Н 3 O +, и наоборот. Чистая вода

нейтральна по кислоп-юсти, она соде ржит равные ко~-щен­

+

0

ион

гидроксил-ион

гидрксония

-

1'

слабых кислот и оснований, которые мо\\

рН

- 7, обеспеt/J ивая клетке опюсителъное постоянство вну­

тренней с реды при н епостоя нстве внешних условий.

'

2-14.

Протоны в водных растворах непрерывно перемеща­

ются. (А) Реакция, происходящая при растворении молекулы уксусной
кислоты в воде . При рН

7 поч ти

вся уксусная кислота присутствует в

форме ионов ацетата . (Б) М олекулы воды непрерывно передают друг
другу протоны с образованием ионов гидроксония и гидроксил-ионов,

которые, в свою очередь , быстро рекомбинируют с образованием мо­
лекул воды .

56

М). Внутренняя среда клетки

гут отдавать лрбо 01'нимать у воды протоны при значениях

другую

РИС.

(10-7

тоже поддерживается почти нейтральиой за счет присут­

ствия буферов

протон переходит

и з одной молекулы в

(Б)

трации обоих ионов

ГЛАВА 2. Химический состав клеток

\

ВОПРОС2-5

Ад·. Присутствуют ли в чистой воде с нейтральным рН (т. е . при
рН = 7,0) ионы Н 3 O♦ , и если да, то как они образуются?

rl'

8

Б. Если они там имеются , каково соотношение между ионами
Н 3 O+ и молекулами воды при нейтральном рН? (Уточнение: молеку­

лярная масса воды равна

18, а 1 литр воды весит 1 кг.)


МОЛЕКУЛЫ В КЛЕТКАХ

ТАБЛИЦА

Мы познакомились со способами объединения атомов
в малы

2-2.

Примерный химический состав

бактериальной клетки

молекулы и поведением этих молекул в водной

среде. Теперь обратимся к малым молекулам в клетке и ро­
Вода

наружим не так мно 1'0 категорий молекул, образованных

Неор ганич ес к ие ионы

начало огромн ому богатству форм и с п особов существо­
вания всех живых существ.

каждой молекулы

20
250

Сахара
и и х п редш естве нн ики

Ами но кислоты

0,4

100

0,4

100

и и х предшестве н ни ки

Клетки состоят из соединений углерода

Нуклеотиды

Почти все молекулы в клетке, кроме воды, имеют в своей ос­
нове углерод, который выделяется среди д ругих элементов

способностыо к образова~-rию крупных молекул (на втором
месте с бол 1,шим отрывом находится кремний

Число разновидносте й

массы клетки

70

лям, 1<оторые они исполняют. К своему удивлению, мы об­
атомами 1-1сскольких элементов. Тем 11 е менее они дают

Процент от общей

-

элемент с

такой же ко1-tфигура.цией электронов во внешней оболоч­

ке). Атом углерода небольшой; в его внешней электрошюй

оболочке есть четыре электрона и четыре вакантных места
для электронов. Поэтому каждый атом углерода может об­

и их предшественники

50

Жирные к ислоты
и их предш ест венни ки

Другие малые м олекул ы

М а к ромолекулы (бел к и ,

0,2
26

~300
~3000

н укл еиновые кисл оты ,
пол исахариды

и фосфол ипиды)

разовать четыре ковалентные связи . Атомы углерода могут
соедю-1яться между собой, образуя цепоч ки и кольца

-

ко­

СТ5rr< крупных и сложных молекул, размер которых не огра­

кула, являясь потенциаль н ой субъединицей макромолеку­

ничен (см. вкладку

Болт,шие и малые моле­

лы, может послужить источником энергии. Важно не забы­

кулы с углеродной основой, синтезируемые клетками, на­

вать, что в живых клетках малые органические молекулы

2-1,

с.

70- 71).

зьшаются орzаиичес1ШМu.молеЩJла,ни. Все другие молекулы,

по массе составляют гораздо меньший процент, чем органи­

13 том числе вода, считаются иеоргаиическими.

ческие макромолекулы; на долю перв ых г~риходится всего

Для органических молекул характерны определен­

лишь одна десятая общей массы всей клеточной органики

ные сочетаиия атомов. Существуют устойчивые, часто
встречающиеся сочета н ия: метил ( - СН 3 ), гидроксил

(ТАБЛ. 2-2). Число раз н овидностей малых молекул в одной

ХJ.tмическая группа , имеет собственные химические и фи­
зичес1<Ие свойства; о.ни влияют на свойства молекулы, в
состав которой входит ерулла (например, насколько охот­
но молекула будет отдавать или при н имать л рото1-tы и с
Т<а~<ими молекулами она будет взаимодействовать). Озна­
комление с химическими группами и их свойствами помо­
жет нам гораздо лучше ориентироват 1,ся в химии живого.

до тех же соединений) . Реакции синтеза и расщепления

(-ОН), карбоксил (- СООН),карбонил( - С=О),фосфорил
( - РО5-) и аминогруппа (- NH 2). Каждое такое сочетание,

Свойства химических групп, часто встречающихся в клет­
ках, представлены на вкладке 2-1 .

клетке по ерубой оце н ке

r<леточиой орган:ики идут с помощью простых, типовых

химических

1'РJ11<Леточных метаболических путей они расщепляются

Превращаются в другие малые молекулы. Мноеие малые
М:олекулы играют в клетке не одну роль: одна и та же моле-

11

определенным

ясь в част ности, можно сказат ь , что клетки содержат LJеты ­

ре ос новных класса малых органических молекул: сахара,

жириые кислоты, аминокислоты и 1-tуклеотиды ( РИС. 2-15).

строительные

более крупные

« кубики» клетки

клеточные структуры

САХАРА

ПОЛИСАХАРИДЫ

ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ

!ЖИРЫ. ЛИПИДЫ. МЕМБРАНьfl

АМИНОКИСЛОТЫ

БЕЛ КИ

НУКЛЕОТИДЫ

НУКЛЕ И НОВЫ Е КИСЛОТЫ

Б6льшая часть малых молекул растворена в цитоплазме, у

них много различных предназнаlrений. Некоторые исполь­
зуются: в качестве мо1-tомеров, т. е. субъединиц, из которых
строятся гигантские полимеры, клеточные макролtолеЩJ­
лъ~ (inacrшno l ecul es) - к ним относят белки, нуклеиновые
кислоты, крупные полисахариды . Другие малые молекулы
служат в качестве источню<ов эиергии: в лабиринте вну-

п одч иненных

соедю-1 ения в клетке родствен ны между собой. Не вдава­

:Малые орга~1ические молекулы представляют собой соеди­
30.

превращеиий,

пошаговым правилам. Вследствие этого все органические

Клетки содержат четыре основных класса

11 числом атомов углерода, обычно не превышающим

около тысячи.

набора низкомолекулярных соеди н ений (и расщепляются

Малых органических молекул

нения углерода с молекулярным весом в пределах 100-1 ООО

-

Все органические молекулы синтезируются из одного

РИС.

2-15.

•

Сахара, жирные кислоты, аминокислоты и нуклеотиды

образуют четыре семейства малых орга ничес ких молекул клетки.
О ни служат м оно м ерными строительными бло кам и , ил и субъединица­
ми , для большин ства ма кром ол екул и прочи х слож ны х внутри клето чны х
моле кулярны х образова ни й. Н екоторы е мал ы е мол екул ы , так и е как са­
ха ра и ж ирны е к и сл оты , также сл ужат и сто чни кам и э н е ргии .

Молекулы в клетках

57


Правда, многие соеди н ения , 11ри сутствующие в клетках,

J---- 0

---0

н е попадают t1и в одну из этих категорий. Однако вместе с

+

макромолекулами, которые получаются при полимериза ­

ции малых молекул, эти четыре семейства органических

он

соедине ,-rnй составляют значитель н ую часть клетоLJНОЙ

массы (см. табл.

но

2-2).
мо н осахарид

моносаха ри д

Сахара служат источниками энергии для клеток

КОНД ЕНСАЦИЯ

и мономерами полисахаридов
Н

Простей шие сахара (моиосахарuды) представляют со­

3, 4, 5 или 6.

0

_ _..,.

-----

вода выделяется

бой соеди н е 1-1 ия с общей формулой (СН 2 O),,, где п обычно
равня ется

2

ГИДРОЛ И З
Н

2

0

вода расходуется

Из-за простой формулы сахара, а

также молекулы , состоящие из них , называют уzлеводамu.
Глюкоза, например , имеет форм улу

C6 I-I 12O6

( РИС . 2-16) .

Строение органических молекул н еодноз начно задается
химическими формулами , и это хорошо видно на примере

углеводов [ речь идет о брутто- формуле, которая отражает
лишь число атомов разных элементов в молекуле.

-

Прим.

ред.]. Одни и те же атомы углерода, водорода и кислорода

дисахарид

СН 2ОН

н

1

н

он

1

1

с

РИС.

но

~/

но

с

1

н

2-17.

Два моносахарида могут соединиться и образовать

дисахарид. Данная р еакция относится к об ш ирному классу реакций

с

1

реактивная связь

он

1

н

конденсации, в котор ых две молекулы соединяются вместе , после того

как сооб ща отдают мол екулу воды . О братная реакция, и дущая с при ­
н

1

соединением мол екул ы воды, называется гидролизом .

он
( Б)

(А)

можно соединить множеством с пособов, создавая струк­
ту ры разной формы. Глюкозу можно превратить в другой
саха р (маннозу или галактозу), просто поменяв орие,па­

цию конкретных - ОН гру пп по отношению к остальиой
части молекулы ( ВКЛАДКА2-З , с.

74- 75). К тому же каждый
D и L, зе ркально сим­

сахар может существоват ь в форм ах

метричных друг другу. Молекул ы с одинаковыми хими­
ч еск ими формулами , но разными ст руктурами называют
изомера.ми; зе ркал ьно симмет ричны е молекулы называют

оптическими изомерами. Изомеры широко расп ростра не ­
ны

среди

органических молекул ; в

ч астности, огромное

многообразие сахаров объясняется существованием изо­
РИС .

2-16.

Структура глюкозы , простого сахара , может быть

представлена несколькими способами. В структу р н ой форм ул е
( А ) атомы обозначены химическими символами, которые соединен ы

меров. Более подроб ,-юе описание структур и химических

свойст сахаров представл ено 11а вкладке

2-3.

Из моносахаридов, сшитых ковалентными гликозид­

сп л ошными л иниями, обозначающими ковалентные связи . Уто л щен­

ными связями, формируются более крупные углеводы. Два

ны е ли н ии ис п ол ьзуются , ч т об ы обозначить п лоскость углевод н ого

моносахарида, сшитые вместе, образуют дисахарид; напри­

кольца и п оказать, ч то г руп пы - Н и - ОН не лежат в этой пл оскости .

мер , дисаха рид саха роза состои т из двух мономеров

( Б ) Д ругая разновидность структурной формул ы гл юкозы, п оказыва ­

козы и фруктозы. Дальнейшее укрушrе1ш е дает полимеры

ющая трехмерную структуру молекулы в так называемой «к онформа ­

от олигосахаридов (трисахаридов, тетрасахаридов и т. д. ) до

ции кресла». ( В ) М одель из шаров и па л очек демонстрирует располо­

,·иrа~пских полисахаридов, которые могут содержать ты­
ся чи моносахаридных едю-,иц . Префиксом <<ОЛИГО>> обыч ­

жение атомов в трехмерном пространстве . (Г) М одель с запол нением

-

глю­

пространства (объемная) , которая не только показывает расположе ­

но обознача~от макромолекулы, состоящ и е из небольшого

ние атомов в трех измерениях, но и позволяет представить себе со­

числа мономеров, от

отношение их размеров, а также очертания поверхности молекулы .

гут насчитывать сотни и ли тысячи субъеди ниц.

Н а (В) и (Г) атомы обозначены обще п ринятым цветовым кодом для
элементов (см. рис .
( ВИДЕО

58

2-1 0):

С

-

черным , Н

-

белым , О

2.1).

ГЛАВА 2. Химически й состав кл еток

-

красным

3 до 50

или около того. Полимеры мо­

Способ объединения сахаров в полисахарид ы важен

при рассмотрении общих черт образования хим иL1 еской
связи. Связь образуется между группой - ОН одного са-


ВОПРОС2 - 6

Жирные кислоты служат компонентами

А Внимательно рассмотрите объемную модель молекулы
rl' глюкозы на рис. 2- 16, Г. Обратите внимание на два разных

клеточных мембран

8

размера атомов водо рода . М ожет быть, художник, созда­

вавший модель , ошибся, и нам следует извиниться? О боснуйте
свой ответ.

Молекула

жирной

кислоты ,

например

палъмитииовой ­

( РИС. 2-18) , им еет две области с разными химическими
свойствами . Одна область молекулы, длиниый углеводо­
род, гидрофобна и не стрем_ится вступать в реакции. Вто­
рая областъ представляет собой карбоксильную группу

- СООН, которая ведет себя как кислота (карбоновая кис­
лота): она очень гидрофильна (в растворе ионизируется

хара и rруппой - ОН другого сахара в реа1щии поликон­

ДО - соо- ) и реакциониоспособна. Почти все молекулы

денсации. При образоnании этой связ и выделяется oдJ-Ja

жирных кислот в клетке ковалентно связаны своими кар­

молекула воды ( РИС. 2-17). При си~пезе других биолог ич е­

боксил 1,ными группами с другими молекулами ( см. вклад­

С t<их полимеров, таких как нуклеиновые кислоты и белки,

ку

ковалентные связи между мономерами тоже образуются с

у которых имеются как гидрофобные, так и L'Идрофильные

выделением молекул воды в реакциях поликонденсации.

области, назъmают ам.фипатич.еским.и, или ам.фифw~ъиыми.

2-4,

Чтобы разрушить ковалентные связи между мономерами,
нужна обратная реакция, которая идет с присоединением
молекул воды и называется гидролиз ( см.рис.

2-17).

Поскольку каждый моносахарид имеет несколько сво­

бодных гидроксиль ных rрупп, через которые может идти

с.

76- 77). Молекулы,

подобны е жирным кислотам,

Гидрофобный хвост пальмити новой кислоты
иа сыщ ен~-tый

углеводород;

в

н ем

н ет двойных

-

это

связей

между атомами углерода и содержится максимально воз­

можное число атомов водорода. Насыще нный углеводо­
род в качестве хвоста им еет еще одну типичную жирную

сшивка с другим моносахаридом (или еще каким-нибудь

кислоту животного жира, стеариновую. Другие жирные

соединением), полимеры сахаров могут быть разветвле н­

кислоты , например олеиновая, имеют 1-1е1-tасыщ еи~tые хво­

нъrми; таким образом, LIИсло возможных ст рукту р , кото­

сты, т. е . с двойными связями. Из-за искривлений хвоста

рые при это м возникают, чрезвычайно велико. Опреде­

по двой ным связя м молекул ы н енасыщенных жирных

лить расположение сахаров в полисахариде бывает гораз­

кислот при комнатной тем пературе не упакованы в виде

до труднее, чем определить нуклеотидную последователь­

твердого вещества. ИмеNtЮ отсутствие или наличи е эт их

ность молекулы ДНК, в которой соединени е субъединиц
Проходит строго по одним и тем же атомам.

Моносахарид г.ttю-коза служит в клетке важным источ­
ником эне ргии. В серии реакций глюкоза расщепляется

~

до более мелких молекул, высвобождая эн ергию, которую

гидрофильная

о-

о

с

/
]

1

карбоксикислотная
голова

СН 2

клетка может направить на вьшолнение полезной работы

1

(см. гл. 13). Полисахариды, состоящие из одной глюкозы,

СН 2

Используются клетками для ее долгосрочного хранения. К

СН 2

1
1

таким запасающим веществам относят, прежде всего, гли1Соге1/. животных и -крахмал растений; клетки запасают их
д11я: производства энергии.

СН 2
1

СН 2
1

СН 2

Функции углеводов не ограничиваются производ­

1

СН 2

ством и запасанием э нергии. Углеводы используются для

гидрофо б ны й

1

создания м еханич еской опоры. Самая распростра н енная
органическая молекула на Земле, и,ешиолоза, - полисаха­

СН 2

Рид глюкозы. Хити:н., которого много в наружных скелетах
Насекомых и клеточных стенках грибов, тоже представля­
ет собой полисахарид; в данном случае это линейный по­
J~и.мер производного сахара N-ацетилrлюкозамина ( см.
вкладку 2-3, с. 74- 75) . Другие пол исахариды с и х спо­

СН 2

у глеводо родн ы й

1

СН 2

хвост

1
1

СН 2
1

СН 2
1

СН 2
1

СН 2

собностыо скользить при намокании являются главными

1

СН 3

Ком понентами слизи и хряща.
Многие олигосахариды ковалентными свнзнми при­
lllнты к белкам или липидам; при этом образуются, соот­
ветственно, 2.11и1сопротеиды и 2.11и-колипиды ( ВКЛАДКА 2-4,

РИС .

с. 76- 77). Те и другие присутствуют в составе мембран.

ная части . Гидрофоб н ая углеводородная цепочка прикреплена к гидро ­

l·Lъ~ми полимерами, принадлежащими к глнкопротеидам и
l'ликолилида м плазматической мембраны. Многие из них

углеводородн ыми хвостами; здесь изображена п альмитиновая кислота.

Поверхности большинства клеток <!украше1-tы,> у rл евод­
11 3

бирател ы-ю узнаются другими клетками. Разница меж­

ду группами крови у людей обусловлена молекулярными
отличиями сахаров н а 11оверхности клеток крови.

(Б)

(А)

2-18. У жиr ных

( В)

кислот имеются гидрофобная и гидрофиль ­

фи л ьной карбоксильной кислотной груп11е. Жирн ы е кисл оты отличаются

( А ) Структур н ая ф ормул а . Карбоксильная кислотная группа, «голова»
мол екулы , показана в ионизированной форме , именно так она выгл ядит
в воде п ри р Н

7.

(Б) М одель из шаров и п алочек. ( В ) Модел ь с за п олне ­

нием пространства ( ВИДЕО

2.2).

Молекулы в клетках

59


двойных связей олределяет раз ницу между тоердым (н а­
с ыще нн ым) и мягким (пол ин е н асыще 1-11-1ым) мар гарином.

)[(ирны е кислот ы присутству ют в клеточных мембра нах;

плотность упаковки молекул ж ирны х кислот в мемб ране

rидро- t

фильная

« голова»

влияет на ее текучесть. Множ ество раз н овид н остей жи р 1-1ы х к и сло т, вст р е ч аю щи хся в клетках, отл и LfaJoтcя д ру г от

д р уга только хвостами

-

и х длиной , а также чи слом и м е­

стоположени ем двойн ых связей (см. рис.

2-4).

Жирные кис;юты служат кл етке резе рвом конце н три ­
ро ва нной н ищи : и х рас щеплени

дает примерно в ш есть

два
гидро ­

фобных
жирно­
кислотных
хвоста

~

раз больше п олезной эн е ргии , ч ем расще плени е экв ива ­
лентной массы глюкоз ы.
молекула фосфолипида

Жирные кислоты храиятся в цитоп лазм е в виде ка­
пелек, состоящи х из молекул rприацилzлицеринов. Каж­
дая мол е к ула триацилглиц ерин а состоит и з тр ех жи рных

РИС .

кислот, при соедин е нны х ковалентными свя з ями к одной

браны. Молекулы фосфолипидов имеют по два гидрофобны х хвоста

моле куле глице рин а ( с м. вкладку

2-4). Из

2-20.

Фосфолипиды , агрегируя, образуют клеточные мем­

молекул три­

из жирных кислот, соединенны х с гидрофильной « головой » молекулы .

а цил rл иц е р и но в состоят и животи ы е жиры , соде ржащи ­

В водной среде гидрофобные хвосты , избегая контакта с водой, паку­

еся в мясе или сливках, и р аститель ны е жи ры, такие как

ются вместе; при этом образуется двойной липидный слой, бислой , в

оливковое масло ( РИС. 2-19). Когда клетка нуждается в

котором гидрофильные головы молекул фосфолипидов контактируют с

э не ргии, це пи жирных ки слот мо1·ут быть высвобождены

водным о к ружением .

и з триацилгли це ринов

и

расщ е пле ны н а зве нья по два

атома у глерода в каждом. Эти з о е нья иде нтичны проме­
жуточны м продуктам расщелл е ния глюко з ы и вступают

о ту же це почку реакций , об есп е чив ающих клетки эне р ­
ги е й

( см .

гл.

13).

Жирные кислоты и их произв одные, в том числе триа­

цилглицерины, служат примерами липидов. У этого кл асса
биологических мол е кул не слишком точное определе ни е
[ в современной о рганической хими и л ипидами с читаются

насыщенные

ненасыщенные

жирные кислоты

жирные кислоты

ли шь производные ж ирных кислот; в биохимии чаще ис­
пол ьзуют более широкое олределение, ттринятое в да нном
учебнике. - Прим. ред. ] ; общее свойство липидов - н е рас ­
твор имо сть в воде и р аство римо сп, в жирах и о рганич е­

(Б)

с ких растворителях, таких как бе нзол. О бычно у липидо в

2-19. Свойства жиров определяются свойствами радикалов

жирных кислот и изопре1-1.ов, либо множественные сшитые

(А)

им еются либо длинные углеводородиы е хвосты, как у
РИС.

жирных кислот, входящих в их состав. Жирные кислоты хранятся

между собой кольца аром ат ич еских углеводородов, как у

в цитоплазме многих клеток в виде капеле к веществ триацилглице­

стероидов ( см . вкладку

ринов, состоя щи х из молекул глицерина с тремя присоединенными

2-4, с. 76- 77).

Для клетки важней шая фушщия жи рны х кислот за­

ж ирными кислотами . (А) Насыщенные триацилглицерины , такие как

ключается в образовании мембран - тонких пле нок оокруг

тристеарат, содержатся в мясе и молочных продуктах . Отсутствие

клеток и оргат-r елл. М ембраны состоят в основном из фос­

двойных связей в жирных кис лота х позволяет молекулам паковать­

фолипидов. Эт и небольшие мол екулы, подобно триацил­

-

вот почему сливочное масло и сало при

гл ице ринам, составлены и з жирных кислот и гли ц ерина .

комнатной температуре твердые . (Б) Растительные жиры (например,

Но, в отличие от триацилглицеринов, у фосфолипидов два

кукур узно е масло) содержат ненасыщенные жирные кислоты , которые

хвоста жирных кислот, а не три. К третьему угле родному

ся вплотную друг к другу

могут быть как мононенасыщенными (содержащими одну двойную

атому глицерина ковале н тн о присоед ин ена rидрофи J 1ы-1 ая

связь), так и полиненасыщенными (содержащими множество двойных

фосфатн ая группа, 1< кото рой, в свою о ч еред ь, пришито

связей) . Двойные связи создают в их хвостах ис к ривления , которые не
дают молекулам паковаться вплотную

-

поэтому растительные ж иры

при комнатной температуре ж идкие . Жиры

-

важ ный компонент раци ­

какое- ни будь н ебольшое орган ич еское соед инение вроде

холииа (см. вкладку

2-4). Фосфолипиды

имеют ярко в ы ­

раже нные амфифильны е свойства: каждая молекула фос ­

она человека , одна ко употребление в пищу насыщенных жиров повы ­

фолипида имеет двойной гидрофоб~1ый хвост (два хвоста

шает концентрацию холестерина в крови, что может вызвать закупорку

жирных кислот) и гидрофильную голову, где находится

артерий и стать причиной сердечны х заболеваний. По этому многие

фосфат. Этим они отличаются от пол н остью гидрофобных

производители продуктов питания стараются понижать содержание

триаци лглицеринов. Другие липиды, при сутствую щие в

насыщенных жиров в своей проду кции.

клеточной мембране, вместо фосфат ной гру ппы содержат

60

ГЛАВА

2.

Химический состав клеток


сахара. Несколько так и х гликолипидов

N-конец

играют

(glycolipids)

полипептидной цепочки

важную рол1, в п е редаче регуляторных си ,, на юв внутрь

l<летки (см. rл .

1

16).

N- H

Амфифиль11ым и свойствами фосфолипидов оп ределя­

Phe

ется и х с п особ н ость образовывап, мембраны. Свободные

н -9 -сн 2 -Q
'\
-

О=С

Фосфолипиды распределяются по поверхности воды в один

1

N- H

слой (монослой) , образуя пленку, в кото рой ги д рофоб ные

1

хвосты молекул торчат в воздух, а гидрофильн ые голо­

Ser

H - C -CHz-OH
1

вы контактируют с водой. В водной тол ще два таких слоя

О =С

молекул охопю соединяются i ХВост к хвосту ,>, образуют

1

о

N- H

Фосфолипид1 1ый сэндвич, или липидный бислой. Липид ны й

Glu

бислой служит структурной основой всех биологических
мембран ( РИС. 2-20) ; это под роб но обсуждается в rл . 11.

1

//

'

'о -

Н - С - СН 2 - СН 2 - С
о=с
1

Lys

Аминокислоты - мономеры белков

N- H
Н
1
/
+
Н '-- C - CH 2- CH 2- CH 2- CH 2- N- H

O=t

'н

1

Аминокислоты представляют собой многообраз 1-1 ый класс

С-конец

Молекул. Их определяющая особенность

- наличие кар­
боксилы-юй группы и аминогруппы на одном и том же ато­

полипептидной цепочки

ме углерода, который обознас~ают 1<ак а ( РИС. 2-21 ). Раз-

РИС.

1·юобразие аминокислот обусловлено раз н ооб разием ра­

связями. Ч етыре аминокисл оты , изображе н ные на рисунке , соединены

д икалов

тремя посл едовател ьн ы ми п епти д ными связями , одн а из котор ы х в ыде­

-

боковых групп атомов , которые тоже крепятся

к уеле роду а (радикал ы обозначают буквой

2-22.

Молекула белка удерживается в целости пептидными

Амино­

ле н а жел тым . Одн а и з ами н окислот представле н а на сером фо не . Ради­

кислоты используются клетками для построения белков;

кал ы ами н окисл от да ны красным шри фтом. Д ва ко нца полипе пт идной

единенных в длинную цепосrку в одинаковой ориентации,

ся аминогру пп а, на другом, С -кон це

<<R~).

белки представля ют собой пол им еры аминокислот, со­
<<голова

1< хвосту >> -

це п очки имеют химические отличия. Н а одн ом из них , N -кон це, находи т ­

-

ка р боксильная групп а . П оследо­

так что аминогруппа соеди ня ется с

вател ьн ость ами н окисл от в бел ке ил и п ол и п е пти де за п ис ывается при

карбоксилr,ной группой. Затем цепочка сво рачивается в

помо щи однобукве нны х и л и т рехбуквенных обознач ений ам и нок и слот,

виде простра 1-1 стве ююй структу ры, уникальной для каж ­
дого типа белков .

причем запис ь всегда начинаетс я с N -ко н ца (см . вкладку

Ковалентную свя зь между соседиими аминокислота­

деть как

ми в белке н азывают пептидной связыо, цепочку амино ­
КИсJют н аз ывают полипептидом ( РИС . 2-22). Пептидные
связи образуются в реакциях конденсации, в ходе кото­
Рь~х с шива ются соседние аминокислоты. Вн е зави с имости
от l<онкретной последовательности аминоrшслот, любой

nол ип ептид имеет на одном конце аrvшноrруппу

- NH 2
(N-коиец гюлипептида) , на другом ко н це - карбоксиль­
ную группу - С ООН ( С-конец лол ипе птида ) . Это придает
nоли п ептиду направленность - структу рную поля рность
(не nутать с электрис1еской полярностью).

2-5, с . 78- 79) .

В данном случ ае запис ь п оследовател ь н ости аминокисл от будет вы гля­

Phe-Ser-Glu-Lys (ил и FSEK).

В белках встречается двадцать различных аминокис­
лот, отличающихся стро ени ем ради r<алов, прикрепленн ых

к а-атому углерода ( ВКЛАДКА 2-5, с.

78- 79). Одни

и те же

двадцать аминокислот присутствуют во всех белках на

свете; неважно , чьи это белки

бактерий , растений ил и

-

животных. Каким образом такой iнабор конструктора из

20 деталей~

укоре нился в ходе эвол юции, остается одной

из бол ьших загадок; с точки з ре ния биохимии, н ет ника­
ких очевидных объяснений исnользова 11ия именно этих
аминокислот. Но с тех пор, как выбор был сделан, изме­

аминогруппа карбоксильная группа

нiJ_Jн
-н,NJ-еоё~
/6н 3
рН ?
dн 3
~

~1 ен ия не принимались: дорого обошлась биохимическая
н астройка экс плуатации именно этого набора. Чтобы по­
менять используемые

а-у гле род /

радикал (R)
Неион изи рованная
ионизированная

(А)

форма

форма

клетками

аминокислоты ,

живому

организму пришлось бы п ерестроить весь метаболизм для
работы с новыми строителъными блоками.
Как и у саха ров, у всех ам иноки сJют ( кроме глици­
на) су ществуют оптические и зоме ры ,

(Б)

(В )

РИс. 2-21 . Одной из самых простых аминокислот является ала11ин. (А) В клетке , где рН примерно равно 7, свободная аминокислота
находится в ионизированной форме ; но при ее включении в полипеп ­
тидную цепочку заряды на ами на- и карбоксигруппах исчезают. Моде­
ли алани на ( Б) из шаров и палочек и ( В ) с зап ол не н ием пространства
(С - черный; Н - белый; О - красный; N - синий).

L и D (см.

рис .

2-5).

В белках можно встретит,, только L-аминокислоты (хотя
D- а минокислоты вход ят в состав кл точ ной стенки н еко-

ВОПРОС2 - 7

А Как вы думаете, почему в бел ках ис пол ьзуются тол ько
L-аминокислоты , а не случай н ая смесь L- и О-форм каждой

rl'

8

ам и нокисл оты?

Молекулы в клетках

61


г-----lD-----,

торых бакте рий , и из ни х состоят 1-1 е которы е антибиоти ­
ки) . Ка кова причииа и спользования только L-форм ами-

1-юкислот при б иос интезе бел ков

-

фосфоангидридные связи

г1~

загад ка э волюции .

Химич еское разнообраз ие двад цати ста~ща рп-~ых ами ­

20 аминокисл от им е ют радикалы ,

ко­

торые в растворах мо~-ут иони з ироваться и , следователь­

1

1

о-

1

11
о

11
о

11
о
энергия в

энергия

доступной
форме для
работы

солнечного
света или

но , нести эл ектрический заряд (наприм е р, ли з ин и глута ­

питательных

миновая кислота, изображенные на рис.

веществ

2-22). Радикалы

о-

-О - Р-О- Р-0- Р-О

нокислот жи з н е нно необходимо для функционирования
белков . Пять и з этих

г1~

о-

Н 2O

клетки и
химического

синтеза

остальных аминокислот зарядов не несут, но их свойства
раз личаются:

не которы е

аминокислоты

полярны

и

rи­

дрофилы, ы, другие неполярны и rидрофобны [реч ,, идет
о радикалах

-

в растворах в иони з ированной форм е.

- Прим. ред. ] (см.
2-5). Из гл. 4 мы уз н аем, что совокупиые с войства

о-

11
о

в целом моле кулы всех стандартных ами ­

нокислот достаточно rидрофилыrы, так как присутствуют
вкладку

о-

о-

н+ + -о- Р-ОН + -о- Р-о- Р-о
11
о

11
о

неорганический
фосфат (Pj)

радикалов лежат в основе всех раз нообразttых и сложных

РИС.

функций белка.

энергии образование АТФ из АДФ и неорганического фосфата сопряже­

2-24.

АТФ в клетках служит энер гоносителем. Требую щее

но с окислением п итательных ве ществ, даю щим энергию (в клетках жи­

Нуклеотиды

-

Нуклеозид

вотн ы х, грибов и некоторых бактериях), и л и с использованием энергии

мономеры ДНК и РНК

света (в клетках растений и некоторых бактерий) . Гидролиз АТФ обрат­

это молекула органического соединения, со­

н о до АДФ и неорганического фосфата, в свою оче редь , обеспечивает

стоящая и з двух модулей: азотсодержащего кольца (или

необходимой энергией множество клеточных реакций . В се вместе эти

колец) и сахара пентозы (рибозы или дезоксирибозы;

реакции образуют цикл АТФ .

-

ВКЛАДКА 2-6, с.

80- 81).

Нуклеозид, несущий на свое м са­

хар е одну, две или три фосфатные группы, ~, аз ывается ну­

клеотидом. Нуклеотиды с рибозой

шестичленным. Назва~rия нуклеотидов соответствуют на­

с дезоксирибозой

- это рибо1-1.уклеотиды,
дезоксирибоиуклеотиды.

званиям азотистых оснований (см. вкладку

-

2-6, с. 80- 81).

Азотсодержащие кольца наз ывают азотисты.лtи ос1ю­

Нукл еотиды могут служить для краткосрочного хране­

ваииями по историческим причина м: в кислой ср еде та­

ния химич еской энергии. В пе рвую оч ередь таким храни­

кие кольца связывают по одному протону Н+, тем самым

телем явля ется аденозинтрифосфат, АТФ (АТР, от аигл.

увеличивая содержание ионов он - в водном растворе .

adenosine tгiplюspl1ate; РИС. 2-23), который снабжает эне рги­

М ежду азотистыми основаниями существует большое фа­

ей сотни различных КJJеточных реакций. Сам он образуется

(U),

в реакциях с использ ованием э нергии , получаемой от рас­

кол ьца,

ще пления питательных веществ [ при синтезе АТФ у мно­

милы-юе сходство. Цuтозии (С), тимии (Т) и урацшt
производны е

ш естичленного

пиримидинового

наз ывают пиримидииами; гуаиии
пурииы ,

несущие

второ е

(G)

и адеиии (А)

пятичле нно е

кол ьцо ,

-

это

слитое

с

гих фототрофных организ мов может использоваться так­

же энергия света и у н екоторых бакте рий и архей эн ергия
окисления неорганических субстратов.

-

Прим. ред. ] . Три

фосфата АТФ соединены в ряд двумя фосфоа11гидридиыми
связями (см . шшадку

2-6).

При разрыве этих связей м ежду

фосфатами высвобождается большое количество лолез ,-юй
эн ергии. Особе нно часто от АТФ в результате ,-идролиза
отще пля ется ко,ще вая фосфатиая группа ( РИС. 2-24) . Во
многих ситуациях при п ереносе конце вого фосфата АТФ

на другие молекулы выделяется э нергия, обеспе lrилающая
э н ергоемки е реакции биосинтеза. Не которы е ную1 еотиды
1

трифосфат

рибоза

служат посредниками

аденин

аденозин

(А )

при

переносе други х

групп . Обо всем этом будет расс казано в гл.
( Б)

х имич еских

3.

Фундам е нтальная роль нукл еотидов в клетке за кто­

чается в хране нии и реализации биол огич еской инфор ­
РИС .

2-23. Аденозинтрифосфат (АТФ) -

нуклеотид с реакционно ­

мации. Нуклеотиды служат кирпичиками , и з которых

-

способными концевыми фосфатными группами . (А) Структур н ая

строятся

формула; три ф осфатные группы да н ы на желтом фоне. (Б) М одель с

цвета соответствуют атомам :

субъединицы которых связаны м ежду собой ковалент­
ны ми фосфодиэфириыми связями. Эти свя з и соединяют

синий; О- красный; Р -желтый. Дезокси­

фосфатную группу, прикрепле нную к сахару одно ,:о ну ­

заполнением пространства (видео

С - черный; Н

-

белый;

N-

2.3);

нуклеиновые ки слоты

длюшы е

полиме ры,

версия аденозинтрифосфата {дАТФ) отличается только тем, что гидрок­

кл еотида, с гидроксильной группой на сахаре сл едую ­

сильная группа, которая на (А) выделена красным шрифтом, заменена

ще го нукл еотида ( РИС . 2-25). Це пи нуклеиновых ки слот

атомом водорода .

син тез ируются из богатых э не рги е й н у кл еоз идтрифос-

62

ГЛАВА 2. Хи м ич еск и й со став клеток


полимера. Нуюrеюювые 1<исJюты, содержащие рибозу, на­

5'-конец

з ываются рибонукл еиновыми кислотами , РНК

(RNA, от
ribonucleic acids); в 1шх есть азотистые основания А,
G, С и U. Нуклеиновые кислоты, содержащие дезоксири­
бозу (в которой гидроксил в позиции 2' углеродного коль­
ца рибоз ы заменен водородом; см. вкладку 2-6), называют
дезокси рибонуклеиновыми 1шслотами , ДНК (DNA, от
аиzл. d esoxyгiboпнcleic acids); в них есть азотистые осно­
вания А, G, С и Т (Т похож на U в РНК; см. рис. 2-25).

1

-о - Р = О

аиzл.

1

о
1

5 ' СН 2

1'

4'

о

РНК в клешах обычно встречается в форме одиночных

1

полимерных цепей, тогда как молекулы ДНК практиче­

-о - , = О

NJC
NH 2

<

О

6н2 О

~ N
1

N

N)

Q

другу
вместе

в

противоположных

ориентациях,

водородными связями

между

удерживаются

противолежащими

азотистыми основаниями ( ВКЛАДКА 2-7, с.

82- 83).

Линейная последовательность нуклеотидов как в мо­
лекуле ДНК, так и в молекуле РНК содержит генетиче­

о

скую информацию. Но роли этих нуклеиновых кислот в

1

-о - Р = О

клетке разделены. Молекулы ДНК со своими прочными

О

~ НзС~NН

l .. A

1

ски всегда имеют форму двойных спиралей. В молекулах
ДНК две цепи полимера, закрученные параллел1,но друг

~о

с пиралями, стабилизированными за счет водородных свя­

зей, работают долгосроLJНЫМ хранилищем наследстве нной
информации . Более хрупкие од,юцепочечные молекулы

РНК обычно используются как посредники при перехо­
де от инструкции к ее исполнению . Азотистые основания,
находящиеся

в

разных

молекулах

нуклеиновых

кислот,

способны к спариваиию. Они могут узнавать д руг друга и

о

образовывать конкретные пары с другими основаниями

U. Без этого не было бы ни наследствен­
ности , ни эволюции (см. гл. 5).

G с С,

1

-о - Р = О
1

А с Т либо

о
1

5 ' СН 2

МАКРОМОЛЕКУЛЫ В КЛЕТКАХ
1'

4'

По массе макромолекулы намного превосходят остальные
соединения углерода, содержащиеся в клетках ( РИС. 2-26) .

о
1

З'-конец

Имеюю макромолекулы

-

те самые ~ кирпичики~ , из ко­

торых по строены клетки, и именно от их свойств зав исят

основные признаки живого. По размеру и сложности ма­
кромолекулы занимают промежуточное положение меж-

РИС,

2-25.

На коротком отрезке цепи молекулы дезоксирибону­

клеиновой кислоты (дНК) показаны связи, которыми соединены
Четыре следующих друг за другом нуклеотида. Нуклеотиды со­
единяются фосфодиэфирными связями между кон кретными атомами
Углерода углеводных колец; эти атомы обозначают номерами 5' и 3'.

На одном из концов нуклеотидной цепочки (5'-конце) будет находиться

свободная фосфатная группа, а на другом конце (3' -конце) будет нахо­
диться свободная гидроксильная группа. Один из нуклеотидов заклю­
чен в серый квадрат; желтым цветом выделена фосфодиэфирная связь ,

бактериальная
клетка

Г

_J

ионы , малые

молекулы
ДНК(1 % )

30%

вещества

кроме воды

РНК(6 %)

МАКРОМОЛЕКУЛЫ

Образованная фосфатной группой другого нуклеотида, ведущая к смеж­

ному нуклеотиду. Л инейная последовательность нуклеотидов обычно
записывается последовательностью букв и всегда читается от 5' -конца.
В данном случае изображена последовательность G-A- Т-С.

(4%)

фосфолипиды (2%)1

70%

воды

:атов; при образовании фосфодиэфирной связи высво­

бел ки

(15%)

полисахариды

(2%)

О)!(дается неорганический пирофосфат (реакция кон­

денсации; см. вкладку 2-6, с. 80- 81).
Существует две разновидности нуклеиновых кислот,

Раз 11ичающиеся типом сахара в сахара-фосфатном остове

РИС.

2-26. Макромолекул в клетках очень много. По казан пример­

ный состав бактериальной клетки; у жи вотны х клеток состав приблизи­
тельно тот же.

Макромолекулы в клетках

63


СУБЪЕДИНИЦА

ВОПРОС2 - 8

МАКРОМОЛЕКУЛА

•

А Что подразумевают под «полярностью• полипептидной ~епоч ­

rl' ки и что имеют в виду, говоря о « полярности • химическои свя-

. ·••·••-

сахар

полисахарид

амино ­

белок

8

зи? Объясните разницу в значениях одного и того же термина.

бой клеточный п олимер растет за счет добавл е ния мо1-юме­

кислота

ров к одному ко 1·щу цепоч1<и с выдел е ние м молекулы воды

(решщия конде н сации; РИС. 2-28, см. также рис.
нуклеотид

акции синтеза всех полим е ров

нуклеиновая кислота

2-17) . Ре·

находятся под ко нтро лем

с п е цифичных ферментов; это обеспечивает вюпоч е 1-1ие в
РИС.

2-27.

Полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты состав­

лены из субъединиц

-

полимер только мономеров строго о пр еделенного типа.

Пошаговое включение мономеров в полимер

мономеров. Каждая макромолекула пред­

-

про ­

ставляет собой полим ер и з малых молекул (мономеров , или субъеди ­

стой путь изготовления крупной , сложно органи зованиой

ниц) , соединенных вместе ковалентными связями .

мол екулы (.поскольку используется одна и та же реакция,

повторя емая снова и снова одним и тем же набором фер­
ментов). Синтез биологической макромолекулы можно
ду малыми молекулами и клеточными органеллами. Они

сравиить с повторяющимися действиями механиз ма на

представляют собой пол имеры малых органических моле­

производстве ,

кул, служащих мономерами , или субьедииицами ( РИС . 2-27

Макромолекулы (кром е некотор ых полисахаридов ) син·

и раздел ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ , с .

тез ируются из н або ра мономеров, н есколько отличаю­

65- 66).

При этом макромо­

11 0

с

и екоторыми

( например,

важными

оговорками .

лекулы проявляют много и еожида ю·1ы х свойств, которые

щихся между собой

трудно предсказать, исходя только из свойств их повторя ­

типов аминокислот; см. вкладку

белки построены и з

ющихся субъединиц. Примером могут служить молекулы

мо 1-юмеров во время синтеза происходит специфично, по

нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), х ранящих и передаю­

принци п у узнавания; они добавляются 1< растущему кон­

2-5,

с.

78- 79).

20

Подбор

цу поли м ера в определенном порядке, или в определенной

щих н аследственную информацию.

Особенно многогранным классом биологических ма­

послед овательности

(sequence).

Способы, которыми задаются последовательности кле­

кромолекул являются белки, выполняющие в клет1<е ты­
сячи различных функций. Многие белки действуют как

точ ных полимеро в, будут рассмотрены в гл. 6 и

ферменты (катализаторы клеточных химич.еских реак­

собах заключается глав н ая иитрига всей биологии, посколь­

7. В этих спо­

ций); под контролем ферментов, в частности, находятся

ку биологиtrеские фующии белков, нуклеииовых кислот и

все

пищи .

многих полисаха ридов полностью зависят от конкретной

Ферменты требуются для синтеза различ ных молекул ,

последовательности мо номеров в линей ной це пи. Воз мож­

реакции по извлечению

э нергии

из

молекул

необходимых 1<летке. Например, фермент под названи­

~юсть

ем рибулозоби сфосфаткарбоксилаза, присутствующий в

ляет получать огромное миогообразие ли н ей ны х молекул.

хлоропластах растений , преобразует СО 2 в сахар

rв

дей­

ствителыюсти СO 2 вюночается в состав органических мо­

лекул (ри булозо- 1,5 -бисфосфата ).

-

Прим. ред. ] ; таким

образом, этот белок создает 66лr,шую часть органической
материи, и спользуемой всеми живыми су ществами . Из не­

изменения

последовательности

мономе ров

позво­

Так, для полипептидной цепочки дл иной

200 аминокислот
(20 х 20 х 20 х 20 ...
и так 200 раз ) , а для мол е кулы ДНК длиной 10 ООО нукле­
отидов (для ДНК это н емного) возможно 410000 раздиtшых
вариантов - н евообразимое м н ожество. Ясно, что для лю­
получается

20 200

возмож1-1ых вариантов

которых белков строятся опорные структу ры кл еток: иа ­

бого биосинтеза просто обязан существоватъ тщате;гы-~ый и

пример , при самопроизвольной агр егации макромолекул

тонкий контроль, обеспечивающий точность выбора субъе­

тубулина образуются длинные проtп•rые микротрубочки

диr-1ицы, добавляемой к растущему ко 1-щу полимера.

(см . ри с.

1-27,

Б). Гистоновые белки обесп ечивают упа­

ковку 1<леточной ДНК в хромосомах. Некоторые белки
н

действуют как молекулярные моторы, производя механи ­

ческую работу и движение (наприм ер , миозин в мышцах) .

~

Белки выполняют множество функций , и многие и з них

нам предстоит рассмотреп, подробно . Се йчас разберем
ли шь общие химические особенности макромолекул , по­
з воляющие им выполнять их функции.

Для макромолекул характерна
определенная последовательность мономеров

+ Н. . .

н. . . .
РИС.

2-28. Макромолекулы образуются за счет добавления субъе·

диниц к одному из концов. В реакции конденсации происходит добав­

Хотя химические реакции добавления субъед иниц в бе1гки,

л ение мономера к растущему ко нцу полимера , при этом они совместно

нукл еииовы е кислоты и полисахарид ы разл ичаются в дета­

теряют одну молекулу воды . Обрат ная реакция - расщепление полиме­

лях, у этих реакций есть важ1-1ые общие особенности. Лю-

ра

64

ГЛАВА 2. Химический состав клеток

-

идет с присоединением воды по механизму гидролиза .


ЧТО ТАКОЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ?
Представление о том, что белки, полисахариды и нукле­
и ,-ювые кислоты

-

э то крупные молекулы, построенные

из более мелких субъедиtшц, соединенных одиа за дру ­
гой в длинные цепочки, сегодня может показаться до­
вольно очевидным. Но так было не всегда. В начале ХХ
в. очень немногие ученые верили в существование таких
макромолекул

-

полимеров, выстрое нных из повторя­

(А)

(Б)

ющихся единиц, удерживаемых вместе ковалентными
связями. Саму мысль о том, что ~ из простых химических

РИС .

Кирпичиков мож н о монтировать устрашающе громадные

чал а ХХ в. не могли при йти к един о му мн е н и ю н асч ет того, являются

2-29.

Что собой представляют макромолекулы? Хими ки н а­

соединения1.>, многие считали эксцентричной и даже шо­

ли бел к и , пол исаха риды и други е к рупны е м ол екулы (А) диск ретны м и

!Нtрующей. Противники идеи о существовании макромо­

ч астицами , состо ящи ми и з н еобы к н о ве нн о большо го числ а атомов ,

Jlекул полагали, что беюш и другие очевидно крупные

со единенны х ковал е нтными с вя зями , ил и (Б) ры хл ыми гете роге нными

Молекулы являются просто гетерогенными агрегатами

ско пл е ниями малых мол екул , уде ржи вающи хс я вм есте бл а года ря сла ­

малых молекул, удерживаемых вместе слабыми <<силами

б ым в заи модействи ям .

ассоциации,> ( РИС. 2-29).

Первое указание на то, что белки и другие полимеры

(1

дальтон примерно равен массе атома водорода). На то

настолько крупны, дали наблюдения за их поведением в

время из-за отсутствия хороших методов возобладала ги­

растворе. В то время ученые работали с различными бел­

потеза о том, что белки и углеводы являются свободными

Т<ами и углеводами, выделенными из продуктов питания и

агрегатами молекул, а не макромолекулами.

rrри.родных материалов. Например, было модно работать с

адьбумином из яичного белка, казеином из молока, колла­

Даже просто поверить в то, что молекулы тяжелее

геном из желатина и целлюлозой из дерева. Химический

было проблемой (именно

состав перечисленных веществ выглядел довольно про­

самая крупная

сто

химиками). Возьмем, к примеру, гемоглобин

-

подобно другим органическим веществам, они со­

4000

дальтон вообще могут существовать, для многих ученых

4000

органическая

дальтон в то время весила

молекула,

синтезированная

-

белок эри­

держали углерод, водород, кислород и, в случае белков,
азот. Но в растворах они вели себя как-то странно, напри­

лись оценить разме р гемоглобина, разделяя его на простые

мер, не проходили сквозь тонкие фильтры.

химические компоненты. Кроме углерода, водорода, азота

Почему эти молекулы не подчинялись общим пра­
Еилам поведения в растворах, было не понятно . Стали
дум.ать: может, правда это гигантские молекулы, состоя­
Щи:е из необычайно большого числа атомов , скрепленных
между собой ковалентными связями? Или они больше
похожи на коллоидные суспензии частиц - большие вяз­
l<Ие беспорядочные скопления свободно ассоциированных

троцитов, переносящий кислород. Исследователи пыта­

и кислорода в гемоглобине содержится небольшое колWJе­
ство желе.за. При подсчете процентных соотноше1-mй ока­

зывал. ось, что в rемоглобиие на каждые

712

атомов угле­

рода приходится один атом железа, а минимальная масса

молекулы составляет

16 700 дальтон. Может ли молекула, в

которой сотни атомов углерода выстроены в одн у длинную
цепочку, сохраняя свою целостностъ, еще и выполнять кон ­

Простых молекул?

кретную функцию? Эмиль Фишер, химик, определивший,

Чтобы остановиться на каком-нибудь из вариантов,
СJtедовало определить размер одной <<странно себя веду­
щей >> молекулы. Если вещество, такое как сывороточный

что аминокислоты в белке соедюrены пептидной связыо,
считал, что полипептид не может вырасти длиннее

30- 40

аминокислотных остатков. Поэтому <<явно напрашивавшу­

альбумин, состоит из молекул одинакового размера, это

юся1.> модель структуры гемоглобина, в которой насчиты­

свндетельствует в пользу существования истюшых ма­

вается семь сотеи атомов углерода, в едущие химики того

I<ромолекул. Напротив, если бы альбумин, скажем, пред­
ставлял собой беспорядочный конгломерат, в его растворе

времени считали 1весьма сомнителы-юЙ>>.

Наблюдался бы полный хаос из пептидов различной моле­

сти в дебатах, пришлось ждать появления trовых методов с

I<улярной массы.

инновационным техническим оснащением. Убедительные

К сожалению, методы, которыми ученые пользова11ись в начале ХХ в., не очень подходили для определения
Размеров столь крупных молекул. Некоторые химики пы­
та.писъ оценить размеры белка по снижению точки замер­
зания, другие измеряли осмотическое давление раствора.

доказательства макромолекулярной природы белков были

В си.лу большой поrре1шrости измерений эти методы не

Чтобы разрешитъ сомнения и достичь определенно­

получены в экспериментах с использованием ультрацен­

трифуги

-

прибора, в котором центробежная сила исполь ­

зуется для разделения молекул по размеру ( РИС . 2-30; см.
также вкладку

4-4, с. 160- 161).

Теодор Сведберг, разработавший его в

1925 r.,

сам

давали воспроизводимых результатов . Например, моле­

провел первые эксп ерименты. Он рассудил, что если бы

l<У.nярную массу целлюлозы не удавалось измерить точ­
Нее, чем ~где-то в интервале от 6000 до 103 ООО дальт01-r1.>

белок действительно был агрегатом малых молекул, его

Продолжение на с.

Макромолекулы в клетках

66

65


ЧТО ТАКОЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ? (продолжение)
седиментация в ультрацент риф уге дала бы размазан ­

(см. гл.

ную картину из молекул разного размера. Используя

изучать н ел ь зя.

гемоглобин в качестве тестируемого вещества, Сведберг
обнаружил, что образец дает одиночную четкую полосу,

молекулы выполняют в клетке множество самых р аз ных

68

4) .

Гетерогенную суспензию таким способом

В наши д ни аю<то не сомневается, что к ру пные макро­

ООО дальтон.

функций; мы воспринимаем это как данность. Но были

Именно этот результат укоренил представление о бел­

времена, когда химики относились к самой идее существо­

соответствующу ю молекулярной массе
ках как истинных макромолекулах.

вания таких полимеров со скептициз мом зоолога, услы ­

Дополнительные подтвержд ения стали поступать
по мере того, как д руги е учен ы е

начали выращивать

шавшего о том, что где-то в Африке н ашли слонов длиной

100 метров и высотой 20 метров.

Учеаые потратили десят­

кристаллы чистого белка, которые можно было из­

ки лет на освоение методов, позволивших убедить всех и

учать по картинам ди фр акции р е нтгеновских луч ей .

каждого, что в основе всей биологии стоят огромные (по

Только однородные по разме ру и форм е молекулы мо­

молекулярным меркам) молекулы. Читая эту книгу, вы не

гут образовывать в ысоко упорядоченны е кристаллы и

раз убедитесь, что тернистый путь к открытию в науке

р ассеивать р е н тгеновские лучи так, что по тт аттерна м

скорее правило, чем исклю чение, а научный прогр есс за­

ди фр акции можно изучать их трехмерную стру кту ру

частую определяется тех нологическими достижениями .

образец наносится в виде
узкой полосы поверх
содержимого пробирки

гетерогенные

... .... ... агрегаты
.••:.;.· :: дали бы шмер
: • .,.•; из разнородных

образец

фрагментов

ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ

стабилизирующий
градиент сахарозы

белок гемоглобин
(А)

седиментирует

ОДНОЙ ПОЛОСОЙ

СЕДИМЕНТАЦИЯ ГРАНИЦЫ

РИС.

2-30.

Применение ультрацентрифуги помогло прекратить дебаты о природе

макромолекул. В ультрацентрифуге центробежная сила в

500 ООО

раз превышает силу

тяжести и может быть использована для разделения белков или други х крупных моле кул .
(А) В современной ультрацентрифуге образец наслаивают поверх находящегося в про ­

бир ке раствора с градиентом концентрации сахарозы . Пробир ку помещают в металличе­
ский ротор , который вращается в ультрацентрифуге на высоки х оборотах. При вращении
ротора молекулы разного размера, оседая с разной скоростью , будут сдвигаться в на ­

правлении дна пробирки в виде четко различимых полос. Если бы гемоглобин являлся
ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ

рыхлым агрегатом пептидов разного размера и свойств, при его центрифугировании по ­
лучалась бы диффузная « мазня » , как в верхней пробирке. Вместо этого получается чет­

кая полоска с молекулярной массой
СЕДИМЕНТАЦИЯ ПОЛОСЫ

68 ООО (нижняя

пробирка). Ротор ультрацентрифуги

долже н стабильно выдержи вать высокие обороты на протяжении многих часов при по­
стоянной температуре

-

в противном случае в растворе начинает идти конвекция, портя­

щая весь эксперимент. За разработку и применение ультрацентрифуги Теодор Сведберг
в

1926 г.

получил Нобелевскую премию по химии. В наши дни ультрацентрифуга входит

в типовой комплект оборудования любой лаборатории , но впервые с конструировать ее
было настоящей инженерной сверхзадачей . (Б) В своем известном эксперименте Свед­
берг наполнил специальную пробирку для центрифуги однородным раствором гемогло ­
бина; пропус кая свет через пробир ку, он тщательно отслеживал движение границы меж­

ду осаждающимися моле кулами белка и прозрачным водным раствором , остававшимся
ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ

позади (так называемую «седиментацию границы » ). На (А) изображена другая версия
этого метода, так называемая «седиментация полосы», разработанная позднее .

(Б)

66 rnABA 2. Химический состав клеток

-


Нековалентные связи определяют
точную форму макромолекул

Большинство оди1-1арных ковалент1-1ых связей в мaкpo­
MOJieкyJie до п ускают ротацию, т. е. л оз воляют атом ам, об­
разовав шим эту связ ,,, вращаться вокру ,, ее оси. Поэтому
все полимеры очень гибкие. Казалось б ы , ~, ичто 1-1 е м ешает

м акромолекуле принимать ПОLПИ 1-1 еогра1-1иченное чи сло

Форм - конформаций, если полимер может всячески из­

виваться и вертеться под вл ияни ем случай 1-1 ых телловых

Флуктуаций . Тем не менее этого не происходит: облик боль­
щин ства биологических мол екул ч етко очерчен благодаря
Множеству относительно слаб ых нековалентных связей,

образующихся между атомами и Х_ИМическими группами

113 разных частей молекулы. При достаточном количестве
этих слаб ых связей полимер может тяготеть к какой-то
кон кретной конформации. В клетке большинство молекул

бел1<а и многи е молекулы РНК пребывают в строго опре­

одна стабильная

множество нестабильных

конформация

конформаций

деленных конформациях ( РИС. 2-31 ) . От этих уникальных

конформаций, зафиксированных естественным отбором,
зависят химические свойства и активность макромолекул,
а также их взаимодействие с другими молекулами.

Н ековалентные связи, з н ачи мые для сво й ств биоло­
гических молекул, бывают нескольки х типов. Два из ни х
Уже упоминались в этой главе - это электростатическ и е
взаимодействия и водородные связ и ( с м. вкладку 2-7,

РИС.

2-31.

Большинство белков и многие молекулы РНК сворачи­

ваются в особо стабильную трехмерную структуру, или конфор­
мацию. Есл и раз руш ить сл аб ы е свя зи, п одце ржи ва ющие стабильную
ко н фор ма цию, мол екул а п ре вратится в гибкую цеп очку и ут рат ит с в ою
биол оги ч ескую акт и вность .

с. 82- 83). Электростатические притяжения , сами по себе

тяжения вызвана флуктуациями распределения элект рич е ­

довольно сильные, ослабляются водой . Это rтроисходит
Из-за того, что заряжеш-rые или частично заряженные
rpyiпrы взаи модействуют с мол екулам и воды или с иона­
ми солей, присутствующими в водном растворе, и оттого
закрыты для других взаимодействий. И все же в биологи­

ских зарядов; ван-дер-ваа.п ьсов ы силы начинают действо­

ческих системах электростат ические притяжения очень
важны. Многие ферм енты, работающие с положительно
заряженными субстратами, для прив едения молекулы

вать между двумя атомами rтри сближении иа очень корот­
кое расстояние. Они слабее водородных связей, но их обилие
может создавать притяжени е между крупными мол екулами

с комплементарными поверхностям и. Все пе речисленные

типы слабых связей представлены на ВI<Ладке

2-7.

Еще один важнейший фактор притяжения между хи­
мич ескими группами созда ется тр ех м е рной стр уктурой

субстрата в нужное положение используют отрицательно

вод ы , скрепленной бесчисленными водородными связя­

заряженный радикал аминокислоты. Мы уже говорили
значении водородных связей ( они придают воде уни­
кальны е свойства). Водородные связи также удерживают
вместе цепи двойной спирали ДНК ПосI<ольку сами по

ми. Они заставляют гидрофобные группы сближаться,

0

себе водородные связи непроL!ны, в случае необходимо­

сти (например , когда настает время I<опировать генетиче ­
Сl<ий материал клетки) ферме1-пы <<расстегивают>,) двой­
ную спираль как застежку -молнию .
Третий тип слабых связей возниI<ает из-за существова­

}{Ия ваи-дер-ваалъсовых сшt. Эта форма эле1сrричесI<оrо rтри-

что минимиз ирует н аруше ~rие ст руктуры воды (см . вклад­
ку

2-7

и вкладку

2-2, с. 72- 73) . Вытеснение

хим ич еских групп из водного

неполярных

раство ра дает ~rачало так

называемым zидрофобиым. взаим.одействиям., которые не­
р едко расс матриваются как ч етв е ртая раз новидност ь сла­

бых связей. Благодаря гидрофобным взаимодействиям
фосфолипиды де ржатся вместе в клеточных мембранах,

а гидрофобные взаимодействия рад икалов аминокислот
превращают большинство молекул белка в компактные
глобулы.

ВОПРОС2 - 9

r

. . . Существует много

разных химических способов соединения
малых органических молекул в полимеры. Например, углево-

дород этилен (СН 2 =СН 2 ) используется для промышленного

Нековалентные связи позволяют макромолекуле

избирательно связывать другие молекулы
Н еко вал ентные связи, по отдельности очень слабые, в

синтеза полиэтилена (... -СН 2-СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 2- ••• ). Тем не менее
химические реакции, соединяющие между собой субъединицы трех
основных классов биологических макромолекул, очень похожи ~то Реакции конденсации , идущие с выделением молекул воды.

ду д вумя молекулами, если эти моле ку л ы очень хоро­

природы биологической полимеризации . Подумайте , почему она

с.

азовите какие- нибудь преимущества именно такой химической

закрепилась в эволюции .

совокупности могут создат,, с и ль но е притяже ни е м еж­

шо подходят друг другу, как рука и перчатка, и слаб ы х
с вя зей м ежду ними воз 1iикает много ( с м . вкладку

82- 83) .

2-7,

Такая форма м ежмолекулярного взаимодей ­

ствия обеспечивает высокую специфичность связыва­
ния макромолекул с другими мол екулами . По скольку

Макромолекулы в клетках

67


((
поверхности молекул А и В,

((

/

равно как А и С , плохо ПОДХОДЯТ
друг другу

-

между ними может

образоваться очень мало слабых
связей, которые быстро рвутся
от теплового дви же ния

~ ~

молекула А

случайно встречает

поверхности молекул А и

другие моле кулы

(В , Си

D

по

форме прекрасно подходят друг

D)

другу и за счет этого могут

образовать достаточно много
слабых связей, чтобы

((

противостоять тепловой раскачке ;
поэтому они остаются связанными
друг с другом

РИС .

2-32.

Взаимодействие между макромолекулами происходит через нековалентные связи .

для удержания партнера требуется множество точек

ВОПРОС

контакта, макромолекула имеет возможность выбирать

А Почему нельзя использовать ковалентные связи вместо нe­

для взаимодействия
тов

-

-

посредством пробных контак ­

в сего одну из многих тысяч раз новидностей р аз­

2-10

rl' ковалентных для

8

опосредования большинства взаимодей-

ствий макромолекул с другими молекулами?

личных молекул, присут ствую щих в клетке. К тому же
вследствие того, что сила взаимодействия зависит от

числа слабых нековалент ных связей, образуемых между
партн е р ам и , она регулируется чи слом таких св я зей и

макромолекул е ще более крупные структуры. Например ,

может принимать любые значения.

бел rш часто объединяются в огромные сложно устроенные

На лабилыrости слабых связей основана работа фе р­
ментов. Слабые связи стабили зи руют ассоциацию ма­

комплексы

-

х итроу мны е машины, вы полняющие такие

не простые задачи, как репликация ДНК и син тез белка

кромолекул, пов е рхно сти которы х тесно при легают д р уг

( РИС. 2-33) . Таким образом, слабые нековалентные связи

к другу ( РИС. 2-32 и ВИДЕО 2.4), и позволяют строить из

во многом обусловливают специфику живых клеток.

СУБЪЕДИНИЦЫ

МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ

МАКРОМОЛЕКУЛЫ
нековалентные связи

ковалентные связи

КОМПЛЕКС

..:........
..: ..
.
. . ..
например, сахара,
аминокислоты и нуклео тиды

30

например , глобулярные
белки и РНК

РИС.

2-33.

например.рибосома

Малые молекулы, соединенные ковалентными связями, образуют макромолекулы,

которые могут объединяться в еще более крупные макромолекулярные комплексы. Субъедини­

цы (мономеры) , белки и рибосома изображены в одном масштабе . Рибосомы - часть клеточного «обо­
рудования " по изготовлению белка. Каждая рибосома состоит примерно из 90 макромолекул (белков и
молекул РНК) и достаточно крупна , так что ее видно в эле ктронный микроскоп (см . рис .

68

ГЛАВА 2. Химический состав клеток

нм

7-30) .


ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
•

)Киnые юrетки и нежипые об1,екты подчияя1отся од,шм
и тем же законам химии и физики. Подобно друrим фор­
мам материи , жипые l(Jlетки состоят из атомо11, которые

представляют собой наименьшие частицы с характерными
свойстпами химических элементов.

•

Атомы состоят из более мел,шх частиц. Ядро атома содер­

•
•

•

•

ИОННС211

атом

кисnото

атомма. масса

КОIСU18НТНС111

6мок
буфер

конформаци•

noc:neдolClfell1tнocn.
nротон

CUalt

макроМОJ1екуnа

1одородна•

cua11

мономер

нейтро11ы. Яд ро окруж е но облаком отрицательно заря­

rидрофобнwй

Н8КОIСU18НТНС11

женных электронов.

ДНК

нукпеотид

жирная кисnота

осно1ание

ядре. Ядра разных изотопов одного и того же элемента содер­

ион

nопимер

жат одюшковое чиСJю протонов, но разное число нейтронов.

ион rидроксония

nопярнwй

В живых клетках встречаются далеко не 11се элементы;
96,5% массы клетки составляют атомы С , Н , N и О .
Хиr.mческие с11ойст11а атома за11исят от числа и располо­

РНК
сахар

мопекупа

rмдрофиnJtНWЙ

ЧиСJю электронов в атоме равняется чищ протонов в его

реа1СЦМ11 конденса•
ции

мопекуn•рная масса

су6идиница
XИМИЧICICQJI
ХИМИЧ8СКС211

rpynna
CU31t

CUllt чиспо Aloraдpo
wкмарН
IJIIКТpOH

мектростатмческое
nрИТАжение

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

жения его элекrро1ю11. Атом наиболее стабилен, когда все

ВОПРОС

его эле1счюны находятся 1ш самых 1mзших энергетических

Какие из предложенных утверждений верны? Ответ обоснуйте .

уровнях и все эле1стронные оболочки заполнены .

А. Ядро атома содержит протоны и нейтроны .

Химические связи между атомами образуются из-за стрем­

Б. Атом содержит больше электронов , чем протонов .

Jtения электронов занять более стабильное положение. Ско­

В. Ядро окружено двумя мембранами .

2-11

пления из д11ух и более атомов, удерживаемых вместе хими­

Г. Все атомы одного элемента имеют одинаковое число нейтронов.

чес,сими связями , называют молекулами .

Д. От числа нейтронов в ядре атома зависит, будет он стабиль­

Когда эле1строн переходит с одного атома на другой, об­

ным или радиоактивным .

разуется д ва иона с противоположными зарядами; ионные

Е. Важным запасом энергии в клетке могут быть и жиры, и по­

связи образуются за счет взаимного притяжения между

лисахариды.

этими зарядами.

•

c1•a1t

аммнокмсnота

rмдропиа

жит положитедыю заряженные протоны и нейтральны е

•

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Ковалентная связ,, образуется из пары электронов, обоб­
ществленной двумя атомами. При обобществлении двух

Ж. Водородные связи слабы и могут рваться от теплового движе­
ния, но они существенно влияют на специфичность взаимодей­
ствий между макромолекулами .

пар эле1стронов возникает двойная связь.

•

Живые организмы располагают характерным ограничен­
ным набором малых молекул на основе углерода, которые
У всех видов живых существ по большей части одн:и и те

же. Четыре главных класса этих малых молекул составля1от сахара, жирные кислоты, аминокислоты и нуклеотиды .

•

Сахара служат клетке источником хим.ической энергии,
для з апасания которой они шслючаются в полисахариды.

•

Жирные кислоты также важны ,сак запас энергии, но глав­
ная их функция заключается в образовании мембран.

•
•

Наибольшую долю в сухой массе l(Jleт,ш составляют макро­
молекулы - полимеры сахаров, аминокислот и н~еотидов.
По размеру и сложности организации макромолекулы
занимают пром ежуточ1юе положение между малыми мо­
JJ е кулами и органеллами.

•

У них много замечатеJLьных

формулой (СпН 2п0п) , где п может быть очень большим и варьиру­
ет от молекулы к молекуле. Значения атомной массы для углеро­
да , водорода и кислорода равняются, соответственно ,
а книжный лист весит

А . Сколько атомов углерода содержит этот лист бумаги?
Б . Сколько атомов углерода в целлюлозе надо состыковать , что ­
бы перекрыть толщину страницы

(0,07 мм)?

В . Поменяем условие задачи, предположив, что бумага состоит
из одних лишь атомов углерода. Каждый атом углерода имеет
чтобы перекрыть толщину страницы?

К многообразному и разностороннему классу макромолекул,

Г. Сравните ответы к частям Б и В и объясните отличия .

Нуклеотиды ю·рюот важнейшую роль переносчиков энер­
-

РНК и ДНК.

12, 1 и 16,

5 г.

ставляющих субъединиц.

мационных мол екул

ВОПРОС

2 х 10-10 м (0,2 нм); сколько таких атомов понадобится ,

2-13

А. Сколько электронов помещается в первую , вторую и третью

электронные оболочки атома?

Молекулы белков, РНК и ДНК синтезируются из субъе­

Б . Сколько электронов нужно получить или отдать атомам пере­

ди,rиц в резул ьтате повторнющихся реакций конде нсации .

численных элементов для полного заполнения энергетических

Каждая из этих биологических макромолекул обладает

уровней?

гелий

получить_

отдать_

Между разными учасшами ма~сромоле,сулы образуютсн

кислород

получить_

отдать_

СJ~абые нековалентные спязи. Обеспечивая укладку ма­

углерод

получить_

отдать_

кромолекулы II определенную трехмерную конформа­

натрий

получить_

отдать_

цию , они придают ей уникальный законченный облюс и

хлор

получить_

отдать_

ун:икальной последовательностью субъ единиц.

•

предположим, что бумага, на которой напечатан этот вопрос ,
состоит из чистой целлюлозы, молекулы которой описываются

диаметр

rи:и внутри клетки, а также служат субъединИL{ами инфор­

•

Чтобы проникнуться ощущением размерности мира атомов,

свойств, ,соторые нельзя лепсо объяснить свойствами со­

известных как бел,ш, относятся полимеры аминокислот.

•

ВОПРОС2-12

особые химичес1ше свойства, наиболее специфи•1но про­

В. Что ваши ответы говорят о связях, которые могут образовать­

явлшощи еся у бе;1ко11.

ся между атомами натрия и хлора?

Вопросы в конце главы

69


ВКЛАДКА

2-1

Химические связи и rруппы

«СКЕЛЕТЫ» ОРГАНИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ СОСТОЯТ ИЗ АТОМОВ УГЛЕРОДА
Углерод играет в клетке уникальную роль . Благодаря

способности к образованию прочных ковалентных
или разветвленные структуры,

связей друг с другом, атомы углерода могут объеди­

или кольца .

няться , обра з уя цепи

также

как

>-<

также

VVV\

записывается

записывается

как

также

записывается
как

со

СОЕДИНЕНИЯ ИЗ УГЛЕРОДА

.ai. ~ коrда дао О'l'Ома ncm•
IVl'Y J t ~ I O I ' lf8,,

"""*.,, •

И ВОДОРОДА
Стабильные соединения (или химиче­

11111.

ские группы) из атомов углерода и во ­

фм~мн• 'IМCIIO lt08а­

дорода

I n p ~ опре-

•нн111Х

называются

углеводородами .

Они не поляризованы , не образуют

м.

водородных связей и не растворяются
IO:IНIIICQIOr

I

pny.111,тcrre

Jl}'X tJМlltJ'POНOI.
н
1

н -с-

Атомw, соединеннwе AIYМII кnн
6ОJ111wнм чнсnом ко1апентнwх
снам, Н8 моrут сао6одно 1ра­

нaниqlOl'1peq.11r.mt

щоnа

меа,роноа.

осн с:uан. Это

IIOICpyr

оl])аннченмt cкni,нeitwнм об,.
роаом 111Н1еr на трехмернwА

о&~нк мноrмх макромомкуп.

~И ICOaontJl'МIIX
~МОJ18КУ11

Jia ~ c6optJOA нпwе

.......,.... • • ,,-,.и...

ЧЕРЕДУЮЩИЕСЯ ДВОЙНЫЕ СВЯЗИ
Цепочка атомов углерода может содержать двой ­

Чередование двойных и одинарных

ные связи . Если эти двойные связи чередуются с

связей в кольце может давать очень

одинарными , связующие электроны перемещают ­

стабильную структуру.

ся внутри моле кулы, стабилизируя всю структуру
за счет эффекта, известно го как « ре з онанс ».

\

/

С=С

/

\

С

\

/

/

С= С

\

С=С

/ t \

/

С

С=С

/

\

и с тинн а я с т рукту р а н а ходит ся

"у\т" а= ,уУ,

нун нVн
Н

где - т о в пр о м еж ут ке м ежду эти м и д в у м я

\

/ i \

/

!

\ _/

\ _/

С-С

/

\

С-С

/

\

С

fic 1 1ЗOJ1

часто

записывается
как

о

Н

1

н
м ета н

р а дик а л м е тил
или мет ил ь н ая

групп а


КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ
Во многих молекулах биологического происхождения можно

Амины и амиды служат важными примерами соединений, содер­

встретить атом углерода, свя з анный с атомом кислорода . К таким

жащих углерод, связанный с азотом .

молекулам относятся

В воде, присоединяя ион н •, амины обретают положительный заряд

спирт

н

или

Радикал - ОН

1

алкоголь

- это гидроксил

н

или гидроксильная группа

- с -он

- C- N- H

1

н

\
/

с

\н

1

о

-с

+ /

1

;f

образуются в химических реакциях амина с кислотой .
Амиды, в отличие от аминов, в воде заряда не несут. Примером

\

амидной группы служит пептидная связь, соединяющая аминокис­

С=О называют кар бонилом
или карбонильнои группой

/

\

лоты в белках
о

;f

с=о
-

'- с /
/ '-

+

1

Н2О

N- Cк и с лот а

Радикал -СООН - это
карбоксил или карбоксильная
группа . В воде карбоксил
отдает ион Н+ и становится
группой -соо -

карбоксильная
кислота

ил и

\

'

карбокс и ­
кислота

1

ам ин

амид

1

н

Азот входит в состав важнейших кольцевых модулей (азотистых

оснований : пуринов н пнрнмидинов) в структуре нуклеиновых

NH 2

N А с,, ., н

Эфиры образуются в химических реакциях
кислоты со спиртом

о

о

1

;f

1

\о н

-с -с

+

1

1

но - с -

-с -с

1

;f

1

О -?'

+

\ _J_

1

11

с

с

цито з ин (пиримидин)

' N ,,,- '- н
1

н

1

Неорганический фосфат - это стабильный нон, об­
разующийся из фосфорной кислоты, Н 3 Р 3 O 4 • В записи
биохимических реакций обозначается как « Р;»-

Фосфатные эфиры могут образовываться при реакции между фосфатом и

свободной гидроксильной группой . Это обычный способ присоединения
фосфорильных груп п к белкам (фосфорилирования белков).

о
11

~

1

НО - Р - 0-

- с - он+ но - р - о-

6-

1
о-

1

~

1
- С - 0 - Р - о-

1

6-

так ж е

з аписывается

1

ка к

-с -о
1

Сочетание фосфата с карбоксильной группой или двумя или более фосфатными группами дает ангидрид кислоты

-с

;f

о

о

\он

+

11

но - р - о1
о-

Н 20

j_

+

также

о

-с

Н 20

;f

\

высокоэнергетическая ацил-

о

фосфатная связь (ангидрид кар-

11
О - Р - 0-

боксила н фосфорной кислоты)

есть в riекоторых метаболитах

1
о-

о

о

11

11

- О - Р - ОН
1
о-

+

но - р - о1
о-

Н20

j_

+

Н 20

-

0-

записывается как

о

о

11

11

Р - 0 - Р - 01

1

о-

о-

ангидрид фосфорной кислоты
содержит высокоэнергетиче-

скую связь, которая есть в АТФ
и некоторых других молекулах

о

-с

1/

\

0 ---\_f'

также

записывается как

р


ВКЛАДКА

2-2

Химические свойства воды
дл и ны с вя зе й

В силу своей полярности две молекулы
воды

при

контакте

могут

н

водо р одн ая свя з ь

притянуться

н

дру г к другу - образовать водородную
с вя з ь . Водородные связи в

20 раз сла­

бее ковалентных.
Водородные связи прочнее всего, когда

н

н

0 ,27

""/

нм

о 11111111 11111111111 н

- 0-

I____J

0,10 нм
кова л е нтная св я з ь

....,.

!10ll(lptlCЖ: с одно

(&·).

Молекулы воды образуют динамичную ре­
шетку,

скрепленную

постоянно

рвущимися

и

снова возникающими водородными связями .

11НО

яо6пастъ

свойствами молекул воды объ­
ясняются многие ее необычные свойства, та­
кие

как

сильное

поверхностное

натяжение,

большая теплоемкость и высокая температура

Вещества, которые хорошо растворяются в воде, называют гидрофильными . Они со­

Вещества , молекулы которых содержат пре­

стоят из ионов или полярных молекул, которые притягивают молекулы воды за счет

имущественно неполярные связи, обычно не

эффектов взаимодействия электрических зарядов . На поверхности твердого гидро­

растворяются в воде . Их называют гидро ­

фильного вещества молекулы воды окружают и увлекают в раствор каждый ион или

фобными . Мол екулы гидрофобных веществ

полярную молекулу этого вещества .

Н

н

'
н

н

"

\
N +
O li - а

Ионные

\

о

~

15 -

н н -о

\

о -н
о

.,....- Н

н

"о - н

н ----

вещества типа

растворяются

за

счет

он

о

/
о

1
н

хлористого

притяжения

воды к положительному

(Na•)

n·

~

н

/

.#

\

или отрица ­

тельному (CI- ) заряду на каждом ионе.

1

Н

N - H 11111 110

н

,.. н

о

\/ \,

н

-с

\/

'н

с

Вещества, состоящие из поляр ­

н

ных молекул, например мочеви­

1

на,

растворяются

н

с

-

н/

следова­

\/

\

н

н

воды ,

/н

Н 111 111 Ю

/

о,

натрия
молекул

\N -

'%.,

Н

молекулы

в раствор .

~

/

притягивают

тельно , не окружаются ими и не увлекаются

"о = С

. / - -. .

н
н

Н ,,,.. '-- н

в· сг

о

'Н

о

Н 1/

1

н

/
о

о

\

•

/

/

н

Н - о/

н

не

/

за

счет того,

/\

н

н

о"н

что их молекулы образуют во­
дородные

связ и

с

окружающи -

Особенно гидрофобны углеводороды, содер­
жащие много связей С-Н.


Многие вещества, например обычный сахар, растворяются в воде - их молекулы
отделяются друг от друга, поодиночке окружаясь молекулами воды

При растворении вещества в воде об­
разуется раствор . Жидкость, которая
растворяет вещество (в данном случае
саха р

сахар),

р ас т во ря е т ся

называется

растворителем (в

данном случае вода) . Вода служит пре­
восходным

веществ

растворителем

благодаря

для

своим

многих

полярным

связям.

Вещества, отдающие в растворе ионы водорода, называют кис­

Положительно заряженные ионы водорода (Н • ) могут совершать

лотами .

самопроизвольные перемещения из одних молекул воды в дру­

HCI

Н+

+

солян а я к и сл о та

и о н во до р о да,

( с ил ь н ая )

пр о т о н

СГ
и о н хл о р а

гие; при этом образуются ионы двух типов .
н

н

н

"0
0- Н

O/

O IIIIIII H -

Многие кислоты, важные для клетки (особенно вещества, содер­
жащие карбоксильную группу - СООН · ), относятся к слабым кис­

н

"
/

н

Молекул оставляет ион водорода при себе. Лишь часть карбок­

н

о

/
гидро кс ил-и о н

и о н гидро ксо ни я

лотам . Они диссоциируют не полностью, т. е. большая часть их

0 /

+

( вода выступи ла в ро ли

( вода в ы сту пил а

сл або го ос н ован и я)

в роли сл абой к и сл оты)

сильных групп, находящихся в растворе, отдает этому раствору
свои ионы водорода.

-с

,f'

\.

часто записывается как Н 2 O ~

о

Н+

ОН-

+

и о н водор ода,

гидро к сил-

пр ото н

ион

Поскольку процесс обратимый, ионы водорода совершают не­

он

прерывные перемещения между молекулами воды. Чистая вода

( слабая кисл ота )

содержит

равновесные

дроксил-ионов (по l

0-7

концентрации

ионов

гидроксония

и

ги­

М каждого).

Вещества, понижающие число ионов водорода в растворе, на­
ко нце нт ра ци я

Кислотность раствора опре ­

н + , м о л ь/л
1

10·
10- 2

деляется концентрацией ио ­

нов гидроксония, сокращен­
но обозначаемых как н•. Для

Удобства записи мы пользу­
емся шкалой рН, где

о;

<t

с:;

u

:s:

~

зывают основаниями . Некоторые основания, например аммиак,
взаимодействуют непосредственно с ионами водорода .

NH

3

а мми ак

10-З

10-4
10-S
10-б

- - - - 1 0- 7
10..jj
10- 9
10- 10
10- 11
10- 12
10- 13
10- 14

Н+

+

NH/

_ _ _..,.

и о н а мм о ния

и о н во д о р ода,
пр о тон

Другие основания , например гидроксид натрия, уменьшают чис­

ло ионов н • непрямым способом : образуют ионы он -, которые
взаимодействуют непосредственно с ионами н •, образуют Н 2 0.

NaOH

Na+

+

он ­

гидр окс ид н а трия

ион

гидр окс ил ­

( с ильн ое ос н о в а ни е )

н а т р ия

ион

Многие основания, присутствующие в клетках , частично ассоци­

ированы с ионами н • и являются слабыми . Это касается соедине­
ний, содержащих аминогруппу (-NH 2 ) , которая, имея небольшую
склонность к обратимому приему иона н • от воды, повышает ко­
личество свободных ионов он - .


Шесть атомов углерода
{ГЕКСОЗЫ)

н

н

#о

"с ~

1

н - с - он

1

н

1

н - с - он

#о

"с ~

но - с - н

1

1

н - с - он

н - с - он
1

1

н - с - он

1

н - с - он

н - с - он

1

1

н - с - он

1

н - с - он

1

н

глице р а льд е гид

#о

"с ~

н - с - он

~

~

р и боза

гл юкоза

н
1

н

н - с - он

1

1

н - с - он

С =О

1

1

С =О

н

но - с

1

1

1

н - с - он

н - с - он
1

н - с - он

1

С =О

1

н - с - он

н - с - он

1

1

н - с - он

1

н - с - он

н - с - он

~

~

~
фру кт оза

ди г идрок с и а цето н

В водном растворе альдегидная или кетоновая группа в молекуле

Многие моносахариды отличаются лишь расположением атомов

сахара атакует гидроксильную группу в своей собственной моле­

в пространстве, т. е . являются изомерами . Например, у глюкозы

куле, что приводит к замыканию молекулы в кольцо .

н , '70

рода .

с

1

и галактозы формула одна и та же, С 6 Н 12 0 6 , различается у них
лишь расположение групп вокруг одного или двух атомов угле­

1

н~н

н - с - он

21

но - с - н

гл юк о за

31

н - с - он
4 1
н - с - он

51

~>~Н ~ала,,~,~

6 СН 2 0Н
н , '70
1с

5 С~Н
2ОН
о

он

1

н - с - он

21

н - с - он

31

н - с - он

41

5

4

н

н

н

з

2

он

он

1

р и бо за

н

СН 2 0Н

Заметьте, что каждому атому углерода присвоен номер.

но~
н

он

глю коза

Н~СН
2ОН0 ОН
но

~н он
н

н

н

м а нно за

Небольшие различия влияют на химические свойства сахаров

лишь незначительно . Но у этих различий есть важный биологичес­
кий смысл : их «чувствуют» ферменты и другие белки .


«ЗАМОРОЗКА» ПОЛОЖЕНИЯ -ОН

ПРИ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ

Гидроксильные группы простого моносахарида могут быть замене­

Гидроксильная группа, связанная с атомом углерода альдегид­

ны другими группами . Например,

СН 2 0Н

ной или кетоновой группы, может быстро переходить из одной
по з иции в другую . Эти позиции обозначаются как а и ~-

ОН

н

но

NH 2
глюкозам ин

1~ -гидроксил

~:~н

но~

н-гидроксил

NH
N- ацет илглюко за мин

Присоединение одного сахара к другому запрещает переходы

1
СН 3

глюкуроновая кислота

Между позициями гидроксила а и ~-

(l· ГЛЮКОЗа

Атом углерода в альдегидной или кето­
новой группе одной молекулы сахара
Может атаковать любую гидроксильную
группу на второй молекуле сахара; об ­
разуется

дисахарид .

Из

дисахаридов

распространены

мальтоза (глюкоза+ глюкоза) ,

2 О
Н~ОСН

лактоза (галактоза+ глюкоза) ,
сахароза (глюкоза+ фруктоза).

Здесь изображена реакция обра зования

но

О

сахарозы .

СН 2 OН

он

ОЛИГОСАХАРИДЫ И ПОЛИСАХАРИДЫ
Руnные линейные или разветвленные молекулы могут состоять из прость

иц .

ороткие цепочки называются олигосахаридами , а длинные

ко-

- полисаха

ен - это полисахарид, состоящий из мономеров глюкозы .

СЛОЖНЫЕ ОЛИГОСАХАРИДЫ
Во многих случаях последовательность
полимера образована не одним и тем
Же повторяющимся мономером . Это

обстоятельство создает многочислен­
ные варианты строения молекул . Такие
Комплексные олигосахариды обычно
Пришиты к белкам или липидам . Оли ­
rосахарид, который здесь изображен,
входит в состав молекулы на клеточной

Поверхности ,

определяющей

Крови человека .

группу

NH
1

С =О
1

С Н3

vt-o~

н~
он

1

С= О

NH
1

С=О
1

СН 3


ВКЛАДКА
У 1сех аснрнwх 1О1С11ОТ ec:r1t кар6окоип,нме rpynnw с дnмннwмм

2-4

Жирные кислоты и друrие липиды

CyщecnyiotCIO'rNМ раlМОlмдностеА •ирнwх кислот. Heкoropwe и1 них ИМ81Сn' no ОАНОЙ иnи no Н8СIСО1111ку "80Анwх С1188Й • УJ'11880МроднWХ хаостах, unua. ненасыщеннwми. Жирные киc:ncrrw, • моnекуnах
котормх "8f .-oiiнwx cuиii, на1w1а~от насыщеннwми.

)'l'МIОдОРОАНWМИ Х80СТСIМИ,

соон

t
1

ftii

t

соон

1

&2
1

6н2

1

t:
~

соон

СНz

СН2

iH2

СН2

1

1

6н2

Н2

6Н2

<r2

ftii

кисnота

iн
сн

1

1

1

стеариновая

~

СН2

?Н2

/

f2

;:
?Н2

аращаетсt1.

?Нz

?Нz

Н2

Ж1стха11 даойна• et•1r.
сщqает•tстlСМЙ им
асей цеnОЧ1СМ. В.круr
ocramiнwx с:наеА с-с
цеnочка сао6одно

f"2

~

СН2

СНz

СН2

1

1
ун2

Триацилглицерины - это жирные кислоты, образовавшие эфирные

СН2

СН2

СН2

гии (масел и жиров) .

СН2

СНз

СН2

СН2

1

1

1

1
уН2

1

1
1

nаnьмити-

6нз

(C1el

стеари•

Wo88fl
К1Ю11О'1'8

(C,R)

Н 2 С - ОН

СН2

новая
IСИС/10Т8

СНа

связи с глицерином . Они хранятся клеткой в качестве запаса энер­

1

нс - он
1

оnеиновея
ICИCJIOТ&

Н 2 С-ОН

(С1а)

глице рин

Фосфолипиды являются основным компонентом

клеточных мембран.

В воде свободная карбоксильная группа жирной
кислоты ионизируется .

о

,f'

1

о

с

1

О = Р - о1

о
1

Но чаще всего она связана с другой химической
группой в эфирах

СН 2- СН - СН 2

1

1

о

,f'

с

1

о-с1

гид рофоб н ые хвосты
ж ирны х кис л от

фосфатидилхолин

или амида х .

о

,f'

В фосфолипидах две - ОН группы глицерина связаны с жир­

с

N1

н

ными кислотами, а третья -

с фосфорной кислотой. Фосфат,

в свою очередь, связан с каким- нибудь небольшим полярным
модулем (спиртом) .


длинные цепочки полимеров изопрена

У жирных кислот есть

А

11

гидрофильная « голова » _________..,
и гидрофобный «х вост »

I

о-

1

О = Р - о1

В воде они обра з уют

о

поверхностную пленку

или небольшие мицеллы

Удерживаясь вместе за счет гидрофобных в заимодействий, их производные образуют
более крупные агрегаты :

Триацилглицерины образуют

Фосфолипиды и гликолипиды образуют
самозамыкающиеся липидные бислои,
составляющие основу всех клеточных мембран

крупные сферические капли
жировых включений в цитоплазме

20 0нм
или боль ш е

_J_

Липиды, присутствующие в клетках, определяются как соединения,

СН 3

"

Нерастворимые в воде, но растворяющиеся в органических раство­
рителях . Другие две распространенные разновидности липидов - это

~

С - СН = СН 2

СН 2

стероиды и полиизопреноиды . Те и другие синтезируются из изопрена

изопрен

Для стероидов характерна типовая структурная основа
из

нескольких

колец

о

гликолипиды
Подобно фосфолипидам, молекулы гликолипидов име­
lОт гидрофобную область, содержащую два длинных
Углеводородных хвоста, и полярную область, где нет

Фосфата, зато содержится углевод

1

н

он

1

С _,,,

С

1

н

I

С

,,. с ,

~ н

алактоз

о
1

1 ,... СН 2
1

долихолфосфат
переноса

C- NH
11

о

используется

активированных

сахаров

в

простой

синтезе

гликолип и д

ридов, ассоциированном с мембраной

гликопротеинов

и

полисаха­


ВКЛАДКА2-5

Двадцать аминокислот, из которых состоят белки
РАДИКАЛЫ СО СВОЙСТВАМИ ОСНОВАНИЙ (ЩЕЛОЧНЫЕ)
ли зи н

Аминокислоты делят на группы в со­

ответствии со свойствами их боковых

(Lys

групп, или ради калов, которые бывают

- N-

кислыми,

1

или К)

(Arg

или

R)

н

о

н

о

11

1

11

1

11

C- C-

- N1

1

Н

трехбуквенное и одно­

NH 3

NH

Эта группа имеет

+

1

ярко выраженные

свойства основания

С

-{

за счет того, что

аланин обозначается как

CN

/ "b- J(

1

1

буквенное .

HN ;"'

СН 2

СН 2

1
СН 2

с

1

1

C- C-

1

1

СН2

1

обозначения -

1
Н

СН 2

1

20 аминокислот есть два

- N-

C - C-

СН 2

У каждой из

или Н)

о

СН 2

и неполярными .

(His

1

СН 2

незаряженными полярными

гистидин

н

1

Н

щелочными ,

аргинин

+

H2N

,1' "

Эти атомы азота им еют
довольно слабое сродство

NH2

к пр ото ну, при нейтральном
значении рН далеко не все

положительный заряд
стабилизирован

радикалы гистидина н есут

п оложительный заряд.

ре зо н а н сом

Связи, которые образует с другими атомами а-атом углеро­
да, асимметричны, поэтому у каждой аминокислоты есть два
зеркально симметричных изомера, или стереоизомера,

н

L и D.

н

Аминокислоты в белках соединены между собой через амидные

Четыре атома пептидной связи (серый прямоугольник) обра зуют

группы , называемые пептидными связями .

жесткий плоский модуль. Никакого вращения вокруг связи C-N не
происходи т.

R

н"

+

/о

1

н

/

1

"

н

Н

J

N- C- C

"

н/

он

Н

О

R

1

11

1

/

1

" он

N- C- C- N- C- C
1

R

SH
аминный ко н ец
или N - конец

Белки -

это длинные полимеры аминокислот,

соединенных пептидными связями;

запись аминокислотной последовательности
идет слева направо, начиная с N-конца .

Последовательность изображенного трипептида
читается как «гистидин-цистеин-валин».

Н

1

СН 2

О

Н

1

Н

Н

О

карбо кс ильный коне ц
или С -конец

Н

"" +н N- 6- !- N-vl с -~ -6 - соо- ~
з

1

СН 2
1

\

нс

11

1

О

СН

/

с

HN

1

Н

СН 3

CN
/
NH +

"

СН 3

Эти две одинарные связи допускают вращение,
поэтому длинные цепочки аминокислот очень гибкие.


РАДИКАЛЫ СО СВОЙСТВАМИ КИСЛОТ
аланин

(Ala или
аспарагиновая кислота,

ас п артат

(Asp

или

глутаминовая кислота ,

глута м ат

D)

- N-

- N-

н

о

н

о

1

11

1

11

C- C-

1

- N-

1

Н

Н

о

1

11

C- C-

1
Н

- N-

1

1

лейцин

1

(Leu

1

о-

"

о-

- N1

изолейцин

(lle или 1)

н

о

н

о

1

11

1

11

C- C-

- N-

1

1

аспарагин

(Asn или N)

(Gln

- N-

C - C-

1

1

1

СН 2

Н

Н

(Pro

Q)

н

о

1

11

- N-

C - C-

1

фенилаланин

(Phe или F)

н

о

н

о

1

11

1

11

C - C-

- N-

"'

СН 2

C- C-

1

СН 2

1

СН 2

Н

"'сн(

СН 2

СН 2
СН 3

или Р)

/

1

СН 2
1

1

с
О ,f'

или

"

СН 3

пролин

глутамин

1

сн

/ з
СН

"

/
СН
3

C - C-

н

сн

НЕЗАРЯЖЕННЫЕ ПОЛЯРНЫЕ РАДИКАЛЫ

11

СН 3

L)

1

1

"

или

СН 2

Н

- N-

сн

с
о ,f'

о

1

н

СН 3

/
СН
3

СН 2

н

C - C-

СН 2

с

"

н

11

1

1

о ,f'

о

1

C- C-

1

СН 2

н

или Е)

(Glu

валин

(Val илиV)

А)

(на са м ом деле , имин оки сл ота)

1

" NH
2

с
О

,f' " NH
2

триптофан

метионин

(Trp

(Меtили М)

Хотя атом N в амидной группе при нейтральном значении рН
не заряжен, группа является полярной

- N1

Н

илиW)

н

о

н

о

1

11

1

11

- N-

C - C1

C- C-

1

СН 2

1

Н

СН 2

1

СН 2
1
серин

(Ser или S)

(Thr

или Т)

(Туг или У)

н

о

н

о

н

о

1

11

1

11

1

11

- N- c - c1
Н

S - CH 3

тирозин

треонин

- N-

1
СН 2

1
Н

1

1
СН - СН 3

- N1

Н

C - C-

(Gly или G)

СН 2

он

Полярная группа -ОН

- N-

он

/

-------------

(Cys

или С)

1

1

он

\

C- C-

цистеин

глицин

1
н

н

о

н

о

1

11

1

11

C - C-

- N-

C - C-

1

1
н

1

Н

СН 2
1

SH
Дисульфидные связи (мостики) в белке могут образоваться между
двумя радикалами цистеина .

- - CH 2-

S-

S - CH 2 -

-


NH 2

о
11

С

NH 2

нс /

l цитозин

11

нс / ~ N

с

11

урацил

NH

u

1

нс '---... ,,,,,.,. с ~
N
н

1

N ...__

аде~1 ин

~О

Азотистые основания представляют

_,,f-'
нс <'

-

11

~О

н

,--.......
"- N

А

1

н

пиримидины и пурины

нс '---... _,,,,,., с ~
N

1
с

.,,... с '---... ~ сн
N
N

собой кольцевые а з отсодержащие
соединения

С

/

о
о

НзС "--.,_ С / ~ '---...NH
тимин

11

т

11

,,f

нс f"

~О

N
н

'с

/С

11

G

NH
1

С
гуани1""
1 N ., . . С '---... N~
1/" "--

1

нс '---... _,,,,,., с ~

N

Н

ПУРИН

ПИРИМИДИН

NH 2

связь
Обычно фосфат соединен с гидроксилом

МЕЖДУ САХАРОМ

на атоме С5 рибозы или дезоксирибозы

И ОСНОВАНИЕМ

(обозначаемом

5'). В

клетках можно встре­

тить моно-, ди - и трифосфаты .
N -гликозидная

связь~

ОСНО ВАНИЕ

как в

АМФ

5
о

о

11

11

о
как в

-о - Р - 0 - Р - О
1

1

о-

о-

о

о

N

АДФ

4

о

11
11
11
-о - Р - О - Р - О - Р - 0 - СН
1

1

1

о-

о-

о-

Основание

присоединено

тому же атому углерода

к
С 1,

который используется в связях

Фосфат придает нуклеотиду отрицатель-

между сахарами .

пятиуглеродный
сахар

v o~
~

HO~ I
и спользуются

он

[\ - О-рибо за используетс я
в рибонуклеиновой кислоте

он

дв е разные п е нт озы

нос~н
f l-D-2-дезоксирибоза используется

Номера , присвоенные атомам углерода

в сахаре Н)"КЛеотида , идут со знаком ' («штрих » ),
например С5 ' (произносится «атом углерода пять штрих » ) .

~"Н"'~
он

н

в дезоксирибонуклеиновой кислоте


В названия х м о ж но з апутаться , в обо з начениях -

ОСНОВАНИЕ

НУКЛЕОЗИД

аденин

адено з ин

А

гуанин

гуанозин

G

цитозин

цитидин

с

урацил

уридин

u

тимин

тимидин

т

нет .

ОБОЗНАЧЕНИЕ

Нуклеотиды обозначаются
аббревиатурами
АМФ

= оденозинмонофосфот
дАМФ = де з оксиоденозинмонофосфот
УДФ

= уридиндифосфот

АТФ

= оденозин трифосфот

У НУКЛЕОТИДОВ МНОГО ДРУГИХ ФУНКЦИЙ
Нуклеотиды,

соединенные

фосфоди­

эфирными связями от СЗ ' к С5 ', обра­

Они служат носителями химической энергии
в легко гидролизуемых фосфоонгидридных связях .

зуют нуклеиновые кислоты . Линейная
последовательность нуклеотидов в ну­

фосфоа н г и дридные связ и

клеиновой кислоте з аписывается в виде

г1-,

кода из буквенных обозначений нукле­

г1-,

отидов, например АGСТТАСА (причем

о

о

о

5 '-конец цепи всегда слева) .

11

11

11

-о - Р - О - Р - О - Р - 0 - СН

о

1

1

1

о-

о-

о-

2

11
-0 - Р - 0 - СН
2

1

о-

он

пример: АТФ (ил и !Z!I )

В сочетаниях с другими группами нуклеотиды образуют коферменты .

2

о

он

77

1

о

?i

77

?i

7 1Нз 7

HS- C - C - N - C - C - C - N - C-C- C - C - O 1

0

NH 2

~

11

-о - р

Н2О

:r >

--1

Н

он

5 '- ко н е ц цепи

11

5'

-0 - Р - 0 - С Н
1

2

3

Фосфо ­
ди эф и р н ая
связь

1

Н

1

Н

1

Н

1

Н

1

НО

1

1

С Н3 Н

?i

P- O-

P - O - CH 2

1

о-

о

Нуклеотиды используются клеткой в качестве сигнальных молекул.

пример : ци клич еск ий АМФ

1

о
1

5'

СН 2

прим е р: ДН К

/

СН 2

1

О = Р -- 0

З'

ОН

1

о-

он

1
О = Р - 01
о-

о
1
-о - Р = О

1

lNN

?i

пример : коэ н з им А (Ко д)

о

о-

1

Н

N

N

1
о-

он


Если дв а атама на х одятся слиш к ом бли зк о дру г к дру гу, они от­
талкиваются очень сильно . С этой точ ки з р е ния атом мож но пред­

ставить как сферу фик с ированного радиуса . Хара ктеристический
« размер »

к аждого

атома

определяет с я

з нач е нием

е го

так

на­

зываемого ван-дер-ваальсова радиуса . Конта ктно е ра с стояние

между любыми двумя не к овален тно свя з анными а томами равня­
ется сумме и х ван - дер-ваальсовы х радиу с ов .

н

0,12

N
нм

0,2

р а ди ус

нм

нм

0,14 нм

радиу с

радиу с

0,15

радиу с

На очень небольши х расстояния х любые два атома начинают

слабо притягиваться друг к другу за счет флуктуаций распре­
деления электрических зарядов. Два атома будут притягиваться
до те х

пор,

пока

расстояние между их

ядрами

не

станет

при­

близительно равным сумме их ван -дер - ваальсовы х радиусов .
Очень слабые по отдельности, ван-дер-ваальсовы силы обрета­
ют большую значимость при тесном соприкосновении повер х ­
ностей двух молекул , поскольку в этом случае в них вовлекается
сразу много атомов .

Обратите внимание : когда два атома обра з уют ковалентную
связь,

Подобно тому как это происходит при взаимодействии молекул

воды между собой (см. вкладку

2-2,

с.

72-73 },

их ядра

находятся на

расстоянии,

гора з до м е ньшем ,

чем

сумма вандерваальсовых радиусов . Так,

водородные связи

обра з уются в случаях, когда атом водорода оказывается посере­
дине между двумя атомами , притягивающими электроны (обычно
это атомы к ислорода или а з ота).

L__J

Водородные связи наиболее сильны , когда три атома лежат на
одной прямой:

"-о - н 1111 11111 о

/

N

- Н llllllllllcf'

0,4

нм

0,15

L_J

нм

О, 1 3 нм

д ва атома у гл еро д а ,

а томы у глерод а,

атомы у гл ерода ,

м ежду котор ыми н е т

с вяз а н ны е

с вя з а нн ы е

ковал е н т н ой связ и

один а р ной свя з ью

Примеры в макромолекула х :

Любые молекулы , способные к образованию водородны х свя­

А м ин ок и сл оты в п оли п е п т ид ной це п оч ке образуют

зей друг с другом, вместо этого могут обра з овывать водородные

водор од н ы е с вязи друг с друго м .

\

( ~- - - - - - -\

свя з и с моле кулами воды . И з-з а к он к ур е нции с мол е кулами воды

1
1

т воренным и в воде , являютс я относител ьн о слабы ми.

1

1

1

С = О 11 11 111111 H -

1

1

1

1
С = О 11 111 11 11 1 H -

:
'

N
1

R- C - H

R- C - H

водородные св яз и, обра з ующи е ся ме жду двумя мол е к улами, рас ­

1
1

п е п тидн а я

H- C - R

1

о

1

1

N
......

/

_- -

н

) N- HIIIIIIIO ~

Н- С
\

/

~С - С

/
N IIIIIIIIIIIH- N
/
\

N- C

/

C= N

'н

1

1

~

о
1

:
н , ,. 'н

C-

C- N-

]

о

1

1

- C1

11

C- N1

н

1

C1

1

н

- - ~- C-

о

~-

1

1

1

/

11

1

н

/

~
С - N""

1

~ OIIIIIIII H- N

,N.::::::: c /

2 Н 2О

C-

~

Н -.. 0

н

С -С
//
~

1

C- N-

1

-

Два аз отисты х о с нов а н и я (G и С) в ДН К и л и Р Н К
обр аз уют в одо родны е с вя з и друг с другом .

н,

11

- C-

j

с вя зь

11

C- N1

н

1

C1


ГИДРОФОБНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Вода з аставляет гидрофобные группы держаться вместе, минимизируя их
ра з рушающее действие на свою структуру 11111

11111

н

11111

н

f' /

1//11

%

%

'------ н

среде говорят, что они удерживаются вместе « гидрофобными связями »,
х отя на самом деле их взаимодействие является результатом отталкива­

\
с

11111

'"" /

\- ~:;,'

н

#'

сетку водородных связей

между молекулами Н 2 O . Про гидрофобные химические группы в водной

1

\/
с

11111

11111

ШII

°%,

н

/JЩ

н ,,,,,

ния от воды .

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИТЯЖЕНИЯ

В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ
Из-за того что заряженные химические группы закрыты взаимодей­
11///

ствием с молекулами воды, электростатические взаимодействия меж ­

1/tl l

ду молекулами в водной среде совсем слабые .

% н

/ H~ I
-н
н

н

с-

/
%

""

,,,,,

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРИТЯЖЕНИЯ

К тому же ионы, присутствующие в растворе, могут скапливаться во­

круг заряженных групп , дополнительно ослабляя эти притяжения .

Взаимодействия по типу притяжений происходят как между
полностью заряженными группами (ионные связи), та к и меж­
ду частично заря женными группами в полярных молекулах .

н
1

H- N--

®I

)))111((~

н

@

Сила притяжения между двумя зарядами (б• и ь-) быстро па­

Na

дает по мере увеличения расстояния между з арядами .

CI

Несмотря на ослабление водой и солями , электростатические притя­

В отсутствие воды электростатические взаимодействия очень

сильны. Именно они обеспечивают прочность таки х минера ­
лов, как мрамор и агат, а также обра зование кри сталлов по­
варенно й соли (NaCI) .

жения очень важны для биологических систем . Например, фермент,
который свя з ывает положительно заряженный субстрат, как правило,
имеет отрицательно заряженный радикал амино к ислоты в сайте свя­

зывания субстрата .

сг

фермент
кристалл со ли ,

NaCI


ВОПРОС2-14

са аминокислоты равна

Кислород и сера имеют похожие химические свойства, пото­
му что у их атомов по шесть электронов во внешних электрон­

лученный вами образец? Каков размер емкости, где его можно
будет хранить?

ных оболочках . Действительно, они образуют молекулы с двумя

В . Что говорит только что проведенный вами расчет о реализа­

-

атомами водорода

120 дальтон ,

сколько будет весить по­

ции возможностей использования различных сочетаний ами­

хорошо знакомые нам воду (Н 2 O ) и серо­

газ ,

нокислот в белках , которые действительно присутствуют в жи­

несмотря на то что атом серы гораздо крупнее и тяжелее атома

вых организмах (вес белковой молекулы составляет в среднем

кислорода. Объясните почему.

30 ООО дальтон)?

ВОПРОС2-15

ВОПРОС2 - 18

водород

(H 2S). Но

вода

это жидкость , а сероводород

-

-

Запишите химическую реакцию конденсации двух аминокислот

Это учебник биологии. Объясните , пожалуйста, почему химиче­

с образованием пептидной связи. Запишите реакцию гидролиза

ские принципы, описанные в этой главе , так важны в контексте

этой связи.

современной биологии клетки .

ВОПРОС2-16

ВОПРОС2 - 19

Какие из приведенных ниже утверждений верны? Ответ обоснуйте.

А . Опишите сходства и различия между вандерваальсовыми си­

А . Белки столь многообразны вследствие того , что каждый бе­

лами и водородными связями .

лок состоит из уникальной смеси аминокислот, соединенных в

Б. Какой из двух типов слабых взаимодействий будет иметь ме­

определенном порядке .

сто (а) между двумя атомами водорода , связанными с атомами

Б. Липидный бислой представляет собой макромолекулы, со­

углерода, (б) между атомом азота и водородом , связанным с

стоящие главным образом из фосфолипидных субъединиц.

атомом углерода , (в) между атомом азота и водородом , связан­

В. Нуклеиновые кислоты содержат сахарные группы.

ным с атомом кислорода?

Г. Многие аминокислоты имеют гидрофобные радикалы .

Д. Гидрофобные хвосты молекул фосфолипидов отталкиваются

ВОПРОС2 - 20

Под действием каких сил происходит укладка макромолекулы в

отводы .

Е . ДНК содержит четыре типа азотистых оснований: А,

G, U и С.

уникальную пространственную структуру?

ВОПРОС2 - 17

ВОПРОС2 - 21

А . Сколько разных молекул, состоящих из (а) двух, (б) трех, (в)

Жирные кислоты называют амфипатическими (амфифильны­

четырех аминокислот, соединенных пептидными связями , могут

ми). Что это означает и как амфифильная молекула ведет себя в

образоваться из

воде? Проиллюстрируйте свой ответ.

20 аминокислот,

присутствующих в клетках?

Б . Представьте, что вам дали смесь , содержащую по одной моле­
куле каждого из возможных вариантов разных аминокислотных

ВОПРОС2-22

последовательностей некрупного белка с молекулярной массой

На рис .

4800 дальтон.

Правильно ли они изображены? Ответ обоснуйте .

Если считать, что усредненная молекулярная мае-

82-22

приведены структурные химические формулы .

н

®

1

0

НзN - С - СОО

;:
1

(Б) u

соо8
1

Н-С - Н 11 1 1 111 О
1

н- с-н

Na - CI
(3)

/н

"- н

н - с-н

Н - С - Н 11 1 Ю/
1

1

(Ж)

84

Н

/н
~о
-# "
н \ ·н
~

1

"-.

н

СН2ОН

8+

8-

о

8+

О =С=О

1

он

#о

- С :7'

"он

(И)

\
Н

водородная
связь

ГЛАВА 2. Химический состав клеток

(К)

он

H2N -

-т

-С

/

N-

~

о

Н 20
(Л)

РИС . В2 - 22 ,


ИсnользОВАНИЕ ЭНЕРГИИ КЛЕТКАМИ
СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ И КАТАЛИЗ

АКТИВИРОВАННЫЕ МОЛЕКУЛЫ­
ПЕРЕНОСЧИКИ И БИОСИНТЕЗ

с ки х ве ществ, которые в них участвуют) . Чтобы в услови­
ях клетки эти р еа кции шли с хорошей скоростью, мол е­

кулам нужна огrределенная помощь. Для наt1ала реакции

требуется « подогрев~ химической активности, который

обесп ечивают сп ециал ьные белки, ферменты. Каждый
фермент работает с конкретным видом молекул. Он уско­
ря ет (катализирует) одну из множества реакций , в кото­

Уднвительное отличие живых существ от неживой мате­

р ые может вступить молекула . Реакции, катализируемые

ферментами, обычно идут последо вательно, и продукт од­

Рии. - их способ ность создавать и поддерживать локаль­
н ь~й гюрядок в мире нарастающего беспорядка. Для сохра­
нения у порядоченности клеткам живого органи зма при­
ходится поддерживать в себе непрерывный строго ре гла­
ментированный пото к химич еских реакций. В некоторых
кз них происходит расщепление или перестройка малых
0
Рrанич:еских молекул - аминокислот, сахаров , нуклеоти ­
до в и липи дов - с получением других малых молекул, не ­

ной реа кции с танов ится исходным м ате риалом дл я следу­

МОJJекулы расходуются н а синтез макромолекул. Огром­
ное многообразие белков, нуклеиновых кислот и других
Макромолекул наделяет живые систем ы характерными
свойствами . Каждая клетка - это своего рода крошечный
хи мический комбинат, где ежесекундно проводится много
М.HJIJ!ИOJ-LOJ3 ХИМ. ИLtеских реакций.
для протекания великого множества реакций клетке

жения . Такой контроль

обходимых клетке. Есть реакции , где малые органические

Нужн ы истоtшики атомов и источники энергии. Кроме как
Из окружающей среды, брать пищу и энергию, в кон ечном
сч.ете, неоткуда. В этой главе мы обсудим, для че го клетL(ам_

б

ющей ( РИС.

3-1 ). Линейные последовател ьности реакций

(метаболическ:ие пути) , соеди няясь друг с другом, образу­
ют сло жную сеть взаимосвязаииых действий.

Для клетки необходимость катализа не доставляет не ­

удобств
годаря

наоборот, это жизненная необходимость . Бла­

-

это му

клетка

п олучает

возможность

тщательно

контроли ровать свой метаболизм как совокупность хими ­
ч ес ких р еакций, нужны х для выживания, роста и раз мно ­

-

наиваж нейшая отличительная

черта вс ей химии живых систем .

В каждой клетке бок о бок идут два противоположно
направлен 1-1 ых потока химических р еакций: так на з ывае­

мые катаболические

м олекул а

мол екул а

♦ к~
ферментом

1

(catabolic) и

м олекул а

катализ

ферментом

2

аиаболические

молекул а

катализ

м ол екул а

(anabolic)

мол екул а

"катаiiиэ 8 катаimз

ферментом З ферментом

4

ферментом

5

тре уется эне ргия и каки м образом они используют

э»ерrию и атомы из окружающей среды для создания упо­
Рядоttенности на молекулярном уровне - порядка, лежа1.Цего в основе феномена жизни.
Болы.uинство химическнх реакций, осуществляемых
tо1етк "
Ра . ои, сами по себе и дут лишь при высоких температух, н еприемлемых для клетки (таковы свойства хими ч е-

РИС.

3-1.

Серия реакций , катализируемых ферментами , пред ­

ставляет собой метаболический путь. Кажды й фе р мент катали зи ру ­
ет хим и ческую реак ци ю , в которой участвует о предел е нная мол екул а.

В да нн ом сл учае н абор ферме нто в , осуществл яю щих п осл едователь ­
н ость химических п ревра ще н ий , формирует метабол и ч еский путь от
молекул ы А к молекул е

F.


молекулы

много молекул , из

ходуемая в качестве 1➔ алиl1ного топли13а , исnоЛJ,зуется для

питательных веще ств

которых состоит клетка

с интеза множества мол е кул, в совокупности образующих

кл тку. Катаболи з м с а набол и змом 1Зместе составляют ме­
таболизм ( РИС. 3-2).
Из уч нием кон кретных р еак ций , составляю щи х ме­

табол из м , занимается н аука биохи.мия. Эта отдельная об­
ласть з наний н е рассмат ривается в да нной книге . Однако

для нас крайне важно понять об 1_ци е при ,щипы пол у lrе­
КАТАБОЛИЧЕСКИЕ

АНАБОЛИЧЕСКИЕ

ПУТИ

ПУТИ

+

п отребность живых органи змов в н е прерывном пр итоке

тепло

энергии и з вне. Затем рассматривается ферментат ивный

♦

катализ реакций как залог порядка в биологических си­

◄- ► 8

►• .,. ►

стемах. В заключ е нии ~·лавы дается описани.е мол е кул ,

◄ \,J.

служащих

много «к ирпичиков »

3-2.

материал 1,ными

носит ел ями

э нергии,

н е по­

средственно питающей жизиь .

для биосинтеза

РИС.

вания ее на создание у п орядочен н ости. В нача ле насто ­

ящей ~·лав ы , посвяще нной этим принципам, обсуждается

потерянно е

•

ния клеткой э н е ргии и з окружающей среды и расходо­

Катаболические и анаболические пути вместе состав­

ляют клеточный метаболизм. Обратите внимание на то, что значи­

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ КЛЕТКАМИ

тельная часть энергии, запасенной в химических связях молекул пита­

Предоставленны е самим себе ~, еж ивые объекты посте­

тельны х веществ , рассеивается в виде тепла . Толь ко часть запасе нн ой

п ен но приходят в беспорядок: зда ния пр е вращаются вру ­

энергии переводится в пол езные ее формы, необходимые для си нтеза

ины, мертвы е тела разлагаются. )Кивые кл етки, н аоборот,

н овых молекул.

не только подд е рживают внутренний порядок , но факти­

че с ки создают его. Порядок виден н а всех уровнях стро­

ения живого организма. Он прос м атривается во всем, от

пути. В ходе катаболизма

(cataboiism)

происходит рас ­

строго упорядочениой морфологии тела н асекомого или

м е 111,шего

цветка растения, с их симметрией и проработанностью

разм ера, идет наработка полез ной усваиваемой э нергии

деталей, до строго упорядочен н ой структуры мол екул,

и одновременно некоторых малых молекул, необход имых

из которых они состоят ( РИС. 3-3) . Упорядоч енность как

клетке. При анаболизме (anaboli m), или биосинтезе (Ьio­
synthesis), э нергия , добытая в реакциях катаболизма и рас -

отработанными и безотказными клеточными м еха низ ма-

щепл ение nи тателы-1ых

веществ

на

молекулы

(Б)

(А)

РИС.

3-3.

(В)

характер н ая особенность живой материи обесп е чивается

(Г)

(д)

Биологические структуры высокоуnорядочены. Ч етко заданные, замысл оватые, не­

обыкновенно красивые паттерны просматриваются на всех уровнях организации ж ивого организма .

Изображения расположены в порядке увеличения размера объектов. (А ) М9лекулы белка в оболочке
вируса (паразита , кот орый , не являясь полноценной формой жизни, содержит те же ти п ы молекул , что

и живая клетка). ( Б) Структурированный набор микротрубочек, составляю щий опору хвоста спермато­

зоида , на поперечном срезе . (В) Зернышко пыльцы (одна клетка, вид с поверхности) . (Г) Увеличенный
фрагмент крыла бабочки с хо рошо различимым п аттерном чешуек , каждая из котор ы х пр оизведена од­

ной клеткой. (д) Цветок [показан не цветок , а соцветие сложноцветного .

- Прим. ред. ] со спиральным
- с разре шения Robert
Grant, Stephane Crainic, James М . Hogle; Б - с разрешения Lewis Tilney; В - с разрешения Colin MacFarlane, Chris Jeffree; Г - с разрешения Kjell В . Sandved.)
расположением семян , каждое из которых состоит из миллионов клеток. (А

86

ГЛАВА 3. Энергия, катализ и биосинтез


ми и::шлечения эне ргии из окружающей с р еды . Живые
кл тки t1 а ка п лива ют и расходуют э н е ргию , з апасенную в

форме х.ими ч.еских связ ей [ все клетки з апасают и .исполь­
зуют две формы э t~ерг.ии

-

энергию хим ич еских связей и

э н ереию м мбранных электрох имичес ких градиентов.

-

Прим. ред. ] , в которую некоторы е клетки п ереводят ее из
дру гих форм (на прим ер , из энергии солнечного света).

Уnорядочен 1-10сть и стабиль н ость структу ры жив ы х ор­
еанизмов поддержива ются на фон е н е пре рывной сме ны

состава , потока материи, и з которой они состоят. Ваше

собственное тело устроено почти так же, как 10 лет н азад ,
Несмотря на то что сейчас оно почти не содержит атомов,

..

окружающая среда

.,,/

е

\

\

клетка

~ •,,, r-• .. "· •

.,.I

~ ~ -~/e'J

•

... .

.

;>~· Г-...
8 1ТЕПЛО\;~
8

~

. • • • ·- ~?<·'\) !)
1

\

\

t

'•

•--..

~ L.:

прибавившийся
бес п орядок

РИС .

высвобождению клетками тепловой энергии

-

f

• .,,

составлявших его тогда.

Упорядоченность биосистем возможна благодаря

\

~

приба вивши йся
порядок

3-5 . Существование клеток не противоречит второму закону

термодинамики. Н а схеме слева молекулы и самой клет ки , и осталь­

ной части В селенной (окружающей среды) изображены в относительно
беспорядочн ом состоянии. На схеме справа клетка п оглоти л а э н ергию

Второй за~сои термодииа.м.и~си выражает общее стремле­

молекул питател ьны х веществ и выделила тепло от проведения хи миче­

ние В селенной к беспорядку. Он гласит, что во Вселен­

ской реакции, упорядочившей молекулы, содержа щи еся в клетке. П о­

ной или в л юбой системе, изолированной от остальных ,

скольку выделение тепла увеличивает бес п орядок в среде, окружающей

беспорядок может лишь нарастать [энтропия (неупоря­

клетку (н а схеме излом анн ы е стрелки соответствуют уси л енному тепло­

дОL1енность) в замкнутой системе может воз растать или

вому движению , а деформированные изображения частиц - усиленной

оставаться по стоянной.

вибрации и рота ци и молекул) , ситуация п родолжает удовлетворять вто­

-

Прим. ред .] . Применительно к

)[<ивь1м существам данное утверждение звучит столь пара­
доксалыю , что е го смысл следует пересказать нес кольки­
ми способами.

С позиций теории ве роятности, второй закон термо­
дикамики равносилен утверждению, что cno1-tma1-t1-tыe uз­
Meiteнuя ведут cucmeAty ic состояиию с иаиболее вероят1-tым
Расположеиием ко.м.поиеитов. Рассмотрим коробку с сотней
Монет, уложенных 1орлами~> вверх. Если коробку встря-

рому закону термо дин амики даже пр и росте и делении клетки.

хивать, монеты в ней будут переворачиваться, и после до­

статочно большого LJисла встряхиваний мы получим смесь,
в среднем (для большого числа коробок) состоящую из

<<орлов >> и

50

50

«решею>. Причина тенденции объясняется

тем, что для результата

150 на 50>> существует очень

много

способов набора из монет, упавших той или иной стороной
вверх. В многочисленных исходах
«С ПОНТАННАЯ » РЕАКЦИЯ

150

на

50>> каждая

кон­

кр еп,ая монета выпадает то одной, то другой стороной, тог­

да как вернуться к первоначальной ситуации можно лишь

в одном-единственном уникалы-юм случае, если все

100

мон ет вдруг упадут «орла ми ~> вверх. Поскольку р езул ьти ­

рующее соотношение

150 на 50>,}, сочетая в себе наибольшее

число возможных исходов, накладывает наим еньшие огра­

ничения на ориентацию каждой конкретной мон еты , мы

говорим о нем как о «беспорядочном>> . По тем же сообра­
жениям комната, если в ней не убираться, будет постепенно
приходить во все больший беспорядок. Согласно второму

закону термодинамики, увеличение беспорядка

-

это спон­

танный процесс, и чтобы повернуть его вспять, требуется
регулярно прикладывать усилия ( РИС. 3-4) .

Степень н еупорядоченности, присущую системе, на­
зывают энтропией ( eпtropy) . Чем меньше порядка, тем

ОРГАНИЗОВАННОЕ УСИЛИ Е, ТРЕБУЮЩЕЕ Э НЕРГОЗАТРАТ

Рис. 3-4. Спонтанный дрейф к беспорядку в повседневном оби­

ходе. Самопроизвольного восстановления порядка наблюдать не при­
ходится . Чтобы оказать сопротивление естественному стремлению
природы к беспорядку, нужно приложить намеренное усилие и потра­
тить энергию. Зная второй закон термодинами ки, можно утверждать,
что при вмешательстве человека , без которого здесь не обойтись, бу­
дет выделяться тепло , которым и будет компенсироваться приведение
в порядок вещей , разбросанных по комнате.

выше энтропия; соответственно, можно переформулиро­
вать второй :закон термодинамики, сказав, ч.то спонтанные
изме нения в системах ведут к состоя нинм со все нараста­

ющей энтропией. Живые клетки структурируют себя, ра­
стут, дел ятся, формируют сложные сообщества и да.же це­
лые организмы; при этом из х аоса с р ед ы они создают поря­

до к. Может показаться, что существован ие живых клеток

и сам ф еном ен жизни противоречат второму закону тер­
модинамики . Но это ие так Противоречия нет, потом у что
клетку нельзя рассматривать как изолированную систе м у.

Использование энергии клетками

87


Она забирает э1-1 ергию из окружающей среды

-

в форме

там монет во встряхиваемой коробке). Клетка нс является

пищи, неорганических молекул и ли фотонов солнеч но го

и. олирова1-11-юй системой, и те п ло , выделяющееся в се ре­

света, а затем расходует эту эие ргию на созда ни е поряд­

акциях, б ы ст ро рассеивается в среде , окружающей клетку.

ка внутри себя, переделывая п аттер ны химич ских связей

Рассеивание те11ла означает повышени е инте 11сио 1 юсти

между атомами или строя крупные макромолекулы. При

теплового движения молекул окружающей среды, т. е. по­

осуществлении химических р еакций, насаждающих п оря­

вышение се энтропии ( РИС. З - 5).

док, энергия химических связей частично преобразуется в

Количество тепла, выделяемого клеткой, долж 1-ю бытт,

тепло, ко торо е является самой неу поря до ч е 111-1 ой формой

достаточ н о большим. Уменьшение порндка в окружающей

э н ергии (тепло можно у подобить случайным перевара-

среде должно с лихвой компенсироват,, порядок , создавае­

мый внутри клетки. Тогда суммар 11 а.я э 11тропи я системы
падающий кирпич
обладает кин етической
э нергией

поднятый
к ирпич

обладает
потенциальной
энергией ,
действует

сила

(

А)

при ударе кирпича

--

о пол

~
___
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __

потенциальная энергия,

кинетическая

обусловленная положением

((
+

-

энергия

'

" ,1/.

молекула

тепловая

энергия

-

тол ько этот слу ч ай будет удовлетворять второму закону
термоди ,-, ам ики.

Откуда берется тепло, выделяемое клеткой? Согласно
первому за-кону тер.модu1юм.u-ки, эне р гия может быть пере­
ведена из одной формы в другую, но ее нельзя ни создать ,

ни у ни чтожить . Взаимные превращения различных форм

энерги и изображены на РИС . З-6. Количество э нергии, при­

сутствующей в разных формах, будет изменяться в резуль­

/_;

-::: \\

\\
две

-

будет воз­

-

р астать в результате химиlrеских реакций внутри клеши;

тепло выделяется

~

/r

так как на него

тяжести

клетки в совокуп ности с окружаю щей средой

1; _

тате химических реакций, идущих в клетке. Но , как гласит

1)

быстрые вибрации

тепло

п ервый закоа те рмодин ам ики, общее количество эне ргии

молекулы

газа

и ротации дву х

распределяется

во Вселе1-1ной всегда остается постоян 1-1ым . Наnример, по

газа водорода

кислорода

новообразованных

по окрестностям

мере расщепле1-1ия питатель ны х веществ в клетке живот­

молекул воды

(Б) энергия химических

быстрые движения

связей в Н 2 и 0 2

батарея

молекул в Н 2 O

-

тепловая

энергия

-

ного часть энергии химических связей расщепляемых мо·
лекул пр ев ращается в энергию теплового движе 1-1ия моле­

кул (проще говоря, в тепло) . Поскольку реакции, идущие

мотор

вентилятора

внутри клетки , долж ны увеличивать н еу порядоче н1-1о ст ь

во Вселе,-, ной, как того требует второй закон термодина­

мики, преобразование химической э нергии в тепловую
долж но быть достаточно интенсив11ым.
(В)

энергия хим~ческих

_

электрическая

связеи

солнечный свет

(Г)

_

кинетическая

энергия

энергия

этой тепловой э н ерг ии клетка не может совер ш ать полез·

"f -

1-ryro

молекула хлорофилла

хлорофилла

в возбужденном

электромагнитного излучения (света)

энергетический электрон

-

Прим. ред.],

за исключ.еиием тех случаев, когда реакции, сопровожда­
ющиеся выделением тепла, напрямую связаны с процесса­

состоянии
высоко-

работу; получап, выгоду она может за счет поддержа­

ния постояш-юй повышсю-юй тем п ратуры.

молекула

энергия

Клетка 1-1 е мож т извлечь выгоду из тепловой энергии,

которую она прои зводит [ здесь имеется в виду, LLТO за с ч ет

энергия

химических
связей

ми поддержа ния порндка на молекулярном уров ~, е.

Именно

тесное

сопряжение

процессов

выделения

тепла и нараста1-1ия п орядка отличает метаболизм клетки

РИС . З-6. Различные формы энергии превращаются друг в друга.

от « 1-1 еэкологич ного ~ сжигания дров в кост ре. Дальше по

Энергию можно переводить из одной формы в другую, но ее сум­

ходу главы мы выя.сним, каким образом осуществляется

марное количество сохраняется. (А) Мы можем использовать высоту

это сопряжение. На да нпъгй момент нам надо усвоить, ч.то

подъема и вес кирпича, чтобы точно предсказать , сколь ко тепла выде­

за счет непосредственной связ и между процессами мета­

лится при его ударе о пол. (Б) Большое коли ч ество эне рги и химических

болического сжига ния питатель 1-1ых мол кули самострук­

связей , высвобождаемое при образовании воды, сна ч ал а переводится

турироваия каждая живая клетка поддерживает себя как

в очень быстрые тепловые дви жени я двух новы х молекул воды. Одн а­

островок поря.дка во Вселенной, катящейся I< хаосу.

ко столкновения с другими молекулами приводя т к почти мгновенному

распределению этой кинети ч еской э н ергии среди окружения (п еренос

тепла), и новообра зованные молекулы с ним «слива ются», становясь
неотличимыми от других. (В) Клетки могут переводить эне ргию химиче­

Фотосинтезирующие организмы используют
энергию света для синтеза органических молекул

ских связей в ки н етиче скую э н е ргию , н а пример для работы молекуляр ­

Все животные су щ ествуют за счет энергии, запасен ной в

ных моторов, прич ем без пр омежуточных превращений энер гии (в отли ­

хими ческих связях

органических

с интезирова нны х

молекул

другими

литатель ньгх

чи е от работы эл ектроприборов типа вентилятора , для работы которого

веществ,

требуется пром ежуточное превращение э нер гии в электрическую). (Г)

этих моле1<ул животные получают н е только э1-1ергию , но

организмами.

От

Клетки также осуществляют сбор энергии солнечного света, образуя

и атомы, необходим 1,1 е для обновления и построения но­

хими ч еские связи в п роцессе фотосинтеза.

вой живой материи. Хищные животные питаются, поедан

88

ГЛАВА 3. Энергия, катализ и биосинтез


количествах,

из

некоторых

неор ганич ес ких

почв е нных

солей. Извлекая э н е ргию из солне•шого света, растения

расходуют ее на образование химических связей между
атомами, объединяя их в малые органические молеку­
лы

-

минимальные клеточные строительные блоки: саха­

ра, а минокислоты, нуклеот иды, жирные кислоты. Даль ш е
эти малые молекулы могут войти в состав макромолекул

клетки растения : белков, нуклеиновых кислот, полисаха­
ридов , липидов . Все пе ре числе нны е вещества важны для

живот.1-rых, грибов и нефотосинтезирующи х бакте ри й, пи ­
тающихся расте ниями [или от м е рше й органикой расти­

тел 1,ного происхождения.

-

Прим.. ред. ] .

РИС . 3-7. За редким исключением, энергия светового излучения
Солнца поддерживает существование жизни. Улавливаемый рас­

дельные этапы . Фотосинтез проходит в две стадии, или

те ниями и н екотор ы ми ми кроорганизмами в пр оцессе фото си нтеза

фазы; для од ной из них требуется свет, для другой

сол н еч ный свет служи т п ервич ным и сточни ком э нергии для ч елов ека и

( РИС.

други х ж ивотны х . ( Винс е нт ван Гог, Пшеничное поле за больницей Сен­

э нергия

Поль со жнецом . Музей Фольква нг, Эссе н . )

храиение в форм е химической связи в специализиро­

Процесс фото си нт еза мож н о подразделить на от­

-

нет

3-8) . В первой, светозависимой, фа зе фото синтеза
солнеч н ого све та захват ыва етс я на в р еме нно е

ванных м ал ых м олекулах, н есу щи х э н е рги ю в своих ак ­

тивных химических группах ( активи рованны е молеку­

других живот ных, которые занимают более низкие этажи

лы- н осители будут обсуждаться чуть позже ). Имеиио

гtищевой пирамиды.

в первой фа зе фото си нтеза выделяется его важнейший

Это растительноядные животные

(и прочие потребители фотосинтезирующих организмов).
Сами фотосинтезирующие организмы, до того как их

побочный продукт

-

мол екулярный кислород, получае ­

мый в ходе расще пления вод ы на свету.

съедят, занимаются улавливанием э не ргии солнечного

Во второй фазе фотосинтеза, так наз ываемой темно­

света. Вся энергия, потребляемая живыми организмами,

вой или светонезависимой, молекулы-носители участвуют

Идет от Солнца [по совре менным оценкам, заметная часть

в акте фиксации углерода, который заюпочается в продук­

энергии, возможно до

поступает в биосферу за

ции сахаров из углекислого газа и воды. Реакции темновой

счет окисления неорганических веществ в ходе хемосин­

фазы , не и спользующие непосредственно энергию света,

теза бактерий.

-

20- 25%,

Прим . ред.] ( РИС. 3-7) .

порождают важнейший на Земле запас химической энер­

Солнечная энергия входит в земной мир живых су­
ществ через процесс фотосинтеза, в результате которого

эн е ргия электромагнитных волн солне чного света преоб ­
разуется в энергию химич еских связей. Фотосин тезирую­
щи е о рганизмы, к которым относятся растения , водоросли
И некото ры е бактерии, способны добывать из нео ргани­
Чесrсих ресу рсов в се необходим ые виды атомов. Растения
И с пользуют углерод атмосфе рного СО 2 , водород и кисло­
Род из Н 2 O , азот ионов аммоиия и почве1шых нитратов , а
та10тсе атомы других элементов , необходимые в ме 11ьших

гии и ресурс биологической материи. О механизмах обеих
фаз фотосинтеза будет подробно рассказано в гл.

14.

ВОПРОС3 - 1

?
8

Рассмотрим уравнение :
энергия света + С0 2 + Н 2 0 ... сахара+ 0 2 + тепловая энергия .
Следует ли ожидать прох ождения реакции в один эта п? По ­

чему в ней дол ж но выделяться тепло? Ответы поясните .

ФОТОСИНТЕЗ

улавливание

носители

энергии света

энергии

l

тепло

'-------РИС .

тепло
ФАЗА

1

ФАЗА 2

3-8 . Фотосинтез проходит в две стадии, одна из которых светозависима, а вторая не тре­
- активированные носители э н е ргии,

бует света. В первой фазе образуются молекулы АТФ и НАДФ · Н
котор ы е будут кратко рас смотрены ни же.

Использование энергии клетками

89


Общий хим ич еск ий смысл процесса фотосинтеза за­

СО 2 В АТ МОСФЕРЕ И ВОД Е

письш ается в виде уравн ен ия р еак ции :

э не ргия света + СO 2

+ Н 2 O--+ саха ра + 0 2 + те пло .

ДЫХА НИЕ

ФОТОСИН ТЕЗ

\

Получ е нные сахара используются расте нием в ка ч еств е

РАСТЕНИЯ ,
ВОДОРОСЛИ ,
БАКТЕРИИ

источника эн е ргии и как строительный мате риал для и з­

готоnле нюr миожествадруг и х боль ши х и малых орга нич е­
ских моле кул , н еобходимых клетке растеиия.

Клетки получают энергию
за счет окисления органических молекул

ОКЕАНИЧЕСКИЕ
ОСАДКИ И ИСКОПАЕМОЕ

ГУМУС И
РАСТВОРЕННАЯ
ОРГАНИКА

Всем клеткам требуется э и ергия, запасен ная в химичес ких
связях органических молекул. Клетки растений и с пользу­

ют сахара, образованн ые в процессе фотосинтеза ; клетки

РИС .

животных испол1,зуют смеси больших и малых молекул,

Атомы углерода из молекул СO 2 поодиночке переходят в состав орга ­

3-1 О . Атомы углерода непрерывно циркулируют в биосфере.

потребляемых органи змом с пищей . Каждо му живому

нически х соединений благодаря фотосинтетической а ктивности рас­

организму

питатель­

тений , водорослей и бактерий. Они достаются животным и микроорга­

ных веществ и переводить ее в доступную для себя форму.

низмам , попадают в состав мертвой органи ки почвы и о кеа нов , следуя

приход ится

и звлекать

эн ергию

из

Процесс извле t1ения энерги и имеет характер поэтапного
окuсле1-1uл

-

так называемого

<,ко нтр олируемого сжига­

ния ,> мол екул питательных веществ.

по циклическим путям . Молекулы СO 2 возвращаются в атмосферу при
окислении органически х моле кул во время дыха ния или при сжигании
и х людьми в виде ископаемого топлива .

В атмосфере Земли содержится около

21% кисло рода.

В присутствии кислорода са мая 11изкоэнергетическая и

стабильная форма существован ия атомов углерода
СO 2 , атомов водо рода

-

это

гию из саха ро в или других о рганич ес ких молекул, позво ­

Н 2 O . Клетка может и звлечь эн ер-

лив атомам углерода и водорода из этих молекул соеди­

-

ниться с кислородом воздуха, окислиться. Этот процесс
известе н как кл е точно е дыхание, его конечными продук­

ДЫХАНИЕ

ФОТОСИНТЕЗ
СО 2

+

Н 2O

-. 0 2 +

тами ,шляются углекислы й газ и вода .

Ф отосинтез

САХАРА

( РИС .

СО 2

и

дыхание

дополняют

друг

друга

3-9); это оз начает, что пе редача ве ществ а между

растениями и животными идет в обоих направлениях.
Расте ния, животные и микроо рганизмы так дав1-10 <1 з н а·
комы ~, что стали д р уе для д р уга н еотъемле мой частью

РАСТЕНИЯ,
ВОДОРОСЛИ ,

с реды обита ния. Кислород , выделяемый при фотосин­

САХАРА
И ДРУГИЕ
ОРГАН И ЧЕСКИЕ

НЕКОТОРЫЕ
БАКТЕРИИ

тез е, потребляется для контролируемого сжигания ор­
ганических моле1<ул чуть ли н е всеми организмами. Мо­

МОЛЕКУЛЫ

лекулы СО 2 , которы е вчера выделились в ат мосферу из

РИС .

•

наших легких или были выделены каким- н ибудъ грибом ,

•

3-9. Фотосинтез

бактерией или самим растением при дыхании , сегод1-1я
п ослужат растению субстратом при фиксации углерода в
процессе фотоси1пез а. Поток атомов угл е ро;~а сквозь жи­
взаимодополняю­

вы е организмы ид ет п о разным траекто р иям; вместе о н и

щие процессы живой природы. В левой части схемы показано , как

и клеточное дыхание

образуют гигантский круговорот, в котором задействова·

-

в процессе фотосинтеза , осуществляемого растениями и некоторыми

tLa вся

микроорганизмами , используется энергия солнечного света для про­

вых о р ганизмов на Земле [кроме живых организмов и ча­

биосфера. Биосфера

изводства сахаров и други х органических молекул из атомов углеро­

сти земных оболочек (литосфе ры, гидросферы и атмос·

-

это совоку пность всех жи­

другим организмам . В правой части с хе мы показано , как в процессе

феры), служа щи х и м средой обитания и и змененных их
ж и з недея телы-юстыо. - Прим. ред. ] ; круговорот углерода

клеточного дыхания эти организмы используют

охватывает ее как целое ( РИС . 3-10) . Надо сказать , что

да атмосферного СO 2 . Эти молекулы , в свою очередь, служат пищей

0 2 для

окисления мо­

лекул питательных веществ . Те же самые атомы углерода выделяются

ПОLJТИ половина угле рода, находящ егося в составе живых

обратно в атмосферу в форме СО 2 . В процессе клеточного дыхания ор­

организмов, при ходится н а долю пр ока риот. Атомы азо­

ганизмы получают энергию х имичес к и х связей , необходимую им для

та , фосфора и се ры аналогичным образом п ере мещаются

жи зни. Полагают, что первые клетки на Земле не умели ни дышать, ни

м ежду мирами живого и н еживого в циклах с уttастием

фотосинтезировать (см . гл .

на то, чтобы атмосфера накопила достаточ но кислорода для поддер ­

растений , животных, грибов и баюерий . Крупнейшим
резе рвуаром азота и фосфора на Земле являются опять­
таки прокариот ы , соде ржащи е в 10 раз бол ьше атомов и

жания ды хания .

азота, и фосфора, чем растения .

14). Вероятно ,

фотосинтез возник раньше

ды хания , поскольку, судя по всему, миллиарды лет фотосинтеза ушли

90

ГЛАВА 3. Энергия, катализ и биосинтез


Окисление и восстановление -

Понятия <<окисление~ и ~восстановление>> применимы

Результат переноса электронов

даже при частичном сдвиге электронов между атомами, со­

В юrетк органические молекулы никогда н е окисляются
в один прием, подобно тому как это происходит в пламени
костра. В метаболизме, построенном на работе ферментов,
орга нические молекулы проходят через огромное число
реакций. В этих реакциях, видоизменяющих молекулы и
меняющих их химическую сущность, непосредственное

добавление 1шс1юрода ггроисходит доволь но редко. Пре­
жде чем мы начнем знакомиться с механизмами и био­
логическим смысло м конкретных реакций, нужно разо­

браться , LIТO следует подразумевать под окислением.
Само слово <<окисление ~ можно истолковать бук­
вально как ~добавление в молекулу атомов кислоро;.~.а>>.

На самом деле химический термю-1 окисление (oxjdation)
rнире

-

он обозначает изме н ение состоя ния н екото рых

атомов в самых разных реакциях, где имеет место перенос

единешrыми ковалентной связью. В соединениях, где атом

углерода образует связь с атомом, имеющим сильное срод­
ство к электронам (например, с атомом кислорода, хлора
или се ры) , он на,'<одится с ним в неравном положении в

отношении пользования обобществленными электронами:
другой атом перетягивает и х на себя, связь является по­
лярно й. В этом случае положительный заряд ядра атома
углерода слегка превышает суммарный заряд его электро ­

нов; при образовании связи атом углерода позволил друго­
му атому перетянуть электроны от себя, т. е. он окислилс.я,
обрел частичный положительный заряд о+ . В ковалентной
связи С- Н атом углерода, напротив, обладает преимуще­

ством в пользова нии обобществленным электроном; он
пе ретянул электрон иа себя, т. е. восстаиовwtс.я, обрел ча­
стичный отрицательный заряд◊- ( РИС.

3-11, А).

Если в 1шетке какая-нибудь молекула захватывает

электронов от атома к атому. Окисление атома, иона или

электрон, часто вместе с тшм она захватыва ет и протон

Молекулы происходит, когда он или она отдает часть своих

один из тех, что свободно <<плавают~ в воде. В итоге к мо­

электро нов. Обратный процесс называют восстановлени­

лекуле добавляется цел ый атом водорода:

ем (reduction), он за ключается в добавлении электроиов
атому, иону или молекуле. Ион железа Fe 2+ окисл.яетс.я,

А

когда отдает электрон и становится ионом

Fe3\

атом хлора

восстаr1авливаетс.я, когда получает допол нительный элек­

трон и ста 1-ювится ионом с 1 -. В химической реакции с по­
стоян ным lrислом электронов окисление сопровождается

восстановлением, а восстановление

-

+ е- + н + -+ АН.

Несмотря на полноправное участие протона , данная

реакция гидрогеиизации (hydrogenatioп) представляет со­
бой восстановление молекулы, тогда как обратные реакции
дегидрогеиизации

(dehydrogenation)

характеризуются как

окисление молекулы. Изменение органической молекулы в

окислением. Есл и

плане окисления- восстановлет,rя легко охарактеризовать

одна из молекул получила электрон, т. е. восстаиовиласъ,

по наличию связей С-Н: увеличение их числа означает вос­

это означает, что этот электрон ей отдала какая-то другая

становление, уменьшение

-

-

окисление (рис.

3-11, Б) .

Молекула, участвовавшая в реакции; она окислш~асъ. На-

Мы скоро увидим, что клетки используют ферменты в

11.ример, молекула сахара окислилась до СО 2 и Н 2 O ; в этом

качестве катализаторов окисления органических молекул

Участвовали молекулы
ны

-

0 2,

их атомы получи ли электро­

соответственно , они восстаиовилисъ .

небольшими этапами, ч ерез последовательность реакций,

позволяющих собирать и за п асать полезную энергию.

ОБРАЗОВАНИЕ

(А)

(Б)

КОВАЛЕНТНОЙ
ПОЛЯРНОЙ

+

связи

частичный _,,,,,,,.,,. е­
положительный

АТОМ

1

АТОМ2

заряд (15+)

МОЛЕКУЛА

'-- частичный
'-- отрицательный
заряд ( tП

на окисленном

на восстанов­

атоме

ленном атоме

РИС. 3-11. При окислении и восстановлении происходит сдвиг баланса электронов.
(А) Когда два атома образуют ковалентную полярную связь (см. гл . 2, с. 50), они обобществляют
электроны и пользуются ими неравноправно . Про атом , которы й получает преимущество в поль­
зовании обобществленными электронами , говорят, что он « восстановился ». Про другой атом,
получивший меньшую долю обобществленных электронов , говорят, что он «окислилсR». Вос­

становленный атом несет на себе частичны й отрицательный заряд (<У); окисленный атом несет
на себе частичный положительный заряд (б', поскольку положительный заряд его ядра теперь
превы шает суммарный заряд окружающих его электронов). (Б) Несложное органическое соеди­
нение вроде метана , с восстановленным состоянием атомов углерода , может быть окислено в
Несколько этапо в за счет последовательной замены ковалентных связей с атомами водорода
ковалентными связями с атомами кислорода . С каждой заменой электроны (изображенные го­
лубыми облач ками) удаляются от атома углерода , который все больше окисляется . В противо­

положно направленном химическом процессе атом углерода будет восстанавливаться по мере
замены атомов кислорода молекулы СO 2 на атомы водорода при получении метана.

альдеги

вьиный
гид)

диоксид углерода

(двуокись углерода,

углекислый газ)

Использование энергии клетками

91


СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ И КАТАЛИЗ

ферм ент

Ферменты тоже п одчиняются второму закону термодина­
мю<и. Умея ускоряп, э нергетиl.fески выгодные химические

реакции (те, LfТO усугубляют беспорядок во вселе н ной),
фе р мент ы не могут вызват 1, протекания реак ц ий, кото р ые

эне р гетически н евыгод н ы . Клеткам необхо1t им как раз
вто рой тип реакций, затратный: чтобы расти и делиться,
о ни должны строить в ы сокоу п орядоченные и богатые

пони жает

эн е ргия

эн ер гию
акт ива ции для
о;

о;

~

~

Q)

Q)

а.

:,:

:,:

(')

(')

о;

о;

"'3'

"'3'
"'

"'
о

им ре а к ц ии

У- Х

о

с

с

энерrи й молекулы из относительно н ебольших и лро­
стых молекул .

катализируе мой

а.

(А ) путь пре враще ний без

Чтобы по нять, каки м образом ферментам все-таки

_ (Б)

путь пре враще ний ,
в котором заде й ствова н

уча стия ка тализ аторов

катали затор

удается служить катализато рами энергетически небла t'О­
п р иятных реакций, нужно разобраться, как вообще устро­

РИС.

е н э нергетический баланс хими ч.еских реакц ий. В этом
разделе нам предстоит работать с п редставлением о сво­
бодной э н ергии молекул. Мы выяс н им, что такое свобод­

требуется энергия активации . (А) Соедин е ни е У (и сх одное ве ществ о )

н ая энергия молекул и как от нее зависят их химические

тичес к и й урове нь м ол екул Х ниже , чем у У. Сл едовательно , превр а ще­

свойства. Мы уз наем, как измене ние свободн ой энергии,

ния не прои зо йдет, если У не получит достаточн о го колич ества э нергии

3-12. Для запуска даже энергетически выгодных ре акций

отно с ительно стабильно ; чтобы превратить его в с о един е ни е Х (продукт
ре ак ции ) , н ужно с н ач ал а потратить эн е ргию , даже е сли об щ ий эн е рге­

отражаю щее количество бес порядка, производимого ре­

( энергия а минус энергия Ь ) и з с во е го о к руже ния . Эта э н е ргия м ожет

акцией, влияет н а условия и особенности п ротекан ия ре­

быть получе на за счет н еоб ы к нове нно сильного стол к нов е ния с други ­

акции; и как разность в изменен и ях свобод ной энер гии

ми мол е кул а ми . Дл я обр атно й реак ции Х -+ У э нергия активации будет

используется ферментами для создания биологического

го раздо б ольше (энергия а минус энергия с ) ; т. е . об ратн ое пр е вра ще­

п орядка. Но прежде всего кратко опишем сам фермента­

ни е будет про исход ить гораздо реже . Эн е ргия актив аци и для любой

тив ный катализ

ре а кции п олож ительна . О б щее изм е не н ие э н е рги и для э н ер гетич ес ки

(cataly is) -

быстры й, высокоспе ци фич­

ный, имеющий место во всех живых клетках.

в ы годно й реак ции У -+ Х р авня етс я отрицательному чи слу ( энергия с
минус энергия Ь ). (Б) Катализатор ы п о нижа ют э н е ргети че ск и е б а р ьеры

для кон к ретны х р еа к ций, ка к по каза но от м еткой d. О собе нн о эффект ив ­

Ферменты снижают энергию активации ,

ными катализаторами явл яются фе рменты ; они во много раз с ни жа ют

что позволяет химическим реакциям

э н е рги ю актива ци и для ко н к р етн ых реа к ци й.

протекать в клетках

Бума га прекрасно горит н а воздухе с выделен ием водяно­
го пара, у1'лекислого газа и эне р гии в виде те п ла:

бумага +

0 2 -+ д ы м+ пепел + те пло + СO 2 + Н 2 O .

Процесс идет строго в одном на правлении: дым и пепел

вления меха н ической работы или химических реакций .
Выброс свободной эне ргии отоб ражает некое расстрой­
ство по рядка в способе хранеrLия э 1-rе р rии и молекул (в
данном случае имеJ10 место уничтожение ст р уктури р о­

никогда спонтанн о н е вберут из нагретой атмосферы

ва нн ой бумаги). М ы п ока не даем формального о п реде­

углекислый rаз и воду и не воссоздадут бумагу. При го­

ле н ия свободной энергии,

рен ии бумаги ее химическая э н е р гия рассеивается в виде

х и мические р еак ц ии

те п ла. Оно не покидает вселен н ую

ведущем к выходу свобод н ой энергии. Можно сказать,

-

из вселе н ной эне р ­

1i0

общий 1 1 ринци тт таков

протекают только

в

-

на правлении,

гии деваться некуда. Энергию нельзя ун иlпожить, но в

что химическая реакция, предоставленная самой себе,

данном случае ее мож но считать безвозврат н о отда 1шой

ncerдa ~ катится под го ру ,> . О такой реак ции 1'оворят, ч то

хаотическому те п ловому движени ю м олекул. Обрат и те
в нима li ие: атомы и молекулы из состава бумаги в одно

она энергетически в ы год н а.

В об ы ч н ых условиях для атомов углерода местом с наи­

и то же в р емя рассеиваются в простра н стве и пр иходят

меньш им содержанием энергии являются молекулы СО 2 ,

в бесп о рядок. Говоря на яз ыке термодин ам ики, п роис­

для атомов водо рода

ходит выброс свободиой эuepzuu (free eneгgy), т. е. такой
энергии, которая может быть ис п ользована для осущест-

как бы << Под горой ,>. Несмотря на стремление атомов ска­

-

молекулы Н 2 O. Там о ни находнтся

титься << под го ру~, живая к рыса не может вдруг исчезнуть

в клубах дыма, а эта кн ига не вспыхивает пламен ем у вас в
руках . Дело в том, что атомы в молекулах живого о рган изма
ВОПРОС3-2

А В каких из перечисл е нн ы х реакций п рои сходит окисл ение

~ атома черного цвета?
8 А. Na -+ Na' (Na атом -+ Na' ион)

Б.

CI -+ сI - (CI атом

Г. СН 3 С НО
Д.

-+ СН 3СООН (уксусный альде г ид -+ у ксусная
С Н 2 = СН 2 -+ С Н 3 СН 3 (эте н-+ этан)

ями энергии, если их к этому не побудить. Чтобы органИ"ч е­
ская молекула смогла вступить в энергетически выгодную

химическую реакцию, которая переместит ее атомът в более

-+ с 1 - ио н )

В . СН 3 С Н 2 OН -+ СН 3 СН О (эта н ол -+ уксусный альде г ид)

или кни ги, пребывая в сравнительно стабильн ых состояни­
ях, не могут п ерейти в состояния с более низкими значе н и­

стабил ьные состоя ния с более низкими з наlrени:ями энер­
к ислота)

гии, молекулу нужно @риподнять~ над энерrети-ческим ба­
рьером ( РИС. 3-12, А). Инициирующее поступление э 1-rергии,
позволяющее молекуле преодолеть энергетический барьер ,

92

ГЛАВА 3. Э н ергия, к атализ и б ио с интез


называют энергией активации

(activation en

гgу). При воз­

горании к н иги эн ергия аl(тивации обсспсчива тся жаром
зажже нной с 11 ич )(И. В водной с реде акт ивация молсl(ул обе­
с пе чива тся их случайными с тол юювениями, в ес ьма э н е р1· ичн 1,1 ми, ус и лива ющимися с повыш ени ем те мпературы .

В диа пазо 11 е тем п ератур , актуал 1, ном для жи вых )(Ле­
то к,

1 выталкива нию ~

мол екул поверх э 11 ергет ич еского

барьера очень способствуют катализаторы . В )(Летке ка ­
та11 изаторами служат спец и альные белки

-

ферменты .

при отсутствии катализатора

в условиях катализа волны часто

волны недо статоч но вели ки ,

переплескивают через барьер

чтобы преодолеть слиш ком
высокий барьер

(А)

Кажд ы й ферм е 1-rт )(репка связ ывает одну или две молеку­

.::::

JJЪJ , свой субстрат. Ферме нт фикси рует их в ко нкретной

о::

орие н та ции , так ч то э н е ргия активации , провоцир у ющая

~

а.
Q)

сп ецифи•~ное вза и модействие молекул и 1-1ач ало химиче­

I

(')

))

ск и х прев ра ще ний, оказывается с ниже нной во много раз

(рис. 3-12, Б) . Ве щество , способ н ое п онижать э н ергию
активации пр оизволь н ой хим ич еской р еакции , назыв ают

катализатором. Не ме н яя свое й х им и ч еской сущности,
т. е. выходя и з р еак ции неизме нным , катализатор во много

без катал иза

(Б)

ф ер м ентативный
катализ реакции 1

(В)

Раз увели•1ивает частоту таких случайных столкнове ний

РИС.

молекулы субстрата с другими молекулами , кото рые 1 вы ­

активации. (А) Плотина

бивают~ ее выше э нергетич еского барьера, как показано

ся ферментативным катализо м. Зеленые шары

на РИС. 3-13 и 3-14, А. Катализатор повыш ает скорость хи­

субстрат, энергети чес кий уровень которого скачет вверх-вниз из -за по­

мическо й реа кции. Ферменты

3-14.

Ферменты осуществляют катализ, снижая энергию

-

это энергия активации, кото рая пони жает­

-

это поте нциальны й

одни из самых эффектив­

стоя нны х столкновений с волнами в качестве а н алоги и бомбардировки

ных катализаторов . С ферментами реа кции и дут в трил­

субстрата окружающими молекулами воды в результате те плово го дви­

JJ Ионы раз б ы стрее (нз вестны реаl(ции, ус l(оряемые в 10 14
Раз ) . Реакции , которые при нормальных клеточных темп е­

же ния . Если плотину (энергию активации) существен но понизить , шары

ратурах никогда не набрали бы хорошей ско рости, проте ­

будет э нергетичес ки выгодным . (Б) Четыре стенки ящи ка соответствуют

-

(субстрат) , выплеснутые волной , смогут скатываться вн из: их движение

кают в клетках благодаря ферм ентам; без 1-1их н евоз можно

энергетическим барьерам ( э нергии активации) для четырех различных

п.редставить себе жизнъ.

химических реакций , каждая из которых э н ергетич ески выгодна , по­

скольку их продукты находятся на более низких эне ргетических уровнях,
чем субстрат. В ящике слева ни одна из реакций не происходит, потому
что даже самые высокие волны н е достают до верха стенок . В ящике

энергия, которая

энергия ,

требуется для

необходимая

вступления в реакцию

для вступления

с участием фермента

1

в реакцию
при отсутствии
катализатора

1

справа ферментативный катализ индуцирует реакцию

1: одна

из стенок

ящика стала ниже , так что при всплесках волн молекулы перебираются
через нее и вступают в реак цию

1 ( ВИДЕО 3.1 ). (В)

Изображе ни е рек и ,

разделяющейся на рукава с плотинами в точках ветвления (желтые пря ­
моугольники), позволяет представить себе соответствие между серией
реа кций , катализи руемы х фер м е нта ми , и ч етко зада нным путем преоб­
разований молекулы внутри клетки . Н а каждой развилке стоит ф е рмент,
контролирующий специфичность выбора реакции .

L__J

Молекулы со средними
з начениями энергии

энергия на одну молекулу

-

В отличие от тем п е рат у ры как фактора уско рения
р еакции дейст ви е ф е рм е нтов высокоспе цифи чно. Каж ­

РИС. 3-13. Понижение энергии активации многократно увеличи­

д ый ф е рм е нт уско ряет, как пр ав ило , всего одну из н е­

вает вероятность прохождения реакции . В каждый отдельно взятый
Момент зремени совокупность идентичных молекул субстрата будет

скольких р еак ций , в которых мож е т у ч аствовать е го

иметь распределение эне ргий , изображенное на рисунке . Разброс
энергий вызван стол кновениями с окружающими молекулами , при ко­
торых молекулы субстрата меняют направление движения, вибрируют
и враща ются . Для вступления молекулы в химическую реакцию необхо­
димо, чтобы в какой-то момент ее энергия превзошла значение эне ргии
активации, ха рактерное для данной реакции (пунктирная линия) . Для

субст рат. За счет специфичности своего дейст вия фер ­
ме 1-r ты

н аправляют

различ ны е

мо лекул ы

ным метабол ическим путям (рис.

3- 14,

по

конкр ет­

Б и В). Благо­

даря ферм е нтам к летка прои з води т в е щ ества, котор ы е
ей дейс твит ел ьно нужны.

Процветание живых орга низ мов во всем многообразии
мож 1-JО отнести на сч ет многообраз ия ферментов. :Клетки

большинства реакций , идущих в клетке, этого почти никогда не про­

экишrрова.ны фе рм еюам и раз н ых типов со строго опреде­

исходит без ферментов в роли катализаторов. Даже при наличии фер­
ментативного катализа лишь небольшая часть субстрата (закрашенная
Красным) достигает состояния с достаточно высокой энергией, чтобы

ленными ха ракте ристиками. Каждый фе рмеш имеет ч етко

site) -

вступить в реакцию .

вмещаю щий молекулы субстрата (и , по идее, никакие дру-

заданн ую конформацию. В н ем есть аюпuвиый цеитр

(active

углубление или борозда на поверхности фе рм ента,

Свободная энергия и катализ

93


,iP"'"'

ферм"

.

Свободная энергия
молекулы У больше

свободной энергии
молекулы Х .

активны:~_
~
•- • _J_
центр

~

(субстрат)

комплекс фермента
с п родуктом реакции

\

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ

КАТАЛИЗ

ферментсубст р ат н ый

молекула А

Следовательно, ее

нарастает

РЕАКЦИЯ

молекула В
( п родукт)

Л G < О, и от нее

1беспорядок во Вселенной
v-x

БЛАГОПОЛУЧНАЯ

ком пл екс
эта реакция может идти самопроизвольно

РИС.

3-15 . Ферменты превращают субстраты в продукты , сами

при этом не меняясь . У каждого фермента имеется активный центр ,

связ ы ваю щий одну или две молекулы субстрата; в нем образуется фер ­
мент-субстратн ы й ком пл екс . Там же п ро и сходит реакция, и фермент
У реак ц ии х - У,

оказывается уже в компл ексе с п родуктом . П осле этого продукт уходит,

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ

предоставляя ферменту связать новые молекулы субстрата и повторить

ЛG

{

Н ЕБЛАГОПОЛУЧНАЯ

реакцию.

>

О , и от нее

В сел е нн ая ста н ови тся

более упо рядоченн о й

Р ЕАКЦИ Я
эта реакция может идти только

ги:е) ( РИС . 3.15). Как все катализаторы, ферменты покидают
ре акц ию в

неи:змененном

виде,

готовые

в паре с другой , энергетически

благополучной, реакцией

выпол~-1 ять свою

функцию вновь и вновь. Мы вернемся к обсуждению рабо­
ты ферментов в гл.

4,

после того как разберемся в особен-

1-юстях строения белковых молекул.

РИС .

3-16.

Энергетически выгодные реакции имеют отрицатель·

ное дG, тогда как энергетически невыгодные

-

положительное

дG . Энергетически вы годн ы е реакции н азывают экзергоническими, по­

тому что они сопровождаются выделением свободной энергии . Энер·

Осуществимость химической реакции зависит
от того, как меняется в ходе нее свободная энергия

гет ически нев ы годные реакции н азывают эндергоническими, поскольку

о н и нуждаются в притоке свободной энергии из окружающей среды.

Согласно второму закону термодинамики, химическая ре­
акцня может произойти лишь в том случае, если ее резуль­

тат приведет к суммарному увеличению э нтропии во Все ­
ленной (см . рис .

3-5). Энтропия В селе нной увеличивается

(то же, что « неупорядоченность во Всел е 1нюй усугубляет­

ся,> ), если энергия, которую можно было бы использовать
для совершения работы , ра ссеивается в виде тепла. По­
тенциал сис те мы по части нав едения неупоря до че нности

называется свободной энергией системы (обозначают

G,

читается ,щжи>,) ). Поскольку мы рассматриваем процессы,

речь фактически пойдет об изменении свободной энер­

гии, которое обозиа<1ают как Л G ( <<дельта джи >> ). Предста­
положительное

вим себе систему, состоящую из молекул. В этой системе
только

что

прошла хими<rеская.

р еакция,

ЛG

хар акте ри зую­

щаяся нек им з н ачени ем ЛG. O1-ю показ ыва ет, сколr,ко н е­
упорядоче,-тности создала да нная реа кция. Эиерzетически

выгодиым.и сч итают реакц ии, создаю щие неупорядо<1ен ­
~юсть за счет уменьшения свободной э 1-1 е рrии с и стем ы , в
кото рой они про ходят. Иными словами, у э не ргет ич ес ки

выгодных реак ций ЛG отрицательно ( РИС. 3-16).
РеаТ< ция может идти самопроизвольно только в том

энергетически неблагополучная
реакция Х ... у не пойдет, если ее

случае, есл и ЛG отрицательн о, что является при з наком
э нергет ич еск и выгод1-юй реа кции. В качестве аналогии

не спарить с энергетически

благополучной реакцией с- D,

можно привести поведение сжатой и отпущенной пруж и­

так что суммарное изменение

ны : р аспрямляя сь, она отдает э не ргию у пр угого механи­

свободной энергии двух реакций
будет отрицательным

ч еского сжатия окружающей среде в виде тепла. Самым
простым приме ром эне ргетич ески выгодной р еакции слу­

жит растворен и е соли в воде. Э 1-1 е рrетиУ ески нев ыгод ные

РИС .

реакции (с положительным ЛG) тоже возможны, но 01-1и

ные реакции тоже возможны . Энергетически невыгодная реакция

1ie могут идти

самопроизволь но. Если рассматрив ать их в

отрыве от окружающих процессо в, эне ргетическ и н ев 1, 1-

94

ГЛАВА 3. Э н е р гия , к атали з и био с интез

3- 17. За счет сопряжения реакций эн е ргетически невыгод ·

идет за счет энергетически выгодной , так что суммарное изменение

свободной энергии этой пары реакций отрицательно.


rо1111ые реакции увеличив ают во Вселенной упо ря доче н -

ВОПРОС3-3

1 юст ь (приме ром служит реак ция образова н ия п е птид ной

могут идти само прои звольно: каждая

А Вспомните коробку с монетами , аналогия химической peaк­
ци и с которой приводилась на с. 87. Реакция пе реворотов
8 мо н ет вве рх орл а ми (0) или ре ш ка ми (Р) оп ис ывается урав ­

э не ргет ически н е выгод ная реа кция долж на быть сопряже­

нением О +:! Р, где скоро с ть прям ой реа к ци и р а вня етс я скоро ст и о б­

свя зи между аминокислотами во время с интеза белка).

Таки е реакции

1-1

н а с д ругой реак ци ей, у которой отрицательное ЛС так ве­
J11що, что су мм ар 1-юе ЛС всего процесса тоже отрицател1,­

ное ( РИС. 3-17). За счет сопряжения э 1-1 е ргетически невы­
rод 1 1ых реак ций с э н е реет ическ и выгодными реа rщиями

фе рме нты создают и поддержива ют порядок в б иоло 1·иLrе­
ских системах. Только что изложен~1ые основ1-1 ы е понятия

представлены с прим ерами на ВКЛАДКЕ3-1 ( с.

96- 97).

Концентрации реагентов и конечных продуктов
влияют на изменение свободной энергии

и направление реакции

rl'

ратно й р еак ци и .
А . К а к и е з нач е ния и меют при этом дG и дG' ?
Б . Что соответствует температуре , пр и к оторой проте кает ре ак ция ?
Что с оотв етствует энергии активации реа к ции? Пр едполо ж им , у на с
есть « ферм е н т», которы й катал из ирует эту ре ак ци ю (мож но дат ь

е му н аз в а н и е , напр и мер с отрясаза) . К аки м будет эфф ект уч аст и я
с отрясазы и како й может бы т ь м еха ни ка ее уч астия в реа кции в р а м ­
ках да нно й ан алогии?

Л G • Оно н е зависит от конце нтраций молекул, уча ст ву ­
0

ющих в реак ции, а зав исит только от их собстве н ных ка­
честв. Показатель ЛG характеризует реакцию , проте каю­
0

Kar, было сказано выше, реакция У--+ Х самопроизвольно

щую в идеальных условиях, где конце нтрация каждой и з

Пойдет в дан1-юм направлении, если сопутствующее из­

участвующих молекул равняется

менение свобод ной энергии (ЛС) будет отрицательным

1 мол ь/л .

Для реакции У--+ Х измен ени е свободной э не ргии при

(подобно тому как распрямится сжатая пружи~-,а, отдавая

фиксирова,шой те мпе рату ре, наприм е р

запасенную э нергию в виде тепла окружающе й среде ).

ют по формуле

У химической реакции ЛС зав исит и от энергии, запасен ­

37 • с, рассчитыва­

[Х]

•

ЛG = ЛG + RТln [У ] ,

l'lой в ст руктуре мол екул , и от концентраций молекул в
Реакционной среде . Вспомним, ~по значение ЛG отражает
Успех реакции в наведении беспорядка

-

более хаотично­

где ЛG из м еряется в ккал на моль, [ У ] и [Х] обозначают

го и , следовател ьно, более вероятного состояния Вселен­

ко нцентрации в е ществ У и Х в моль/л, lл

Ноi1. Если мы возьм е м коробку, где 90 монет и з 100 л ежат

логар ифм, а

«орлами >> вверх, и встряхнем ее много раз , то окажется,

абсолютную температуру Т. Для

что многие монеты переверн улись с ~орла» на ~ решку >> .

как мы помним

Монет, перевернувшихся им енно с ~орла» на ~ решку»,

0 т<ажется

RT -

-

натураль ный

произведение газовой постоянной

37

·с

RT = 0,616.

R на

(Моль,

- это 6 х 10 23 молекул вещества.)

Существует огром:ньu1 объем экспериментальных данных

больше, LJ e м в таком же экспе рим е нте с короб­

по термодинамике, который позволяет рассчитать лс• для

l<ой, где 90 монет и з 100 лежат << решками» вве рх . Похожее

большинства метаболических реакций. Знаl.fения лс• неко­

Рассужд ние можно применить к обратимой химической
Реа1щии . Большой и зб ыток У по сравнению с Х будет
скло нять реакцию к направле нию У--+ Х из-за численно­
го перевеса молекул, со ве ршающи х п ереход У --+ Х, над
Мо11екулами, совершаю,.цими обратн ы й пе реход Х --+ У.

торых типовьL-х реакций приведены на вкладке

3-1 (с. 96- 97).

Клетки существуют в химически
неравновесном состоянии

Чем больше избыток У по сравнению с Х, тем отрицатель­

Из уравнения в пр еды ду 1цем разделе видно, что при рав­

Нее ЛС при п ереходе У--+ Х (и тем положительн ее ЛG при
Переходе Х--+ У).

ных моляр н ых коице нтрациях в е ществ Х и У , т. е. при

[ Х ] / [ У] =

ln1 = О).

Изменение стандартной свободной энергии

1, з 1fачения

ЛС и лс• равны между собой (вед ь

Предположим, эти знач.е ния отрицательны , и р е­

акция У--+ Х как энергетически в ы ,-одная пойдет сама со­

nозволяет сравнивать энергетику
Различных химических реакций

бой. Постепеюю концентрация продукта Х будет расти,

ГlосI<ольку ЛС реакции на какой-либо момент времени

ходио выгод н ое ЛС будет становиться все ме н ее отрица­

зависит от концентраций мол е r,ул в реакционной смеси,

тельным, пока не достигнет нуля (значени е нату ралъ1-tого

а концентрация субстрата У падать. Это и зме не ние от­
разится в увеличении соотношения [Х ] / [ У ] , так что ис­

сравнивать энерL·етич еску ю выгоду реющий нри помощи

логарифма

это j;j вел иLJИны н е особенно удобно . Но такое сравн е ни е

для чисел, меныпих

.rt и реак ция, эн ергетически в ыгод ная сама по себе, обла­
дать достат0Lf1-ю большим отрицательным ЛС, чтобы за­
одно шла и другая реакция, сама по себе эн е р ,-етич еск и не ­
въ~годная. Чтобы << вы ровнять игровое поле», выработать

стигнет равновесия. Это такое состояние реакциоююй си­

бывает 1-1 еобходи мо, наприм ер, чтобы предс казать, будет

базу для сравнения реакций между собой, необходимо

1n бол 1,ше

О для чи сел, больших

1, и м е н ьше

О

1).

ХимиL1еская реакция будет идти до тех пор, пока не до­

стемы, в котором скорости прямой и обратной реакций рав­
ны между собой, тю, что концентрации субстрата и продукта
перестают меняться ( РИС . 3-18). Для реакций в состоruши
химического равновесия ЛС

= О, реа~щия не сдвинется 1-1и

~rандартизироват1, из м е нение свободной эн е ргии . Cma1-t-

вперед, 1-rи 1-1 азад, и никакой работы за ее счет прод ла1-tо не

apт1-toe измеиение свободиой эиергии реакции обозначают

будет. А поддержани е порядка внутри клетки требует 1-~ епре-

Свободная энергия и катализ

95


ВКЛАДКАЗ-1

Свободная энерrия и биохимические реакции
ИЗМЕНЕНИЕ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ
Вкладка дает обзор представлений о свободной энергии с примера­

Изменение свободной э н е ргии , проис х одящ е е в х имической

ми, показывающими, как изменение свободной энергии определяет

реакции, обо з начают Л G ( « дельта дж и » , где Л о з начает ра з­

возможность протекания реакции и каким образом.

ность) . Таким обра з ом, для реакции :

Молекулы в живой клетке обладают энергией, поскольку они вибри­
руют,

вращаются

и

стремительно

движутся

сквозь

пространство,

также из - за большого з апаса этой сомой энергии в химических свя ­
зях между атомами , из которых они состоят.

Свободная энергия G {ккал/ моль) -

A+B - C+D

а

Л G = свободная энергия {С+ D) минус свободноя э нерги я (А+ В) .
Л G служит мерой беспорядка, вызванного реакцией сово ·

~

купно внутри клетки и в окруж ающей среде из- за выделения

ЛG -

очень полезная величина ; она показывает, насколько

реакция далека от равновесия . В клетке реакция

это энергия молекул, которая в

принципе может быть использована для совершения полезной работы
при постоянной температуре {что характерно для живой клетки). Энер­
гия также измеряется в джоулях ( 1 кал=

.4, 184 Дж) .

-

АдФ + Р;

-

обладает большим отрицательным Л G, потому
удерживает ее вдали от равновесия за счет непрекращающе­

гося производство свежих порций АТФ . Но если клетка умрет,

б ольшая часть ее АТФ гидролизуется, пока не будет достиг­
нуто равновесие {при котором скорости прямой и обратной

РЕАКЦИИ УВЕЛИЧИВАЮТ БЕСПОРЯДОК

реакций равны друг другу, а Л G = О).

Представьте себе химическую реакцию, идущую в изолированной
клетке с постоянным объемом и при постоянной температуре . Это ре­

акция может повышать беспорядок двумя способами .

1

Изменение энергии химических связей молекул , вступивших

Согласно второму закону термодинамики ,

в реакцию , может приводить к выделению тепло,

ность во Вселенной может только нарастать . Л G химической

т. е . к возмущению относительно упорядоченного состояния

окружаю®
щ,, ,,,..,.

клетка
2

реакции отрицательно, если в результате нее неупорядочен­

-

~

""'

ность во В с еленной нарастает.

Иными словами , у самопроизвольной химической

~

Л G должно быть отрицательным:

Gnродук1011

Реакция может нарушать порядок, заложенный в структуре
самих молекул, вступающих в реакцию . Так происходит,
например, при ра з вале длинной цепочки на отдельные звенья
или при разрыве связи, запрещавшей вращение частей
молекулы вокруг оси химической связи .

~

клет~

-0

рицательным изменением свободной энергии Л G, пущенная на са­
мотек, совсем не обя з ательно пойдет быстро . Для горения глюкозы
в кислороде :

С Н 2 OН

~/~-0""'9н
9 ?Н ~/ 9
но 9- 9 н
он

-

Gнсходн1оо<•ещеС1"1 = Л G < О

ПРИМЕР : Между 100 мл 1О мМ раствора сахаро з ы и 100 мл
раствора глюкозы с фруктозой , по 1О мМ каждой , ра з ность
свободных энергий составляет около 5,5 кал . Гидролиз са­
харозы на глюкозу и фрукто з у ( Л G = -5,5 кал) может идти
спонтанно .

Самопроизвольная реакция не значит « мгновенная », и реакция с от­

н

неупорядочен•

-----/

- 5 ,5 ка л

сахароза

•• • ••
•• • •
••
глюкоза+

фруктоза

ЛG

0

= - 686

Обратная реакция {глюкоза+ фрукто з а -

ккал / моль .

Но даже такая весьма энергетически выгодная реакция не пойдет, если

нет ферментов, ускоряющих процесс . Осуществляя катали з, фермент
увеличивает скорость реакции, никак не влияя но значение Л G •
0

са х ароза} име ·

ет Л G, равное +5,5 кал , и не может пройти спонтанно , а

с какой - нибудь другой реакцией, которая


Чтобы предсказывать х од реа кци и (ее напра вление и точку

Реакции могут быть сопряжены через хотя бы один общий про­

равновеси я ) , нужно з нать ее стандартное изменение свободной

межуточный продукт . В этом случае общее стандартное измене­

энергии ( Л G

ние свободной энергии будет просто суммой значений

0

) .

Оно соответствует Л G превращения

1 моль

ис ­

G 0 для

ходного вещества в продукт реакции при стандартных условия х

каждой из них. Энергетически невыгодную реакцию (с положи­

(все молекулы присутствуют в концентрациях 1 М при рН 7,0) .

тельным Л G ) может повлечь за собой другая реакция, с высоким

0

0

отрицательным з начением Л G •
Л G ' некоторы х реакций

ОТДЕЛЬНАЯ РЕАКЦИЯ

глюкозо- 1 -фосфат -+ гл юкозо - 6-фосфат
сахароза

АТФ

-+

глю коза

+ фрукто за

-+ АДФ + Р;

••

- 1,7 ккал / моль
- 5,5

ккал / моль

- 7 ,3

ккал/ моль

-

глюкоза

+

-

-

фруктоза

ЛG

0

= +5,5 ккал / моль

сахароза

ОБЩИЙ РЕЗУЛЬТАТ:

реакция не пойдет.

РЕАКЦИЯ СОПРЯЖЕНА

Между стандартным изменением свободной энергии реакции
0
ЛG и ее константой равновесия К существует строгая зависи­

-

глюко за

АТФ

+

+

-+

мость; они выражаются друг через друга . Обратимая реакция

+ 8

У -+ х

будет идти до тех пор, пока отношение концентраций [Х]/[У] не
станет равным К (обозначение вещества, заключенное в квадрат­
ные скобки, означает его концентрацию). В этой точке свободная

энергия системы достигает своего минимума .

глюкозо-1фосфат

АТФ

-+

АДФ

глюко зо -1 фосфат

+

0

-+ 8 8

фруктоза

АДФ

ЛG =

- 1,8

+ F'

ккал/моль

са ха роза

G = - 7,3 ккал / моль
0

Р

ОБЩИЙ РЕЗУЛЬТАТ: сахароза образуется в реакции,
идущей благодаря гидролизу АТФ .

самое ни зкое

свободная

зна ч е ни е

энер гия

·-

системы

свободной
э нергии

N

[У]

ЛG = 0

К

-

Гидролиз относится к числу реакций, наиболее распространен ­
ных в клетках ; при гидролизе ковалентные связи ра з рушаются за

счет добавления молекул воды . Л G

0

реакции гидролиза называ­

ют « энергией связи » (это не совсем корректно, зато практично).
гидролиз

l ,42109 10K

он+

= ] 0-лG• /1 ,•2

н

Про некоторые соединения с большим отрицательным Л G 0 ги ­

Например, реакция

дролиза, такие как ацетилфосфат и АТФ , говорят, что в них

есть « высокоэнергетические » связи (с « высокой энергией» гид­

о,глюкозо-1 - фосфат

ролиза).

G"
(кка л / моль)

глюкозо-6-фо с фат

имеет Л G 0 = - 1,7 4 ккал/ моль. Исходя из этого, рассчитывают
Константу равновесия
К=

-+

ацетат

+

АТФ

-+

АДФ

+

-7,3

глюк озо-6-фос фат

-+

глюкоза

+

-3,3

а цетил

Р;

- 10,3

1Qll ,74/ 1,42} = 1 Q ll ,23} = 17

Таким обра зом, реакция достигнет устойчивого состояния при
[глюкозо-6-фосфат]/[глюкозо-1-фосфат] = 17

(Обратите внимание : чтобы упростить запись, в уравнениях
реакций опущены молекулы воды . )


та будет постоянным . Это соотношен ие можно расссrитать;

РЕАКЦИЯ

е го называют 1юнстантой равновесия реакции (К) :

-

у

[Х]

К = [У] '

В это м пр и м ер е образо ва н ие Х э нергетич ески бл а гоп олучно.
Иными словами , ре а кция У--+ Х им еет отрицательно е ЛG , а реак­
ц и я Х--+У

-

полож ительно е л G . Н о из-за тепл о вы х флу ктуаци й

какое-то количество Х всегда будет п ре вращаться в У, и н а оборот.

где [Х] и [У] обозначают концентрации, соответствен но,
продукта и субстрата в состоянии равновесия. Это выраже­
ние относится к моменту, когда эффект соотношения кон­

центраций едва ~1 е превзошел эффект отрицательного ЛG' .
ДОПУСТИМ , НА СТАРТЕ У НАС РАВНОЕ КОЛИЧЕСТВО МОЛЕКУЛ Х И У

для каждой

отдел~но
взято и

молекулы

#
,

,

#,

-+

_
оо
У

Х

'

х

у

следовательно, соотношение

численностей молекул Х и У

будет увеличиваться

превращени е У в Х

О О будет происходить

Суммарное ЛG прямой и обратной реакций в тotn<e равно­
весия равно О, т. е. нет общего измен ения свободной эне р­

гии в системе, которое могло бы вызывать сдвиг равновесия
в каком-либо направлении (см. вкладку

часто

превра щение Х в У будет
происходить реже , та к как
та кое превращени е

[Х]

•

ЛG = ЛG + RT!o [У ]

требует особо сильны х

(как утверждается на с.

ме ж мол е кулярны х

37 ' С, где ЛG =

стол кнове ни й

3-1, с. 96- 97).

Таким образом, поскольку

Ои

95), в состоянии равновесия при
RT = 0,616, уравнение превращается в
[ Х]

•

ЛG = - 0,616 111 [ У]

ПОСТЕПЕННО и з быто к Х над У стан ет на столь ко большим , что
едва не н ач нет компен сировать редкость собы тий Х--+У. В этот
м ом е н т систем а до ст игнет х имиче ского равнове с ия

или

0

ЛG =

- 1,42 l ogК.

Переходя от натурального логарифма (lп) к более удобно­
му десятичному

(log), получаем
ЛG = - 1,42 log К.
0

Из этого выражения следует, что равновесное соотноше­

ние концеюраций Х и У ( оно же константа равновесия, К)
ПРИ РАВНОВЕСИИ число моле кул У, превра ща ющи хся в Х з а
секунду вре мени , в точности равня ется числу моле кул Х,

пр е вращающи хся в У за секунду вре мени . Та ким образом , обще го
изменения соотношения [концентраций] Х и У при равнов ес ии не
происходит. Пр и равнове сии ЛG равняется О .

РИС.

3-18.

Самопроизвольные реакции со временем приводят к

состоянию химического равновесия. При ра вн о в ес ии п ря мой и об­
рат ны й п ото к и пр ев р а ще н ий ком п е н с ируют дру г друга.

рывных энергетических инвестиций. Если в клетке все реак­

ТАБЛИЦА 3- 1. Взаимосвязь между стандартным изменением
свободной энергии , дG ' и константой равновесия
[Х]
Константа равновесия [У]

Свободная энергия Х минус
свободная энергия, ккал/моль

5

- 7,1

10

4

- 5,7

10

3

- 4,3

10

2

- 2,8

10

10

- 1,4
о

ции дости rли равиов ес ия, это означает, что клетка умерла.

Живые клетки уходят от равновесия , постоянно об ­

1,4

мениваясь веществом со средой обитания; они вбирают

2,8

в себя нужные молекулы и избавляются от отходов. В

4,3

сложной сети клеточного метаболизма мноеочислен н ы е

5,7

хи мически е р еакции поддерживаются в н е равнов ес ном

состоянии за счет оттока продуктов одной р еакции и их

прев раще ния в субстраты другой реакции. В клеточных

7,1
Зн ачения конста нт ра вновес ия были рассчитаны для простой хи ми ­

химических реакциях продукты и субстраты редко до ­

ч еско й реакции У ~ Х с использо ва н ие м равенства, при веде нного в

стигают концентраций, при которых ско рости прямой и

те ксте .

обратной реакций уравновешивают друг друга.

Значения дG' даны в ккал на моль при 37 'С . Как объясняется в тексте,
дG' предста вляет собой изменение свободной энергии в ста ндартных

Константа равновесия прямо пропорциональна дG'
Как мы уже говорили, при химич еском равновесии, когда

скорости прямой и обратной реакций равны между собой,
соотношение м ежду концентрациями продукта и субстра-

98

ГЛАВА З. Энергия, катализ и биосинтез

условиях (где все компоненты присутствуют в концентрациях 1 мол ь/л) .
И з таблицы видно , что при энергетически выгодном изменении с во ­

бодно й эне рги и в размере

- 4,3 ккал/моль для прев ра ще ния У ➔ Х при

ра внов есии будет в 1ООО раз больш е м ол екул Х, ч ем У.


диссоциация

0

зависит от собственных свойств мол е кул, ведь ЛG опре­

А

деляется исю1ючитсл1,но им и (ТАБЛ. 3-1) . Обратите внима ­
ние, что на каждые
из м 11яется. в

1,42

10 раз . Чем энергетически

=

скорость

ккал /моm, константа равновесия

А

В

константа скорости

диссоциации

выгодн ее реа1<ция

х концентрация

диссоциации

АВ

скорост ь диссоциации

исходно, тем больш е продукта накопится прежде , ч ем она

в

+

= k off (АВ]

достигнет равновесия.
ассоциа ция

В сложных реакциях константа равновесия зависит
от концентраций всех исходных веществ и продуктов

А

=

скорость

А

В

+

В

константа скорости х концентрация х концентра ция

ассоциации

ассоциации

А

скорость ассоциации

до сих пор мы обсуждали самые простые реаJ<ции, типа

В

= k on

[А] [В]

У - Х, в которых один субстрат превращается в один про­

ПРИ РАВНОВЕСИИ

дукт. А как можно описать ситуацию, где два исходных веще­

ства соединяются с образованием гrродуюа (А + В~ АВ)?

скорость ассоциации равна скорости диссоциации

Здесь продолжают действовать те же гrри1щипы, с той
л ищь разницей, что теперь константа равиовесия К зави­

[АВ]

сит от концентраций обоих субстратов и продукта:
К = [АВ)/ [ А][В).

Концентрации субстратов п еремножаются, потому что об­

=

k on [А] [В]

[А] [В]

РИС.

3-19.

k off [АВ]

= -k on = К =константа равновесия
k off

Энергия взаимодействий, которыми обеспечивается

связывание между молекулами, отражена в константе равнове­

разование продукта АВ зависит от встречи молекул А и В,
вероятность которой пропорционалъна произведению их
1
<01щентраций ([А) х [В]). Как и для реакций с одним суб ­
стратом, при 37 · с лс· = - 1,42 log К.

сия. Равновесие между молекулами А и В и комплексом АВ подцержи ­

Константа равновесия характеризует силу

для реакций , соответственно, ассоциации и диссоциации равняется

вается за счет баланса двух противоположно направленных реакций .
Чтобы осуществить взаимодействие, молекулы А и В должны столкнуть­

ся, поэтому скорость связывания будет пропорциональна произведе­
нию их ко нцентраций [А] х [В] . Соотношение констант скорости

Межмолекулярных взаимодействий

Представление об изменении свобощrой энергии приме­
I·f11мо не только к химическим реакциям, в которых одни
l<овалентные связи разрываются, а другие образуются. Из ­
менением свободной энергии характеризуются также ие­

k00 и k0 ff

конста н те равновесия К для данного взаимодействия . При наличии двух

взаимодействующих компонентов К зависит от кон центраци й обоих
субстратов, а также от ко нцентрации продукта . При этом К будет зави­
сеть от ЛG' в полном соответствии с табл .

3-1 . Чем боль ше К, тем крепче

связывание А с В .

Ковалентные взаимодействия между молекулами, за счет
которых они связьmаются друг с другом ( см. гл. 2, с. 67- 68).

Связываыие по типу нековалентных взаимодействий очеиь
важно для клетки. К иему относится соединение субстратов

Рассмотрим

с фермеюами, регуляторных белков с ДНК, белков с дру­

гими белками в несметном числе структурных и функцио­
налы-rых белковых комплексов.
Если ЛG взаимодействия двух молекул будет отри­
Цателъиым, они свяжутся друг с другом. Иными словами,
две молекулы образуют комплекс, если свободная эиергия
эт

1ООО

молекул А и

1ООО

молекул

В в эукариотической клетке. И х концентрации
9

при этом будут около 10- М .

Если константа равновесия

уравнения А+ В

(KJ

для

АВ равна 1О 1 , при

равновесии в клетке окажется

730

ого комплекса будет меньше сумм ы свободных энергий

Г!артн:еров, свободных друг от друга. Константа равнове­
С\1я К зависит толъко от ЛG 0 ; при аековалентном взаимо­

А

В

АВ

молекул

молекул

комплексов

Если константа равновесия упадет до 10 8,

действии К служит показателем силы связывания между
дфвумя молекулами. По этой силе обычно судят о специ -

что соответствует потере энергии связывания

2,8

ккал/моль , или устранению двух-трех

водородных связей, получится

J1trности взаимодействия.

М: Рассмотрим реакцию, изображенную на РИС. 3-19.

85

оле1<ула А взаимодействует с молекулой В, и они обра­

зуlот комплекс АВ. Реакция будет идти до тех пор, пока
: достигн ет равновесия, при котором частота событий

А

В

АВ

молекул

молекул

комплексов

социации будет в точности равна частоте событий дис­

соци

ации. Концеитрации А, В и АВ, измеренные в точке

Равновесия, могут быть использованы для определения
Константы равновесия.
Чем больше энергия связывания (т. е. количество
энергии, высвобождаемой благодаря взаимодействию),

РИС.

3-20.

Небольшие изменения в числе слабых связей могут

критически повлиять на успех взаимодействия молекул. Приве­

денный пример иллюстрирует эффект наличия или отсутствия несколь­
ких сл абых нековалентных связей в биологическом контексте.

Свободная энергия и катализ

99


тем больше К. Высокие значения К свидетельствуют о

(А)

(Б)

сильном падении свободной э 1-1.е ргии при переходе м еж ­

-.....

д у диссоциированным и ассо цииров анным состояниями

мол екул и прочности образуе мого ими комш, екса. Если
хоть немного из менить характер связывания

( н апример,

убрать или добавить нескол ько нековалеитных связей),
это может силънейшим образом повл иять на результат. В

примере, изображенном на РИС. 3-20, ослабление взаимо ­
действия на

2- 3 водородные связи

привело к непрочному

у

у

точка равновесия для отдельно

связыванию между моле кулами и критич ескому сниже­

идущей реакции Х

-

.-

точка равновесия для отдельно

У

идущей реакции У -

Х

нию концентрации компл екса в условиях равнов есия.

(В)

Для последовательных реакций

изменения свободной энергии суммируются
Вернемся к вопросу, которым мы уже задавалисъ: кю< фер­

у

х

м е нтам удается катал из ировать энергети ч ески 1-1ев ытодны е

реакции? Один из вариантов

-

....-

прямое сопряжение с э нер­

гетически выгодными реакциями. Рассмотрим две реак ции,
точка равновесия для реакций х- У

Х--+ У и У--+

- Z

Z, для которых стандартные из менения свобод­
ной энергии равняются, соответственно, +5 и - 13 ккал/моль
(как мы помним, моль - это 6 х 10 2э молекул вещества).
Энергетически невыгодная реакция Х --+ У не пойдет само­
произвольно. Но ее может подцержат ,, вторая реакция, У --+
Z, если она последует за Х --+ У. Общее изм енение свобод ной

лекул

энергии в составной реакции равняется сумме изменений

бол ее ни зкой э н е рги ей , чем У. (В) Если со пря чь эти две реакции, почти

свободной энергии по всем этапам . В данном случае су ммар0

1-юе ЛG равняется

- 8 ккал/моль;

получаем энергетически

выгодный сегмент метаболическо го пути.

РИС.

3-21 . Энергетически невыгодная реакция может идти за счет

другой реакции, действующей как химический насос с затвором .

(А) При рав новесии молекул Х в два раза больше, чем молекул У, потому
что Х обладают бол ее ни зкой энергией, чем У. (Б) При равновесии мо ­

Z в 25 ра з больш е,

чем молекул У, потому что

Z обладают гораздо

Z. С точки зрения энергетики,
Z настолько отри цательна, что при сопряжении с реак ·

все мол екул ы Х пр евратятся в мол екулы

дG' реакции У ➔

цией Х ➔ У она понижает дGХ ➔ У(потому что дG , изменение свободной

Таким образом, клетки могут производить энергетич е­
ски нев ыгодные преобраз овани я веществ, ставя в качестве

энер гии , Х ➔ У п онижается п о мере уменьшения отно ш ения ко нцентра­
ци и У к кон центрации Х) .

~паровоза~ э нергетически выгодные преобраз ования ве­

ществ . Те и другие требуют участия соответствующих фер­
ментов, которые, таким образом, работюот сопряженно.

способы со пряжения реакций, тоже с обязатель ным участи­

В нашем примере реакция Х--+ У n одцерживается реакци ­

ем фе рм ентов. Оч енъ многие реакции требуют привлечения

ей У

которая забирает У, не дает ему накапливаться,

активи рованных молекул-nереиосчи1<ов, которые занимают­

так что в р еакцию, далекую от равнов ес ия, вступают все

ся Liелночным перемеще нием энергии между сай тами реак­

новы е порции Х (РИС. 3-21 ) . Например, некоторые р еа к ­

ций. Чтобы лучше представить себе работу этих систем, сна­

ции катаболического п ути превращения сах а ров в СО 2

чала посмотрим, как ферм ент встречается с субстратом и как

--+ Z,

и Н 2 O являются эн ергетическими нев ыгодными. Тем н е

можно изм ерить результат работы ферме нта.

м е нее в есь проц есс ступ еtrчатого окисления саха р ов ид ет

очень эффективно, потому что общее ЛG последователь­
0

ности реак ций ух одит далеко в мииус.

Осуществление последовательности реакций

-

эффек­

Быстрая диффузия позволяет ферментам

взаимодействовать с субстратами

тивное средство преодоления энергетических @озвышенно­

В кл етке при сутствуют сравнительно малые количества

стей ~ в метаболическ их путях. Но такое решение проблемы
требуется всего одна реа1<ция Х--+ У без посл еду ющего ,тре­

фе рм ентов и субстратов. Тем не менее каждая гигантская
мол екула фермента улавл11Вает и обрабатывает в среднем
тысячу моле кул субстрата в се кунду. На расставание с про­

вращения У в другой продукr. Для этого существуют другие

дуктом р еакции и связывани е новой мол екулы субстрата

годится далеко не во всех ситуациях. Оч ен ь часто кл етке

ф ермент тратит дол и милли секу нды . Как мол е кулам вну­
ВОПРОС

три клетки удается так б ы стро находить друг друга?

3-4

А Для реакци й, изображенных на рис. 3-21 , нарисуйте энерге ­
тическую диаграмму по образцу рис . 3-12 для двух реакций в

rl'

8

отдельности и для суммарной реакции. На своем рисун ке ука­

Быстрое связывание возможно потому, что на молеку­
ля рном уровне движение происходит с огромной с коро ­

стыо. Обладая тепловой энергией, молекулы постоянно пе­

жите стандартные изменения свободной энергии для реакций Х ➔ У,

ремещаются и ОL1ень эффективно обегают внутрею-rее про­

У➔

странство клетки

Zи

Х ➔

Z.

Укажите возможные изменения энергетической диа ­

граммы под влиянием ферментов, катализирующих эти реакции .

-

просто за счет хаотичных переме щений

в процессе диффузии. Из-за диффуз ни каждая молекула
ежесекундно встречает огромное число других молекул. По

100

ГЛАВА

3. Энергия, катализ и биосинтез


м е р е то го как м оле 1<ул ы стал1<ив а ются и отскак и вают д руг

от дру га, отдельно взятая мол екул а будет д виr·аться с н ачала
в одном направле нии , з ате м е го по м еняет и т. д. Трае ктория

м олекул ы в ж идкости носит характер случайиыхблужда~-tuй

( РИС. 3-22). С р д н ее расстояние, про йденное молекуло й от
н схол ной точки (как в зада ч е про ворону, пе релетающую с

м еста н а м есто) , будет пропорци о н ал ь н о кор н ю квадратно­

1 мкм у
2 м км будет потра чено 4 с,

му от потрач енного вре м е ни. Е сл и на преодоле н н е

молекул ы уход ит секу н да, то н а

на

10

мкм

- 100

с и т. д. , то есть диффуз ия хорошо рабо ­

тает ка 1< способ пе р м еще ни я л ишь н а о чень коротк ие рас­

100

нм

стояния. Для б ыстрого п ерем е ще 1-1ия молекул н а боль ши е
Расстояния клетке следует пол агаться на более активные и

РИС.

н аправле нные с пособы траи с п о рт ировки

н а про цессы, в

бли з ительн о соответствует мас штабу. П оказа ны только макромолекулы :

Вн утре нн ее пространство клетк и просто ~ кишит,> м о­

други е мак ром оле кулы диффундируют в цитоплаз м е относ ительно мед­

Ле1<улами ( РИС. 3-23) . Малые орга н ические молекул ы д иф­

ле нно , отчасти и з-за того , что они вза имодействуют со многими други ­

-

которы х н еизбеж 11 ы затраты э н ергии .

3-23.

голубые

В цитоплазме клетки полн о раз н ых м ол екул. Ри с . при­

РН К , зеленые

-

ри босо мы и красные

-

бел к и . Ферм е нты и

-

фу~-щируют сквоз ь ц итозоль, который н абит м олекулами

ми ма кро моле кул а ми . В отличи е от них малы е молекулы диффундируют

до состояни я геля. Тем не мен ее они проходят сквозь него

б ы стро

почти так же б ыстро, 1<ак сквозь воду (это б ыло показано

- почти так же б ы стро , как в воде. ( С р аз ре ш е ния Elsevier
D.S. Goodsell, Trends Biochem. Sci. 16:203-206, 1991 .)

из:

в экс п ериментах с введе ни ем в 1<летку флуоресцентных
красителей и дру ги х м е ченых моле кул) . За счет д иффузии

малая о рr·а~-1. ич еская молекула, субстрат какого- нибуд ь фе р­
м ента, за пяту ю дол ю секунды п роходит в средн ем

10

м км

примере. Не которые обильные субстраты при сутствуют в
клетке в ко нцеитра.ции

0,5 мМ . Ко1щентрация воды в воде
55 М. Таким об разом, на кажды е 105 молекул вод ы

от исходной точки. Для быстрых мал ых моле 1<ул диффузия

равняется

явл я ется эффективным способом перед вижения по клетке .

приходится од н а молекула субстрата. Тем не менее при этом

Ферменты, с их гигантскими размерами , диффундиру­
ют го раздо медлен нее. Бывает, что ферме нты сп ециал ьно
Удерживаются на од ном месте, есл и это нужно для их взаи­
м одействия с дру гими бел ка ми . Удержа н:ие осуществля ется
специ аль ными бел 1<а.ми с о п ор н о й фу~пщией - это клеточ­

аr<тив ньл1 центр каждо й мол екулы ферме нта подвергается

ная армату ра, которая с 1<р п ля ет и удерж~,шает группы взаи­
м.одействующи х молекул , определенн ым образом л окализуя
м.~-югие белковы е ко мпл е ксы . Но даже физически не при­
вязанные к одному месту фер ме нты перед вигаются гораздо
М. едленнее малых молекул . Будем Сlfитать, LfTO они вообще
11
· еп одви жны. Тогда LJастота встреч молекулы фермента со
своим н и зкомоJ1 екулярным субстратом будет за.ви сеть от
1 01
< ·ще 11 тра.Lrии субстрата. Проведем расчет на ко ш<ретном

1обстрелу,> субстратом с частотой о коло

500 ООО случ айных

стотшовений в секунду. При десятихратном пони жении

концентрации субстрата частота столю-ювений уменьшается
до

50 ООО

в се куиду, и т. д. Контакт поверхности ферм ента с

пове рхностью субстрата в вы соком проценте случ ае в н е­
зам едлител 1, 1ю ведет к образованию каталитического фер­

мент-субстратного ком плекса. В условиях существующего
комплекса реакция может пройти оч е ~гь б ыстро. Если при ­
нять во в 11имание стремительность движе ния молекул и бы ­

строту химических пре враrцений в фе рм ент-субстратном
компл е ксе, регистрируемы е скорости фе р м ен татив ного ка­
тали за не кажутся с ве рхъестественными .

Когда субстрат стал кивается с ферментом в пра вилъ­
ной орие нтащш и закр епляется в е го акт ивном це нтр е , о н

образует многоlrисленны е сл абые с вязи, котор ы е будут

ВОПРОС

3-5

А Карбоангидраза - один из самых быстрых ферментов . Она

rl' катализирует превраще ни е СО 2 в НСО 3 :

•

• •
про йде нное
ра сс тояни е

РИс. 3-22. Молекула перемещается по клетке путем случайных
611
У)l(Даний. Молекулы в растворе движутся случайным образом из-за
Непрестанных столкновений с другими молекулами . В результате малые
Молекулы быстро перемещаются за счет диффузии между разными ча­

сrя ми клетки .

СО2 t Н2О ? НСОз t н·.

Быстро е превращение га з а СО 2 в ион бикарбоната НСО 3 , к оторый
гораздо лучше ра створяется в воде , оч ень ва ж но для эффе кт ивного

выведения СО 2 и з тканей , где он образуется при клеточном дыха­
нии , в лег к ие , где он выводится и з организма в атмосферу. Кар­

боан гидраза ускоряет реакцию в 107 раз . Работая с максимальной

скоростью , фермент обрабаты вает 105 молекул СO 2 в секунду. Как
вы думаете, че м лимитирована скорость работы этого фермента ?
Нарису й те диаграмму по аналогии с рис.

3-13

и отметьте ее осо ­

бенности , отражающи е чрезвычайно большой (10 7) коэффициент
ус к орения р еа к ции этим ферм е нтом .

Свобод ная энергия н катал нз

1О 1


Vmax

де р жать ся до тех п о р , п ока и х н е р а з о рв ет хаот и ческо е те ­

пловое движе н ие . К слаб ым связям отн ося т водо родны е
связ и ,

а

также

элект р остат ич ески

вза и модейств и я (см . гл.

2).

и

ва н д

s
s

р ваа11 ьсо 1:1ы

::r

Чем кре пч е связ ыва ни е мол е ­

""
(1]

ф

кул фе рм е нта и субстрата, тем доль ше они удержи ваются

5:" ½ Vmax
ti

вм есте. Если пове рх н ости д вух слу ч а й н о столюrу вши хся

мол екул н с подходя т для вз а им одейств и я, м ежду

о

1-1нми об ­

а.

~

разует ся так мало нековалент 11 ых связ е й, LJТO су ммарная

(.)

э не рг и я эти х свя зей пренебреж имо м ала по сравнению
Км

с э н е рги ей те пл ового д ви же 1-1 и я . Тогда они диссоцииру­

ют с разу же п осле то го , ка к со ш л и сь ( см. рис .
пр едотвр а ща ются не пр а ви ль ны е

2-32).

Так

и н ежела тел ы-1 ы е св яз и

м ежду моле к улам и , не п одх одя щ и ми д ру г д р у гу, н априм е р

м ежду фе рментом и @е е го ~ субст рато м .

РИС.

3-24.

ко нцентра ци я субстрата

-

Эффективность фермента определяется тем , насколь ·

ко быстро он способен обрабатывать субстрат. С корость фе рме н та­
тивной реак ции

(V)

возрастает с увел иче н ием кон центра ции субстрата

до тех пор , п ока н е будет достигнута максимальная с корость

(Vm.,). В

этой точ ке все сайты связывания субстрата в а ктив ны х центрах моле кул

Vmax и Км служат мерой быстродействия ферментов

Чтобы осу щест вить катализ, ферм ент должен связать свой
субстрат. После этого субстрат во вле кается в реак цию и
пр евр а щ ается в п р одукт, кото рый н а ка кое- то в р е мя сох ра­

няет связь с фе рм енто м . В конце ко нцов проду кт выс во ­

бождается и д иффунди рует прочь, в ы с вобождая фе рм ент
дл я связ ыва ния другой м оле кул ы субст рата и следующе го
а кта катал иза ( см . рис.

3- 15). Дл ител ьность

ф ерме нта уже п олн остью заня ты , так что ско рость реак ции ог ра нич и ­
вается только тем п а ми са м о го каталити ч еско го процесса п ре в ра щени я

с убстрата в п р одукт, иду щего н а п о в е р х ности фе р ме нта . Ко нце нтр а ци я
субстрата, при кото ро й ско рость реак ции дости гает п ол ови н ы макси ­
мал ьн ой , обозна ч аетс я как Км . Для больш и н ства ф е р ментов Км п рямо
по к аз ы вает, н ас кол ь ко п рочно фермент связывает сво й субстрат (высо­
к и е зна ч е н и я Км говорят о слабом связывании) .

этих этапов у

разн ых фе рме нтов разл ич ается; ее можн о из мерять, сме ­

сти

шивая о чище нные фе рм е н т ы и субст раты в с пеци ал ь но

скол ько к репко фер ме нт с вя з ы вает свой субстрат: ииз 1< ие

подобранны х условиях.

з наче ния Км гово рят о с иль но м, а высокие

Если постепенно увеличивать конце н трацию субстрата,

(0,5 V.,"',; РИС. 3-24).

Как прав и ло, Км п оказывает, н а ­

-

о слабом

свя з ыва нии. Вопрос ы , каса ю щ и еся измере ния параметров

начиная с оч ен ь низких знач ений , конце н трация фер мент­

с вя з ыв ания , и и спол ьзов ани е получениых з н ани й в м оде­

субстрат1-юrо комплекса

лиро ва н ии биох имически х превраще ний обсуждаются в

проду кта

-

-

а значит, скорость об разо вания

в н ачале в оз растает л и~r е йн о, прямо про порци о­

налы-ю конце нтрации субстрата. По м ере тщо как все бол ь­
шая часть молекул фермента оказ ы вается занятой субстра ­

разделе ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ ( с .

103- 105).

Оч е нь важн о н е забывать о то м , что, есл и фе рм ен т
( вообще, л юбой катал и затор) понижает э н е р ги ю акт и ва­

том, увеличени е скорости образо вания продукта зам едл я­

ц ии для реа кции У ---+ Х, о н ров н о н а столь ко же п о ни жа ­

ется. При очень высокой ко нцентрации субстрата скорость

ет э н е рги ю акти вации для об рашой реакции Х ---+ У ( см.

образования продукта достигает м а ксимального з начения,

ри с.

обозн ачаем ого как V,щix· При этом акти в ные це нтры всех м о­

ко в ое чи сло р аз, ферм е 1-1 т н икак не влия ет на равновесное

л екул ферм е нта в образце пошюстыо заняты субстратом, а

соотноше ние кон це нтраци й п роду кта и субстрата, и л с•
р еак ции остается не и з м е 1-11-ю й ( РИС. 3-25).

скорост 1, об разо ваt1ия продукта зависит тол ько от того, на­

3- 12). Ус ко ря я пряму ю и обрашу ю реакции в один а­

сколъ ко б ы стро молекула субстрата может быть обработана

ферментом

-

от так называем о т максимального числа обо­

ротов. Для мr-югих ферментов чи сло оборото в составля ет
п о ряд ка ты сяч.и молекул в секунду, хотя ре гистрировал ис ь

з наче ния от

1 до 10

ООО [максимал ы-юе число оборото в 1-1е­

кото рых форм карбоангидразы достигает соте 1-1 тысяч , а ка­
талазы

-

миллио нов в секунду.

-

Прим. ред.] .

Конце н т рацию субстрата, 1-1 еобход имую для эффе к­
тивной работы фе рм е н та, п ринято характеризовать кон ­

стантой Ми х аэлиса (Км, по им е ни би охимика , который

х

у

(А) РЕАКЦИЯ В РАВНОВЕСИИ

(БЕЗ КАТАЛИЗАТОРА)

х

у

(Б) РЕАКЦИЯ В РАВНОВЕСИИ
(С УЧАСТИЕМ ФЕРМЕНТА)

выв ел эту закон о м ерность) . Км ферм е нта соответствует
такому з н ач ению ко нце нтра ции субстрата, при котором

РИС.

фе рм ент работает н а л ол овии у от макси мал ьно й с коро -

ций. Ка к и вс е катал изатор ы , ферме н ты одинако во ускоряют и пр я м ую ,

3-25.

Ферменты не могут сдвигать точки равновесия реак·

и обратную реакци и . Таким образом , и п ри катализе {А) , и при его отсут·
ВОПРОСЗ-6

А В клетках оди н хорошо изученны й ферме нт ускоряет реакцию
~ А --+ В . Но открыли его как фермент, ускорявши й противопо-

8

102

ложно направленную реакцию , В А . Объясните этот парадокс .

ГЛАВА 3. Энергия, катализ и биосинтез

ствии { Б ) ч исл о мол екул , претерпевающи х п р е в ра щение Х --+ У, равняет­
ся числ у м оле кул , п ретер п евающи х п р евра щение У

.....

Х (в изображе н ·

н ы х условиях, ко гда молекул Х в 3,5 раза боль ш е , чем мол е кул У) . Ин ыми

словами , и с катал изом , и без него реак ция со временем достигает точ ­
ки рав н овес и я , у которой одни и те же хара кте ристики .


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КИНЕТИКИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

МЕТА&ОЛИЧЕСКИХ ПУТЕЙ И МАНИПУЛЯЦИЙ С НИМИ
На первый взгляд может показаться , что метаболические

позволяет понять, как можно использоватъ фер м енты для

пути, которыми располагает клетка, уже очень хорош о

осуществления тех или иных нужных реакций.

изучены и занесены в карты , где у каждой реакции есть

свое гара1пированное место: субстрат Х превращается в
Продукт У, который передается ферменту
кому -то понадобилось

Z и т.

Скорость

п. Для чего

TOLJHO з нать , насколько крепко свя­

Чтобы понять , как работает фермент, нужно снаLJала опре­

зъrв ается субстрат с конкретным ферментом? Какая раз­

делить максимальную ско ро сть р еакции, которую он уско­

ница, скол ы<о молекул проходит через фермент за секун­

ряет

ду

вателыrо

- 1000 или всего 100?

( V,,ia,)- Для

этого берется серия пробирок с последо ­

увеличивающейся

концентрацией

субстрата:

В действитель ности проработанные метаболические

скорость реакции в этой серии должна также последова­

I<арты всего ли шь показывают, какие из имеющихся м ета­

тельно увеличивап,ся, пока в одной из пробирок реакция

болических путей может исполт,зовать клетка при перера­
ботке питательных веществ в малые молекулы, расходуе­

не достигнет своей

V,11"x и не останется на этом уровне во
всех последующих пробирках. Скоростъ реакции можно

мую эне ргию и новые строительны е блоки. Просто глядя на
Т<арту, нельзя точно сказать, какими путями воспользуется
I<Летка, если начнет голодать, или если ее хорошо кормить,
l<огда ей не хватает кислорода, или когда она собирается
поделиться. В сложных случаях, которые тю- 1-rастоящему
l1нтересны, неизбежно приходится опускаться до уровня
отдельных ферментов. Изучение 1eu1temu1<,u фермента С1<оль быстро он работает, как обращается с субстратом,
как регулируется его активность - позволяет предсказать,

измеритъ через оценку потребления субстрата либо нако ­
пления продукта. Во многих случаях появление продукта

или исчезновение субстрата можно регистрироватъ непо­
средственно при помощи спе ктрофотометра. Этот прибор

выявляет наличие молекул, избирателыю поглощающих
свет определенной дли ны волны. Например, НАД-Н (чи­

тается « над-аш ,> ) поглощает свет с длиной волны

·rасколъко ус п ешно он будет действовать в конкретных си­
туациях и как при этом будет соотноситься ero активность
с активностью других ферментов в сети метаболизма. Зна­
ние I< инетики ферментов не только способствует развитию

ции образования НАД-Н (восстановления НАД+) можно
на основании последовательных из мерений поглощения

света реакционной смесью при помощи сп ектрофотом е­

тра, настроенного на длину воJшы

Фундаментальных представлений о биологии клетки, ио и

6666 i
увеличиваю щаяся

[S] -

о

а.

(В)
(О

а.

1-

'?

§

~

u ::t:
"' \О
:s:
u
>,::;
<J: u -ro
ci: ..а
о

::t:

§
~ ~
:s:

i!!(О i§

3-26.

"'

::;

,:
:s:

6

::;

к

1/ V = ___м_ (1/[S]) + 1/Vmax
vmax

-1/Км

с::

[S]
РИС.

::;

VmaiS]
v= - - Км+ [S]

:r ф ~
~ а.
1 Ь
::,.

104

(О

1- ...

u

340 нм .
Продолже1-tuе иа с.

(Б)
..а

нм,

Строить кривые изменения концентраций веществ в реак­

1

(А)

340

тогда как его 01шсленная форма, НАД +, свет не поглощает.

1/[S] (мкм- 1 )

(мк М )

Графическое представление значений скорости ферментативной реакции для

определения

Vma, и Км , (А) Серия п робирок с увел и ч ивающейся кон центра цией субстрата, на которой

проводя т замеры скорости реакции сразу п осле добавления фермента . (Б) Н ача л ьные скорости ре­

акций

(v)

нанесены на плоскость п ротив соответствующих значений концентра ции субстрата

[S]. О ни

ложатся на кривую, которая описывается уравнением у = ах/(Ь+х) . В терминах химической кинетики это

уравнение выглядит как уравнение , где

Vmax является асимптотой (значе н ием у дл я бесконе ч но бол ь ш их

значений х), а Км численно равняется концентрации субстрата, п ри которой

Vmax· Оно известно как уравнение Михаэлиса -Ментен ,

v составл яет

п ол овину от

назван н ое в честь биохимиков, которые его вы­

вел и. (В) Кривая , п остроенная в обратных величинах (зависимость

1/v от 1/ [S] ). Кри вая соответствует
1/ v = (Kм/ Vma, )(1 /( S]) + 1/ Vma, и представляет собой п рямую линию. П ри 1/ (S] = О в точке ,
где эта прямая пересекает ось у, значение (1/v) соответствует 1/ Vma,· П ри 1/v = О значение х равняется

уравнению

- 1 /Км . Графическое представление данных в обратных величинах позволяет более точно рассчитать

Vmax и

Км . Для удобства переменные обозначены строчными буквами (скорость реакции ,

обозначены прописными буквами (максимальная скорость,

v) , константы

Vm.,)-

Свободная э нер гия и к атализ

103


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КИНЕТИКИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

МЕТА&ОЛИЧЕСКИХ ПУТЕЙ ... (продолжение)
Чтобы определить

V11111,

ферментативной реакции, не­

обходимо по11готови1ъ се рию пробирок с различными
концентрациями субстрата. В каждую пробирку добавля­
ют ощю и то же количество фермента и измеряют скорость

poi1

реа1щия идет с половиной максимальной ско рости).

Полу ч енные з н ач е ни я обратных величин п ересчитыва­
ют в з н ачения

vll\a X и Км,
Подоб11ыми расчетами биохимики пользуются для

реакц ии по употреблению субстрата или но образованию

определения

продукта (в микромолях за минуту). Естествею-ю, ло ходу

р еакций , катализируемых ферм нтами.

кинетических

характеристик

В

различных

1-1аши дни

времени эксп еримента скорость реакции в каждой про ­

компыотерные программы обрабатывают дан ны е и вы­

бирке будет снижаться, так LIТ0 учитывать нужно измере­

дают искомые з 1-1аLJ е 11ия автоматически. Правда, некото­

ния, сделанные в самом аачале. По результатам измере1шй

рые реа 1щии прои сходят так быстро, что без сгrециаль­

строят кривую зависимости Vот ко1-щентрации субстрата ,

ного оборудования н евозможно измерить их скорость:

как показано на РИС.

субстрат полностью исчезает за тысячные доли секун­

3-26.

Опр еделить точное з нач ение

V111 . ,

по это му графику

/\Ы. На РИС. З-27 изображе11 прибор , который помогает

зат рудиитель но , на нем можно лишь приблизитеm,но

фиксировать

отметить точку выхода скорости реакции на п лато . Что­

фермента с субст рата 1.

события

первых

миллисекунд

встречи

бы р е шить эту пробл ему, полученные даю1ые пересчи­
тывают в обратные величины, инвертированные отно­
сителы-ю

1,

и ст роят кривую по реципрокной шкал е. По

Контроль

оси у откладывают величину, обратную ско рости реак­

Субстрат

ции

обратную концентрации

сит, насколько быстро и эффективно работает фермент.

В). Такой график имеет

Для мно1·их ферментов к таrщм веществам относятся

(1 / V), по оси х - величину,
субстрата (1 / [S]; см. ри с. 3-26,

-

не е11инственная молекула, от которой зави­

форму прямой . Значение у в точке пересечения этой ли­

продукты реак ции, различные инги биторы, токсины, а

нии с осыо у (там, rде

также молекул ы, имитирующие субстрат, и некоторые

1/ [S]

стремится к О, т. е.

дит в бесконечностr,) соответствует

V111 ax,

[S]

ухо­

а значение х в

точке п е р есечения этой л инии с осыох равняется - 1 /Км

другие малые молекулы; в

их присутствии активность

фермеюов может ловышатъся ли бо понижаться. При

(потому что зеркально е отображение этой точки отно­

помощи регуляции работы фе рментов клетка может кон­

сителъ но оси ординат будет соответствовать величи н е,

тролировать время на сту пл ения и реальную с коро стъ раз­

обратной значеии ю 1<0 1ще 1прации субстрата, гrри кота-

личных реакций. М еханизмы регуляции будут доволь но

подробно рассмотрены в гл.

4.

Раскрытие механизма

работы ингибитора часто оказывается эквивалентным
устаиовлению способа регуляции метаболического пути
источник света

и может указать с по соб преодоления соотв тствующеrо
~ ко1пролыю 1~0 пуш<та,> в метаболизме за счет тщательно
подобра нных мутаций в ко~1кретных

re1-iax.

Влияиие иm·ибитора на акти 1нt0стъ фермента отсле­

фермент

живают ло тому же принципу, что и саму активность. В
любом случае с начала строят кривую зависимости ско­

рости реакции от концентрации субстрата для фермен­
та в отсутствие ингибиторов. Дополнительные крио 1,1е
ст роят для р еакций с вr<люченным в реакционную смесь

субстрат

ингибитором. По кривым, 1t0строенным с ингибитором 1,r
без него, можно судить о механизме замедле ния активно­
детектор

сти фермента. Некоторые и1irибиторы связываются с тем
же сайтом ферме1па, что и субстрат. Это конку ре нтны е

Аппарат «остановленного потока », используемый для

ю-1 rибиторы; они ограшNивюот доступ к ферменту за

наблюдения за ходом реакции в первые миллисекунды после ее

CLJ eт и е посредствсн11ой конкуренции с субстратом. Такие

РИС .

3-27.

начала . В лабораторной установке , чертеж которой здесь п редставлен ,

ингибиторы гrохожи н.а субст рат до таточно силь но для

фермент и субстрат быстро инъецируются двумя шприцами в одну каме­

то1·0, Lrтобы фермент их принял, и отлиlrаются от субстра­

ру. Их встреча происходит в стремительном потоке жидкости, скорость

та достаточ но сил ы-ю для то 1·0, чтобы н е бытъ превращен­

которого может достигать ООО см/с. Затем они попадают в другую труб­

ными в продукт. Блокирование активности ф е рм е нта

ку, где минуют детектор , регистрирую щий появление продукта. Если де­

конкурентным ингибитором можно преодолеть боль111им избытком субстрата (чтобы ферменту гораздо чаще
встречался субстрат, чем ингибитор). Из кинетики видно,

1

тектор находится в сантиметре от места встречи продукта и субстрата,
он фиксирует результат реакции, начав ш ейся миллисекундами раньше .

104

ГЛАВА 3 . Э нергия , к атали з и б и о си нтез


(А )

фермент

конкурентный

ингибито р

"1- у
1@
неактив н ый

ферме н т

Дизайн

(Б)

Зная кинетику реакции, можно при помощи компьютер­

/

'(

..-- субстрат

ных программ прогнозировать успех работы ферме нта для

V

различ1-1ых условий и даже предсказывать ответ клетки на

изменение условий обитания

•

[S]

ФС

к о м пл екс

i

субстрат

+ ингибитоР,

-

наприме р, на добавление в

среду определенного сахара или амю-юкис; юты, на присут­

ствие какого-нибудь яда или загря зняющего вещества. На­

блюдая за тем, как клетка распоряжается сво ими ресурса­
ми, каким метаболическим путям отдает предпочте ни е для
решения конкретных проблем, можно позаимствовать у нее

стратеги-и разработки усовер1.1.1енствоваю-1ых биокатализа­

проду кт ы

торов для использова ,-~ия в медицине и промышл е нности

1/ [S]

РИС. 3-28. Конкурентный ингибитор физически препятствует

(например, для прои зводства лека рств или обезврежива­
ния промышле нных отходов). Тактика заимствования ока­
залась очень успешной; ярким приме ром служит получение

связыванию субстрата . (А } Активный центр фермента может связать

штаммов бактерий-продуцентов индиго

либо конкурентный ингибитор , либо субстрат, но не обе молекулы одно­

краски, которой красят джинсовую тI<а.нь в синий цв ет.

-

растительной

временно . ( Б } Верхний график п оказывает, что и н гибирование конку­

Существует несколько компьютерных программ, раз­

рентным ингибитором можно преодолеть увеличением концентрации

работанных специально для распут ывания сложных м ета­

субстрата. Двойной реципрокны й график в нижней части рисунка пока­

болических п утей. В них вводят информацию об отдельных

зывает, что Vта, реакции не мен яется в п рисутствии конкурентного инги­

реакциях

битора: две кривые пересекают ось у в одной точке .

тов, продуктов, нн.гибиторов и других молекул) . Используя

(скорости

и концентрации ферм е нтов, субстра­

эту и 1-1формацию, программа предсказывает, ка~< молеку­

лы будут идти ло этому пути, какие продукты будут пре­

что l<Ош<уре1-1п1ые ингибиторы 1-1 е меняют V111 .x; при доста­
точно большой концентрации субстрата ферменту будут
встречаться поtпи исключительно молекулы субстрата, а
н е ингибитора, и реакция достигн ет своей максимал1,ной
скорости ( РИС. З-28) .

имущественно образовываться, и какие этапы могут стать
лимитирующими «бутыло чными

горлышкамю>.

Работу

программы можно уподобить решению алгебраического
уравнения, в котором надо правильно учесть каждый атом

утлерода, азота, кислорода и т. д. Тщательный учет всех

Конкуре11тное ингибирование актив ности ферме1-1та используют n медицине дл я борьбы с последствия­
мн отравления этиленгликолем , ингредиентом прода­

фаюоров позволяет рационально подойти к манипуляци­

ваемого а 1-1тифриза . Сам по себе этиле нгликоль н е так
УЖ ядовит; опасным является побочный продуI<т его
Метаболизма, щавелевая кислота, боль JЛие дозы кото­
Рой с м ртель ны для qелоnека. Чтобы препятствоват ь

важного интибитора, nеренаправле ния реакций на образо­

образова1-1ию щавел вой кислоты, пострадавшему дают
въщит1, много этилового с пирта (ио qтобы он не вызвал
сюrъное отравление). Этиловый спи рт конкурирует
с этиленrл и колем за связывание с ал когол ьдегидро­
l'еназой - пе рвым ферментом метаболического нути

ям с метаболическими путями, используя рассчитаю1ы е
приемы обхода «бутылочJ-Lого горлышка,>, элиминирован ия

вание желаемого продукта, достраивания м етаболиqеских
путей дополнительными реакциями вплоть до создания

новых видов молекул. Приме нимость таких моделей всегда
nроверя тся на живых клетках, потому что даже при самом

строго м и т ,цательном подходе к дизай ну учесть все фю<­

торы не удается никогда, и система может повести себя во­
л реки ожиданиям.

Производство «дизай не рск их ~ клеток, нарабатыва­

образования щавелевой кислоты из этиле н гликоля.
13 Результате значител1,11 ая qасть этиленгликоля идет

ющих коммерt1ески значим ые продукты биохимиt1еских

i Мнмо~ метаболизма и , не причинив вреда, в 1-1 еизмен ­

инженерии, которые позволяют эффективно вводить ге­

Н ом виде выводится из организма .

нетический материал в клетку (обы'i1t0 бактериальную).

Другие типы ингибиторов могут взаимодействоват ,,

с Крупной молекулой фермента не в сайте связываиия

субстрата, а в другом, удаленном участке. Хелатиру10UJ:и е агенты, обратимо связываю щи е ионы металлов
(например, Mg 2+), будут и11шбировать ферме1пы, для
а~<тивности которых нуж ны эти ионы. В при сутствии
ХеJtатирующих агентов субстрат может начать взаимо­

д

еиствовать с ферментом, одиако фермеит- субстратV

нъ, й (ФС) комплекс образуется гораздо медленнее, чем
Норме. Этот способ ингибирования н ельзя компенси­
Роватъ и збытком субстрата.
13

реаю(и~1, обычно требует примен ения технологий гениой

О соответствующих методиках будет рассказано в гл.

10.

Использование поте нциала клеточной биологии в ком­
мерческих ц

1нтх

-

наtшr-1ая с полуtrения относительно не­

сложн ых соединений вроде аминоки слоты триптофана

-

вылилось в индустрию с оборотом в миллиарды долларов.
Возможно, недалек тот день, когда благодаря наI<опл ению
новых даюtых

по

геномике о новых досту п11ы х для

ис­

пользоnа~-rия ферментах именно бактерии 1юлност ыо обе­
спечат наши потребности в цеи11ейших лекарст вах и дру­
гих активных веществах

-

биологическом эквивал енте

чистого золота.

Свободная энергия и катали з

105


АКТИВИРОВАННЫЕ МОЛЕКУЛЫ­

органических молекул либо синтез крупных и сложных

полим е ров. В бол ьшинстве случае в для реше ния этой про ­

ПЕРЕНОСЧИКИ И БИОСИНТЕЗ

бле мы используются так н а з ываемы е активированиые мо­

Энергия , высвобождаемая при окислении молекул пи­

лекулы-пере но счики. В каждой такой моле кул е им rотся

храниться,

од на или две ковалентные связ и, соде ржащие большой

чтобы в нужный момент ее можно было направить 1-1а та­

запас энергии. Эти небольши е молекулы быстро диффун ·

кие кл еточн ы е н ужды, таких как постройка дру 1-их ма.11ых

дируют по все й клетке , п е р е нося эн е ргию своих связей из

тательных

вещ е ств, должна

где-то

вр е м енно

м ест ее производства в м еста ее расходования на биосин­
тез и проl1ие нужды ( РИС.

3-29).

Активироnаниые п е реносчики х ранят энергию в лег­

ко обмениваемой форме: либо как химическую группу с
хоро ш ей мобил ьностъю , либо как электроны с высокой
э нергией . Поэтому о ни могут выполнятъ двойную фую<­
ц иrо

-

доноров энергии и доноров химиl1еских групп для

реакций биосинтеза. Самыми важными активированны­
ми энергоносителями (переносчиками) служат АТФ и
две родственные друг друту молекулы , НАД · Н
и НАДФ·Н

(NADPH). Активированные

(NADH)

молекулы-n ере­

носLIИJ<и используются клеткой в качеств е ~ денег,> для
окисленная молекула

расходов на реакции, которые не могут идти ~ бесплатно >,),

питательно го вещества

т. е. требуют расхода энергии.
АНАБОЛИЗМ

КАТАБОЛИЗМ

РИС.

3-29. Активированные переносчики могут запасать и перено­

сить энергию, необходимую для метаболизма . В качестве подви ж­

Образование активированных переносчиков
сопряжено с энергетически выгодными реакциями

ны х энергети ч еских « челно ков » активиро ва нные молекулы-переносчи­

При окислении в кл е тке молекул п итате льного ве щ е ­

ки выполняют свою функцию п ередаточного зве на между процессами

ства , наприм ер глюкозы , обязательно пр исутствуют

рас щепле ния питательны х веществ с вы ходом э н ер гии (катаболи з мом)

ф е рменты , которые н е п о з воляют выд е ляюще йся э нер­

и процессами биосинтеза малы х и больших органически х молекул , ко­

гии р ассеяться в виде тепла . Большая часть э той энер­

тор ые требуют расх ода энергии (анаболизмом) .

гии подлежит з апасанию в расходу е мой форме. (По-

(А)

(В)

(Б)

ПОЛЕЗНАЯ
РАБОТА

кинетическая эне ргия падающих

часть кинетической энергии и с пользуется

поте нциальная энергия поднятого наверх

камней уходит в тепло

для подъема ведра с водой, и настолько

ведра с водой может быть пущена в работу

же меньше энерги и переходит в тепло

гидравлических машин для выполнения

у подножи я горы

множества полезных задач

РИС.

3-30 .

Механическая модель иллюстрирует смысл сопряжения химических реакций .

Самопроизвольная реакция (А) может служить аналогией п рямого окисления глю козы до С0 2 и Н 2 0 ,
которое не дает ничего , к роме тепла. (Б) Та же са мая реакция сопряжена с другой ре акцией ; эту вто­

рую реа кцию можно отождествить с синтезом активирова нных молекул- переносчиков . Энергия , за­
па се нн ая в ведре с водой , уже пол езна и мо жет быть израсходована на множество различных про ­
цессов , самих по себе энер гетическ и невыгодны х.

106

ГЛАВА

3. Энергия, катализ и биосинтез


АТФ

ВОПРОС3-7

А Реакция Х +АТФ -+ У + АДФ + Р 1 идет за счет гидролиза АТФ .

rl' Ответьте на вопросы,

8

рис . 3-30, Б :

используя в качестве иллюстрации

А. Какие молекулы аналогичны камням на скале , обломкам у ее под­

-

самая распространенная

активированная молекула-переносчик

Важнейшим

и

почти

<< вездесущим ~>

активированным

нос ителем э н е ргии в клетке служит АТФ (аде ноз и1-1 - S ' ­
трифосфат). Так же как эне ргия, запасе нная в под нятом

ножия, ведру в наивысшей точке и ведру, стоящему на земле?

вед ре воды (рис .

Б . Какие ситуации могут быть аналогичны ударам камней о землю

самых раз 1-1ы х гидравлич ес ких машин , та к и АТФ служит

в отсутствие лопастного колеса на рис .

удобным, унив е рсат,ным , быстро мобил и зуе мым за пасом

машине на рис.

3-30, А

и гидравлической

3-30, В?

3-30,

Б) , может быть потрач ена на работу

э н е рги и, с воего рода вал ютой, обеспечивающей огромное
многообраз и е х имич еск их реакций в кл етках. Как показа­
но на РИС. 3-31 , АТФ синтезируется в энергетически невы­
год ной реак ции фосфоршироваиия, где

1<АДФ (аде ноз ин-

5' -д ифосфату ) добавл я ется е ще одна фосфатная групп а.

По м ере н еобходимости АТФ отдает запасенную п орцию
этапно е << сжигание ~> сахара в кл е тке по з вол я ет питат 1,

э нергии в эне ргет ически выгодном ги дролизе с образо­

э н ер ги ей м етабо л ич еские р еа кции , ио есл и взять пл ит-

ванием АДФ и неорганич.еского фосфата (Р;). Замыкая

1<У шоколада и в буквальном смысле сж е чь ее на откры ­

~ цикл АТФ ,>, образовавшийся АДФ может в дал ьне йш ем

том воздухе, никаких измен е ний ни в чь е м метабол и з­

использоватъ ся в по следу ющих рау ндах фосфорилирова­

ме н е прои зойдет. ) В живых сист е м ах захва т э и е ргии ,

ния с образованием АТФ.

выделяющейся при 01<ислении соед ин е ний у гле рода,

обеспечивается за с ч ет с олряже ния х имич ес ких реак ­
l!.Ий: э 1-1 е рrетич еск и выгодиая р еа кция и с поль зуется
как дв иж у щая сила э н е ргетически и ев ыгодной р еак­

~ - - - - - - 1E

ции , в ходе которой об разуется активиров а иная мол е­

i - - -- - - ~

фосфоанrидридные связи

кула - но сит ел ь или другая лолез ~1ая мол екула. Меха-

r1i

11и з мы со пряж е ния реакций заложе ны в самой природе

r1i

-o-i~-i~-i~-CH2
8 8 8

Ферм е нтов , без которых со пряжени е н евоз можно; эти
М ехани з мы лежат в основе всех э нергетич еских лро­
цессов, нрои сх одя щих в клетке.

Принцип сопряжения р еа кций хорошо иллюстриру­
ет аналогия с меха ни ч ес ким устройством ( РИС. 3-30) , где
э не р rети Ltески выгодная реакция у подобле на п аде нию
t<амней с обрыва. Э н е ргия пада ющих камн ей пол 1-t0стыо
'Гер я ется при уда ре о зе м лю (рис. 3-30, А) , сел и н е по­
с·~·авить лопастное колесо , которо е под действ и е м п а­
дающих камней вращается и под нимает нав е р х ведро с
водой (рис. 3-30, Б) . Тепер1, камни достигают под ножия
Jtншь по сл е того , как подвинут колесо. Здесь имеет ме ­
сто со пряж ени е 11р оцессов (противополож ны х с точки
зрения изме н ения св ободной Э Jfе ргии) : э не ргетически
выгодное самопроизвол1,ное ес тестве нное паде ние кам­

н ей н е поср едстве н 110 сопрнже но с << пр отивоестеств е 11 Ньщ ,> подъемом вед ра вод ы. Впоследств ии эту воду
Можно и с пользоват ь дл я выпол1-1 е~1 ия полез ной работы

(Ри с. 3-30, В) .

В клетках прои сходят а н алогичны е процесс ы, в ко-

1:ор ьrх роль лопасп1ых колес играют фе рм е нты. По меха­
Н11зм ам , которы е будут обсуждаться в гл. 13, фе рм еиты

эне ргия ,

добытая

энергия из
солнечного

- л G"

+ Л G"

для работы
клетки и

света или

химического

ПИЩИ

синтеза

н еорганический
фосфат (Pj)

РИС.

3-31.

Взаимные превращения АТФ и АДФ образуют цикл.

Два кон цевых фосфата в молекуле АТФ удерживаются высоко э нерге ­
тическими фосфоангидридными связями и л егко поддаются переносу.

С добавлением молекулы воды АТФ превращается в АДФ и неорга­
нический фосфат (Р 1 } . Такое гидролитическое отщепление концевого

фосфата АТФ позволяет получить от

11 до 13 ккал полезной энергии на
-7,3 ккал / моль , дG уходит

моль АТФ . Х отя дG' этой реакции равняется

гораздо дальше в минус , потому что соотношение концентраций АТФ и

со прягают э н е р1·ет ич ески выгодные реа r<ции с э н е ргет и ­
ч ески н ев ыгодными реак циями , такими как образова­

отрицательное ЛG' этой реа кци и определяется целым рядом факто ­

ни е активирова1-11-1ы х моле кул - п ере1-1 осL1иков. В р езулъ­
тате сопряжения реакций J<OJI ИLrecтвo тепла, выделяемо­

ятное отталкивание между соседними отрицательными зарядами; к

l'о

продуктов АДФ и Р 1 в клетке поддерживается о ч ень высоким . Высокое
ров . Отщепление кон цевой фосфатной группы устраняет неблагопри ­

При окислении пи тател ьного вещества, уме ньшается

тому же в ы свобождаемый ион неорганического фосфата стабилизи­

~ 'Гочности на то количество э 1-1 е ргии , что запасается в

руется резонансом и энергетически выгодны м образованием водо ­

огатых эн е рги е й ковале 1-1тны х связя х активированных

Носителей. Эти мол кулы зап асают порции энергии , до­
стато чны е для того, чтобы обеспечить эн ергетически н е­
ВЪtrодну ю химическую реакцию в л юбой части клетки.

родны х связей с водой . О бразование АТФ из АДФ и Р 1 обратно реакции
гидролиза. Поскольку эта р еакци я конденсации энергетически невы­
годна , она идет только в пар е с другой , энергетически выгодной реак ­

цией (с еще более низким значением дG, чем у гидролиза АТФ).

Активированные молекулы-переносчики и биосинтез

107


i

гидроксильная

торов, сокращаю щих мышеч11ые клетки и

групп~ на но-с-сдругои
1 1
молекуле

нервным

u

тра 11 с 1юртировать

своих очен1, дли нны х аксонов (см. гл.

позволяющих

мате риалы

вдол1,

17). Почему

эволю­

ция выбрала им е нно этот нуклеотид в качестве ключевого

-о- -O-i~-i~~H2
~

клеткам

~

э н е ргоно сителя, нам неи з вестно.

~

фосфоанrидридная

j

связь

Энергия, запасенная в АТФ, может расходоваться
на соединение молекул между собой

РИБОЗА

В предыдущем разделе обсуждался ва риант со пряже 1-1 ия

- л G 0 ПЕРЕНОС ФОСФАТА

э н ер,,ет ически выгодной реакции У

--+ Z с

энер 1Уrически

невыгодной Х--+ У ( со пряже ни е II обходимо, чтобы могла
пройти вторая р еакция). Там предлагалась схема с учаспr·

-o-i=o-c-c~

1

с;, -

о­

ем двух ферме1-1тов, которая ра ботала благодаря тому, что

+ -о- Р-О- Р-О~Н2

1

u

~

второй фермент, катализатор э нергетически вы ,,одной р е­

~

ф

фосфоэфирная

акции У--+

ется У , а не

3-32.

<, п е ретяrивам весь Х в У (см. рис.

3-21).

У

прим е н е на в тех слу чаях, когда целев ым продуктом явля­

связь

РИС.

Z,

этой схемы есть важное ограиичение: она не может быть

другие молекулы. Посколь ку при этом богатая энергией фосфоанги­

Z.

В реак ции конденсации, типич н.ой для биосинтеза, две

Концевой фосфат АТФ может быть легко перенесен на

молекулы, А и В, образуют соединение А- В:

дридная связь в АТФ превращается в менее богатую энергией фосфоэ­
фирную связь в молекуле , присоединяюще й фосфат, реакция является

А - Н + В - ОН--+ А- В + Н 2 O.

энергетически выгодной , с высо ким отрицательным значением дG' .

Эта реаJ< ция энергетически 1-1 евыгодна. В ее проведении

Реакции фосфорилирования данного типа идут при си нтезе фо сфоли­

может ломочь гидролиз АТФ. Энергия гидролиза АТФ
вначале идет иа превра щение В - ОН в промежуточный

пидов , а также на начальных эта п ах катаболизма сахаров и во многих

продукт с высоким содержанием э не ргии , который затем

других метаболических путях .

напрямую реагирует с А - Н и дает А - В. Самый простой
подходящ ий механизм заключается в пе р еносе фосфата с

Энер 1:етически выгодная реакция гидролиза АТФ мо­
жет со прягать ся с множеством эне ргетически невыгодных

АТФ на В - ОН с лолучением В - O - РО 3 ; в этом лути мож1ю выделить всего две ступе ни :

р еакц ий , в ходе которых синтезируются други е молекулы .

1. В - ОН

Далее мы подроб ,-ю разберем несколько реа~щ 11й с участи ­

2.

ем АТФ и увидим, как это делается. Многие такие реакции
со провождаются п ере носом ко,-щевого фосфата АТФ на ка­

кую-нибудь д ругую молекуJ1 у ( РИС. 3-32). Любая реакция, в
на другую молекулу, с читается реа ,щией фосфорилирова-

ций конден сации (см. рис.

2-25),

-

частный случай р еак­

они участвуют во многих

важн ых клетоL11-шх процессах. За счет фосфорилирования

А-Н

+ В - O - РО~ --+

+ АДФ.

А - В + Р1 •

Общий результат:
В - ОН + АТФ+ А - Н--+ А- В+ АДФ

которой происходит леренос ко1-1цевой фо сфатной группы
1-rия. Реакции фосфорилирования

+ АТФ--+ В - О - РО 3

+ Р1 •

Энергетически н евыгодную реакцию конденсации заста·

вила пройти сопряженная с н ей реакция гидроли за АТФ
в метаболиL1еском пути из двух реакций, r<атализируемы х

ферментом ( РИС. 3-33, А).

происхо;~ит актива ция субстратов , обмен химической энер­

Именно такого типа реакция используется для си нте ­

гией; фосфорилирова~ше служит и 1-JС"rруме1пом регуляции

за аминокислоты глутамина, как показано на рис.

в процессах внутриклеточной нередач и сигналов.

Скоро мы увидим, что ОL1ен1, п охожие (но более сJюж1 11,rе)

АТФ

-

самый распространенный клеточный энерго­

носитель. Он используется для энер гос н абжения множе­

меха н измы

используются

11р и

си н тезе

3-33,

Б.

подавляю щего

большинства крул11ых молекул клетки.

ства н асосов, осуществляющих тран слорт веществ между

внутренним

( см. гл.

пространством

клетки

и

12). АТФ служит топливом для

вн е шн ей средой

молекулярных мо-

НАД•Н и НАДФ·Н

- важные переносчики электронов

Другие

активированные

ки

ВОПРОСЗ-8

А Фосфоангидридная связь между двумя фосфатными группа­
ми в АТФ содержит много энергии; ее дG' = - 7,3 ккал/моль

rl'

8
до

13

(- 30,5 кДж/моль) . В клетках гидролиз этой связи дает от 11
ккал/моль энергии . Как это получается? Как вы думаете , по­

чему дан интервал значений э нергии , а н е одно конкретное чи сло ,

как для дG' ?

108

ГЛАВА З. Энергия, катализ и биосинтез

в аж ны е

учас тв уют

в

р еакц ия х

молекулы-переносчи­

окисления - восстановле1-1ия.

В клетках они являются обычными компонентами со­
пряжен ных

реакций.

Такие активирова нны е

11осител~r

при способлены для пер носа и высокоэнергетических
электронов,

и

атомов

водорода .

Важнейшими

из

них

являются НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид) и
НАД Ф+ ( никоти1-1 ам идаде 1-1 и 1-1 д111 rукл еотидфосфат). Каж­
дая и з этих молекул может подобрать « порцию э 11 ер 1:ии >> в


(А)

(Б)

\ \/ / /
о

/,,,

11

О
Н

А

~

с

/

6н

ЭТАП

1

КОНДЕНСАЦИИ

,,.

-

0 - Р - 01

'

о1 1 1

::

' ''

2

СН 2

ЭТАП

АКТИВАЦИИ
в - он

+

H3 N

гидролиза АТФ

1

- СН - СОО

-

высокоэнергетический
промежуточный продукт

РИС. 3-33. Энергетически невыгодная реакция биосинтеза
Может идти за счет гидролиза АТФ. (А) Схематичное пред­
ста вление образов а ния вещества А - В в реакции конденса ции ,

ЭТАП

которая описана в тексте . (Б) Биосинтез аминокислоты глутами­

АКТИВАЦИИ

н а . Сначала глутаминовая кислота преобразуется в высокоэнер ­

о

гетический фосфорилированный пром ежуточный продукт (соот­

ветствующий соединению В - О - РО 3 , описанному в тексте) . Этот

~

с

/

продукты

гидролиза АТФ

СН 2

глутамин . В данном случае все события происходят на поверх но ­

1

сти одного и того же фермента , глутаминсинтетазы. Для просто­

СН 2

ты ради кал глютаминовой кислоты изображен незаря же нным .

Н з N+ - СН - СОО-

вой кислоты может « питать» гидроли з АТФ . Его ЛG' равняется

КОНДЕНСАЦИИ

1

продукт реагирует с аммиаком (соответствующим А- Н) , образуя

Энергетически невыгодную реакцию образования глутамино­

ЭТАП

он

1

глутаминовая кислота

-7 , З ккал/моль, тогда как ЛG' синтеза глутамина из глутамино­

глутамин

вой кислоты с аммиаком составляет всего 3,4 ккал/моль .

Фо рме двух в ы сокоэ 1-1 ерrетических элект ро нов в комплек­

Как и АТФ , НАДФ·Н в качестве активированного

те с протоном (Н+) и перейт и в восстановлен~1 у ю форму ­

п е ре нос чика участвует во многих реак циях биос интеза ,

соответстве нно , НАД·Н ( восстановленный никотинами­

которы е сами по себе эн ергетически н е выгодны. Производ­

дадениндинуклеотид) или НАДФ·Н (восстановленный

ство НАДФ · Н проходит п о об щей схеме, изображенной на

l-tикотинамидаде нинди нуклеоти дфосфат).

РИС.

Таким

обра­

3-34.

В резул ьтате с пе ци альной последовател ьн ости

зом, эт и молекулы можно расс м атривать еще и как пе ре­

катаболи ч еских реакций, н аправленных н а сбор э не ргии ,

нос чики гидрид- ионов (Н+ п л юс два эле ктрона , и ли н - ).

атом водорода и два электрон а покидают молекулу суб-

(А)

(Б)

1

н -с 1

Н - с -он

форма

н -с 1

1
1

никотин-

с-

1

С =О
1

окисление

Молекулы

окисленная

1

1

амидное

11

6н

кольцо ~

с1

1

о
,f'

с"

NH 2

восстановление

молекулы

2

Рис. 3-34. НАДФ•Н является важнейшим носителем электронов.
(А) НАДФ·Н продуцируется в реакциях общего типа, в которых субстрат

р

о

р

о

н­

-1..__

отдает два атома водорода . Окисленная форма молекулы - носителя ,

НАДФ+, получает один атом водорода плюс электрон (гидрид-ион), а

другой атом водорода уходит в раствор в виде протона (Н• ) . Посколь­

ку НАДФ• удерживает свой гидрид-ион высокоэнергетической связью,
этот гидрид-ион может быть легко перенесен на другие молекулы , как
nоказано в правой части схемы . (Б) Структура НАДФ+ и НАДФ· Н . Часть
Молекулы НАДФ+, так называемое ни котинамидное кольцо, принимает
Ава электрона вместе с протоном (эквивалент гидрид- иона , н· ) , обра­
зуя НАДФ-Н . нм• и НАД·Н идентичны по структуре НАДФ+ и НАДФ·Н ,
соответственно , за исключением того что у них отсутствует указанная на
Р~сунке фосфатная группа .

р 01
о

о

®.._ _ _ _ эта фосфатная группа ---- ®
отсутствует у НАД+ и НАД · Н

Активированные молекулы-переносчики и биосинтез

109


7-дегидрохолестерол

<<бригадам ~ фе рм е 11тов. НАДФ-Н и НАД-Н

-

это разны е

тил ы носителей, которые служат для доставки элс rпро1юв
(и л и гидрид- ионов) в разл ичны е места наз н а ч е ни я.

Каков

биологический

см ы сJ1

разделе ния

ролей

НАДФ - Н и НАД -В? Смысл заключается в р аз ,·ра ни ­
ч е нии

совокупностей

реак ций ,

требующих

л е р еноса

электронов. В сопровождении НАДФ-Н обычно р або­
тают ф е рменты, усr<оряю щие р еакции анаболизма, т. е .
но

НАДФ · Н по ставл я ет эле ктроны для биосинтеза. В пу ­
тя х катаболизма аналогичную рол ь ло с ред ника играет

ЩЩфjн1 + н· ~
н

ф+

___.,,!

уже НАД - Н , который асс истиру ет ферм ентам , катализ­

зирующим образ ование моле кул АТФ за счет о.кисления
мол екул питательных веществ (см . 1·л.

13). Образовани е

НАД - Н из НАД ' и НАДФ·Н и з НАдФ • происходит в

раз ных метабол ическ их путях и р е гули руется неза ви­
симо, чтобы клетке было удобнее независимо у прав ­
лять поставко11 эле юроиов для эт их двух ц елей. Вну­

три клетки соотношение кон центраций НАД + к НАД·Н
поддерживается высоким , а НАДФ + к НАДФ · Н

-

низ­

ким . Такой расклад обес п ечивает большое количество
НАД + для работы окислителем и большое количество
НАДФ-Н для работы восстановителе м

-

как того тр е­

буют их особые роли в катаболиз ме и а наболизме соот­
в етств е нно .

РИС.

3-35.

НАДФ·Н участвует в конечной стадии одного из пу­

тей биосинтеза, ведущего к образованию холестерина. Как и во
многих други х реа к ция х биосинтеза , восстановлени е атомов углеро­

Клетки используют множество других
активированных молекул-переносчиков

да, соединенны х двойной связью С =С , происходит за счет п ереноса

Существуют и дру еие активированные молекулы-перенос­

гидрид-ио на с молекулы-носителя НАДФ · Н в сопровождении протона

чики, которые тоже подбирают и держат в боевой готовно­

из раствора .

сти на высокоэнергетической связи какую-нибудь хими­
ческую группу (ТАБЛ. 3-2) . Есть, наприм ер, такая молекула

ФАД · Н 2 , которая, так же как НАД-В и НАДФ-Н , несет во­

страта и добавляются к никотинамидному кольцу НАдФ +;

дород и высокоактивные электроны (см . рис.

образуется НАДФ - Н. Это т ипичная окислительно-вос­

з им А может н ест и а цетильну ю группу, кото рую ле гко п е р е­

становителыrая реак ция, в которой субстрат окисляется, а

дает. Активироваыная молекула коэнзима А, ацетил-КоА

НАДФ + восстанавливается.

(acetyl

СоА,

acetyl coe пzyme

13-12). Коэн ­

А) изображена на РИС. 3-36.

Гидрид-ион, переносимый НАДФ-Н , может быть лег­

Она используется, в частности, для добавления звеньев, по

ко отдан им какой-нибудь другой молекуле, поскольку без

два атома угле рода в каждом, в биоси нтезе углеводородных

не го ни коти~-1амидное кольцо может достичь более ста­

хвостов жирных кислот.

бильного рас положения электронов . В последующей ре­

В

акции, регенерирующе й НАДФ +, НАДФ-Н окисляется , а

(табл .

субстрат восстанавливается : получается замкнутый цикл .

ет лишь малу ю часть мол екулы . Остальная довольно

ацетил-КоА

и

г руппа,

3-2)

д ругих

молекулах-переносчиках

подлежащая

п е рен осу,

составля­

Формально НАДФ - Н является эффе ктивным донором ги ­
дрид-иона по той же причин е, по кото рой АТФ легко отда­

ет с вой фосфат: в обоих случаях перенос сопровождается

ТАБЛИЦА

большим отрицательным изм енением свободной энергии .
Конкретный пример использования НАДФ-Н в биосинте ­

переносчики , широко используемые в метаболизме
Активированный

зе приведен на РИС.

переносчик

3-35.

3-2.

Некоторые активированные молекулы­

Небольшое отличие НАДФ·Н, име юще го фосфатную
группу, от НАД-Н, у которого ее нет, н е влияет н а эффек­

Группа, переносимая
на высокоэнергетической
связи

АТФ

фосфат

НАД-Н , НАДФ · Н , ФАД· Н 2

электроны и атомы водорода

Ацетил -Код

ацетильнаR группа

молеку лы, кото рая з адействована в перенос е электронов

Карбоксилированный биотин

карбоксильная группа

(см.рис .

S -аден озилметионин

метильная группа

Уридиндифосфатглю коза

глюкоза

тивность переноса электронов , но этим отличием обесп е­
чи вается разделеtrие ролей этих двух молекул. Добавочная
фосфатная гру ппа НАДФ · Н находится не в той области

3-34, Б) . Однако эта фосфатная группа меняет об­

лик молекулы: НАДФ-Н имеет иную пространственну ю

струюуру, чем НАД · Н, и о ни служат субстратами разным

11 О

ГЛАВА З. Энергия, катализ и биосинтез


РИС .

3-36. Еще одна важная активированная молекула-пере­
- ацетил-коэнзим А (ацетил-Код). В верху по казана модел ь
заполне н ием простр а н ств а , вн изу - стр у ктурн а я фо рмул а ацетил ­

носчик

с

КоА . Ато м се ры (желтый ш а р) об р азует тиоэфирную с вя зь с а цетато м.
Тиоэфирная с в язь я вл я ется вы со коэ н е ргети ч еской , пр и ее гидроли ­
зе высв обождается б ольш ое коли ч еств о с вободн ой э н ерг и и . П оэто му
а цет ил ь ная групп а, кото рую н есет а цет ил- Код , может б ыть л е г ко п е ре­
н есе н а н а дру гие мол екулы .

н ая особенность

-

наслед ие одной из ранни х стадий эво ­

л юции . С L1итается , что одно время главными катал и зато­
ра ми слу жили молекулы РНК (в о всяко м случ ае о чень

Н С

з

Н Н

9Н Н

9 НjНзН

\

н н ~

н н ~

9

-:i-0-~-0-~
Н Н с- с-

)>,?-{-{-N-t-{-{-N-t-t

О

похож ие на ни х молекул ы ) и что бел ки возникл и на бо­

9

Сн

лее позд ни х стадия х э волюции ( см . гл .

3

высо ко э н е ргетич еска я

7). Н уклеотидны е

модул и с е 1'од няшни х молекул -п е р е нос чик ов м огл и пр ед ­

наз н а чать ся дл я св яз ы вания и х д р евних а нало го в с др е в­

ними катал и т ическ ими молекулами РНК

с вя з ь

-

ан ал ога ми

сего дняшних фе рм ент ов.

В биосинтезе кро м е реакций переноса, обеспечиваемых

L_____J~- - - -- -коэ-н зи
-м-А-( КоА)
--------~
а цетильн а я

активированными нос ителями АТФ (перенос фосфата) и

групп а

НАДФ - Н (перенос электронов и водорода) , испол ьзу ются

I<ру пная часть орга н и ч еской молекул ы служ ит удобной

и дру ги е важ ные реакции с перен осом метильной и карбок­

<<рукояткой ~ ,

молекулы­

силь ной групп и остатка глюкозы. Перенос этих групп идет

n ерен о с чи ка конк р ет ными ф е р ме нт ам и . В составе ~ ру ­

со специаль ных активированных носителей, образу ющихся

Т<ояп<И >> ( как у того же а цет и л- К оА ) часто соде ржится

в реакциях, сопровождаемых L'Идролизом АТФ ( РИС. 3-37) .

нуклеот и д. М ожно предполагать , что данн ая люб опыт-

Э нергия, придающая химическим группам этих сп ециаль-

обеспе чива ющей

уз нава ние

АКТИВАЦИЯ КАРБОКСИЛЬНОЙ ГРУППЫ

о~

ре

t- высокоэнергетическая
)= о

связь

н

пируват

б и отин

о

~

о-

с

/

1

он
би ка р б он ат

~о
н

о
ФЕРМЕНТ
пируват ка рбо ксил аза

о к салоацетат

ПЕРЕНОС КАРБОКСИЛЬНОЙ ГРУППЫ
РИС .

3-37. Активированная

молекула - переносчик передает карбоксильную группу молекуле

субстрата . Ка рбо кс ил ир ов а нны й биот и н ис пользуется фе рм е нтом пируваткарбоксилазо й

carboxylase)

(pyruvate

к ак до н ор ка рбоксиль н ой груп пы пр и о б р азо ва н и и о ксалоа цетата из п и рувата . Эти м п р е­

в раще н ие м п и руват, п р оме жуточный пр одукт расще пл ени я гл юкозы , н апр авля ется н а ок и сл ен и е в цикл
лим о нно й к и слоты , л ежа щи й в ос н ове клеточного дыха ния .

Активированные молекулы - переносчики и биосинтез

111


ных носителей способность к участи ю в б и о · интезе, берет­

ся от того же АТФ (а у АТФ

Н 20

процесс ы про и сход ят лри си нтезе самых крупны х молекул

клетки

-

LA

из катаболиз м а ) . Похожие

-

А

нукле иновых кислот, белков и п олисахаридов, 1<

Н + НО - 8

КОНДЕНСА­
ЦИЯ

рассмотр е 1-1ию которого мы и п е рехо11и м.

Синтез биополимеров требует затрат энергии

РИС.

ЛИЗ

энергетически

энергетически

небла гоп о лучная

благополучный

Конденсация и гидролиз

3-38.

Н + НО - 8

ГИДРО­

-

это противоположно на·

Наибольшую долю сухой массы клетки (масс ы за выч етом

правленные реакции. Макромоле кулы клетк и

вод ы) составляют макромолекулы. Они состоят из субь­

зованные из субъединиц (мономеров) в реакциях ко нденсации ; реакции

едиииц, или моном еров, соед ин енных связями, образовав­

и х расщепления представляют собой гидроли з. Все реакции ко нденса­

шимися в р езультате р еак ций ко нден сации при участии

ции энергетически невыгодны.

(А) ПОЛИСАХАРИДЫ

(Б) НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

'
''
'

''''

гликоген

глюкоза

'

6

н

это полимеры , обра ·

-

6

dQ

н

о

энергия от гидролиза

нуклеозидтрифосфата

w

он

о

1

О = Р - О-

РНК

н

О = Р - о-

1

1

о

dQ

dQ

0

он

он

гликоген

о

О = Р - О-

нуклеозидтрифосфата

1

он

о

1

О

R

1

11

1

1

1

Н

Н2О
О

Н

l

J

нуклеотид

о

1

он
РНК

он

энергия от гидролиза

он

он

нуклеозидтрифосфата

R

О

Н

о

-- - --6 - ~ - N- 6 - ~ - N- 6 - C~
1
1
1
1
1
"он
R

Н

Н

Н

R

белок

РИС.

3-39.

Синтез макромолекул требует расхода энергии. На рисунке изображен синтез участ­

ков полисахарида (А) , нуклеиновой кислоты (Б) и белка (В) . Во всех трех случаях имеет место реакция

конденсации (атомы , которые в ней задействованы , выделены розовым фоном) . На рисунке не показа н
предварительный расход нуклеозидтрифосфатов на активацию субъединиц до того , как начнется их
добавление в полимер . Обратная реакция расщепления полимера любого из трех типов происходит
простым добавлением воды (по механизму гидролиза) .

112

о

о

~

-- ---C- C- N- C- C
1
R

СН 2

1

аминокислота

Н

Н

1

О = Р - О-

белок

он

1

энергия от гидролиза

(В)БЕЛКИ

он

1

rЛАВА 3. Энергия, катализ и биосинтез

он


(А)

(Б)

гру пп в состав полиме ра не попадает. Какой же механизм

о
о
о
11
11
11
-о - Р -0 - Р -О - Р -0 -СН 2

со пряже ния реакций при этом используется?
Для каждого класса ма~<ромолекул существует свой

6- 6- 6-

собстве нный путь, обслуживаемый с пец иальными фер ­
ментами и н апоми н ающий путь си нтеза 1-лутамина, кото­

рый мы уже разбирали (см. ри с .
от ще п ле нию

H
20-i
_

о
11

о
11

0 - Р-0 - Р -О-

6- 6-

3-33). Принцип сопряже­

ния здес ь такой же: г и д роксильная группа , подлежащая

аденозинтрифосфат (АТФ)

в реакции конден са ции , сна чала активиру ­

ется за счет образования высокоэнергетической связи со
второй молекулой. Правда, механизмы со пр яжения гидро­

+

лиза АТФ с с интезом белков и п олисахаридов несколько

о
11

-о- Р-О-СН 2

РР

6-

+дМФ

слож н ее, ч ем те, что и сп олъзуются в синтезе глутамина.

Присо ед ине ни е каждого нового мономера сопровождает­

ся образованием целой се рии высокоэ~rергетических про­
межуто чных продуктов , с посл еду ющим выходом на окон­

аденозинмонофосфат (АМФ)
Н20

LJ ател ы-rую высокоэнергетическую связь, разрыв которой

и соответствует конде нсации. Для случая с интеза бею<а об
этом подробно рассказано в гл.

о
11
-о - Р - ОН

6-

+

Фосфат

о
11
-о - Р- ОН

6-

фосфат

7.

В сиабжении биоси нтеза энергией и материалами воз­
можности каждого активированного носителя имеют пре ­

дел . Так, Л G гидролиза АТФ до АД Ф и Р; зависит от rюн­
ц ентрации всех трех веществ и в условиях, ти пичных для

РИС. 3-40. В альтернативном пути гидролиза АТФ сначала об­
Разуется пирофосфат, а затем он гидролизуется в растворе. На
этом пути выделяется примерно в два раза больше свободной энергии
по сравнению с реакцией , изображенной на рис . 3-31. (А) В каждой из
двух следующих друг за другом реакций гидролиза атом кислорода из

Участвующей молекулы воды остается в продукте , тогда как атомы водо­
Рода из той же молекулы воды образуют свободные ионы н•. ( Б) Общий

н

высокоэнергетический Р -О
промежуточный продукт

вид всей реакции .

Ферментов. Расщепление полимеров 1-ra мономеры прои с­
ходит в результате обратной реакции - гидролиза (также
1<атализируемого ферментами). Гидроли з полимеров энер1·етич ес1<и выгоден, а вот их синтез, требующий от клетки
1

<рупньrх энергетических инвестиций, представляет собой
че~1 ь серьезный и сJюжный процесс (РИС. 3-38).
Все нукл еиновые кислот ы (ДНК и РНК) , белки и тто 11 исахарид 1,1 являются полимерами , синтез кото рых идет
за счет повторяющи хся шпов присоединения новых субъ­
ед иниц к расту щему концу п олимера. Схемы синтеза кле1·очных макромолекул приведеиы на РИС. 3-39. На рисунке
ГIОt<азано, что т-та каждом ш аге си нтеза происходит реак­
ция конде нса ции. Она требует расхода э не ргии , обеспе­

Р -0

продукты

гидролиза АТФ

0

Р-0

нуклеозид­

монофосфат

полинуклеотидная цепь ,

содержащая три нуклеотида

чиваемой гид ролизом ную, еозидтрифосфата. При этом за
Исю1ючением нукле иновых кислот ни каких фосфатных
РИС.

ВОПРОС3 - 9
. . . Какие

из записанных ниже реакций будут идти только в паре
rl' с энергетически выгодными реакциями?
•
А. Глюкоза + 0 2.... СО 2 + нр

Б.
В.
Г.
Д.

СО2 + Н 2 О -+ глюкоза + 0 2
Нуклеоэидтрифосфаты .... ДНК
Азотистые основания .... нуклеозидтрифосфаты
АДФ + Р 1 -+ АТФ

3-41.

Синтез полинуклеотида, РНК или ДНК , представляет

собой многоступенчатый процесс, идущий благодаря гидролизу
АТФ. На п ервом этапе нуклеозидмонофосфат активируется последо­
вательным переносом концевых фосфатных групп с двух молекул АТФ .
Образовавшийся высокоэнергетический промежуточный продукт (ну ­
клеозидтрифосфат) свободно плавает в растворе до тех пор , пока не
вступит в реакцию с растущим кон цом цепи РНК или ДНК с выделени ­

ем пирофосфата . Гидроли з пирофосфата до н еорганического фосфата
эне ргетически очень выгоден , и он позволяет провести всю реакцию в
напра влении синтеза полинуклеотида .

Активированные молекулы-переносчики и биосинтез

113


В при11 цип е ,

ние свободной эн ергии (ЛG) может быть ра ссчитано для

при н ал ичии лодходя 1цсго м таболи ч ескоrо п ути, эту реак­

любой реа~щии. Оно отображает 1соли ч ество беспорядка,

цию ги д роли за мо ж но и с поm,зовать для провсде r-1ия э н е р ­

создаваемого реакцией. Чтобы р еа1щия протекала само-

к; 1 етк и , составляет от

- 11 до - 13 ккал/ мол~,.

гетически н ев ыгод1-юй реакции с ЛG до

Но

для

некоторых

- 13 ккал/молr,

реа кций

ккал/моль.

+10

биосинтеза

п е репада

в

11рои зво;1ьно, ЛG должно быть меньше нуля.

•

Изменение свободной

энергии

в химичес1сой р еа~щии

может бытr, недостаточн о . В та ки х случаях

(ЛG) завис ит от концентрации реагирующих веществ и

п уть гидролиза АТФ может быть и зме нен таким образом,

продуtсто в реа 1щии. Его можно вычислить исходя из их

что вначале образуются АМФ и пирофосфат, кото ры й

1сонце1п·раци, з ная 1сонстанту равновесия реакции (К) или

зате м гидролизуется в растворе в ходе еще од1-юй само ­

стандартное измене1Jи е свободной энергии компонентов

стоятелыrой реак ции метабол ич еского пути ( РИС. 3-40) .

(ЛG ).

В таком виде процесс дает су ммар11ое ЛGв

- 26 ккал /моль.

0

•

От констант равновесия зависят все процессы связывания

Важ нейшая реакция биоси 1-пеза, снабжаемая энергией по

и диссоциации макромоле1суд и ммых мол екул, nроисхо ·

этой схеме,

дящие в 1слет1с е. Чем больше э нергия связывания между

тида)

-

-

синтез ну кл еиновой кислоты (полинукл ео­

представлена н а РИС .

двумя молекулами, тем большее значение принимает кон·

3-41 .

станта равновесия и тем больше вероятность у этих моле­
кул быть связанными друг с другом.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

•

•

с1си невыгодными в метаболических путях, ферменты осу­

рьшному притоку энергии. Часть этой энергии использу­

ществляют химические превращения, которые невозмож­

ны сами по себе.

ется для удовлетворения насущных потребностей (для
поддержания реакций, из которых строится метаболизм

•

сеивается в виде тепла.

важные а~стиви 1юванные моле1сулы-nереносчюси - АТФ,

Для большинства живых организмов первичным источни­

НАД·Н и НАДФ · Н. АТФ переносит высокоэнерrепrче·

ком энергии служит солнечный свет. Растения, водоросли

ские фосфатные группы, а НАД·Н и НАДФ·Н п е реносят

и фотосинтезирующие бактерии, используя солнечную
энер1·ию, производ ят органические моле1сулы из углекис­

лого газа (С0 2 ). Животные добывают себе питательные
вещества,

•

В сопряжении реакций важнейшую роль играет небольшой
набор активированных моле1сул-переносчиков. Наиболее

клетки, для роста и размножения). Остальная энергия рас­

•

Сопрю·ая энергетически выгодные реакции с энерrепrче­

Живые организмы могут существовать благодаря неnре­

поеда я

растения

или

живот11ых,

11.итающихся

высо1соэ нерrетические электроны.

•

Малые молекулы питателыfых веществ служат материа·

лом для образования более 1сруnных органических моле1сул . Синтез макромолекул идет через образова1rnе кова·

растениями.

J1ентных связей между малыми молекулами в реа~щиях,

Из многих сотен хими•1еских реакций, идущих в ~слетке,

которые сопрягаются с э нергетически выгодными и змене ·

у каждой есть фермент, который катализирует именно ее.

ниями химических связей в активированных молеrсула.х·

Огромное множество различных ферментов катализиру­

переносчиках (ка~с правило, АТФ или НАДФ·Н) .

ет цепочки реакций, называемые метаболическими путя­
ми, каждая из которых выполняет в ~слетке свою особую
функцию.

•

В реакциях катаболических путей происходит ОJсисле­
ние модекуд питательных веществ, которы е, расщепля­

ясь, дают энергию . Анаболические пути направлены на
создание

множества

сложных

орrаничес1сих

молекул,

необходимых ,слетке, и требуют nрито,са энергии. В
клетках животных получение материалов и энергии, ис­
nоЛI,зуемых в р еак циях синтеза, осуществляется в ходе

1сатаболизма .

•

Ферменты катализируют реа1щии, специфично связьша­
ясь с молекудами субстратов; в резул,,тате связьшания

•

АДФ,АТФ

ксnаnмаатор

QICТИlмpolCIHНCIJ

консrанта

моnе,супаnереносчнк

анабмнам
ацетип-КоА
6мосинтн
1осстаномени•

дмффуам•
иаменениt

с:аободноА
1нерrии (AG)

Ммхамиса (Км)
комаанта

ро1МОНСИ11 (К)
МCIXCНМQIIIIHQI

~реакцнм

(V/111,'!J
мспссимапwсое lfИcno

odoporo1
мtтаболиам.
НАД•,НАД•Н

~IIН8pntl

(G)

conpuceнн111t1

реакц,IМ
стандартное
иsменение

сао6одноА
8Нtрrни (дGо)

су6страт
фермент
фотосмнтеа
химическое
ра1НО18СМ8

снижается энергия активации, необходимая дл я образова-

ката6опиам

НАДФ•, НАДФ-Н

IМtprи• акти1ации

1-1ия и разрыва конкретных коваленпrых связей.

ICOТCIJIИS

окисnение

1нтроnи1

Скорость, с 1соторой фермент катализирует реакцию ,

зависит от того, насколько быстро он находит свой суб­
страт, насколько быстро образуется проду 1ст и насколь ­
ко быстро этот про дукт диффундирует прочь . Скорости

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ
ВОПРОС3 -1 0

перечисленных процессов у разных ферментов разные.

Какие из утверждений верны? Ответ обоснуйте .

Скорость

А . Некоторые реакции , катализируемые ферментами , полностью

ф е рментативной

реа,щии

можно

измерить,

смешивая ферм ент и субстрат в специально nодобра11ных

•

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

прекращаются, если фермент отсутствует.

условиях .

Б . Высокоэнергетические электроны (вроде тех , что имеются в

Возможны только те химические реа1щии, которые увели­

активированных переносчиках НАД - Н и НАДФ·Н) быстрее дви ·

чивают общую неупорядоченность во Вселенной. Измен е-

жутся вокруг атомного ядра.

114

ГЛАВА 3. Энергия, к а тализ и биос и нтез


В . Гидролиз АТФ до АМФ может обеспечить примерно вдвое
больше энергии , чем гидролиз АТФ до АДФ .
Г. Частично окисленный атом углерода имеет несколько мень­

это число и свой ответ на вопрос в пункте А. Какова общая эф­

ший диаметр по сравнению с более восстановленным атомом

поднимется его температура (предположим, что ваше тело

углерода .

это

д. Некоторые активированные молекулы - переносчики могут пе­

де)? (Вспомните, что килокалория (ккал) определяется как коли­

реносить на другую молекулу и энергию , и химическую группу.

чество энергии, подогревающее

Е . Правило, что при окислении выделяется энергия , тогда как

Г. Какими будут последствия понижения эффективности превра­

фективность продукции АТФ при полном окислении глюкозы?
В . Если клетки вашего тела окислят

75

1 моль

глюкозы , на сколько

-

кг воды и что тепло не рассеивается в окружающей сре­

1 кг воды на 1 'С . )

восстановление требует вложений энергии , относится ко всем

щения энергии питательных веществ в полезную энергию АТФ

химическим реакциям, не только к тем, что проходят в живых

клетками вашего тела до

клетках .

по-прежнему, функционировать исправно (перегреваться, за­

20%?

Будет ли ваше тело, устроенное

Ж. Холоднокровные животные уступают по своей энергетике те­

мерзать)?

плокровным . Они выделяют в окружающую среду меньше тепла,

Д. В спокойном состоянии человек гидролизует около

и это снижает их способность синтезировать упорядоченные ма­

за каждые

24

40

кг АТФ

ч. Окисление какого количества глюкозы дает та­

кромолекулы .

кое количество энергии? (Указание: для расчета молекулярной

3. Сопряжение реакции Х-+ У со второй , энергетически выгод­
ной , реакцией У -+ Z будет сдвигать константу равновесия первой

значения атомных масс для атомов Н, С ,

Реакции .

ответственно,

ВОПРОС3-11

ВОПРОС3-15

Рассмотрим превращение Х -+ У на рис. 3-18. Предположим,
что все отличие молекул Х от У заключается в наличии в У трех
водородных связей, которых нет в Х. Каким будет соотношение
концентраций Х и У при равновесии? Подберите ответ, исполь­
зуя табл . 3-1 и считая энергию каждой водородной связи рав­

массы АТФ воспользуйтесь структурной формулой с рис.

1, 12, 14,

N, О и

2-23;

Р равняются, со­

16и31.)

Видный ученый сообщает, что вывел мутантные клетки, способ­

ные давать

57

молекул АТФ от

1 молекулы

глюкозы . Надо ли по­

здравить этого ученого с открытием или вы подозреваете здесь

ошибку? Ответ обоснуйте .

ной 1 ккал/моль. Как изменится соотношение концентраций при

ВОПРОС3 - 16

Равновесии по сравнению с первым вариантом условия, если в
молекуле У есть шесть водородных связей, которыми она отли­

двумя состояниями, различающимися стандартной свободной

чается отХ?

энергией

В простой реакции А ~ А * молекула совершает переходы между

А.

ВОПРОС3-12

Белок А связывается с белком В , они образуют комплекс АВ .
Клетка содержит равновесные концентрации белков А (1мкМ), В
(1МКМ) и комплекса АВ (продукта связывания А с В; тоже 1мкМ) .
А. Пользуясь рис. 3- 19. вычислите константу равновесия реак­

G' на 4,3 ккал/моль (у А она выше).
Используя табл. 3-1 , определите, во сколько раз больше моле­

кул будет находиться в состоянии А* при равновесии .
Б . Если в присутствии фермента энергия активации этой реакции

снизится на

2,8

ккал/моль, как от этого изменится равновесное

соотношение концентраций А и А* ?

ции А+ В ~ Ав .

ВОПРОС3-17

и АВ) присутствуют в более низкой концентрации , по 1 нМ каж­

сильный яд, состоит из одного этапа. Единственная реакция

дого?

этого пути крайне энергетически невыгодна. В клетках гриба

Б. Какой будет константа равновесия, если те же вещества (А, В
В . Сколько дополнительных водородных связей понадобится для

связывания А с В , чтобы при этой более низкой концентрации ве­
ществ концентрация комплекса АВ в клетке оставалось такой же,
как при их исходной концентрации? (Каждая водородная связь
дает 1 ккал/моль энергии . )

ВОПРОС 3-13

Прокомментируйте утверждение: « Будет ЛG больше, меньше

или Равным ЛG' - зависит от концентраций веществ , участвую­

Путь биосинтеза, превращающий метаболит гриба в очень

она идет за счет гидролиза АТФ . Представим себе мутацию,
которая мешает ферменту использовать АТФ , но не исключает
катализа.

А. Как вы думаете , насколько опасно будет съесть такой гриб?
Подкрепите свой ответ оценкой, насколько меньше яда будет

продуцировать организм гриба с такой мутацией (исходя из
предположения , что реакция находится в равновесии и что боль­

шая часть энергии , запасенной в АТФ , в норме расходуется на
обеспечение невыгодной реакции) .

щих в реакции » .

Б . Что вы скажете про другой мутантный гриб , чей фермент со­

ВОПРОС 3-14

100 раз медленнее?

окислении одной молекулы глюкозы , если полное окисление

ВОПРОС3-18

полезная химическая энергия гидролиза высокоэнергетической

цию АТФ

А. Какое максимальное число молекул АТФ можно получить при
1

Моль глюкозы до СО 2 и Н 2 0 дает 686 ккал свободной энергии , а

:Осфатной связи 1 моль АТФ составляет 12 ккал?

· Как мы увидим в гл. 14 (табл . 14-1 ), клеточное дыхание позво­
ляет продуцировать 30 моль АТФ на 1 моль глюкозы. Сравните

прягает реакц11ю с гидролизом АТФ , как в норме , но работает в

Рассмотрим два фермента, А и В . Фермент А катализирует реак­

+ ГДФ

~ АДФ

+ ГТФ,

а фермент В

-

реакцию НАД·Н

+

НАДФ• ~ НАД• + НАДФ· Н. Попробуйте разобраться в возможных
последствиях работы каждого из ферментов . Выиграет клетка
или понесет потери?

Вопросы в конце главы

11 5


ВОПРОСЗ-19

ВОПРОСЗ - 23

Прокомментируйте утверждение : « Ферменты и тепло схожи в

А. Значения скорости реа кции

том, что ускоряют реакции , которые , с точки зрения термодина­

том Е , были получены для условий , в которых образовывалось

мики вполне позволительны , но которые , тем не менее, не идут

очень мало продукта . Вот результаты измерени й:

с ощутимой скоростью , потому что характеризуются большой
энергией активации . Это сходство дает основания полагать , что
болезни , которые лечатся осторожным подогревом организма

S-

Р, катализируемой фермен­

Концентрация

Скорость

субстрата (м к М)

реакции (м кмоль/мин)

(например , те , от которых помогает прием горячего куриного бу­

0,08

0,15

льона) , проистекают от недостатка функции ферментов » .

0,12

0,21

0,54

0,7

ВОПРОСЗ-20

Кривая, изображенная на рис.

3-24,

описывается уравнением

Михаэлиса-Ментен:

скорость =

VmaxlS]/([S] + Км ) ,

Удостоверьтесь , что качественные характеристики ферментатив­

ных реакций , данные в тексте , на самом деле соответствуют этой

1,23

1,1

1,82

1,3

2,72

1,5

4,94

1,7

10,00

1,8

формуле . В частности, проверьте, как будет вести себя уравне­
ние при концентрациях субстрата

[S] : (А)

сильно меньшей , чем

Км, (Б) равной Км, (В) во много раз большей Км,

По этой таблице начерти те график и используйте его для оценки

Км и

Vmax этого фермента .

Б. В разделе ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ на с .

103- 105 рассказывалось,

ВОПРОСЗ-21

что для более точного определения эти х величин использует­

Скорость простой ферментативной реакции задается стандарт­

ся хитрый прием . Уравнение преобразуют так , что его график
представляет собой прямую. Простым преобразованием полу­

ным уравнением Михаэлиса-Ментен :

скорость =
Если

Vmax

Vmax[S]/ ([S] + Км ),

фермента равняется

секунду) , а Км =

чаем 1/скорость = формула , а это уже уравнение вида у = ах+ Ь.

100

Рассчитайте 1 /скорость и

мкмоль/с (сто ми кромоль в

1 мМ (один миллимоль), при какой концентрации
50 мкмоль/с? Начертите график

субстрата скорость будет равна

1/ [S]

для данных из пункта (А) и по ­

стройте графи к соответствующей зависимости в новой систе­

ме координат. По получившемуся графику определите
(по пересечению прямой линии с осью ординат, где

Vmax и Км
1/ [S] = О , и

зависимости скорости реакции от концентрации субстрата для

по ее наклону соответственно) . Согласуются ли ваши результа­

значений

ты с оцен кой , полученной при анализе первого графика , начер·

10 мМ . Переведите этот график в систему
1
(скорость)- 1 от [S]- • Получилась ли прямая линия?

[S]

координат

от О до

Объясните почему.

ченного по исходным данным?
В . Как утверждалось в пункте (А) , реакцию проводили в таки х
условиях , что продукта получалось очень мало . Почему это

важно?

ВОПРОСЗ-22

Выберите правильные варианты ответов и обоснуйте свой вы ­

Г. Предположим , работа фермента регулируется : при его фос ­

бор : « При

форилировании Км увеличивается в

[S]

сильно меньшей , чем Км, у большинства молекул

фермента активный центр занят/свободен. Когда

[S]

во много

3 раза ,

а

Vmax

не меняется .

Это активация или ингибирование? Начертите график работы

раз больше , чем Км, скорость реакции ограничивается концен ­

фосфорилированного фермента в координатах (А) и (Б) , где у вас

трацией фермента/субстрата ».

уже начерчены графики для ситуации до фосфорилирования .

116

ГЛА ВА З. Энергия, катализ и биосинтез


ФОРМА И СТРОЕНИЕ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ
КАК РАБОТАЮТ БЕЛКИ

КАК РЕГУЛИРУЕТСЯ РАБОТА БЕЛКОВ
КАК ИЗУЧАЮТ БЕЛКИ

раторы л юминесценции и т. п. Если мы хотим разоб рать ­
ся в том, как работают ге ны , со кращаются мышцы , каким
образом не рвы проводят электричество, если мы хотим

понять разв ити е эмб риона и работу наш е го собстве нного
тела, надо обязатель н о п онимать особенности белков.
Многооб раз и е
( ВКЛАДКА 4-1 , с.

фу1-~кций ,

118- 119), -

выпол няемых

белками

следстви е огромного чи сла

вариантов простра н ственной орга низа ции и х мол екул .

Когда мы смотрим на клетку в микроскоп ил и регистри­

Поэтому расс каз об этих замечателr, н:ых макромолекулах

руем клеточную активность (биохимическую, эле ктри ­

следует на чинать с опи са ния их про стра н ств е н11ой орга­

ческу ю и л и другую ), мы н абл юдаем не что иное, как эф­

низа ции и с войств, которые она обеспечивает. Н е много

фекты при сутствия белковых молекул. Белки служат

разоб равшие ~, со стру кту рой , п е рейдем к функциям бел­

«I<ирnичиками >>, и з которых ст роится клетка, и состав ­
ляют основную ч аст ь сухой массы кл еток . Белки н е толь­

ков: попробуе м представитr, себе, каким образо м одни из

l<о о пределяют внеш ний облик и структу ру клетки, но и
вьн1олнюот в н ем нес метное чи сло функций . Фермен­
ть~ (e11zy mes) созда ют условия для быстрого протека ния
вн утрикл еточны х химич еских реа кций. Мол екул ы фе р ­
Ме~-гrов им е ют точн е йшим образом подогн анны е рельеф­

ны е участки поверх ност и , избирательно свя зывающие
мо;~екул ы субстратов. Кроме фе рм е нтов в клетках м1-юго
других белков. Во всех клетках есть белки, погруженные
в llлаз матическую мембрану ; они образуют в м ем б ране
каналъ1 и н асосы , опосредующие потоки малых молекул
Между клеткой и вн ешне й средой (в частности , импорт
Молекул питателы1ых веществ). Многие белки занимают­
ся. передачей сооб ще ний м ежду клетками либо действу ют

них катализируют х имич ес ки е р еа кции , д ругие г~ е рекл ю­
LJают с и1' н а;1ы, трет 1, и

ге н е рир ую т согласованные движе­

r-rия и т. д . Потом узнаем о не которых способах, которыми
клетки контролируют а ктивность и

м естоположе ни е со­

де ржащихся в них белков. В конце главы будет дан крат­
кий обзор методо в работ ы с белками, в ча ст ности методов
выделения из тканей и л и культур кл еток, а также методо в

и ссле11ования структу ры бел ка.

ФОРМА И СТРОЕНИЕ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ
С позиций х имии, белки имеют гораздо более сложную

структуру и большее многообраз и е свой ств , чем любой дру­
гой класс молекул . Это н е та к уж удивител ьно , есл и учесть,

l<ак при емны е устройства, прини.мающи е сиг н алы, преоб­
~азу10щие и п ередающие и х от м ембраны в ядро клетки .

что структура каждого белка вм есте с его активностью

сть белки , которые действу ют н а подоб и е крохотных м е­

жение милл иардов лет эволюции . Для начала опишем, как

ханических машин с подвижными частями: кинезин про­

дВl1rает орган еллы сквоз r, цито пл азму, а хеликазы в ядре

Разнимают дво йны е цепи ДНК Особые белки выполняют
множество других функций - действу ют как антитела,
токсины , гормоны, а~rтифризы, эластичны е волокна, гене-

разв ивалась и под ве ргалась тонкой настройке в продол­
каждо е звено длинной це почки а миноки слот вносит свой

вклад в прост ранственный облик будущего белка, как эта
линейная цепочка прев ращается в сложную трехм ерную

структу ру, стабилизированную н ековалентными взаимо­
действиями м ежду разными частями огромной молекулы.


катализ

разрыва
зования

или

обра­

обеспе ­

ковалентных

чение механической

связей .

опоры клеткам и ткоживые

клетки

содержат

ты­

колла­

сячи различных фер­

ген (collogen) и элас­

ментов, каждый из ко­

тин (e lostin) являют­

торых катализирует одну конкретную реакцию . В качестве при­

ся

обычными

ком­

мера можно привести триптофонсинтетозу (triptophon synthetose),

понентами

которая умеет синтезировать аминокислоту триптофан. Пепсин

точного мотриксо . Они образуют волокно в сухожилиях и связ­

(pepsin) расщепляет белки пищи в желудке. Рибулозодифос­
фоткорбоксилозо, « РуБисКо» (ribu lose Ьiphosphote corboxylose)

ках. Внутри клеток тубулин (tubulin) образует длинные, жест­

помогает переводу углерода С0 2 в сахара в хлоропластах рас­

внекле-

кие микротрубочки, о актин (octin) образует филоменты , кото­
рые подстилают и поддерживают плазматическую мембрану .

тений. ДНК-полимерозы (DNA-polymerose) удваивают ДНК, про­

а -Кератин (a -kerotin) образует волокно, упрочняющие эпите­

теинкинозы (protein kinose) присоединяют к молекулам белков

лиальные клетки, и является основным белковым компонентом

фосфатные группы .

волос и рогов.

перенос

обе­

малых
спечение

молекул или ионов .

ПРИМЕРЫ : в кровотоке сы­

вороточный альбумин (serum

olbumin) переносит липиды,
гемоглобин (hemogloЬin) - кислород, тронсферрин (transferrin) - железо . Многие белки, погруженные в клеточные мембра­

ний

в

движе­

клетках

и

тканях.
MИO­

(myosin)
клетках

в

попереч­

ны, транспортируют сквозь них малые молекулы и ионы . В каче­

нополосотой

стве примера можно привести бактериальный белок боктериоро­

скулатуры

допсин (bocteriorhodopsin); это активируемый светом протонный

спечивает

му-

обе силу

насос, который транспортирует ионы н • из клетки . Транспортер

ля

глюкозы (g lucose corrier) перекачивает глюкозу то внутрь клеток

ий,

печени, то во внешнюю среду. Кальциевый насос (Са 2 • pump) в

ых телом

мышечных клетках закачивает ионы кальция, необходимые для

ротрубочкоми для

запуска мышечного сокращения, в эндоплозмотический ретик у-

dynein) обеспечив

всех

движе­

производи ­
человек

ЗАПАСАЮЩИЙ
БЕЛОК
паса

малых

хранение

за­

молекул

или

железо

ФУНКЦИЯ : передача
сигнала

от

клетки

к

многие

хра­

нится в печени в комплексе

гормоны

с небольшим белком фер­

роста ,

ритином (ferritin) . Оволь­

щие физиологические

бумин (ovolbumin) яичного

функции в организмах животных, являются белками . Ток, неболь­

белка используется эмбри­

шой белок инсулин (insulin) контролирует уровень глюкозы в кро­

оном

ви . В развивающемся эмбрионе белок нетрин (netrin) обеспечивает

птиц

в

качестве

ис ­

и

факторы

координирую ­

для

правильное направление роста аксонов нервных клеток . Фактор

развития. Казеин (cosein)

роста нервов (nerve growth foctor, NGF) стимулирует некоторые

молоко служит источником

типы нервных клеток к отращиванию аксонов, а эпидермальный

аминокислот

фактор роста (epidermol growth foctor, EGF) стимулирует рост и

точника

аминокислот

детенышам


По н има ни е структу р1,1 белка н а атомном у ро в н е позвол ит
н а м разобраться в том, как структура беJJка детерми н ир у­
ет е го функцию в клет ке .

прием

и

регистрация

налов,

сиг­

передача

клеточ н ым

их

системам

обеспечения ответа .

ПРИМЕРЫ : родопсин
(rhodopsin) в сетчат­
ке глаза детектирует

свет.

Рецептор аце -

тилхолина (acetylcholine гесерtог) в мембране
клетки получает химические сигналы, исходящие из нервно ­

Форма белка задается его аминокислотной
последовательностью

Ка к б ы ло сказа н о в

r11. 2, белки состоят и з н або ра 20 ам ино ­

кислот, у каждой и з котор ы х есть свои собстве нны е хими­

ч еск и е с вой ства. М олекула бе;ша (ргоtеi п ) включа ет а ми1 юкис1ю1ъ1 , соедине11н ы е м еж1tу собой ковале н тн ы ми п е п ­
тидными

свя зями

в дли нн ую

н е р азветвле нн у ю

ц е п очку

( РИС. 4-1 ) . С уч етом этого белки ч асто наз ыва ют полипеп­
тидами и л и полипептидными цепочками

(polypeptides). В

каждой конкретной раз новидности бе1 1 ка ам ин окислот ы

го окончания . Рецептор инсулина (insulin гесерtог) заставля­

ра с положе ны в строго о п р еделенном п орядке, им е н уе мом

ет клетку печени отвечать на гормон инсулин поглощением

амино,сислотной последовательностью . У всех мол екул

глюкозы . Адренергический рецептор (adrenergic гесерtог)

белка ко н кретн ой раз ,-ювидност и аминокислоп,ы е после­

на сердечной мышце , связавшись с адреналином, заставляет

дователыю ст и полност ыо со вп ада ют. Наприм е р , у всех

сердце биться чаще.

м олекул

ин сул ина

ами н окислот ная

п оследователь н о сть

одн а. Идеитифицированы многи е тысячи разл ичных бел 1<0в, каждый со с вое й у ник аль II ой, отличной от д ру ги х

БЕЛКИ­

аминокислотной последовате1 11, н остыо.

РЕГУЛЯТОРЫ
АКТИВНОСТИ
ГЕНОВ

В любой п олиле п тид н ой це по ,1ке есть << остов ~>, оп ор­
н ая ос ,,, образова нн ая совместно все ми аминокислотами,

связыва­

ние с ДНК для вклю­

чения

и

глицин

выключения

генов.

ПРИМЕРЫ : репрессор
лактозноrо

(lactose

бактерий

оперона

у
выключает

repressor)

гены ферментов, рас-

щепляющих сахар лактозу. Множество различных белков, со­
держащих гомеодомен (homeodomain proteins), работают пере ­
ОБРАЗОВАНИЕ

ключателями генетических программ развития, контролируя

ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ

Развитие многоклеточных организмов, в том числе человека .

вода

С ВЫДЕЛЕНИ Е М
воды

БЕЛКИ С ОСОБЫМИ
ФУНКЦИЯМИ
ФУНКЦИЯ : любая (все, что не
подходит под определение ра­
нее перечисленных функций).

ПРИМЕРЫ : организмы про­
дуцируют множество белков с совершенно особыми свой­
ствами . Эти молекулы иллюстрируют собой то поразительное
Многообразие функций, с которыми могут справляться белки .
Белки-антифризы (antifreeze proteins) арктических и антар­

ктических рыб защищают их кровь от замерзания . Зеленый

Флуоресцентный белок (gгееп

fluorescent protein) медузы ис­
пускает зеленый свет. Белок монеллин (monellin), выделенный

Из африканского растения, обладает интенсивным сладким
вкусом . Мидии и другие морские организмы секретируют
специальные клейкие белки (glue proteins), которые прочно
Удерживают их на поверхностях камней даже в морской воде .

п е птидн ая связь в глицилаланине

РИС.

4-1.

Аминокислоты соединены пептидными связями . Ко ­

вал ентная п е п тидн ая связь образ уется , когда атом углерода, пр инад­
лежа щи й карбоксильной группе одно й аминокислоты , обобществляет
электроны с атомом азота из аминогруппы второ й аминокислоты . Эта
реакция конде н са ции идет с выделени е м молекулы воды . Атомы угле ­
рода выделены серым, атомы азота синим , кислор ода крас ным , в одо ­

рода белым.

Форма и строение белковых молекул

119


(А)

метионин

асп:J~~~~вая лейцин

входящими в состав белt<а, к которой 1< ре пятся и х радиt<а·

тирозин

л ы, ил и боковые группы . Остов полипептида (polypeptide

(асп артат)

о" /о

он

осевая часть полипептида
\

9
I

backbone) состоит из повторяющейся

~

0

одних и тех же це11 тральных атомов всех аминокислот, об­

радикалы--- У

разующи х пол и пе птидну ю це почку. От этой 1:и бкой опоры

l

СН 2 ( бо ковы е группы ) СН 2

н н о
н1 н1 о11
о0 ка рбо- _
/
ко~~ц н -7-dc -cl7 -9 -?iJN -dC -c~1 - 1-с', ~~~льныи,
® 1 1 11
Н

Н

Н2

с!н
1
S

Н

О

пептидные
связи

2

Н

Н2

tн
НзС

/ "

6нз

последователыюсти

Н

О

С-конец

пептидная связь

отходят боковые группы (радикал ы) , н е участвующие в
образован ии пептидной связи ( РИС . 4-2). Кажд ый радикал
придает своей аминокислоте ун икальны е свойства. Одни

радикалы н п олярны и, соответствен ~IO, rидрофобны ( << бо­
ятся воды ,> ), другие н есут положитель ный л ибо отрица­
тельный за р яд, третьи склон н ы всту пать в опр еделе !il-rЫ

хими ч ес ки е реакции и т. д. Структур н ы е формулы амино­

СН 3

ки слот, и з t<оторых состоят белки, были представле ны н а
вкладке

ос е вая ч а сть п олип е птида

2-5 ( с. 78- 79).

В табл ице н а РИС . 4-3 да н пepe tre НI,

аминокислот с двумя системами их кратких обозначений.

Дли 1н1ые

(Б)

полипептидны е

це почки

очень

гибкие:

многие ковалентиые связи, которыми соединены атомы

углерода в остов е лротяженной полипептид н ой це по ч ­

ки, лоз воляют атомам свобод но вращаться. За счет этого
моле кулы белков мо 1·ут при н имать самы е раз н ые формы;
(В)

Asp

Met

Туг

Leu

теоретически каждый белок может сворачиваться огром ­
ным числом способов. Форма каждой свернутой поли­

Белок состоит из аминокислот, соединенных в поли­

пептидной цепочки поддерживается множеством слабых

пептидную цепочку. (А) Амин ок и слоты соединяются в ходе реак ции ,

нековаленти ых взаимодействий между ее частями. В этих

и зображе нно й на ри с.

вз аимодействиях уt1аствуют как атомы, при~-1адлежащие

РИС .

4-2.

4-1 . В результате многи х соединени й образуется

остов п олип е птида с повто р яю щейся ст руктуро й ( серые прямоуголь ­

остову полип ептида , так и атомы радикалов. К н екова­

ни к и ), от которо го в стороны отходят ради калы а мино к ислот. Здесь

лентным связям, которые помо~-ают белкам подде рживат 1,

и зображе н коротк и й п е птид и з ч етырех а мино к и слот. Обычно в белках

определе нную форму, относятся водородные связи, эл ек­

н асчи тываетс я по н есколь ко соте н амин ок и слот. Два конца полип е птид­

тростапr tr е ские притяжения и ван -дер - ваальсовы вза имо­

но й цепоч к и разли чны по хими че с кой природе: тот, что н ес ет с вободную
друго й кон е ц, несущи й свободную ка рбо кс ильную группу ( - Соо- ; также

действия; все они были описаны в гл. 2 (см. вкладку 2-7,
с. 82- 83). Поскольку сами по себе иековале нтные связи
го раздо слабее, чем коваленп1 ые, их требуется о ч ень мно­

за пи с ы ваетс я как - СООН) ,

карбоксильным концом , или С -концом .

го, чтобы проч,ю удерживать рядом два участка поли п ен­

а миногруппу (- NH/; также за пи с ывается ка к - NH 2) , н азы ва ют N -концом ;

-

( Б) Положе н ие х имич ески раз нородны х (на прим е р , полярны х и н е по ­

тида. Поэтому стабильносп, каждого варианта укладки

лярны х ) амино к и сл отных ради калов придает каждо му бел ку е го и нди­

полип п тидной цепочки в молекулу белка будет оп реде­

видуальны е с во йст ва . ( В ) Ами н окислотн ая п оследо вател ь н ость б елка

ляться об ще й силой большого trисла ~, е ковалентных взаи­

все гда за п ис ы вается , н ач иная с N- кон ца , и ч итаетс я слева на пра во .

модействий ( РИС. 4-4).

АМИНОКИСЛОТА

БОКОВАЯ ГРУППА

АМИНОКИСЛОТА

БОКОВАЯ ГРУППА

Аспарагиновая кислота

Asp

D

отрицательный заряд

Аланин

Ala

А

Глутаминовая кислота

Glu

Е

отрицательный заряд

Глицин

Gly

G

неполярная

Аргинин

Arg

R

положительный заряд

Валин

Val

V

неполярная

Лизин

к

положитеnьный заряд

Лейцин

Leu

L

неполярная

Гистидин

Lys
His

н

положительный заряд

Изолейцин

lle

Аспарагин

Asn

N

незаряженная полярная

Пролин

Pro

р

Глутамин

Gln

а

незаряженная полярная

Фенилаланин

Phe

F

неполярная

Серин

Ser

s

незаряженная полярная

Метионин

Met

м

неполярная

Треонин

Thr

т

незаряженная полярная

Триптофан

Trp

w

неполярная

Тирозин

Туг

у

незаряженная полярная

Цистеин

Cys

с

неполярная

ПОЛЯРНЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ
( гидрофильны е )

РИС.

L_

неполярная

неполярная
неполярная

Н ЕПОЛЯР Н ЫЕ АМИНОКИСЛОТЫ __J
(гидрофобные )

4-3. В белках присутствует двадцать разновидностей аминокислот, по десять с полярны­

ми и неполярными радикалами. Каждой аминок и слоте соответствуюттрехбуквен ное и однобуквен ­

ное обозначе ния, котор ые даны в таблице. Структурные химические формул ы аминокислот приведены
на вкладке

120

ГЛАВА

2-5 (с. 78- 79).

4. Структура и функции белков


глутаминовая к ислота

электростатические
притяжения

R

ван -дер-ваальсовы

взаимодействия (притяжения)

валин

аланин

РИС .

4-4.

В сворачивании (фолдинге) задействованы три типа нековалентных связей. По от ­

дельности эти связи совсем слабые, но их сово купность обеспечивает прочное связывание частей по­
липептида и стабилизацию е го пространственной структуры . Это по казано на примере сворачивания
н ебольшого полипептида (в центре ) . Ради калы амино к ислот обозначены буквами
имодей ствия тоже способствуют сворачив а нию (см . рис.

Есть еще четвертый тип нековале ,пных взаимодей­

R.

Гидрофобные вза ­

4-5).

к и слот. Неполярн ые (гидрофоб ные) бо ко вые группы фе ­

ствий, так называем ы е гидрофобные, также играющие

нилалан и н а, лейцин а, в алина, три птофа н а, как пр авило,

важную роль в фо рми ровании облика молекул ы белка. В
водной с реде гидрофобные хими ческие группы (в да нном
с.тrучае , н еполярные боковы е 1'ру 11пы некоторых ами н о­
ки.слот) ~стремятся~> к сближени ю, так как 1три этом м ин и­

оказываются во внутренни х областях моле1<улы белка

мизи руется их разру ш ительное воздействие на сетку во­
до родных связей в самой воде ( см. вкладку 2-2, с . 72- 73).

с молекулами воды. ~ заправленны е~> вн утрь белка гид ро ­

(подоб н о тому как гидрофобные капельки масла слива­
ются, образуя одну большую каплю ) , подальш е от по верх ­
ности макромоле кулы, где им труд нее избе гать конта ктов

фобн ые радикалы получают возможность избегать кон­

Гiоэтому в укладке л юбого белка важнейшим факто ром

тактов с водиой внутриклето чной с р едой

я вля ется рас пределе н ие п оляр ных и неполярных ами 1-ю-

В противо положность гидрофоб ным радикалам, поляр-

полярны е

неполярные

Радикалы

радикалы

РИС.

4-5.

-

цитозоле м .

Гидрофобные взаимодействия спо­

собствуют укладке белков в компактные кон­
формации. Полярные радикалы склонны занимать
места на внешней поверхности свернутого белка,
где можно взаимодействовать с водой ; неполярные

ради калы уходят вглубь, где они образуют компакт ­

ную гидрофобную сердцевину, в которой плотно
полярные радикалы

гидрофобная

на внешней

внутренняя

поверхности

область содержит

молекулы могут

в себе неполярные

образовывать

ради к алы

расположенные атомы « прячутся » от воды . На этой

очень простой схеме и зображен бело к всего из

30

аминокислот.

водородные
связи наружу

полипептид до укладки

после укладки , в водном растворе

Форма и строение белковых молекул

121


(А) прионовый белок может перейти в
ненормальную , неправильно уложенную форму

ВОПРОС4 - 1

А В эксперименте , изображенном на рис . 4-7, использовали

rl' мочевину. Ее молекулы раз рушают сетку водородных связей ,

очень редкое

8

конформационное

образованную молекулами воды . Почему высокая концен ­

трация мочевины может вызвать денатурацию белков?

изменение

нормальный

ненормальная ,

белок РгР

прионовая форма белка РгР

(Б) неправильно уложенный белок может
индуцировать образование белковых агрегатов

Геометрия белковых молекул
очень сложна и разнообразна
По своему м н огообразию белки н амного п ревосходят все
д руг и е молекул ы клет ки. Размеры бел ков н аходятся в
пределах от

у

30 до более чем 10 ООО аминокислот, но боль­
- от 50 до 2000

шинство п о падает в более узкий интервал

аминокислот. Белки бывают глобуля рными и ф ибрилляр­
н ыми, образуют филаме нты, плоск и е т,rсты , коль ца , т руб­
ки и сферы . На РИС . 4-9 п редставлен ы пример ы белков,

ч ья ст руктура хо рошо и зучен а. В этой главе м ы не будем
упускать их и з виду, и: в даль ней шем изложе ни и Оt!И тоже

нам понадобя тся.

гетеродимер

неправильно уложенный

j

Выяснен и е структу ры белка обычн о на чинают с о п ре­

белок переводит обычный

делен ия его амин о к и слотн ой последовательнос т и . Раньш е

РгР в такую же дефектную

это т ребовало выделен ия очи ще н1-ю 1·0 белка и о пределе-

конформацию

1-, ия его ами н ок ислот х и мико-аналитическими методами .

Первы м белком с установленной аминоки слотн ой после­
дователь н ост ыо в
гомодимер

н а ши д н и

1955

г. стал гор мо н инсулии (in s нlin) . В

п орядок следова ния

аминокислот в

п ол ипеп ­

при переводе большого

ти де устанавл ивают на осн овани и н уклеотидной п осле­

количества РгР в

дователь н ост и ген а, который его коди рует ( см . гл .

дефектную форму
он начинает слипаться

в нефункциональные
с копления

-

агрега т ы ,

загромождающие ткань

......

10).

Как толь ко о пределен по рядок следования нуклеотидов в

ДН К , коди рую щей бело к , п оследователь н ость ами нокис­
лот получается авто м атически , ч е р ез пр име н ен ие у ни ве р ­

сал ьн ого генетИ"Ческо ,·о кода ( см. гл.
уста новле ны

амин о ки слотн ые

7). Именно так был и

последо в ательн ост и

мил­

лио нов разли чных бел ко в . Эти н оследовател ь ~юст и со­
браны в огромн ых электрон н ых база х данн ых, из кото рых
п ользо ватели могут в любой м омен т п олу ч ить их .
Итак, вся и н фо рм ац и я, требуемая для укладки (фол­

белковый агрегат

Рис. 4-8. Прионные заболевания вызываются некоторыми бел­
ками с «заразным» дефектом укладки. Из таких белков лучше всего
изуче н белок PrP млекопитающих, но есть и другие при меры . (А) В ре­
зультате изредка происходящего изменения конформации белок пре ­
вращается в прионную форму. (Б} Эта форма вызывает превращение
остального PrP, нормального и фун кционального , в такую же нефунк­
ционал ьную форму с дефектом укладки . Прионная форма образует в
Мозге за ражен ного жи вотного бел ковые агрегаты , нарушающи е работу
Мозга и приводящие к гибели .

ди 1-1га) полилептида, соде рж и тся в его ам и нокислотной

11 оследовател ыюст и. Но мы все е ще не умеем надежно

предсказыват ь ко н фо р маци ю белка во всех подробностях:
пока н е удаетс я расс чи татт, пр остр ан ственн ое р ас п оложе ­

ние атомов м олекулы белка, осн о вы ваясь и скл ючнтел ы-ю
на аминокислот ной п оследо ватель н ости. Необходим экс­
n е р и ментал ы-, ый подход; в настоя щее в р е м я о н вrопоча­

ет в себя две группы методов, кото рые м ы е ще обсудим
в этой главе. Это ре нтгеноструктур н ый ан ализ и Я М Р ­
спектроскоп ия (считывани е и анализ спектров яде рио L"о
.лtа rнип-юго резо на н са ) . На сегодн я шний де нь п р и п омо ­

э не ргетически выгод н ому пути (см. гл. 7). Участие ш а­
П еронов в свораtгиваи ии очень важн о: в тесноте и хаосе
Цитоплазм ы о ни 01·ражда1от только что синтезирован ные
11 0

щи этих мет одо в

в ыяс нен а детал ы-1 ая пр остр а н ственная

ст рукту ра пр имерн о

20

ООО различны х белков. У бол ь­

ш инства белков о на н астолько замы сло ватая и не регу­

ли пе птидные цепо чки от взаимодействи я с не 11равиль­
нъ~ми для н их парт н е рами. Тем не менее око н"Чательн ый
·rрехм.ер ный облик белка все-таки определяется н е ш а п е­
Ронами, а ами н окислотной п оследователыюстыо само­

л ярн ая, что для ее под роб1-ю 1·0 оп иса ни я п он адоб и лась бът

го бе11 ка . Шаперон ы лиш ь делают процесс свораtrивания

упростим себе зада ч у и проиллюст р и руем сказанное

(Фолдин га) более эффекrи в 1-1ы м и н адежн ым.

ц елая отдель н ая глава.

П осколъку в пространств е н ной структу р е к ру пн о-

1·0 белка
на

с ходу разобраться невозмож 1-10, мы несколько

примере

сравнитель н о

н ебольш их

разобще нны х

Форма и строение белковых молекул

123


SН2-домен
лизоцим

миоглобин

деэоксирибонуклеаэа

коллаген

перин

цитохром с

химотрипсин

кальмодул ин

аспартаттранскарбамоилаэа
инсулин

5 нм
РИС.

4-9.

Белки бывают самых разных форм и размеров. Различные полипе птиды в нативной кон­

форма ци и изображены в виде пространственных моделей , все в одном и том же масштабе . В верхнем ле­
вом углу изображен SН2-домен, « герой » вкладки

4-2 (с . 128- 129). Для сравнения приводится изображение
Springer Science апd
Business Media из : David S. Goodsell, Our Molecular Nature. NewYork: Springer-Verlag, 1996.)

участка молекулы ДНК (серого цвета) во взаимодействии с белком . (С разрешения

124

ГЛАВА 4. Структура и функции белков


боковая группа
аминокислоты

i
1

ород
родная

0,54

ь

а-спираль

нм

азот

(А)

(Б)

боковая группа
аминокислоты

1
1
0,7

/3-СЛОЙ

нм

(Е)

(Г)

РИС .

(д)

4-1 О.

Полипептидные цепочки часто образуют две разновидности упорядоченных повто­

ряющихся структур

-

а-спираль и ~-слой. (А-В) В а-спирали группа

N- H каждой

пептидной связи

соединяется водородной связью с группой С=О в другой пептидной связи того же полипептида, от­
стоя щей на четыре аминокислоты . (Г - Е) В р-слое сегменты полипептидной цепочки удерживаются во ­
дородными связями между химическими группами пептидных связей из разных сегментов, а радикалы
аминокислот при этом направлены то вверх , то вниз перпендикулярно слою. В приведенном примере

смежные сегменты идут в противоположных направлениях, образуя антипараллельный р-слой. На (А) и

(Г) в остове полипептида изображены все атомы , боковые же цепи обозначены буквами

R. На (Б)

и (д)

в остове полипептида изображены только атомы углерода и азота . На (В) и (Е) даны только стилизован­
ные изображения а- спиралей и р-слоев, принятые в ленточных моделях белков .

Форма и строение белковых молекул

125


белковых доменов

(protein

doшaiпs). Как уже у помина­

лось, большинство бел ков состоят из нескольких до­

В биологических структурах
часто встречают ся спирали

менов, каждый со своей достаточ но обособленной ком­
пакт1-юй про стра н стве нной структу рой . На ВКЛАДКЕ

(с.

128- 129)

4-2

Большое r<ОЛИLJ ество с пирал ев и д ны х элементов в структуре

пр едставле но Lfет ыре разных и зоб ражен ия

белковых молекул имеет свое объяснение. С пираль имеет

одного и того же домена, так н азываемого SН2-доме1-1а,

регулярную

характерного для сиrнал~, н ых бел ков эука риоти ч еской

цу ( РИС. 4-11 ). Она образу тся путем добавле ния похожих

кл етк и. Этот домен состоит из сот ни аминокислот, и

субъединиц с сохранением в точности одного и того же

на

ложения

рисунке

пр едставле на

модель

его

пол и п е rпид~юго

структуру

каждой

и

н апоминает

стул еньк и

винтовую

лестн1,1-

110-

относителыю предыдущей.

остова (А), ленточная модель (Б), затем << Проволочная ~,,

Субъед1,гницы редко соеди няются стро 1'0 по прямой л инии :

модель, включающая ра11икал ы ами 1юкислот (В) , и на­

обычно получается с пираль. В завис имости от направл е ния

конец модель с за полн ением пространства (Г). Как ска­

смещения стутт е н ек лест ницы спира.пь 11 азывают право- или

за но, каждая модель по зволяет подчерюtут1, ра зличн ы е

левозакручешюй (рис.

качества домена. Горизонтальные ряды и зображений по­

спирали н е меняется, ест1 п е р еве рнуть ее вверх 1-юrами, но

казывают SН2-домен в раз ных ориентациях; картинки

изменяется на противоположное в зе рка.11 1, ном отраже1-[и.и.

4-11, Д). Направление зак ручен ности

р аскраш е ны так, что можно про след ить ход остова поли­

В случае а-слирали оди~-1.очная полипелтидная це поч ­

пептидной цепочки от фиолетового N-конца до красного

ка, обвиваясь вокруг воображаемой прямой ли1-1ии, образу­

С-конца.

ет жесткий цилиндр [почти все а-спирали в белках право­

Вот сколь сложна конформация белка, даже если речь
идет о н еболь шом домене вроде SН2-домена. Для визуа­
л и зации систем такой сложности раз рабатываются специ­
альные графические средства и программное обеспе'-lение.

Они позволяют получить множество изображе1-1ий белка
(некоторые из них даны 1-1а вкладке

4-2).

~ Вращая ,> мол е­

кулу белка на экране компыотера, удобно вникать в раз­

закруч е 1111ые.

-

Прим. перев.]. За

ero формировани е отвеча­

ют водородные связи, в образовании которых задействова\

на каждая ч ет вертая аминокислота: С= О од 1-1их пе птидны х

связей взаимодействуют с

\

N- H

/

других (см. ри с.

4-10, А).

.

/
В результате образуется реrуля рJ-Lая спирал~,, н а каж;1ыи

виток которой приходится

3,6 аминокислоты ( ВИДЕО 4.2).

личн ы е ас п ект ы ее структуры ( ВИДЕО 4.1). Описание и
представлени е белковых конформаций можно существен­
но упростить, пр едва ритель но охарактеризовав н ес колько

наиболее распростран е нных паттернов укладки, лежащих
в основе м~-rогих конформаций; о них рассказывается в
следую щем разделе.

Типовые паперны укладки белков

-

а- спираль и j3-слой
При с равнении пространственных структур различных

белковых молекул выясняется, что су ществует два ти­
повых 11аттерна простра1-1ств енной укладки, чаще всего

встречающиеся в белках. Оба патте рна были открыты бо­
лее

50 лет назад при

изучении волос и шелка.

Первый патте рн, а-спираль (а

helix), был

лево-

впервые об­

наружен в структуре а-кератина (a-k гаtiп), l'Лавноrо бел­
ка кожи и ее 11рои звод 1-1ы х

-

право-

закрученная закрученная

(А )

(В)

(Б)

(Г)

(д)

волос, ноп·ей и рогов . Второй

паттерн, ~- слой(~ sheet), был открыт в том же году в белке

РИС .

фиброине (fibroiп), главном компоненте шелка. (Биологи

биологических структур . Спира л ь образуется из субъединиц, после ·

любят обозна'-lатъ новые объекты и закономерности 1'рече­

довательно связывающихся друг с другом по определенному шаблону

4~11 .

Спираль

-

р а спространенная форма упорядоч е нных

скими буквами, присваивая п е рвому открытому объекту

(А- Г). В самом низу показано взаимодействие двух субъединиц, на за·

данного класса букву а, второму

днем пл ане

-

~ и т. д.)

-

спираль, которая порождается связыванием субъединиц

Оба паттерна очень часто встречаются в структуре

по данным правилам. Эти спирали содержат на один виток, соответ·

белков, так как возникают вследствие образования водо-

ственно, две (А) , три (Б) и шесть субъединиц (В и Г). В верхней части

\
и С = О остова поли /

рисунка даны фотографии тех же спиралей при виде сверху, показыва·

пептидной цепо чки . По скол 1,ку в этих водородных связях

что у (Г) диаметр больше, чем у (В) при одинаковом числе субъединиц

не задействованы боковые rруттпы, геометрически иден­
тичные п аттерны в разных белках могут быть совсем не

эталона п олезно запомнить, что обычные металлические шуру п ы, кота·

похожи по ами11окислотному составу. Эти структу рны е

рые надо вворачивать по часовой стрелке , являются правозакрученны·

особенности и и с пользуемые при их изоб раже нии услов­

ми . Обратите внимание , что при перевороте нижним концом вверх на ·

ные обозначения показа ны на РИС. 4-10.

правление вращения спирали сохраняется.

родных связей м ежду группами

\

N- H
/

126

ГЛАВА 4 . Стру ктура и фун к ци и б ел ко в

ющие расположение субъединиц в витках по кругу. Обратите внимание ,
в их витках . (д) Спирали бывают право- и левозакрученные . В качестве


гидрофобн а я

ВОПРОС4-3

боковая группа

А Отходящие от осевой части полипептида ради калы амино­

rl' кислот в ~ - слое направлены поочередно то вниз , то вверх

8

перпенди кулярно плоскости ~ -слоя (см . рис .

смотрим аминокислотную последовательность

4-10, Г) . Рас ­

Leu-Lys-Val-Asp-lle-

Ser-Leu-Arg-Leu-Lys-lle-Arg-Phe-Glu . Что особенного в таком поряд­
ке следования аминокислот в составе ~ -слоя? Мо ж но ли выс казать

предположение о расположении этого ~-слоя в белке? (Указание:
обратитесь к свойствам аминокислот, перечисленным на рис .

4-3.)

с п и ралей ~ об разуют структурн ую осн ову многих фибр ил­
ляр н ых белков. П р имерами служат тот же а-ке рат ин, об­
разу ющи й в нутриклетоtпtы е волою-та, которы е укре п ляют

н аружн ый слой кожи, и миозин

-

белок, обеспечиваю щи й

сокращеиие скелет н ых мышц ( см.гл.

/

фосфолипиды

17).

а- спираль

РИС . 4-12. Участок а-спирали может пронизывать липидный би­
слой. Гидрофобные ради калы ам и нокислот, образующих а-спираль ,
контактируют с гидрофобными углеводородными «хвостами » молекул

Фосфолипидов . При этом гидрофильные части остова полипептида об­
Разуют водородные связи друг с другом внутри этой а-спирали . Чтобы
п ройти мембрану насквозь , требуется о коло

20 а м и нокислот.

l

Особе н но мн ого ко ротких а-с п и ральных у ч астков
в Мембра н ных белках, наприме р трансп о ртн ых белках
11 рецепторах. Как мы уз нае м из гл . 11 , а-с пи раль н ые
Участки тра н смемб ран r-1ы х белков об ы чно прониз ы вают
л нп идный б и слой. Такие а-спи рали состоят 1·лав~-1ы м

11

J

образом и з ам и нокислот с н еп оля рным и радикалам и :

спирали закручиваются одна во к руг

гидрофилыr ый остов полиrте ,п ида об разует водород ны е

связи сам с собой, а тор чащие в стороны н еполя р ные бо­
t<овые группы эк ра 1-1и руют его от гид рофобного л и п ид но 1·0 окруже н ия ( РИС. 4- 12).

У н екоторых белков есть особо проч н ый элемент струк­
туры: две или три а-спирал и , закручен н ые друг вокруг дру­
еа. Эту струюуру назы вают coiled-coil (что пример но п ере­
водится как <<с tш раль и з с п иралей ,> ). В ее образовании уча­
ствуют таr< и е а-сп ирали, у кото рых н е полярн ые боковые
t·руплы располагаются в витках друг под другом, с одной
стороны спирали. В структуре coiled-coil а-сп ирали п ри­

)Ким.аются д руг к другу как раз этими сторо нами, что ми­
Нt1миз ирует контакт гидрофоб ны х боковы х гру пп с вод ной
средой цитозоля ( РИС. 4-13). Прямые длин ные <<спи рали из

нм

другой для минимизации контакта

гидрофобных групп с водным

L__J
0,5 нм
(А)

РИС.

4-13.

(Б)

. . . Рассмотрите

модели белкового домена на вкладке 4-2
rl' (с . 128-129). Какие у него а-спирали - правозакрученные
8 или левозакрученные? Являются три цепочки , формирующие

самый крупны й участок ~ - слоя , паралл ельными или антипараллель­
ными ? Начина я с фиолетового N -конца, проведите пальцем вдоль
остова поли пептида. Есть л и та м узлы? Объясните поче му.

(В)

Перевиваясь, а-спирали образуют «спираль из спи­

ралей». ( А) У одиночной а-с пирали ради к алы сл едующи х друг за

другом семеро к амино к ислот обозн а ч е ны бу к вами

«abcdefg».

Вами ­

н ок и с лотной последов ательно ст и спир али амино к исл от ы «а» и

«d»

о ка зываются бли зк о друг от друга на поверх ности цилиндра , обр аз уя

к расную полос ку, котор а я обходит поверх ность а -спир ал и по проти ­
в ополо ж но н а правл е нной очень покатой спирали . У б ел ков , обра з у ­
ющи х « с п ираль .~з с пирале й» , ам и но к и слоты « а• и

ВОПРОС4-2

ноос соон

окружением

«d» обы чно

непо ­

лярны . З а сч ет этого дв е а- спирали могут обви т ься друг во к руг дру га;
н е полярны е ради калы одно й из ни х вз а имодействуют при этом с н е ­

полярными ради калами другой , в то вр е мя как боле е гидрофильные
р ади калы контактируют с водным о к руже ни е м . ( Б) Атомн а я стру ктура
«с пирали из спир а лей », состояще й из двух а- спиралей , по да нным
р е нтге новс ко й к рис таллографии . Красным цв етом отм е ч е ны непо ­

лярны е ради калы . « Спираль и з с пир ал ей » также может о б разоватьс я
и з тр ех а- спиралей ( ВИДЕО

4.3).

Форма и строение белковых молекул

127


(А) Остов, или « скелет » : показывает общую организацию поли ­

(Б) Лента : легки й способ ви з уали з ации элементов

пептидно й цепочки ; наиболее удобный способ сравнивать струк­

структуры

туры родственных белков .

- а- спиралей и ~- слоев.


(В) Проволока: позволяет показать расположение радикалов в

{Г) Объемная модель: позволяет поnучить контурное изображение

их бnижойшем окружении и судить о роли конкретных оминокис­

белка, почувствовать его форму, составить представление об ами­

nот в активности белка, особенно если это фермент.

нокислотах, выступающих но поверхность . Токую модель можно

охарактеризовать кок « впечатление, производимое беnком» но

другой белок или но небоnьшую моnекулу типа воды .


~ - Слои формируют жесткую основу
многих белковых молекул
Вернемся

к

вкладке

4-2,

,·де

представлена

структура

SН2-домена. В этом небольшом белковом домене есть и
а-спирали, и ~-слои возникают за счет образования водо­
р одаых связей между определенными сегментами пол и ­

пе птидной цепочки, лежащими бок о бок (см. рис.

4- 10, Г) .

Если сегм енты, образующие между собой водородные свя ­
зи, идут в одном и том же направлении (т. е. их N- и С-концы
смотрят в одни и те же стороиы), то ~ -слой называют парал­
лелыtъ!.М. Если же в ~-слое чередуются соседние сегменты
лол ипе птидной цепочки , на границах между которыми она

кажд ый раз поворачивает на

180°,

так что каждый сегмент

и дет навстречу предыдущему, такая структура будет назы­
ваться аитипаршtлелъиъш {3 -слоем (РИС. 4-14). В обоих слу­
чаях формируется очень жесткая с клад чатая структура. Во

многих белках ~ -слои образуют центральиую, сердцевин­
ную часть. Сердцевиной структуры SН2-домена служит
антипараллель ный ~-слой.

~-Слои имеют заме ч атеды-1ые свойства. Именно и х н а­

личие придает волокнам ш елка необычай ную прочность н а
раз рыв. Они помогают насекомым не замерзнуть при низ­
ко й температуре. У жуков, живущих в холодном климате,

1 нм

обнаружеи белок-антифриз, в котором серия п араллел ьных
~-слоев образует пл оскую поверхность на одной сто роне

РИС.

молекулы ( РИС .

4-15). По -в идимому, онаслужитпревосход­

верхность , идеальную для связывания льда . Ш есть п а р алл ел ьны х

иой платформой для связыва 1шя молекул воды в кристал­

тя жей ( красных ~-слоев ) об ра зуют пл оскую п о в е рх н ость. Н а н ее вы­

лической решетке льда. Залипая на к ристаллы льда, обра-

ходя т 1О синих гидро кс ильны х г рупп , пр омежутки между кото р ы ми со ­

4-15.

В белке-антифризе fl-слои образую т плоскую по·

ответствуют расстоя ни ю между молекул ам и воды в кристалли ческой
решетке л ьда . В си лу такой ст руктуры бел о к м о жет с вя зы вать кристал­
лы льда и п ре пятствов ать их росту. ( С раз р е ш ени я

MacMillan P u Ы is h ers

Ltd и з : У.С . Liou et al., Nature 406: 322-324, 2000.)

зующ иеся при охлаждении воды ниже точки заме рзания,

белок-антифриз не позволяет кристаллам расти

-

этим он

спасает клетки насеко мых от раз р у шения .

Белки имеют несколько уровней укладки
При рассмотрении структуры белка нельзя огра ничиться
о п исанием а-спиралей и ~ -слоев: в ней имеются более вьr­
сокие уровни организации. Эти уровни не незави симы , они
надстр аиваются оди~, над другим до тех пор, пока не зададут

трехме рн ую структуру целого белка. Первый урове нь

-

аминокислотная

кото ­

последовател ьно сть

полипептида,

это

рую наз ывают первич1юй структурой белка. К следующе­

му уровню организации структуры белка относятся знако·

мые нам а-спирали и ~ -слои, образуемые определенными­
сегментами полил еnтида . Эти пап·ерны рассматри ваются

как элементы вторичной структуры белка. Кроме уровней
первичиой и вторичной структур и,-югда говорят о

mpemutt·

1юй структуре белка, подразумевая строго определенную
РИС.

4-14.

fi-Слои бывают двух типов. ( А ) Анти п аралл ел ьн ый

пространственную конформацию , принимаемую полил ел­

(Б) П а р алл ельн ый ~-сл ой. О ба типа ч а­

тидом со всеми его а-спиралями , ~ -слоями, шарнирами- ,

сто в стр е ч а ютс я в бе л ках. Стр ел к и на правл е ны к С -кон цу п ол и п е п тида

петлями и складками, которые им образуются от N - коtШа

( ВИДЕО

4.4).

до С- конца во всех трех и з мерениях . Наконец, под четвер·

130

ГЛАВА 4. Структура и функции белков

~ - сл ой (с м. также р ис .

4- 10, Г ) .


тuчиой структурой 1юдразумевают структуру белково 1·0

компл екса, состояще го и з двух или большего числа поли ­
пс1пидных це п очек.

У структу ры белка естъ е ще некий 11огюл н ител ьный,
<< см ыс;ювой ,> раку рс, который н е вписывается в эту и е рар ­

хию и существу ет н езависи мо от н ее. Его важность выяв­
лс 1-rа в р езультате исследований ко~1 формации , функции и

эволю ц ии белков. Эта едини ца орга~rизации

-

белковый до­

меп (pгote in do in a iп) . По определению, до м еи может б ыт1,

образован люб ым сегме нтом полипептид 1юй цепочки , ко­
торый способен оп-юсителыю н езависимо укладываться
в компактную, стабилъную структуру, подоб н о тому как
это делает SН2 -домен

( см.

вкладку

4-2,

с.

шинство бел ковых доменов соде ржит от

(А)

128- 129). Боль­
100 до 250 ами­

(В)

(Б)

нокис;ют (образующих а-спирали, р-слои и другие эле­

РИС .

м енты вторич,юй структуры) . Домен ы служат модулями,

(А) Цитох ром Ь 562 , однодоменный белок и з клеток Е.

из которых состоят многие относительно крупные белки

ны й в переносе эл ектронов , почти полно стью состоит и з а-с пиралей .

( РИС. 4-16). Домены одного белка часто выпот-1 яют разные
Фушщ11и. Налриме р, в бактериальиом белке САР (от аигл.

(Б) НАД-свя з ыва ющий домен фермента лактатдегидрогеназы состоит

из а-с пиралей вперемешку с ()-слоями . (В) Вариабельный домен лег­

б лак-активатор генов ката­

кой цепи антитела (иммуноглобулина} представля ет собой сэндвич из

болизма) есть два доме на (см. рис. 4-16). Мен 1,ший 11з них

двух ()-слоев . Во всех трех примерах а-с п и рали даны зеленым, ~-слои

catabolite

acti vato г

4-17. Ленточные модели трех различных белковых доменов.
coli, задействован­

pl"Otein -

связывается с ДНК, тогда ка.к более крупный доме н служит

обоз начены красными стрелками. Выступ а ющие широ к ие петли ( жел­

для свнзывания циклического АМФ , внутриклеточной сиг­

тый цвет) часто содержат сайты св язывания для других мол екул . (С раз­

J·rальной молекулы. Когда большой доме н САР свнзывает

решения

Jane Richardson. )

цАМФ , конформацин белка меняется таким образом, что
Малый домен получает возможность связаться с конкрет-

Неболъшие молекулы вроде миоглобина, осуществля ­

1-1ым участком ДНК, активируя экспрессию сосед них ге­

нов . Во многих белках идентифицированы похожи е SН2 -

ющего

домены (см. вкладку

одному домену (см . рис.

4-2).

Они служат для осуществления

белок-белковых взаимодействий: белки связываются друг
с другом своими SН2 -доменами (см. гл.

16).

пер енос

кислорода в мышцах, содержат всего

4-9).

по

Более крупные белки могут

содержат~, десятки доменов, обычно соединеи и ых между
собой слабо свернутыми участками полипептидной цепи.
На РИС.

4-17 представлены ленточные модеJLИ трех доме­

нов с раз ной орга1ш зацией.

Лишь некоторые из множества возможных

белковых цепей имеют полезные свойства
Каждая 11з

20

аминокислот с их ярко выраженными хи­

мическими особенностями может стать любым по счету
звеном полипептидной цепочки . Поэтому всякий белок

а-спираль

может быть представлен как доволъно длинный набор из

20 значений;

~~

ности будет 20". Число вариантов пе рвичной структуры
тетрапе птида равняется 20 4 (20 х 2 х 20 х 20=160 ООО) .

IЗ-слой

вторичная
структура

общее число так 11х наборов поистине огром­

но. Если звеньев п, возможных вариантов последователь ­

Белок обычного размера, состоящий из
одиночный
молекула бел ка , состоящая
полипептидный домен
из двух разных доменов

РИс. 4-16. Многие белки состоят из обособленных функцио­
нальных доменов. Элементы вторичной структуры , к которым отно­
сят а-спирали и ()-слои , упакованы в компактные , стабильные доме­
нь, округлой формы . Сворачивание доменов происходит независимо .

Молекула белка может содержать один домен ; если доменов больше

одного , они соединяются участками полипептидной цепочки , которые
часто не имеют выраженной структуры . На ленточной диаграмме справа
показан бактериальный регуляторный белок САР, в котором есть один
Крупный доме н (показан синим) и один небольшой домен (желтый} .

соответствует одному из

300 аминокислот,
2300 (одному из 10390) возмож иых

вариантов полипепт11дной цепочки.

ВОПРОС4-4

'

А Случайные мутации очень редко приводят к таким изменени­

rl' ям в белке, которые увеличивают его значение для клетки.

8

Но эти редкие полезные мутации закрепляются отбором в

процессе эволюции . И все-таки они настолько редки , что на каждую
из них приходится огромное число других мутаций, которые либо

никак не совершенствуют белок, либо инактивируют его. Почему же
клетки не содержат миллионы различных бесполезных белков?

Форма н строен не белковых молекул

131


На деле оказ ы вается , ч то л ишь м алая доля гром ад 110-

rо числа воз можны х бел ковы х це п е й с пособ на к об разо ­
ва нию стабильной трехмерной конформации . Набе ре м
н аугад прои з вол ьн у ю последов ател ьность а минокисл от и

синтезируем бел ок с соответствующе й п е рви,л-rой струк ­

турой. Получе нное соед ин е ни е будет <~ ме рцать ,> м ежду
множ е ст вом разл ичных конформ а ций с прим е рно од ин а­

ковой низ кой стаби л ыюстыо и различJ-Jыми химич ес кими
свойствами. Ка к же полу чается, 'JТО большин ство настоя ­
щих белков , при сутству ющих в клетках, ха ракте ризуются

уникальными, строго определе 1-1 1-1 ыми стабильными кон­
формациями? Рассуждая от прот ивного , представим себе

клеточный белок с множеством различиых н еустойчивых
конформаций и и з менчивыми с вой ствами. Клетка вря д

ли сможет использовать такой белок. Он будет вести себя
как инстр у м ент, н епр едсказ уемо и

н еулравляемо ме няю­

щий форму: его трудно << заточить ~ на ч еткое выполне ние

конкретной функции. Поэтому такие белки отсеиваются

естественным отбором в ходе э волюции

-

длительного ис ­

пытания << методом проб и ошибок~ (см. гл.
Благодаря

естестве ~1 ~rому

отбору

9).

ами~-~окисJюп-rые

посл едовател ьности бол ьшин ства совреме нных белков
принимают чрезвы,rайно стабильную конформацию. Эта

конформация придает каждом у белку ч етко заданны

х и­

мич ески е с вой ства, опр еделя16щие вы 110лн еии е конкр ет­

ной функции. Молекулы белков ор 1°анизоваJ1ы настоль ­

РИС. 4-18. Сериновые протеиназы составляют отдельное с ем ей ство
протеолитических ферментов. На рисунке изображены «скелетные»
модели конформации двух представителей семейства сериновых п роте­
иназ, эластазы и химотрипсина . Несмотря на то что у двух белков совпада­
ют только аминокислоты, выделенн ы е зеленым , их конформации в целом

очень похожи . Активные центры ферментов обведены красным контуром:
там связываются белки , являющиеся их субстратами , и расщепляются по
механизму гидролиза. Н азвание «сериновые протеи н азы » происходит от
названия аминокислоты серина ; радикал серина из состава фермента за­

нимает особое место в его активном центре и непосредственно участвует
в реакции расщепл ения . П о правой стороне изображения химотрипсина
двумя точ ками отмечены два свободных конца, образовавшиеся в том ме­
сте, где фермент расще п ил собственный остов.

ко точно и тонко , что за м ена все го н ескол ьких атомов в

одной аминокислоте может нарушить органи зацию всей

и с кривл е ний и поворотов полип ептидных цепоче к се ри­

огромной мол екул ы и полностью блокировать фу нкцию

новых протеиназ дл иной в сот~1и аминокисл от (РИС. 4-18) .

белка. Многи е белковы е молекулы столь стабильны и эф ­

Н есмотря н а это сходство , ф е рмеитативная актив11ость

фективны, что оказались <<законсе рвирова 1-1ы>> э вол юци­

каждой конкретной се ри~-rовой протеаз ы им еет особе нно ­

ей и выпол няют одну и ту же функцию у самых раз ных

сти. Каждая протеаза обл адает спе цифичностью к с воим

организ мов .

структуры

субстрата м или к пепти дным свнзям между конкретными

ДНК- связыва ющих доменов бел ков а2 дрожжей и белка

ви11а ми аминокислот. Н ебольши е структурJ-1ы е различия

дрозофи л ы

поз вол я ют членам сем е й ства изб ирательн о де й ствовать

Наприм ер ,

Engrailed

пространстве нны е

практически полностью взаимоза ­

Мб1я емы, хотя посл едний общий предок этих органи з мов

на с вои су бстраты , тю< что каждая проте ин аза выпол ня ет

проживал на Земл е более милли арда лет назад .

свои особы е фу нкции в ор1'а~1и з м е.

Белки группируются в семейства

Крупные белковые молекулы часто содержат

Коль скоро эвоюоция произвела очередной белок со ста­

несколько полипептидных цепей

бильной конформацией и rюлезными свойствам.и, она может

Те же сл аб ы е н е ковал е нтные с вяз и , что позвол яют поли­

перенаправить его на вьuюшrение новых фушщий, более ил и

пептид ной це почке приннть определе нну ю стабильную

ме 1-tее отличю,rх от исходной. Мы з наем , '!ТО в ходе эволю ­

ко11форм ацию, помога ют бел ка м свя з ыв аться д руг с д ру­

ции такое случалос ь достато•п-rо часто , потому что описано

большое число соврем енных белковых семейств ; некоторые

гом , объединня с ь в более кру пны е структу ры . Участок
пове рхности б елка , з аде й ствованный в образ овании н е­

из них довольно многочи сленны. Белю1, прин адлежащие к

ков алентных свя зей с д ругой моле кулой, т. е . осу щест­

одному сем ейству, им еют очень похожие аминокислотны е

вляющий

последовательности и простран ственны е стру ктуры .

сайтом связываиия. У б елковой молекулы может б ыть

В кач естве приме ра рассмотрим серииовые протеи ­

иазы (sе гiл е ргоtеа

es).

Это сем ейство протеолитических

свя з ьrв,ши е

между

мол е кулами ,

наз ывают

н ескол ько сайтов свя з ывания с дру гими молекулами ,

кру пными и мелкими. Если са йты свя з ывания д вух бел­

ферментов , вкл ючающее такие пищеварительны е фе рм е н ­

ков уз нают д руг друга, они могут прочно связ ыв аться, об ­

ты, как химотрипсин, трипсин , эластаза , а таюке н ескол ь ­

раз уя более кру пный белок с четко заданной ,rетве ртич-

ко протеиназ, заде й ствованных в све ртыва1-1ии крови. При

1-юй стру кту рой . Кажду ю пол иnептид11ую це поlfку та кого

сравнении любых двух представителе й этого сем ейства
ной посл едовател ьности . Еще раз ител ы-rее сх одство кон­

ком11 лексного белка наз ывают субъединицей (subL1ni t)
[точн ее, субъединицам и наз ывают стру кту рны е моду ­
л и, об разованны е ин д ивидуал ьными нол ип е пти д ными

формаций: бросается в ел аза идентичность замысловаты х

це почками.

обнаруживаются nо,пи иде нтичные участки ам 111юкис1rот­

132

ГЛАВА

4. Стру ктура и фун к ци и б ел ков

-

Прим . перев.] . В отдельной субъединице


тетрамер, активная единица белка нейраминидазы

димер , активная единица белка САР

00

(А)

по одному в каждом мономере

РИС.

даа ""А•~""'" uежду собой

~ сайта связывания в каждом мономере

идентичные сайты связывания ,

(Б)

4-19. Молекулы некоторых белков содержат несколько копий одной и той же полипептид­

ной цепи. (А) Симм етричный димер . Белок САР существует в виде комплекса из двух идентичных по­
липептидов ( с м . также рис .

4-16). (Б) Симметричный тетрамер . Фермент нейраминидаза существует в

виде кольца из четырех идентичны х полипептидов . На маленьких схемах внизу показано , как образуют­
ся подобные структуры за счет повторяющегося и с пользования идентичны х типов взаимодействия . На
(А) используется всего один сайт связывания (обознач е нный зеленым и коричневым овалами у разны х

моном е ров), поэтому димер получается симметричным . На (Б) каждая субъединица предоставляет два

раз общенных, неидентичны х друг другу са йта ; об ра зуетс я симметричный тетрамер .

Может быть более од но го доме на - от н осительн о авто­
н омно с во р аL1ивающегося модуля белковой молекул ы .
В простей ш ем случае субъеди ницами ком11лекс 1-юго

белка служат две од~rнаковые полипептидные цепочки с
иден т ич н ой ко нфо рм аци ей. Они образуют симметричный

Комплекс, димер (din1e1-), удерж иваемы й взаимодействием
Между двум я идентичным и сайтами связывания. Уже утто­
М11навщ ийся бе;юк САР в своей естественной среде - бак­
териалы юй клетке

-

представляет собой димер ( РИС. 4-19, А;

субъединицу мы видел и на рис. 4- 16). В клетках ч асто встре­
чаются белк и , об разова~-шы е м н ожеством коп ий одн ой и той
)Кс 11олипелтид н ой цеп оч ки. Яр ки м примеро м служи т фер­
мент 1tейра.мииидаза (neuгa miпid ase) , включ ающий кольцо
Из четырех идентич ных белков ы х субъединиц (рис. 4-19, Б) .
В юr етках можно вст рети т ь белки , состоящие из двух
ИJtи боль шего чи сла раз ~rы х п ол ип ел тид ны х цепо ч ек. В ка­
честве особе нн о хорошо изученного примера можно при­
вест и ге.моvюбии (h emog l o blп ; РИС. 4-20) , п е ре 11 осящий
l<И сло род в э ритро цитах. Белок гемоглобин имеет две оди­
наr,овы х симметрично расn оложе ю-~ых а- и ~ - глоб инов ых

РИС.

4-20.

Некоторые белки представляют собой симметричные

объединения из двух типов субъединиц. Гемоглобин , которого много
в э ритроцитах, состоит из двух копий а -глобина и двух копий ~ - глобина .

Каждая из этих ч етырех полипептидных цепей гемоглобина содержит гем
(красный прямоугольник), небольшой железосодержащий модуль , свя­

субъедин ицьт. Некоторые белки содержат по мно гу субъе­

з ывающий моле кулу кислорода

дин и ц; та ки е белк и б ы вают оче нъ к ру1111 ым и ( ВИДЕО 4.5) .

бина могут одновременно переносить по четыре моле кулы кислорода.

(0 2) . Та ким образом ,

моле кулы гемогло­

Форма и строение белковых молекул

133


Белковые молекулы могут формировать

нити, листы и сферы путем самосборки
Белки мо 1:ут формироватr, и еще более крупные струк ­

-

туры. Самый простой п ример

-

цепо ч ка и з идентичных

белков ы х субъединиц. Она образуется, когда субъединица

субъединиц~

имеет два сайта связыва н ия , подходящие друг другу, как
ключ за мку, и связывающие ком 11 леме1-1 тарные сайты на

1 ~оверхности иден тичиых субъединиц. Поскольку иде н­
ти чн ые субъединицы

всегда связ ы ваются одинаковым

с п особом, очень часто получается с п ираль, которую мож­

полый ш а р

т ипа оболоче к
виру с ны х ча стиц

но п родолжать бесконеч н о ( РИС. 4-21 ). Типич н ый рез ул ь­

тат реализации такой схемы

-

11ротяже1-1 1-п,1 й белковый

трубка (спиральн а я

филаме r-~т. Так, актинов ы й филамент представляет собой
длинную с п иралевищ1 ую структу ру, состоя щую

обмотка цилиндра)

из м н о ­

жества субъедини ц белка акт и на ( РИС. 4-22). Актина о•rень

РИС.

мно го

способа их упаковки может собираться филамент, полая трубка

во

всех эука риоти•r еских

клетках,

где актиновые

филаме н ты образуют од н у из глав н ых с и стем цитоскелета
(А)

4-23.

Из идентичных белковых субъединиц в зависимости от

или сфера .

сборные структуры

свободные
субъединицы
димер

РИС.

4-24.

Капсиды многих вирусов представляют собой более

или менее шарообразные белковые структуры. Эти ка п с иды я вля ­
ютс я мн о го гра нн ика м и, состоящими и з м ножест ва ко п ий небол ьш о го

набора бел ковых субъеди ниц. Внутри кап сида находится генетич ески й
материал ви руса (дН К или РНК) . Здес ь показана структура вируса

SV40

обез ьяны , хо р о шо и зуче нн ая на атомном уров н е м етода м и р е н тге нов ·
ской к ри сталл о гра ф и и . ( С разре ш ения

Robert Grant, Stephan Crainic

и

James М . Hogle.)
(см. гл.

17).

За счет сборки субъедини ц н екоторых других

белков образуются плоские листы, сферы или трубки, п а­
п р имер, мик ротрубочки цитоскелета ( РИС. 4-23) или сет­
РИС.

4-21.

Белки могут собираться в сложные структуры. (А) Б е­

чатые сферические оболочки вирусных частиц ( РИС. 4-24).

ло к, у к ото рого всего один сайт связ ыва ния , может обр аз ов ат ь дим е р

Многие кру пн ые н адмолекулярны е структуры, вроде

с другим так им же б ел ком . (Б) Б ел ки с двумя р аз ными сай та ми с вя з ы ­

вирусов и рибосом, состоят из комплекса молекул бел­

в а ния ч асто о б разуют дли н н ы е спира льны е фил а м е нты . (В) При со от­

ка одного или нескольких типов с молекулами РНК или

ветст ву ю ще м р ас положе нии двух сай тов с вя з ыв а ния друг отно с итель ­

ДНК Эти образован ия можно выдел ить в чистом виде и

но дру га субъед и н и цы образуют в м есто с пи рал и замк нуто е кольцо

раздел ить 1-ia макромолекулы. После этого н е редко ока ·

( с м . ри с.

з ывается воз можным

4-19, Б) .

восстановить исход н ую структуру

за счет п р остого смеш ивания разделе нных ком110 11 ентов:

остается лишь наблюдать за сборкой, идущей само п роиз ­
вольно. Таки е опыты доказывают, что вся и н формация,

необходимая для сборки слож н ой структуры, закл ючена в

50

нм

самих составляющих ее макромолекулах, а вс е содержи­

мое клетки является в значительной степ ени caмoopraнi'I·

4-22. Актиновый филамент состоит из идентичных белковых

::1у ющимся: если продуцировать 1-1 еобходимые белки в лра­

субъединиц. Сп и рал ьны е актин овы е фила ме нт ы часто насч иты ва ют ты­

вилы-1 ых количествах, многие структуры, н еобходимы е

сячи субъеди ниц , а их дли н а в клетке дости гает нескол ьки х ми кр о м ет ров .

ю1 ет ке, сформируются сами.

РИС.

134

ГЛАВА 4. Структура и функции белков


Молекулы некоторых белков

л е кул ы кератина соб ираются в про.м ежуточные фwюмеи­

имеют вытянутую нитевидную форму

ты

(in ter·mediate filaments). Кератиновые промежуточные
- очень важный компонент цитоскелета: об­

филаменты

Пока мы не.пи речь в ос новном о rлобулярных белках

разуя трехме рный каркас, они структурируют простр ан ­

(globular pгoteiл s) , где полилептидн ая цепочка уложена

ство внутри кл етки ( см. гл.

17).

в компакшую округлую форму, кате бы смотана в юrубок с

Особенно много фи бр иллярных белков обнаруживает­

н еровной п оверхностью. К rлобуляр,-rым белкам относится

ся не внутри клеток, а снаруж и . Именно они составляют ос­

большииство ферментов: хотя многие фермен ты круrшы,

нову желеобразного вuе'КЛеmочиого матрикса ( extгace ll ulaJ

сложн о о рганизован ы и нередко состоят из множества субъ­

m atгix) , которым скреплены д руг с другом клетки во мно­

еди . шщ, большю-~ ство из них им еет tJетвертичну:ю структуру

гих ткашr х. Клетки секретируют фибриллярны е белки в

4-9). Но клет­

межклеточное пространство, где из ни х идет сборка пластов

с оr<руглыми внеШRими оtJертаниями (см.рис.

ка содержит белки, сама фушщия которых подразумевает

или длинных фибрилл. Из фибриллярны х белков в тканях

протяженность

ж ивот ны х преобладает кощ~агеи

-

фибриллярные белки

(fibr·oLts pгoteiпs) ,

с

доволь н о простой, удлиненной трехме рной структурой.

(collagen). Молекула

кол­

лагена состоит из тр ех длинных полипептидных цепочек; в

Одии большой класс таких внутриклеточных белков

каждой из ни х в каждом третьем положении стоит неп оляр­

объединяет молекулы, родственные а-кератину, с кото­

н ая аминокислота глицин. Это хороший приме р того , как

рьтм мы уже встреtJались. Кератиновые волок~,а очень

регулярность пе рвичной ст руктуры распростр аняется н а

прочны и стабильны . ДолговеtJные производные кожи

более высокие уровии организации вплоть до четвертичной

мл е ко питающи х

-

волосы, рога, копыта, ногти

-

состоят

структу ры: полипептидные цеrюЧJ<И

коллагена, перевива­

в ос,-ювном из этого белка. Молекула а-ке ратин а пред­

ясь, образуют регулярную тройную спираль с глицина ми в

ставляет собой диме р из двух идентичных субъеди ниц, в

централь~юй ч асти ( РИС.

1<отором

~бок о бок,> и ~конец в конец,> с част ичным перекрыванием

длинны е а-спирали каждой субъединицы обра­

зуют ~сп ираль из спиралей,> (см. р ис.

4- 13). На обоих ко н ­

4-25, А ) . Связываясь друг с д ругом

соседних рядов , молекулы коллагена образуют очень проч­

цах таких уч астков рас положены глобулярные домены .

ные коллаrеновые фибриллы, которыми скреплеиы многие

Они содержат сайты связывания, благодаря которым мо-

ткани ( см. гл .

19).
эл аст ич н о е вол о к но

,.-,-,-г--г-.--с--а---.,--.,.--с--,,--,--,--.,..---,,--~--- ко роткий отр езо к

-~""--~~~~--~~~-~~~~~--- коллаге новой
ф и бриллы

молекула
к олл агена

300

нм х

1,5

нм

РАСТЯЖ Е НИ Е

1,5 н м

1РЕЛАКСАЦИЯ
один очная м ол ек ула эластин а

(А)

(Б)

РИС.

4-25 . Коллаген и эластин -

присутствующие в организме в большом количестве фибрил ­

лярные белки. (А) Коллаген представляет собой тройную спираль , образованную тремя бел ковыми
тяжами , перевитыми один вокруг дру гого. В межклеточном пространстве соединител ьной ткани мно­

жество палочковидны х молекул коллагена соединяются п оперечными сшивками, образуя колл агено­
вые фибриллы (вверху). П о прочности на разрыв они не уступают стали . Исчерче н ность коллагеновой
фибриллы обусловлена регулярным повторяющимся расположением молекул колл аге н а в н утри нее .

(Б) П олипептидные цепочки белка эластина, соединенные п оперечными сшивками , образуют эластич­
ные , как резина , фибриллы . При растяжении эластиновой фибри ллы каждая молекула эластина ча­

стично расправляется и переходит в более выпрямленную конформацию; если натяжение ослабевает,
эластин возвращается в исходное , более компактное состояние.

Форма и строение белковых молекул

135


Кроме коллагена вн юrеточ I гый матри кс содержит белок
эластии

(ela tin ). Этот

белок по своим сво~1 ·твам

11 01п-1ая

-

протююпо1южнос·1ъ коллагену. Молекулы эласт ин а образу ­
ются из относител 1, но р ыхлых и 1-rеструктурирова1-11-1ых субъ­
еАиниц. Его поли пептидные цепочки образуют между собой
ковале 1 пи ые сшmзк и , и так как их много, получается нечто

похожее н а рези н овое сито . Эластич ные эластиновые фи­
б риллы позво;1 яют на шей коже и н екоторы м д ругим Т](аням
(стенкам артерий, легким и т. д.) растягилаться и сжимат ,,ся

без разрывов. На ри с. 4-25, Б Jl О](азано, что это замечател ыюе
свойство обусловлено с1 юсоб1-юстыо каждой отдель но взя­

( п роизвод1 юй

той молекуш,r эласти на

одно го пол ипептида)

к обратимому разворач:~,mанию уюrадки под действием рас­

ВОПРОС

4-5

А Человеческ и й волос состоит главным образом и з воло кон

rl' бел ка ке ратина . В составе волоса эти волокн а идут прим е рн о

8

в одном на п равл ении , соединяя с ь друг с друго м попе речны ­

ми с ш ивками в виде ди сульф идны х мо стико в . Есл и прове ст и щадя­

щую обр аботку кудрявы х волос опр еде л е нными восстановит елями ,
к оторые ра з рушат н е большо й процент ди сульфидны х мости ко в, за ­
тем вы п рямить волос ы и п одействоват ь оки сл ител ем , то о н и та к и
останутся прямыми . Нари су йте диагра мму, иллюстрирующую р аз­
личн ы е стадии этого х имического и м еха н ичес кого проце сса на

мол е кулярном уровн е, с упором на ди с ульфидные мости к и . Ка к вы

думаете , что :~ р ои з ойдет, если провести ж естк ую обработк у волос
си л ьными восстановител ями , которые разру ш ат все дисульфид н ые

мости к и?

тягивающей механич еской с и лы .

Внеклеточные белки часто стабилизированы

полипе п тидных цепоч ек в белк01юм ком п лексе. Сама.я ча­

межмолекулярными ковалентными связями

сто встре ч аю щаяся раз н ов и д ность

Молекулы м ногих белков прик репле ны к в нешн ей сто ро­

н ых сш ивок

попере чных

ковалент­

связи между двумя атомами се р ы. Эти так

-

н е плаз м алеммы либо секрет.и ру ются l(J]еткой и п ереходят

называемы е дисульфидные мостюш, ил и

в состав внеклеточ н ого матри кса. Все эти белки подвер­

разуются пр и эксп о рте бел1<а из клетки . Катализом их об­

5- 5

св.язи, об­

же н ы rгрямому воздействию в неклето чн ой с реды . Чтоб ы

разова ния в эндо п лазматическом

в таких непростых условиях им было легче п оддерж и вать

с п ециальн ы й фермент, соеди няющий SН-группы

свою структу ру,

калов ци стеина, оказав шихся рядом пр и укладке белка в

п оли пе пт ид ные цеп о ч к и многи х

внекле­

ретикулуме зани мается

ради­

точных белков стабилизирова ны по п еречными ковале нт-

п рисущую ему ко нфо р мацию ( РИС.

1-1 ым и сшивками [фу н к ци я таких белков обычно оп о рная,

мостики не мен яют конформа ци ю бел ковой молекулы, н о

т. е. требующая пов ыш енной прочности и устойчивости к

работают своего рода скрепками, фиксирующими белок в

4-26) . Дисульфидны е

Прим. перев.] . Каждая сшив](а

пред1 юч т ител ьной конформац ии. Наrq)имер, содержащий­

может скреплят ь две аминокислоты , при н адлежа щ ие од ­

ся в слю н е, слезах, других секретах тела и разруш ающий

механической нагрузке.
но му пол ип е пти ду,

или

-

соеди нять аминок и слоты р аз ных

клето чн ые стенк и бакте рий фер мен т лизоцим

(lysozy me)

с п особен сохранят ,, свою а н тибактериаль ную актив ность в
теч ение длительн ого времени и ме н но за счет стабилиза ци и
1 ю переч ны ми с ш и в ками.

ци стеин

В цито плазмат ическ их белках обы чн о н ет дисульф ид­
с

Jiн,

н ых мостиков

мн о го

вра щают

между разными

1

СН2

полипептидами

----

ОКИСЛ Е Н

1-1 е только потому, ч то цитозоль содержит

S-

восста нов ителей,

кото ры е

пр е­

связи об ратно в SН-гру пr1 ы цистеина, но,

ОLrев и д н о, е ще и п отому, что в отн ос и тельно стабиль ны х

S-S-мостик - 1

SH

-

, ютс н ц иальны х

S
CIН

и мя гких условиях, как и е м ы наблюдаем в~tутр и клетки,
белки просто не нуждаются в допол ни тел ы-юм укре пле11 ии своих естестве нны х конформа ц ий .

ВОССТА НОВ ЛЕ НИ Е

ями

а

КАК РАБОТАЮТ БЕЛКИ
Белки

-

н еи н ертные ч аст иц ы мате р ии. Огромное р аз но­

об раз и е в а ри а нтов аминок и с;юпюй п оследовател ы-юст и

по рождает мро м нос многооб разие форм и обличий, пр и­
су щи х белка м . Все белки с одн ой и той же ам и 11 оки слот­
Дисульфидные мостики помогают стабилизировать

ной п оследовател 1,ностыо характеризуются од ной и той

белок в биологически з начимой конформации. На схеме пока з ано ,

же не п овторимой, отлич н ой от д ругих белков топо 1·ра­

РИС.

4-26.

как между бли зл ежа щими ради к алами ци сте ина обр азуютс я ковал е нт­

фией химИLJеских груп п на пове рхности молекул 1,1. Вы­

ны е с вязи

дисул ьфидные мости к и . Та кими п о п е речными с ш ив ками

текаю щая из этой топ ографии уни каль н ость хи мич еских

мо гут с оединяться м ежду собо й дв а уч астка одного пол и пептида или

свойств каждого вида белков оп ределяет и у 11 икал ыюсть

участк и двух ра з ных полип е птидов . Поскольку п о энергозат ратам раз­
рыв одной ковал е нтной с вя зи сопоставим с раз р ы вом с разу многи х

его б и олог и ческой фу нк ци и. В результате а н самбли бел­
ков, а н е каких- н ибуд 1, других молекул, организов ы вают и

н ековал е нтны х с вя зе й ( с м. табл .

регул и1 уют все ди н ам ич еск и е пр о ц есс ы в живы х клетках.

-

2-1 ,

с.

53) ,

н аличи е ди сульфидно го

мости ка может с ыграт ь р е ш а ющую роль в стаб или за ции в сей конф о р­
м а ции бел ка (ВИДЕО

136

ГЛАВА

4.6).

4 . Структура и фун к ции белко в

М ы уз 1-1 али, ч то у белков структура и функция тесно

связаны между собой, 1-1 0 п о- п реж 11 сму н е получю,и ответа


на фу11даме1-1таль11ый вопрос о м еха ни змах осуществле1-1ия

белками с воих фу1-1кций . Из дан1-1ой ч асти главы мы уз н аем,

нековалентные связи

что биолоrlfl1 ес кая аr<тив,-юсп, белков обусловлена их сло­

соб , юстыо

изб ирательном у, специфичиому свя з ыванию

r<

>--

других мол екул. Именно эта способ1-1ость поз воля ет одним

белкам быть катали заторами, д руп1м
р еце пторами,

ч етв ертым

-

- опорой, третьим -

крош е L1ными

моторчиками

и т. д. Приме ры, которые нам предстоит рассмотрет ь, нико ­

им образо м н е исч рпывают весь функциональный репе р­
туар белков. Но выпол1-1 енис белками с воих фу1-1 кций, скол ,,
угод 1-ю с п ециализированных, подчинено всегда одним и
тем же универсальным пра вилам.

белок

Все белки участвуют

РИС.

в межмолекулярных взаимодействиях

тельно. Чтоб ы белок прочно связался с другой молекулой (лигандом),

Биологические свойства белковой моле кулы определя­

4-27. Связывание белка с другой молекулой высокоизбира ­

между ними должно возникнуть много слабых связей. Ли ганд должен
точно вписываться в сайт связывания, как рука в перчатку : тогда между

ются особенностями ее физич еских коитакгов с други­

ним и белком может образоваться большое чи сло нековалентных свя­

ми молекулами. Антитела прикр епляются к вирусам и

зей, достаточное для прочного с вязывания .

бактериям в ходе иммунной за щиты орлтиз ма; фе рмент
rе ксокиназа связ ы вает мол екулы глюкозы и АТФ для ка­
тализа реакции между ними; из субъединиц актина соби­

длитель ~1ым или

раются длинные актиновые фила менты и т. д. Получается,

1-10

что выпош1 ение любым белком своей функции сопрово­

(аффинность) может быть выражена значением Км . Чем

ждается связьтванием

им других молекул. Этот контакт

Может быть сравнительно слабым или очень прочным,

кратковременным,

но он

обязателr,-

есть . У ферме нтов надежность контакта с субстратом

ниже эта константа, тем выше сродство фермента к суб­
страту (см . гл.

3).

Независимо от прочности, связывание

боковые группы
аминокислот

/

белок(полипептид)
до укладки

!ФОЛДИНГ
сайт связывания

(А)

белок в биологически
значимой конформации

РИС.

4-28.

Наличие сайтов связывания позволяет белку взаимодействовать с лигандами из­

бирательно. (А) При сворачивании на поверхности белка обычно возникает щель или углубление . Из ­
нутри белка в нее направлены радикалы аминокислот, расположенные так, что только определенные
лиганды при контакте образуют с ними устойчивые паттерны нековалентных связей.

(6)

Подро бное

изображение сайта связывания на атомном уровне. Видны водородные связи и ионные взаимодей­
ствия между белком и его лигандом (в данном случае циклическим АМФ , который изображен розовым) .

Как работают белки

137


белков с ;~ругими биологически з нач имыми молекул ами

Сайты связывания особенно

всегда характеризуется вы сокой спецuфич11о стыо. Каж­

разнообразны у антител

дая белковая молекула может св язат ься с од1юй, макси ­
мум, с н ескольк ими раз новидно стя ми молекул и з многи х

Б J1 1< и должны связьшаться с лиган дами , чтобы выпол ·

тысяч разнови дностей , которые е й встре чаются. Любое

нять с вою функцию . Способ н ость

вещ ство, свя з ываемое белком, будь то ион , малая моле­

достигла высочайш е 1·0 раз н ооб раз ия у белков-а н т ител.

кула и л и макромолекула, наз ывают л игандом этого белка

Наш организм: может производить антитела, ра rюз 1-1 ато­

(ligand;

от лат.

ligare -

1<связыванию лигандов

щи е и лрочно связывающие любую молекулу, какую толь ·

<<связ ыватЬ» ).

Сnособность белка избирател ьно и достаточно крепко

ко можно вообраз ить .

Антитела

связывап,ся со своим лигандом зависит от образования

(antibod ies),

и ли имму1-юглобулины, вы­

определенного набора слабых н е ковалентных хими<rеск~~х

рабатыва ются клетками имм у нной си стемы животного в

связей , к которым относятся водород1-1ые связи, электро­

ответ н а появление чуже род ны х молекул (врод

стат ич ес кое притяжени е, ва1-щерваальсовы силы и эффе к­

н аходятся н а пов е рхности вн ед ривш егося микроорганиз­

ты так н аз ываемых % Гидрофобных взаимодей ствий,> (см .

ма). Каждое а1-1титело очень прочно связывается со своей

вклад ку

2-7, с. 82- 83).

тех, что

Сами гю себе они все очень слабые,

молекулой-мишенью , наз ываемой антигеном (aпti ge п). За

поэтому их нужно одновремен но очень много. Взаимоде й­

счет этого антитело может сразу инактивиров а ть антиген

ствие будет эффеюивным лишъ в том случае, если пове рх-

и ли пом етить его собой для последующего уничтожения

1 юсти лиганда и белка тесно соприкасаются достаточно об­

[ клетками или другими белками иммунной системы.

ширными участками, как рука и перчатка (РИС. 4-27).

Прим. перев. ]. Ан титело уз нает конкретный а нтиге н с

Если поверхности молекул ы белка и е го потенци­
ального л иганда совпадают н едостаточно хорошо, м ежду

-

0<1ень высокой специфичностью. Поскольку в природе су­
щ ествуют миллиарды

поте нци аль ных антигенов, с кото ­

ними образуется мало не ковале ~1п-1ых связе й, и две моле­

рыми может стол кнуться человек, наши организмы долж­

кулы, стал кивая сь при диффуз ии, с разу же диссоциируют.

иы уметь производить мюu1. иард ы различных а нтител .

Антитела

Име нно так пр едотвр а щаются н ев е рны е и н ежелательны е

-

это У-образ ны е белковые молекул.ы.

д руг

В каждом антителе им еется два иде 1-пич~rых сайта свя­

дру гу. В противоположн ость этому, когда нековалентных

з ывания, комплементарных определенному н ебольшом у

связей образуется оч ень много, ассо ц иация молекул-п ар­

участку пове рхности антиге на. Кажд ый из них образо­

ассоциации

м ежду

мол екула ми,

не

подходящими

тне ров может длиться очень долго. Про<шые стабильные

ван

вза имодействия между белками имеют место в кл етках во

сту пающими по краям двух тесно сближенных доменов

несколькими п етлями п олипептидных цепочек ,

вы­

всех слу чаях , когда успешное выполнение функции обу ­

( РИС . 4-29). Аминокислот ная последовательность петел ь

слооле~ю 1-rадежностыо объединения (иаприм е р, когда ма­

может свобод но из м е няться, от вн есе 11ия в 1-1 ее мутаций

кромолекулы совм естно образуют рибосому или другую

базовая структура антитела н е страдает. Генерация огром ·

субклеточн ую структуру).

ного многообраз ия антиге н -связывающи х сайтов антител

Участок ко 1-1 такта пове рхности белковой молекулы с
лигандом ~, азывают сайтом с вязывания . Сайт связыва­

полностью обеспечивается вариацией дл ины и аминокис­
лотной посл едователь ности эт их петел ь ( ВИДЕО 4.7) .

ния обыч н о выглядит как у глубле ние, сформирова~нюе

Благодаря уникальному соч етанию индивидуаль ной

за счет особого расположения аминокислот. Амииокис ­

специфичности с многообраз ием антитела не только не­

лоты, образующи е сайт связ ы ва н ия , могут принадлежать

заменимы в борьбе нашего органи з ма с инфекциями, но

совершенно разн ым участкам nолипеп т и да и быть дале ­

и находят широкое лримене ние в лабо раторной практике

ко раз н есены в его люrейиой разве ртке; сближаются они

как инструм е нт для выделе н ия и и зу ч ения других моле ­

о результате укладки (фолд инга) белка ( РИС . 4-28) . На

кул ( ВКЛАДКА4-З , с.

140- 141).

пове рх ности одной бею<овой молекулы часто имеются
сайты связывания для нескольких раз ных л игандов, что

дает возможность регул ироват ь активность белка (см .
ниже). Дополнительные сайты связывания иногда нуж ны

для доставки белка в определенный участок клетки или

ero

закрепл е ния там. Наприм е р , наличи е 1·идрофобной

а -спирали с пособствует встраиванию бел1<а в липидный
бислой клеточных мембра н (см . гл .

11).

Атомы во внутренних областях белковой молекулы н е
им еют прямого контакта с лигандом, но тоже играют важ­

ную рол ь в его свя з ыва нии . Внут ре нни е области белковой
молекулы служат каркасом, от которого зав исят химиче­

ские свойства и геометрия наружной пове рхности. Даже

н ебол ьшие и змен е 1-шя в аминокислотах внутренних об­
ластей могут из ме нить трехмерную структуру белковой
молекул ы до тако й степени, что она 11 е сможет в ы лолнять

свою фу нкцию.

138

ГЛАВА 4. Структура и функции белков

ВОПРОС4-6

А Объясните , ка ким образом ферме нтам (наприме р , гексок и ·

~ назе , упоминаемой в тексте ) удается отличать свои субстра -

8

ты (в данном случае - О - глюкозу) от их оптических изомеров

(в да нном случ а е от L - глю козы) . (Указ ани е : з ная , что атом у гл е рода

об р азует четыре одинарны е свя з и , напр а вленные к четырем угл ам
тетр а эдр а, и что опт иче ск ие и з ом е ры орга н и че ск ого с оеди н е н и я

пр едст авляют собой зе р ка льн ые отражени я друг друга отн оси тель ­

но одно й из так и х связе й, изо б р аз ите с убстр ат в в и де про сто го
тет р а эдра с чет ырьмя ра зным и угла м и , а затем пост р о йте е го зе р ­

ка л ь но е отр аже ние . Пользуя с ь р исун ком, п окажите, что толь ко одн о

и з из обра же нных вами со единен ий с может свя зать ся со схематиче­
ски м актив н ым центром ф е рм е н та .)


сайт
связывания

антигена

тяжел ая це п ь

/

вариабельный
домен легкой

це п и

(VL)
5

нм

(А)
легкой цепи
(Б)

РИС .

4-29. Антитело -

белок У - образной формы с двумя идентичными сайтами связывания

антигена, по одному на ветви . (А) Схематичное изображение типового антитела . Б елковая молеку­
ла составле н а из четырех полипептидных цепочек (двух идентичных тяжелых цепей и двух идентичных
легких цепей меньшего размера) , скрепленных дисульфидными мостиками. Каждая це п очка образу­
ет несколько разли ч ных доменов , показанных синим и серым . С айт связ ы вания а нтигена находится

в месте близкого рас п оложения вариабельных доменов тяжелой и л е гкой цепей (эти домены обозна­
чают, соответственно, Vн и

VL).

Именно эти домены п о своей аминокисл отной п осл едовател ьности и

структуре сильнее всего различаются у разных антител . (Б) Л енточная модел ь одиноч ной л егкой цепи .

Красным отмечены участки домена
на схеме (А) эти участки доменов

VL, играющие главную рол ь в связыва н ии антигена. В каждой ветви
VL дают половину пальцевидных петель , зах ватывающи х молекул у

антигена; вторую половину дают аналогичные участки доменов Vн,

Ферменты - это мощные специфичные катализаторы

но, с потрясаю щей ско ростью , сами при э· ом не меняются.

Функция многих белков - связыва ни е с лигандом. Так,

реак ции в миллионы раз. В общем, ферменты дей ствуют

llepeд моле1<улой антитела сто ит задача связать а нтиген н а
l1ове рхности бакте рии или вируса, а от мол екул ы актина
'Гребуется взаимодействие с д ругими молекулами актина
8 составе актинового филамента. Но есть белки, для кото­
])1,1х связывание лиганда - л ишь первый этап вы110л1-1 ения

Функции. Это относится к представителям очень бол ьшой
11 важной группы белков

- фермеитам. За мечателъны е мо­
Jl е1<улы ферментов осуществляют почти все химич еские
11

Ревращения, имеющи е место в клетках. Фермент связы­

Как мы з 1-1аем из гл.

3, многие из ни х ускоряют химические

как катализаторы, позволяющи е клеткам ломатъ и стро ­

итъ ковалентные связи по потребн ости. Ф е рментат ивный

катализ у порядоче ,шых н аборов хим ическ и х реакций соз­
дает биологич еск ий п о рядок в клетках, делая возмож1-1ым
существова ние жиз1-1и.

В се ферменты можн о поделить н а функциональные
классы в зави симости от катализируемых химических ре­

акций (ТАБЛ . 4-1 ). Каждый ферме нт отл.ичается высокой
с п ецифичностью и кат ал и з ирует одну реак цию .или не­

вается с одним или н есколькими лига ндам и (своими суб­
стратами), превращает их в хими ч ески модифицирован-

добавляет

11Ьtе соеди нения - продукты и быстро отделяется от них.

игнорируя ее о птич еский изомер, L-глюкозу. Фермент

Ферме,пы проделы вают эти циклы оп ераци й многократ-

скол ько ощют илных. Фе р меит гек.сокииаза ( l1 exokiл ase)
фосфатную

групп у

D -глюкозе,

ттол.ностыо

тромбии (thгomЬin) обес печивает све рт ыва ,ш е крови за

Как работают белки

139


сайты свя з ывания
с антигеном

КАК МОЛЕКУЛЫ
Антитела

это

-

Антитела являются продуктом о собо го класса лейкоци тов
В-лимфоцитов, или В -клеток . Каждая покоящаяся В - клетк а несет

особые

на своей поверхности одну разновидность антител, зак реплен­

вырабатываемые
клетками

иммунной

ных в мембране и служащи х рецепторами у з навания ко нкретно ­

си ­

го антигена . Связывание антигена этим рецептором побуждает

стемы и очень прочно свя­

з ывающиеся

мишенями

со

легкая ц е пь
ш ар нир

(антигенами).

тяжелая -­

и

служат

дnя

состоит

различные В - к л етки

защи­

ты от инфекций . Каждое
антитело

из

тела в растворимой форме.

цепь

Антитела есть у позвоноч ­
ных

В-клетку к делению и к секреции больши х количеств того же анти­

своими

5

нм

двух

идентичных легких цепей и двух идентичных тяжелых цепей , так

что два сайта связывания с антигеном, образуемые этими цепями,

@.S,~~
с В -кл еткой , несущей
а нтит е ло , подходя щее

да нному анти гену.

СПЕЦИФИЧНОСТЬ
может

АНТИТЕЛ
тяжелая ц е пь

/

продуцировать

•

@.--л-~

которых будет свой отличный от
других сайт связывания с анти

еном. Каждое антитело узнае

вой антиген с высочайшей специ

нт

♦

миллионы

различных антител, у каждого из

лег~ая це п

+h

.•.- J

Антиген связывается

в молекуле антитела тоже идентичны .

фичностью .

v .......

m~

'4"
V-4- ~-4-~-4-~~

Как сл едств и е, В- клетка п об уждается к продукции
и секре ции бо льши х количеств того же ант ител а .

Антитела можно получать лабораторными методами. Для этого
лабораторному животному (мыши, кролику, овце или козе) вво­
дят антиген (А) .

АНТИТЕЛА ЗАЩИЩАЮТ НАС ОТ ИНФЕКЦИЙ

....•.•••...
•

чужеродные

вирусы

.......
.. .....
..

мол ~кул ы

1

АНТИТЕЛА

('1')

,,._,
, ...
бактер ии

п ос л едующий з абор крови

инъ екц ия а нтиге н а А

Повторные введения того же антигена с интервалами в несколько не­

дель стимулируют конкретные популяции В-клеток к секреции боль­
ших количеств антител к данному антигену в кровоток животного .

ОБРАЗУЮТ КОМП Л ЕКСЫ

~~

~

~

с антигенами поглощ аются

Специальные бел к и к рови
убивают покрытые
а нти тел а ми бактерии

кл етками - ф а гоцита ми

или вирусы

Комплексы антител

♦

♦

♦

А

А

А

время

Поскольку антиген А одновременно стимулирует много разных

В-клеток, кровь будет содержать разнообразные антитела, спе­
цифичные к А; каждое из них будет связывать его по-своему, слег­

ка отличным от других способом.


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АНТИТЕЛ

доба вл яют с м есь м ол екул

R А ~ ? ~ о 1V
Q о 'f..
<о G д 1-t J s -4
с . 1'\..

ДЛЯ ОЧИСТКИ МОЛЕКУЛ
ИМ МУ Н ОАФФИ НН АЯ

И М М У Н О П РЕ ЦИП ИТА ЦИ Я

ПРОТОЧНАЯ
ХРО М АТО ГРАФИЯ

r= lv

W' д х.,? ,4 о
'o'f-. С f./ О R
L
Q AG
Js

пр о мывают к олон ку

доба вл я ют
э люирующи й

от остатко в

с мес и

•

р ас твор

•

бус и ны и з с п е ци ал ь н ого
п о ли мера п окр ы вают

а нти тела м и к А

к смес и мол екул

1
!~лr~итела.
доб~~Jецифичные к А

~ l•'"" ·A•),

запо лн я ю т им и
с т екл янну ю ко л о нку

посл е ч е го соб ира ют к о мпл екс ы
мол екул А с а нт и тел а ми « а нт и - А »
при п о м о щи це нтрифугир о в а ния

Большие количества чистого препарата строго

е ще р аз

н е с вя за л ос ь

промыв а ют

В КАЧЕСТВЕ МЕТКИ ДЛЯ ДРУГИХ МОЛЕКУЛ

одинаковых молекул антитела можно полу­

с оединяют ( ко нъюги руют)
с флуор ес це нтным

чить путем слияния В-клетки, взятой у животно­

к р ас ит е л е м , ч ас тица ми

го, иммунизированного антигеном А, с клеткой

Раковой опухоли .

убира ют то , что

ко лл о идного з олот а

Получившаяся гибридная

или другой м ет ко й

клетка делится неограниченно долго и секре­
а нти тел а, с п е цифичны е
к а н т иге ну А

тирует строго гомогенные (моноклональные}
антитела к А.

В - кл етка, вз ятая

и п о луч а ют м е ч е ны е
а н т ит е л а

.,.

Р акова я кл ет ка

У жи вотн ого п осле
инъе кции а нтиг е н а А.

и з к ул ьту ры

Эта клетка продуцирует
а н т и тел а к А

•

тка ни м оже т
де лить с я

беско н е чн о,

но н е с п особна

4••

а:.

н о а нти те л

делит ься .

. .-: .. ·, .,...
. . ....
·
.
. .. ...... :.....
- -..··· .. ,. : .

н е пр одуцир ует.

Флуо р ес це нтны е а нт ител а,

'l"

с вя з ыв а ющи еся с а нтиге н о м А

М е ч е нны е з ол от о м а нт итела ,
с в яз ыв а ющи ес я с а н т иге н о м А

в т ка ни , м ож н о детект ир ова ть

в т ка ни , м ож н о детект иров а т ь

п о флуо р ес це нции при пом о щи

н а гора здо бол ь ш е м ув елич е нии

свет о вого ми к р оск оп а.

при пом о щи э л ект р о нног о

В да нн о м с л уч ае а нти ге н о м

ми к р оско п а. В да нном случ ае

я в ля е т ся п ектин в к л ето чны х

ан т иг е н о м тоже явля етс я п ект ин .

(13 (13

:i::
J ":i::

о ф

1- 1ф ()

~

с т е н ках н а с р езе т ка ни р асте ния .

СЛИЯНИЕ В - КЛЕТКИ С РАКОВОЙ КЛЕТКОЙ

Ги бридн ая кл етка
Пр одуци рует
одн отипны е
а н т ите л а к А
и живет
в культуре,
де л ясь

до бесконечн ости .

l

Антиге н А отдел яют

Пр оводят ин куба цию с м е ч е ными

от други х м о л ек ул

а нт ите л а ми , с вя з ы ваю щими

при п о м о щи

а нтиге н А , и п р оявляют м е т ку,
чтоб ы у в идет ь п ол оже ни е
анти ге н а н а эл ект р о фо р ег р а мм е

эл ект р о фо р еза

-

-

.___,

..___,

l

~ Примечание: чувствительн ость м етода

~ во всех е го вариа нтах м ожно существе нн о
~

c::t

повы с и т ь за с ч ет и с пол ьзо в а ния
н еско ль к и х с ло ев а нти те л п о принципу

« сэ ндвич а » , к ото рый по з воля ет
детект иров а ть мол ек улы а нтиг е н а

в б ол ее ни зк и х ко нцент рация х .

М етка конъ ю гир ова н а
со в то рыми

ан тител а ми ( синими) ,
с п е цифичными к п е рвым
ант и тел а м (ч ерным) ,
с п е циф и чным к А.


ТАБЛИЦА 4- 1. Некоторые распространенные функциональные классы ферментов
Класс ферментов

Биохимическая функция

Гидролаз ы

Об щее наз ва ни е фе рм е нтов , катали з ирующих гидролитич еское рас ще пл е н ие.

Нуклеаз ы

Разрушают нуклеиновые кислоты пос редством гидроли за с вя зей м ежду нукл еотида ми.

Протеазы

Ра з рушают бел к и посредством гидроли за п е птидных с вя зей между а мино к и слота м и.

Си нтета з ы

Общее название ферм е нтов , синтезирующих моле кулы в процес сах а н аболи з м а. Они катали з ируют ре акции
конденсации , где две мол екулы соединяются в одну.

И з омераз ы

Катализируют перераспределение свя з ей внутри одно й моле кулы.

Полим ераз ы

Катализируют реакции полимеризации , н апример синтез ДНК и РНК.

Катали з ируют добавление фосфатных групп к различным молекулам . Важная раз новидность к ин аз - протеин кина з ы ,

Киназы

добавляющие фосфатные группы к белковым моле кулам .
Фосфатазы

Катализируют гидролитическое отщепление фосфатных групп от молекул .

О ксидоредуктазы

Общее название ферментов , к атализирующих реакции , в которых одна моле кула окисляется , а другая
восстанавливается. Ферменты этого класса часто упоминаются ка к оксидазы , реду ктазы или дегидрогеназы .

АТФазы

Гидролизуют АТФ. Многие белки самого разного назначения обладают АТФазной активностью , которая позволяет им
самостоятельно мобилизовать энергию для выполнения с воей основной фун кции. К таким бел кам от носятся миозин и
мембранные транспортные белки , например натриево-калиевый насос .

Названия ферментов обычно оканчиваются на «- аза •, за исключением тех , за которыми закреплены и х и сториче ­
с кие названия (пепсин , трипсин , тромбин , лизоцим и другие). Эти ферменты были от крыты еще в девятнадцатом
веке и получили свои названия до принятия номенклатуры . Название фермента обычно указывает на его субстрат
и природу катали зируемой реакции. Например , цитратсинтетаза катализирует синтез цитрата в реакции между
а цетил - Код и о ксалоацетатом .

счет разрезания своего субстрата, определенно го сыво­
роточного п олипелтида,

в стро го оп р еделенном месте

-

между ними. Эта реакция энергетически выгодна, потому

что у разор ван ной гюлисахаридной цепочки свободная

между арги н ином и смежным с ним глицин ом. Как объ­

энер гия ниже. Тем не менее чистый полисахарид может

яснялось в гл.

спокойно находиться в воде годами, ие проявляя никаких

3, ферменты часто работают в тандемах так,

что п родукт од н ого из них тут же становится субстратом

п ризнаков гидролиза. Это объясняется высоким энерге­

для следующего. В результате возн икает замысловатое,

тическим барьером таких реак ци й, н азываемым эиерzией

тонко регулируемое с плетение метаболичес~шх путей

аюпивации

материалом

-

(activation energy)

(см. гл.

3).

Чтобы молеку ­

обеспечивающих клетку энергией и

ла вод ы , врезавшись в химическую связь , соединяющую

множеством больших и малых молекул, в

два зве н а молекулы 11 олисахарида , порвала ее, полисаха·

(metabolic pathways),

которых она нуждается.

рид должен быть особым образом искривлен. Такое пере·
ходное состояние (tгaл siti on

Описание механизма работы фермента
напримерелизоцима

state)

характе ризуется ло·

кальным измене н ием геометрии расположения атомов и

р аспределения электронной плотности. Для достижения
п ереходного состояния молекуле нужн а энергия актива­

Чтобы описать ферментатив н ый катализ химической ре­

ци и . В вод н ом растворе без фермеюа единственным ее ис·

акц ии, вос п ользуемся пр имером лизоци ма. Ф ерме н т ли­

точником может стать э нергия случайных столк новений с

зоцим

п рирощrый антибиотик, он содержится в яичном

д ругими молекулами, которой при комнатной температу·

белке, а также в слюне, слезах и других секретируемых

р е ло,пи никогда недостато ч но, поэтому гидролиз в таких

жидкостях. Лизоцим разру ш ает полисахаридные цепо ч ки

условиях идет ч.резnьгчайно медле ,шо

в клеточных стенках бакте рий. Бактериалън ая клетка на­

вообще не идет.

-

-

можно сказать ,

ходится под осмотическ и м давлен ием, и достаточно п е р е ­

Од нако в дело может вступить фермент. Как у лю·

резки совсем неболъшого числа полисахаридных цепочек

бога другого фермента , на поверхности лизоцима есть

в клеточ ной стенке, чтобы клетка лопнула. Лизоцим

- от­
носительно неболъшой стабилыrый белок, который легко

tive site).

сп ециаль н ый сайт связ ывания

-

активный центр (ас·

Его вогнутая форма повто ряет выпуклую фор·

получитъ в больших количествах для исследований. По­

му молекулы субстрата. В активном це нтре образуется

этому он стал первым фермеюом, чъя ст руктура была рас ­

фер мент - субстратиый ком плекс, и происходит катали-з

шифрована во всех подробностях на атомарном уровне

химической реакции. Поскольку субст рат лизоцима

методами р ентгеыостр уктурного анализа.

полимер, его активн ый центр похож на длинный желоб,

-

Лизоцим катализирует гидролиз: добавляет одну мо­

удерживающий цепочку из шести сахаров (которая мо·

лекулу воды к одинар ной связи между двумя соседним и

жет б ы ть сегментом более крупного полисахарида). Фер­

остатками сахара в полисахариде, вызывая раз р ыв связи

мент

142

ГЛАВА 4. Структура и функции белков

пе р е р езает п олисахарид,

катал и зируя

п рисоеди·


н.е1ш е молекулы воды

no

2.

одной и з связей, лрактиlrески

Отрицательн о заряже1-1ная ас п арагиновая кислота

сразу после того, как образуется фермент- субстратный

атакует атом углерода С1 << Вывихнутого ~.> остатка

компл е кс . Затем разрезанный полисахарид быстро отде­

сахара; от этой атаки рвется связь между ним и со­

ляется, а фермент при этом освобождается для последу­

седним сахаром, а аспараги н овая кислота оказыва­

ющих актов катализа ( РИС.

ется пришитой ковалентной связью к одной из по­

4-30).

Механизм связывания лизоцима с субстратом такой

ловинок полисахарида.

же, как у антитела с антигеном: между иими образуется

3.

При поддержке отрицательн о заряженной t'лутами ­

множество нековалентных связей. Тол1,ко лизоцим удер­

новой кислоп,1 молекула воды вступает в р еакцию с

живает свой субстрат в таком положении, лри котором

атомом у глерода С1, вытес няя аспарагиновую кис­

одно из сахаридных звеньев цепочки оказывается как бы

вывихнутым

лоту и завершая процесс гидролиза .

ет о птимальная, 1-1аиболее стабильная

Вся химическая р еакция, от началь н ого связывания

конформация нарушается . Связь, которой предстоит быть

полисахарида с активным центром до высвобождения

Разорван1-юй, удерживается близко к двум аминокислот ­

фрагментов, идет в миллионы раз быстрее, чем в отсут­

-

ным остаткам с кислыми свойствами радикалов

-

глута ­

ствие фермента.
Другие ферме н ты используют похожие механизмы

миновой и аспарагиновой кислотам, входящим в актив -

1:1ый центр лизоцима.

снижения э н ергии активации и ускорения химических ре­

Перечислениые обстоятельства колоссально снижа-

акций. В реакциях с участием более чем одного субстрата

1от энергию активации, необходимую для гидролиза . На

активный центр также служит матри цей, которая обе­

РИС. 4-31 изображены промежуточные этапы этой фермен­

спечивает ориентацию молекул субстратов, оптимальную

тативной реакции .

для их вступления в реакцию между собой ( РИС. 4-32, А).

1. Фермент

(А)

переводит связанный им субстрат (в дан­

На примере лизоцима хорошо видно, что активный центр

ном случае шестичленный олигосахарид) в напря ­

фермента содержит расположенные строго определенным

женную конформацию с перегибами (перестройка­

образом химические группы, ускоряющие реакции за счет

ми) по некоторым критическим связям (в данном

своего влияния на распределеt1ие электронов в молекулах

случае эти связи принадлежат одиому сахару; в ре ­

субстратов (рис.

зультате ои по своей форме приближается к одному

молекулы некоторых субстратов меняют свои очертания :

из высокоэнергетических переходных состояний,

определенные химические связи в них изгибаются, прово­

характе рных для процесса реакции).

цируя наступление переходного состояния (рис.

с

+

ФС

ф

РИС.

4-30.

ФП

---.,

4-32,

Ф+П

Б). При связывании с ферментами

4-32,

В).

(Б)

Расщепление полисахарида лизоцимом. (А) Схем атичное и зображение ферм е н ­

та ли зоцим а (о б о з н а ч е нно го как Ф) , катали з ирующего расще пление полисахаридно й цепоч ки, и его
субст рата (обоз н ач ен но го как С) . Сн ачал а они связываются с образ овани е м фермент-субстратного
компл екса (ФС) , по сл е ч его фе рм е нт катали з ирует разрыв конкретной ковалентной связи в остове по ­
ли саха рида . Ф е рмен т-субстратн ый к омпл екс ста нови тся компл ексом фе рмента с проду ктом (ФП) , ко ­
торы й существует очень н едолго и бы ст ро ди ссоциирует н а компон е нты . Вы с вобождени е половино к

раз реза нн ой це пи (продукты П) поз воля ет ферм е нту приступ ить к работе над следующей моле кулой
субстрата . (Б) Объе мная модел ь и зоб ражает мол екулу лизоцима в компле ксе с н ебольшим отр ез ком
поли сахарида до е го р ас ще пл е ни я. (Б

-

с р аз р е ш е ния

Richard J. Feldmann.)

Как работают белки

143


ПРОД УКТЫ

СУБСТРАТ

Этот субстрат представляет собой олигосахарид
из шести звеньев (сахаров) , обозначенных А , В , С ,
крупным планом даны только

~

Dи

Продуктами являются олигосахарид из четырех звеньев (слева)

D, Е ;

и дисахарид (справа)

- собственно , продукты гидролиза .

Е.

сн,он

в 'о сн,:н о~:,о,., сруооа
на сахаре Е

В фермент-субстратном комплексе (ФС)

Как только

фермент заставляет сахар

связь (фермента) с атомом углерода С1

D перейти

в

напряженную конформацию . При этом

Glu 35

сахара

Asp 52

D, Glu 35

образовал ковалентную

Реакция с участием красной молекулы
воды доводит до конца гидролиз и

поляризует красную

возвращает

Asp 52

в исходное состояние;

молекулу воды , так что ее атом кислорода

образуется комплекс фермента с

связь между сахарами . Она отдает свой

может легко атаковать атом углерода С1 и

продуктом

протон (Н+) сахару Е , одновременно

вытеснить

выступает как кислота, атакующая смежную

Asp 52

Asp 52 .

-

завершающий в

ката литическом цикле лизоцима .

атакует атом углерода С1 .

РИС.

4-31 . В активном

центре лизоцима связи перестраиваются и рвутся. В верхнем ряду даны

изображения свободного субстрата и свободных продуктов. На трех нижних рисунках

- развертка со­

бытий в актив ном центр е фермента, в результате которых рвется связь между двумя сахаридными зве­

ньями полимера . Обратите внимание на измененную конформацию звена

D в фермент-субстратном

комплексе по сравнению со свободным субстратом; данное изменение благоприятствует наступлению
пере ходного состояния. Саму реакцию и структуру лизоцима, связанного со своим продуктом, смо­
трите на ВИДЕО

4.8 и

ВИДЕО

4.9. (С разрешения Macmillan PuЫi shers Ltd из : D.J. Vocadlo et al ., Nature

412: 835-838, 2001.)

Остается добавить, что, подоб но лизоциму, многие ферм е н­
ты активно участвуют в р еакциях как компо11енты пром е­

жуточных проду1<тов , коеда на оч ень коротко е время м

жду

промежуточным продуr<том (бывшим субстратом) и рад и­
калом аминокислоты в актив ном це нтре ферм ента образу­
ется ковалентная связь. На заключительных этапах ката­
лизируе мой реакции эта связь рвется , возвращая фе рме ,п

в и схо;1ное состояние, чтоб ы он мог осуществлять ~ювые
ци-клы катали за.

РИС.

4-32.

Существует несколько механизмов ферментативного

катализа. И х принципы заклю ч аются (А) в удержании субстратов бок о
бок в строго определенном положении , (Б) стабилизации распределе­

(В)
связываясь с двумя

связываясь с субстра­

молекулами субстра ­

том , фермент вызывает

та, фермент ориенти­

перераспределение

рует их относительно

электронных плотностей

друг друга с высокой

в его молекуле (где

точностью, и таким

создается особый

образом провоцирует

паттерн частичных

реакцию .

положительных и
отрицательных

ния зарядов у промежуточных продуктов реакции , (В) изменении углов

зарядов) , и за счет

между хими ч ескими связями в субстрате, увеличивающем вероятность

этого провоцирует

ко н кретной реакции .

144

ГЛАВА 4. Структура и функции белков

реакцию .

фермент «строит»

связавшуюся с ним
молекулу субстрата ,
физически уводит

ее в конформацию
переходного

состояния,

характерного для
реакции.


Большинство лекарств - ингибиторы ферментов
Многи

известные лекарства,

которые

мы

соо н
1

принимаем

СН2

во время болез 1-1и либо используем для профилакти-

1

С Н2

1н1, работают за счет инп1 бирования актив~юсти коJ1 крет11ых ферм ентов.

Стапrны,

11O1-,ижающие у ров ень

холестерина в крови, ингибируют ГМГ-КоА-редуктазу

Н 3 С СН з

(HMG-CoA гed нctase) - ферме1п, участвующий в син­

С Нз
~
Н 3С

~

вьп,люlrения дигидрофолатредуктазы (dihydrofo]ate гe­
ductase) - фермента, продуцирующего одно из веществ,

1<леток ут рачены

важиые

1

СН 2

Н 3С

СНз

н
Н 2 С= С

СН з

сн а

Необходимых для синтеза ДНК. Поскольку у раковых

1

СН2

~

тезе холестерин а печенью. Метотрексат (1netl10t гexate)
УНиLrтожает некоторые типы раковых клеток з а счет

с оон

(А )

СН3

нс
11

С Н2

(Б)

внутри клеточ 1-1ые систем ы

1<онтроля, некоторые из них чрезвычайно чувствителr,­

РИС.

ны 1, воздействиям, нарушающим репликацию хромо­

свою функцию . (А) Структура ретиналя

сом, в частности, к метотрексату.

тельной молекулы , присоединенной к белку родопсину, содержа щемуся

4-33.

Ретиналь и гем помогают некоторым белкам выполнять

-

неболь ш ой светоч у встви­

Фармацевти ч еские компании, занимающиеся разра­

в клетках сетчатки глаза. (Б) Структура гемовой группы с кольцевой ор­

Просматривают огромные массивы химических соедине ­

т ре. С каждой из четы р ех полипептидны х це п ей перенося щего кислород

ний, стараясь выделить среди них ингибиторы актиш-юсти

бел ка глобина прочно связа на одна гемовая группа. Структура гемогло­

боткой ле r,арств, с помощью автоматизированных методов
Ферментов, интересующих врачей . Самые перспект ивные

ганической ч астью красного цвета и оранжевым атомом железа в цен­

бина показа на на рис.

4-20.

ингибиторы подве ргают различным химическим моди­

фикациям с целью повыше ния эффективности связыва­
Ная фе рмента и с пецифичности. В гл. 20 будет под робно

трал ,, ным атомом железа (рис.

Рассказано о разработке новейшего противоракового пре­

гемоглобину и нашей крови красный цв ет. Благодаря

ll арата гливек (G leevec), созданного как ингибитор фер­
мента, нарушен ие активности которого вызывает опреде­
л.ен 1-1ый тип онкологических заболева ний - хронический
Миелоищ,ый лейкоз (с l1гопiс myeJoid leukemia). Запош1яя

обратимому свя з ыванию rема с растворен ным в крови

собой ~ карман ,> , предназначенный для субстрата в актив ­

пляться к белку ковалентно. Тогда они постоянно входят

ном центре фе рм е нта, лекарство блокирует его активность

(см. рис. 20-53).

4-33,

Б) . Гемы придают

кислородом гемоглобин может заб ирать кислород в лег­
ких и отдавать его в тканях.

Вспомогател ьны е

малые

молекулы

могут прикре­

в его состав, представл яют собой интегральную часть бел­
ковой молекулы. Из гл.

11

мы узнаем, что ти пичное для

кл етки заякориваии е белков в клеточных мембранах про ­

Прочно связанные с белками малые молекулы
Придают им дополнительные функции

Струюура и функциональная раз носторонностъ белко­
вь~х молекул определяются составом и порядком следова­
ния аминокислот. Но этого бывает недостато чно: как мы
Используем инструменты для той работы , кото рую слож­
но сделать руками , так и многие белковые молекулы ис­

llол 1,зуют малые молекулы - ~ небелковые,> ком п оненты,
11O
з воляющие выполнять такие функции, с которыми н е
сnравляются аминокислоты поли п е п тида. Так, фоторецеп­
торный белок родопсин, светочувствительный пурпурный
Ниrм ент палочек сетчатки человеческого глаза, улавлива­
ет свет при помощи небольшой молекулы , ретииаля (гeti ­

l1al), прикрепле 1-11-1ой ковалентной связью к радикалу л и3v11-1.а ( РИС. 4-33 , А). Поглощая фото1-1 , небольшая молекула
Рети н аля меняет свою форму ; родо п син умножа т этот
снrнал, зап уская кас1<ад ферментативных реакций, при ­
водящий к поступл е нию электрического импульса в мозг.
Другой приме р белковой мол е1<ул ы , содержащей

ФУmщионалъ1-10 значимый небелковый компонент, -

ге моглобин (h e inogloЫn; с м. ри.с. 4-20). С молекулой
глоби н а нековалентно связаны четыре 1·емов ы е группы ,
vtли rсма (heme gгонрs). Гем - небольшая замкнутая в
Кольцо орrаническан молекула с ед инств е 1-1.ным цен-

исходит благодаря ковален тно связанным с 1-1ими молеку ­
лам липидов. Многие мембран ные белки, выставленные
на

поверхиостт,

клетки,

а

также

мно 1·ие

сек р етируемые

белки модифицируются путем добавления коваленпю
связанных мо 1-1O - и олигосахаридов.

Молекулы небелковой природы « п омогают>> многим
ферментам. У таких ф ерм е нтов в активном центр е со­

держится небольшая молекула или атом металла, н еоб ­
ходимый для осуществления каталитической функции.

В актив ном центре карбоксипептидазы

dase) -

(carboxypepti-

фе рм ента, разреза ющего лолилептидные це поч­

ки , содержится атом цинка. Когда карбоксилелтидаза
расщепляет п е п тид и ую связь,

ион цин ка ттрииима ет в

этом активное уl1астие. Он образует временную связ ь
с од ним из атомов субстрата, LfТO помогает гидролизу.
У других фе рм ентов а1-1 алогичную роль может и 1· рать

неболъшая органическая молекула . У ферментов, осу­
ществляю щих перенос карбоксильной группы ( - соо - ),

такой молекулой является биотии (Ыоtiп; см. рис .

3-37).

Его участие закл ючается в образовании временной ко­
вал е нтной связи с группой - Соо - , подлежащей п е р е­

носу ; таким образом, би.отин выступает в роли активи­
рованного переносчика (см. табл.

3-2 ,

с.

110).

На эту

роль неболъшая молекула биотина подходит лучше, чем
любая аминоки слота, используемая в белках. Биотин

Как работают бел к и

14S


не синтезируется в организме челов ка, его необходимо

Каталитическую активность ферментов

получать с пищей; поэтому он относится к витамшшм

часто регулируют другие молекулы

(vitamiп). Другие витамины

-

также предшественники

малых молекул, служащие важнейшими фующио н аль­

Живая клетка содержит тысячи фе рм е нтов. Разные фер­

ными компонентами 1-tаших бет<ав. Например, предше­

менты действуют одновремен н о в одном и том же срав­

ствен1iиком

ретиналя

-

светоL1увствителыюго

нента молекулы родопсина

-

компо ­

нителы-ю 11 ебольшом объеме цитозоля . Каталитическая
активность разли-чных фермеюов в совокупности создает

является витамин А.

сложную паути ~rу метаболических путей, которая состоит
из переплетающихся цепочек химич еских реакций, где

КАК РЕГУЛИРУЕТСЯ РАБОТА БЕЛКОВ

rrродуюъr одних ферментов служат субстратами другим .

В прошлом разделе описано выполнение белками своей
фу н1щии

-

п режде всего, с точки з ре н ия важн ости с 11 ец­

В этом лабиринте есть множество развилок, на которых

разные фермент ы конкур и руют за субстрат.

Система

ифич1-юго связывания с другими белками или малыми

очень сложна, и чтобы она работала, требуется контроль

молекулами. Но внутр и живой клетки больши нство бел­
ков, в частности ферментов, не осуществляет свою рабо­
ту непрерывно на полную мощность. Актив н ость белков

соответствующей сложности: нужно регулироват ,, время

координированно регулируется , чтоб ы клетка могла под­

фермента следующий: молекула (иная, чем субстрат) спеаи­

держивать себя в оптимальной форме, производя только

фич,-ю связывает фермент не в актюзном центре, а в другом

те молекулы, которые ей требуются на данный момент для

сайте на поверхности фермента. При этом меняется скоростr,

п ротекания и скоросп, каждой реакции.

Самый распростран енный механизм влияния на работу

реш ения своих задач в кон кретн ых условиях среды. За

превращения субстрата в продукт. Ингибирование (выюпо­

счет тон кой регулядии активности белков клетка эконо­

чение) по прющипу обратной связи

мит энергию, не накапливает в избыточных количествах

основано иа том, что молекула-ингибитор, являясь более

(feedback

i !lhi bltioп)

ненужн ые молекулы и не расходует напрасно запасы кри­

поздним п родукгом метаболического пути, начальные этапы

тически важ ных субстратов . В этом разделе нам предстоит

которого катализирует данный фермент, замедляет его ра­

знакомство с механизмами регуляции активности белков,

боту. Как только начинается нако пление этого продукта, он

в частности ферментов.

связывается с более ранним ферментом в пут и собственно­

Регуляция актив~rости белков осуществляется на

го синтеза и с1-1.11жает его активность, ограничивая да.тrьней­

н ескольких уровнях. На одном уровне клетка отсле­

шее поступление субстрата в да~шый отсек метаболизма и, в

живает количество производимых молекул фермента

частн ости, свой собственный синтез ( РИС. 4-34, 4-35). Ию·и­

за счет регуляции эксп р ессии ге н а, кодирующего соот­

бирование ло принципу обратной связи может действовать

ветствующий белок (см. гл.

прщпически постоянно и при этом легко обратимо: как толь­

8).

На другом уровне клетка

регули р ует активность ферме нтов за CLreт их привязки

ко кон центрация п родукта-ингибитора падает, сI<оросп, его

целыми командами к определенным субклето ч ным ком­

синтеза возрастает.

И н rибировапис по пр инц ипу об ратной связи

партментам (часто, но не всегда, функциональн ые ком ­

партменты отr р а1-~ичены мембраной от остальной части
внутриклеточ ного пространства; см. гл.

14

и

15).

мер отрии,ателыюй регуляции

- при­
(11egative 1·eguJatio11) . Такая

Но

сам ый быстрый и рас п ространенный способ подгонки
скор остей химических р еакций, третий урове 1-tь регуля­
ции, заключается в операциях непосредственно с самим

xl
lj

ферментом как функционалr,ной белковой молекулой.
Хотя механизмы включения и выклю ч ения белковых
молекул очень раз н ообразны, мы вскоре увидим, что

каждый из них так или иначе заставляет белок изменить

1
~

свою форму: регуляция функции идет через измен е ние

формы белковой молекулы.

ВОПРОС4 - 7

А Внимательно рассмотрите рис. 4-34. Что произойдет, есл и
А. Ингибирование по типу обратной связи, исходящее от

Z,

будет затрагивать только этап В -+ С?
Б . Ингибирование по типу обратной свя з и , исходящее от
В.
Г.

зат рагивать только этап У -+ Z?
Z будет полож ительным регулятором этапа В
Z будет полож ительным регуля тором э тапа В

Z,

будет

-+ Х?

-+ С ?

Для каждого случая выс ка ж ите свое мнение , нас колько полезной
для клетк и может о каз аться та кая регул яторн а я с хема .

146

ГЛАВА 4. Структура и функции белков

регуляция

z

rl' вместо обозначенной на нем обратной связи:

8

отрицательная

РИС.

4-34.

Ингибирование по принципу обратной связи регули·

рует поток вещества и энергии по путям биосинтеза. М етаболит

В является п е рвы м компоне нтом пути , дающего конечн ы й продукт

Z.

Z и нги б и рует п ер вы й фе р ме нт в уникал ьн ом метабол ическом п ути , от·
ветственно м за его синтез, и таки м образом контролирует свою соб­
стве нную ко нце нт рацию в клетке. Это п риме р отр и цател ьн ой р егуляции
( ре гуляци и п о пр и н ципу отри цательн ой обратной с вя зи) .


аспартат

У аллостерических ферментов
есть взаимозависимые сайты связывания

Ингибирование по принцип у обрапюй связи имеет одну
особенность , которая вначале не учитывалась . Особен­
~юсть заключается в том, что форма регуляторной моле­

кулы н е имеет ~1ич его общего с формой субст рата. В 60-е
аспартил­

фосфат

годы ХХ в., ко 1·да этот вид регуляции только открыли, его
назвали « с1.11 лосте рич еской р егуля ци ей ,>, а сам феномен

отличия
ste гe

-

-

аллостерией

(allostery;

от греч.

allo -

другой и

твердое тело или форма). Позднее стало понятно,

что многие ферменты обладают как минимум двумя раз­
личными сайтами связывания: кроме актив1-rого центра,

узнающего субстрат, есть е ще один или несколько сайтов,
узнающих р егулято рны е мо;1 екулы. При этом активный

центр и ре1·уляторные сайт ы каким-то образом « общают­
ся~, так ,по катализ в активно м це нтр е находится лад вли­

яаием связывания регуляторной молекулы соответствую­
щим сайтом фермента.

Взаимодействие между сайтами, расположенными в

удс1.1rенных областях белковой молекулы, опосредовано
конформационными изменениями. Связывание регуля ­
торной молекулы вызывает конформационное измене­

ние всей молекулы белка

-

она слегка изменяет форму.

У многих ферментов имеется две стабильные конформа­
ции, в одной из которых ферме~п хорошо выполняет свою

функцию, в другой

шюхо. Каждая из 1-1 их стаб илизиру­

-

ется связыванием « своих~ лигандов. В качестве примера

можно привести ингибирование по типу обрапrой связи.

Связывание иш·ибитора в одном у частке на поверх ности
белка переводит белок в конформацию, в которой его ка­
тал и ти ч еский активный ц ентр , расположе1-11-rый в другом

участке, гораздо хуже связывает субстрат ( РИС . 4-36).

РИС . 4-35. Ингибирование по принципу обратной связи многих
этапов метаболических путей регулирует связную систему мета ­

болических реакций. На схеме изображены пути биосинтеза четырех

выкл

Различных аминокислот у бактерий из аминокислоты аспартата (аспа­
Раrиновой кислоты). Красными линиями обозначено ингибирование

•

Ферментов продуктами по принципу обратной связи. В данном примере

11-

каждая аминокислота контролирует первый фермент, принадлежащий

Уникальному пути ее собственного синтеза ( как на рис . 4-34); так она
Регулирует свою наработку, предотвращая бесполезный синтез про­
межуточных продуктов. Продукты также могут независимо друг от друга
ингибировать начальные этапы метаболического пути , общие для всех
синтезов (самую первую реакцию этой схемы, образование аспартил­

Фосфата из аспартата, катализируют три разных фермента с тремя раз­
ными продуктами в качестве специфичных ингибиторов) .

связанная

ЦТФ

активный центр

АКТИВНЫЙ ФЕРМЕНТ
РИС.

4-36. Ингибирование

НЕАКТИВНЫЙ ФЕРМЕНТ

по принципу обратной связи основано

на запуске конформационного изменения. Аспартаттран скарбамо­

Рееуляция мешает ферменту работать. Активность мно­
гих ферментов подвержена и положителыюй регуляции

(positive гegula tioп) , при которой регуляторная молекула
активирует фермент. Положительная регуляция ч асто
11
Роисходит, когда продуI<т одного пути помогает рабо­
те фермента в дру гом пути. Например, накопление АДФ
вь1зъшает активацию работы несколы<их ферментов, уча­
ствующих в окислении сахаров [и цикле лимонной кисло­
тъ~, с которым сопряжен синтез АТФ. - При.м. перев.], тем
самЪLм 11обуждая клетку переводит~, болr,ше АДФ в АТФ.

илазу Е.

coli

использовали в ранних исследованиях ал лостери чес кой

регуляции . Крупный мулыисубъединичный фермент аспартаттранскар­

бамоилаза (см . рис .

4-9)

катализирует важную реакцию , с которой на­

чинается синтез пиримидинового кольца нуклеотидов С,

U, Т. Одним из

конеч ных продуктов этого пути является цитидинтрифосфат (ЦТФ). Ког­
да его много, он связывается с ферментом и выключает его . На рисунке
показано конформационное изменение , вызванное связыванием ЦТФ,

при котором фермент выключается. Обратите внимание, что на рис .

4-9

аспартаттранскарбамоилаза показана сверху, а на этом рисунке - в бо­
ковой проекции .

Как регулируется работа белков

147


НЕАКТИВНЫЙ

катализируемое ферментом добавле ни е к молекуле белка
фосфатной группы вполне может вызвать существе нны й
сдвиг в ко11форма1.1ии , например за счет элект ростатиче­
ского притяже ния nоло ж ителы-ю за ряж е ,-11-1.ых радикалов

н ескольких амино1<иСJ1ОТ. Это конформационное и змене­
ни е может, в свою очередь , ,ювлиять на связ ы вани

лига н ­

дов друrими участками пов р х ности белковой молекул,,r,

изменив актив1-1ост 1, белка. Удалени е фосфатной группы,
катализируемое другим ферментом, возвраща т белок в
исходную конформацию с ее функциональн ыми хар акте­
АКТИВНЫЙ
(А)

РИС.

ристю<ами .

(Б )

10%

активн о

(В)

100%

активн о

4-37. Связывание лиганда влияет на равновесное соотноше­

ние двух конформаций белка. Н а схеме представле н ги п отетический
ферме н т, для которого увеличение концентрации молекул АДФ (крас­
ные клины ш ки) приводит к увеличению скорости , с которой фермент

катал изир ует окисле н ие молекул сахара (голубые шестиугольники). Та­
ким об разом , АДФ выступает как активатор этого ги п отетического фер­

Обрат имое фосфорилирован и е белков (pюte in

phos-

pl10гy l ation), как способ регуляции их активности, ис­
пользуется эукариотич ески ми клетками очень широко.

С его помощью регулиру ется активность самых разных

белков. В типичной ю, етке млекопитающего из

10

ООО

белков более одной трети в какой-то мом ент оказывают­
ся фосфорилиров а нными. Добавление фосфатных групп

мента . ( А ) Фермент подлежит аллостерической регуляции . ( Б ) П ри от­
сутствии АДФ л и ш ь небол ьш ая фракция молекул с п онтанно переходит
в актив н ую (закрытую) ко н формацию; больш ая часть находится в неак­

о-

тивной ( открытой форме) . (В) Поскольку АДФ связывает белок только

О = Р - о-

1

ф

в е го закрытой конформации, добавл ение АДФ понижает свободную

он ~
-

э н ер ги ю зак р ытой ко н формации , тем самым давая ей п реимущество:

1

по чти все мол екулы фермента удерживаются в активной форме . Такой

СН 2

ферме нт мог бы использоваться в метаболических п утях клеточного
дыхания, например , как се н сор накопления « по р ожней » АДФ, и н тенси ­

ПРОТЕИН­
КИНАЗА

1

о
1

СН 2

фи цирую щий окисление сахаров (в ка ч естве катал изатора н ачальных
ПРОТЕИ~
ФОСФАТАЗА

эта п ов), чтобы дать больше энергии на синтез АТФ из АДФ.

~орилированнь1
й
::лс:,

Многие белковые молекулы (возмож но, большин­
ство) являются аллостерическими

(allo ter-ic):

(

они могут

Р1

(А)

приним ать как ми1,имум две слегка различных конформа­
ции , за иет п е р екл ючения между которыми р егул иру е т с я

активность белка. Этот принцип регуляции используется
клеткой не только для ферментов, но и для многих д ру­

гих белков

-

---к ин аза

реце пторов, струюурных, моторных и т. 1\.

выкл

Принцип можно растолковат ь, не прибегая к сложным

....____

вкл

фосфата за

химическим р еак циям : поскольку очертания молекуляр­

----

ной поверхности в каждой принимаемой белком конфор­

киназа

мации немного отличаются , сайты связывания л игандов

....____

в разных конформациях тоже вытлядят и ведут себя не­

выкл

фосфатаза

много по-раз ном у. Каждый лиганд будет стабилизировать

ту конформацию, в которой он связа н с белком наиболее

( Б)

прочно, и в достаточно высоких ко1ще 1-tтр,щиях будет
переводить в эту конформацию весь п ул молекул да нного

РИС.

белка ( РИС. 4-37) .

как способ регуляции их активности . В типи ч ной эукариотической

4-38.

Фосфорилирование белков очень распространено

клетке многие тысячи белков подлежат модификации с помощью при ­
соединения ковалентными связями одной или нескольких фосфатны х

Фосфорилирование может регулировать
активность белка, меняя его конформацию

групп. (А) Общая схема реакции : фосфатная группа переносится с АТФ
на радикал аминокислоты в белке - ми ш ени ферментом протеинкина·

Связывание малых молекул не еди нстве нный пуп, ре гу­

зой. Удаление фосфатной группы катализирует другой фермент

ляции работы фе рм е шов. Другой способ, очен ,, типичный

протеинфосфатаза . В данном случае фосфат « вешается » на гидроксил

-

для эукариотических кл еток, закл ючается в присо ед ин е­

( - О Н) в боковой гру п пе серина , иногда это может быть треонин или

нии фосфатной группы ковале1-1 тной связью

радикалу

тирозин. (Б) Фосфорилирование белка протеинкиназой может увели ­

одной из амю-юкислот 11олипег1тида. Поскольку каждая

чивать или уменьшать его активность в зависимости от сайта фосфо·

фосфат н ая группа н есет па себе два отрицательных заряда,

рилирования и структуры белка .

148

ГЛАВА 4. Структура и функции белков

1<


кон, реп,ым белка м и л и и х удаление во многих случаях
служит ответом н а с игн ал ы, обоз н ачаю щи е какое - ниб уд ь

ГТФ-свя з ыва ющи й б ело к

/_.,

н ая лосле11ов ател ыюстъ слож ных соб ыти й, сме няющи х

ДРОЛИ

18); м~югие сигналы от гормо11о в и ~, е йром едиаторов та к ­

Фосфори лирова ни е белков прои сход ит за счет п е ре ­

_L

ГТФ

друг д руга 11 ри деле н ии эука риотич еской клетки ( см. гл .

белков ( см. гл . 16).

1Ш

~--1...

измене 1-1ие в состоянии кл етки. Име11110 такова правиль­

же п ер еда ютс я в я д ро ч е р ез каскад фо с фори л иров а ния

Р1

1//;

АКТИВНЫЙ
РИС.

4-39.

выкл

выкл

НЕАКТИВНЫЙ

НЕАКТИВНЫЙ

АКТИВНЫЙ

ПФ-связывающие белки работают молекулярными

носа конце вой фо сфат н ой 1:руплы АТ Ф н а ги д рокс и ль-

переключателями. А ктивность ГТФ -с вя з ыва юще rо б ел ка (з еленый )

1-1 ую группу в рад икал е се рин а, треонина и л и тирозина

т ре бует н алич и я прочн о с вя за нн ой м ол екулы ГТФ : он а е го в кл ючает.

в составе бе;1 ка; реакцию катализирует ферме нт nроте­

Гидроли з мол екулы ГТФ дает ГДФ и неор га нич еск и й фос фат (Фн ) и за ­

инкиназа (pгote in k i пase ) . Обрат 1-1ую реакцию удаления

ста вля ет бел ок п ер е йти в и ную , как правил о , н еакти вную конформ а цию :

Фосфатной группы , или дефо сфорШlироваиия. (d e p lюs­
pl10гy l atio11) , катализи рует проте инфосфатаза (p rotein
pЬos pl1ata е; РИС. 4-38, А) . Фосфори л иров а ни е 11овы­

прои сходит вы кл ючен ие . Как п оказа но н а ри су н ке , для п е р ез агруз к и

JJ1ает либо по 1-1 ижает активность белка

пер екл юч ателя нуж но , чтобы « отработа нны й » ГДФ ди ссоциировал : та к
как он п рочн о свя за н с бел ко м , этот эта п довольно м едл е нны й, но е го

в з ависимост и

можн о з н ачи тел ьно ускор ить определ е н н ы м и с и гн ала ми [в виде лига н ­

от белка и от са йта, ло котором у добавляется фосфат

дов ил и ков ал е нтны х м одифи ка ций , вы з ыва ющих и з мен е ни е конфор ­

(ри с .

ма ции .

-

4-38, Б) . Кл етки содержат сотни различных проте ­

-

Прим . перев. ] .

и:нки н аз, каждая и з которых отв е L1ает за фосфорилирова­

ние одного или нескольких белковых субстрато в. Кром е
того , клетки соде ржат много ра з ных протеинфо сфата з;

только ГДФ отделяется, н а е го месте быстро появляется

н екото ры е из них высокоспе цифичны и действуют толь­

новая моле кула П" Ф.

ко на один или несколько похожих белков. Другие фос­

Бол ьшое количество родственных м ежду собой ПФ ­

фатазы менее специфич н ы и работают с разными беJ1 ка ­

связывающих белков работают в клетках молекуля рны­

ми. Статус фосфорилирования белка , определяющий его

ми п е ре ключателями. Отделени е ГДФ с заменой на ПФ

активность, в каждый момент врем ени зави с ит от соот­

обычно << включает~ белок; очень часто этот м еханизм
срабатывает в ответ на какой-нибудь сигнал, получаемый

нош ения активностей протеинкиназ и nроте инфосфатаз,
которые в это вр ем я на не го действуют.

У многих белков фосфатная группа сначала << н аве­
шивается,> н а конкретный рад икал, затем удаляется, и так
снова и с н ова

-

сайт

идет 11е пре рывный цикл ический п роцесс

пе реклю ч е ния беш<а между двумя функциональными со­

стояниями. Чем быстрее обороты цикла фосфорилирова­
ния, те м быстрее клетка реагиру ет на в н еза пный стимул

Изме 11 е ни ем концентрации фосфорилированного белl(а.

Од11ако поддержани е высоких оборотов цикла фосфори ­
л.ирования любого белка обходится довольно дорого, по ­

тому что требует болыиого расхода молекул АТФ

-

до­

норов эн е ргии и фосфатных групп.

домен

3

ГТФ-связывающие белки тоже регулируются путем
циклического присоединения и отделения фосфата

У эу кариотичес1шх клеток есть еще оди н способ регулиро­
вания а ктивности белка обратимым добавлением фосфата .

При этом способе фосфат не пере носится с АТФ н а белок

При: участии ферме н та: фосфат является частью гуанино­
вого нуклеотида - гуаноз интрифосфата или гуанозинди­

Фосфата (ПФ или ГДФ), прочно связывающегося с бел­

!<ом. Белки , регули руе мые этим с пособом, активны тоm, ко
в 1<омплексе с ПФ. Их называют ПФ-связывающими

бел,сами (GTP- bl п d i ng pгoteins) . Гидролизуя свой П"Ф до
ГДФ с высвобождением фосфата, белок «перекл ючается,>

РИС.

4-40.

В ответ на гидролиз нуклеотида

EF-Tu

претерпевает

резкое изменение конформации . ГТФ -с вяз ыва ю щи й бело к

EF-Tu

игр ает оч е нь важную рол ь в си нтезе бел ка : он рекрут ирует а миноа цил­
тРН К дл я эл о нга ции п ол и п ептида . В с в оей свя за нн ой с ГТФ ф о рм е

Tu к ре п ко

EF-

де ржит молекулу тРН К. Ги дрол из с вя за нн о го ГТФ вн ач але

в ы з ывает в

EF-Tu лиш ь н ез н ачительн ое

и з м е н е ни е рас положе н и я а м и­

нокисл от в нуклеотид-с вя з ыв а юще м сайте ( смеще н ие экви вал ентн о

н есколь ким диа м етр ам ато м а в одо рода) . Но это н ебольш ое с меще ни е
п одхв атываетс я с ус ил е н ием дру г и м и уч аст ками п ол и п е п тида, выз ыва я

го раздо больш ее дви же ни е во всей бел ков о й м ол екул е . Гидрол из ГТФ
пр екра щает внутр и мол екулярное взаи м одейств ие, служи вш ее з асово м

(красные штри х и в струК1)'ре слева ) , предоста вл я я до мен ам

2 и 3 с вобо ­

13 Неа кт ив1-1ую конформацию . Как и в случае с фосфорили­

ду вр а ще н и я и п о в ор ота на

В результа­

рованием, процесс обратим: актив 1-1 ая ко~~формация белка
восстанавливается за сч ет отделения ГДФ и последующе­
го присоединения новой молекулы ПФ ( РИС. 4-39) . Как

те ме ня етс я вес ь прост ра н ствен н ый обли к бел ка , тРН К отдел я ется, что

90' в н а пра вл е ни и наблюдателя.

и тр ебуется дл я п родол же ния эло нгации п олип е птида ( ВИДЕО

4.1О ) .

Схема ос н ова н а н а да нны х ре нтге н ост руктур но го а н ализа .

Как регулируется работа белков

149


клеткой. При этом ПФ-связывающие белки ~1ах одятся
под ко нтрол ем д ру 1·и х белков , до пол нительно реаг ирую­
щи х с ними ; как важн йшие элементы клетоtшых си стем

пе реда Lfи сигналов они будут рассмотре н ы в 1·л .

16. Здесь

мы разберем только общий принцип и х действ ия , в кач е­
стве приме ра взяв бактериалы1ый факто р эло нгации

Tu.

EF-

Этот небольшой ГТФ-связьшаю щий белок помогает

1
f

загружать молекул ы тРНК в рибосому во вре мя синтеза
белка (см . гл.

t АТФ

СВЯЗЫВАНИ Е

7).

Н а основ а нии а~1 ализа пространств еиной структуры

EF-Tu

б ыл описан аллостериt~еск ий пе реход, за пуска­

емый уходом фосфата,

-

1-;юбалы-ю е и з м е н ени е обще й

формы молекулы этого ГТФ- связ ывающе го белка. На

2

РИС . 4-40 показано, что уход фосфатной группы сначала
дает лишь крошечный сдвиг на

0,1

нм в са йте свя зыва -

1-1ия . Но сдвиг вызывает вторичные конформациониые

из м ене ния , которы е усиливают эффект, лриводя 1< дв.и­

жению в

50 раз большего раз маха. Похожие по своей сути

конформационные из м е нения лежат в основе движений

на макроуровн е, созда ваемых некоторыми типами бел­
ков (см. след. разд. ) .

3

Гидролиз нуклеотидов позволяет моторным белкам
обеспечивать клеточную подвижность
Конформационны е из м е нения белковых мол екул занима­
ют центрально е место в регуляции а rпивности ферме нтов

и передаче сигналов в юrетках . Эти из м енения очень важ-

н а пр а вл е ни е
д в иже н ия

РИС.

4-42.

Аллостерический моторный белок, управляемый ги·

дролизом АТФ , движется в одном направлении. Движущей силой
регул яр н ых цикли ч еских п е реходов между тремя ко н форма ция м и вы­

ступ ает гидрол из связан н ой мол екулы АТФ . П оскол ь ку один из этих пе­
реходов ( из ко н форма ци и

2 в ко нфо р ма ци ю 3) со пр яжен с

гид роли зом

АТФ , весь цикл факт и чески необ ратим . За с ч ет повторения циклов белок
сове рш ает непрерыв н ое движе н ие вдол ь тяжа н а п раво .

2
ны е ще в одном аспекте: они позвол яют моторным белкам
(1110tо г pгote ins) генерировать ус илия , отвечающие за со·

краще ние мышц и другие раз нообраз ные формы клеточной
подв ижност и . Моторны е белки обеспечивают также более
м елк и е пе ремещения компо 1-1 е нтов клетк и : они растаски­

вают хромосомы к противополож ным полю сам клетки во

3
РИС.

4-41.

Конформационные изменения позволяют белку «ша ­

время митоза (см . гл .

18), двю·ают органеллы по внутрикле­
17), толкают фер ­
ДНК во время репл икации ( см. т. 6).

тоLJ и ым молекул ярным релъсам (см. гл.

менты вдол ь цеп е й

гать » вдоль филамента или другого тяжа. У белка , изображе нн о го н а

Представлени е о белках как молекулярных машинах с дви­

ри сун ке , есть тр и раз ных ко н форма ции, что п оз вол яет е му дел ать шаги

жущимися trастями соверш е нно необходи мо нам для пони ·

в любом из двух против оп оложных на п равлений, сохраняя связь с тя­

мания молекулярных основ пов едения живой клетк и .

жом . Если н е тратить энер гию н а то , чтоб ы сдел ать е го дв ижение одно ­
на п равленным , бел ок будет бесцельно флани р о вать .

150

ГЛАВА 4. Структура и функции белков

Ка ким образом можно и с пользовать изме1-1ения фор­
мы белковых молекул, чтобы обеспечить у порядоч еняы е


дви же ния ? Есл и белку надо ша1·юъ вдоль одноме рн о го

Крупные комплексы из большого числа белков

тяжа, на прим е р це пи ДНК или филамента, он может это

функционируют в качестве белковых машин

делать , совершая с рии

конформационных

и з м е 1-1еиий

( РИС . 4-41 ). Но чтоб ы белок, ка к обычио требуется, д вигал­

В отличие от н ебольших од нодомениых белков у кру п ­

ся вдоль тяжа в одном направл е нии , ко н формационны е

ных белков вьшоJ1 ня емые ими функции усложняются

и зме н е иия должны следо в а ть д р уг за д рутом циклич ески ,

и

в определенном поряд ке. И1-1 аче они будут полностью об ­

закономерности является тот фа[(т, что р е ш е ни е м са ­

сове рше н ст в уются .

Логическим

за верш ени ем э той

ратимы, и белок будет случайным образом п еремещап,ся

мы х

по тяжу взад - вперед.

стоящи е белковые а нса мбли, собранны е из множества

Чтобы придат 1, се рии конформационных из менений.
однонаправле 1шый

цикл ич еский

ха ракте р ,

достаточно

ответственных

и

сложных

зада ч

за ним а ются

на­

инд ивидуал ы1ых белковых молекул. По сле того как
появи л и с ь

технологии,

по звол яющи е

р еко н с тр у иро ­

сдеJJать один из этапов и змен е ний н еобратимым. Для

вать биологические процесс ы в бесклеточных си сте мах,

большинства белков, способных шагать в одном направ­

с тало ясно , что в се важнейшие кл ето чные процессы

ле нии на дл и1н1 ы е д истанции , н еобратимость одного из

репликация ДНК, с интез белка, отшнуровка везикул и

конформационн ы х из менений достигается его сопряже­

п ер еда ча сигналов сквозь мембраны

нием с гидролизом молекулы АТФ, которая с вя з ьшается

высококоординированными сплоченными б елковыми

с белком ( РИС. 4-42 ). М еха низм сопряжения гидроли за

коман дами, н ас читывающими десятки белковых субъ­

-

-

обслуживаются

АТФ с из менением конформации белка почти такой же,

ед иниц . В большинстве таких белковых машин (prote iп

как у ПФ- связывающих белков: выделение большого

m.achi nes)

колиqества свободной энергии при гидролизе АТФ или

(АТФ или ГТФ) задает направле ни е у порядоченной

ГГФ делает крайне маловероятным обратное и з ме нение

серии конформацио нны х и з мен ений в отдел ьно в з ятых

конформации нуклеотидс вяз ывающеrо белка. Тем самым

белковых субъединицах , че р ез которые координиру ется

оно придает циклу конформационных из м енений необра­

работа всего ансамбля. С помощью да ю-юго м ехани з м а

тимос1ъ, а движению

однонаттравлен~юсть. Для обрат­

можно так располагать ф е рме нты , Lfтобы они могли со­

ного хода потребовалось бы обращение гидроли за АТФ,

гласованно осущ ествлять опр еделе ины е п оследователь­

т. е . конденсация фосфата с АДФ. Такое поведени е систе­

ности р еакций , например при синтезе белка па рибо сом е

мы те рмод инамич ес ки не выгод но , следовательно, крайне

( см. гл.

маловероятно. В результате белок быстро шагает в одном

мультимерный. белковый комплекс очень быстро дви­

напр авле нии .

жется вдоль длинной молекул ы ДНК На РИС. 4-43 изо­

-

По тако му принципу генерируют движени е многи е
Моторные белки. Среди них мыше trный белок миозин

(myosin); бег мол е кул миозина вдоль а ктиновых фила­
М ентов - это и есть мышечное сокраще ни е (см . гл. 17), и
кuиезии (kin es iп) , участвующий в дв ижении хромосом при
Митозе ( см. гл.

18).

Это движение бывает очень быстрым:

Не1<оторы е моторные белки, задействованные в реплика­
ции генетического материала, мчатся вдоль цепочки ДНК
со скоростью тысячи иуклеотидов в секу н ду.

7)

гид рол и з связанных нуклеоз и дтрифосфатов

ил и реп л икации ДНК , при которой крупный

бражена простая аналогия, позв оляющая понять прин­

цип работы белковой машины.

ВОПРОС4-8

А Объясните , как добавление фосфата и связывание нуклео­

rl' тида можно использовать для регуляции активности белка.

8

Как вы думаете, какими преимуществами обладает каждая

из форм регуляции?

Рис. 4-43. «Белковые машины» могут выполнять сложные функции. Эти машины состоят из
отдельных белков, объединенных в комплекс для выполнения конкретной задачи ( ВИДЕО 4.11 ).

Во многих таких комплексах движения белков координируются гидролизом связанного нуклео­

тида (см . рис . 4-40). Конформационные изменения, провоцируемые гидрол изом связанного ну­
клеотида , наиболее полезны клетке в тех случаях, когда они происходят в большом комплексе

белков и координируют активность белковых молекул в пределах комплекса.

Как регулируется работа белков

151


ВОПРОС4-9

СОЧЕТАНИЯ КОВАЛЕНТНЫХ мод~ФИКАЦИЙ ОБРАЗУЮТ

(А)

КОМБИНАТОРКЫИ КОД

А Объясните, почему ферментам на рис . 4-43 гораздо легче

rl' открыть сейф, если они образуют комплекс, по сравнению с

8

ДОБАВЛЕНИЕ КОВАЛЕНТНЫХ МОДИФИКАЦИЙ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ
ПО НАВОДКЕ 'СИГНАЛОВ

ситуацией, когда они независимо работают по очереди .

и/ипи

•

и/или

•

•

•

и/или

•
с

N

В процессе эвото ции

клеток появились белковые

;д ЧИТА~ТСЯ

машины, способные осуществлять большинство биохи­

СВЯЗАТЬСЯ или ПЛЫТЬ или В ПРОТЕАСОМУ или ВСТРОИТЬС Я

мических реакций. Они возникли и используются по тем

С БЕЛКАМИ
У И

же причинам, по которым люди изобрели механические и
электронные машикы: в решении любой задач и гораздо
эффективнее nриме 1-1ять манипуляции, координирован­

----...__

В ЯДРО

ДЛЯ

В МЕМБРАН У

ДЕГРАДАЦИИ

Z

(Б) НЕКОТОРЫЕ ИЗВЕСТНЫЕ МОДИФИКАЦИИ БЕЛКА р5З

ные во времени и пространстве через со пряжение различ­
ных процессов, чем по следователь но использовать отдель­
ные инструменты .

L..___J

50 аминокислот

Ковалентные модификации белков

РИС.

4-44. Возможность модификации белка по множеству сай­

контролируют местонахождение белковых молекул
и сборку белковых комплексов

тов дает комбинаторный код для регуляции его поведения . (А) Ко н ­

Белковые машины и другие белковые комплексы играют

ступающих из вне ш ней среды или порождаемых внутри клетки (см . гла­

в жизни клетки очень важную роль. Но они н е «с идят ~> в

ву 16). Это сочетание учитывается клеткой для коррекции активности и/

кретное сочетание модификаций дикrуется комбинацией сигналов , по­

клетке в заранее собран ном виде и боевой готовности, до­

или местонахождения белка . Фосфори л ирование (желтый символ) , как

жидаясь своей очереди:. Выяснилось, что в боль шинстве

правило , влияет и на то, и на другое , тогда как наличие убиквити новой

своем белковые машины образуются в привязке копре ­

метки (зеленый символ) обычно сл ужит направлением на уничтожение

деленному местоположению и

(см . гл .

активи руются только по

мере необходимости. Мобилизация белковых комплек­

7) . (Б) Показаны некоторые ковалентные модификации , которы­
- важн ого ре­

ми контрол ируется активность и деграда ция белка р53

сов чаще всего осуществляется за счет добавления не­

гуляторного белка , задействованного в механизмах клеточного ответа

большой химической группы к одному или нескольким
радикалам аминокислот белка с образованием ковалент­

на повреждение (см . гл .

ной связи.

кации

-

(голубые символы)

Существует более двухсот типов ковале1пных моди­

18). О братите

внимание , ч то не все модифи­

фосфорилирование, убик в итинилирование и ацети л ирование

-

присутствуют одновременно. Разными цветами

обоз н а ч ены лежащие вдоль оси белка доме н ы.

фикаций , и з которых мы до с их пор упоминали только

добавле ни е и удален ие фосфатных групп. Фосфо рилиро­
вание может повышать или понижать активность белка
(см. рис.

Оно также вызывает ассоциацию молекул

белков, их объединение в комплексы. Например, некото­

4-44, А). Благодаря огромному чис­
лу возможных комбинаций этих двад цати модификаций

ры е сип-,ал ы из внешней с р еды вызывают фосфорили­

rюведение белка изменяется огромным числом способом.

4-38).

двадцати сайтам ( РИС .

рование трансмембранных белков класса рецепторных

Набор ковалентных модификаций, которые в дан­

тирозипкииаз, ил и реце1~торов с тирози1ши1шэ1юй актuв­

ный момент н есет моле r<ула белка, представляет собой

н.остыо

очень важный комбинаторный р егулято рный код бел­
ка (,·egu.latory ргоtеiп code). От удале ния и присоедине­

(recepto,· ty,·osiпe kinase); очень

часто их фосфо­

рилирова ние запускает сборку и активацию ~ наворо ч еи­
ных~> комплексов из сиrналыrъrх белков, которые переда­

ния отдельных групп зависит по веде ние белка в клетке:

ют клетке указа ни е расти или дел иться (см. рис.

он может менять свою актив ность или стабилыюстъ,

Другие ковалентные

16-30).

модификации тоже имеют сво и

парти еров по взаимодействию или местонахождение в

регуляторные роли. Добавление остатка жирной пальми­

клетке (см. рис.

ти но вой кислоты к ци сте иновом у зве н у поли.пептидной

мож но с1ъ оnтималы-ю пользоваться белками, давать б ы ·

цепос1ки заставляет белок присоединиться к клеточной

ст рый ответ на изменение своего состоя ния или условий

мембране. Присоединение уби ,шитина, неболь шого по ­

окружающей среды.

липептида из

76

4-44 ). Регуляторный

код дает клетке воз­

аминокислот, может направлять белок

на ун испожени е (см. гл.

7) . Каждый

из этих модулей при­

соеди ня ется к белку или удаляется особыми ферментами
в зависимости от нужд клетки.

КАК ИЗУЧАЮТ БЕЛКИ
Чтобы понять , как функционирует конкретный белок,

Оказалось, многие белки могут быть модифициро­

нуж но провести по;tро б ный структу рный и биохимиче­

ваны по радикалам сразу несколь ких аминокислот. Так,

ский анализ. Такой анализ тр ебует больших количеств

белок р53 , важнейший << винтик~ в 1<леточном ответе на

изусrаемого белка в чистом виде. Выделение белка, его

поврежден и е це пей ДНК, может модифицироваться по

очистка от тысяч других, одновременно при сутствую-

152

ГЛАВА 4 . Стру кту ра и функции белков


щи х в клет ке, са м о по себе я в ля тс я се р ьез н ой задач ей.

белка при помощи ге нно-июкеп е рных технол огий , с

Мн ог и е годы белк и при ход и лось в ы дел я ть н е пос ред­

кото рыми м ы познакомим ся в гл.

ст ве 1 1 н о и з т к а 11 е й , в кото ры х о ни лу чш е все го 11р едстав­

ки , можно за нес кол ько дне й полу чить чистый б ело к в

10.

Им е я та кие клет­

ле 11ы. Это б ы ло труд о емко и н е все гда легко осу щест ­

б оль ш о м колич еств е. О выра щив а нии клеток в лаб ора ­

влялось ( н а прим е р , требовало у тр енн их п оходов

на

то рии , а также о выделении белков и з эти х и д ругих кл е ­

скотоб ойню) . О с новным пр е пятств ие м при в ыделении

т о к кратко у помян ут о в т ексте э тоt'о р аздела и на вкл ад­

белков из о рга нов и тка н е й явл яется осо бе нно ст 1, исход­

ках

н о го мате ри ала: дл я вы деления бел ка классич ес кими

( с.

4-4, 4-5 и 4-6 ( с . 160- 163). В р азделе ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ
153- 156) расс каз ывается о метода х анализа очи ­

метода ми тр ебуется множество этап ов х р о м ато графиче­

щенны х бел ков с цел ью у становле н ия аминоки слотной

ской очи стки. На это ух одят н едели к в ал ифициров а н­

п оследо вател ьнос ти

н о го тр уда, а выхо д гото вого проду кта с о с т ав л я ет все го

и х мол кул. В з акл юч е ни е мы расс мотр11м крупном ас ­

н ес ко л ь к о ми лл итр а ммов .

штабны е программы систе мн ого и сследования бел ков ,

и

прос транств е нной

с трукту ры

В на ши дни бел ки чаще вы дел яют из клето к, выра­

которы е, как мож но надеять ся , помогу т углубить пр ед­

щ е нны х в л аб ор атории. Многие клетки удается настро ­

ста вления о совокупностях кл еточ~1ых б ел ков , чья коо ­

ить на проду кцию бол ъши х кол ичеств инте ресующего

п е рация ле жит в о с нов е жи з ни.

АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ &ЕЛКА
Вним ательно читая главу, вы, несомненно, усвоили, что

Вооруженные двумя методами ка ртироваи ия атомных

функцию белка диктует его структура. Соответственно,

положений, исследователи героическими усилиями бук­

чтобы п онять, как работает и ре 1:улируется белок, очень

вально собрали из кусоlrков структуры тысяч конкретных

Т!олезно бьmает знать , как он выглядит.

белков . При помощи с пе циально написанных программ с

Hq уз нать это не так просто. Пробл ема в том, что в боль­

возмож ностями компьютерной графики исследователям

щинст ве своем белки слишком малы для детальной в и зу­

удалось проникнуть внутрь многих белков ; узнать, где по­

а.nи заци:и даже с помощью мощных электронных микро­

м ещается АТФ, какие петли и спирали данный белок ис­

скопов. Чтобы определит,, траекторию укладки л инейной

пользует, чтобы ухватиться за партн е ра по взаимодействию

Цепочки аминокислот в объемной мол екуле фу нкцио наль­

или обернуться вокруl" учасша ДНК. Для белков, принад­

Ноt'О белка, нужно научиться « видеть~ отдельные атомы.

л ежащих вирусам или раковым клеткам, раскрыти е струк ­

Картирование расп оложения атомов в белке проводится

туры всегда дает хороший шан с раз работать лет<арство, спо­

гл авным образом двумя м етодами. Первый метол ос1-юван

соб~юе помочь орга низму победить 11~1фе 1щию или опухоль.

на войствах рентгеновских лучей. Подобно видимому све­

Чтобы иметь возможность облучить белок рентгенов­

ту, рентгеновс ки е лучи представляют собой вид электро­

скими лучами или поместить е 1'0 в поле большого маши­

Магнипюго излучения. Рен тгеновские лучи характеризу­
lотся оче нь малой длиной волны: всего 0,1 нм (по сравне-

та, с начала нужио получить е го в чи стом виде (см. вклад­

1·r11ю с

расположеиии атомов потребует знания амюютшслотной

400- 700

нм у видимого с вета). Малая длина волны,

ки

4-4, 4-5

и

4-6,

с.

160- 163).

Интерпретация данных о

со11оставимая с диаметром атома водорода, поз воляет 11с­

последовательности полиn ептидной

nо;1 ьзовать данное и злуч ение как инструм е нт для анализа

раз говор о расшифровке структуры белка мы начи наем с

строе ния оч ень м елких объектов на атомном уровне.

обзора м етодов определения аминокислопюй последова­

Второй метод картирования атомов в белках назы­

цепоч1<и.

Поэтому

тел ы-юсти по л ипелти д а.

вают «ядерной магнитно - резонансной спе ктроскоп.и е й ,>,
сокращенно <,ЯМР-сп ектроскопия,>. М етод основан на

собственном м а гнети зме яде р не которых атомов . Подобно

«Отпечатки пальцев))

стрелкам крош ечных компасов , в присутствии сильного

Прежде чем начать определять аминоки слотну ю посл е­

1vtагнита они ори ент ируются в соответствии с направле­

довательностъ , белок обычно разбивают на фрагме нты.

liи ем вн е шнего поля. При подаче дополнительного воз­

буждения радиоволновыми импульсами ядра-стрелки со­
вершают колебания, а воз вращая сь в исходное положеиие,
1
<а.ждый раз и с пускают сигналы , по которым можно опре­
делять рас пол ожени е атомов .

Очень хорошо подходит обработка п ротеазой селектив­
ного действия

[это

фе рм енты , рас ще пляющие белки по

опр еделе нным аминокислотам или сочетаниям аминокис ­

лот.

-

Прим.. перев .]. Типичный прим ер такой протеазы

Продолжеиие на с.

Как изучают белки

154

153


АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ &ЕЛКА (продолжение)
трипсин. Он разрезает лолипе птидные цепочки по кар·

боксильным сто ронам лизинов или арrининов. Если бе­
лок содержит девя ть л изи нов и семь аргининов, трипсин

р азрежет его на семнадцать фрагментов (пептидов). Ами­

--

---

нокислотный состав этих ко ротких фрагментов можно
определить химическими методами . Иногда их можно
частично

секвенировать

-

установить

часть амт1окис­

лот ной последователь ности опять же химическими мето­

дами. ПолуL1енные аминокислотные последовател ы-юсти
из геля вырезается пятно белка

N
--------c

ЗНАЧЕНИЯ МАССЫ

ПЕПТИДОВ , ПОЛУЧЕННЫХ

ОТ РАСЩЕПЛЕНИЯ БЕЛКА

фрагментов используют для лоиска совладений по базам
данных, чтобы « вытащить~ полн ую последоват льность
белка, с которым мы работаем.

Другой, более быстрый способ идентификации бел­
ков по аминокислотным посл едо вател ьно стя м заклю ч а·

ТРИПСИНОМ , ИЗМЕРЯЮТСЯ

ется в лрим енении метода масс-спектрометрии

ПРИ ПОМОЩИ

spect гom et гy). Метод поз воляет определить точное зна­

МАСС-СПЕКТРОМЕТРА

(inass

ч ение массы каждого пептидного фрагм ента и по набору

полученных з начений идеюифицироватr, исследуемый

jl
О

белок. Этим методом особенно хорошо пользоваться для

jj_J (

быстрой идентификации большого числа белков, полу­

1

.!J!- (отношение массы к заряду)

1600

ч еш-,ых при разделе нии смеси. Технология

ero

ния следую щая : продукт обработки трилсином
п е птидов

-

примене­

-

смесь

высушивают на металлической подложке и

обстреливают лазером, от которого образец нагревает­
ся. П елтиды ионизируются и , переходя в газооб разное

!

ПОИСК ПО БАЗАМ ДАННЫХ: ПЕРЕБОР БЕЛКОВ С ПЕРВИЧНОЙ
СТРУКТУРОЙ, ПРЕДСКАЗАННОЙ НА ОСНОВАНИИ ГЕНОМНЫХ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ, НА ПРЕДМЕТ СООТВЕТСТВИЯ
ПОЛУЧЕННОМУ СОЧЕТАНИЮ МАСС ФРАГМЕНТОВ

состояние, улетают с подложки. Разогнанные мощным
электрич еск им по ле м, ионы п ептидов иаправляются

1<

детектору; время, за которо е они до него долетают, зави­
сит для каждого пе птида от сочетания его массы и за ря­

!

;щ. (Ч ем крупнее пептид, тем м едленнее он движется; чем

ИДЕНТИФИЦИРОВАТЬ ИЗУЧАЕМЫЙ БЕЛОК

больше его за ряд, тем быстрее он движется. ) Для чистого

ОБНАРУЖЕНИЕ ТАКИХ БЕЛКОВ ПОЗВОЛЯЕТ
КАК ПРОДУКТ КОНКРЕТНОГО ГЕНА

белка набор точных знач ений массы п ептидов, нолучен ·

!

иых при его обработке трипс ином, явля ется аналогом

ЗНАЯ ГЕНОМНУЮ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ,

МОЖНО НАРАБАТЫВАТЬ БЕЛОК
В БОЛЬШИХ КОЛИЧЕСТВАХ, ИСПОЛЬЗУЯ

« отпеLrатков л аль цев ,> (finge 1· pгint) , 110 которым можно
и де нтифицировап, бeJIOK ( РИС. 4-45 ) .

МЕТОДЫ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ

Рентгеноструктурный анализ
Масс-спектрометрию можно использовать для иден­

Предrrоложим , вам удалось определип ами нокислот­

тификации белков через определение точных масс производных

ную посл едовательность белка, который вас по каким-то

РИС.

4-45.

пептидов. Как показано на рисунке, это, в свою очередь, позволяет

причинам особенно интересует, вы умеете nолуLrать его

нарабатывать белки в количествах, необходимых для изучения их про ­

в чистом виде в довольно больших количествах и хоти·

странственной структуры. В данном случае белок, интересовавший ис­

те «посмотреть~ на н его методом р е нтгеноструктурного

следователей, был вырезан из полиакриламидного геля, в котором про­

анали за. Тогда перед вами стоит све рхзадача : нужно за·

шел двумерный электрофорез (см. вкладку 4-6, с.

став ить белок образ овывать кристаллы

163), и затем обрабо­

-

крупные вы­

тан трипсином. Полученные фрагменты загрузили в масс-спектрометр

сокоупорядо1-1енные массивы , в которых все молекульr

для измерения точных значений массы. После этого провели поиск по

преб ывают в одной и той же конформацки и одинаковой

базам данных , где хранятся известные аминокислотные последователь­

ориентации по отноше1-1ию

ности , на предмет белка , чей расчетный профиль расщепления трипси ­

щивание белковых кристаллов высокого качества никаI<

1< соседним
-

мол екулам. Выра·

ном соответствовал бы набору значений, полученных для изучаемого

нельзя назвать рутинным за няти е м

белка. По этому соответствию можно идентифицировать изучаемый

кусство, в котором очень много

белок . Таким способом можно также анализировать некоторые смеси

иции. Тонкая настройка некоторых условий инкубации

белков. (С разрешения

( состава растворителя и т. д . ) выполняется перебором

154

Patrick O'Farrell.)

ГЛАВА 4. Структура и функции белков

это своего рода нс·

зависит от опыта и инту·


Дифракционная картина
(паттерн рассеяния рентгеновских лучей

данным белковым кристаллом)

(А) источник
рентге новско го
излучения

(В)

(Б)

РИС. 4-46. Структуру белка можно изучать методом рентгеноструктурного анали­
за. Фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза отвечает за фи ксацию С0 2 в процессе

Фотосинтеза . (А) Аппарат для анализа дифракции рентгеновских лучей . (Б) Фотография
кристалла . (В) Дифракционная картина . (Г) Трехмерная структура рибулозобисфосфат­
карбоксилазы, воссозданная по этой картине (зеленым цветом выделены а-спирали ,

Красным - ~-слои) . ((Б) - с разрешения С. Branden, (В) - с разрешен ия
11 1. Anderson, (Г) - по данным оригинала, предоставленного В . Furugren.)

J. Haidu

' Ножества возможных значений. На подбор правильных
Усдовий эффективного роста белковых кристаллов ино­
гда уходят годы, а некоторые белки вообще отказывают­
ся l<ристаллизоваться .
Но если п овезет, получатся кристаллы, с которыми
Можно будет при сту пить собствен но к р ентrенострук­

дает информацюо о расположе нии атомов в белковом

l'Урному анализу. Если на прави ть узкий пучок ренп-е­
Новских луlrей н а белковый кристалл, атомы в молекулах
l<ристалла будут рассеивать проходящие через кристалл
Рентгеновские лучи . Эти ра ссеянные волны где-то уси­
Jrи вают, а где -то гасят дру1· друга, давая замысловатую
дИфра rщионную картину - паттерн, с читываемый элек­
"'Ро1н1 ыми детекторами. Каждый штрих, каждое пятныш­
ко этой картины необходимо и нте рпретировать - 0~1 а

специалы1ы ми программами. Производя сложные мате­

11

кристалле ( РИС . 4-46).

Большинство белков дают очень сложные диф рак­
ционные картины. Даже н ебольшой белок может дать
порядка двадцати пяти тысяч
интерпретации

которых

(!)

диск р етн ы х пятен, для

используются

компьютеры

со

матиlrеские вычисления, ком11ыотер преоб разует диф­
р акционные картины в карты р азме ще ния атомов в про ­

странстве. Сопоставляя полученные карты с известной

вам амююкислот ной последовательностью белка, вы смо­
жете по степенно воссоздатъ атомную модель ст руктуры

вашего белка. Чтобы определить, претерпевает ли белок
Продолжение 11.а с.

Как 1-1зучают белк1-1

156

155


АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ &ЕЛКА {продолжение)

.: :'
·,, ,

.

'.·

;: ·--·-·:,.
·:

,.

i

,·.·· · -- 1•!" ..
.. -!--.

:

(А)

РИС .

(Б)

4-47. Структуру небольших белков или отдельных доменов можно изучать методом ЯМР­

спектроскопии . (А) Двухм е рны й ЯМР- спектр С- ко нцево го до ме н а ф е рм е нта целл юл аз ы . Тем ные п ят­
н а отобража ют взаимоде й ствия м ежду соседними ато м а ми водо рода. (Б) При во сс озда нии целостн ой
ка ртины набо р п е рекрыв а ющихс я фра гм е нтов ст ру ктуры п одо б р ан так, что все о н и оди наково хорош о
удовл етво ряют о гра н и че ния м р асстояни й. ( С разре ш е н и я Р .

конформационные изменения от взаимодействия с ли·

Kraulis.)

сигналам можно определять расстояния между атомамн

гаидом, влияющим на его активность, можно, сделав ш аг

в разных частях белка. Полученная информация исполь ­

назад, попытаться кристаллизовать белок в присутствии

зуется для п остр оения модели расположения атомов в

лиганда. Располагая таким и комбинированными кристал­

п ростр анстве . В сочетании с методам.и определения ами·

лами достаточно хорошего качества, можно детектировать

н окислопюй последовательн ости ЯМР-спектроскопия

даже мельч айшие коиформациониые изменения, мини·

может позволить полностью рассчитать пространствен­

мальные

внутре нние

сдвиги,

п роисходящ и е

в

п рисут ·

ствии активирующих или ингибирующих белок лигандов.

ную структуру белка ( РИС. 4-47) . Если исследуемый бе·
лок крупнее

50

тыс. дальтон, можно попробовать рас·

щепить его на составляющие функциональные домены,

чтобы анализировать их по отдельн ости.

Ядерный магнитный резонанс

Поскольку определе ние точной конформации беЛI<а

Серьезным недостатком рентгеноструюурноrо анализа яn·

занимает м 1юго времеr1и: и дорого стоит, а его результаты

ляется то, что для него нуж н ы кристаллы

м ного· з начат, уlrеные обычно выкладывают все расвнrФ·

-

не каждый белок

удается заставить их образовать. У ря,щ белков подвиж 1{ые

ровки в специальные общедоступные базы да н ных. При

домены не позволяют молекуле аккуратно вгп1саться в кри·

такой ор ,,а~шзации информации все, кому это интерес­

сталлическую решетку. Некоторые белки не кристаллизуют·

но, могут моментально вывести на свой компьютер для

сн без мемб ран, с которыми они ассоциирован ы в клетке.
К счастью, существует другой способ анализа струк·
туры белка, для которого не нужно выращивать кристал­
лы. Если ваш белок не очеиъ бол ы11 ой, скажем, весит в

детального знакомства структу ру, скажем, рибосомы

п ределах

когда их станет оченъ много, ученым, возможно , на.ко-

50 тыс.

дальтон, имеет смысл применить ядер·

-

сложной клеточ н ой машины, состоящей из несколькнх

молекул РНК и более чем

50

белковых молекул. Число

белков с расшифрованной структурой постоянно растет;

ный магнитный резонанс (ЯМР). В методиках исполь­

1-rе ц удастся составить алгоритмы точного п редсказания

зуют концентрированный раствор Lrистого белка. Его по ­

структуры п о аминоки:слопюй последовательности . По·
чему бы и н ет? В конце концов именно аминокислот наЯ

мещают в сильное магнитное поле под «обст рел>> радио­
волнами разной частоты. При этом часть атом1-1ых ядер , в

последователыюсть , и только о н а од н а , полностью опре·

частности ядра атомов водорода, будут отвечап, мапtи:т­

деляет всю стратегию укладки (фолдинга) и трехмерньrй

н о-резш-, ансными сигналами на некоторые частоты. По

облик любой белковой молекулы.

156

ГЛАВА 4. Структура и функции белков


Клетки можно выращивать в культуре

Хоп, это и 11 е все гда та к, н о большин ство клеток , ра­

Очень м ноги е раститеJ11, 11 ы е и ж и вотны е клетки nри н а­

сту щи х в кул 1,ту р е, со х раняют Lf е рты с во е й д ифф е р е нци ­

л ичии п одходя щей с реды с 1юсоб ны жип, в н е о р га ни зма ,

ро в1< и в соответствии с происх ожде ни е м . Фибробл асты ,

D с п е ци ал 1, иы х ч а шках для кул ьту ры тка н е й. Та м о ни ра ­

фо р м ир у ющи е со единител ьн у ю тканr,, в к ул ьту ре продол­

стут и дел ятс я ; многи е клетки при это м сох ра н яют сво ю

жа ют се кретировать колла ге н . В к ул ьту р е, произ вод ной от

с п е ци али за цию . Пр о э кс п е риме нты с клето чными кул ь ­

э м б ри о 11 ал ьных с келетных мышц, клетки сл и ваются друг

ту рами б иол оп1 говорят, что они проведены в усло ви ях

in

с д ру го м , образуя мыше чны е 1юлокна , которые спонтанно

viti-o (в бу квал ьн ом п ере воде с латин с кого - <~ в сте кле ,> ) ,

со кращ а ются 11р я мо в ч аш ке со с редой . Н е рвны е клетки

проти во по ставляя и х э к с п е риме нта м н а инта ктном ж и в ом

отращив а ют а к соны , проводящие эле ктричес ки е имп уль ­

организ м е,

с ы и об разу ющи е с ин апсы н а сосед них ~1 е р в1-1ых кл етках,

in vivo (бу квал ьно, «в жиз н и ,> ) . Термин ами in
vit1-o и in vivo н адо пол ьзоваться о ч е нь в1-1имател ыю , по ­
тому что биохимики у потребл яют их в д ру 1·и х з 1-1 а ч е ниях.

В б иохимич ес кой лаборатории вам с кажут <<in vitm ~ про
реа кции в проб ирка х, в бескл ето lrной с реде, тогда как <<in
vivo~ относ ится к любой реа кции , и ду ще й в1-1 утри живо й
!<лет ки , даже если клетка растет в кул ьту р е.

а р асту щи е э пител и ал ы·1ые клетки формиру ют кру ш,ы е
пла сты , похожи е на инта ктный эпителий ( РИС .

4-48 ) . По­

с кол ьку в се эти явле ния им е ют м есто в кул 1,ту р е, в кон ­

тро лируе мо й с р еде, они доступиы для изуче ния такими
м етода ми , с которыми к интактным тканям про сто 1·1 е под­

сту питься . Н а кул ьтивир уе мы е клетки м ож но поде й ств о-

50

мкм

L__J

( Г)

100

мкм

50
РИС .

4-48. В культуре клетки

мкм

часто проявляют свойства, соответствующие их происхождению.

(А) Фазовоконтрастная микрофотография фибробластов в культуре . (Б) Микрофотография культуры ми­
областов , предшественников мышечной ткани: при сл иянии клеток в культуре появляются многоядерные
мышечные клетки . (В) Предшественники олигодендроцитов

-

глиальных клеток , поддерживающих и пи­

тающих нейроны мозга. (Г) Эпителиальные клет к и образовали слой. (д) Клетки табака из бессмертной
(иммортализованной) линии, выращиваемой в жидкой культуре . (А

- с разрешения Daniel Zicha; Б Rosalind Zalin; В - из Tang et а/., J. Се// Biol. 148: 971 - 984, 2000 с разрешения Rockfeller
University Press; Г - из К . В . Chua et а/., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104: 11424- 11429, 2007 с разрешения
National Academy of Sciences; Д - с разрешения Gethin Roberts.)

с разрешения

Как изучают белки

157


вать гормонами и л и факто рами р оста, а затем и сслеловап,
в чисто м ви де р езульта т в озде й ств ия эти х моле кул

-

и з­

rелъ работает как мол екуляр н ое с ито: 1юд де й ств и е м пол я
м ак ромолекул ы

н а чи н а ют

м и грир овать ск в озь

н его

со

мене ния формы клето к и и х пов еде ния ил и э кс п рессию

с к о ро стями , зави ся щ ими от и х и н д ивидуал ьны х раз ме ров

н о вых бел ков.

и су мм а р н ы х заря дов ( в клад ка

Выращиван ие клеток в культуре обесп еч ивает таJ<же
готовый и сходны й мате риал для биологов, инте ресую­

п ри сутствует слишко м много раз н ы х белков или бел ки с

щихся очисткой и и зуче н и е м конкретного белка или бел ­

ват ься бол ь ш е ,-о раз ре ш е ния ; можно примен и ть дву мер ­

4-6, с. 163). Есл и

почти оди н ако выми скоростями миграции , следует доб и ­
ны й гель- эл е ктрофо р ез ( с м . вклад ку

кового компл екса.

в об раз 1 {е

4-6).

Разделешrьт е

белки об разуют в геле п ятна или полос ы . Для их внзуа­
л и з ации rел 1, окра шив а ют с п е ци ал ьными к рас ителями и

Современные методы очистки
позволяют получать высококачественные препараты

белков из клеточных гомогенатов

фотографи ру ют [либо , если ма кромол е кул ы п редв ари ­
тел ы-ю поме че ны рад иоа ктивным и з отопом , в ыде рж ивают

с фото п ле н кой.

-

Пршt. перев. ] .

Из че го бы м ы ни выделяли на ш белок, будь то кул ътура
фиб робл астов, кусок печен и и ли взвесь клеток, ген ет ич е­
с ки з ап рогр аммированных

на е го п роду к цию ,

-

белок Х пришит

п е рв ым

делом надо раз рушить клетки . O1-~и должны вы п устить

свое соде ржимое наружу. Вяз кую субста нцию , которая
пол учается п ри этом , ~~азывают гомоге1-1атом клеток (сеН
h omogeп a te) . За нару ш е нием физи lrес кой целостн ости

к матриксу ков а лен т ными
наполнитель ,
или матри к с ,

хроматографической
колонки

клеток следует пе рвично е фракцио н ирование, цел ь кото ­

рого

-

отдел ить моле кул ы с какой- н ибудь общей неспе­

циф и ч еской характе р истикой , нап ри ме р , в се растворимые

бел ки кл етки ( ВКЛАДКА4-4, с .

СМЕСЬ

160- 161).

БЕЛКОВ ,

Получив смесь белков , мож но пе реход ить к следую­
ще му этапу очистки.

01-1 заключается

НАНЕСЕННАЯ
НА КОЛОНКУ

в п рицел ьн ой изо­

ля ции искомого белка. Станда ртный п од ход за ключается
в последовательн ой многокр атной поста новке хромато­

графии (clнomatog1·ap hy ) ; сложне йшая смесь при этом
разделя ется н а все более простые фракц ии. После каждо­
го хроматографирования п ол уче нные фракции п ров еря ­

ют на какое- н ибудь свойство и с комого белт<а (на пр имер,
ф ерментатив н ую а ктивностъ) ,

которо е может служить

и н д и катором е го п рису тствия ; для последу ющи х р ау н дов

бел ки, взаимодействующи е
с Х, задерживаются

о ч и стки отбирают только те фракции, в которых проявл я ­

колон кой

ется это качество . И так до тех пор, пока не будет выделе н
искомый белок в чи стом ви де. Самые распрост ранен ные
методы хроматографии белков

-

j

разделе ние поли пе п ­

1-rию ко н крет ной х и мич ес кой группы в кач естве лиган да

162). Есл и

смыв

« ВЫСОКОЙ солью »·

ти дов п о раз меру, заряду ил и по с пособ ности к свя з ыва( ВКЛАДКА4-5, с .

большинство бел ков
проходит колон ку насквозь

ест ,, антитела к и скомому белку,

можно использовать и х (см. вклад ку

4-3, с . 140- 141).

С п омощью того же принципа выде;1 яют белки, с п о­
собн ые взаимодей ствоват ,, с и зучаемым объе ктом. В этом

очищенные белки

случ ае бе рут и~1 те ресу ющий и ссл едователе й очище1шый

белок и иммоб илизуют е 1·0 н а с интетичес ком м атр иксе

-

РИС.

4-49. При наличии очищенного белка для получения его

на полнителе хроматог рафическо й кол ои ки . Б ел ки , с вя з ы ­

партнеров по взаимодействию можно воспользоваться мето ·

вающ и еся с иммобилизованным белком, будут заде ржи ­

дом аффинной хроматографии. В да нн о м случ ае бело к Х пришит

ваться в коло нке . П осл е этого их мож н о с мыть из колон ­

к ов а л е нтным и с вя з ям и к си нтетич еск ому нап олните л ю х р оматоrра·

ки ,

фич еск о й колон ки . В нее за гружа ют кл еточны й экст р акт, с оде ржа·

и з м е 1Н1в

состав

р аство ра,

омываю ще ,-о

1-1 а п о л н~пел ь

[обычно для этого бе рут буфер с дру гой ионной си лой .

-

щи й с м ес ь бе л ков . Те из ни х, что в за имодействуют с бе л ко м Х внутр и

Прим . перев. ] . В получен ной та ким образ ом ф ракци и сле­

кл е т к и , б удут с вязыв ат ь его и н а колон ке , о ста вши с ь за счет это г о

дует искать партн е ров наш е го бел ка (РИС. 4-49 ).

внутр и н ее . О ста льны е бе л к и про йдут сквоз ь к олон ку. Б ел ки, про ч н о

Еще один способ разделенин белков

(electr·ophor·esis).

-

электрофорез

Это целан группа методов раздел е ния

с вяз а вши ес я с Х , мо ж но о с во б одит ь , и з м е нив р Н и л и и о нны й с о с т а в
про м ыв а юще г о раств ора .

макромолекул . В об1.це м сл учае ма кромол е кулы ( н апри­

* В за имоде йстви е Х с п а рт н е р а ми пр ек р а щают к онце нтр и р о в ан ны м

мер, см есь белков) наносят ~, а гел ь из сп ециал ьного поли­

раст вор ом сол и , в кото ры й п артн еры п е р еходя т и см ыв аютс я с ко ·

мера, кото рый поме щают в эле ктри ческое п ол е . Пр и этом

лан к и .

158

ГЛАВА 4. Структура и функции белков

-

Прим . перев .


ТАБЛИЦА 4-2. Исторические вехи в исследовании белков

1838 Г.

Л атин ское наз вани е протеин
полностью совпадают.

-

(protein, от греч. proteios -

п е рвичны й ) [значения терминов « протеин » и « белок» в русс ком язы ке

Прим . перев . ] было предложено Берцелиусом

(Berzelius) для сложного , богатого азотом вещества ,

об н а руж ивае мо го в клетках р асте ни й и животных .

1819- 1904 rг.

Было отк рыто большин ство аминокислот (amino acids), присутствующих в бел ках .

1864г.

Хоппе - С ейл е р

1894 г.

Фиш е р

1897 г.

Бухн е р и Бухн е р

(Hoppe-Seyler) кристалл изовал бело к,

которы й назвал гемоглобином (hemoglobiп) .

(Fischer) предложил аналогию « за мо к-кл юч » для опи с ания взаимоде й ствия фермента и субстрата .
(Buchner апd Buchner) продемонстрировали , что бесклеточные экстракты дрожжей способны сбраж ивать саха ­
(enzymology) .

розу до угле кислого газа и этанол а; эт им они заложили основу наук и о ферментах энзимологии

1926 r.

Са мнер (Sumner) кристаллизовал уреазу в чистом виде и доказал , что белки могут обладать каталитической активностью
(catalytic activity) ферментов ; Сведберг (Svedberg) разработал первую аналитическую ультрацентрифугу (analytical ultracentrifuge) и и с польз овал ее, чтобы оце нить ист инную молекулярную массу гемоглобин а.

1933 r.

Тизелиус

1934г.

Б е рнал и Кроуфут (Bernal and Crowfoot) представили первые подробные картины дифракции рентгеновских лучей (Х ray diffraction), получ е нные и м и для к ри сталлов фермен та пепс и на .

1942 г.

Мартин и Синдж

(Tiselius) применил электрофорез (electrophoresis) для разделения белков в растворе .

(Martin and Synge) усовершен ствовали метод хроматографии (chromatography), которым до сих пор разделя ­

ют бел ки .

1951 r.

Полинг и Кори

(Pauling and Corey) предложили модель укладки полип е птидной цепочки в виде спирали - а-спираль ( о. helix) sheet). Впоследствии обе эти структуры были обнаружены у огромного количества б ел ков .

и модель ~-слоя( ~

1955 г.

Сэ нгер

(Sanger) опр еделил аминокислотную последовательность инсулина (amino acid sequence of insulin), который , та ким

образом , стал первым бел ком с установленно й первичной структурой.

1956г.

Впервы е получив иде нтиф и цируемые •отпечатки пальцев• белков

(protein fingerprints) , Инграм (lngram) до казал , что вся раз ­

ница между нормальным гемоглобином и гемоглобином больного серповидноклеточной анемией состоит в зам е не одной ами ­
но к ислоты ( ВИДЕО

1960 r.

Первое подробное описание пространственной структуры
Кендрю

1963г.

4.12).

(Kendrew) для миоглоби н а кашалота .

(three-dimensional structure) бел ка с разреш е нием до 0,2 нм дано

Перутц (Perutz) установил стру ктуру гемоглобина , но с мен ьшим разрешением .

Моно , Жа коб и Шан же
изменения

(Monod, Jacob, and Changeux) выяснили ,
(allosteric changes) своей кон фор м ации .

что многие ферменты регулируются через аллостерические

Получаются электрофореrрам мы, которые представ ­

В настоящее время многие биотехнологические ком­

л яют собой набор полос или пяте н, соот ветствующи х раз -

пании применяют ге н ети ч еск и модифицированные бак­

1-rым бел кам. Данные, собранны е методами электрофореза

терии, д рожжи или клетк и мл е коп итаю щ их для массово­

И х роматографии, раз работанными более пол у ве ка назад,

го п рои зводства п ракт ич еск и всех белков, ис п ользуемых

Jierли в основу всех сов реме н н ых представлений о белках

в сов р е ме нной м ед ицин е. К таков ы м о тносятся и н сулин ,

(ТАБЛ. 4-2). Оба метода до сих пор за ним ают достой ное ме­
сто в лабо раторной практ ике.

Как только белок полусJен в сш сто м виде, е го мож н о
и зуl.fать раз ными методами: в ы явит ~, детал и е го активно­

сти, о п ределить его ам юrоки слотную 1 юследовательность

И разоб раться в тонкостя х пространстве нной структу ры

( см. раздел ~ откуда м ы зн аем ~, с. 153- 156).

Почти любой белок можно получить

в больших количествах благодаря
возможностям генной инженерии

llporpecc в разработке методов генной ин женерии дает
Возмож ность быст ро проду 1 1ировать большие количества
!lочти л юбмо и 1-пе ресующего нас бел ка. Помим о того спо

РИС.

это существе нно у прощает работу б иохимикам , которым
Нужны ко нкретные белки, возможность нарабатыват1,
огро м ны е колиLJества требуемых белков п о родила целую

белки в промышленных количествах. Н а фото в идны ф е рм е н тер ы ,

отрасль индустрии ( РИС . 4-50).

Bioengineering AG.)

4-50.

Биотехнологические компании производят полезные

и с пол ьзуем ы е для в ы ра щива н и я кл ето к, кото ры е н еобходи м ы дл я таких
к рупн ых объемо в пр о и зводст ва . ( С раз ре ш е н ия ш вей царской ф и рмы

Как изучают белки

159


ВКЛАДКА

Разрушение клеток

4-4

и первичное фракционирование клеточных экстрактов
ДЕСТРУКЦИЯ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ
Для очистки большинство
белков сначала надо

При щадящей механической операции, на з ываемой гомо генизацие й ,
цитопло змотические мембраны клеток лопаются , и содержимое
выходит наружу. Здесь показаны четыре способа гомогени з ации .

осторожно нарушить

целостно сть тканей

Получившийся густой «суп »
на з ывают клеточным
гомогено т ом , или экстрактом .

В нем содержатся большие
и малые молекулы цито з оля ,

такие кок ферменты
и метаболиты , целые рибосомы ,

о

о также все органеллы,

1

'-

.

Можно раздробить клетки

имеющие собственные
мембраны .

· · .... оЬ?,~о
-~

Можно мягким детергентом

2

звуковыми волнами

..

нарушить целостность

высокой частоты .

о

%.~ ·/:~~--0

плозмолеммы .

. . . ~ .. -~. СГ"'. .
0 ь П.~л

·._ g.~_. -.·.· ·.
о - -~-~- -

суспензия

или
ткань

;'/

3

.

оооооо

// t;· ·). /)_(
' ". ~
'·r\ !; •

и.

,?

_!). &

.· Oooiifrj.·~//fl?·
J)~? ~;о\~~~

клеток

· о

При умело выполненной
гомогенизации большинство

о

органелл, окруженных

Можно продавить клетки

4

собственными мембранами,

Можно притертым поршнем

остаются целыми (интоктными) .

высоким давлением сквозь

размазать клетки по круглому

небольшое отверстие .

дну толстостенного стеклянного сосуда .

центробежная с и ла
п роч н ая

осаждаем ы й

в н е ш няя коробка

матер и а л

м еталл ическ и й

Ц Е НТР И ФУГ И РОВАНИЕ

стака н

Для фракционирования часто

Металличе с кие

используют другой тип рото ­

пробирки, свободно раскачиваются но штиф ­

ра -

тах, продетых через верхние части, и при вра ­

со свободным качанием

держателей пробирок

стаканы,

в

которые

ставятся

щении ротора отклоняются дном наружу

СУПЕРНАТАНТ

КЛЕТОЧН Ы Й

( н адосадо чн ая ж идко ст ь)
содерж ит бол ее мелк и е

ЦЕНТР И ФУГ И РОВА НИ Е

ГО М О ГЕ Н АТ

и м е н ее пл отны е ко мп о н е н ты

до це н тр и ­

фу гирования

,,,,, осмок

содерж и т бо л ее кр у п н ые
охлажде ни е

и п лот ны е ком п о н е н т ы

вакуум
мо тор

(откачк а
воздуха )

ДО

П ОСЛ Е

Для разделения гомогеното но отдельные части, или фракции,

Чтобы ротор развивал такие скорости, камеры центрифуги долж ­

чаще всего используют центрифугирование . Гомогенот разливают

ны быть хорошо охлаждены, и в них необходимо создать вакуум,

по пробиркам, которые помещают в центрифугу или ультрацен ­

иначе от трения, создаваемого ротором, гомогенот может сварить ­

трифугу .

ся . Центрифуга заключено в толстый наружный че х ол -

Современные ультрацентрифуги способны ра з вивать

если ока­

скорости до 100 ООО оборотов в минуту, при которых образец

жется, что ротор плохо уравновешен, он может начать сотрясаться

подвергается действию огромных сил, в сотни тысяч роз превыша­

с разрушительной энергией. Ротор с фиксированным углом накло ­

ющих силу земного притяжения .

на вмещает большие объемы образцов, но в роторе со свободным
качанием осадок можно получить быстрее .


ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ
Последовательно увеличивая скорость в

Ра зделение происх одит по ра з меру и плотности . На более плотные компоненты действует

нескольки х раунда х центрифугирования,

большая центробежная сила, и они движутся быстрее . Частицы оседают [или седименти­

можно разделить клеточный гомо генат на

руюr. -

фракции, обогащенные различными ком­

плотные компоненты остаются в суспензии, образующей верхнюю фазу, называемую су ­

понентами клеток .

пернатантом .

Ц Е Н ТРИФУ ГИ ­

Прим . перев.) и скапливаются на дне пробирки , образуя осадок . Мелкие и менее

СУПЕ РНАТАНТ

РОВА НИ Е

1

..:•.· : .
... .-~•....
..·.
~: ..· ·· :
.·. ~
. -~
•·. .•:

ЦЕ Н ТРИФУ Г И ­

Н А Н И З КИХ

РОВА Н ИЕ

ОБО Р ОТАХ

::

Н А С РЕД Н ИХ
ОБОРОТАХ

:.'·

СУПЕРНАТАНТ
ЦЕН ТРИ ФУГ И ­
Р О ВАНИ Е
Н АБОЛ Ь ШИ Х

ОБО Р ОТАХ

2

СУП ЕР НАТАНТ

...
·,• · .

•'

3

ЦЕНТР И ФУГИ ­

.. .
. ...
·.· .::
;

Р О ВАНИ Е

-:_;

НА О Ч Е Н Ь
Б ОЛ Ь ШИ Х
ОБ О Р ОТАХ

-~;,
~

клеточ н ый
г о м оге н ат

ОСАДОКЗ

ОС АДОК 4

микросомы

ри б осомы ,

ядра ,

лизосомы ,

и другие малые

вирусы , крупные

цитоскелет

пероксисомы

везикулы

м ак ромол е кулы

целые клетки ,

,,;.,,,.,.,..:,r- -

в дн е пр об ир к и , вынутой
и з це н трифуги , пр окалы ва ют

ФРАК ЦИ О НИ РОВА НИ Е

Ц Е НТРИ обра з е ц

ОСАДОК2
митохондрии

ОСАДОК 1

отв ерст и е [ч е рез кото р ое

ФУГ И РОВ АН ИЕ
ме дл е нн о

н а чин ае т м е дл е нн о в ы т ека т ь

седим е н т ир у ющий

соде ржи м ое .

Прим. п ерев.] .

-

ком п о н е нт

стаб или з и ­
рую щи й

дл я сбо р а фрак ций удоб н а

быстро

г р ади е нт

. ,.......

седим е н т иру ю щи й

са х а р озы

а в то м а тич еск и дви ж ущ а я ся п о дс та в ка

с н ебол ь ши ми пр оби р ка ми

компоне нт

UDDDD ~DU

Если осторожно наслоить образец поверх разбавленного раствора
соли и поместить пробирку в центрифугу, субклеточные компоненты

будут оседать с разными скоростями, соответствующими их разме­
рам . Чтобы препятствовать перемешивающему действию конвекции ,

д в и же ни е п од ставк и

в растворе соли предварительно создается пологий непрерывный

После

градиент сахарозы с увеличением концентрации по направлению

можно собирать фракции образца, [расслоившегося в гра­

ко дну (обычно

диенте сахарозы . - Прим . перев . ] . Самый простой способ -

5- 20% сахарозы) .

При седиментации r. квозь такой

центрифугирования

известной

продолжительности

градиент различные компоненты клеток образуют четко различимые

проткнуть дно пластиковой пробирки и собрать содержимое

горизонтальные полосы, которые можно собирать по отдельности .

по каплям, как показано на рисунке.

СЕДИМЕНТАЦИЯ ДО РАВНОВЕСИЯ
Ультрацентрифугирование также можно исполь­
зовать для ра зделения компонентов образца по
их плавучей плотности , вне зависимости от разме ­

ра и формы . Обычно образец наслаивают поверх

П ри р а вн овес ии
ко мп о н е н т ы об р аз ца

В н ачал е обра з ец
р а с ходится /

оказа ли с ь в гр а ди е нт е
та м , гд е и х п лот н ость

ра с п ределяется

со вп а дает с пл от н ость ю

п о все му г ради е нт у

рас т во р а

с а х арозы

или распределяют внутри крутого плотностного
градиента, содержащего очень высокие концен­

Ц ЕНТР И ­

Ц Е НТ Р И -

ФУ ГИ РОВА НИ Е

ФУ ГИ РОВА НИ Е

пл ав учей

.·._·.: ·..·•·;.::

об разе ц

трации сахарозы или хлористого цезия . При цен­

трифугировании каждая субклеточная частица
круто й г р ад и е нт

начнет смещаться вверх или вниз, стремясь к по­
ложению, где ее собственная плотность совпадет

ко мп о н е н т

С ни зкой

,,, (,;;,,,.~,,.:.

:::·.·:··:.·.
. ..

плотн остью

,,,,1:1.,,,;m: - к омп о н е н т

... .

са х арозы

с в ы сокой
пл авучей

( н а п р.,

пл отн ост ью

20-70%)

с плотностью ее окружения, 11 оттуда она уже не

сместится . При длительном центрифугировании

в пробирке постепенно начнут проявляться четко

ДО ДОСТИЖЕНИЯ
СТАРТ

РАВНОВЕСИЯ

РАВНОВЕСИЕ

Различимые полосы, из которых те, что у дна, бу­

Здесь показан градиент сахарозы, но хлорид

Получившиеся полоски можно

дут соответствовать компонентам с наибольшей

цезия дает более плотные градиенты, в кото­

собрать,

плавучей плотностью. Этот метод известен также

рых хорошо отделяются

бирки, как показано на пре-

как центрифугирование в градиенте плотности .

(дНК и РНК).

нуклеиновые кислоты

проткнув дно

про ­


ВКЛАДКА4-5

Разделение белков методом хроматоrрафии
РАЗДЕЛЕНИЕ БЕЛКОВ
Для фракционирования белков часто используют хроматографические колонки .

Смесь растворенных белков наносят сверху в цилиндрическую емкость ( колонку),
заполненную твердым проницаемым матриксом, который пропитан раствором . По­

·J~

сле этого через колонку прокачивают большое количество раствора . Поскольку ра з­

личные белки задерживаются матриксом по-разному, они достигают дна колонки за
разные промежутки времени, и на выходе из колонки в ее нижней части их можно

собрать по отдельности . В зависимости от используемого матрикса белки могут раз­
деляться по заряду, гидрофобности, размеру или способности связывать конкретные
химические группы ( см. ниже) .
н а в е р х ко лонки
непр е рывно п осту п ает

разнообразны. Они отличаются

новый р аст вор
и з большо го

на н есе нный
образе ц

по размеру, форме, заряду, гидрофобности,
сродству к другим молекулам. Все перечислен­

резервуа р а

ные свойства можно использовать для отделе­

ния белков друг от друга , чтобы можно было

Хотя матрикс, которым заполняют хромато­

графические колонки, может быть приготов­
лен из разных материалов, выглядит он обыч­
но как маленькие шарики. В типовой стратегии

очистки белка могут использоваться по оче­

п о ри стая ]
пробка

реди все три вида матрикса, изображенных
здесь. При этом эффективность очистки, т. е .

пробирка

обогащения образца интересующим белком,
Чистоту

полученного

белка легко

гель-электрофорезом (вкладка

!

_

8

8

• - 8+
-➔.- +
_
; • +
8

-.+
-.+

+ +

+

_8 +

•

+:

•

+

+

_

поток р аствора

~

+•-

+

8

+

за ря же нный

~

•

ш арик

•

~6л~~~~~ая

+ . +
+
свободная
+ + • - 8 + положительно
+
---.. заряженная
мол ек ул а

•

tf \

f)

к н е му
1/ субстратом

е

;11111> '

◄

круп ны е мо л екулы

про ходят,
не задерж ив аясь

•♦ ...
•

(Б) ГЕЛЬ - ФИЛЬТРАЦ ИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

(А) И О Н ООБМЕННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

С

с п ришитым

... 8
• ' ,n
... /~v. ♦
, ••

м а лы е мол ек улы
задерж ив аются

8--

•

ш арик

,1

,

' • ,.....,,

- шарики

•••••
• •

1

,

('
пори ст ы е

+

-•/ +

8

поток р ас твор а

1

!

+ + + • - с вязанная
+ отрицатель н о
• -

+

• +
+
8
+ • +•

~

полож ительно

~ м атр и кса

+ •;+ , -+ + . ~

• +

оценить

4-6) .

пот ок ра с твор а

!

фракци и бел к ов сходят
с колон ки и собираются
в пр об ир ки

время

может доходить до 1О ООО раз .

• .... /

-

связанная
молекула
фермента

8':
~ другие белки

про ходят мимо,

\ '

сквозь колон ку

(В) АФФИННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Колонки для ионообменной хроматографии

Колонки

ра здел я ют

В колонках для аффинной хроматографии

заполнены маленькими шариками, несущи ­

белки по размеру. Матрикс состоит из кро­

матрикс нагружен какими-нибудь молеку­

ми или положительные, или отрицательные

шечных пористых шариков. Белковы е мо­

лами,

заряды, которые задерживают белки с за­

лекулы, достаточно мелкие для того, чтобы

с белком, который нас интересует. Эти мо­

для

гель- фильтрации

специфично

взаимодействующими

Связы­

пролезть в отверстия, которыми пронизаны

лекулы (например, антитела или субстрат

вание белков с матриксом зависит от рН и

шарики, задерживаются там и идут сквозь

фермента) заранее пришиваются к матрик­

ионной силы раствора, пропускаемого че­

колонку медленно . Более крупные белки

су ковалентными связями . Белки, специфич­

рез колонку. В каждом конкретном случае

не

но связавшиеся с такой колонкой, можно

эти характеристики раствора следует опти ­

колонки первыми . С помощью такой колон­

потом смыть с нее, поменяв рН или ионную

мизировать, чтобы добиться эффективного

ки можно приблизительно оценить размер

силу раствора (взяв концентрированный

разделения .

белка .

раствор соли) . Получаются очень чистые

рядами противоположного знака.

заходят внутрь

шариков

и

смываются

с

препараты белков (см . также рис . 4-49).


ВКЛАДКА4-6

Разделение белков с помощью электрофореза
Детергент
образец на н осят

,l

1

б елко-

СН2

вых молекул перед элек -

ТН2

трофоре з ом в полиокри-

СН

разворачивания

бел ок и з д в ух

1

СН2

з уют для растворения и

н а ге л ь п и п еткой

катод

СНз

додецил суль­

фот натрия (SDS) исполь -

1

ломидном г е л е

2

1

СН2
1

1
1

эти молекулы начинают перемещаться в направлениях и со

о

ье

SDS

Для любого белка существует характерное
рН,

называемое

изоэлектриче ­

ской точкой, при котором белок не несет но

себе никакого суммарного заряда, и поэто­
му при током рН он не стонет перемещаться
в электрическом поле . В методике изоэлек­

трического

фокусирования

электрофоре з

проводят в узко й трубке, заполненной по­
лиокриломидным гелем, в которой смесью

специальных буферных растворов задается

-

SDS

'

1

И МЕРКАП ТОЭТАНОЛОМ

'

-

Ш

~:-~=-=--_::_=~-1

= заряженныеSDS
;

_

-

Г

6

молекул ы

в

1

..J..Z--~ 0

O= S=O

ИЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ

ФОКУСИРОВАНИЕ

t,;i,

ЭЛЕКТРОФОРЕЗ В ПОЛ И АКРИЛАМИДН ОМ ГЕЛЕ

1

зарядом . Но этом основан метод электрофореза .

значение

д

1

скоростями, соответствующими их размером и суммарным

бел ок В

-=_;
~

СН2

СН2

ни ч н ый

мо с тико м

ПРОГРЕВ С

1

ключоют электроды , под действием электрического поля

дисульф и дным

1

СН2

СН2

субъеди ­

~ о,р,ца~.е
1

1

СН2

Когда к раствору, содержащему белковые молекулы, под-

одн о ­

соед ин е нн ых

<t·~

1

СН2

б уфер

с убъеди н и ц ,
Аи Б,

в

Перед электрофорезом в полиокриломидном

геле с SDS (SDS-ПAГ) обособленным полипеп ­
тидным цепочкам дают провзоимодействовоть
с отрицательно заряженными молекулами до -

0
пластинк а п олиакрилами д но г о г е л я

децилсульфото натрия (SDS) . Белки мигрируют
сквозь пористый полиокриломидный гель в виде отрицательно з аряженны х комплексов с

SDS. Аппарат, которым пользуются для постановки такого электрофореза, изображен но
рисунке слева . Чтобы разрушить связи -S- S- внутри белков и между ними, в обра з ец
обычно добавляют восстанавливающий агент (меркоптоэтонол) . В эти х условиях белки
мигрируют со скоростями, зависящими только от их молекулярной массы .

градиент рН . При движении в электрич е ском

поле каждый белок достигает в градиенте

РН своей и зоэлектрической точки и оста ­
навливается в не й.

ДВУМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОФОРЕЗ В ПОЛИАКРИЛАМИДНОМ ГЕЛЕ
Слож ные смеси белков нельзя эффективно ра зделить в одном измерении . Сочетание двух
розных методических принципов ра зделения белков в одном гел е по двум розным измере­

стаби л ь ны й градие н т р Н

ниям может дать картину с хорошим ра з решением для смеси из более чем 1ООО различных

10

белков . Но первом этапе этой роботы нотивные белки разделяют в у з ком геле но основании

9

8

7

6

5

4

их собственных зарядов, применяя изоэлектрическое фокусирование (см . секцию слева) .

0

0

Но втором этапе узкий гель кладут поверх другого геля, широкого пласта, в котором з а­

пускают SDS-PAGE (см . секцию вверху) в направлении, перпендикулярном направлению
электрофоре з а но п е рвом этапе . Во втором геле каждый белок дает дискретное пятно .

7

п ри высоких

пр и н изких

з н а ч ениях р Н

з н а ч е ни ях р Н

белок за р яже н

белок заряжен

отри цатель н о

п о л ож ит е л ьно

0

Смесь всех белков бактери­
альной клетки Е.
ли

0

0

ра зделению

геле . Каждое пятно соответ­
ствует одно й конкр етной ра з­
новидности

цепочек .

0

по

~~

~,:
+

0

для да н ного бел ка и зоэл ектр и ческое
з н аче ни е рН р ав н яетс я

6,5

coli подвергв двумерном

полипептидных

Белки

разделяли

и з о э лектрическим

слева

направо

кулярным

и

ма ссам

по

-

точкам
моле ­
сверху

вни з. (С разрешения Potrick
О ' Forrell.)

ще л оч н ая
с р еда

х
(.)
ф

"' 100 -

а
::;

(fJ
о
(fJ

u

50...-

ф

с::

~
а,

"':s:

~ 25;о.

'-

:s:

::;

....._ с таби л ь н ый ____,...

кисл ая

градиент р Н

среда


человеческий гормон роста, н е которые гтр е п араты для ле­

LJТO патт е р11ов укладки (фо лд инга) для подавляю щ е го

чения бесплод ия (стимуляторы продукции яйцеклеток у

бол ьшин ства бел 1< овых доме 1-1 ов н е так мноео

же 11щин ,

н о, в сего около двух т ы сяч. Из двух тысяч п аттер 11 ов на

нию

in

пр оходя щи х

курс

подготовки

к

огтлодотворе­

vitтo). В преж ние nрем ена получе ни е актив н ых

да н .11 ый мом е нт п одробно и зу ч

-

воз м ож­

около вос1, м и соте н .

11 0

пр е паратов так и х белков требовало сбо ра и с п е ци альн ой

Есть н адежда, что в ыявл е 11ны е за кономерности помогут

обработки огром н ого объема жив ы х ткалей или про;~ук­

уче 11ы м ра з раб отать прог 1 амм 11 ое обес п е ч ен ие, которо е

тов жиз недеятел ы-юст и .

п о з волит н ако н е ц достове рн о и точно суд ить о с тр укту­

Тем и же методами генной инже н е рии у ч еным удастся

получ ать белки, н астрое 1111ые 1-1 а в ыпол н е ни е н ов ы х задач.

ре и функции белка по одной только ами н окислот 11 ой
посл ед оват ел 1,ности.

Это и пере рабоТ[(а токсич ны х отходов , и синтез леТ<арств,

Даже с н ы 1-1 еш11 им объе мом информации точная ра с­

спасаю щи х жиз н и, и катализ хим иlrеских р ак ци й в су ро ­

шифровка того, что , где и когда делает в r<летr<е кажды й

вых условия х, н е подходящих для большинства ферме н ­

бело.к, остается слож и ей ш ей зада ч ей. У самой мале и ь ­

тов. Методы ген н ой инженерии будут подробно рассмо­

кой бактерии н ас читывается всего

тре н ы в rл .

стат и ст иL1 ес кой кл етке ч еловека их

10.

400 белкоn, в с р едне ­
10 ООО . Чтобы точно

рас писать , каким об раз ом бел ки своей друж ной рабо той
создают и

п одде р ж ивают

п о ря док в маленьком

кусоч­

Автоматизация исследований

ке огром 1 юй вс еле нной , которая по сто я нно тяготеет к

структуры и функции белков

беспорядку, требуются е ще боль ши е достиже ния в раз ­

ускоряет научный прогресс

работ ке 1-~овых тех 1-юло 1· ий и е ще бол ее высокий полет

За последн ие

ответу на этот вопрос, тем ближе оказ ывае мся к пони­

челове ч еской мысJ1и. Но че м ближе мы подбир ае м ся

150 лет

несколько гтоколений биохимиков

совер ши л и потряс аю щий прорыв в понимании стр укту­

ры и функции белков ( см. табл.

4-2,

с.

159).

1<

м а ни ю ф у ндаме н тальных основ ж и з ни .

За успеха­

ми с тоят десятки лет у порного са моотв е рже н ного т р уда

уче ных , и сследовав ших каждый свой белок и л и белковое

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

се м ейство, иногда на протяжен ии всей н аучн ой каръеры.

Но времена пе ременил ись. Глядя в буду щее, все больше

•

вую, сов р еме ю~ ую гр у пгт у методов

-

линейная це почка аминокислот, соединенных ковалентны­

комплексных , ос­

нованных 1-1.а исполъзован ии иов ейш е го обору давания,
инфо рмациою-~ ы х тех н ологий и других ресу рсов . Это на­
гтр авлен ие в науке изв естно как протеомика

Живые клетки содержат чрезвычайно многообразный на­

бор белковых мол е Iсул, каждая из которых строится как

над ежд ис следо в ател и возлагают ыа принципиально но ­

ми связями.

•

(p1·oteomics).

Каждому типу белковых молеIсул свойственна своя уни­
кальная аминокислотная nоследо вателыюсть, задающая

Под те рмином 1 лр отеомикаi> понимают широкомас штаб­

и пространственную структуру молекулы, и ее биологиче­

ные

скую актипность .

и сследования

с

и с nо л ь зова шr е м

автоматизи ро ва н ­

ны х высокочувствительных м етодов, в которых од н ов р е ­
мен I ю исследуют акт и в ности и структуры со т е 1-t

не тысяч

-

-

•

если

различны х белков. Есл и эт и м етоды удастся

дов ест и до соверш е 11 ства, уче ны е смогут в каждой п оста -

Структура бел1са в окончательно свернутом виде стабили­
зи руется нековалентными связями между разл ичными ча­

стями nод ипептидной це по•Iки .

•

1-ювке экс п е рим е нта 1-~аблюдат 1, за всеми белками, какие

За счет водородных связей между атомами смеж ных

участков остова полипептидноti цепочки в струIстуре белка

есп, в клетке: состоя ни ем и х актив н ости и вс е ми взаимо­

часто вознюсают р еrул щ>Ные типовые патr ерны у Iслад ки

дейст виями .

а-с пиради и !}-слои.

Широкомасштабный а нал из структу ры и фун к ци и

•

-

В струIпуре многих белков выделяются более мелкие гло­

белков во многих лаборато ринх пров од и.тел уже сей ч ас.

булярные области с компактной щюстранстве шюй струк­

Это относится и к смеж ным на правле н иям исследова ­

турой, име Irуемы е бетювыми до менами.

ний . Ком г1 а ктно е оборудова ни е, р аботающее в ав том ати­

•

Биологич еска я фушщия белка определяется особенностя­

ч еском реж им е, 11 озволяет у ч е ~1ым б ыст ро юrонироват~>

ми химических свойств его пове рхности и способностью

гены , полу ч ать белки, в ыращивать и з ни х кристал л ы и

специфично связывать другие молекуды, называемые ли­

р егистрировать п аттерны ди фраrщи и р е н тге н овск их лу ­

ч е й сотен ра зли чны х белков в один прием. В резулr,тате
прост ранстве нная структу ра бол ее ч е м

20

гандами.

•

ООО ра зл и ч­

ле нтных св.язей своего лю ·анда , называют ферм е нтом, а

ных белков уже з нако ма нам во всех подробностях (в е­
дущими м етодами здесь служат кристаллографичес 1< и й
р ентrеностру1<турный анализ и ядерная магнитно-ре­

соответствующий л иганд - его субстратом.

•

В а~сти01юм центр е фермента , уложенного в свою есте­

ственную функLtионалыrую конформацию , бо,ювые груп­

зонансная спектроскопия

пы аминокислот расположены строго определенным обра­

aг

зом, так что они благоприятствуют высокоэ нерrетич есIс им

magnetic

r·eso п a n ce

мы з нае мi>, с.

(X-ray cгysta ll ograp l) y, nu clespectrosco py; см. р аздел 1 О ткуда

Белок, катализирующиti образование или разрыв кова­

Данны е о структу р е белков соб раны

пе р ех одным состояниям, ч е рез IютоI>ые долж ны прохо-

в большие информа ционные базы открытого досту п а

дить молеIсулы субстрата для пре вращения в молекуль1

( ВИДЕО

I1родукта катализируе мой реа кции .

164

155).

4.13). Анали з ируя их, уче ные пришли к вы воду,

ГЛАВА 4. Структура и функции белков

.


•

•

•

•

•
•

В про11ессе эволюции пространственная структура многих

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

белков вид оизменялась так, чтобы связьmание н ебол ьшо­

ВОПРОС4-10

го лиганда индуцировало значительные 1,оиформационные

Какие из следующих утверждений корректны? Ответ поясните .

и зме нения.

А . Активный центр фермента обычно занимает лишь небольшую

Бот,шинство ферм е нтов яв;1юотся аллос1·еричес1,ими бел­

часть его поверх ности .

ками: они способны существовать в двух альтернатишfых

Б . У некоторых ферментов на определенном этапе катализа об ­

1юнформациях, различающихся по 1,аталитичес1юй актив­

разуется ковалентная связь между радикалом аминокислоты и

ности . За с•1ет этого фермент может DI<Лючаться и выкто­

молекулой субстрата .

чаться лигандами, 1юторые связьшаются с определе нным

В . В ~-слое может насчитываться до пяти тяжей , но не больше .

регуляторным сайтом на поверхности фермента, чтобы ста­

Г. Специфичность молекулы антитела полностью определяется

билизировать его в акти11ной или неактивной конформации.

петлями на поверхности уложенного домена легких цепей.

Активность большинства клеточных ферментов четко ре­

Д. Разнообразие аминокислотных последовательностей столь

гулируется. Одна из самых распространенных форм регу­

велико , что в эволюции новые белки почти никогда не образуют­

;1яции

ся за счет изменения старых .

-

ингибирование по щжнципу обратной связи, при

1ютором активность фермента, осуществляющего один из

Е. Аллостерические ферменты имеют два сайта связывания или

начальных этапов метаболического пути, подавляется од­

больше.

ним и з конечных щюдуктов этого пути.

Ж. Нековалентные связи слишком слабы , чтобы влиять на про­

В эукариотической 1,летке тысячи белков ре1')'лируются

странственный облик макромолекул .

путем фосфорилирования и дефосфорилирования либо за

3.

счет связьшания и гидролиза IТФ.

ствии с их зарядами.

Аффинная хроматография разделяет молекулы в соответ­

Направленные движе1rnя в клет1,е rенерируютсJ1 моторны­

И. Во время центрифугирования клеточного гомогената малые

ми беJП<ами за счет гидролиза АТФ до АДФ.

органеллы испытывают меньшее трение и за счет этого оседают

Высокоэффективные белковые машины образуются за

быстрее, чем более крупные.

счет объединения алл остери•1еских белков, конформа­
ционные

•

изменения

которых

координированы

так,

что

ВОПРОС4-11

эти комплексы способны выполнять сложные 1<Леточные

Какая общая особенность а-спиралей и ~-слоев делает их

функции.

универсальными

Существует регуляторный код, основанный на комбина­

белков?

элементами

пространственной

структуры

циях химических модифю,аций радикалов аминокислот,
позволяющий каждой клетке контролировать местополо­

•

ВОПРОС4-12

жение и сборку своих беюювых комплексов.

Структура белка всецело зависит от его аминокислотной после ­

В чистом виде белки можно получать из клеточных rомоrе­

довательности . Будет ли белок , сконструированный методами

натов путем последовательных шаrов очист1<и с помощью

генной инженерии и характеризующийся строго обратным по­

хроматографии. Очист1<а позв ол яет провести детальный

рядком набора аминокислот, иметь ту же структуру, что исходный

анализ свойств бедка биохимичес1<ими методами и дать

белок?

точное описание его пространственной структуры.

ВОПРОС4-13

Рассмотрим

кислотной

инrм6ираание no

актм1нwА caiiт

nринциnу отрица.

амостери'l8С800i
C1МИtt0кмcnonia1

no-

C/leAOIQТ8lltiНOCП,

тtт~ноА о6ратноА
CIQH

JСОнформаЦИI

онтиrен

пмrамд

антитепо

моrорнwА бмок

мреходиоt СОС1О6tnК01C11 машина
IHИI
6еnкоаое семеАсnо
nonиnennwtlllA
бenкoawli дОМIН
OCfOI
-.ос

11аммное aa!Cpy'IH•

IClllиe сnирапеА

nOIIHnt/1ТМA, nOIIИ•

Мnтмдмаtцеll"
npcmtИНICИНQIQ

рентr8Нос:rруктур-

нwАанаnиа
coitт CIIIWIOHИI

су6иднница
фермент
фмбрнм1рнwА

--

АИ

:n

иднаl

Cllllt

реrумторн..А бепко■wАкод

а-спирали? (Указание : соотнесите со свойствами аминокис­
лот, см . рис.

4-3 .)

ВОПРОС4 - 14

Многие простые ферментативные реакции описывают уравне­
нием

Ф +С? ФС

6м1СО1

хроматоrрафмl

- ФП ? Ф + П,

где Ф, С , и П обозначают соответственно фермент, субстрат и

мктрофореа

продукт.

1Д1рНС111 MarNНТltO-

А. Что представляет собой ФС в данном уравнении?

n•( МР-

15епок

витков

жении аминокислот данной последовательности в составе

фосфори.nироаание

rпобуп1рнwА бмсж

радикап

Leu-Lys-Arg-

Сколько

cnиpan"

реаонанснсu

nро180МИ1Са

фрагмент амино­

полипептида :

в этой а-спирали? Нет ли чего примечательного в располо­

~IIHCII структура
nротеинфосфатоаа
ICO

П'Ф-cuawllCIIOIЦИA

следующий

lle-Val-Asp-lle-Leu-Ser-Arg-Leu-Phe-Lys-Val.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Р-С11ОА

а-с пираль как

последовательности

cnerrм;.o-

сnектроскоnи.)

Б . Почему на первом этапе стрелки идут в двух направлениях, а
на втором стрелка всего одна?

В . Почему в обоих концах уравнения присутствует Ф?
Г. Часто получается, что высокие концентрации П ингибируют
фермент. Предложите объяснение этого факта .

Вопросы в конце главы

165


Д . Вещество Х похоже на С и с вя з ыва ется с а ктивным цен тром

ВОПРОС4 - 18

фермента , но оно не может вступить в реа к цию , катализируе ­

Моторный белок движется вдоль филамента (дело происходит

мую данным ферм е нтом . Предс кажит е последствия добавле­

в клетке) . Почему эле ментов , и зображенных на ри сун ке к этому

ния вещества Х в реа кцию . Сравните эффекты добавления Х и

вопросу, недостаточно , чтобы дви жение было однонаправлен ­

накопления П .

ным ? Пользуясь рис .

4-32 ,

измените иллюстрацию , в ключив в

нее другие детали конструкции генератора однонаправленного

движения , и объясните внесенные вами изменения .

ВОПРОС4-15

Какую из перечисленных ни же аминокислот можно чаще встре ­

тить ближе к центру глобулярного белка в его нативной конфор­

t,
1\

\\
~

мации? Какие из них будут чаще встречаться на его поверхности?

Ser, Ser-P (фосфорили­
рованный серин), Leu , Lys, Gln, His, Phe, Val, lle, Met, Cys- S- S- Cys
(два цистеина , соединенных дисульфидной связью) и Glu. Где внутри или на поверхности - следует ис кать его N - концевую и

r/

,~

rl
,,

~

"

Объясните ответы . Список амино кислот:

•

РИС. В4 - 18

С-концевую аминокислоты?
ВОПРОС4-19

Гель-фильтрационная хроматография помогает разделить моле ­

ВОПРОС4-16

Предположим , вы хотите приготовить и исследовать фрагменты

кулы по размеру (см. вкладку

белка. Ожидаете ли вы от произвольно взятого фрагмента поли­

молекулы диффундируют быстрее , чем большие , но с квозь гель­

пептидной цепочки , что он будет укладываться точно так же, как

фильтрационную колонку они сс почему-то » проходят медленнее .

4-5, с. 162). В

растворе маленькие

это делает участок с такой же аминокислотной последователь­

Почему? Что долж но произойти при очень высокой скорости по­

ностью в интактном белке? Рассмотрите изображение белка на

тока?

рис.

4-16. От каких его фра гментов можно ожидать сс правильно­

го » фолдинга?

ВОПРОС4 - 20

« Спираль из спиралей », образованная из а -спиралей , и сами по
ВОПРОС4-17

себе а -спирали

Фермент, полученный из мутантной бактерии , растущей при

и та же у них ориентация (направление закручивания)? (Обрати­

20
37

·с, работает при температуре

20

·с , но не работает при

тесь к рис .

-

все это спиралевидные структуры. Но одна ли

4-11 .)

· с (обычной температуре для кишечника , где эта бактерия

в норме обитает). Даже если просто нагреть его до

перестанет работать и при

20 ' С. Фермент,

37

·с , он

полученный из нор­

ВОПРОС4 - 21

Как получается , что замена одной единственной аминокислоты

мальных бактерий, работает при обеих температурах . Предпо ­

в белке , состоящем из

ложите , что происходит с ферментом из мутантов при повы­

кировать его фун к цию , даже если эта аминокислота находится

шении температуры .

вдали от всех сайтов связывания?

166

ГЛАВА 4. Структура и функции белков

1000 аминокислот,

может полностью бло ­


СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ДНК
СТРУКТУРА ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ
ХРОМОСОМ

РЕГУЛЯЦИЯ СТРУКТУРЫ ХРОМОСОМ

1·рибов было показа ио, что генетич еская информация в
основном представля ет собой инструкции по сбору бел­
ков. Б ел ки

-

это макромол екул ы, выполняющие боль ­

шинство фующий в кл етке : они служат строительными

блоками для клеточных структур, исполняют роль фер­
м ентов , катализирующих

внутриклеточны е химические

реакции , и ре гулируют э кспрессию ге нов ; благодаря бел­

Жизнь существует благодаря способности клеток хра­

кам клетки могут двигаться и обмениваться сигналами

нить , полу чать и п е р еда вать ге н етич еск и е инструкции.

друг с другом. На п е рвый взгляд сложно пр едставить ,

Они нужны и для за рожде1-1ия живых организ мов, и для

какой е ще тип инструкций мож ет содержаться в ген ети­

поддержания их жизнедеятельности. Насл едстве нная ин­

LJеской информации .

формация передается от материнской клетки к до ч е рн ей

Еще одно серьезиое достижение, сделанное в 1940-е

путем клеточного деления и из поколения в поколение у

годы , заключалось в признании того, что дезоксирибону­

Многоклеточных организмов при помощи половых кле ­

клеи~ювая кислота (ДНК)

ток. В каждой живой клетке такие инструкции содержат­

генетической информации. Однако механизм, при помо­

ся в ге~юх

-

хранящих н асл едстве нную информацию эле­

-

наиболее вероятный носитель

щи которого н аследственная информация копируется для

м е нтах, определяющих свойства отдельных особе~';\ и вида

передачи из клетки в клетку, и то , как структура белков

н ц ело м.

определ яется иаструкци е й, содержащейся в ДНК, остава ­

В начал е ХХ в., когда генетика зародилась как наука,

лись не разгада1-1 1-1ыми до

1953 г. , когда структура ДНК была

Исследовател и заинтересо валис1, химической природой

расшифрована Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком .

генов. Информация , за писанная в ге нах , копируется и пе­

Эта информ а ция дала ключ к пониманию механизмов ко ­

редается от клетки к клетке миллионы раз за время жизни

п ироваr1 ия (репликации) ДНК и поз волила сделап, первы е

Многоклеточного организма оставаясь при этом по суще­

шаги к раз гадке того, как молекула ДНК может кодиро­

ству не и з м е нной . Ка кой тип молекул может обесгrеLrить

вать инструкции 1ю сбо ру белков. На сегодняшний день

стол ь точное и почти н ео гранич е нное копирова ние, одно­

тот факт, что ДНК

временно ухитряяс 1, определять развити е органи з ма и по ­

настолько основополагающим для биологического мыш ­

вседн е вну ю ж и знь клетки? Какой тип инстру кций зако ­

ле ния , что сложно представ ить, сколь огромный пробел в

д ирован в генетической и 1-1 формации? Что представл я ет

знаниях был заполне н этим открытием.

-

это генетический материал, явля ется

собой мате риал ьный носител ь эт их инструкций , органи­

Мы начн е м э ту ~·лаву с описа~1ия структуры ДНК.

зованный так, что огромный объе м информации, необх о ­

Рассмотрим, как , нес мотря на простоту строения, струк­

д имый для развития и подде ржаиия жиз 1-1 едея тель ности

тура и химические свойства ДНК делают ее идеал ьным

/\а.же са мого простого организма, у м ещается в крошечном

веществом для создания генов. Гены любой живой клет­

объе м е клетки?

ки на Земле состоят и з ДНК, а понимание вз аимосвязи

Ответы на некоторы е эт и вопрос ы нач ал и появлять ­
ся в 19 4 0 -х годах , когда в ходе и сследова ни й п лес н ев ых

между ДНК и ге нами было получ ено в ходе э кс п ерим е н ­
тов с самыми раз нообраз ными организмами. Затем мы


р ассмотрим , как ,,е ны и дру ги е важные участки ДНК ра с­

положе ны в ее дли н 1-1 ы х молекулах ( х ромо сомах клетки).

Наконец , мы обсудим, как 13 эу кариотич ески х клетках
эти дли нны е молекулы ДНК у п аковываются в комп акт­
ны е хромосомы, 1-1 аходящи еся в ядре. Такая у п ако вк а

прои сход ит очень у по рядо ч е нно

-

так, чтоб ы хромосо­

мы могли быт,, удвое ны и 11 рави лыю разделе ны м ежду
двумя дочерними кл етками г1р11 каждом клеточ н ом деле­

нии . Эта у п аковка 11олж на также обеспечивать доступ к
хромосомной ДНК фе рме нтам , восста на1ЗJrи1Зающим ее

(А) делящаяся клетка

структур у, когда она повр еждает ся , и с п е ци ал и з ирован­

неделящаяся клетка

ным белкам, управляющим экс пресс и ей ее многочислен ­
ных генов .

В данной главе впервые будут рассмотре ны основные
ге н етич ес ки е механизмы

-

способы, при помощи которых

клетка уд ваивает, чинит (р е парир ует) , реализует и ино­
гда изме няет ге н етичес кую информацию, содержащуюся
в ее ДНК Всю совокупность такой информации в каждой

клетке называ ют ее геиомо.м (geлome) . В гл.

6 мы

обсудим

м еха низ мы, при помощи которых кл етка а r(I(у ратл о во с­

прои з водит и чинит ДНК, а также рассмотрим, как участ­

(Б)

ки ДНК могут поменяться м естами в процессе генетиче­

ской рекомб иаации. Ос новная тема гл.
1-1ов

-

7-

процесс, во время которого закод ированная в ДНК

информация ис пол ьзуется клеткой при синтезе белков. В
гл.

8 описано,

10 мкм

экслресс ия ге-

как клетка контролирует э к с лресс ию

,,

нов ,

РИС.

5-1.

Хромосомы становятся видимыми , когда клетка гото ­

вится к делению. ( А ) Д ве рас п ол оженные рядом клетки сфотографи­
рованы под световым микроскопом . Д НК, связанная со специальным

чтобы обес г, е чить синтез каждого из тысяч белков, зако­

красителем

д ированных в ДНК, в нужное время и в н ужном м есте .

они видны в световой микроскоп как отдельные структуры, тол ько ког­

В гл.

то, как совремеrшые гены и rе номы про­

да конденсируются при подготовке клетки к делению, как это показано

изошли от ге нов и rе номов даль1-1их предков. Обзо р экспе­

сл ева. Н еделящаяся клетка с п рава содержит такие же хромосомы; их

9 обсудим

(DAPI ), ярко флуоресцирует.

ДН К находится в хромосомах;

риме нтальных м етодо в , которы е ислользу ются для иссле ­

нельзя увидеть под светов ы м микроскопом на этой стадии клеточного

дова1-1ий ДНК и ее роли в основных кл еточных процессах,

цикла , поскольку ДН К « упакована » гораздо менее плотно . (Б) Схематич ­

будет представлеtL в гл.

ное изображение этих двух клеток и хромосом в н утри них. (А

10.

решения

с раз ­

-

Peter Shaw.)

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ДНК
Задолго до расшифровки структуры ДНК биологи поня­
л и, что наследуе мы е при з наки и

ге ны , которые и х олре­

деляют, связаны с хромосомами. Хромосомы (от греч.

цвет) названы так из-за способности окраши­

chroma -

ваться и были описаны в

спираЛI,. Тот факт, что ДНК им еет д вух ц елоч еч ное стро ­

е ни е, им ел особое з на ч ени е.

011

стал основным ключом к

построе н ию правилыюй модел и структу ры ДНК в

1953 г.

в. как нитев идные ст рук­

Как то111, ко Уотсо н и Крик предлож и ли модет, ст рук­

туры в ядре эука риотич ес ки х кл ето к , которые ста новятся

ту ры ДНК, способносп, этой молекулы к са мовослрои з­

XIX

ви ;~имыми при п е реходе клетки к делению ( РИС . 5- 1).
Те п е рь мы з наем , что ДНК в кл етке несет на следств ен ­

веде нию и кодированию и1-1формации стала очеви ююй. В
этом разделе мы рассм ат риваем стру rпу ру молекулы Д НК

н у ю информацию , а белковы е компо1-1е1-1ты хромосом в

и объясняем в общих чертах, ка1< 011а может хранит ь ге не­

основном служат дл я того, чтобы упаковывать и коtпро­

тическую информ ацию .

лировать чрез выlrайно дл ин ны е молекулы ДНК. Однако

б иоло гам в 1940- е год ы было трудно при з нать ДНК ге­
н етиLJ ест<им мате риало м из-за

простоты ее

состава (см. раздел ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ , с.
LfТO ДНК

-

х имич ес кого

169).

Считалось,

это про сто дл инный пол име р , состоящий и з

Молекула ДНК состоит из двух комплементарных
цепей нуклеотидов

Молекула

дезо1<сирибону1шеиновой

кислоты

(ДНК)

состоит из двух дл и1-1ных по­

ч етырех типов мономе ров , химически чрезвычайно сход­

(deoxyribo11L1 cleic ac id, DNA)

ных между собой.

л ин уклеоти дны х це пей . Каждая из эти-х цепей ДН!{

Затем, в начале 1950- х годов , ДНК исследо вали при
помощи р еитге 11остр укту рного анализа

-

м етод и к и,

по ­

(DNA

c haiп s), или 1-1итейДНК (DNA stгa пd s ) , составлена четырь ­
мя типами н уклеоти д ны х мономеров, и две це пи удержи­

зволяющей выявит,, трехмерную атомарную ст рукту р у

ваются вместе водородными связями между азотистыми

молекул ы ( см. гл.

основаниями ( РИС. 5-2, см. также описание водородных

4, с . 153- 156).

Пе рвые резулыаты по­

казал и , что ДНК состо ит и з д вух це поч ек, свер1-гуты х в

168

ГЛАВА 5. ДНК и хромосомы

связей н а в1<ладке

2-7, с. 82- 83).


(А) блоки, из которых построена ДНК (Б)

нить ДНК

РИС .

5-2 . ДНК

с остоит из четырех типов строительных блоков

-

нуклеотидов . (А) Каждый нуклеотид состоит из сахара-фосфатной

сахаро-

+

части , соединенной ковалентной связью с азотистым основа н ием.

5'

--

(Б) Нуклеотиды соединены друг с другом ковалентными связями, обра ­

азотистое

фосфатная основание
группа

зуя полинуклеотидные цепи с сахара-фосфатным остовом, к которому
нуклеотид

(В) двухцепочечная молекула ДНК

......
З'

5'

прикреплены азотистые основания (А
(Г) двойная спираль ДНК

......

нин и Т

-

-

аденин, С

-

цитозин,

G-

гуа­

тимин). (В) Молекула ДН К состоит из двух п олинуклеотидных

цепей (нитей ДНК) , удерживаем ы х вместе при помощи водородных свя­

З'

5'

зей между комплементарными азотистыми основаниями . Стрелки ука­
зывают направленность нитей Д Н К, которые рас п оложены в молекуле

антипараллельно. (Г) Хотя ДНК изображена выпрямлен н ой на рис. Б , в
реальности она закручена в двойную спираль, как это показано здесь.

5'

основания ,
соединенные

водо р од н ыми
связями

rЕны СДЕЛАНЫ из ДНК
К 1920-м годам уче,-гые в целом пришли к общему мнению, что

тельным. При выращивании пневмококков в лаборатор ,,r_и

·ены находятся в хромосомах, и хромосомы состоят из ДНК
11 беm<ов. Однако из-за простоты химического состава ДНК

они образуют две формы: болезиетвориую

1

(pathogenic),

вызывающую смертельную инфекцию при введении жи­

исследователи естественным образом предполагали, что гены

вотным, и безвредную, которая легко уничтожается им­

должны быть сделаны из белков, которые химически гораздо

мунной системой животных и не вызывает инфекции .

обратное, эту убежденность было слож110 поколебать.

ченные из этих бактерий. Он показал, что болезн твор­

Послания от мертвых

больше не способны вызывать ю-,фек цию. Неожидаю-1ый

Ареументы в полъзу ДНК стали ,юявляться в конце 1920-х

же мыши убитых нагреванием болезнетворных бактерий
и живых безвредных бактерий. Эта комбинация оказалась

более разнообраз11ы. Да.же ко1·да эксперим енты доказывали

Гриффит вводил мышам различны

преп араты , полу­

ные пн евмококки, предварител ы-ю убитые нагрева ни ем,

Годов, когда британский воен ный медик Фред Гриффит
сделал потрясающее открытие. Он и зуч:ал пневмококк

St1·eptococcus pneumoniae - бактерию- возбудителя пнев­

монии. Поскольку антибиотики еще не были изобретены,
заражение, вызванное этой бактерией, часто было смер-

результат был получ е н , когда Гриффит ввел одной и той

сме ртельной : животное умерло от пневмонии. К тому же

Гриффит обнаружил в крови этой мыши много живых бо­
лез нетво рных бактерий ( РИС . 5-3).

Продолжеиие иа с.

Строение и функции ДНК

170

169


ГЕНЫ СДЕЛАНЫ ИЗ ДНК (продолжение)
ных~ бактерий, и они оставались болез li.етво рны ми. Но

'

-~--

что за таинственное вещество превратило безвред 1-1ы х бак­

,::

терий в убийц? И r<ак это измене ни е передалось потомкам

живые

бактерии

бактерий?

® .

S-штамма

мышь, получившая

Sleptococ~us
рпеитотае

мышь погибает

инъекцию S-штамма

Замечательное открытие Гриффита положило начало

300 -ь
-!,::

серии эксперим ентов , послуживших первым убедител 1, ­

живые

ным до казательством того, что rеиы сделаны из ДНК.

бактерии

R-штамма

Steptococcus
pneumoniae

Надуваs~ мыльные пузыри

Продолжа я работу Гриффита, американский бактерио­

® •

лог О свальд Эйвери обнаружил , что безвредные пн ев ­

мышь, получившая

мышь живет

инъекцию R-штамма

мококки могут быть трансформированы в патоге1-1н ый
штамм в пробирке с культурой при добавлеиии эт<с­

траюа, приготовлеююrо из болезнетворных бактерий.

,, -,-ь
·•i

Тем не менее Эйвери и

® ·

мышь живет

инъекцию

~и:~е~ь

,,-

бактерии

мышь получила

-~

- ~ -мышь погибает

инъекцию

компонент пр едставлял собой ДНК. Поскольку транс-

,...

о

® .

15 лет, чтобы

го экст ракта и продемо нстрировать, что его активный

S-штамм убит мышь получила

R-ш:аммаf

коллегам Кал ину Маклеоду

нако н е ц выделить <<трансформирующее начало~ из это­

11

нагреванием

ero

и Макл ин у Маккарти потребовалось е ще

клетки S-штамма

'

разделение отделенного

от клеточных оболочек

живые
патогенные

экстракта на классы

бактерии
S-штамма

11

S-штамм убит

молекул

появились

нагреванием

вновь

РНК

5-3. Гриффит показал, что убитые нагреванием бактерии мо­
гут вызывать трансформацию живых бактерий. У бактерий Streptococcus pneumoniae имеется две формы клеток , отличающихся друг

белки

ДНК

липиды

углеводы

РИС.

молекулы были проверены на способность
трансформировать клетки R-штамма

от друга по внешнему виду и по способности вызывать заболевание.

j j j j j

Клетки патогенного штамма , которые приводят к смерти мыши при их

введении , заключены в слизистую блестящую полисахаридную капсулу.
При выращивании на питательной среде в лабораторных условиях эти
болезнетворные бактерии образуют куполообразные гладкие колонии,
поэтому они названы S-разновидностью (от англ .

smooth -

R- штамм

гладкий) .

R-штамм

Безвредный штамм пневмококков, напротив, не имеет защитной обо­

-

00

S-штамм

R-штамм

00
R- штамм

лочки . Он формирует плоские шероховатые колонии , поэтому такие
бактерии называют А - разновидностью (от англ .

rough -

ВЫВОД : молекула , которая

шероховатый) .

несет наследственную

Как показано на рисунке , Гриффит обнаружил , что вещество , содержа­

информацию

щееся в патогенном S-штамме , может навсегда изменить, или транс­

-

это ДНК

формировать , безвредный R-штамм в смертельно опасный S - штамм .

РИС .

5-4.

Эйвери, Маклеод и Маккарти показали, что ДНК

-

это

носитель генетической информации. Исследователи получили экс·

тракт патогенного S-штамма бактерий и показали , что «трансформи­

Убиты е наrревалием пневмококки каким-то образом
превратили безврещrых бактерий в смертоносную форму.
Бол ее того, Гриффит обнаружил, что это измене ние было

свидетельство в пользу того, что ДНК может выступать в роли носителя

устойчивым: он мог культивировать «трансформирован-

генетической информации .

170

ГЛАВА 5. ДНК и хромосомы

рующее начало » , которое навсегда превращает безвредный R-штамм
пневмококков в патогенный S-штамм ,

-

это ДНК . Это было первое


формирую щее вещество вызывало 1-1аследуемые и з ме­

мало внимания. Несмот ря н а тщателwость, с кото рой

не н ия в тех бакте р иях, в котор ые оно п опадало, ДНК и

проводились эти экспер и м ен ты, генетики н е сразу п ри­

п ретендовала на р оль того самого вещества, из которого

зн али, что ДН К

сдела ны гены.

считали , что т ра нсф о рма ция могла б ыть вызвана следо­

-

это н аследственный материал. Многие

выми количествам и белков в пре паратах Д Н К Выдви­

Эта 15-лешяя задержка отчасти отражала состоя н ие

академической науки в то в ремя и была в ы звана широко

гались та к же п редп оложе н ия, что экстр аю содержит не

распространенной г ипотезой о том, что генетический ма­

сам ге нети ческ ий м атери ал, а мут аген , кот орый изменя ет

териал скорее всего состоит из белка . Из-за возможных

наследственн ый материал безвредны х бактерий, превра­

далеко иду щ их п оследствий от n олуче 1-11-1ы х р езульт атов

щ ая их в п атоге нны й штамм.

иссJ1 едовател.и, прежде ч ем объявить о своих эксперимен­

тах , хотел и бы ть абсолютно уверенным и , что трансфо р ­
ми рующее вещество

-

Коктейль из вирусов

это ДНК В письме своему брату,

тоже бактер иологу, Эйве ри на п исал: <<Надувать мыльные

Спор ученых не был окончателт, но разреш ен до

п узыр и 0<1ень весело, но у мнее будет проткнуть их самому,

когда Альфред Херши и Марта Чейз запустили в лабора­

П режде чем кто-нибудь другой по п ытается это сделать1> .

тории блендер и п родемон стрировали раз и навсегда, что

Уч еные подвергли тра нсфо рмирую щее вещество целой
сер ии хи мических тестов ( РИС. 5-4) .

риофа г Т2

1952

г.,

ге ны сделаны из ДН К Эти исследователи изучали бакте­

Было об н аружено, что оно обладает всеми химич ески ­

-

вирус, кото рый заражает и в конечно м итоге

раз рушает клетки бактерий Е.

coli.

Такие убивающие бак­

терий ви русы ведут себя как молекулярные шприцы: они

ми свойствами Д Н К; более того, оказалось, что фермент ы,
кото рые разру ш ают белки и РН К, не влияют на его спо­

впр ыскива ют свой еенети ческий мате ри ал в клетки хозя­

собн ость трансформи ровать бактерии, тогда ка1< фер ме н­

ев. Пр и этом пустые капсулы в ирусов не прони кают в за­

ты, расщепляющие ДН К, инаюи вируют это вещество.

раженн ую бакте рию ( РИС. 5-5, А) .

Это клю чевое исследование послужило серьезны м

П опав в клешу, вирусные ген ы управляют образова-

дОl<азательство м того, что оч ищен ная ДНК может вы ­

1-rие м 1-rовых в ирусн ых част иц . Ме нее ч ем ч ерез час зара­

ступать в рол и генетического материала. Однако итого­

женная клетка лопается , р ассеивая ты сячи новы х вирусов.

вая статья, вышед шая в

(А)

1944 r.,

Продолжение на с.

привлекла удивительно

о

(Б) помеченная

вирус

172

з2 р ДНК

''

клетка

Е.

coli

-

помеченные

35 S белки

РИС.

вирусы заражают
Е.

оболочки вирусов

зараженные

отделяются от бактерий

coli

бактерии

содержат 32 Р,
но не 35 S

5-5. Херши и Чейз однозначно показали, что гены состоят из ДНК. (А) Исследователи работали

с вирусами Т2 , которые состоят только и з белков и ДНК . Каждый вирус действует как шприц, впрыскивая
свой генетический материал в бактерию . Пустая оболоч ка вируса остается прикрепленной к наружной сто ­
роне клеточной стен к и . (Б) Для того чтобы определить , что является генетическим материалом вируса

-

белок или ДНК , исследователи пометили ДНК одной группы вирусов радиоактивным изотопом фосфора
32

Р, и белки другой группы вирусов радиоактивным изотопом серы 35S. Поскольку в ДНК нет серы , а белки не

содержат фосфор , эти радиоа ктивные изотопы служат удобным для исследователей способом различать
два типа молекул . Затем мечеными вирусами заразили Е.

coli.

Полученную смесь встряхивали в блендере,

чтобы отделить зараженных бактерий от пустых вирусных оболочек. Когда исследователи измерили радио ­

активность, они обнаружили , что большая часть помеченной 32 Р ДНК попала внутрь бактериальных клеток,
тогда как большая часть помеченных 35S белков осталась в растворе с пустыми оболочками вирусов .

Строение и функции ДНК

171


ГЕНЫ СДЕЛАНЫ ИЗ ДНК (продолжение)
Затем они заражают новы е бактерии , и процесс начина т­

от пове р х ности бакте риаль ны х клеток. Затем исследова­
тел и центрифугировали смесь , ч тобы отделит ~, более тя­

ся за~юв о.

Замечательиое свойство Т2 состоит в том, что эти ви ­

желые зараже нные бакте рии , которые образовали осадок

р усы соде ржат только два типа молекул: ДНК и белки,

на дне пробирJ<и, от пустых ви рус 1-1ы х калсул, оставав­

поэтом у генетический материал долже н был соде ржат ь­

ши хся в раство ре (ри с.

5-5,

Б).

ся в одиом и з них. Но в ч м им ю-ю? Эксперимент б ы л

Как вы, возмож1-10, догадалис r, , Херши и Чейз об 11 а­

уд ивительно .прост. Поскольку вирусн ая ДНК попадает

ружили , что радиоакт ивная ДНК попала внутр~, бактери­

в бактериальную кл етку, а остальная ч асп, вирусной ча ­

алы,ы х клеток, тогда как рад иоактивные белки остались о

стицы остается с 1-1 а р ужи, уче ные р е шил и пом етить р ади­

составе п устых в ир усных ка п сул. Кроме того, оказалос1,,

оактивньтми и зотопами белки у одной части вирусов и

что рад иоактивная ДНК входит в состав и следую щего по­

ДНК

-

у д ругой . Вс е, что им оставалось сделать

-

э то

коления вирусных частиц.

заме рить радиоактивность, чтобы понять, что поп ало

в н утр ~, бактерии

-

вирусный белок или вирусная ДНК

Эксперимент доказал, что вирус1-1ая ДНК попадает

внутрь бактериаль н ых клеток, а вирусные белки

-

нет.

Для это 1'0 Херши и Ч ейз культивировали радиоаюив ­

З,raLIИT, генетический материал в вирусах представле н

но м е ч е нны е вирусы вм есте с Е.

Выждав несколько

ДНК В совокупности с исследованиями, проведенными

минут, чтобы произошло инфицирование, опи выливали

Эйвери, Ма1<Леодом и Маккарти, этот эксп е рим е н т окон­

смесь в блендер и нажимал и кнопку << шоре>> . Вращаю1ци­

чательно доказал, что но с итель наследств енной информа­

еся лезвия блендера отделили пустые кал сулы вирусов

ции

Как мы узнали из гл.

обозначение основано на особен 1-юстях химической связ и

coli.

2 (вкладка 2-6, с . 80- 81), нуклеоти ды

состоят из пятиуrлерод н ого саха ра , к которому при соед и­

-

это ДНК

между н уклеот ищ1ыми мономерами.

Две поли нуклеотидные це пи в двойной спирали ДНК

нены одна или н ескол ько фо сфатных групп, и азотсодер­

dotLЬle

соединены между собой водородными

жа щего ос н ования. В нуклеотидах ДН К к сахару (дезок­

(DNA

с ирибозе) присоед инена одна фосфатная группа (отс юда

с вязями между азот и стыми основаниями разных цепей .

н азва ние дезоксирибонуклеиновая кислота) ; азотистое
основа1-1ие может б ыть представлено адеиииом (А) , цито ­

три спирали, а саха ро-фосфатный остов

зи1юм ( С) , zуаиииом

рис.

sine, gL1ani11 e,

(G)

и ли тимиио.лt (Т)

(adeuine, cyto-

tЬут iп е ). Нуклеотиды соединены в цепо чку

при помощи ковалентных связей между саха рам и и фо с­

heli x)

Таким образом, все азот и стые основания находятся вну­

5-2,

с.н аружи (см.

-

Г). Азотистые ос1-юnанин ДНК не образуют слу­

LJай 1-1ые п а ры : А всегда наход ится в паре с Т,

G всегда связа н

с С ( РИС . 5-6) . В обоих случаях более массивное азот и стое

фатами, которые так и м образом формируют <<Скелет>>, и ли

основание с двумя кольцами (пури.1-1, см . вкладку

остов, и з LJе редую щихся сахаров и фосфатов ( см. рис.

81)

5-2,

2-6, с. 80-

наход ится в паре с одноколъцевым азотистым основа­

Б). Поскольку четыре типа мономеров различаются толь ­

ни ем

ко

поли1-1уклеот и д н ую

пару называют парой азотистых оснований

цепь ДНК можно представ и ть в виде ожерелья, на которое

это 1еомплеметпар1юе спариваиие осиоваиий

на ни за ны ч ет ыре типа буси н (ч еты ре 1·1 ую1 еот ид11ых осно­

tш·y base- paiгing) позволяет парам азотистых оснований

азот и ст ым

вания А, С,

основанием,

Т). Эти же символ ы (А , С,

Gи

(пиримидин о м) .

Каждую пурин о- лиримид ИJ-ювую

(base раiг) , и
(co111ple111e11-

Т) обыч н о

разме щаться во внутренней ч асти двойн ои спи ра ли энер 1·е­

используют для обозначе1-~ия четырех разны х нуклеоти­

тически н аи более в ыгод но . При таком размещении каждая

/ЮВ -

Gи

каждую

азотистых ос н ова ни й вместе с присоедин енными к

ним сахаром и фосфат но й 1'ругшой .

пара азот ист ы х оснований им еет сходиую ширину, что по ­
З1JОJ 1Яет участкам сахаро- фо сфатноrо остова распола1,атъся

Слособ, которым нуклеотидн ы е мономеры соед иня ­

11а оди 1-1 ако вом расстоя нии друт от д ру 1·а п о в сей дли не мо­

ются вместе, позволяет це п очке ДНК приобрести вектор­

лекулы ДНК Азотистые ос1101Jа1 1ия в каждой п а ре соответ·

ность. Если вооб раз ить, что у каждого нуклеотида им еется

ствуют /!РУ Г дру гу в / !ВОЙНОЙ с пирали, ПОСКОЛЫ<у две цепи в

вырост (фосфат) и углубление (см. ри с.

спи рали расположены а нтипараллельно, т. е. их н а правле н-

5-2,

А), то ста1-1 ет

понятно , что в каждой це почке, об разова нной соотв ет­

1-юсть прот ивополож н а (см . ри с.

ствую щим и дру г д ругу вы ростам и и углубле ниями , все

ны е сахарофосфатны е тяжи затем обвиваются друг вокруг

мономеры будут ориентированы одинаково. Более того,
что один будет зака нчиват ься у глубле нием ( 3 '-гидрокс и ­

дру 1·а, формируя двой ную с пирал ~,, кажд ый оборот которой
содержит 10 п а р основаJ1ий ( РИС . 5-7). Это закручивание
та кже вносит с вой вклад в созда 1-1ие э нергетичес 1< и на ибо­

лом ) , а другой

лее выгодной конформации двой ной с 11ирали ДНК

можно легко различить два конца этой ц е почки , потому

-

в 1 ~ростом ( 5 ' -фосфато м). На эту вектор­

ность цепи ДНК указывают, н азывая один ее конец 3' -1,011 -

цом

(3' end), а

172

д ругой

-

5'-~соицом

(5' end).

ГЛАВА 5. ДНК и хромосомы

то услов ное

5-2, В и

Г). Антипараллель­

В следствие закономер ностей образования п а р меж·
ду азотистыми ос1-юва11иями в двой ной с пирали каждая


5'
5'-конец

о

/
N IIIIIIIIII H -

\

'\

скелет

N= C

/

N-

н"

I

\

С

/

с -с

тимин

о

\

СН з

о

~
С

'o-

OJ.0

о-

-db

N - Н 111111111 N

/

i

~
O IIIIIIIIIIH -

/

водородная

З'

l

o1-

N - Н 1 111 1 111 1 Ю

гуанин

-о

Р=О

З'-конец ' , " '

0-

t

N

о
)

О::, 1

с -с

С ::::::::-

С -Н

н\

фо сфатный

о

азотистые

'l'~

//

1/

N- H111111111IO

н1
--сахаро­

\

N

1/

с

C- N

,,o-

\

~

/о

с

О = Р- о-

/

\

N

~

,/ о

5'-конец
цитозин

\

водородная связь

5'

З'-конец

связь

(А)

(Б)

РИС.

5-6.

Две цепи двойной спирали ДНК удерживаются вместе при помощи водородных свя­

зей между комплементарными парами азотистых оснований. ( А) Форм а и хими ч еское стро ение
азотистых оснований делают возможн ым образова ни е устойчивых водородны х связей только между

А (аденином) и Т (тимином) и между

G (гуанином) и С (цитозином), в которы х атомы , способные об­
2-2, с . 48), оказываются близко друг к другу без деформ ации
двойной спирали. Две водородные связи образуются между А и Т и три - между G и С. Эти азотистые
разовывать водородны е связи (см. рис.

основания могут образовывать п а ры , только если две содержа щи е их полинукл еотид ные цепи антипа­

раллельны , т. е . и х направленность противоположна . ( Б ) Короткий участок двойной с пирали , вид сбоку.
По казан ы ч етыр е пары азоти стых оснований . Нукл еотиды соедин е ны между собой ко валентными фос­
фодиэфирными связями между З ' -гидро к сил ьной (- ОН) гру ппо й одного сахара и 5 ' -фосфатной (-РО 4 )
группой следующего за ним сахара . Такая связь придает каждой полинуклеотидной це пи направлен­
ность , а два конца одной цепи отличаются друг от друга по своему химическому строению. З ' -конец

несет свободную ОН-группу, присо еди ненную к З ' -атом у дезоксирибозы; 5 ' -конец несет свободную
фосфатную группу, прикрепленную к 5 ' -атому дезоксирибозы .

ценr, м оле кулы Д НК состо ит из последо вател ьн ост и н у-

1О1 еоти дов , в точности 1,омплементарвой (complen1 c11 ta1:y) н у клеотид ной по следовател ьн ост и вто рой це пи -

А всегда 1-1 аход ится в п а р е с Т противоп оложно й це пи,

мал ая

борозда

а С всегда соот ветст вует G. Ко м1ме м е н та рн ость чрез вы ­
'-!айно важна, когда дел о доход ит до копирования и ре п а­
рации Д НК ( с м . гл .

6) . А rrимиров а нн ую

ве рсию структу­

большая
борозда

РЬI Д НК см . 1-ra ВИДЕО 5.1.

Рис. 5-7. Пространственная модель двойной спирали ДНК. Две
Цепи ДН К закручены друг вокруг друга , формируя правостороннюю спи­
Раль , в которой один виток состоит из 10 нуклеотидов . Здесь показаны

l ,5 витка двойной спирали ДНК. Закручивание одной цепи вокруг другой
Приводит к образованию двух борозд на этой двойной спирали . Более
UJирокую борозду называют большой бороздой , а более узкую - малой .

Цвета атомов: N - голубой; О - красный; Р - желтый и Н - белый.

2 НМ

Строение и функции ДНК

173


Строение ДНК обеспечивает механизм

ВОПРОС

наследственности

А Какие и з сл едующих утв е ржден ий ве рн ы? П оясните ответ.

Гены ~1есут биологическую информацию , которая должна
быть скопирована и аккуратно переда н а двум дочерним

5-1

rl' А . Цепочка ДНК векторна, поскол ьку один ее коне ц заряжен

8

сильнее, чем другой.

клеп<ам при клеточиом делении. Из это го утверждения

Б . П а ра ну к л е отидны х о с нов аний

вытекает два ключевых биологических вопроса: как ин ­

нию с па р о й А - Т.

G-Cб ол ее устой ч ива по сра вн е­

формация, которая определяет строеиие организма, мо ­

жет быть представлена в виде химических соединений
ге н А

и каJ< она может быть точно скопирована? Открыти е

••

структуры двойной спирали ДНК было ключевым в био­
логии ХХ века, поскольку оно сразу дало ответы на оба

дво йна я

вопроса и, таким образом, раз решило проблему передачи

с п ираль

j

ДНК

наследственной информации на молекулярном уровне.

В этой главе мы подробно разберем ответ на первый во­
прос; детальному рассмотр е нию второго вопроса посвя­

бел о к А

щена следующая глава.

ДНК кодирует информацию в виде определе1нrого по­
рядка, или последовательности, нуклеотидов, расположен­

ных вдоль каждой цепи. Каждое азотистое основание

С, Т или

-

РИС.

ген В

ген С

п

г--1

j

.
1ЭКСПРЕССИЯ
Г ЕНА

бело к В

бел о к С

5-9. Гены содержат информацию для создания белков. Как бу­

дет п о казан о в гл .

7,

кажды й ге н , коди ру ющи й бел ок, и с п ользуется для

А,

с и нтеза м ол екул Р Н К, котор ые затем обес п ечи вают с интез определен·

G - можно считать буквой четырехбуквенного

ных бел ковы х м ол екул . Н а этой схе м е Р Н К- п ос редни ки н е предста вл е ны .

алфавита, который используется для того, чтобы запи­

сать биологические послания при помощи химической
структуры ДНК ( РИС.

5-8). Живые орга 1-1измы отличаются

code) - не следует прямо из структуры молекулы ДНК

друг от друга, поскольку их молекулы ДНК имеют разные

Потребовалось более десяти лет с момента открытия

1-tу1<леотид11ые последователыюсти (nucleotide sequences)
и, соответственно, несут разные биологические послания .

двойной спирали, чтобы разобраться в природе генетиче­

Но как нуклеотидиый алфавит используется для состав­

разбираем экспрессию генов

ления этих посланий, и LПО в них написано?

клетка транскрибирует, или переписывает

ского кода. В гл.

7 мы детально описываем этот код, когда
- процесс, во время которого
(transcribes),

Еще до расшифровки структу ры ДНК было извест­

нуклеотидную последовательность ге иа в нуклеотидную

но, что гены содержат инструкции по производству бел ­

последовательность РНК, а затем транслирует, или пере­

ков. Следовательно, в посланиях, содержащихся в ДНК,

водит

каким-то образом должны быть закодированы белки. Рас ­

следовательность белка ( РИС. 5-9).

смотрение химических свойств белков облегчает решение
этой проблемы. Как обсуждается в гл.

4,

функции белка

(translates), эту информацию в аминокислотную по­

Весь объем информации , записанный иа ДНК орга­
низма, называют ге номом

(genome)

(этот термин при­

определяются его трехмерной структу р ой, и эта струк­

меняют также для обозначения ДНК, которая несет эту

тура, в свою очередь, обусловлена последовательностью

инфо рмацию). Размер геиома ошеломляет: записанная

аминокислот в полипелтидной цепОLJКе. Таким образом, в

четырехбуквенным нуклеотидным алфавитом nоследо­

линейной последовательности 1fуклеотидов в геие должна

вателыrость очень короткого челов е ческого гена з анима­

как-то быть за п иса 1-1а линейная последовательность ами­

ет четверть страиицы, а запись нуклеотидной последов а­

нокислот в белке .

тельности всего генома человека заполнила бы больше ста

Точное соответствие между четырехбуквенным ну­

книг такого формата, как эта. В этом и заключается во­

клеотидным алфавитом ДНК и 20-буквенным аминокис­

п р ос, касающийся структуры эукариотических хромосом:

лотным алфавитом белков

как вся эта информация может быть· аккуратно упакована

-

генетический код

(genetic

внутри одного кл еточного ядра? В оставшейся части гла­

вы мы попробуем ответить на этот вопрос.

(д)

molecular Ьiology is ...

(Б) il ль!~ Оо о 3lI t••i♦Ij& о!~
(В )

• - •-•• •• - • - • •

СТРУКТУРА ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ ХРОМОСОМ
Чтобы закодировать всю информацию , необходимую для
создан ия даже одноклеточной бактерии , нужны большие

объемы ДНК; гораздо больше ДНК нужно, чтобы зако­
дировать инструкции для развития многоклеточного ор­

(д )

TTCGAGCGACCTAACCTATAG

ганизма, такого как человек. Каждая человеческая клетка
содержит около

РИС.

5-8.

Линейные послания можно записа ть многими способа ­

ми . Здес ь по каза н ы сл едую щие : (А) а нгл ийский я з ы к, (Б) муз ы кальн а я
грамота, (В) азбука М орзе, (Г) ки тайский язык и (д) ДН К.

174

ГЛАВА 5. ДНК и х ромосо м ы

2 м ДНК, при этом диаметр ядра состав­
5- 8 мкм. Уместить весь этот материал в таком
маленьком объеме - все равно, что попытаться уложить
40 км очень тонкой нити внутрь теннисного мячика.

ляет всего


В эукариотических клетках очень длинные двухце­

гл.

почеч~1 ые молекулы ДНК упакованы в структуры, назы­

мы

10. Более традиц и ои иый способ различать хромосо­
- ок р асить их пр и п омощи специальных к р асителей,

ваемые хромосомами. О 11 и ие только легко помещают­

которые воздействуют толы<о 1-1 а определенные тип ы по ­

С5! в~rутри ядра, но и могут без труда раздел яться между

следовательностей ДНК. Эти к расители обычно с разной

двумя дочерними клетками при каждом клеточном деле­

интен сивностью связываются с ДНК, богатой парами

нии . Сложная задача упаковки ДНК ре шается при помо­

нуклеотидов А-"1~ и ДНК, богатой

щи спе ц иализированных белков. O 1-rи п рисоеди1-1 яются к

ясный и устойчивый р исунок п олос на каждой хромосо­

ДНК и сворачивают ее, образуя серии витков и петель, что

ме ( РИС. 5-11 ). Рисунок п олос на хромосоме каждого типа

C-G

парами, образуя

создает ~1есколько и е рархичиых уров н ей укладки ДНК и

уникален, что позволяет вычлен итъ и пронумеровать от­

предотвращает спутыван ие ДНК в один трудно поддаю ­

дель ные х р омосом ы .

щийся обработке клубок. Удивительно, что свернутая та­
ким образом ДНК остается доступной всем ферме нтам и

Карт ину строения п олного набора
хромосом н азывают кариотипом

46 человеческих
(karyotype) человека .

другим белкам, которые реплици руют ее, чинят и у п рав­

Если части хромосом ут р ачиваются или п еремещаются н а

ляют экспрессией ге н ов.

другую хромосому, эти изменения могут быть в ыявлены

Гены бактерий, как правило, содержатся внутри одной

по измен ению ри сунка полос . Цитогенетики исполъзуют

кольцевой молекулы ДНК О н а также связана с белками,

изменения р ису н ка полос, чтобы выявитъ хро м осомные

которые конденсируют ДНК, но эти белки отличаются от

аномалии, связанн ы е с некото р ыми н аследственными за­

их аналогов в эукариотической клетке. Хотя прокариоти ­

болеваниями ( РИС . 5-12) и с определенным и типами рака.

ческую ДНК называют бактер иальной ~хромосомой », п о
структуре о н а отлич ается от эука риотических хромосом,

l1 нам меньше известно о том, как она упакован а. Далее в

этой главе мы будем обсуждатъ строение эукариотических
Хромосом.

ДНК эукариот упакована в несколько хромосом
У эу кариот ДНК в ядре распределена по разным хромо­
сомам. Ге ном человека, например , содержит п римерн о

3,2 х 109 нуклеотидов, разделенных между 24 хромо­
сомами [ имеются в виду 22 аутосомы, Х-хромосома и
У-хромосома. У женщин в геноме н асчитывается 23 раз­
ньrх хромосомы. - Прим. . ред. ] . Каждая хромосома состо и т
из одной чрезвычайно длинной линейной молекулы ДНК,

соединею-юй с белками, которы е сворачивают и упаков ы ­
вают тончайшую нить ДНК в более компактную струкrу­

РИС.

ру. ДНК, объединенную с белками, назы вают rромати-

в свой цвет, чтобы ее можно было однозначно идентифицировать

1юм.

5-10. Каждая

хромосома человека может быть «окрашена »

В дополнение к белкам, участвующим в

под световым микроскопом . По казанные здесь х ромосомы б ыли вы­

сворачивании ДНК, х р омосомы также связан ы с другими

дел е ны из клетк и , н аходящей ся на стадии деления ядра (митоза ) , и поэ ­

беJLками, которые участвуют в экспрессии генов, реплика­

то му находятся в очень к омпа ктн ом виде . О к р а шивание х ромо сом б ыло

ции и репа рации ДНК.

проведено путе м и х взаимоде йствия с набором мол екул ДНК в соч ета ­

(chl'omatin).

За исключением половых клеток

и

нии с флуор е сце н т н ым и к рас и телями . Н а пример , моле кул ы ДН К, со­

яй цеклеток) и вы сокоспециализироват-1 ы х клеток, ко­

ста вляющи е п е рвую х ромосому, помечены одной комбинацие й к раси ­

торые не содержат ДНК (таких как зрелые эритро циты ) ,

тел ей, моле кулы и з второ й х ро м осомы

каждая челове ч еская клетка содержит две копии l<аждой

л е й и т. д . Пос коль ку меченая ДНК может обра з овывать пары ну кл еотид ­

Хромосомы: одну от матери, и вторую

-

( сперматозоидов

от отца. Материн­

-

другой ком б инацией к расите­

ны х ос нов а ни й ( и л и ги б риди з оваться) толь ко в то й хром осом е, откуда

скую и отцовскую хромосомы одной пары называют zомо­

эта ДНК был а в з ята ( с м . гл.

логuчиы.м.и или гомологами (homologou

н о й в с во й цв ет. В подобных э кс перим е нтах х ромос омы обрабатыва ют

10), кажда я хромос ома о к азал а сь о к раш е н­

choromosomes, ho111ologs ). Единственная п ара негомолоrичн ы х хромосом -

та к, что дво й ная с пираль ДН К рас пада ется на отдельные це поч ки , что ­

это полов ые хромосомы у мужчин, у них У-rромосома

бы гиб риди зация с меч е нной к расител е м одноце почеч н ой ДН К стала

(У chromosome) унаследована от отца, а Х-rромосома
(Х cb1"01110s0111e) - от матер и .

х ромосомы п оказаны та к, как о ни был и исходно рассе яны посл е раз ру­

Человечески е

хромосомы

различаются

не

во з м ож ной . При этом стру ктура х ромосомы п о чти н е м е ня ется . Спр а ва

только

ш е ния клет к и . В кв адрате слева те же хромо сомы вы строе ны по порядку.

Размером; их можно отличить друг от друга ттри помощи

В этом кар и оти п е гомологичны е х ромосомы п ронум е ров а ны и рас­

Разных методов. Каждую хромосому можно <<окрасить» в

положены попарно; наличи е Х -х ромо со мы говорит о то м , что ДНК

свой цвет при помощи набора хромосома-специфичных

был а в з ята у женщины . Этот р и суно к н е был опуб ли кова н в а нгл оя­

Молекул ДНК, связаииых с флуоресцентными красите­

з ычн о м и здании . Впервы е публи куетс я в рус с ком и зда нии. (Источни к :

лями ( РИС. 5-10). Это делают методом гибридизации ДН!(

http ://ru.wiki pedia .org/ wiki/% 00 %A4%00 %B0 %00%B9 %00%BB :
Sky_spectral_karyotype. gif.)

(DNA hybridization), который будет детально описан в

Структура эукориотических хромосом

175


ВОПРОС

5-2

А На 0,34 нм длины двойной спирали ДНК приходится одна нy­
клеотидная пара . Используйте рис. 5-11 , чтобы оценить дли-

rl'

8

ну ДНК первой хромосомы человека, когда ДНК находится в

развернутом и выпрямленном виде . Если реальная длина первой

хромосомы на этой стадии митоза составляет около

1О

мкм, какова

степень компактизации ДНК на этой стадии?

2

3

4

11

12

13

5

6

7

8

9

14

15

16

17

18

t(9; 22)(q34 ;q 11)

••
10

9
РИС .

.. .. . !!······~~·· · · ··~~··· · ·~~···· ·· 1 ~""·1··1··· ·· ··

◄

22

5-12. Аномальное

(А )

22

9+

строение х ромосом связано с определен ­

ными наследственными генетическими дефе ктами . ( А ) Частичный
кариотип больного хроническим миелоидным лейкозом (ХМЛ)

19

I
РИС.

5-11.

20

21

50

миллионов п ар

Х

22

Х

22. (Б)

из онкологических заболеваний . У больного одна хромосома

Х

- одним
9 имеет

нормальное строение (слева) , другая, так называемая филадельфийская

I 1 мкм

хромосома

нуклеотидных

оснований

ствует у

- аномально длинная. Филадельфийская х ромосома присут­
95% всех больных Х МЛ . ( Б ) П о рисунку полос было установлено ,

что дополнител ьный генетический материал , содержащийся в аномаль­

Уникальный рисунок полос позволяет идентифициро­

в ат ь к аждую хромосому человека . Нумерация хромосом с первой

ной хромосоме

по двадцать вторую примерно соответствует уменьшению их длины .

рый ошибочно присоединился к хромосоме

Типичная соматическая (т. е. не половая) клетка человека содержит по

хромосомы на негомоло гичную хромосому называют транслокацией.

два экземпляра каждой из представленных хромосом и еще две поло ­

Этот рисунок не был опубликован в англ оязычном изда н ии. В первые пу­

вые хромосомы

бликуется в русском издании . (Источник : (А) http://commons.wikimedia.
org/wiki/ File: Philadelphia _chromosome ,_t%289; 22%29_translocation .jpg.
(Б) http://en.wikipedia.org/wiki/ File:Philadelphia_Chromosom.svg.)

-

две Х - хромосомы у женщин или одну Х-хромосому и

одну У-хромосому у мужчин. Хромосомы, которые используют для со­

ставления таких карт, окрашивают на ранних стадиях митоза, когда ДН К

9, представляет собой

фрагмент 22-й хромосомы , кото­

9. Такой

перенос фрагмента

компактна , но не так сильно , как на более поздних стадиях . Горизонталь­
ная линия соответствует положению центромеры (перетяжки, появляю­
щейся на х ромосоме во время митоза); вздутия на хромосомах

15, 21

и

22

13, 14,

показ ы вают положение генов , кодирующих большие рибо ­

сомальные РН К (см. гл .

7).

Такой рисунок полос получается п ри окра­

Хромосома содержит множество

линейно расположенных генов

шивании хромосом азур-II-эозином , в результате чего темные полосы

Н аи более важ н ая фу нкция х ромосом

образуются на участках, богатых А-Т парами нуклеотидных оснований.

фу11кционал 1,ных единиц 1-1 аследстве нности ( РИС. 5-13) .

Этот рисунок не был опубликован в англоязычном издании . Впервые пу­

Ген обыч,-ю определ яют как уч асто к Д НК, соде ржа щий

бликуется в русском издании . (Источник :

http://commons.wikimedia.org/

х ране ни е ге нов ,

и н стру кции по и з 1·отовле 11ию одного бел ка (ил и в не кото­
ры х случ аях 1-rескольки х сходных бел ков) . Хотя это опре-

wiki/File:Karyotype.png.)

~ - - - - - -- - - - - - - - - - - - 0,5%

от всей Д Н К генома дрожжей -----------------~
З'

З'

5'

1О

ге н ы

ООО нуклеотидных пар

РИС .

5-1З.

Ге ны в хромо с ом е расположены в определ е нном поряд ке. На рисунке пока з ан корот ­

кий участок хромосомы почкующихся дрожжей
генов

-

больше

12 млн

S. cerevisiae. Геном S. cerevisiae содерж ит о коло 6300
16 хромосомам . Обратите внимание

нуклеотидных пар , распределенных по

на то , что в каждом гене на самом деле только одна нить ДНК содержит информацию , необходимую

для синтеза молекулы белка или РНК, и это может быть любая нить; такие участки отмечены розовым
цветом . Тем не менее обы ч но указывают, что в состав гена входят как кодирующая нить ДНК , так и
комплементарная ей , как на рис .

S. cerevisiae .

176

-

ГЛАВА 5. ДНК и х ромо с омы

5-9. Высокая

плотность расположения генов в ДНК

-

особенность


(А) индийский мунтжак

(6)

сибирская косуля

РИС .

5-14. У близкородственных видов число хромосом может сильно различаться. В ходе эво­
Muntiacus muntjak
vaginalis наименьшее число х ромосом из всех млекопитающих (2n = 6); вероятно , крупные хромосо­

люции оленей число хромосом резко менялось . (А) У самки индийского мунтжака

мы этого вида образовались в результате слияния более мелких хромосом. (Б) У сибирской косули

Capreolus pygargus

в диплоидном наборе имеется

70

обычных хромосом и от

1 до 14

В- хромосом,

или микрохромосом . Число генов у этих двух видов при мерно одинаково, а их строение в целом

схоже . Этот рисунок не был опубликован в англоязычном издании . Вп ервые публикуется в русском
издании.

(Источник:
(А)
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Metaphase_spread_ of_the _lndian _
muntjac_% 28М untiacus_muntjak_vaginalis%29. jpg; http://commons.wikimedia.org/wiki/ File: Muntjac.jpg;
(Б) http://commons.wikimedia.org/wiki/ File:Metaphase_spread_of_the_Siberian_Roe_deer_%28Capreolus_
pygargus%29.jpg; http://en.wikipedia.org/wiki/File:Paozikun530.jpg.)

деление подходит для большинства генов, не1<оторые гены

В целом, чем сложнее организм, тем больше его геном.

У11равляют синтезом молекул РНК, а не белков . Подобно

Однако эта закономерность не всегда выполняется. Геном

белкам , молекулы РНК выполняют целый ряд структур­

человека, например, в

ных и ферментативных функций в клетке, о чем мы уз н а­

S. ceтevisiae,
и по

ем в следую щи х главах.

Как мож~ю было ожидать, существует определенная

200

раз больше, чем ге ном дрожжей

но в

30 раз меньше, чем у некоторых растений,
крайней мере в 60 раз меньше, tJeм у некоторых видов

амеб. Более того, распределение ДНК между хромосома­

46

связъ между уровнем сложности организма и <rис;юм ге­

ми таюке различается у разных видов. У людей

нов в его геноме. Например , число ~-енов варьиру ет от

сом, у одного вида мелких оленей их шесть, а у некоторых

менее чем

карпов более

500 у

бактерий до прим ерно

25

ООО у челов ека.

Геномы бактерий и некоторых одноклето<1ны х эу кариот

100

хромо­

хромосом. Даже у близкородственных

видов со схожим размером генома число и разме ры хро­

особенно комлактны: молекулы ДНК, и з которых состоят

мосом могут силъно разл ичаться ( РИС . 5-14). Таким обра­

их хромосомы, представляют собой немногим больше, чем
Ряды близ 1<0 расположен 1 1ых дру ,- к другу генов . Но у м,ю­

зом, хотя в первом приближении число генов коррелирует

rих эукариот (вклюtJая человека) хромосомы содержат

соотношения между их количеством, числом хромосом и

Кроме генов много допо1111ительной ДНК, болъшая tJасть

общим размером генома . Геномы и хромосомы каждого

1<оторой,

по- видимому,

не

несет

важной

с уровнем сложности органи з ма, 1-1 е существует простого

информации .

и з совреме н11ых видов сформировались в результате дли ­

Эту ДНК иногда называют <<мусорной ~ , поскольку ее не­
обходимость для кл ет ки н е доказана. Несмотря на то <по

телыюй последователъности генетических событий, ка­

нуклеотидны е последовательности большей части этой

давлением

жущихся случайными, но находящихся в соответствии с

стественного отбора.

дНК, скорее всего, не важны , .наличие <<мусорной ДНК~
1

<а к таковой (выступающей в роли ~ прослойки ,> ) может

быть необходимым условием для долговременной эволю­
ции видов и для правильного функционирова~1ия генов .

К тому же сопоставление последователыюстей ДНК раз­

Состояние хромосом изменяется
в течение жизни клетки

Для то,-о чтобы образовать функционирующую хромо­

ных видов свидетельствует: лишняя ДНК у родственных

сому, молекула ДНК должна не просто нести гены: она

видов высококонсервативна , что говорит о важиости ее

Функций - лока не яс ,ю , каких име1ню. Этот вопрос более

должна быть способиой к удвоению , а лолученные колии
должны быть разделе ны и правильно распределены меж­

rюдробно разоб ран в rл .

ду до<1ерними клетками при каждом ю1еточном деле нии.

9.

Структура эукариотических хромосом

177


веретено
деления

ядерная оболочка
окружает ядро

ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ
И РЕПЛИКАЦИЯ
ХРОМОСОМ

~

ДЕЛЕНИЕ<

митоз

КЛ ЕТ КИ

хромосомы

хромосомы

в интерфазе

во время митоза

5-15.

ИНТЕРФАЗА

М -ФАЗА

ИНТЕРФАЗА

РИС .

Q

Удвоение и разделение хромосом в размножающихся клетках происходит в опре­

деленные фазы клеточного цикла . Во в р емя интерфазы гены в клетке активно экспрессируются .
В определенный отрезок это го п ер иода времени ДН К удваивается, и хромосомы дуплицируются. Как
толь ко репликация ДН К завер ш аетс я, клет ка может вступить в М -фазу (митоз). Митоз

-

это деление

ядра. Во время этой фазы хромосомы конденсируются, интенсивность экспрессии генов значительно

снижается, ядерная оболочка раз рушается , и образуется веретено деления и з микротрубочек и други х
бел ков. Конденсированн ы е хромосомы встраиваются в веретено деления , и в составе одно го полного

набора хромосом расходятся по противоположным сторо н ам клетки . Во к руг каждого набора хромосом
формируется ядерная оболочка , и н а заключительной стадии М -фазы клетка делится с образованием
двух дочерних клеток . Для упрощения здес ь изображено толь ко две пары хромосом .

Эти процессы прои сходят в виде уnоря доч е нной серии

событий , наз ывае мых клеточным циклом (се \\

Этот цикл клеточного роста и деле ния в сокраще нном

ви де изображен на РИС. 5-15 и будет детал ьно обсуждать­
ся в гл.

18.

В связ и с те мой это й гла вы нас инт е р есу ют

тол ько д в е о с новны е с тад ии

клеточного цикл а :

иит ер ­

фаза
тоз

ИНТЕРФАЗА

cycle).

(interphase), когда х ромо сомы уд ваиваются , и ми ­
(mitosis), во время которого они рас ход ятся по д вум

ядр а м д оч е рни х к леток .

тело-

митоз

ИНТЕРФАЗА

-

мера

центр

_

репли ­
кации

,.,.,. Д ЕЛЕНИЕ

-

КЛЕТКИ

центро ­

по сл едовател ыrо сти Д НК, н ай де нные у всех эукарио т,

н

обес пе чи ва ют эффективное удвоени е интерфаз ны х хро ­

деления

Во вр емя интерфаз ы х ромосомы находят ся в ядре в

мера

разв ерн утом со стоянми в ви де дл инны х тонки х спута нны х

нитей ДНК, их сложно различить под с в етовым микрос ко­

пом. Мы буде м называть та кие раз ве рнутые хромосомы

иитерфазиыми (iпte гph ase c hгo mosome

м осом ( РИС .

).

Сп е ци альны е

уч асток

веретена

5-16) . Конкр етный тип нукл еот идных после­

+

L...J

L...J

удвоившиеся
хро мо сомы

в разных клетках

довательносте й де й ст вует как ориджин репликации (гe p -

1ication

oгi g in) (точ ка начала ре пликации) , где начинается

удвоение Д НК ( см. гл.

РИС .

5-16. Для того чтобы репликация эукариотической хромосо·

Эука риотичеСI<ие х ромосомы

мы и последующее ее разделение в ходе митоза были возможны,

содержат м ного оридж инов репл икации , чтоб ы хромосома

хромосома должна содержать три определенных типа нуклео ·

6).

могла быстро удвоиться. Дру го й тип последовательносте й

тидных последовательностей. Каждая х ромосома имеет множество

ДНК образует теломеры ( te l om e гes ), расположенные н а

точек начала репликации , одну центромеру и две тел омеры . Здесь схе ­

каждом и з двух концов х ромосомы. Теломеры содержат

матич н о показана последовательность событий , которые происходят с

по вторяющи еся н укле от и д ны е по след о вател ьности , кото­

типичной х ромосомой в те ч ение клеточного цикла . ДН К удваивается в

ры е с пособствуют удвоению концов хромосомы ( см. гл .

6) .

интерфазе, начиная с точек начала репли кации , от ни х процесс удво ­

Тело ме ры также защищают концы хромосом , чтобы они н е

ения продолжается в двух противополож ны х направления х . В М -фазе

был и приняты клеткой за пов режденную мол е кулу ДНК,

удвоенные х р омосомы прикрепляются своими центромерами к в ере ­

нуждающу юся в гrо lrинке .

тену деления так , чтобы после клеточного деления в каждую дочернюю

Когда клеточный

цикл дох од ит до М -фазы , ДНК

клетку попало по одной копии хромосомы. Центромера способствует

с ворачивается , приоб ретая все более и более ко мпакпrое
строение и в конце концов образуя коrщенс ирова нные
митотические хромосомы (m itotic c hгomosom es ). В этом

удержанию удвоенных х ромосом вместе до тех пор , пока они не будут

178

ГЛАВА 5. ДНК и хромосомы

готовы разделиться . Теломеры образуют кэпы (специальные защитные
участки) на концах хромосом .


Хромосом а

удво и вшаяся

9

хромосома

яд ер н а я

це нт р о м ера

ядро

о болочка

РИС.

5-18.

10

м км

Хромосомы в интерфазе занимают разные участки

ядра. Образцы ДН К вместе с флуо рес це нт н ыми к расител ями испол ь­
зуют для о краски в и н терф азе отдел ьных хромосом чел овека в раз ны е
цвета. Под флуорес центны м мик роскопом в идн о, ч то в инте рфазе каж ­
дая хромосома за н имает определ ен н ое место в ядре, а не п е ремешана

с другими хромосома м и , ка к спагетти в тарел ке . О б ратите вн имание на

L_J
( Б)

хр о матида

то, что п ар ы гомологич н ых хромосом в ди плоидн ой клетке ( н а пр имер ,

по казанные на рисунке две ко п ии х ромосомы

9), как прави л о , н е рас п о ­
Macmillan PuЫ ishers Ltd из :
M.R. Speicher and N.P. Carter, Nat. Rev. Genet. 6: 782- 792, 2005.)

л агаются рядом друг с другом . ( С разрешения

РИС. 5-17 . Типичная хромосома во время митоза сильно компак­
тизована. П ос кол ь к у в и нтер ф азе п роисходит удвоени е х ромосом ,

Наиболее ярким примером хромосомн ой о рганиза ции

ка ждая митотичес кая хр омосома н есет две иде н тич ны е доч е р ние мо­
л екул ы ДН К (см . рис .

5-16). Каждую из эти х очен ь длин н ы х моле кул Д НК

в ин терфазно м яд ре служит ядрышко ( РИС. 5-19) . Ядрыш­

вместе со связанными с ней бел ками наз ы вают хроматидой . ( А ) М ито­

ко

тическая х ромосом а под ска н ирующим электр о нн ым ми кроско п ом . Дв е

несущие гены рибосо мал ы-юй РНК (крас ные вздутия на

х роматиды тесно соеди н ены друг с другом . П е р етяжк а соответст вует

рис.

п оложе нию центромеры . { Б ) К а ртонная модель митотич е с ко й х ромосо ­

объед иня ются с белками , фо р мируя рибосом ы

мы . ( А - с разре шения

ны е м ашины для синтеза бел ка ( см. гл.

Terry А . Allen .)

это м есто, где объединяются ч асти разны х хро м осо м ,

-

5-1 1). Здесь рибосо м альные РНК синтез иру ются и

-

клеточ­

7).

состоя нии хромосом ы лучше всего видны и легко разде­
ляются во в ремя деле ни я клетк и ( см. р ис .

6-16). Нали чие

третье го типа с п ециал и з ированной л оследовате;1 1, н ост и в

гете ро хро м ати н

дl-I K, центромеры, позволяет распредел ить в каждую до­
черн юю 1u1етку по одн ой ко 1t ии каждой ко 1-1 ден с нрова 1-1 -

ной уд во ившейся х ромосо мы ( РИС . 5-17) . Клю чевая рол ь
центром е р в делении клет ки оли сана в гл.

ядрыш к о

18.

Интерфазные хромосомы занимают
оnределенн 1е области внутри ядра

Ядро Оl<ружено оболочкой, сформ и рованной двумя кон ­
Че нтр ически ми м емб ран ам и. Ядер 1iая оболо ч ка ч рез
0
пределе ~u-1ые расстоя ния п ро ни зан а ядер н ыми по рами,
осуществляю щим и актив 1-1 ый тра н сп орт отдель н ых м оле1<ул n ци тозол ь и из r-1 его (см. rл . 15). Ядерные м ембраны
ГlОдДе рживаются .ядер11ойла.1,,~и1-юй (nllcleai· lamina) - сетью

бе;11<овых филаментов, которы е образуют тонкий слой, п од­

РИС. 5-19. Ядрышко - наиболее заметная часть ядра в интерфазе.

Ул ьтратон ки й срез ядра фибробл аста ч еловека п од эл ектрон ным м и ­
к рос ко п ом . Ядро окружено двой н ой мемб р ано й , н аз ы ваемой ядерной

стила ющий внут реннюю нде рную мембра1-1 у (см.гл. 17).
В н ут ри яд ра инте рфазные х ро мосо мы ст рого о р га ни 3ова 1-1ы , хотя он и более дл н1111ы е и тон ки е, чем митот иче­
СJ<11е. В о- пер вых, х ромосо мы им е ют те н денцию за нимать
оп ределе нн ые у част ки ядра , так ч то они ~1 е сил ьно переп у­
т ьrва ются между собой ( РИС . 5-18) . В о - вто ры х, с п ециал 1,-

оболоч кой . Вн ут ри ядра х ромати н п редставл яет собой диффуз ную раз­

11ые участк и х ромосом при крепляются к 01 rределен11 ым
Местам на яле рJ rой мемб ране и ли яде рной лам ин .

мах , но в интерфа зе они собраны вм е сте , образуя ядры ш ко . ( С р а зре­

нородн ую массу с особенно пл отными ч астям и хромосом , н аз ываем ы ­
ми гетерохроматином (тем ны е участ ки) . Гетерохроматин беде н гена м и
и расположе н в основ н ом п о п ериферии ядра , прямо под ядерной обо­

л оч кой. О б ш ирный тем н ый уч асток

-

это ядр ы шко , которое содерж ит

ге ны рибо сом а льных РН К ; эти гены расположены во м н оги х хромосо ­
шения

E.G. Jordan и J. McGovern .)

Структура эукариотических хромосом

179


Нуклеосомы

-

основные единицы укладки ДНК

в хромосомах эукариот

Б елки, при со ед иняющиеся

к ДНК для формирования

эу кариотическ их хромосом, обычно делят на два основ­
ных класса: гистоны и н егистоновъrе хромосомные белки.

Гисто н ы присутствуют в огромных количествах (более

60

млн мол е кул н ескольких раз ных типов в каждой клет­

ке), и их общая масса в хромосоме приме1жо ра ш-1а массе
самой ДНК Совокупность обоих классов белков и ядер­
ной ДНК называют хроматином.

Ги сто ны отвечают за образоваt1 ие структур п е рвого и
основного уровней хромосомной укладки

(nucleosomes), которые были открыты

в

- нуклеосом
1974 г. Если акку ­

ратно нарушить целостность ядерной оболочки интерфаз­
ного ядр а и рассмотреть его содержимое под электрон и ым

микроскопом, б6лы1.rая часть хроматина будет находиться
в виде н ите й диаметром около

30 нм

( РИС. 5-21, А). После

обработки этою хроматина, ведущей к его частичному
раз ворачиванию, под электронным микроскопом можно

10

увидеть ряды ~ бусин на нитке >,} (рис.

м км

нить

-

5-21,

Б) . Видимая

ДНК, а каждая бусина - это цеитралъиая частица

ДНК в интерфазных хромосомах менее компактна по

иуклеосомы. Она состоит и з ДНК, обернутой вокруг бел ­

сравнению с ДНК в митотических хромосомах. Н а фото графи и , сде­

л а нно й с по мо щь ю электро нного м и к роскоп а, видн о обширн ое с пл е ­

ковой сердцевины, образоваиной гистонами .
Строение це нтральной ,rастицы ну1шеосомъr было

тение хром о сом н ой ДН К (с сопутствующими бел ками), в ыходящее из

расшифровано , когда иукл еосомы впервые выделили и з

РИС.

5-20.

и нтерфазно го ядра с раз руш енной обол очкой. Для с р авне н ия ко нтур

разве рнутого хроматина путем расще пле ния с п е циальны­

конде н си ро ва нно й м итотич еской х р о м осом ы ч елов ека по каза н в том же

ми ферментами нуrслеазами . Оии разрушают ДНК, разре­

масштабе. ( С раз ре ш е н ия

за я связи между нуклеотидами. После кратковременного

Victoria Foe.)

воздействия нукл еаз раз рушил ас ь тол ьr<о незащищениая

ДНК между частица ми , лиикериаяДНJ{

(linker DNA).

От­

ДНК в хромосомах высококонденсирована

дельная частица нуклеосомы состоит и з восьми t"и cтotro ·

Как мы видели, все эукариотич еские клетки и в инте рфа­

Н4) и двухцепочечной ДНК длиной в

зе, и в митозе плотно упаковывают свою ДНК в хромо­

пар , которая закруч ена вокруг этого zистоиового октСwне­

сомы. Чело веческая хромосома

ра

вых б лков (по две молекул ы rистонов Н2А, Н2В , НЗ и

около

48

22,

наприм е р, содержит

147

нуклеотидных

(histone octame г) ( РИС. 5-22) . Структура це нтральной

млн нуклеот идных пар ; если их выстроить одну

за друтой, эта ДНК растянулась бы прим рно на

1,5

см.

Однако во время митоза хромосома

22

ло

раз более компактна,

2 мкм, т. е .

она приме рно в

10 ООО

имеет длину око­

че м ДНК в раз в ернутом виде. Поразительиая эффектив­

ность сжатия обеспечивается белками, которые свора,.rи­
вают и укладывают ДНК во все более и более высокие
уровни упаковки. ДНК и1-п е рфазн ых хромосом ко11де 1-1 -

(Б

уложена достаточно плотно, с прим е р 1-ю 500 - крап-~ым
уровнем комnактизации.

В следующих разделах мы расскажем о специализи­

i;1)1''' . .

'
t

сирована мены.пе, 'Jе м митотических ( РИС. 5-20) , но тоже

·t ...

;;... ~ ...

~~it~\~i~ii{fS.:f\t}

.u
50 нм

роваю-rых белках, которые обеспе ч~шают эту укладку. Уч­
тите, 'ПО структура хромосом под вижна. Хромосомы не
только согласованно конденсируются и распл е таются

во

время клеточного цикла. Отдельные участки интерфаз­

РИС.

5-21.

Нуклеосомы можно увидеть под электронным микро ·

скопом. (А ) Хромати н , выдел е нн ый из и нте рфаз н ого ядра, без до п ол ­

ных хромосом должны распаковываться, чтобы обеспе­

нител ьн ой обработки в ыглядит под электронными мик роскопом как нити

чить доступ к определенным последовател ьностям ДНК

толщи н ой

для удвоения, репарации или э кспресс ии ге нов . Упаковка

сдел а нн ой с п омо щью эл ектро нного м ик роскопа , в иде н уч асто к хро м а­

хромосом должна быть достато,rно гибкой, чтобы по м е ре

тиновой н ити, которая была с п е циально « распакована » (деко нденсиро­

30 нм,

часть такой н ити показа н а здесь. ( Б ) Н а фотограф ии ,

необходимости обеспе,rивать быстрый доступ к опреде­

вана) п осле выдел ения , чтобы показать нуклеосомы . ( А - с разре ш ения

ленному участку ДНК

Barbara Hamkalo; Б - с разре ш е н ия Victoria Foe.)

180

ГЛАВА 5. ДНК и хромосомы


ВОПРОСS - 3

А Учитывая , что гистоновый октамер образует цилиндр с диаме­
тром 9 нм и высотой 5 нм , а геном человека содержит 32 млн

rl'

8

вид "

отсюда

•

нуклеосом, определите , какой объем занят гистоновыми окта ­

мерами. Какая часть общего объема ядра (6 м к м в диамет ре) занята

в ид

гистонов ы м и октамерами? ( Объем ци л индра ра сс ч итывается по фор ­

отсюд а

муле тcr h ; объем сферы - по формуле 4/Зтсr . ) Как это соотносится с
объемом ядра, занятым самой ДН К в клетке челове ка?
2

3

« х вост »

гисто н а Н З

гисто н ы , соста вл я ющи е
сердцевину нуклеосомы

нуклеос о ма

хромат ин в ви д е

содержи т

« бусин на нитке »

НУКЛЕАЗА РАЗРУШАЕТ

СВЯЗЫВА Ю ЩУЮ Д НК

~-

j

-200

нуклеот идны х

пар Д НК

• ••••

••••

выделенная

гистон Н2А

РИС.

!

при

11

часть

i

нукл е осомы

гисто н НЗ

O ги стон

Н4

Структура це нтральных частей нуклеосом , выявленная

помощи

рентгеноструктурного

анализа,

позволяет

понять ,

каким образом ДНК плотно обматывается вокруг дисковидной ги ­

+

срединная

5-23.

гисто н Н 2 В

стоновой сердцевины. Здесь изображена структура нукл еосомы с двух

нм

разных ра курсов . С пираль ДНК по казана серым цв етом . М ожно видеть
часть «хвоста» гисто н а Н З (зеленый цвет) , вы ходящую за предел ы н укле­

ДИССОЦИАЦ1Я

осомы , «хвосты » остальных гистонов обрезаны . (С разре ш ения
Pu Ы ish e rs

В СОЛЕ ВО М

Ltd из :

К.

Macmillan

Luger et а/. , Nature 389: 251-260, 1997.)

РАСТВОР Е

окта м ерна я

~

части нуклеосо м ы с в ы соким разре ш ением б ыла рас­

двойная спираль Д Н К ,

шифрована в

1997 r.

На атомарн ом уров н е была выявлена

сердцевина

состоящая и з

147

структура дисковидного гистонового ком п лекса. П лотн о

н у клеосомы

нуклеотидных па р

обвитая вокруг него ДНК формирует ле в озакрученную

+

спираль в

1,7 обо рота ( РИС. 5-23) .

Длин а линке рн ой ДНК между цеи тральн ым и част и ­
ДИ СС ОЦИА ЦИ Я

цами

80

i

н уюr еосомы может ва р ьировать от

централь н у ю

Н 2В

Н4

част ицу нуклеосом ы вместе с одним лин ­

керны м от резком ДНК (см. рис.
з ывают

Н2А

нескольких до

пар нуклеотидов . (Термин <<Нуклеосома ~ обоз н ачает

ко р . )

п росто

це н тральную

5-22),

части цу

но часто так н а ­

нуклеосомы ,

или

Форми рова н ие нуклеосом превращает молекулу

ДНК в хромати н овую нить, длина которой составляет

РИС . 5-22. Нуклеосомы состоят из молекул ДНК, обвитых вокруг
белковой сердцевины ( кора), состоящей из восьми гистонов.
В пробирке центральная ( срединная) часть нуклеосомы может быть от­

около од ной трет и из на •1альной длины м олекулы ДНК

делена от хроматина посредством расщепления линкерной (связываю­

кор ) нуклеосомы ,

щей) ДНК ферментом нуклеазой, разрушающим ДНК . ( Нуклеаза может

соки м

Расще пить незащищенную ДН К, но н е может атаковать ДН К , плотно

кислот (л изи на и ар г инина) . П оложител ьны й заряд по­

Это

-

первый уро вень укладки ДНК

Все qеты ре гистона, составляющи е серд цевину

-

соде р жан ием

( или

это относ итель но мелк ие белки с вы­
п оложительно

заряженных

ам ино­

обернутую вокруг сердцевины нуклеосомы . ) После диссоциации изо ­

могает гисто н ам надеж н о пр исоединяться к отр ицательно

лированной нуклеосомы (на бел ковую сердцевину и ДН К ) можно опре ­

заряжен ному сахар а-фосфат ному остову ДНК Мн ого­

дел ить длину ДНК , которая обвивала сердцевину. Ее длина в 147 нукле ­

численные взаимодействия частично объясняют, п очему

отидных пар достаточна, чтобы обернуться вокруг гистоновой сердце­

ДНК с практически любой нуклеотидной последовател ь­

вины почт и два раза.

ностью может соед июпься с гистоновой серд цеви ной.

Структура эукариотич е ски х хромос ом

181


(1<оровых) г исто , юв есть

коротк ий уч асто к

также длинн ый ами н окислотный <<ХВОСТ>>, вы ходя щи й за

У каждого из сердцевинных

двойно й с пирали

пределы цеюраль ной частицы нуклеосомы и зака 1 1чи ­
вающийся аминогруп п ой (см. рис.

5-23).

!л~~~~'\(/

ДНК

К rистон овы м

хвостам п ри помощи ковале н тны х связей п рисоедин яют­
ся р аз ны е химические г р уппы, LIТ0 позволяет о п ределят ,,

---~~-

х роматин в вид е

« буси н на н ит ке »

2 нм

-

11

нм

1

мно гие ас п екты структуры хромат ин а. Гистоны, фо р ми ­
рующие сердцеви 1-1 у 1-rуклеосомы,

-

одни

из л идеров

по

п остоя н ству структуры среди всех известн ых эукар иоти­

ческих белков: напри ме р, су ществует всего два различия

нить х роматина

ТОЛЩ И НОЙ

т

НМ ,

30

30

состоящая из

между ам 1,гн окислотиыми nоследователъ~юстями rистона

упа кован н ы х

Н4 коровы и гороха. Такая высокая эволю цио , ш.ая консер ­

нук л ео с ом

нм

1

ватив ность от ражает клю ч евую роль rистонов в обеспече­
н и и структуры эукариотичес1< их х ромосом. В последнее

в ремя rистоны также обнаруже н ы у архей
кото рых

от носят

к

отдельному

царству,

-

п рокариот,

отличному

от

эукариот и бактер ий (см. гл. 1).

участок х р омосомы

т

в деконденси ­
рова н ном виде

300

нм

т

нм

1

Существуют разные уровни укладки ДНК
в хромосомах

участо к хромосомы

Дли нные последователыrости нуклеосом об разуются на

бол ьшей части хромосомной ДН К, но в жив ых клетках

в к онденсированном

700

виде

1

хроматин редко имеет вид бусин н а нитке, как показано
н а рис.

5-21,

Б. Вместо этого нуклеосом ы упаков ы вают­

ся далее, од н а над другой, фо р мируя более компактн ую
структу ру

-

фиб р иллу тол щ ин ой

30 1-~м

(см. р и с.

т

5-21, А) .

1400 нм

Упа ков1<а нуклеосом в 1-1ее осуществляется при помощи

пя того rистон а, называемого гистон

I-11. Считается,

1

LfТO он

КОНЕЧНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ: КАЖДАЯ МОЛЕКУЛА ДНК

стягивает ну1<леосомы вместе с образова н ием определен ­

УПАКОВАНА В МИТОТИЧЕСКУЮ ХРОМОСОМУ,

ной п овторяющейся ст рукту р ы. Этот линкерный гистон

КОТОРАЯ В

изменяет на п равление ДНК при отхождении от се рдце-

10 ООО

РАЗ КОРОЧЕ , ЧЕМ ЭТА МОЛ Е КУЛА

В РАСПРАВЛ Е ННОМ ВИД Е

РИС.

5-25 .

В хромосомах имеется несколько уровней уп аковки

ДНК. На этой схе ме по к азано не скол ько уровне й упа ков ки , кото рые и

обес п ечи в а ют вы со кую конде н са ци ю митотическ и х хр омос ом .

ви н ы нуклеосомы , что позволяет ДНК приобрести более
комла:кт н ую структуру ( РИС. 5-24). Образующаяся при
этом фибрилла в

30

н м толщююй (показана на ВИДЕО 5.2

и на РИС . 5-25) позволяет составить об щее в пе чатление о
раз ны х уров ,-шх хромосомной уклад1<и.

Мы знаем, ч то хр оматиновая н ить толщиной в

30

нм

может быть ком п актизова н а далее. Ранее мы рассказы ·
вал и , ч то во оремя ми т оза хромати н ко 1-1 де 11 сируется таr<
силь н о, что хромосом ы мож н о разглядеть лод световым

микроскоп ом. Каким образом нить тол щи 1-юй в
РИС.
ся в

5-24. Линкерный гистон помогает нуклеосомам объединить­
фибриллу толщиной 30 нм . Гистон Н1 с остоит и з шаровидного

30

нм

складывается, чтобы образовать митотиLtеские хромо­

сом ы ? Все под р об r-юсти это го процесса до сих п ор н е·

уч астка и п а ры дл и нных « хвостов » на С - и N -концах. Ш аровидны й уч а­

известны, од~ш<о ясно, что фибрилла толщиной в

сто к удерживает дополнител ьны е

об разует ряд п етель, которые затем улаков ы ваются еще

20

н уклеотидных ос нова н и й ДН К в

30

нм

том ме сте , где она отходит от с ердце вины нукл еосомы ; это с во йство

плотнее , до образования интерфаз ной хромосомы. Счи ·

важно для формирова ния нити толщиной

тается, что эта ко мп актн ая последователь н ость петель

30 нм .

Длин н ы й «х вост », з а ­

к а н чивающий ся атомом угл е рода (С- кон е ц) , н еобходим г и стону Н1 для

п роходит как ми н имум еще одну стадию упаковки, что·

с вя з ыв а ния х роматин а; одн ако е го пол оже ни е и пол ожени е «х воста» с

бы образовать митотические хромосомы ( РИС. 5-26, см.

N -концом н е и з вестн о .

таюке рис.

182

ГЛАВА 5. ДНК и х ромос ом ы

5-25).


ВОПРОС5-4

А Гистоновые белки - одни из самых консервативных белков

rl' у эукариот. Например, гистоны Н4 у коровы и гороха разли-

8

чаются лишь двумя аминокислотами из 102. Сравнение ну­

клеотидных последовательностей, которые их кодируют, выявляет

гораздо больше различий , но только два из них изменили амино­
кислотную последовательность. Эти наблюдения доказывают, что
должен идти естественный отбор , направленный против мутаций ,
влияющих на аминокислотную последовательность . Как вы дума­
ете, почему мутации г истоновых генов, приводящие к изменению

аминокислотной последовательности, вредны?

матина. Один из них основан на действии хроматин­

ремоделирующего

LJ

комплекса

( chroшat i 11-гe mod e l ing

Эта белковая машина исп ользует эне ргию ги ­

co mplex).

дрол и за АТФ, чтобы изменять положение ДНК, обмо­

О , 1 мкм

танной вокруг 1-1.уклеосо м. Комплексы движутся вдоль

РИС. 5-26. Митотическая хромосома состоит из плотно упако­

плотно зак руч е н~юй ДНК, проталкивая ее вп е р ед. Тем

-

ванного хроматина. Н а этой фотографии , сделанной под сканирую­

самым они могут снизип, плотность у паковки ДНК

щим электро нным микроскопом , изображен участок , р асположен ны й

деко н де нсиров ать ее . В результате ДНК становится

поблизост и от края типичной митотической хр омосомы . Считается ,

более досту л ной для других белков клетки ( РИС. 5-27).

что кажды й шиш ковидны й в ырост пр едста вля ет собой отдельную пет­

Во время митоза по к райн ей м е р е часть хроматин-ремо­

лю х роматина . Эта хро мосом а удвоилась, и дв е новые хромосом ы (на­

дел ирующих комгшексов инактивируется, что способ­

зываем ые хроматидами) все еще остаются соеди н енными между со­

ствову ет сох ран ению п лотной упаковки митотических

бой (см. рис. 5-17). Концы двух хромосом видны на правой ч асти фото ­

хромосом.

гр афии. (С разрешения

Elsevier из:

М . Р.

Другой с пособ изменения ст руктуры хроматина ос ­

Mardsen and U.K. Laemmli, Cell

нован

17: 849-858, 1989.)

Jra

обратимых химических модификациях гисто­

нов . << Хвосты >> всех 'Iетырех коровых гистонов особенно
легко подвергаются модификациям поср едством при со­
едине ния

РЕГУЛЯЦИЯ СТРУКТУРЫ ХРОМОСОМ

химических

групл

при

помощи

ковалеип1ых

связей . Так, а цетильная , фосфатная или м етил ьная груп­

пы могут быть при соеди н ены к н уклеосоме или отсоеди­

до этого момента мы обсуждали, каким образом ДНК ак­

н е ны от н ее лри помощи находящихся в ядре ферм ен тов.

куратно и плотно у паковаиа в х роматин е. Теперь обратим­

Эти

ся к вопросу, благодаря чему эта упаковка может быть ди -

очень небольшой эффект на стабилыrость отдельной ну ­

модификации

гистоновых

<~ хвостов>>

оказывают

1-rамичной и обесп чивает б ыстр ый доступ к н аходящимся

клеосом ы. Однако похоже , что они напрямую влияют иа

даJ1еко от поверхности у,1асткам ДНК ДНК ~, есет огром­

стабильность х ром атиновой нити толщиной в

ный объем закод ированной иJ1 формации , и клетки долж­

элеме нты более высоких уров 1-1 ей у пю<овки, описанных

ны иметь возможность rюлуча1ъ эту информацию по мере

выше .

1-1еобходимости.

30

нм и на

Важно, что эти модификации влияют 11а слособ ,-юсть

В этом разделе мы обсудим , как клетка может менять

гистш-ювых

<~ хвостов ~,,

соед иняться

со

с п ецифичными

структуру своет хроматина, чтобы открывать для воздей­

белками, таким образом связывая их с определенными

ствия 0 11 ределенные участки ДНК и обеспечивать доступ

уч астками хроматина . Разиый характер модифика ц ий ги ­

к ним с п ециализированных белков , в особенности тех,

стоновоrо <<хвоста,> привлекает раз ны е белки . Некоторые

которы е участвуют в экспр есси и генов, а также в лочин ­

из них вызывают дал ьн ейшую конде н сацию хромати н а ,

r,е и удвоении ДНК Затем мы расскажем, как создается

тогда как другие облегчают доступ к ДНК, деконден си­

и поддерживается структу ра х ромат ин а и как клетка мо­

руя хроматин. Определенные комбинации модификаций

жет п ередавать некоторы е типы этой структуры сво им

110-

гистоновых <~ хвостов,> и белков, которые с ними связ ыва­

томкам. Регуляция и н асJ1 едование структу ры хроматина

ются, имеют разные з нач е ния для клетки : наприм е р , одна

нrрают важную роль для ра звития и ро ста эукариотиче­

комбинация может свидетельствовать о том, 'ПО да ~1~1ый

ских оргаJiИ З МОВ.

у ча сток хроматина н едав но удвоился, а другая

-

что гены

этого хроматина долж ны экс пресси роваться ( РИС. 5-28).

Изменение структуры нуклеосом

Подобно хроматин-ремоделирующим компл е ксам,

обеспечивает доступ ферментов к ДНК

активно сть ф е рм ентов, модифицирующих гисто1-ювы е

У эу кариотич ес ких клеток имеется н ес кол 1,ко способов
быстро изм енить структуру определенного участка хро -

опр еделенных у частках хроматина по д действием дру­

<~х восты ~> , ч етко регулируется .

Они оказываются н а

ги х сиг налов, в ч астности в резулътате взаимодействия

Регуляция структуры хромосом

183


(А)

РИС .

АТФ-зависимый

плексы меняют структуру ДНК, обвитой вокруг

5-27.

Хроматин-ремоделирующие ком·

нуклеосом . (А) Повторяющиеся циклы гидроли за

хроматин-ремоделирующий

АТФ позволяют хроматин-ремоделирующему ко м ­
плексу снижать плотность укладки ДНК в нуклеосо­
ме, продвигая ДНК вокруг гистоновой сердцевины.

Это изменяет структуру нуклеосомы , подвергая

ДНК действию других связывающихся с ДНК бел -

----

•• __ ков. Здесь показано , как нуклеосома была немного
-----.. . передвинута влево по ДНК. Такое передвижение
происходит в результате многих циклов гидролиза

АТФ . (Б) Многократное проскальзывание нуклеосо­
мы может деконденсировать хроматин, что делает

КАТАЛИЗ

ДНК доступной для взаимодействия с другими кле­

ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ

точными белками. И напротив, другие типы про­

НУКЛЕОСОМ

скальзывания нуклеосомы могут конденсировать
хроматин на определенном участке хромосом ы.

(Б)

ремоделирующий
комплекс

.
деконденсированный хроматин

конденсированный хроматин
ПОВТОРЯЮЩЕЕСЯ
ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЕ

с белками, которы е с вязываются с определенными н у­

ко н де нсир уя и л и де конд е н с ир уя определенные участки

клеотидными последовательно стями Д НК ( с м . rл .

х роматина ; это позволяет ст р укту р е хроматина н а ко 1-1 -

8).

Ферменты , модифицирующие rистоны, работают со­

кретном участке быстро меняться в соответст вии с н уж­

вм ест н о

да ми клетки.

с

х роматин-р емодел ир у ющими

ком пл е к сам и,

(А)

РИС.

5-28.

Тип модификации «хвостов" гистонов может опреде­

лять, что происходит с хроматином в клетке. (А) Каждый гистон мо ­
жет быть модифицирован при помощи ковалентного присоединения
многих хим ически х групп . Например , к гистону НЗ может присоединиться
(Б)

типы модификаций гистона НЗ

ацетильная (А) или метильная (М) группа, а также фосфат (Р) . Числа обо­
значение

значают позицию модифицированной аминокислоты в белковой моле­

куле . Обратите внимание , что некоторые аминокислоты (например , ли­
гетерохроматин

зин в позиции

9, 14, 23

и

27)

могут быть модифицированы несколькими

формируется,

способами . Более того, к лизи нам могут присоединяться одна, две или

ген не экспрессируется

три метильные группы (не показано) . Отметим , что гистон НЗ состоит из

ген экспрессируется

135 аминокислот,

большинство из которых находятся в его глобулярной

части ( «эллипсоиде» ), и что большая часть модификаций происходит на

его N -конце. (Б) Как показано на схеме, разные сочетания модификаций

s

10

184

к

14

ГЛАВА 5. ДНК и хромосомы

ген экспрессируется

«хвоста » гистона могут нести специальную информацию о тяже хрома­

тина, на котором они расположены . В настоящее время расшифрованы
значения только нескольких таких « сигнальных модификаций » .


ген

в нормальном

барьер

/
i "'~'""'"'~

Интерфазные хромосомы содержат

White

положении

конденсированные и более рыхлые участки хроматина

гетерохроматин

111

~

Локализова н ны е из м ене н ия плотности упаковки хрома­
тина при п омо щ и ре моделирующих компл е ксов и моди­

редкая хромосомная

фика ц ий гисто 1юв оказывают важное влия ни е на строе ни е
инте рфазных хромосом в целом. В этих хромосомах хро­
матин упакован не в одинаковой сте п ени плотно . Участ­
ки хромосомы, содер жа щие э кспресс и рующ иеся ге ны , в
целом упакованы ме нее п лотно, тогда как у ч астки хромо­

сомы, где расположе н ы молча щ ие гены, бол ее ко мпактны .

111

i

_

ген

барьер

White

рядом

с гетерохроматином

Таким образом, детальная структура инте рфаз 1-юй х ромо ­

РИС.

сомы может р азл ичаться в кл етках разных тип ов, помогая

мещения его в другой участок генома. Показан пример проявления

о пределить, как и е 1·е ны работают.

эффекта положения , при котором активность гена зависит от его поло­

Наиболее в ы соко конденси рованную форму и1-пер­

фазного х р оматина наз ывают rетерохроматином
гoc bгo m atin ) (от греч .

hete1·os -

5-29.

Экспрессия гена может быть изменена путем пере­

жения в х ромосом е. Ген

White

у плодовой муш к и

Drosophila отвечает за

(bete-

с интез з рительно го пигмента и назван так по проявлению мутации , ко­

особый ) . О н был впе р ­

торая позволила впервые идентифицировать этот ген . У муше к дикого

в ы е об н ар ужен под световым мик роскопом в 19 3 0 -е годы

типа с н еповрежденным геном

как отдель н ые сильно п рокрашиваю щиеся участки с р е­

те зируется , поэтому у ни х красные глаза . Если же ген

ди общей масс ы хро мат ин а
нием

~ rетероп ию-ютические

White (White+) пигмент

[ гетерохроматин

под назва­

ина кт ивируется , у мутантны х мух

участки ядр а ,>

о п ис ывали

глаза

с начала ХХ в . Те р мины ~э ух р о м атин ~ и ~ гете рохрома­

ти н ,> б ыли предложе ны Эмилем Хайцем

(Emil Heitz)

в

1928 r. - Пpu.J,t . ред. ] .

-

белые. У мушек дикого

нормально син ­

White

мутирует и

(White-) пигмент не синтезируется , и
типа ген White (отмечен желтым) рас ­

положен на не котором расстоянии от бли жайшего участка гетерох ро ­
матина (обозначен зеленым). Специ альный барьерный участо к нукле­
отидной последовательности (по казан красным) предотвращает рас­

10% интер ­

пространение гетерох роматина на прилегающие участки хромосомы.

фаз ной хромосомы, у млекоп итающих он сосредоточен в

Гетерохро м атин обычно составляет около

Муш к и, у которых в результате инверсии участок хромосомы с нормаль­

районе центромеры и в теломерах на кон цах хромосом.

ным геном

Ф ормирован ие наиболее распространен ной фо р м ы rете­

ный участок ДНК сдвигается , имеют пятнистые глаза и с к расными , и с

White+ перемещается

ближе к гетерохроматину и ба рьер­

рохромати н а вызва но определенным набором модифика­

белыми участками. Белые пятна представляют собой клетки , в которых

ций rистонового ~ хвоста,>, включая метилирование ради­

э кспрессия ге н а

кала лизина в позици и

красные участк и составлены клетками , в которых э кспрессируется ген

9 rистона

НЗ (рис.

5-28).

Эти модификации привлекают ряд специфичных

White+,

White+подавлена

под воздействием гетерохроматина ;

пос кольку гете рох роматин не распространился на занимаемы й

для rетерох роматина белков, которые затем вызывают

этим геном участок на ранни х этапа х раз вития , когда образовывалась

такие же модифика ции гистоновых << хвостов >> в соседних

клетка - основательница , давшая начало всему к расному участку гла­

нуклеосомах . Новые модификации << хвостов ~, в свою

за . Наличие больши х участков , заняты х белыми и красными клет ками ,

о че редь,

п ритягивают тот же набор гете рох ромати н ­

свидетельствует о том , что данное состояние гена (активный или « мол­

сnецифичн ых белков , вызывая расп рост раняющуюся по

чащий • ) определяется на ранни х эта пах раз вития и затем насл едуется

Хромосоме волну ко нденса ц и и хромати на . П одобным об ­

клетк ами-потомками .

разом увели ч ившийся участок гетерохроматина распро­

страняется п о всей ДНК

Б6льшая часть ДНК клетки, постоя нно у пакованной в

скольку двойная доза продуктов Х-хромосом не требует­

виде гетерох ромати на, не содержит ген ов. Поскольку гете ­

ся, у самок млеко п итающих возн икли способ ы навсегда

Рохроматин чрезвычайно компактен, ген ы, которые были

и нактивироват ь одну и з двух Х- х ром осом в каждой клет­

случайно запакован ы в него, обычно н е могут экспресси­

ке. Одна или друтая Х-х ромосома, выб ранная случайно, в

])оваться ( РИС. 5-29) . Неп равильная упаковка ге нов в гете­

каждой клетке сильно конденси руетс я и пр ев ра щается в

рох ромати н может стать г1ричи1-юй заболеваний: у людей

гете рохроматин на раннем этапе эмб риональн ого разв и ­

1·ен,

ч асть переаосящей кисло ­

тия [случайный выбо р инактивирующейся Х - хромосом ы

род молекулы гемоглоб ин а, рас положе н рядом с участком

свойствен е н плацентарным; у сумчатых всегда и накти­

I<онденсированного х роматина. Если из-за у н аследован­
Ной деле ции фрагме нта ДНК гетерохроматин охваты вает

ред .] . П осле этого конденсированное и неактив ное состоя­

кодирующий ~ -глоби н

-

Соседний участок, ген ~- глобина плохо экспресси руется, и
'-leJioвeк ст радает от тяжелой формы анем и и.

Возможно, наиболее я ркий п риме р использова ния
rете рохромати на для того, чтобы гены находились в в ы­
l<JUоче нном, или молчащем, состоянии, обнаружен в ин­
терфаз ных Х-х ромосомах самок млекопитаю щ их. Клет­
ки особей женского пола соде ржат две Х-хромосом ы, а
Мужские I<летки несут одну Х- и одну У-хромосому. По-

вир уется Х - х ромосома, унаследован ная от отца .

-

Прщt.

иие данной Х -хромосомы наследуется каждым из многих
потомков этой клетки ( РИС. 5-30) .
Остальную часть интерфазного х роматина называют

эухроматином ( eu chro m at iп) (от греч.

eu -

настоящи й

или нор мальный) . М ы используем те р м и н эухромати н

для обозн ачен ия хроматина, упакованного мевее п лот но,
чем гетерохроматю-1 , н о уже известно , что и эу-, и гете р ох­

р оматин состоят из с м ес и р азных хро м атиновых ст р укту р .

Регуляция структуры хромосом

185


ВОПРОС

клетка на ранней стадии
э мбрио н ального ра з вития

5-5

А Мутации в определенном гене Х-хромосом ы приводят к даль­

х,~ х.

rl' тонизму. Все мужчины , несущи е мутантный ге н , подве ржены

8

дальтонизму. Большинство женщин , н есущих мутантны й ген ,

имеют нормальное цветовое з рени е ,

но воспринимают цв етны е

картинки с более низ к им р аз решением , пос коль ку работа ющие кол ­
боч к и (клетки , отвеч а ющие за цветовое з рени е фотопигм е нт ы) рас­

КОНДЕНСАЦИЯ СЛУЧАЙНО
ВЫБРАННОЙ Х-ХРОМОСОМЫ

поло ж ены в сетчатке дальше друг от друга , чем в норме . Мо жете ли

вы объяснить это явление? Если женщин а подвержена дальтонизму,
что вы мож ете с к а зать о ее отце? О е е ма те ри ? Поясни те с вои от­
веты .

ПРЯМОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ ТОГО , КАКАЯ
ХРОМОСОМА КОНДЕНСИРУЕТСЯ

Каждая и з них подде рживается при помощи раз ных н або­
р ов м одификац ий << хвостов ,> ги стонов , которы е при тяги ­

вают разные 1-1абор ы н егистоновых бел ков ( РИС. 5-31 ).

Изменение структуры хроматина
ПРЯМОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ ТОГО , КАКАЯ
ХРОМОСОМА КОНДЕНСИРУЕТСЯ

может наследоваться

Как мы тол 1,ко ч то у з 1-1 а.1~и, о п р еделе 1-1 ны е тип ы структу ­

ры хроматина могут быть п ереданы клеткой ее п отом­
кам. Нап р имер , потомки клетки , в кото рой м ате р и нская
копия Х -хромосомы кон де нс ирова н а и инактивироваиа,
у этого клона активна

у этого клона активна

ТОЛЬКО Xm-XPOMOCOMa

также конде 11сир у ют и

только Хµ-хромосома

инактиви руют свои материнские

Х-хромосомы. Как воз можно тако е н аследова н и е стру кту ­

ры хроматин а? Когда клетка удва и вает свой ге ~юм , каждая
РИС.

5-30.

доч ер 1·rяя спираль ДНК п олуча ет пол овину роди тел ьс ких

Х-хромосома может быть инактивирована путем обра­

зования гетерохроматина. Клетки зародыш а мле копитающи х жен ско ­

гисто новых белков. Вм есте с этими rи стоновыми бел ка ми

го пола на ранне й стади и раз вития несут по две а ктивные Х- х ромо с омы ,

в

одну материнскую (Х,,,) и одну отцовс кую

чес к ие

(\).

Н а ранн ей стадии р аз ви ­

тия в каждой клетке одна из этих х ромосом (вероятно , выбранн а я слу­

клетку

п о падают

гр у пп ы ,

ков аленпю

присо един е нн ые

х ими ­

соо тв етс твующи е тому типу ст р у ктуры

х р ома тин а, который существовал в определ е нном уч аст­

чайным образом) н ачинает конде нсироваться в гетерох ром атин . При

ке каждой хромосомы. Таким образом , каждая дочерняя

каждом клеточном делении после это й стадии у все х кл ето к- потом ков

х ромосома будет изн а 1 ал ьн о соде ржать см ешаю-1ый н а­

будет конден с ироваться та же са мая х ромосома . У мыш е й ина ктивация

бо р д ву х ти п ов н уклеосом: тех , в котор ых есть мод ифи­

Х-хромосомы происходит между третьим и шестым днями э мбриональ­

ци рован ны е гистоны, унасл едова нны е от родительской

ного раз вития . У люде й ина ктивация Х -х ромосомы в ходе э мбрион аль ­

х ромос ом ы , и те х , ко торы е н есу т в 1 ювь с интез иро ва н ные

ного раз вития тоже происходи т оч е нь ра но, до начала диффе р е нциров ­

ги сто ны , еще не мод ифи цирова нны е. На этом эта пе белки,

к и клето к. Та к им об раз о м, все сам к и мле коп ита ющих в кон ечном итоге

р асп оз на ющ и е модифи ц ирова н н ы е ги сто ны, могут при с о ­

предста вляют собой моза и ку и з клето к, в которы х инактивирова н а от­

ед и няться к род ительс ким rистонам и таким же об разом

цо вс ка я или материнска я Х-х р о мосома . В большинстве их органов и

мод и фи ц и. р овать н аходящиеся рядом за ново си нтез и ро ·

тка н ей около половины кл ето к от нос ятс я к одному типу, а вторая поло ­

в а н 1-1ы е ги стоны , восст ан авлив ая р и сун ок стр у ктуры х ро ·

вин а

-

м ати ~1а мате ринско й клетк и ( РИС.

к друго му.

5-32).

гетеро эухроматин

э ухрома т ин

х роматин

эухроматин

~'---'----~---'--'--------,,--'---'---~~----'--'-------"-,г--,г------'--'-------~,--'---'--~

центромера

теломера

РИС.

5-31 .

Структура хроматина варьирует в разных участках интерфазной хромосомы . Как

схе м атичн о по каза но раз ными цв ета ми , гете рох ром атин и эух ром атин составляют н абор ра з ны х уч аст­
ков хр о мо со мы , котор ы м с во йств е нна раз ная сте п е нь ко нде н са ции . В цело м гете рохром ат ин бол ее
конде н с ирова н по с ра в нени ю с эухром атином .

186

ГЛАВА 5. ДН К и хромосомы

теломера


~ 0000
-&ow/ ~0~'tPO
-о -оо- - -0000-

00 -о ~ ~w

родительские
нуклеосомы

ООО

~о~аоо
ООО-.

скелете. Две цепочки двойной спирали ДНК расположе­
ны

•

только половина

рованными

дочерних нуклеосом

гистонами

несет модифици­

родительский рисунок
модификаций гистонов

Генетический материал эукариотичес1сой клетки состоит

го генов .

•

Когда ген , кодирующий белок, экспрессируется, часть его
нуклеотидной последовательности копируется в РНК, ко­

белков , которые « узнают »
те модификации, которые
они катализ ируют

имеют противоположное на­

чрезвычайно длинной молекулой ДНК, содержащей мно­

восстановлен при помощи

рованные гистоны

е.

из набора хромосом, каждая из которых образована одной

- - 00

с модифици ­

антипараллельно, т.

правление.

торая обеспеч'Ивает синтез определенного белка.

•

ДНК каждой эукариотической хромосомы 1сроме генов
содержит много начальных то•1ек репликацки, одну цен­

РИС.

5-32. Как модификации гистона могут быть унаследованы

тромеру и две теломеры . Эти последовательности нуклео­

дочерними хромосомами. Когда хромосома удваивается , ее гистоны

тидов обеспечивают правильность удвоения хромосомы и

распределяются более или менее случайно по двум дочерним спиралям

ДН К. Таким образом , каждая дочерняя хромосома унаследует около по­

распределения ее копкй по доче рним клеткам.

•

Хромосомы в эука риотических клетках состоят из ДНК,

тесно связа1шой с множеством специализированных бел­

ловины родительского набора модифицированных гистонов . Оставши­
еся части нитей ДНК получ ают вновь синтезированные еще не модифи ­

ков. Эти белки переводят ДНК в компактное состояние.

цированные гистоны. На этой стадии белки, «узнающие » определенные

Комплекс из ДНК и белков называют хроматином .

модификации , могут присоединяться к хроматину и катализировать

•

образование таких же модифи каций на новы х гистонах. Это позволяет

-

это rи­

стоны , упаковывающие ДНК в виде ряда повторяющихся

•rастиц из белков и ДНК

восстановить ха рактерный для родительских хромосом рисунок моди­

фикаций и , в конечном итоге , обеспечить наследование родительской

Наибодее распространенные хромосомные белки

•

-

нуклеосом .

Нуклеосомы упаковываются вместе при помощи молекул

структуры хроматина. Вероятно , этот механизм действует не для всех

rистона Н1, образуя нить толщнной

типов модификаций гистонов .

сворачивается и складьmается с образованием более ком­

30 нм.

Эта нить обычно

пактных форм хроматила.

•
С пособ ность наследовать структу ру х роматина н а

Структура хроматнна дннамична : временно деконденсируя
его

с

использованием

хроматин-ремоделирующеrо

ком­

каждом его уч астке помогает клеткам эука ри от « помнить 1>,

плекса и ферментов, которые ковалентно модифицируют

был ли о пределенный ген активен в родительской клетке.
Оказалось, что это явление чрезвычайно важно для об­

локализованный доступ к нужным участкам последователь­

разования и поддержания разных типов клето к, тканей и

ности ДНК белков, участвующих в экспрессии генов, удво­

rистоновые «хвосты•, ~слетка может обеспечить быстрый

органов во в ремя развитин и р оста сложного многоклеточ­

н ого организма. Такой тип н аследования не требует пере­

ении и репарации ДНК.

•

Некоторые формы хроматина имеют определенный рису­

дачи специфичных последователъностей ДНК от од 11 ого

нок модификаций rистоновоrо «хвоста•, обусловливаю­

гrоколения клеток к д ругому ; он обеспечивается л е редаLJ ей

щий столь высокую степень конденсации ДНК, что упа­

определенным образом модифицированных гистоновых

кованные гены не могут экспрессироваться (производить

белков . Это пример эпиrенетическоrо наследования (epi-

ge netic iпheritaлce) ( от zреч. epi- -

над), поскольку оно на ­

РНК и бетси).

•

Структура хроматина может быть передана от одного по­

кладьшается н а ген етическое наследование, основа нно е 1ia

коления клеток к другому; такое эпиrенетичес 1сое насле­

Н з менею1ях структуры ДНК Другие формы эпигенетиче­

дование помогает клетке «з апомнить• степень экспрессии

ского наследова11ия обсуждаются в гл.

генов в родитедьской клетке.

8.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

•

Жизнь зависит от стабильного и компактного хранения ин­
формации.

•

Генетическая информация содержится в очень длинных
молекулах ДНК и зюшдирована в линейной последова­

тельности нуклеотидов А, Т,

•

•

Gи

С.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ
1'8М

uрмо,мn

~

1'8110М

хромсnмм-

Каждая молекула ДНК представляет собой двойную спи­

mерохроматин

раль, состоящую из пары комплементарных нук ле отид ­

rмстом

~
ТО'11СС1 начала (ормдJСИН) реммкацим

ных це11оче1с, которые удерживаются вместе при помощи

AIOЙНCII сnмра,111

нуМIОСОМа

хромосома

водородных связей между

Д11ОКС1Мрм6онукм-

napa aaorмmix ос-

tnМflнtntЧICICOI

G-C

и А- Т парами азотистых

оснований.

Цепочка ДНК химически полярна из- з а характера свя­
зей между чередующимися сахарами и фосфатами в ее

ММОIОА кмсnота

(дНК)
кnеточнwй цим

HOICIНMA

Ремо.\ММР)'IОЩИЙ
КОММIIСС

MCICOAOIICIНМI
8ухрома1'МН

ТIIIOМlpo
центромера

WWKO

Основные положения

187


ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ
8OПРОС5-6

А. Нуклеотидная последовательность одной цепочки из двойной
спирали ДНК такова:

N
W

1

с

5 ' -GGАПТТТGТССАСААТСА-3'.

........_ N - H

Какой будет последовательность комплементарной цепочки?
Б . В ДНК некоторых бактерий

13% всех

1

н

нуклеотидов составляет

аденин . Каковы доли остальных нуклеотидов?

В.

Сколько

возможных

нуклеотидных

существует для нити ДНК длиной в

последовательностей

N нуклеотидов ,

если она :

а)одноцепочечная , б)двухцепочечная?
Г. Представьте себе , что вы можете разрезать ДНК в участке
с определенной последовательностью нуклеотидов. Какова

будет средняя длина такой последовательности (в нуклеоти­

дах), чтобы возник всего один разрез в бактериальном гено­

ме длиной в 3 х 106 нуклеотидных пар? А каким будет ответ
для генома клетки животного, который содержит 3 х 109 ну­
клеотидных пар?

РИС.

85-8

8OПРОС5-7

Пара азотистых оснований А-Т удерживается всего двумя водо­
родными связями . Водородные связи схожей силы могут также

гие пары азотистых оснований ( РИС. 85-8 ). Нуклеотидные

возникнуть между другими парами нуклеотидов , такими как А-С

основания

и

ний А , Т,

A-G

(см . РИС. 85-7). Что произойдет, если такие пары образу­

V, W, Х и У находятся на местах азотистых основа­
G и С. Посмотрите на эти структуры внимательно .

ются во время удвоения ДНК, а неправильные пары азотистых

Могут ли эти ДНК-подобные молекулы принадлежать орга ­

оснований войдут в состав молекулы? Обсудите, почему это про ­

низму, для которого действуют принципы генетического на­

исходит редко . (Подсказка : см . рис.

следования, сходные с теми , что используются клетками на

5-6.)

Земле? Если да, то что вы можете сказать о свойствах этого
З'

З'

5'

5'

9

\

организма?

Б . Если судить только по способности указанных структур обра ­
зовывать водородные связи, может ли какое-нибудь из этих ино­

с
с

,,.... н

планетных азотистых оснований заменить земные А, Т,

Gи

С в

ДНК клеток земных организмов? Ответ поясните .

--ц-итоэи-н

' N- H

8OПРОС5-9

Две цепочки двойной спирали ДНК могут быть разделены нагре ­

1

н

ванием . Если вы будете повышать температуру раствора, содер­
жащего три молекулы ДНК , приведенные ниже , в каком порядке

они будут « расплавляться » ? Ответ поясните .
А.

5'-GCGGGCCAGCCCGAGTGGGTAGCCCAGG-3'
З ' -CGCCCGGTCGGGCTCACCCATCGGGTCC-5'
Б. 5' -АТТАТААААТдmдGАТАСТАТдmдСАА- 3 '
З ' -ТААТАТТТТАТАААТСТАТGАТАТАААТGТТ-5 '
В . 5'-AGAGCTAGATCGAT-3'
З ' - TCTCGATCTAGCTA-5'

аденин

аденин

5'

РИС .

5'

Q

/

N

З'

~

85-7

8OПРОС5-10

Общая длина ДНК в геноме человека составляет около од­
ного метра , а диаметр двойной спирали примерно

2 нм.

Ну ­

клеотиды в двойной спирали ДНК расположены с интервалом

0,34 нм.

Если бы ДНК увеличилась так , чтобы ее диаметр стал

равен диаметру электрического провода

(5

мм) , какой длины

был бы этот провод (в полностью распрямленном виде)? Как
8OПРОС5 - 8

близко друг к другу располагались бы нуклеотидные основа­

А . Макромолекула внеземного происхождения внешне схо­

ния? Какой была бы длина гена , состоящего из

жа с ДНК, но более тщательный анализ выявил совсем дру-

тидов?

188

ГЛАВА 5. ДНК и хромосомы

1000

нуклео­


ВОПРОС

продукта гена

Ade2

приводит к накоплению красного пигмен­

5-11
Компакт-диск (CD) хранит около 4,8 х 109 бит информации на
площади 96 см 2 • Эта информация записана в виде двоичного

та . При нормальном положении в хромосоме

кода (т. е . каждый бит

теломеры, которая высоко конденсирована, он не экспресси­

-

это или

1, или 0) .

Ade2

экспрес­

сируется во всех клетках. Когда этот ген расположен вблизи

А. Как много бит понадобится , чтобы обозначить каждую нуклео­

руется. Почему у края колонии образовались белые сектора?

тидную пару в последовательности ДНК?

Что вы можете сказать об уровне экспрессии Ade2 от материн­

Б. Сколько СО-дисков потребуется, чтобы записать информа­

ской клетки к дочерним, основываясь на существовании этих

цию, хранящуюся в геноме человека?

секторов?

ВОПРОС5-12

ВОПРОС

Какие из нижеприведенных утверждений верные? Ответ обо­

На двух электронных микрофотографиях ( РИС . В5-15 ) изображе­

5-15

снуйте .

ны ядра двух разных типов клеток. Можете ли вы сказать, судя

А. Каждая эукариотическая хромосома должна содержать следу­

по фотографиям, какая из этих клеток экспрессирует гены более

ющие участки последовательности ДНК: множество начальных

активно? Объясните, как вы пришли к такому ответу. (С разреше­

точек репликации, две теломеры и одну центромеру.

ния

Don W. Fawcett.)

Б. Центральные частицы нуклеосом имеют диаметр

30 нм и , ког­
да выстраиваются в цепочку, образуют нити толщиной 30 нм .
ВОПРОС5-13

Дайте определения следующим терминам и объясните, как они
соотносятся друг с другом.

А. Интерфазная хромосома.

Б. Митотическая хромосома .
В . Хроматин .
r Гетерохроматин .
Д . Гистоны .
Е. Нуклеосома.
ВОПРОС5-14

Внимательно проанализируйте результат эксперимента, по­
казанный на РИС. В-14 . Каждая из двух изображенных колоний
представляет собой скопление примерно

100 ООО дрожжевых

клеток , которые произошли от одной клетки , находящейся
где-то в середине колонии. Ген

Ade2 у дрожжей

кодирует один

из ферментов , участвующих в синтезе аденина , и отсутствие
(А)

о

теломера
ген

Ade 2 в

теломера

нормальной позиции на хромосоме

белая колония
дрожжевых клеток

ген

Ade 2 переместился

близко к теломере

красная колония

дрожжевых клеток

(Б)

с белыми секторами

РИС. В5-14

РИС. В5-15

Вопросы в конце главы

189


ВОПРОС5-16

ВОПРОС5-17

ДНК образует правозакрученную спираль . Выберите правоза­

Одна нуклеосома имеет

крученную спираль из представленных на РИС . В5-16.

ной в

(А)

(Б)

(В)

11 нм в диаметре и содержит ДНК дли­
147 пар азотистых оснований (длина одной пары азотистых
оснований - 0,34 нм) . Какая степень сжатия (отношение длины
ДНК к диаметру нуклеосомы) достигается при оборачивании
ДНК вокруг гистонового октамера? Учитывая , что имеются до­
полнительные

53 азотистых основания распрямленной ДНК в ка­

честве связующего звена между нуклеосомами, насколько силь­

но конденсирована ДНК в виде « бусин-на-нитке » по сравнению

с полностью выпрямленной ДНК? Какая часть происходящей в
митозе конденсации в

10 ООО

раз реализуется на этом первом

уровне укладки?
ВОПРОС5-18

Считается , что эпигенетическое наследование структуры хрома­
тина играет важную роль в специализации разных типов клеток в

организме позвоночных животных. П очему этот механизм пере­

дачи информации от клетки к клетке может быть предпочтитель­
нее, чем гипотетический механизм, изменяющий последова­
тельность ДНК в определенных ее участках в отдельных клетках

во время эмбрионального развития?
РИС. В5-16

190

ГЛАВА 5. ДНК и хромосомы


РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

обес п е чивает различия в ге нетич еском мате риале, отделя­
ющи е д руг от друга раз ные виды (см . гл .

РЕПАРАЦИЯ ДНК

9).

Мутациями

определяются и более и езначительны е различия между от­

ГОМОЛОГИЧНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ

дел ьными особями в~1утри вида , которые хорошо видны ~1а
прим ер е люде й и животных ( РИС.

6-1 ).

МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
И ВИРУСЫ
Сrюсобност1, кл етки подде рживать порядок в хаосе окру ­
жа юще й с реды опр еделя ется точ 1 ю стыо , с которой он а мо ­

жет уд ваи вать огромный объе м ген етич ес r<ой информации ,
х ра няще йся в ее ДНК Этот процесс удвое ния , назыв аемый

Pemtui<.ai;ueй ДНК

(DNA

гe p li catio11) , долже н про и зойти

п еред тем , r<ак кл етка сможет образовать две ген ет ич ески
иде нтич ные до'rерние клетки. Кром е того, дл я подде ржа­

ния порядка в 1-гутри клетки требуется постоянный поис к и
исправл е ни е ошибок в ге нетич еской информации , гюс коль­
ку ДНК под верже н а повреждающему воздей ствию химиче­
С r<их в е ществ и радиа ции и з в1-1 е кл етки и ве ществ с вы сокой

Реа кционной способностью, об разующихся внутри клетки .

В этой гла ве мы обсуд им белковые ма ши1-1ы, ре пл ициру ю­
щие клеточную ДНК и испра вляющи е в 1-1 ей ошибки. Эти

белки катали з иру ют протекание одни х из самых быстры х и
точны х клето,1ных процессов, и Ю( работа отражает эффе к­
тивност 1, и эл егантно сть х имии кл етки .

Нес мотря на н али,1ие с и стем , защищающих ге нетич е­

РИС.

6-1. Наследственная информация точно передается из поко­

ления в поколение. Тем не менее различия в ДН К лежат в основе раз­

с ку ю информацию от оши бок коп и рования и случ айны х

личий и между особями одного вида , и между разными видами на более

по в р еждений , в клетке по стоянно воз никают и з м е н е ния,

длинных временных промежутках. Н а этой семей н ой фотографии вид­

или мутации (лшtatio11s ). Хотя многи е мутации н е влияют

но, что дети больше п охожи на родителей и друг на друга, ч ем на всех

На о ргани з м скол ы<о - нибуд ь зам етным образом , послед­

остальных людей , потому что они унаследовали от своих родителей

ствия н екоторы х могут бьпr, о,1е нь се р1,езными . Иногда эти

определенные гены. У кошки есть некоторые признаки , общие с людь­

1 1з м е не 1нrя

полез ны органи з м у: мутация может вы з вать у

ми, но за миллионы лет эволюции оба вида накопили множество на­

бакте рий устойчивость к антибиотику, который ран 1, ш е

следственных изменений , которые делают нас с кошками совер ш ен н о

Уб и вал и х. Накопле ни е м ута 1 tий в теч е ни е ми лл и о н о в лет

отдельными видами . Курица

-

еще более дальний родственник людей .


5'

ляются причиной т ы сяч наследствен 11 ых болез н ей. и м но­
ги х тип ов рака . Поэтом у вы жива н ие клетки или организ­

ма зав ис и т от с пособ н ост и свести к ми 1-1 имуму и зм е 1-1 е ния

S
.....,_ _ _ _ _ ....

м атр ичн а я це пь

Но м утации м огут бы ть и вредными : у люде й о н и яв ­

цепьS

/ 3'
5~
' :=::t:..::~;::;::~;:::;::::z: з• но вая

це п ь

з·

5'

S'

в Д НК Бою, шой воп рос, см о гла б ы ж из нь в принцип е су­
ществовать , есл и б ы не был о клеточных с и стем , постоянн о

отслеживающих и и справл яющих ошибки в ДНК.

исход на я дво й н а я
спираль ДНК

В нач але этой гл авы мы о mшJ е м механиз мы , от вет­
стве нные за ко пирова ние ДНК и подде ржа няе ее ст ру кту­

ры с ми н имальн ым количеством изм ен ений. Затем мы рас­

смотрим некото ры е любоm,rтны е п ути , которыми генетиLJ е­

РИС.

ская ин фо рмация может быть модифицирована, включая

воения. П оск оль ку нуклеотид А будет образо в ывать п равиль ную п ару

6-3.

ДНК выступает в роли матрицы для собственного уд­

гомологичную рекомбинацию (h o nюJ ogo u s гecomЬinatio п )

только с Т, а

и п еремещени е в наших хромосомах особых последователь­

о бознач ены ка к

носте й, н азываемых мобил ь ными генетическими эл емента­
ми . В ко нце главы м ы рассмотр им вирусы - нечто большее,

определяющей последовательность нуклеотидов в комплеме нта рной

чем п росто гены, покрыты е белковыми оболочками и спо­

Хотя н а р исунке они п ок ра шены в ра зные цвета , вн о в ь си н тез ирован ны е

собные п е ремещаться из клетки в клетку.

цепи (кра сные) химич еск и идентичны матричным це пям (оранжевые) .

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

п ать в роли мат рицы дл я синтеза компле ме1-парной цели

Пе ред кажд ым дел ением клетка должна скопировать свой

cate), с вои

G с С , каждая цеп ь ДН К в двой но й с пирали (н а ри сун ке о н и
S и компл е м е нта р ная ей S') может служ и ть м атр ицей ,

цепи . Так им образом дво й ную с пираль ДНК можно точно с к опировать.

Способность каждой це пи двойной с1 1 ирали в ы сту­

позволя ет клетке колировать, и л и реплицироватъ

(repli-

гены , пе р ед тем как пе р едатъ и х с воим пото м -

ге н ом с потрясающе й точностью . В этом разделе мы вы­

ясним , ка к ей это удается, п р итом со скоростью

1000

ну­

кле отид ов в се кун ду.

Спаривание оснований позволяет ДНК
реплицироваться

В п ред ыду щей гл аве мы видел и, что каждая цепь д войной
с пирали ДН К содержит посл едовательность ну клеоти дов
полно стью комп ле м ента р н ую n о следователъности нукле ­

отидов д ругой це п и . Таким образом, каждая ц п ь может
служить матрицей

(template)

для синтеза новой комп ле­

ме юа рной цепи (РИС. 6-2). Другимя сл овами , есл и мы обо­
знаLJИМ одну из це п ей д войной с п ирали
ну ю е й це пь
новой це п и

S, а ком пле м ента р­
S', то S может служить матрице й дл я с интеза
S', а S' - для синтеза н овой це пи S ( РИС . 6-3) .

Таким образом, ге н етическая и нформация может б ы ть
с копирован а простым и крас ивым способом
деле н ия це п е й

S и S'

-

п уте м раз­

в ис ходн ой мол е куле и синтеза 1-ш и х

о с н ове новых r<омпле м е нтарных цепе й , идентичных и х

б ы вшим л а рпrерам.

РИС. 6-4. В каждом раунде репликации каждая из двух цепей двой·

ной спирали ДНК служит матрицей для синтеза комплементарной
РИС .

Цепь ДНК может служить матрицей. Друг с другом пре ­

цепи. П оэтому и сходны е це пи сох ран я ются в не и з м е нн ом виде н а п ро·

имуществе н но с п а р и ва ются строго о пределе нны е нуклеотиды (А с Т, а

тяжен и и многи х клеточ ны х покол е н ий . Репл и кация ДН К « полукон сер ва·

G с С) .

тивна», потому что каждая дочерняя двойная сп ираль состоит из одной

6-2.

Это поз воля ет це пи ДНК и гр ать роль матрицы для с интеза к ом ­

пл е м ента р н о й це пи .

192

исходной ( « ко н се р вати в ной " ) це пи и одн о й в н ов ь синтез иро ванной .

ГЛАВА 6. ДНК : репликация, репарация и рекомбинация


кам .

адача ДOBOЛi>J·IO впечатляющая,

llOCKOJlbKY

ДJIЯ ЭТО l'О

ПрИJtется коп ир овап, миллиарды пар нуКJ1 е отидов п еред

кажд ы м кл еточным де11 ени е м. Копировани е долж н о б ы ть

быст рым и точным: за

8 Lf деля щаяся

о ридж ин

дво й н а я

р е пл икации

с п и р аль

ДНК

5'
З'

животная к;1 етка

З'

5'
це п и двойн ой спирали

до; 1 жпа скопировать столько же инф орма ции , сколъко со­

ра зъ единяются

1

держится в тысяче книг, п одобны х этой , и в сред нем о ши ­

при по м ощи

бел ко в-и н и ц иато ро в

биться не более ч ем в одной -д вух буквах. Эту н е простую
задаlrу выполняет н абор белков , из которых состо ит ре ­
пликативиый аппарат

(1·eplicatio11 mac hine).
(DNA 1·eplicatio11) из и с­

В результате репликации ДНК

одноце п очечны е ДНК- м атрицы ,

ходн ой молекулы образуются две двой ные с пирали, каждая

готовые к с интезу ДНК

и з которых полнос1ъю и де нтичн а по последова тель но ст и

нуклеотидов (см . ри с.

6-3)

материнской молекуле, за и с­

РИС .

6-5 . Цепи двойной спирали разъединяются в ориджине (точ ­

ключением редких оши бок копирования. Поскол ьку каж­

ке начала) репликации . Б ел ки-и н ициатор ы ре пл ика ции рас п ознают

дая цеп1, и сход 1-юй молекулы ДНК служит матрицей для

п оследовател ь н ость ДН К, находя щуюся в ориджи н е, и в этом уч астке

си н теза новой це п и, в каждой новой двойной спирали одна

раздел я ют две це п и двой н ой с п ирали ДН К . С вободная це п ь может сл у ­

из цепей <<ста рая ~ , при надлежав шая исход ной молекуле, а

жить матри цей дл я копирова н ия ДН К .

вторая пол1-юст 1, ю новая. Такой тип репликации называют

nолукоисервативиылt

(semiconservative) ( РИС . 6-4) . В

ле ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ на с.

193- 196 мы

разде­

обсудим экспе рим ен­

очень стаб ~шыюй, каждая водородная связ ь в отдельн ости
очень слаба ( см. гл.

2). Чтобы

раздел ить 1-1еболыL1ОЙ фраг­

ты , в которых впе рвы е было продемон стрировано, что ДН К

мент дво й ной с пирал и, соде ржа щий всего нескол ько л ар

р е пл ицируется им енно таJ< им пу тем.

оснований, н е нужно затрачивать много эне ргии , и бел­
т<и-инициаторы мо гут осуществить этот проц есс при нор­

Синтез ДНК начинается в ориджинах репликации

мальной тем п е рату р е.

Участки, где начинается разделени е це п ей дво йной

Двойная с пирал ~, ДНК - очень стабилы1ая структу ра.
Обе ее цепи прочно соедин е ны дру г с д ру гом большим

кации (re p l icatioп

1<ол ичеством водород ных связей между основаниями ( см .

определенная последовательност ь н уклеотидо в. В таI<их

рис .

5-2).

Поэтому достато чное для разделения цепей кo­

с пирал и , наз ыв ают ориджи нам и (точками начал а ) ре пли­

origins).

Обычно для них характерна

простых клетках, как бактерии и дрожж и, ориджины ре­

JIJi! Ltecтвo тепловой э не ргии достигается толь ко при те мп е ­

пликации им еют длину около

ратурах, близк и х к темлературе кип иия воды. Но чтобы

состоят из последовательностей, раслоз наваемых бел ка­

100

пар нуклеотидов . Они

це п и дво йной спирали могли быть ис пользованы в каче­

ми-инициаторами, и из уlrастков , которые легко разъеди ­

стве матрицы, основания долж ны им еть возможность об­

няются . В гл.

5 мы

узнали , что лара А-Т стабилизируется

разовывать водородные с вяз и. ЗнаL1ит, цели н еобходимо

м е ньшим количеством водородных связей, чем пара

разделить. Как это обеспечить при температуре, характер­

Поэто м у последовательность ДНК, бо 1·ю·ую ларам и А-1~

ной для живых клеток?

легч е разъединить , и А-Т-богатые участки часто встресш ­

Процесс ре п ликации Д НК н ачи 1-1 а ют инициаторные

G-C.

ются в ориджинах р е ллика ции .

белки. Они связ ыва ются с ДНК и раздел яют цепи двой­
нои спирали, раз рывая водородные связи ( РИС. 6-5). Хотя

цевую молекулу Д НК дли ной н есколько миллионов пар

все вместе водородные связ и делают двой ную слираль

оснований, ам еет единств е нный ориджин ре пликации .

Баюериалы-1 ый геном , представляющий собой коль­

СУЩНОСТЬ РЕПЛИКАЦИИ
В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф . Крик опубликовали свою з 1-1а­

ния не ускользнул тот факт, ч.то из предложенного прин ­

м.енитую двухстраничиую с татью , где OJrи описали модель

ципа специфичного спаривания оснований немедленно

структу ры ДНК ( см. рис .

следует возможный механизм копирования генетического

5-2).

В стат ье они лред полож и­

л и , что комплементарные основания
1 'Уа нин

и цитозин

-

-

адетшн и тимин,

мате риал а » .

И действ ительно , через месяц после того, как в журна­

спариваются друг с другом вдоль оси

двой ной спирал и и соединяют две цепи ДНК В самом

ле

Конц это го к ратко1·0 нау чного блокбасте ра, как бы между

Крик опубликовали вторую статью, в которой описывали,

гtрочим, был дан такой комментарий: « От нашего виима-

<<NatL1re,> появилась

эта классическая статья , Уотсон и

Продолжение иа с.

Репликация ДНК

194

193


СУЩНОСТЬ РЕПЛИКАЦИИ (продолжение)
как ДНК может удваиваться. Во второй стап,е они пред­

Вместо этого Дет,брюк предположил, LtTO р плю<ация

положили, ч то дв е цепи двойной с пир али разматываются

ДНК происходит при п омощи се рии раз рывов и воссо е­

и каждая служит матрицей для си нтеза комплементарной

д и~1 еии й, при которых остов Д НК разъединяется , и цепи

дочерн ей цепи. В их модели полукои се рвативной репли­

копируются короткими отрезками

каци и каждая новая молекула ДНК содержи т одну це пь и з

10 нуклеотидов за

исходной мол кулы и одну вновь си нтезирован ную це пь

В этой модели, названной потом дисл ерсной, после реш1и­

( РИС.

кации образуются молекулы, представляющие собой мо­

6-6 , А).

Сейчас мы з н аем, что модель Уотсона и Крика оказа­

раз

-

-

может быть, всего по

п еред тем, как со ди ни ться вновь .

заику из « старой» и вновь с интезироваиной Д НК, содер­

лась верной, но сначала ее приняли не все. Например, вид­

жащейся в обеих це пях (рис.

ный ученый, переквалифицировавшийся в генетика физик

необходимости н ет.

6-6,

Б). В расплетании ДНК

Макс Дельбрюк, был озадаl1еи проблемой, которую он на­

Бы л и третий лаге рь у ч ен ых, которы е предполага­

звал «проблемой расплетания» . Как цепи двойиой спирали,

ли , что м еханизм р еп лика ции является коисервативиым

пе р екруче нные друт вокруг д руга такое кол ич ество раз на

протяжении всей своей огром1-юй длины, могут быть рас­
путаны без создания ужасного беспорядка? Предложею1ая

(co n seгvat ive ):

исходная

молекула

каким-то

образом

остается интаюной посл е копирования, а дочернян ДНК
полностью состо и т и з двух новосинтезирова нны х цепей

Уотсоном и Крю<0м концепция ДНК, раскрывающейся

(рис.

наподобие молнии, казалась Дельбрюку физически мало­

бовался экспе риме нт, который прояснит состав 1-ювосин­

6-6, В) .

Чтобы определить, какая модель верна, тре­

вероятной и просто « слИ1JJком не элегантной, чтобы быть

тентезированных цепей ДНК. Здесь и вышли на арену

эфф ектив 1юй ,> .

Мезельсон и Сталr,.
Будучи аспирантом у Лайнуса Полин га, Мезельсон

работал с методом, позволяющим отличить ~ старые ,> и

новос ин тезирова 11Ные белки . После беседы с Дельбрюком
о модели репликации , предложенной Уотсоном и Криком,
М езельсон понял, что метод, который он применял для ис­

следования синтеза белка, вполне подойдет и для изуче­
ния ДНК. Летом

по сл е
ОДНОГО

А

А

поколения/'\

1954 г.

М езельсон встретился со Сталем,

который тогда был аспира 1пом в Роч есте ре, штат Нью­

Йорк, и они решили сотруд rшчать . Несколько лет ушло н а
подготовку, но в итоге полуlrилосъ то ,

L!TO часто называют

<<самым красивым эксп ерим ентом в биологии,> .
Сегодня, оглядываясъ назад, подход Мезельсона и Ста­
ля можно счесть удивительно прямол инейным. Они нач али
выращивать одну порцию Е.
(Б)

(А)
ПОЛУ­

КОНСЕРВАТИВНЫЙ

(В)

ДИСПЕРСНЫЙ

КОНСЕРВАТИВНЫЙ

МЕХАНИЗМ

МЕХАНИЗМ

МЕХАНИЗМ

ся в азотистые основания и так попадал во всю клеточную

ДНК. После выращивания клеточных культур н а среде с

N или 15N в

14

РИС.

6-6.

Три модели репликации ДНК делают разные предска­

coli на с реде, содержащей тяже­

лый изотоп азота 15N, а вторую порцmо на среде с обычным,
легким , азотом 14 N. Азот из питательной среды встраивал ­

те rение многих поколений ученые получили

две колбы с бактериями

-

в одной бакте рии с леz1сой ДНК,

зания . ( А ) В п ол уконсерватив н ой модел и каждая и сходна я цепь служит

а во второй с тяжелой. Затем Мезел ьСОJi и Ста.11Ь разруши­

м атрицей для с интеза ново й до че рн ей це п и. Посл е п е р в ого раунда ре­

ли бюпериа.1п,ные клеши и поместили ДНК в пробирки,

пли ка ции получится две гибрид н ые м олекулы , каждая из котор ых вдо ­

содержащие высокую концентрацию хлорида цезия. При

бавок к вновь синтезированной цепи содержит « ста рую 11 це п ь, принад­

центрифугиро вании таких пробирок хлорид цезия форми­

л ежав ш ую исходной молекул е. П осл е вто рого раунда р е пли ка ции п ол у ­

рует градиент плот ности, а молекулы ДНК всплывают или

чатся две гиб р ид н ые мол екул ы и две мол екулы , н е содержащие це п ей

тонут до тех пор, пока плотность окружающего р аство ра не

из исходной ДН К. (Б) В дис п ерсной модел и каждое п окол ение доче р них

сравняется с их п ;ютностыо ( см. вкладку

ДН К будет содержать смесь фрагменто в род ител ьских це п ей вместе с

Используя этот метод, называемый равновесным центри­

4-4,

с.

160- 161).

н овосинтез ированным мате р иал ом. (В) В ко нсервативной модели ис­

фугировани ем в градиенте плотности (eq ui1ibгiшn

ходная молекул а после копирования остается невредимой . П оэтому

ce ntrifu gat ioп) , Мезелъсон и Сталь поняли, что тяжелую

после первого раунда ре пл икации останется « старая 11 мол екул а и обра­

( содержащую 15N) и легкую ( содержащую 14N) ДНК можн о

зуется одн а п олн остью нова я . Н а ри сун ке для каждой модели и сходн ые

отлиlrить д рут от друга по и х положению в градиенте плот ­

density

мол екулы ДН К показаны оранжевым, а внов ь синтезированн ы е крас­

ности хло рида цез ия. Поскольку тяжелая ДНК имела боль­

ным. О братите внимание , ч то показан ли ш ь крошечный уч асток каждой

шую плотност ь , ч ем легкая, после центрифугирования она

из молекул ДН К .

находилась ближе ко дну пробирки ( РИС. 6-7).

194

ГЛАВА 6. ДНК : р е пликация, репарация и рекомбинация


Сталь рассудил и, что эти доtrерни е с пирали представлmот

собой гибриды, содержащие и тяжелые, и легкие изотопы.
Тот факт, что результаты получились такими ясны­
15

N-ДНК ВЫДЕЛИЛИ

И ПОМЕСТИЛИ В
Ц Е НТРИФУЖНУЮ
ПРОБИРКУ

14

-

N-ДНК ВЫДЕЛИЛИ

ми и к расивыми

И ПОМЕСТИЛИ В

тезированных гибридны х молекул, расположенными в

ЦЕНТРИФУЖНУЮ

ПРОБИРКУ
+11----

с дискр ет ными полосками вновь с ин­

ожидаемых местах,

-

счастливая случай ность в методике

проведения экс перимента. Исследователи вводили ДНК

в центрифужные пробирки при помощи шприца для под­
кожных инъекций. При это м они невольно разбивали

Продолжение иа с.

УСЛОВИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТА

бактерии , выращенные
на питательной среде с 15 N

РЕЗУЛЬТАТ

196

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

бактерии, выращенные
на питательной среде с 14 N
ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ

НА ВЫСОКОЙ СКОРОСТИ
В ТЕЧЕНИЕ ДВУХ ДНЕЙ

центрифужная сила

легкие

(А) бактерии, выращенные

молекулы

на « легкой » среде

тяжелая

t

15

N-ДНК образует

легкая

14

ДНК

t

N-ДНК образует

полоску ближе ко дну

полоску ближе к горлышку

пробирки

пробирки
центрифужная сила

РИС. 6-7. Центрифугирование в градиенте плотности хлорида це­
зия позволяет разделить тяжелую и легкую ДНК. В течение нес коль ­

ки х по колений бактерии выращивали на среде, содержащей

лый изотоп) или

14

(Б) бактерии , выращенные
на «тяжелой » среде

' N(тяже­
N(легкий изотоп), чтобы пометить клеточную ДНК. За ­
5

ПЕРЕНОС

тяжелые
молекулы

ДНК

j

НА ЛЕГКУЮ

тем клетки разрушили , а ДНК поместили для ультрацентрифугирования

СРЕДУ

в пробирки , содержащие раствор хлорида цезия . Пробирки двое суток
центрифугировали на большой скорости, чтобы ДНК смогла собраться
8 той зоне пробирки, где плотность окружающего раствора соли совпа­

или

дает с ее собственной плотностью . Тя желая и легкая ДНК оказывались в
Различны х положе ниях относительно дна пробирки .

центрифужная сила

(В) бактерии

Раз работав метод разделения тяжелой и легкой ДНК,

Мезельсон и Сталь решили проверить различные модели

Репликации ДНК Длн этого они взяли колбу с бактериями,
выращенными на питательной среде с тяжелым изотопом

азота, и перенесли все клетки в среду, содержащую легкий
Изотоп. В начале э 1<сперимента вся ДНК в клетках тяжелая,
liO l(Огда баюерии будут делиться, новосинтезированная

дНК будет легкой. Затем Мезельсон и Сталь могли сле­

ди1ъ за накоплением легкой ДНК и о пределить, какая из
"1оделей репликации лучш е всего соответствует экспери­
Ме1iталъным данным. После роста в течение одного nоко­
JJени я оказалось, что тяжелые молекулы ДНК, полностью
состоящие из 15N, исчезли, но появился новый тип молекул,
которые образовывали полоску в промежуточном положе­
Н11.и. между тяжелой и легкой ДНК (РИС. 6-8). Мезельсон и

20 мин

выращивают

молекулы ДНК
промежуточного веса

на « легкой » среде

РИС.

6-8.

Первая часть эксперимента Мезельсона и Сталя отверг­

ла консервативную модель репликации ДНК. (А) ДНК из ба ктери й,

выращенны х на среде с легк им азотом

(14N), образует

полоску ближе

к верху центрифужной пробирки , в то время как ДНК , выделенная из

бактерий, выращенных на среде с тяжелым изотопом 15 N(В), образует
полоску ближе ко дну пробирки . Когда бактерии, выращенные на «тяже­
лой » среде , перенесли на «легкую » среду (В) и позволили им поделить ­

ся , ДНК из этих бактерий образовала полоску в зоне , промежуточной
между зонами тяжелой и легкой ДНК . Основываясь на этих результатах,
можно отвергнуть консе рвативную модель репликации , но нельзя сде­

лать выбор между полуконсервативной и дисперсной моделями , по ­

скольку обе они предс казывают образование гибридной молекулы.

Репликация ДНК

195


СУЩНОСТЬ РЕПЛИКАЦИИ (продолжение)
ба кте риал ьны е хромосомы 11 а небол ьши е кусоч к и . Есл и

зи , кото ры е де ржат вм есте две це п и двой н ой с пир ал и ,

бы хромосомы остал ись цел ыми , иссл едовател и вы дели ­

рв утся, с пирал ,, р ас п л

ли бы Ltастич1ю реплицирова нные мол е кул ы, п отому ч то

11 ы е ДНК После тоrо как у ч е н ые н агрел и гибридную Д НК

м ноr'и е клетки б ы л и бы за стигнуты в се ред ине процесса

п е р ед цен трифугирование м, они об на руж и л и , ч то оди а и з

у11в оения

r

н ом а. Моле кул ы , находящиеся на п ромежу­

та

тся, и п олу ч а ют ся од1-юцел о ч е ч -

це пей г и б рида ле гкая , а вторая тя желая. Это н абл юде ,ш е

ТО LJ НЫХ стад иях репл ика ции , н е разделял ись б ы по та ким

rrодтв е р ж11а;ю

д иск ретны м пол ос кам. Но п оскол ьку у ч ен ы е работал и с

Есл и бы д испе рсн ая модел ь бы ла ве рна , получе нные по ­

небольшими кусочками, ве роятность то го, что кажды й от­
дель ный фр агмент пол но стью р е пл и ци рован и содерж и т

сле н агревания отделы, ы е цен и ДНК состояли бы из
смеси тяжелых и легких фрагм е н тов и образовывали бы

целико вую доч е рнюю и исхоl( ны е цели , б ы л а вел ика. Та к

при це нтрифугировании полос ку Д НК с пром ежуточной

были лолуч еиы ясны е и красивые резую,таты.

л лот н ост ы о .

п о лу ко нсе р вативн у ю

модел ь

ре п л и ка ци и.

Эти результаты поз волили с разу же отброс ить консе р­

Как сообщает исто рик Фр дерик Лоуре н с Хол ме,

вативную модель репл икации ДНК, кото рая предска:зыва ­

э ксперим е н т был столь элегант н ым, а ре:зультаты столь

ла, ч то исход 1-1 ая ДНК целиком останется тяжелой, а ново­

яс ным и , что Стал ь, проходя в Й ельс ком у ни верситете со ­

си н тез и рова нная будет пол ностью легкой (см. рис.

беседовани е на должность, не смог цел иком заполнит~, от­

6-6, В) .

Данные подход или под п олу консервапrnную модель , ко­

ведею-, ые е м у на вы сту п ле ние

торая предсказ ывала образование гибридных молекул, со­

25

миJ-1 ,

-

говори т Стал ь ,

-

50

мин . <<Я зако 1-1чил ч ерез

потому что им ен но столько и

де ржащих одну це пь тяжелой ДНК и одну це п ь л егкой (см .

нужно , ч тобы описать в есь эксп ерим е нт. Он очень простой

рис.

Но такие результат ы объяс няла и диспе рсная

и содержателъный ,>. Стал я не взял и иа работу в Йельский

модель релл и.кщии , в которой гибридные молекулы дою1<­

университет, но этот эксл е рим ,п у бедил б иологов, что

6-6, А).

6-6, Б).

Уотсон и Крик бы л и правы. На самом деле резул ьтаты

Чтобы выя снит ь, какая из двух оставши хся моделей

бы л и приJ-J яты уче ными так быстро и повсем естно , что

ве рна, Мезельсо н и Сталь приме нили нагре в. Когда ДНК

эксперим ент был о п исан в уч ебниках даже раньше , ч ем

подв е р гается во зде йствию т е м п ературы, водородны е свя -

Мезелъсон и Стал ь онубликовал и с вои данные.

ны содержать см есь легкой и тяжелой ДНК (см.ри с.

Человечес кий геном, которъr й гораздо больше бакте­
ри ального , соде рж ит около

10

ООО о ри дж и н ов (точ е к 1-1 а­

двуиаправлеииой ( Ьi d iгecti o o a l ) . Ви л ки движутся с оч ен ь
бол ьшо й с ко ростью : у ба кте рий 0 1-1а дост игает 1000 пар

ч ала ). Запуск ре п л икации с разу во м н оги х м естах ген о м а

н у клеотидо в в секу н ду, а у ч елове ка

п о могает клеткам ч ел о века :з r-, аLr ителы-то со кратить в р е мя ,

т идов в се ку н ду. Б олее низкая с ко рость р аботы ре п л ика ­

н еобходимое для е го копирова ния.

ти в 1-1 ы х вило к у чело в е ка (и у всех остал ьны х эука риот) ,

Как тол ько бе;юк- и н ициатор связыв ается с ориджи­

- 100

пар н уклео­

с ко р ее всего , свя з ана с трудностям и реплика ц ии Д НК

н о м ре пл икации и раздел яет цели двойной с пирали , к э то ­

при сло ж н о й с тр у кту р е х р оматин а, ха р акт е р н ой для этих

му м есту привл каются бел ки, осу щест вляющие репл ика ­

о ргани з м о в.

Це нтралы-~у ю р ол ь в р е п л и кати в н о м аппа рате играет

цию. Они фо рмиру ют ре пл и ка тивный апп а рат, и кажд ы й
е го ком п о не 1-п вы п о л ня ет с в о ю фу н к цию . Мы кратко опи ­

фе рм е ,-п ДНК-полимераза

ше м их после об ще го обз ора п ро цесса ре п лика ции .

рует нову ю цеп ~, ДНК, и с п ол ь зуя в ка,1 ест ве м ат р ицы одну

(DN A po l y m e гase) ;

0 1-1 синтези­

из стары х. Этот фе рме нт катал изирует добавлен и е 11 ую1 е-

Синтез новой ДНК происходит
в репликативных вилках

В

п роцессе р е пл икации

ВОПРОСб - 1

молекулы ДНК фо р м и руют

стр у кту ры У -об раз ной формы , которы е наз ы ва ют ре шrи ­
кативными вил ками

( repli cative fo,,ks)

( РИС.

6-9 ).

В этих

А Внимательно рассмотрите ми крофотографию на рис .

6-9.

rl' А . И с пользуя масштабную линейку, о це ните длину участков

8

ДНК между репли кативными вил ка ми . Есл и нумеровать в ил ­

4 и 5, 6 и 7 в ст р е­

с тр у кту р ах н аход ятся р е пл икативны е м а wи. 1-1ы , к оторы е

к и сле ва направо , ч е рез скол ь ко вр е м е н и в ил к и

д ви жутся вдол ь д войной спирал и Д НК, разделяют д ве

тятся друг с другом ? (Помни те , что р асстояние м ежду двумя ос­

ее ц епи и и с пользу ют и х как мат р ицы дшr с инт ез а н о ­

вы х . В каждо м ориджин е ре пл и ка ции фо рмиру ются две
р е 11 л и ка тив 11 ы е

ви л ки ,

кото ры е

н а чи 1-1 а ют

д вигаться

в

противополож 1-1ы х н аправле ниях, раздел яя 1 1епи Д Н К
гю ходу свое го дв ижения. Поэто му репл и ка цию Д НК в
ба ктериалы, ы х и эукариотич еск и х х ро мосом ах на:з ывают

196

ГЛАВА 6. ДНК: репликация, репарация и рекомбинация

нованиями в ДНК с оста вля е т

0,34 нм ,

тивн а я вил ка дви ж етс я с о скоро стью

а эука риотич еская ре пли ка ­

100 ну кл еотидо в

в сек унду. )

В да нно м з адании пре н еб регите нукле о с ом а м и и с чи тайте ДН К
полн ос т ь ю р аз вернуто й .

Б . Раз мер ге нома мух и около

1,8 х 108 па р основани й .

ген ома мух и по каза н а н а это й ми к р о ф ото гр а фи и?

Какая доля


З'-конец цепи
1

напра

епл

н

О=~
СИНТЕЗИ ­
РУЕМАЯ

МАТРИЧ -

Н

'

ЦЕПЬ

O=i-o-

( ПРАЙМЕР)

~~
О=~-

н

о

~неццепи

о \ <;;> -

-о- Р-0- Р-0- Р-0-С Н О
1

о-

J

НАЯ

ЦЕПЬ

2

•

о-

0

1

о-

~ирофосфа+
РИС . 6-9. Репликативные вилки движутся в противоположных
направлениях,

выходя

из

множества

на эукариотической хромосоме.

ориджинов

репликации

Н2
присоединяемый
дезоксирибонуклеотидтрифосфат

О=

1

На эл ектро нн ой микрофотогра­

фии - реплицирующаяся ДНК раннего эмбриона мухи . Частички, за­
метные вдоль цепи ДНК,

-

это нуклеосомы, структуры, состоящие из

ДНК , накрученной на специальные бел ковые ком плексы (см. гл .

Н2

т

5). (1 ),

(2) и (3) - рисунки, изображающие данный участок ДН К, срисованный с
эл ектр о нны х микрофотографий во время последовательных стадий ре­
пли ка ции . Ри суно к

(2)

цепи

сдел ан с электронной микрофотографии, пр ед­

ставленной здесь. Оранжевы е линии

-

это цепи исходной молекулы

ДН К, а красные - вновь си нтезированные. (Электронная микрофото­
графия с разрешения

0=*-о9

5'-конец

Victoria Foe.)

РИС .

6-1 О . ДНК синтезируется в направлении от 5' к З ' . Добавление
3' -гидроксильному кон цу полинуклеотидной

дезоксирибо нуклеотида к

цепи -это фундаментальн а я реакция, бл а года ря которой синтезирует­
ся ДНК . Ну клеот иды вступают в реакцию в виде ну клеозидтрифосфатов .

Спарива ни е оснований при соединя ем ы х нукл еотидов с нуклеотидами

отидов к З' -концу растущей цепи ДНК путем формирова­

матричной цепи позволяет синтезировать в точности ком плем е нтар­

ния фосфодиэфирной связи между ним и 5'-фосфатной

ную це пь (см. рис.

группой при соединяемого нуклеотида ( РИС. 6-10). Ну1<ле­

цепи катали зирует фермент ДН К-полим ераза. В результате разруше­

отиды вступают в реакцию в виде нуклеозидтрифосфатов,

ния фосфодиэфирной связи (отмечена звездочкой) в при соединяемом

ч.то обеспечивает энергию для полимеризации. В резуль­

нукл еот иде высвобождается большо е коли ч ество энергии , которая ис­

тате гидролиза высокоэнергетической связи в иуюrеозид­

пользуется для провед е ния реакции п олим ериза ции .

6-2). Присоединение нукл еотида к 3' -концу растущей

трифосфате высвобождается пирофосфат (РР; ) и энергия,

необходимая для присоединения нуклеотида к растущей
цепи. ДНК- полимераза сопрягает высвобождение энергии

каждой 11ели ДНК имеет свое направление, или полярность,

с реакцией полимеризации" Пи-рофосфат гидролизуется и
превращается в два неорrанически-х фосфата, что делает ре ­

которая определяется способом соединения остатков де­
зоксирибоз ы , и что две цепи двойной спирали направлены

акцию еще более необратимой (см. рис.

в разные сторо !iы . Из этого следует, что в реnликативной

3-41).

Посл е добавле ния каждого нуклеоти1щ фермент ДНК­

на матрице, идущей в li а правлении от З ' к

llравило, остается ассоциированным с и е й и 11оследова ­

трице, идущей от 5'

5', а вторая 1-1а ма­
1<З' ( РИС. 6-11 ). Поэтому ре пл и кати 1тая

теJ1ьно движется вп е ред, соверш ая много циклов реющии

вилка асимметрична. На первый взгляд создается впечат­

1

лени е, что обе цепи ДНК синтезируются в одном направле­

·юл:им е ризации. На ВИДЕО 6.1 1юr<азана ДНК-полимераза в

дей. твии. Позже в этой главе мы увидим, что сле циа.,11,ный

/

вилке одна из новы х цепей ДНК долж на синтезироваться

rюли.м е раза 1-1.е отделяется от растущей цели ДНК, а, как

нии

-

в налравлении движен11я репликативной вилки. Но

белок закрепля ет ДНК-по1n1меразу на молекуле ДНК, пока

это означало бы, что одна из цепей си нтезируется в направ­

она добавляет новые нуклеотиды к растущей це пи.

лении от

5' к З', а дру1··ая -

в направлении от З' к

5'.

На самом же деле ДНК-полимераза может катализиро­

Репликативная вилка асимметрична
дНК может 11олимеризоваться только в направлении от
5'-конца к З'-концу, и это создает проблему для репликатив­
ноi,l вилки. На рис. 5-2 видно, что сахаро-фосфат 1шй остов

вать рост це пи ДНК ли шь в од1юм направлении: она добав­
ляет новы е нуклеотиды только к З'-концу растущей це пи

(см. рис.

6-10).

Как резул ьтат, новая цепь ДНК может син­

тезировап,ся лишь в нап равлении от

5'

к З '. Это позволяет

ре п ли циро вать только одну цель ДНК в релликативной

Репликация ДНК

197


1'. .

5: _ _ _ _ _ _
5_
3
1

новоси нтезированные
цепи

исходная

Репликатив11ые вилки вс х клеток

~олекула ДНК

СJ<их и эука риот ич еск и х

""::::: з•

~::::=:::_з,,/ ..

такого сходства

с 11 особ 11 ость всех без исключения ДНК­

5'

к

3'. Важ­

н ое rтреи м у щество этого ка к будто излишне усложи е 111юго

ре п ликативной вилки

6-11.

-

полимераз работать толы о в нанравлении от

направл ение движе н ия

РИС.

rтрокариотиче·

-

хоть и от1111чаются в деталях,

но всегда соде ржат ведущую и отстающую цепи. Причина

5'

4

-

молекуля рного меха11изма обсуждается ниже.

Две вновь синтезируемые цепи ДНК в репликативной

вилке имеют разную направленность .

ДНК- полимеразы могут исправлять за собой ошибки

вилке, но ~1 е вторую. Мож но пред1юложить, LJТO ест ь д ругая

ДН К -полимераза р аботает н астол ько точ н о, что делает

ДНК- пол име раза, которая может rтри соедю-1я ть нуклеоти­

всего одну о ши б ку иа

ды с 5'-конца цепи . Одн ако такого фермента не су ществу ­

тидов. Частота воз никно вен ия ошибок гораздо ниже,

ет. Вместо этого проблема решается при помощи ~ шитья

чем может быть объяснено специ фичностью с п а рив а­

107

скопиров а нны х rт ар ную1 е о­

н азад,> (backstitc l1iлg) . Цепь ДНК, которая должна удли­

ния комплементарных оснований . Хотя пары А-Т и

ияться с 5'-конца, с интез ируется ~пре рывисто ~

наиболее стабил 1,~1 ы, могут формироваться и менее ста-

( discon-

G-C

tiлuous l y ) , последовател ьными небольшими фрагмеитами,
а ДНК-лолимераза д вижется назад относи тел 1,но на п равле­
ния ре пл икатив ной ви лки . Кажд ы й новый фрагме нт, таким

образом, с интезируется в на.правлении от

Д Н К- п ол имераза

5' к 3'.

Эти небольши е уч астки ДНК наз ыв а ют фрагментами
Оказаки

(Okazaki fraginents)

в честь отr<рывu.rего их био­

м атричная

з·

5'

химика. После сtштеза фраем е нты соед иняются вместе,

це п ь Д Н К

чтобы образоватr, новую цеш, ДНК ( РИС. 6-12) . Пре ры­
висто син тез ируемую цепь называют отстающей

(laggi11g

З'

straлd) , а цель, синтези руемую непрерывно, н азывают ве­
дущей, и ли лидирующей

5'

ПОЛИМЕРАЗА Пf'ИСОЕДИНЯЕТ

(leading stгand).

j

НЕПРАВИЛ Ь НЫИ Н У КЛ ЕОТ ИД

З'

5'
5'

З'

З'

5'

+м атр и ца ведущей
це пи л ево й ви л ки

~

н а пра вл е н ие д виже ни я

З'

НЕПРАВИЛЬНО СПАРЕННЫЙ

..

j

Н У КЛ Е ОТ ИД УДАЛ ЯЕТС Я П Р И

ре пли ка тив ных вилок

t

5'

ПОМО Щ И З'-5 ' - КОРР ЕКТИ РУЮ Щ ЕЙ

мат ри ца отстающей
це п и право й вилки

АКТИВН О СТИ

/
5'

ПРАВИЛЬНО СПАРЕННЫЙ НУКЛЕОТИД

j

Н А З'-КО НЦ Е_ ПО ЗВОЛЯ ЕТ ПРИСОЕДИНИТЬ

СЛ ЕДУ Ю Щ ИИ Н У КЛ Е ОТ ИД

РИС.

6-12.

Репликативные вилки асимметричны. П оскол ьку обе но ­

вые цепи синтезируются в направлении от 5' к З ' , отстающая цепь долж­

на изначально синтезироваться в виде небольших фрагментов , котор ы е

5'

затем соединяются. Н а верхней схеме показаны две репликативные

jСИНТЕЗ ПРОДОЛЖАЕТСЯ

вилки , движущиеся в противоположных нап равлениях . Н а нижней схеме

В НА ПРАВЛ Е Н И И ОТ

показаны эти же вилки некоторое время спустя. Чтобы синтезировать

5' К

З'

отстающую цепь , ДН К-полимеразе приходится « шить назад »: она син­
тезирует небольшие кусочки ДНК (фрагменты Оказаки) в направлении
от

5' к

РИС .

6-1 З. ДНК - полимера з а во вре мя синтез а ДНК проверяет соб ·

З '. Затем ей надо передвинуться в противоположном направле ­

ственную работу. Если к цепи был присоединен неправильный нуклео·

нии вдоль матричной цепи (в сторону вилки) , чтобы начать синтез ново ­

тид, ДНК-полимераза отрежет его и заменит на правильный перед тем ,

го фрагмента .

как продолжать синтез .

198

ГЛАВА 6. ДНК : репл и кация, р е параци я и р е комбинация


Механи зм

коррекции

ошибок

объясш1ет,

почему

ДНК-полимераза может синтезировап, ДНК толь1<0 в на­

правл е нии от

S'

к З', несмотря на то что из-за этого воз­

ни1<ают трудности в репликации одной из цепей в репли­
З'

5'

кативной вилке. На РИС .
ДНК-полимераза,

6-15, А показа на гипотетическая

которая

может синтезировать ДНК

с 5'-конца, 1 ю такая полимераза не сможет корректиро ­

вать свои ошибки. Если такая полимераза удалит только
что присоединенный н уклеотид, образуется ~ химически
мертвая ,> цепъ ДНК в том смысле, что она уже не сможет
ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ

КОРРЕКЦИЯ

удлиняться. Поэтому чтобы ДНК могла исправлять свои

ошибки, оиа должна синтезировать ДНК исю1ю•штельно
РИС. 6-14. ДНК-полимераза имеет разные активные центры для

в ~, а правлении от

S'

к

3'

(рис.

6-15, Б).

синтеза ДНК и для коррекции. Схемы основаны на структуре ДНК­
nолим е ра зы Е.

coli,

определенной методом

рентгеноструктурного

а нализ а. Образно говоря , фермент похож на руку, держащую цепоч ку

ДНК . У этой руки есть ладонь , большой палец и остальные пальцы. Н а

Небольшие фрагменты РНК
играют роль затравок при синтезе ДНК

рисунке показана полимераза , связанная с ДН К-матрицей, в режиме

Мы увидели, что ДНК-полимеразе для точной реплика­

синтеза (слева) и в режиме ко ррекции (справа). Желтыми кругами от­

ции необходим конец ДНК с правильно спарен ны м осно­

мечены каталитические центры для полимеразной активности (Р) и для

ванием. Но поскош,ку ДНК-полимераза может добавлять

корректирующей активности (Е). Когда присоединяется неправильный

новые нуклеотиды только к правильно с п аренным нукле­

нуклеотид, вновь синтезированная цепь ДНК (красная) временно отсо­

отидам в двойной спирали, она не может на•rать строить

един яется от матричной (оранжевая), а полимераза изменяет свою кон­

цепъ ДНК с нуля. Для этого необходим другой фермент,

формацию (показано серой стрелкой) так , что корректирующий катали­

способный начать строить новую полииуклеотидную це­

тический центр оказывается в « рабочем положении » и может отщепить

почку, просто соединив два нуклеотида, и не нуждающий­

последний добавленный нуклеотид .

ся в правильно спаренном концевом основании. Но этот

фермент не синтезирует ДНК Он синтезирует небольшой
фрагмент другого близкородственного полимера

бильные пары, например G-T и С-А. Таки е н е правиль­
ные пары образуются гораздо р еже правильных , но есл и

- РНК
(RNA, ribonuc leic acid), ис­

(рибонуклеиновой кислоты)
пользуя ДНК в качестве матрицы. Небольшой фрагмент

позволить им накапливаться, кл етка быстро погибнет от

РНК длиной около

мутаций. Этой катастрофы удается и збежат ь благодаря

спаривается с матричной цепью ДНК и обеспечивает на­

двум особым свойствам ДНК-полимеразы, з начитель но

личие правильно спаренного З'-конца, с которого ДНК­

Увеличивающим тоLшость р е пликации ДНК Во-первых ,

полимераза может начать синтезировать ДНК Таким об­

ф е рме 1-rт тщателъно следит з а тем, как присо ед иняемый

разом, фрагмент РНК служит затравкой, или праймером

10

н уклеотидов комплементарно

нукл еот ид спаривается с матричной це пью. Только при

(primeг), для синтеза ДНК, а фермент, синтезирующий

образовании лравилъной пары ДНК-nолимераза ка­

праймер, наз ывают праймазой (pгimase).

тали з иру ет р еакцию присоединения иуклеотида. Во­

Праймаза

-

это пример РНК-поли.меразы

(RNA poly-

вторых , есл и ДНК- полимераза все-таки ошибается и

merase),

присо ед иняет н еве рный нукл еот ид , она может испра­

ДНК Химически цель РНК очень похожа на цепь ДНК

фермента,

синтезирующего

РНК на

матрице

вить ошибки при помощи активности, иазываемой кор­

Они отлича ются тем, что РНК построена из рибонуклео­

ректирующей (pгoofreading).

тидов, а ДНК из дезоксирибоиуклеотидов, т. е. в нуклео­

Самокоррекция осуществляется во время синтеза

тидах РНК содержится сахар рибоза, а не дезоксирибоза.

дНК. П е ред тем как присоединять новый нуклеотид,

Другое отличие состоит в том, что РНК содержит урацил

разует предыдущий нукл еотид . Если да, полимераза

скольку

nрисое;щня ет следующий нуклеотид. Если нет, пол им е ­

сюпезируется на матрице ДНК точно так же, как и ДНК:

Раза отрезает н е правильно с л аренный нукл еотид и де­

по принципу комплементарного спаривания оснований .

дНК-пол.имераза проверяет, прав.ильную ли пару об­

(U) вместо тимина (Т)

(см. вкладку

2-6,

с.

80- 81).

Но по­

U образуете Атакую же пару, какТ, РНК-затрав1<а

Jtает вторую попъ1тку ( РИС. 6-13) . Таким образом, ДНК­

Ведущей цепи праймер нужен только для того, чтобы

полим е раза обладает высокоточной 5'-3'-полимеразной

начать репли1<ацию в ориджи1-1е. Как только репликатив-

а 1 <тивностыо, а также 3'-5'-корректирующей активно­
стьrо. За корректирующую активность отвечает нуклеа­

1-1 ая вилка образуется, всегда будет присутствовать сво­
бод ный спаренный 3'-конец, к которому ДНК- полимераза

за [им еется в виду экзо нукл еазная актив11ость одного из

сможет

доменов самой ДНК-полимеразы.

Прим. ред.], которая

вдолъ матричной цепи. Но на отстающей цепи, где ДНК

Раз резает сахаро - фосфатный остов. Полимеразная и кор·
Ректи рующая активности очень хорошо скоординирова ­
ны , и обе реакции проводятся раз 1~ыми до м е н ам и ДНК­
llолимеразы ( РИС. 6-14) .

синтези-руется прерывисто, праймеры нужны все время

-

(см. рис.

присоеди11яп,

6-12).

новые

нукл е отиды,

продвигаясь

Как только в результате движения репли ­

кативной вилки образуется новый участок неспаренных
оснований, на нем через определенные промежутки син-

Репликация ДНК

199


(А )

( Б)
З'

5'

5'

З'

ГИПОТЕТИЧЕСКИЙ

РЕАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ

М ЕХАНИЗМ УДЛИНЕНИЯ

УДЛИНЕНИЯ ЦЕПИ

ЦЕПИ С 5 '- КОНЦА

СЗ'-КОНЦА

5'

З'

КОРРЕКЦИЯ ОШИБОК

5'

после удаления

концевого нуклеот ида

-i

КОРРЕКЦ

5'

З'

------

остается свободный -

З'

5'

З'

---

посл е удал е ни я
конце вого ну клео т ид а

-

остается свободны й

5 '- конец

З '-конец

правильн ы й

пр а вил ь ны й

дезо кс ирибонукле оз идтрифосфат

5'

дезо кс ирибону кле оз идтр ифосф ат
З'

5'

ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ ПРОИСХОДИТ
ЗА СЧЕТ РАСЩЕПЛЕНИЯ

РЕАКЦИЯ НЕ ИДЕТ, ПОТОМУ

ЧТО НЕТ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ ,

ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

КОТОРАЯ МОЖЕТ РАСЩЕПИТЬСЯ

РИС .

З'

6-15. Необходимость исправления ошибок объясняет, почему ДНК синтезируется только
5' к З ' . (А ) Гип отети ч еская схема поли м ериза ц ии в на правлении от 3' к 5'. Н епра­

в направлении от

ви л ь н о пр исоеди н енный н уклеот ид (темно -зеленый) удаляется п ри помощи корректирующей актив­

ности . Это забл окирует добавл е н ие сл едующего нуклеотида ( красный) и дальнейшее удлинение цепи .
(Б) Рост це п и в на п равлени и от

5' к 3' п озвол яет продолжить удлинение посл е того ,
включе н ный нуклеотид был удален системой коррекции ошибок (см . рис . 6-4) .

тезируются

как неправильно

РНК-затрав ки . Д НК- п олимераза добавл я ­

ци ал ьн ая нуклеаза . Затем Д НК- пол име раза, н аз ы ваемая

ет к 3 ' - r<онцу затра вки 1-ювый нуклеотид и продол жает

репарациотюй (ге раiт po l y m e гase ), строит на этом месте

удл инять ц епь , по ка н е дост и гн ет следу ющей затравк и

це пь Д НК, ис п ол ьзуя в кач естве затравки при лега ющий

( РИС.

фра гмен т О казак и . Фермент ДНК-лигаза

6-16).

Чтобы п олучить н е пре рыви ую нову ю цель Д НК и з
отдель ны х фрагм ентов, синтез иро ва нных н а отстаю щей

(DN A ligase) со­

единя ет 5' - ко н ец н ово го фра гмен та Оказаки с 3'-rид рок­

с ил ыюй гру ппой следу rоще 1·0 фра гм е нта ( см. ри с.

6-16).

це пи , нужны три допол нител 1, ны х ферм ента. Они долж­

Праймаза м ожет н ач и нать н овую пол ину 1<леотид ную

ны быстро удал и ть РНК-затравку, за ме нитъ ее на ДНК и

1\еrюч ку, н о н е им еет ко рректирующей акт ивности. П оэто­

соединитъ фрагме н ты Оказак и . Затрав1<у раз руш ает ел е-

му затравк и содер жат мн ого о шибок Од н ако благода ря

200

ГЛАВА 6. ДНК : репликация, репарация и рекомбинация


предыдущий
фрагмент
О казаки

З'

5'

реплика ции , они обладают корректирующей активностью.

старый

праймаза синтезирует

РНК­

\

Таким образом, клеточный репликативный аппарат может

праймер

начинать си нтез новых целей ДНК и обеспечивап, точную

новый праймер

репликацию всех участков 1·е нома .

5'
З'

мат ри ца

отстающей

ДНК-полимераза добавляет

Белки репликативной вилки кооперируются,

ну кл еот иды к н о во му

формируя единый репликативный аппарат

j

РН К-праймеру, н ачиная

це п и

фр агме н т О казаки

З'

5'

З'

Как уже упоминалось, для репликации ДНК н еобход им
набор белков, действующих согласованно. В этом разде ­

5'

ле мы обсудим некоторые белки, которы е вместе с ДНК­

З'

5'

полим е разой и праймазой содержатся в репликативном

ДНК-полимераза

аппарате и способствуют движению релликативной вилки

j

и синтезу новых целей ДНК вслед за ней.

завершает фра гм е н т

З'

Для осуществления синтеза ДНК двойную спираль

нужно расплест и , чтобы присо единяемые дезоксирибо­

5'

нукл еоз идтрифосфаты могли образовывать водород ны е

З'

5'

связи с нуклеотидами матричных цепей. Чтобы ре шить

старый РНК-праймер

j

эту задачу, совместно работают два типа белков репли­

уд а ля етс я и за м е н яется

кативного аппарата: хеликазы и

на ДНК

ющие однонитевую ДНК. Хеликаза

З'

ется на п е реднем фронте репликативной машины и ис ­

5'

пою,зует э нергию гидролиза АТФ для движения вдоль

З'

5'

двойиой спирали и разделе ния двух ее це пей ( РИС.

ДН К-лигаза зашивает

и ВИДЕО 6.2). Белок

j

одноце поч ечны й раз р ы в (н и к),

ДНК

соед и н яя соседние фрагменты

З'

Ьinding

(single strand

6-17, А

связывающий одноцепочеч11у10

protein),

соединяется с одно­

зы, и не дает ей снова образовывать водородные связи.

5'

SSB

З'

РИС. 6-1 6. На отстающей цепи ДНК синтезируется фрагментами.
У эукариот п раймеры синтезируются на отстающей цепи п римерно че­
рез каждые
терии Е.

SSB,

цепо ч ечной ДНК, образованной при помощи хелика­

О ка зак и

5'

SSB - белки, связыва­
(belicase) рас пол ага ­

200 ну клеотидов и имеют длину около 1О нуклеотидо в . У бак­
coli фрагменты О казаки и затравки имеют среднюю длину 1ООО

и 5 нуклеотидов, соответственно. Специальная нуклеаза распознает
цепь РН К в составе ДН К/Р Н К-гибрида и удал яет затравку, оста вл яя бре ­

ши в молекуле ДНК. Б реши заполняет репарационная Д Н К-пол имераза ,

обладающая корректирующей активностью. Готовые фрагменты со­
единяются вместе ферме н том ДН К-л игазой, котор ы й с ш ивает сахара­

Фосфатный остов, катализируя формирование фосфодиэфирной связи
между 3 ' - ОН -концом одно го фра гмента и 5 '- фосфатной г руппой сосед­

него. Для протекания этой реакции необходимо затратить энергию в
виде АТФ или НАД- Н .

подде рживает одноцепочечную ДНК в раз в ериу­

том виде, чтобы она могла служить матрицей для ДНК­
полим е раз ы .

Еще одии белок репликации

(slid iлg

clamp) -

-

скользящий зажим

отвечает за прочное прикреплени е ДНК­

полим е разы т< матричной це пи , пока она сиитезирует но­

вую цепь. Большинство полиме раз быстро открепляются
от матри,шой ДНК, синтезировав довольно неболъшой

кусочек новой це пи. Скользящий зажим образует кольцо
вокру~- ДНК и , прочно связываясь с ДНК-полимеразой,
не дает ей отойти от це пи , пока она синтезирует ДНК (см.

рис.

6-17, А и

ВИДЕО 6.3) .

За сборку сколr,зящего зажима отвечает другой белок
репликации

-

загрузчик за:ж:има

(clamp loader). Он

гидро­

лизует АТФ всякий раз, когда защелкивает заж им вокруг
молекулы ДНК. Для си нтеза веду щей це пи та~<ая загрузка

тому, 'ПО затравки состоя т и з РНК, а не ДНК, они <<От­

нужна только один раз за цикл ре пликац ии. На отстающей

мечены как ч е рновики >> , чтобы их можно было автомати­

це пи скользя щий заж им каждый раз удаляется и с нов а на­

чески удал ить и заме нит ~, на ДНК ДНК, в свою очерею,,

девается на ДНК, коrда синтезируется новый фрагм е нт

си1пезируется

Оказаки .

сп е циальными

репа рационными

ДНК-

11оз1им еразами. Как и ДНК-полимеразы, участвующие в

Большинство бею<ов,

вовл ече нных

в репликацию

ДНК, объеди нены в бол1,шой мультиферментный ком­

ВОПРОС 6-2

~ Обсудите следующее утверждение : «П раймаза - это нe­
rl' точный фермент, допускающий м ножество ошибок . В итоге

8

РН К-затравки все рав но удаля ются и замещаются на ДН К,

котора я синтези руется ДН К- пол име разой с большой точно стью .

Это очень затратн о. Энергетически более выгодно , если бы ДН К­
nолиме раза делал а точную копию с самого н ачала » .

плекс, который движется вдоль ДНК и обеспечивает од­
новреме1-шую и скоординироваю-1у10 работу с обеими ее
цепями. Этот комплекс можно уподобить миниатюрной
швей ной машинк

,

сдела нной из белков и питающейся

эи ер1·ией гидроли за нуклеозидтрифосфатов ( ВИДЕО

6.4).

Несмотря на то что структура каждо 1·0 из компоне 1-1тов
репликатив ного аппарата расшифрована, во многом оста­

ется неясным , как они между собой соединены и как ко-

Репликация ДНК

201


матриц~

)\q.ъС\,~

~~

ведущеи
цепи

скользящий зажим

~С\,~
новосинтезированная

ДНК- полимераза
на ведущей цепи

цепь

исходная

молекула ДНК

Л'УЛ.'УЛ.'УЛ.'УЛ.'\t/
хеликаза

РНК-праймер

новый фрагмент Оказаки

праймаза

/

""~.[/ '\
матрица

отстающей

SSB

цепи

одноцепочечную ДНК)

(белок, связывающий

ДНК-полимераза на отстающей цепи

(как раз заканчивает фрагмент Оказаки)
(А)

новосинтезированная
цепь

ма.р,ц/''о,
ведущеи

-

'Ц::,\,.lllill.,_,,_

цепи

исходная

молекула ДНК

. (л'УЛ,'УЛ,'f/
матрица

'·:'\ . .

···v ~

цепи

ДНК-полимера~~'\-

РНК­

праймер новый
фрагмент

(Б)

отстающей

на отстающей цепи
/
(как раз заканчивает новосинтезированная
фрагмент Оказаки)
цепь

Оказаки

РИС.

6-17. Белки,

ответственные за репликацию ДНК, действуют сообща и образуют единый

реnликативный аппарат. (А) Показаны две молекулы ДНК-полимеразы
вторая

-

-

одна для ведущей цепи ,

для отстающей . Обе полимеразы фиксируются на цепи ДНК при помощи специального коль ­

цевого белка-зажима , позволяющего ДНК-полимеразе скользить по ДНК. Для синтеза отстающей цепи
необходим белок

-

загрузчик зажима (на рисунке не показан), который каждый раз заново сажает на

ДНК белок-зажим , когда начинается новый фрагмент Оказаки. « Во главе » репликативной вилки нахо­

дится фермент хеликаза , использующий энергию гидролиза АТФ , чтобы совершать поступательное
движение и разъединять таким образом две цепи исходной молекулы ДНК . Белки , связывающиеся с
одноцепочечной ДНК , поддерживают ее в одноцепочечном состоянии, чтобы она была доступна для

полимеразы и праймазы. Для простоты все белки изображены работающими по отдельности , но в клет­
ке они соединены в один большой репликативный аппарат, представленный на схеме (Б). (Б) Показано ,
как организованы белки в репликативной вилке во время ее движения . Схема отличается от (А) тем ,

что здесь отстающая цепь загнута с образованием петли так, что обе ДНК-полимеразы (ведущей и от­
стающей цепей) находятся вместе. Такая организация приводит к тому, что

3' -конец каждого закончен­

ного фрагмента Оказаки находится вблизи места начала следующего фрагмента Оказаки . Поскольку

ДНК-полимераза, синтезирующая отстающую цепь, все время прикреплена к репликативной вилке , ее
можно заново использовать , чтобы синтезировать последующие фрагменты Оказаки. На данной схеме
ДНК - полимераза вот-вот закончит один из фрагментов Оказаки и передвинется на РНК- затравку, ко ­

торая будет синтезирована рядом , чтобы начать новый фрагмент на отстающей цепи. Репликативный
комплекс в действии см . на ВИДЕО

202

6.5.

ГЛАВА 6. ДНК: репликация, репарация и рекомбинация


повторяющиеся теломерные

ВОПРОС6 - З

посл ед овательности

А В клетке из-за мутации инактивировался один из белков

rl' репликативного аппарата.

8

Клетка все же пытается репли-

цировать свой геном в отсутствие этого белка. Какие ДНК­

продукты

получатся

при

отсутствии

каждого

из

перечисленных

ниже компонентов?
А. ДНК -пол имераза

З'

-

•

ТЕЛОМЕРАЗА!

5•

матричная цепь

незавершенная новосинтезированная
отстающая цепь

СВЯЗЫВАЕТСЯ
СДНК

направление

•

Б. ДНК - лигаза

синтеза

теломерной

ТЕЛОМЕРАЗА

В . Скользящий зажим ДНК-полимеразы

ДНК

ДОБАВЛЯЕТ

Г. Нуклеаза, удаляющая РНК - затравки

РНК-матрица связана с теломеразой

ДОПОЛНИ­

Д . Хели каза

ТЕЛЬНЫЕ
ПОВТОРЫ

Е . Пр аймаза

К МАТРИЧНОЙ
ЦЕПИ

ординируют свою работу. Но даже при недостатке инфор­
мации имеется представлени е о том , как в ц елом устроен

репликативный комrтекс (рис.

6-17, Б).

•

ДНК-

ПОЛИМЕРАЗА
ЗАВЕРШАЕТ
СИНТЕЗ

ОТСТАЮЩЕЙ
ЦЕПИ

Теломераза реплицирует концы

•

эукариотических хромосом

З'

..

5'

ДНК-полимераза

Мы рассмотрели, как репликация начинается на орид­
жинах и как происходит движение репликативных ви­

РИС.

лок, в этом разделе мы обсудим проблему репликации

отических хромосом. Чтобы си нтези ровать отстающую цепь на самом

6-18. Теломераза обеспечивает синтез ДНК на концах зукари­

концов хромосом. Как было о пи сано выше, ДНК мож ет

краю хромосомы, репликативному аппарату необходим участок матрицы,

синтезироваться только в направлении от

По это­

лежащий за п ределами ко пи руемой ДНК. Поэтому на линейно й молекуле

му ДНК на отстающей цепи приходится реплицировать

ДН К синтез отстающей цепи завершится на небольшом расстоянии от

отдельными фрагментами , начииая си нт ез каждого и з

кон ца матричной цепи . Фермент теломераза добавляет повторяющиеся

них с РНК-затравки, которую синтезирует специаль­

последовательности ДНК к ко нцу матричной це пи , что позволяет завер­

ный ф е рмент (см. рис .

когда репликативный

шить синтез отстающей цепи при помощи ДНК-полимеразы так , как это

ап пар ат доходит до коица хромосомы , возникает про­

показано на рисунке. У людей нуклеотидная последовательность тело­

блема: на самом конце линейной молекулы ДНК нельзя

мерного повтора

начать новый фрагмент Оказаки, потому что и ет места

молекулу РН К (голубая) , последовательность которой комплементарна

для построения затравк и. Без какоr,-то особой страте­

последовательности теломерного повтора. Этот кусочек РНК выступает

6-16) . Но

5' к 3'.

- GGGGTTA. Телом ераза содержит

в себе небольшую

гии репликации концов хромосом некоторая по следова­

в ка честве матрицы , ко гда теломераза синтезирует ДН К. Теломеразу в

тельность ДНК будет всегда теряться при каждом раун­

действии см. на ВИДЕО

6.6.

де репликации .

Бактерии выходят из этого положения благода­
ря колы~е вой форме их хромосомы

молекулы ДНК.

11ы х разрывов, иногда случайно возникающих в середине

Решение эукариот - специальные по следовательно сти

хромосом . Такие разрывы долж ны быть и емедлен но рас­

на концах

составляют тел ол~еръt

познаны

(te l oineгes). Теломерные последователь ности ДНК при­

раздела.

хромосом,

которые

-

влекают к хромосомам особый фермент

-

и репарирова ны , как мы узнаем из следующего

теломе разу

(te l omeгase). Этот фермент, используя в кач естве ма ­
триць, содержащуюся в нем самом молекулу РНК, вос­

РЕПАРАЦИЯ ДНК

станавливает нуклеотид ы , теряющиеся при репликации

эу 1<ариотич.еской хромосомы, добавляя к концам хромо­

Генетические

сом повторяющи еся теломерные по следователь ности.

в течение миллионов лет, определили разнообразие жи­

изменения, постепею-ю накапливав шиеся

Репликация отстающей цели может затем быть завер­

вых организмов и их успех в заселении практически всех

u1е 11 а при помощи обычного механизма. Получе н ная по ­

у частков биосферы. Эти изменения позволили живым

вторяющаяся последовател ьность будет использована в

организмам приспособиться к п еременчивым условиям

качестве матрицы ( РИС . 6-18).

с реды и выжить в новых местах обитаниях. Но в кратко­

Кроме того, LПО теломеры помогают реnлицировать

сроlrной перспективе изменения в последовательности

Концы хромосом , у них есть и дру гие функции. Например,
Повторяющиеся теломер~1ые последовательности вместе

генома могут быть вредны, особенно для многоклеточ­

с примыкающими к ним участками формируют структу­

сложн ы е и тонко подст роен ные друг под друга физиоло­

Ры, которые распознаются клет 1юй ка1< концы хромосом .

гические процессы и процессы развития. Чтобы. выживать

Это позволяет отличить концы хромосом от двухцепоч еч-

ны х организмов , где они могут нарушить исключительно

и размножаться, особи должны обладатr, ,·ен етической

Репарация ДНК

203


стаб ильностью.

та стаб илыюст1, достигается н е только

и з мене 1-1и ~i в ДНК соматич ес 1<их кл ток ( РИС . 6-20). Есл и

посредст вом точно го м еха ни зма ре п лика ции Д НК , кото­

скорост ь м утирова 11и я увел ичится хотя б ы в

ры й мы обсуждали в пред ы дущем разделе, 1-ю и при 1ю­

может в ы звать катаст рофич еск и й рост числа слу ч аев р ака

мо щи спе ци аль ных белковых машин, которые постоя нн о

и з-за то1·O , что с и л ьно воз растает скоросп, л оявле ния н о­

сканируют ге ном в пои сках поврежде ний и ис правляют

вых р аз н ов и д 1-ю сте i,i сомат ич еск их клеток.

их. На самом деJ1 е большииство нару ш е ний , воз никаю щи х

это

Точн ая р е п ли ка ция ДНК од ин аково важн а и для кл е ­

време нны е, п отому что они нем елле нн о об н а­

ток зар од ыш е вой ли 1-1ии , п е редающи х н аследств е н 11 ую ин ­

р уж ив а ются и исправляются при 1 юмощи пр о цесса, н аз ы ­

формацию следу10 11 ~ем у поколе нию , и для со матич ес ки х

13

ДНК,

2- 3 раза,

-

ваемо 1·O репарацией ДНК

(DNA

кл еток , в нор ме ф у нкцио ниру ющи х ка к точно р е гул иру­

r·epa iг).

емы е ч ле ны боль ш ого сооб щ ства клеток, составл яющи х
многокл еточный организм.

Мутации могут иметь

ледовател ы.ю , н ас н е долж11O

удивлять, что все кл етки обладают слож ным набо ром ме­

серьезные последствия для организма

ха ни змов для у м е ньш ения ч исла м ута ци й, во з ни каю щ их

Изред ка клеточные с и стемы ре п ликации и репа рации

в их ДНК.

все-таки ошибаются , и из менение закрепляется в ДНК
Такие постоянны е изм е н е ния наз ывают мутациями

tations), и

(lllu -

они могут имет ь серьез иые последствия. Мута­

одна цепь нормально го

ге на Р- глобина

ция, з атрагивающая всего од 1-1 у пару нукл е отидов, может

силь но ухудшить приспособле нность органи з ма, если она

G

Т

GС

АС С Т

G

А С Т С С Т

G Т G С А С С Т G А С Т С С Т G Т G G А G ---

что структура и активность каждого бел ка зависят от е го

одна це пь мута н т ного

ам иноки слоп-юй последовател ьност и , белок с из мен енной

ге н а р-гл обин а

последовател ьностью ами нокислот может работать плохо

или вовсе не работать. К приме ру, бел ок гемоглобин ис­
пользуется

в

органи з ме

ч еловека

кислорода в крови (см. ри с .

дл я

одна нуклеотидная

транспортировки

замена{~)

(А )

4-20). Измен е ние даже одного

н у клеотида может привести к тому, что клетки будут про ­

·О,

,

изводить гемоглобин с не ве рной п осл едовательностью
аминоки слот. Од на и з таки х мутаций служит причиной

Г)

болезни , называемой серповид110-клеточ11ой анемией (sickle-ceJI anemia) ( РИС . 6-19). Такой изм е ненный r·емоглобин
обладает меньшей раство римост ью , L[ем нормальный, и

...::,.

формирует mпч атые структуры , образова11ие которых и
приводит к и зме н е нию формы э ритроцитов . В результате

кровяном русле . Поэтому у болыrых, страдаю щи х се рло ­

г~

вид r rоклеточ1-юй а н е мией, содер жа ни е красны х к ровяны х

r? .,
'~-J

,J

~

J

о

.J ,_ ")

~

r<летки становятся более хрупкими и часто раз ру ш аются в

клеток в крове ни же, чем у здоровых люде й ( см. рис.

Q

( Б)

6-19,

5 м км
РИС .

Прим е р се рповидно клетО LJ НОЙ анемии, являюще йся

н аследст13е r-1 r-rым забол е вани.ем, иJJJr юстрирует необхоли­

(В)

L_J

В) , LJТO может выз ыватъ слабост ь, головокруже1-1 и е, боли и
отказ работ ы органов .

G А G G А G ---

~

прои зо шл а в жиз н е нно важном уч аст ке Д НК Из-за того

6-19. Замена

L_J
5 мкм

одного нуклеотида вызывает серповиднокле ·

точную анемию. ( А ) Р-Глобин
гемогл оби н а (см . рис.

4-20).

-

это одна из субъединиц в составе

Н уклеотидная замена (мутация) привела

мость защиты клеток зарол ыш е вой ли нии (репродуюпuв­

к тому, что с гена Р-глобина считывается субъединица р-глобина , в ко ·

иьL"'С 1<Леmо-к.) от м утаций . Мутация

торой глутаминовая кисл ота заменена на валин в шестой позиции . (На

13

клетке зародыш е вой

линии будет пе редаr-1 а всем клеткам м 1-югоклеточного ор ­

р исунке п оказан ли ш ь небольшой участок гена . Все го р-глобин содер ·

rа r-1и з ма, который и з нее разов 1,ется , включая его собст ве н -

жит

1-1ые клетки зарод ыш евой ли нии , 1-1еобход имы е для произ­

р-глобина

водства следующе го поколения.

ся тол ько в одном из генов р-гл обина , то это обыч н о н икак не отражает·

146

аминокислот.) В геноме ч еловека содержится две копии гена

-

по одной от каждого родителя . Если такая мута ция име ет·

Осталь ные клетки м но гоклето чного ор1·а низма ( со­

ся на здоровье человека, потому что « сломанная » копия гена компенси·

матические) тоже должны быт ь за щищены от мутаций ,

руется нормальной. Но если человек унасл едовал две копии мутантного

накапливающихся при жиз ни особи. Нуклеотидны е зам е­

гена Р-глобина , о н страдает серповидноклеточной анемией . ( Б ) Нор·

ны , появляющиеся в со матическ и х кл етках , могут прив е­

мал ьный эритро цит. ( В ) Эритроцит больного се рповидноклеточной ане·

сти к разв итию клеток, бесконтроль но разм н ожаю щ ихся

мией . Хотя сер п овидноклеточная анемия

в ущерб осталь ным клет кам орга низ м а. В худ ш е м слу ч ае
бесконтрольное ра:зм ноже ни е клеток привод ит к раку. Это
заболевание, отв тстве нное за 30% смерт й 13 Европе и

жизни, иногда такая мутация полезна организму. Л юди, страдающие

Севе рной Аме рике, развивается в ос новн ом и з-за вы з ван­

вызывающий малярию , плохо растет в эритроцитах , содержащих сер ·

ного случайн ыми мутациями посте п е нно го н ако пле 11 11 я

повидноклеточную форму гемоглобина .

204

ГЛАВА

- это болезнь , угрожающая

заболеванием или являющиеся носителями одной копии мутантного
гена , обладают большей устойчивостью к малярии , поскольку паразит,

6. ДНК : р епликация , репарация и рекомбинация


3500~ - -- - - - - - - - - - - - -- --

-

~

Каждый раз, 1<огда репликативный аппарат ошибается,
он оставляет за собой неправильно спаренный 1-rуклеотид.
Если 0 ~1 оста.1-1ется н еис правле нным, то после следующего

3000

раунда ре пликации превратится в мутацию ( РИС.

s

:i:

отидов, распознает их в ДНК, вырезает участок одной и з

Q)

@
2500
'-'

цепей и синтезирует ее заново на матрице оставшейся цепи

со

:i:

8
8

6-21 , А) .

Комплекс, отве ч ающий за репарацию н ес п ареиных нукле­

а:

( РИС . 6-22) . Чтобы эффективно исправлять ошибки репли­

о

кации, система ре п арации неспаренных нуклеоти дов всегда

2000

должна вырезать только новосюпезированную цепь. Если

со

:i:

будет вырезана другая цепь ( <<старая >> ), то ошибка будет уд­

~
со

воена, а не исправлена (см. рис.

~ 1500

6-21 , Б

и В).

До сих пор неизвестно, как система репарации н еспа­

Q)
со

~

ренных нуклеотидов отличает нов осинтезированн ую цепь

5

51000

от .~ старой>> у эукариот. Есть свидетельства, что во всю
1-юво синтезированную ДНК

s

-:,-

-

500

мужчины

женщины

оба пола

щую цели

-

-

и в отстающую, и в веду­

вносятся одноцепочечные разрывы. Именно

эти разрывы являют ся сигналами, помогаю щими системе

р епарации 1·1 еспа р енных 1tуклеотидов найти 1-1-ужную цепь

(см. рис.

6-22).

Система репарации неспаренных 1-rуклеотидов играет
1-4
<1

10-14 20-24 30-34 40-44 50-54 60-64 70-74 80-84
5-9
15-19 25-29 35-39 45 -49 55-59 65-69 75-79 85+
возраст (лет)

важную рол~, в защите от рака. Наследственная пр едра с­

положенност ь к некоторым видам рака (особенно к н еко­
торым типам рака толстого кишечника) вызывается мута­

РИС. 6-20 . Заболеваемость раком с возрастом увеличивается. На

циями в генах, коди рующих белки системы репарации не­

графике представлена зависимость количества вновь диагностирован­

спаренны х нуклеотидов. Люди получают две копии этих

населения от возраста, в котором постав­

генов (по одной от 1<аждого родителя), и те, у ко1·0 есть

лен диагноз , у мужчин и женщин. Большинство видов рака вызывается

только одна повр ежденн ая копия гена, н е проявляют сим ­

ных случаев рака на

100 ООО

накоплением множественных мутаций . Из -за того что в клетках посто­

птомов рака, пока из -за случай ны х соматических мутаций

янно происходят мутации накапливающихся и передающихся следую­

не повредится вторая копия этого гена. После деле ния

щему поколению клеток, шанс, что клетка станет раковой , значительно

такая мутантная клетка даст потомство, не имеюще е ра­

увеличивается с возрастом. Этот рисунок впервые публикуется в рус­

ботаю1цей системы репарации неспаренt~ых нуклеотидов.

ском издании . (Источник:

Такие клетки при деле нии будут накапливать мутации бы­

http://commons.wikimedia.org/wiki/File :Age_
Specific_SEER_lncidence_Rates_2003-2007.svg; график построен по
данным SEER Cancer Statistics, Age-Specific SEER The Surveillance Epidemiology and End Results Program (SEER) of the National Cancer lnstitute
(NCI) lncidence Rates, 2003-2007, tаЫе 2.7. )

стрее, чем нормальные. Так как большинство видов рака
воз ни кает из-за накопления множественных мутаций (см.

рис.

6-20), у

клетки без системы репарации н еспаренных

нуклеотидов заметно возрастают ш ансы стать раковой.
Поэтому человек, у наследовавший мутантную копию од­
ного из генов этой системы, имеет наследственную пред­
расположенность к раку.

Система репарации неспаренных
нуклеотидов удаляет ошибки,
допущенные репликативным аппаратом

Уже 1·оворилось , что в целом высокая точность реплика­
тивноrо аппарата клетки предотвращает ошибки при ко­
пировании ДНК Несмотря на эту защиту, такие ошибки
все же возникают. К счастью, у клетки есть в запасе е ще
одна система

-

систе.ма репарации иеспареш1ых иуклео ­

ТАБЛИЦА 6-1. Количество ошибок
Доставка местных отправлени й

13 опозданий
100 отправлений

1-го класса Почтовой службой США

на

Багажная система авиалиний

Одна потерянная сумка из

Профессиональный стенографист,

Одна ошибка на

rпидов (DNA mismatch гера i1· ystem), исправляющая эти

печатающий со скоростью

Неточности. Сам репликативный аппарат делает пример­

120 знаков в минуту

н о одну ошибку на

Вождение автомобиля в США

Одна смерть на

107 скопированных нуклеотидов. Си­

стема р е пара ции неспа ренных нуклеотидов исправляет

99% этих о шибок, повышая точность копирования ДНК
до одной ошибки н а 109 нуклеотидов. Точность , которая
достигается при репликации ДНК, гораздо выше точности

Процессов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной
Ж и з ни (ТАБЛ. 6-1).

200

250 знаков

104 человек в год

Репли кация ДНК (без репарации

Одна ошибка на 107

неспаренных нуклеотидов)

скопированных нуклеотидов

Репли кация ДНК (с участием

Одна ошибка на 109

системы репарации неспаренных

скопированных нуклеотидов

нуклеотидов)

Репарация ДНК

205


н ет мута ции

мутация

новосин тез ированная

новосинтезированная

новосинтезированная

цепь

цепь

це пь

следующий

следующий

следующий

раунд

раунд

раунд

репликации

репликации

репликации

ДНК

ДНК

ДНК

матричная цепь

матричная цепь

матричная цепь

БЕЗ РЕПАРАЦИИ

ВЫРЕЗАНИЕ НЕСПАРЕННОГО

ВЫРЕЗАНИЕ НЕСПАРЕННОГО

НУКЛЕОТИДА И РЕПАРАЦИЯ МАТРИЧНОЙ
( « СТАРОЙ » ) ЦЕПИ

НОВОСИНТЕЗИРОВАННОЙ ЦЕПИ

НУКЛЕОТИДА И РЕПАРАЦИЯ

(В)

(Б)

(А)

РИС.

нет мутации

мутация

нет мутации

6-21. Чтобы избежать мутаций, ошибки,

произошедшие во время репликации ДНК, долж­

ны быть исправлены. (А) Если неспаренный нуклеотид не исправить, это приведет к образованию
мутации в одной из дочерних цепей ДНК после репли кации . (Б) При использовании новосинтезирован­

ной це пи в качестве матрицы для исправления неспаренного нуклеотида после репликации обе доч е р­
ние молекулы ДНК унаследуют мутацию . (В) Мутации удастся избежать , если использовать в качеств е
матрицы для репарации исходную , «старую », цепь ДНК . Именно схема (В) используется клетками для

репарации неспаренных нуклеотидов (см . рис .

неспаренный
нуклеотид

/
--..

одноцепочечный

разрыв (ник)

"

6-22).

новосинтезированная
цепь

РИС.

6-22.

Белки системы репарации неспаренных нуклеотидов

исправляют ошибки, возникающие при репликации ДНК. Когда во
время репликации в цепь ДНК включается не тот нуклеотид , он непра­

\

старая цепь

j

вильно спаривается с нуклеотидом в другой цепи ДНК , что приводит к
нарушению геометрии двойной спирали ДНК . Это нарушение распоз ­

БЕЛКИ СИСТЕМЫ РЕПАРАЦИИ

нается белками системы репарации неспаренных нуклеотидов , которые

НЕСПАРЕННЫХ НУКЛЕОТИДОВ

удаляют вновь синтезированную ДНК . Брешь , образовавшаяся в ново ­

СВЯЗЫВАЮТСЯ С ДНК

синтезированной ДНК , застраивается ДНК-полимеразой , обладающей ,
так же ка к и полимераза репли кации , корректирующе й активностью .

Затем ДНК-лигаза сшивает оставшийся после застраивания бреши од­
белки системы репарации

ноце почечный разрыв (ни к ) . Как показано на рисунке , ник может стать

неспаренных нуклеотидов

знаком , отличающим новосинтезированную цепь ДНК (содержащую

ошибку) от « старой цепи » . Известно , что такие разрывы образуются при

j

УДАЛЕНИЕ

НОВОСИНТЕЗИРОВАННОЙ
ЦЕПИ ДНК

синтезе отстающей цепи (см. рис .

6-12);

они возни кают и на лидирую ­

щей цепи, только реже . После прохождения репликативной вилки ники

сохраняются очень недолго (см . рис. 6-16) , поэтому репарация неспа ­
ренны х нуклеотидов дол ж на происходить как мож но быстрее.

ЗАСТРОЙКА БРЕШИ ПРИ

j

ПОМОЩИ ДНК- ПОЛИМЕРАЗЫ
И ДНК-ЛИГАЗЫ

ДНК в клетках постоянно испытывает

и з н их необх одим свой механиз м реп ара ции . Как любая

повреждающие воздействия

м олекула в клетке , ДНК прете рпевает тепловые столюю­

Как м ы тепе рь знае м , и без того редк ие ошиб ки репли ка­
ции Д НК могут быть и справле ны лр и помо щи си стемы

водят к значительным хи м ическим и зменениям в ДНК К

ре п арации нес парен ны х нуклеотидов . Однако есть ми оже­

это предложени е, в сум ме около триллио на

ве ~1ия с д р у ,- ими м олекула м и. Ч асто так и е ~ вст речи ~ пр и­

ство других ва р иа нтов повреждения ДНК, и для каждого

206

примеру, за в ремя, которое понадобится, чтобы про ч есть

(10 12) пу р и:1-ю в ых осн о вани й (А и G) будут потеряны в вашей ДН К

ГЛАВА 6. ДНК : репликация, репарация и рекомбинация


(А) ДЕПУРИНИЗАЦИЯ

6

N
J
/Н
н-< ,l __ J /н
N

N

сахар

~

1

О= Р - О -СН2

6-

депуриниэованный

N

о

ГУАНИН

ГУАНИН
цитозин

УРАЦИЛ

н , N ,.,.. н

(~ ДЕЗАМИНИРОВАНИЕ

Ь

H~

N

H,.,..l NA

O

О=~-0-кl
&- о
цепь ДНК

РИС.

6-23.

цепь ДНК

Апуринизация и дезаминирование

-

самые распространенные химические реак­

ции, вызывающие серьезные повреждения ДНК в клетках. (А) В результате апуринизации гуанин

и аденин отсоединяются от ДНК. (Б) Самый распространенный тип дезаминирования

-

дезамини ро ­

вание цитозина (при этом он превращается в урацил), но дезаминироваться могут и другие азотистые
основания. Реакции (А) и (Б) происходят вдвухцепочечной ДН К, и ни одна из них не разрушает сахаро­
фосфатный остов (выделен оранжевым). Для простоты по казана только одна цепь двойной спирали .
из-за

с понта1-1 ного

химического

процесса,

~1.аз ываемого

апуриииза-цией (depшinisation) ( РИС. 6-23). Апуринизация

аминогруппы, или дезамииироваиие (deamiпation) цито­
зина с образованием основания урацила (см . рис . 6-23).

не разрывает сахаро-фосфатный остов, но вместо этого

Некоторые высокореакционноспособные побочные про­

приводит к повреждениям, которые напоминают выпав ­

дукты клеточного метаболизма могут случайно вступать

LUие зубы. Еще одна распространенная реакция

в реакции с азотистыми основаниями, изме~rяя их способ-

-

потеря

Н

0 :--..

~ C- -N
N/
----------С =О

ультрафиолетовое

о

излучение

1

-0 - Р= О

-о

1

о

0~с-с/
/
N -..... ~сн з
N
С =О

~cl-~

-........с-с/
н

"-снз

ТИМИНОВЫЙ ДИМЕР

РИС.

6-24. Ультрафиолетовое излучение солнечного света вызывает повреждения ДНК. Два сосед­

них тиминовых основания ковалентно соединяются друг с другом с образованием тиминового димера . Осо ­
бенно подвержены этому типу повреждений клетки кожи, находящиеся под воздействием солнечного света .

Репарация ДНК

207


возникновение мутации

возникновение мутации

старая цепь

ДЕЗАМИНИРОВАННЫЙ

депуринизованный

цитозин

аденин

!

-<

t

!

новая цепь

-<

гуанин
заменился
на аденин

пара А-Т утеряна

РЕПЛИКАЦИЯ

Р Е ПЛИКАЦИЯ
ДНК

t новая цепь

ДНК

нов ая цепь

старая цепь

старая ц е пь

нет мутации

(А)

РИС.

нет мутации

(Б)

6-25. Химические модификации нуклеотидов приводят к мутациям, если не были вовремя

исправлены. (А) Если дезаминирование цитозина не исправлено , оно приводит к замещению одного

основания другим во время репликации ДН К . Как показано н а рис .

6-23, в результате дезаминирования

цитозина образуется урацил . Урацил отличается от цитозина по способности к образованию водород­
ных связей и предпочтительно образует пару с аденином. Поэтому ре пл икативный а пп арат напротив
урацила вставляет в растущую цепь ДН К аденин . (Б) Неисправленные последствия апуринизации мо­
гут привести к потере нуклеотидной пары . Когда репликативный аппарат сталкивается с отсутствием
основания в нуклеотиде , он может перейти к следующему, полноценному, нуклеотиду, как показано на

рисунке . Тогда в новосинтезированной цепи образуется однонуклеотидная делеция . В других случая х
(на рисун ке не показаны) репликативный а пп арат вставляет напротив отсутствующего основания не ­
правильный нуклеотид , что тоже приводит к мутации.

ность образовывать водородны е связи. Ультрафиолетовое

Репарация ДНК поддерживает

излуче ние, которое содержится в солнечном свете, также

стабильность генов

повреждает ДНК. Оно способствует образованию кова­
лентных связей между двумя сосед ними тиминами, что

Тысячи случайных повр еж;(е ний, кажд ый деиь образую­

11риводит к образованию тим.иновых димеров (thyiniп e

di -

щих ся в ДНК кл етки LJеловека и з-з а контакта с вредны­

Это лишь небольшая часть всех ловрежде 11ий , кото ­

дающими ДНК, ре парируются раз ными механизмами;

in eг), лока за нных ~1а РИС.

ми метаболитами или химич ес кими агентами, повреж ­

6-24.

ры е могут возникать в н ашей ДНК. Если 0 1-1и не будут ре­

каждый и з 1-1и х обеспечивается своим набором фе рмен­

ларирова1-1ы , многие и з ~1их лриведут либо к зам ене одной

тов. Практически все эт и механизмы основаны на том,

пары нуклеотидов на д ру гую из-за неправильного снари­

что ге нетическая информация существует в двух копи­

вания оснований во время репл икации, либо к делеции од-

ях

1-ю 1·0 или нескольких нуклеотидов в дочерней цепи посл е

тельность в одной из ц ел ей случайно 1 ювреждается, ин­

-

двух цепях двой:~юй спирали ДНК: есл и посл едова­

репликации ( РИС. 6-25) . Некоторы е типы поврежде 1-rий:

формация 1-1 е теряется безвозвратно, потому

(н.апример, тиминовые димеры) приводят к зас тр ева нию

копия хранится в комплем е нтарной последо вател ы-юстн

ре пликативиого аппарата на м есте повреждения. Все

ти

д ругой це пи . Бо111,шинство и зме не ний приводят к воз-

нарушения приведут к катастрофич еским посл едст виям

11ию-rовен и ю структур, которые 1-1 и когда не встречаются в

для оргаиизма, если н е будут исправлены.

LJTO

вторая

не поврежде нной ДНК, по этому правиль ную цепь всегда
легко отличить от r1с порчен 1-юй.

ВОПРОС6-4

А Обсудите следующее утверждение : « Ферменты репарации

fl' ДНК , исправляющие последствия дезаминирования и апу-

8

ринизации , должны преимущественно распознавать эти по­

Общий подход к р е парации поврежде ни й в ДНК
схематично и зображе 1-1 на РИС . 6-26 .

1.

вреждения на новосинтезированных цепях ДНК •.

208

01-1

состоит из трех

эта пов .

ГЛАВА 6. ДНК: репликация, репарация и рекомбинация

Поврежде 11ная ДНК распоз нается и удаляется прн по ­
мощи одного из меха 1-1из мов . В этот процесс вовлеLrены
н уклеазы, раз рываю1.ци е ковале нтные связ и , которыми


2.

поврежде нный нукл отид крепится к остальной ДНК

механизму.

После этого в цепи на месте поврежде ния остается н е­

точно так же удли 1-1яют цепь ДНК в направл е нии от

бол ьшая б ре шь.
Ре парационная ДНК-палим раза связ ывается с З'-ги­

к З' и так же использу ют корректирующую активность,

чтобы убед иться в том, что новосинтез ированная це пь

дроксилыюй груп пой разреза нной це пи ДНК Она за­

скопирована правильно. Во миогих клетках для репара­

пол ня ет б решь , копируя информацию , кото рая хра­

ции служит тот же ферм е нт, который заполняет бреши

нится в

примеру,

ре парацио н ные

полимераз ы

5'

после удаления РНК-праймера во время 1 юрмал 1,ноео

н еповрежде ю-юй це пи. Хотя репарационная

полиме ра.за и отличается от ДНК-полимеразы, репли ­
циру ющей геном, она синтезирует ДНК по такому же

К

процесса репликации.

3.

После того как ДНК-полимера.за за полнила бре ш ь, в са ­
хара-фосфатном остове репарированиой цепи остается

раз рыв. Этот раз рыв сшивает ДНК-лигаза

-

тот же фер ­

мент, что соединяет фрагм енты отстающей цепи ДНК
во время р е пликации.

j

ПОВРЕЖДЕНИЕ

« ВЕРХНЕЙ » ЦЕПИ

Этал ы

2 и 3 универсальны практически

для всех типов ре ­

парации ДНК, включая р е парацию н есл ар е н ных ну кл ео­

тидов. Тем н е менее на этапе

1 используется

целый набор

ф е рме нтов, уз н аю щих и удаляющих различны е типы по ­

вреждений.

О важности
шаг

1

j

эксцизия

процессов ре парации можно судить

по тому, скол ько кл етка << вкладываен в ф е рм е нты ре ­

ПОВРЕЖДЕННОГО

парации . Такие одноклеточ1-1ые организмы, как дрож­

УЧАСТКА

жи, имеют более

50

разл ичных белков, принимающих

участие в р е парации; у ч еловека механи змы р е парации

еще сложн ее. Свидетельством важности процессов ре ­
парации служат также последствия их наруше ний .

ша г 2

j

ДНК-ПОЛИМЕРАЗА
СИНТЕЗИРУЕТ НОВУЮ

Ha-

пpиrvrep, люди, страдающие ген етич ес ким заболева нием

пигмеитиая ксеродерма (х е гоdсгmа

pigmentosum), н е
6-24),

« ВЕРХ НЮЮ » ЦЕПЬ

могут р епарировать тими1-JОвые димеры (см. рис .

НА МАТРИЦЕ « НИЖНЕ Й»

по с кольку у наследовали деф ектн у ю копию гена од ного

из белков, вовлече нных в этот процесс . У таких боль­
ных р аз виваются сильные пораж е ния кожи, в том чи сле
рак кожи , так как тиминовы е димеры нак а пливаются в

шаг 3

j

ДНК-ЛИГАЗА ЗАШИ~АЕТ
ОДНОЦЕПОЧЕЧНЫИ

клетках, подв ерженных воздействию солне чного света,
и по ст оянно вызывают мутации .

РАЗРЫВ

Двухцепочечные разрывы

могут быть репарированы быстро, но неточно
Особ е нно опасн о для ДНК, когда обе це пи двойной спи­
В ИТОГЕ : ДНК РЕПАРИРОВАНА

ра л и р аз рываются, и н е оста ется н етронутой ц е ли , сло­

соб 1-JОЙ посл ужить матрицей для качеств е нной почи,-rки.

РИС . 6-26. Универсальный механизм репарации с использовани­

Ионизирующая радиация , поломки

ем комплементарной цепи ДНК состоит из трех шагов: эксцизии

вилке, силь ные окислители или р еак ционносло собные

(вырезания), застройки и лигирования. На первом шаге {эксцизия)

клеточ1-1ые метаболиты

место повреждения в ырезается п ри помощи одной ил и нескол ьких
нуклеаз , специфич ных к данному типу повреждений ДНК. На втором

таких повр ежде ний ДНК Если двухцелочсчны е раз­

шаге {застройка) исходная последовательность восстанавл ивается
Репарационной ДН К-пол имеразой , которая застраи вает бреш ь, обра­
зовавшуюся после стадии вы резан ия. На третьем шаге {ли гирова н ие)

фрагментации хромосом и поте ре генов во время деле-

-

в р е п л икативной

в се это может быть причиной

рывы н е будут репа рироватr,ся , это быстро прив едет к
1 1 ия к летк и .

В ходе эвол юции появилось несколько механи з мов

дН К-лигаза зашивает разрыв, оставшийся в сахара-фосфатном осто­

дл я починки это го потенциал ьно опасного типа ловр еж ­

ве Репарируемой цеп и . Во время этого п роцесса , требующего затраты

дени й. В соматических клетках ч ело века чаще всего для

АТФ, два соседних нуклеотида соединяются фосфодиэфирной связью.
Для репарации некоторых повреждений (например, дезаминирования
цитозина , см . рис . 6-23) вырезается только один нуклеотид, как пока­
зано на рисунке. В других случаях, например для репарации тиминовых
димеров, из поврежденной цепи ДН К удаляется более длинный участок
АЛиной 10- 20 нуклеотидов.

р е парации двух це поч ечных р аз рывов и с пользуется меха­

низм неrомолоrичн оrо соедин е ния концов (вoпl10111ol o­

goL1s end-joiпin g) .

В ходе это го процесса два конца раз ры ­

ва просто сближаются при помощи специал ,,ноео набора
ферментов и соединяются при помощи л иrирования. Хотя
раз рыв р еп а рир уется , н екоторо е колиl1ество нуклеотидов

Репарация ДНК

209


случайный двухцепочечный разрыв

/

Сведения о точности репликации и репарации ДНК
сохранились в последовательностях геномов

нуклеаза обрабатывает

l

образовавшиеся концы

Из этой главы мы уз нал и , как послсдоватсл ы-юсти ДНК
ре п л ицир у ются

и

р с парир у ются

с вы со ко й то чно ст 1, ю .

Вследстви е это го измен ни я в ДНК накап ливаются в
процессе эволюции очень медленн о. С вой в 1<ла;1 вносит и
естестве11 11ы й отбор: хотя большшrство r.,rутаци й пе вредят
о рган-и зму и н

приносят п ольз ы , те и з 1-шх , кот ор ые все­

таю·\ ЮШЯ\ОТСЯ Щ)СДJIЪН,11,t , 'i) J\ \\MI-I.\\Vф

\О'Т СЯ 1-1.З nоnу ЛЯ \\Ю\

из -за того, что особи с изм е1-rенной ДНК 1; 1,160 умирают,
либо обладают мало й плодов итость ю. Но даже там, гд е

отбор не действует (во мноrих участках ДН.К, vlЗм.et\eш-t
последовательности которых не
В ИТОГЕ: ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫЙ
РАЗРЫВ РЕПАРИРОВАН

С ДЕЛЕЦИЕЙ НЕСКОЛЬКИХ
НУКЛЕОТ ИДОВ В МЕСТЕ РЕПАРАЦИИ

no1:1p

дит орга ни з му) , ге­

нетический текст т щател ь н о сохра няется в течен ие десят­

ко в ми ллионов л ет. Поэтому после
э вол юции

посл едовательно сти

5 млн

лет раздел ьн ой

ге номов ч ел ов ека и

п анзе осталис ь идентичны тто край н е й мере на
РИС.

6-27.

Клетка может использовать негомолоrичное соедине­

шим ­

98%.

Да.же

у люде й и китов, раздельно э вол юционировавших в

10- 20

ние концов для репарации двухцепочечных разрывов. Исходная

ра з

последов а тел ьность ДНК изме н яе тся после репарации при помощи

рых х ром осом чрез вычайно п охожи, а амююк ислотны е

этого « тяп-ляп»-механизма . И змене ния чаще всего прои зводятся не­

последователыюсти многих бедков и вовсе пра ктическ и

большими деnециями .

идентичны (РИС . 6-28) . Таким образом, в наш-и х rеномах и

долъш е,

ну кле отид ные

послед ов ательно с ти

н екото ­

в генома.х н а ших ф ил оген етических родств е нни ков содер ­
жатся посла ,-rия из дав н е го про шлого. Благода ря то чности

в месте соедин ения теряется (РИС. 6-27) . Поскольку оч ень

ре пл икации и ре п арации ДНК 100 мл н лет э вол юции слабо

важную информацию содержит лишь небольшая часть

из м е нили са мое важное и з записанной в н ей информации.

ге нома млекопитающих , та.кой << ТЯП-ЛЯП >>- механиз м, оч е­

вид но, являетсн вполне приемлемым ре ше ни ем проблемы
р е парации разорванных хромо с ом.

ГОМОЛОГИЧНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ

В клетках есть и альтернативная, безошибочная стра­

До сих пор мы обсуждал и то , как последо вательно сть

тегия ре парации двухцепочечных разрывов , особенно воз­

ДНК из поколения в гюкол е н-ие сох раняется с очень не­

никающих на свежереттл ицированной ДНК Этот мех а­

большим и изме н е ни ями при помощи процессов ре п л и ­

низм, наз ываемый zомологичиой ре1сомбииацией (lюmolo­

кации и р е п а рации. Как под ч е ркивал ось выш е , в ос нов е

goнs гecomЬinatioo), обсу ждается в следующе м разделе

этих механизмов лежит избыточность информации н

д анной гл авы.

ДНК, каждая це пь которо й с п а ре на с друтой ц епью , со ­

держаще й комплеме нтарный н абор нуклеотидов . Есл и
нуклеотиды в одной це пи повреждаются , они могут б ыть
восстано влены с и с пользовани е м инф о рмации , в зятой из
комп ле ме нта рной це пи.
Но что прои сход ит с ге нетической информ аци ей , есл н

оба нуклеотида в п а ре оказ ываются од новре м е нно по­

вреждены , на приме р , когда лроисход ит двух це поч е ч1-LЫЙ
раз рыв? Как rовори лосъ вы.ш е, од н им из подходов для
и с правле ния таки х повр еждений сл ужит меха ни з м н е го ­
мологичного соедин е ния

концов , при

котором

р аз рывы

б ы стро сшива ются . Для этого обычно при ходится поже рт­
вовать информа ци е й , которая наход илась в м есте повр еж­
де 1-rия. Более эл гантное реше ни е закл юч ается в том, ,по­
Гены, отвечающие за определение пола, у людей и ки­

бы испол ьзовать в качестве источника ге нетич ес кой ин ­

тов очень похожи. Хотя строен ие тела разительно отличается, люди

формации другую д войную с пираль, что по з во ля ет акку­

и киты построены из одних и тех же белков . Нуклеотидны е последова ­

ратно починить повреждени е. Эта страте гия реали зуется

РИС.

6-28.

тельн ости многих генов людей и китов чрезвычайно схожи , не смотр я на

в виде по следо вательно сти р е акций, наз ыв ае мы х вм есте

миллионы л ет, прошедших со времени разделения эволюционных ли ­

гомологичной рекомбинацией

ний их предков . Н а рисунке по каза на часть последовательности гена,

tion).

(]1011101ogous

1·ecomЬiп a ­

Глаш-,а.я роль данного м еха низ ма состоит в том, что

опр еделяющего развитие организмов мужского пола у кито в и людей .

01-1 обесл ечивает об м еи ген етич ес кой информаци е й между

Посл едовател ьности генов кита и человека написаны друг под другом ,

двумя гомоло г и,rными моле кулами Д НК

сов п адающи е нуклеотиды выделены цв етом .

имеющими одина ковые или оче нь похожие ну кл отид ны е

21 О

ГЛАВА 6. ДНК: репликация, репарация и рекомбинация

-

мол екулами ,


п оследо ватель ности . В ходе этого про цесса и нф о рм а ци я,
соде р жащая ся в 11 е по в р ежде нн ом ду 1 1 ле 1< се Д НК, и с пол ь ­
зует ся в ка ч еств е м а трицы для то чн о й р е п а р а ци и р азо­
р ва н ,юй д в о йн о й с п и р ал и ДНК

двух цепочечный разрыв

(А)

~

5'

гомо -

З'

логичные

J

дупл ек сы

З'

Кром е с вое й рол и в ре парации юм ол оrич н ая рекомби ­

ДНК

5'

нащ1я создает rс1-1 сти-ч еское раз нообразие во время жейоза.

(m eio is) - сп е циализ ирова нн о го тин а д еле ния , при по­
мощи которого организмы с половым размножением про ­

И Зt1ОJ\51.Т 11O Jюt1ы е кл етки. В даш-ю м сJ1учае гом.оnогична.я

1)скомбина11.ия щюсто обменивае1: rе1'l.етическу1O и1-1форма­

З'

5'

IИНВАЗИЯ ЦЕПИ

цию между материнской и отцовской хромосомой, и по лучается х р омосома с 1юво й гrоследо вателы-юстыо ДНК.

точ к а ветвления

Потеш.1,иалы-\а.я эt1ошоци.ою1а.я вы\·од.а такош механизма
состо ит

t1 то м ,

LJТO ои ге нерирует н абор новых (воз мож н о ,

полез ных) комб инаций генов, которые будут передавать­
ся следующ е м у поколе нию .

З'

5'

При пове рхностном взгляде точ н.ая репарация д вух­

1 СИНТЕЗДНК
~ И МИГРАЦИЯ ВЕТВИ

цеrю <rеч ных раз рыt1ов и обме н ге нетич ес кой информаци ­

между собой про­

(Г) 5'

ц есса ми . Но из этого р аздела мы узнаем , что м ех а низ мы ,

З'

е й при м ейозе кажутся

1-te связанными

З'

5'

лежа щи е в осно ве эт их процессо в , о ч е нь с хож и и в ып ол ня -

ются при помощи схожи х реакций и наборов белкоt1.

3,
5'

/ ПРОДОЛЖЕНИЕ МИГРАЦИИ
~ ВЕТВИ И СИНТЕЗ ДНК

Для гомологичной рекомбинации
необходимы протяженные участки
со схожими последовательностями

Вне зави с имости от того, п рои сходит репара ция раз рыва
в Д НК ил и обм ен нуклеотид ными последовател ьностями

З'

5'

!ЛИГИРОВАНИЕ ДНК

и дет во вре мя мейоза, важн ей ш им свой ством гомологич ­

ной реком бинац ии явля ется то , что дл я нее н еобход имы
дв е дво й~гые спирали ДНК, в кото рых содержатся про­

тяженны е участки с очень п охожими (гомологичными)

З'

последовател ьностями. Нал ичие гомологии может б ыть

5'

об наружено , если цепь одного ду плекса окажется вовлече­

В ИТОГЕ : ТОЧНАЯ РЕПАРАЦИЯ

ДВУХЦЕПОЧЕЧНОГО РАЗРЫВА

на в образовани е водородны х связей с компл ементарной
цепъю другого дуплекса на довол ы-ю протяженном участ-

РИС.

1<е. Совпадение посJ1 едовательностей не должно б ыть то ч ­

парировать двухцепочечные разрывы. Этот м етод предпочтительно

ным,

и сп ользуетсs:~ длs:~ ре п а ра ции двух цепоч ечных раз рывов в ДН К , возни ка­

1-ro

они должны б ыть оче н ь по хож и , чтоб ы го моло ­

гичн ая рекомбин а ция заве р ши лась ус пеш н о .

6-29. Гомологичная рекомбинация позволяет безупречно ре­

ющи х посл е репли ка ции ДНК , н о до того , как кл етка усп ела поделитьсs:~ .
( С раз ре ш е н и s:~ Н а ци о н ал ьно й акаде м ии наук США из : М.

Двухцепочечные разрывы

McVey et а/. ,

Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101: 15694- 15699, 2004.)

могут быть безошибочно репарированы
при помощи гомологичной рекомбинации

Часто гомологичная ре ком б ин а ция и н ициируется, когда

(рис .

двуце поче чный раз рыв возникает сразу после репарации

ся при помощи ре парационной Д НК - n олиме р аз ы, в каче ­

дНК В этот момент ду плицированные двойные спирали
все еще н ах одя тся н едалеко дру г от друга ( РИС. 6-29, А) .

для нач ала репарации нуклеаза создает одноцепочечные
концы в местах раз рыва, съедая у часто к одн о й из компле­
ментарны х цеп е й (ри с . 6-29, Б) . При п омо щи сп е ци аль­
ны х белко в один из одноцепочечньrх у ч астков внед ря ет­
ся в rомол огич 11ый дупл е кс Д НК, форм ируя водо родн ы е
с вя з и с ко мл ле м е 11тарной цеnъю. Есл и возникает протя­

женный уч асто к, на котором п ро исход ит с парива ни ос 1·10ва ,-1ий, создается точ 1<а ветвле ния (brancl1 po iл t) - ме­
сто, rде пе ресекаются дв е цел и Д НК и з разных ду пл ексов

6-29, В) .

В этой точке вн ед рившаяся це п ь удл иняет­

ств е м атрицы для с и нтез а и спользуется комлл

це ш, (ри с .

6-29, Г) .

м е нтарная

Точ1<а ветвле ния затем << мигриру ет>>; в

результа те, с од ной сторо ны, водородн ые свя з и, соединя ­
ю ,ци е вн едр е нну ю ц rп, с ком п л е м е нтар 1-1 ой це пью , рв у т ся ,

а с д р уго й стороны

-

формир у ются новы е (р ис.

6-29, Д ) .

Репарация заве р шается дол олнителы-1 ым синтезом ДНК

с последующим л игированием (ри с.

6-29,

Е) . Об разуются

д ве цел ы е двойны е с п ир али ДНК, информация в одной из

которых была использова н а для по ч инки другой .
Гомол огиLrная реком бина ция может использоваться и
дл я репара ции м ногих др утих пов р ежде н ий , что дела ет ее

Гомологичная рекомбинация

211


мате -

наибол ее у ниверсаль ным клетоЧJ1ым механизмом репара ­
ции; вед1, все, что н уж ,-ю для этого ,

-

н еrюв режде1-rная

мологич н ая х ром осома, а о ни образуют я в 1<л тке постоЯ1 1 н о при каждом р аунде репликации Д НК. % Многоцелевая ,>

приро;щ 1·омологи-чной рекомби н ац ии объясняет, почему

/

ПАРА [ 5'
ГОМ ОЛО- З'

го­

'

ги чны х

ХРОМОСОМ

ри н ская
хромо­
сома
отцов­

/ екая

~.

хромо -

1 Д ВУХ Ц Е П ОЧ ЕЧНЫ Й

этот механизм и выполняющие ет белки чрезвычайно ко н ­

сома

~ РАЗР Ы В

сер вативны 1трактич ес ки у всех оргаt-1измов на Зем ле.

5'
З'

Гомологичная рекомбинация обеспечивает обмен

З'

5'

генетической информацией во время мейоза

1 НУКЛ ЕАЗА

~ з·-концы

У ореанизмов с половым разм ножени е м для производства
половых клеток

lrae

-

слерматозоидов и яйцеклеток (в cлy­

млекопитающих)

-

5'

необходим м е. йоз. Гомологичная

рекомби н ация важна для лра ви л ы-1ого протека ния этого
процесса (в гл .

З'
З'

5'

З'

образование

хромосомных

-кроссоверов

5'

З'

5'

19 мы разбе рем е го более подроб~ю) . Осо­

!ИНВАЗИЯ ЦЕПИ

бенно важно при гомологичной реко мби н ации во время
мейоза

УКО РАЧИ ВАЕТ

( c гoss­

5'

oveгs ), ко еда две гомолог ичные хромосомы, одна от отца, а

З'

другая от мате ри , сближаются и претерпевают обмен ге н е­

З'

тической информ аци ей ( РИС. 6-30). Обме н а может проис­

5'

!СИНТЕЗ ДНК

ходить в любо м месте гомологичных лоследовательностей

5'
З'

д ве го мологичн ые двойные спир али ДНК

З'

5'
ЗАВЕРШЕНИЕ СИНТ Е ЗА

!

ДНК С ПОСЛЕДУ ЮЩИМ
ЛИГИРОВАНИЕМ

1 Ц Е ПИ ДНК РАЗРЕЗАЮТС Я
~ В МЕСТАХ , ПОКАЗАН Н Ы Х ,
СТР ЕЛКАМИ И ЛИГИРУ ЮТС Я

5'
З'

З'

5'
В ИТОГ Е : ХРОМОСОМЫ С КРОССОВЕРОМ

РИС .

6-31.

В результате гомологичной рекомбинации во время

мейоза образуются кроссоверы. П осле того как белки , специфич­
н ые для мейоза, разрывают дупл екс ДНК и об рабатывают образовав­
ш иеся концы, гомол огичная рекомбинация проходит через образова ­
н ие двух структур Холлидея (отмечены голубыми прямоу гольниками) .
В этих структурах, названных в честь открыв ш е го их ученого , пере ­

крещиваются дуплексы ДН К . Ч тобы взглянуть на это п од эл ектронным
микроскопом , обратитесь к ВИДЕО

6.7. М ногие

шаги , приводя щие к

кросси н гове ру хромосом в мейозе , напоминают стадии гомо л огич н ой
ре п ара ции двух цепочечных разрывов ДН К (сравните с рис.

6-29).

кро ссове р н ы е м ол екул ы ДНК

РИС.

6-30.

Гомологичная рекомбинация происходит между мо­

двух молекул, ггринимаю щи х у ч астие в процессе. Эта пы

лекулами ДНК с похожей последовательностью нуклеотидов . В

раз р еза ния и сши вания ,

резул ьтате разрыва и соединения двух гомологичных ду плексов ДН К

д ит обме11, н астолько тоlrны, что при этом н е теряется и не

образуются две «к россоверные » моле кулы ДН К . Хотя две исходные

вставляется ни один н уклеотид .

при п омощи

которых прои схо ­

Из-за того что отцовская и материнская хромосомы

молекулы должны иметь п охожие п оследовател ьности, о н и не всегда

n

полност ь ю одинаковы , поэтому в результате кроссинговера могут полу­

11 ем 1rо 1·0

ч иться новые нукл еотидные п оследовател ьности.

результате кроссинговера в каждо й хромосоме об разуют-

212

rЛАВА 6. ДНК : репликация , репарация и рекомбинация

разшrчаются

по

своим

ло следователы-юстя м ,


ся новы е 1<омби нации 11ос;1 едовател 1, 1-юстей ДНК Польза,

дать кл етку, 1<ак пр авило, н е мо 1·ут. Поэтому и х п е редвиже­

которую п олучает потомство от такой п е ретс1совки генов ,

ния огра н иче и ы од н ой кл еткой и ее п отомками.

очсвид1-10, настолько велика, что гомологичная рекомби1-1а­
ция испол ьзуется для генера ц ии н овых вариантов п осл е­

У вирусов

(vi 1·uses)

все п роисходит по -другому. Яв­

ляясь, п о сути, просто генами, за ве р нут ыми в белковые

дователыюстей 1-1.с только у органи з мов , размножающихся

оболочки , вирусы п редставляют собой сверхмобиль ную

половым путе м. Этот м еханиз м распростран

и среди ор­

ДНК, которая может п окидать кл етку и и н фи ц и р овать

ганизмов с бес п ол ы м раз множе ни ем; наприме р , ба1<терии

д р угие. Этот раздел мы заверши м к ратким обсужде ни е м

использу ют его, когда п утем гори оиталыюzо переноса ге-

вирусов , котор ые в редких случаях п олезны для клеток ,

1юв ( h o гi zo n ta l

но являются п риL1и н ой многих опасн ы х заболева н ий.

gene tгansfeг)

1-1

получают гомологичную хро­

мосому из другой бактериальной клетки (см.гл.

9).

Гомологичная ре комби нац ия во время мейоза начи ­
нается с решительного ш а га: слец и альный фермент 1-1а­

ме ренно раз резает обе це п и одной и з рекомбинир ующих

В мобильных генетических элементах закодированы
компоненты, необходимые для их передвижения

хромосом, создавая в н е й дву ни тев ы й разрыв. В месте

В отличие от гомологичной рекомби н а ции п е редвиже ние

этого << nоврежде 1-r ия>> собираются белки, ч асть из кото­

мобил 1,ных ген ети ч еских эле ментов не нуждается в на­

рых г1 ринима т участие и в ре п арации двухцепочеч н ых

личии похожих последователь ностей ДН К Вместо этого

разрывов. Тем н е ме1-1 ее тел ерь эти белки п од уп равл

1-1и ем

в каждом элеме нте закодирован специалъ ны й фе рм еит,

мейоз-с п ецисj:JИLIНЫХ белков будут работать по-другому,

обеспечивающий его передвижен ие ( РИС. 6-32) . Некото ­

производя при помощи одного или нескольких к р оссо­

ры е мобильные генетические элементы содержат гены,

веров две моле кулы ДНК с новыми последователъностя­

инактивирую щие антибиотики ,

ми ( РИС. 6-31 ). Такой результат возможе н , л оскольку при

(ге н

мейозе ре комби н а ц ия п редп очтительно происходит меж­

генов выз ывает боль шие проблемы в медици н е, поскольку

ду мат еринскими и от ц овскими хромосомами , а не между

м н о t·ие патогеюrые бактерии стали устойчив ы ми к боль­

AmpR)

и тетрациклин (ген

например ам п ициллин

TetR).

Пе редв и жен ие этих

двумя идентич ными молекулами ДНК, образовавшими­

шому количеству а н тибиотиков, изобретенных в ХХ в .

ся посл е ре п л и ка ц ии , как это возмож 1-ю пр и ре п арации

Фе рменты узнают уникальные последовател 1, ности, п р и ­

двухцепочечных разрывов по механизму гомологич н ой

сутствующие в каждом мобильном элементе, связы вают

рекомбинации.

их и выполняют свою функцию . М н огие моби ль ные ее­

Кроссииговер во время мейоза гаран ти рует, что каж­

нетические элеме н ты могут нести в себе и другие ге ны.

дая из наших хромосом содержит комбинацию после­

Например, мобильные элеме н ты, содержащие ге ны устой­

дователь ностей хромосом иаших родител е й. В гл.

чивости к а нтибиотикам, внесли больш ой вклад в расп ро­

19

мы

увидим, что даю-rый тип хромосомных пер естроек ведет к

странение этой устойчивости в популяциях бакте рий .

большой генетической и зменчивости потомков орга 1-1 изма
с половым разм н ожением; так что

0~1 внес бот,шой

Мобилъ н ые генетические элементы наз ывают также

вклад

транспозонами (tгaлsposo п s) и классифицируют в соот­

в образова ние всего потрясающего разнообразия форм

ветствии с механизмами, которые о н и исполъзу ют для п е­

жиз н и, существующих н а п лан ете .

редвижен ия (траиспозиции). У бактерий наиболее рас п ро-

МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ
ЭЛЕМЕНТЫ И ВИРУСЫ

ген т ранспозазы

Мъ1 видели, что rомоло 1·ичная рекомбинация может обе­
спе ч ивать обме и п оследовательн остями ДНК между хро­
ген т ранспозазы

мосомами. Такой обме н генетически консервативен: поря­
док ге нов в рекомбинировавших хромосомах пе меня ется ,

потому что рекомбинация происходит толы<о между хро­

/

AmpR

Тп З

мосомами с оче нь похожей последователь н остью.

TetR

Од 1-1ако геномы подвержены и более се рьезной из ­
менчивости, п ри которой модифиц ируется порядок геиов
или даже добавляется 1-ювая информация. К таким фор­
мам из м е нения ге1-юма мы обратимся в этой части главы.

Тп1 О

ген транспозазы

:-~ -:-::::;;:::=:::::::::;== =::::.

Агенты, лежащие в ос 1-юве п одоб1-1ых процессов, называют
Мобил ьными rенетич ес1сими эл ементами (moЬil e geп et i c

eleinents), или, менее формально, <<пр 1,1 rающими генами ~..
Эти элементы обна руже ны фактически во всех клетках и

п редставляют собой специализированные последователь­
ности ДНК, способные перемещаться из одного места
ген ома в другое. Они могут вставлять себя практически
13 любую последовател 1, н остъ в п ределах ге н ома , но паки-

РИС.

6-32.

Бактериальные геномы содержат множество ДНК ­

транспозонов . Три из них и з ображе ны на ри сун ке. Кажды й из эти х
эл е ментов с оде ржит ге н , кодирую щий тра н с поз азу (по каза н а голу­

бым)

- ферм е нт, катал и з ирующий пере м е ще ние та кого элеме н та . В се

эл еме нты та кже н есут посл едовательности ДН К ( кра сные) , которые уз­

на ютс я толь ко тра нспозазой да нного элем е нта и н е обходимы для п е ре­
дви же ния .

Мобильные генетич еск ие элементы и вирусы

213


(ret rotгan sposons) , и н асколько и звестно , они характерны

ДНК-донор

только для эука риот.

'~

/

+

Один из наиболее распространенных тран с позонов

ДНК-мишень

+

::k::

:.:=-

,,

РЕПЛИКАТИВНАЯ

ТРАНСПОЗИЦИЯ

'

j

(МЕХАНИЗМ
« ВЫРЕЗАТЬ -

ВСТАВИТЬ »)

L 1 -элемеит (иногда называе мый LINE-1), тра1-1с­

крибируется в форму РНК при помощи клеточных РНК­
полим е раз . Затем при помощи ферм е нта обратной транс ­

НЕРЕПЛИКАТИВНАЯ

j

Уеловека,

/

~ /

'

криптазы (геvегsе tгa п sc г i ptase ) образуется ДНК-копия

ТРАНСПОЗИЦИЯ

этой РНК Эта необычная полим е раза может использо­

(МЕХАНИЗМ

вать РНК как матрицу для си,пеза ДНК Обратная транс­

« КОПИРОВАТЬ -

ВСТАВИТЬ »)

' ~

криптаза закодирована в самом

/

/

жени и ( РИС.

+

+

L 1 -элементе.

ДНК-копия

эле мента мож ет зате м вставиться в геном в другом поло ­

6-34) .

L 1-эле менты

составляют около

15%

генома ч еловека.

Хотя большинство копи й « обездв ижено>> и з -за накопле­

(

А)

новая

новая

последовательность

последовательность

ДНК

(Б)

н ия вред ных мутаций, ч асть из ни х все е ще с п особна к
транспоз иции. Их п е ре;щижение иногда может вы зывать

ДНК

заболе вания ч еловека: н апример, около
РИС.

6-33.

ДНК-транспозоны передвигаются при помощи двух

выявл ен слу чай , когда вставка

40 лет

L 1 -элем е нта в

VIII (белок, необходим ый для

назад был

ген, кодиру ­

механизмов. (А) Элемент, который перемещается по механизму « вы ­

ющий факто р

резать-вставить», вырезается из ДН К-донора и вставляется в ДН К­

свертыван ия крови) , стала причиной гемофилии у челове­

мишень , оставляя молекулу ДН К -донора разорванной . ( Моле кул а ДН К­

ка без семе йной истории данной болез ни.
Д ругой тип ретротран с позонов ,

донор может быть репарирована различными способами, но иногда

норм ального

Alu, предста вле н в ге­
1 млн копий . Alu не

из-за это го в ней прои сходят п е рестанов к и и делеции .) (Б) В ходе ре­

ном е челове ка в ко;тч естве прим ерно

пли кативной транспозиции (м еханизм « ко пировать- вставить » ) эл емент

кодируют обратных транскриптаз, а используют уже им е­

копируется при пом ощи репликации ДНК. В результате образуется мо­

ющиеся в клетке фе рм е нты для того , чтобы передвигаться.
Срав 11 ение последовател ьностей и положений эле­

л екул а, идентичная ДН К-донору, и ДН К-мишень со вставленной в нее

последовательностью мобильного элемента . Каждый тип транспозонов

ментов

обычно и спользует дл я передви же ния только один механизм. Тем не

что эти последователыюсти ра з множились в rе н омах при­

L 1 и Alu

у раз ны х млекопитающих еоворит о том,

менее , с точки зрения э нзим ол о гии эти механизмы оче нь похожи , а не ­

матов сравнитель но н едавно (в эвол юционном мас ш табе

котор ы е транс по зон ы могут использовать с ра зу оба . ДНК-донор и ДН К­

време11и) ( РИС . 6-35) . Эти широко распростран енны е эле­

мишень могут быть частью одной и той же молекулы ДНК или находить­

менты , разб росанны е 11 0 наш ему ге rюму, должны бы ли

ся на разных моле кул ах.

страи е ны ДНК-транспозоны

(DNA-on ly t.ransposons).

Во

время своего п еред вижения они остаются в форм е ДНК, а

'~

не об разуют промежуточных молекул РНК, как это дела­

! РНК-полимераза
РНК - !

ют некоторы е д ру еи е тран с позоны (их мы обсудим ниже ).
Одни транспозоны пе редв игаются с использованием м е­
ха 1-tи з ма << Вырезать - встав ить ~, при

этом

эле мент просто

обратная транскиптаза

вырезается и з генома и вставляется в иное м есто. Другие
тра и споз оны (110 м еха ни з м у « ко пиров ать - в ставит ы,) р е­

п лицируют с вою ДНК л еред вставкой в новое положе ни е,

,

ДНК- копия -

+

в резул ьтате ч е го исход н ая копия. остается на месте ( РИС.

6-33).
Геном человека содержит

РИС.

два больших семейства мобильных элементов

6-34.

Ретротранспозоны передвигаются, используя моле ­

кулу РНК в качестве промежуточной стадии . Для передви жения

Удивительно , что полов ина ге нома ч ело в е ка состоит и з

мобильные эл еме нты дол ж ны сначала транс крибироваться с образо­

милл ионов копий раз нообразt1ых мобильных генетиче­

ванием промежуточной молекулы РН К . Затем фермент обратная транс­

с 1ш х эл ем ентов

-

о ни формируют значитель н ую частr,

криптаза синтезирует с этой РНК ДНК-копию. Н а следую щем этапе

нашей ДНК Не которы е из этих элементов пер емещал ись

ДН К-ко пия вставляется в другое поло жение на той же или другой мол е­

с места на м есто в у еловеч еском ген оме при п омощи м е ­

куле ДН К-ми шен и. Исходный транспозон остается в с воем нач альном

ханизма

положе нии , т. е . при каждом перемещении он копирует себя . Подобные

« выр езать - вставит~, >> ,

ДНК-транспозонов (см . рис.

используе мо ,~о

ч астью

А) . Но больши н ство

мобильные эл ементы назы вают ретротранспозонами , пото му что на

~rспользовали для п ередвижения не форм у ДНК, а фор ­

одной из стадий и х перемещения п оток ген ети ческой информации на­

му РНК Таки е элемеиты ~, азыв а ют р ет ротранс по зонами

правлен в обратную сторону : от РНК к ДНК .

214

6-33,

ГЛАВА 6. ДН К: репликация, репарация и рекомбинация


Вирусы - полностью мобильные
генетические элементы, способные

кластер Р-rлобиновых
генов в геноме человека
Е

перемещаться из клетки в клетку

Вирусы

(vi111ses)

впервые были обн аружены как болезнет­

во рн ые аrеtпы, способные проходи ть ч ерез мелко п о р исты е

кластер Р-rлобиновых
генов в геноме мыши

р major

Е

фил 1,тры , задерж и вающие даже сам ые кро шечны е баL<те ­

р minor

риальны е клетки . Тепе рь мы зн аем, что вирусы

l

-

это, по

сути , гены, закл юченные в защ и т ные белковые оболочки.
В и рус ы должны лро никнутъ в клетку и завладет ь ее аппа­

10000 пар

ратом, ч тобы экс пресс ироватъ сво и ге н ы, ттроизвод итъ бел­

оснований

ки и р спл ицировать свои х ро м осомы . Р азм н ожени е вируса
•rасто смертел ьно для клетки , в кото ро й он о про исходи т.

РИС. 6-35. Элементы L1 и А/и достигли большой численности отно­

Мно гие клетки раз рушаются (лизируются ) , при этом вы ­

сительно недавно (в эволюционном масштабе времени). В геноме

с вобождая н овые в ирусны е частицы, с пособные за ражать

челов ека н аходится кл астер из пяти глобиновых генов (наверху) . Каждый

соседни е клетки. И м е нн о литич еский эффект, обусло в­

ген (отмечен оранжевым и обозначен греческой буквой) кодирует белок ,

ленн ый вирусами , о пр еделяет многие симпто мы вирус­

переносящий кислород в крови . Аналогичный участок в геноме мыши

ной инфекции . П уз ыры(и , вызываемые ви1)усам и ге рпеса

(внизу) содержит только четыре глобиновых гена. Позиции элементов А/и

и ветрююй оспы,

чел ове ка по казаны зелеными кружками , а

L1 -

красными кружками . В

мы шином геноме с одержатся други е элементы. Поз иции элементов

81

-

это следствие локал ь ного разрушения

клеток кож и . Хотя перв ы е открытые вирусы б ыли ви руса­
ми млеко питающих, сейч ас извест н о м н ожество их типов

(родственных человеческим A/u) показаны голубыми треугольниками , а

[пе рв ыми б ы л и откры ты вирусы растений ( вирус табачной

поз иции мышины х элементов

мозаик и, о пи санный как инфекци о нны й агент Д . И . И ва­

L1 (родственны х

человеческим

L1)

отме ­

чены коричневыми треугольниками . И з-за того , что последовательности

новским в

этих мобильных элементов у мыши и ч елове ка отличаются , а та кже из-за

описаны спустя

того , что з начительно отличаются и х пози ции в кластере ~- глобиновых

инф ицируют раст ител r, ны е ю1етки , друг и е же исп ользуют

ге нов у челове ка и мыши , считается , что зти мобильные элементы раз ­

в кач естве хозяев бакте риальные клетки .

множились в геномах млекопитающи х относительно недавно в э волюци­

онном масштабе времени . (С разрешения

Ross Hardi soп и Webb Miller.)

1892

г.) ; п е рвы е вирусы млеко питающих были

5- 6 лет. -

Прим. ред. ] . Некото рые из н их

Вирусны е ген о мы м огут состоять как из Д НК , та к и

и з РНК, а также б ы ть л и бо двух-, ли бо од~-rо цеп о•1е чны ­
ми ( ТАБЛ.

6-2 ) . Коли ч ест во ДН К и л и РНК, кото р ое мож ­

н о у паковать в белкову ю оболо ч ку, в есь м а огра нич е н о и
сильн о

п овл и ять

на экспр есси ю

многих

н аших

ге нов.

Даже несколько обид но осозн авать, скол ь ки ми н аши ми
и сключи телъно ч елове ч еским и ка ч ествам и

м ы, долж н о

бытъ, обязан ы эти м ген ети •1еским параз итам.

сли ш ко м мало, •rтоб ы кодировать все ф ерм енты и д ру­
г и е белки, необх одимы е дл я р епл и кации ге ном а даже
самого иебольш ого в ируса . Поэто м у в ир ус ы долж ны за­
хват ы вать р е п л и кат и вн ы й а пп а р а т клетки -хозя ин а, ч то-

ТАБЛИЦА 6-2. Вирусы, вызывающие заболевания человека
Вирус

Тип его генома

Заболевание

Вирус простого герпеса

двухцепочечная ДНК

простой герпес

Вирус Эпштейна-Барр (ЭБВ)

двух цепочечная ДНК

инфекционный мононуклеоз

Вирус ветряной оспы

двухцепочечная ДНК

ветрянка, опоясывающий лишай

Вирус оспы

двухцепочечная ДНК

оспа

Вирус гепатита В

частично одно- , частично двухцепочечная ДНК

сывороточный гепатит

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ)

одноцепочечная РНК

синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД)

Вирус гриппа А

одноцепочечная РНК

респираторные заболевания (грипп)

Полиовирус

одноцепочечная РНК

полиомиелит

Риновирус

одноцепочечная РНК

обычная простуда

Вирус гепатита А

одноцепочечная РНК

инфекционный гепатит

Вирус гепатита С

одноцепочечная РНК

гепатит С (гепатит ни А ни В)

Вирус желтой лихорадки

одноцепочечная РНК

желтая лихорадка

Вирус бешенства

одноцепочечная РНК

бешенство

Вирус эпидемического паротита

одноцепочечная РНК

эпидемический паротит (свинка)

Вирус кори

одноцепоч е чная РНК

корь

Мобильные генетические элементы и вирусы

215


бы разм ножаться самим. Об1,1чпо D вирус ном геном е за­
кодирова ны белки оболочки и белки, н еобход имы е дл я
прив ле ч е ния ф е рм ентов хозяина к р е п л икации оируса
( РИС.

6-36 ) .

Самые просты е вирусы состоят и з белковой оболоч ­
ки, содержащей в ос н овном множество копий одной 110-

лилелтидной це пи и окружающей н ебол ьшой ге ном и з
тр ех генов или около того . Бол ее слож ны е в ирусы им е ют
крупн ы е

rе номы

раз м е ром

до

н ескол ьких

соте н

1·е нов,

окруженные оболо ч кой из множества разл ичных белков
( РИС.

6-37).

вирус :~ ДНК
•••••••'- белок оболочки
1

ВИРУСНАЯ ДНК ПОПАДАЕТ В КЛЕТКУ

+

кл етка

100 нм
===:::: ДНК

РИС .

/'-......

ТРАНСКРИПЦИЯ

/

----- РНК

lТРАНСЛЯЦИЯ
.....
.....
.. . .
.....·..

6-37. Встречаются вирусы разной формы и размера.

В одном

масштабе п оказаны элект ронные микрофотографии различны х виру­

РЕПЛИКАЦИЯ

~

сов . ( А) Ба ктериофаг Т4
щи й клетки Е.

===:::: ДНК

- большой ДН К-содержа щий вирус , заражаю­
coli. ДН К х ранится в голов ке бактериофага и впр ы скива­

ется в клетку бактерии через его цилиндрический хвост. (Б) Х - вирус кар­
тофеля

-

вирус растений, соде ржащий РН К -геном. ( В ) Аденовирус

-

ДН К-содержащий вирус , способ ный инфицировать клетки ч еловека .

(Г) Вирус гриппа

белок
оболочки

-

большо й РН К-соде ржащий вирус жи в отных. Его

бел ковая оболочка дополнительно заключена в оболочку и з липидного
бислоя . Выступы на лип идн ом бислое

- заключенные в него вирусные
6-38). (А - с разрешения James R. Paulson; Б - с раз­
решения Graham Hills; В - с раз решения Mei Lie Wong ; Г - с разре ш ения
R. С . Williams и Н . W. Fisher.)
белки (см . рис .

СБОРКА НОВЫХ
ВИРУСНЫХ ЧАСТИЦ
И ЛИЗИС КЛЕТКИ

Ретровирусы обращают нормальное направление
передачи генетической информации вспять

Хотя вирусы бактерий и эукариот во м ногом схож и , ОJ{ИН
из

важ ных типов

вирусов, р етровирусы (гet гovi 1· u s ) ,

встре ч ается толы<о у эука риот. Во многи х от1-1оше 1-1 ия х
р етров ир усы

н а помин ают

р етротранспозо ны ,

которые

обсуждались выш е. Ос1-юо1ю е свой ство этих двух типов
ге н ет ич ес ких эле м е н тов

РИС.

6-36. Вирусы захватывают системы клетки-хозяина, чтобы

-

нали 1и е в и х жиз н е нном ци­

кле стадии, н а которой ДНК с инт ез ируется н а матрице

размножаться . Н а рисун ке изображен условный сравнительно про­

РНК Префикс ретро - означает, что обычное нап рав ­

стой вирус, содержа щи й двухцепочечную ДНК , кодирующую лиш ь ген

ление л ередачи ге н етич еской информации от ДНК к

белка вирусной оболо ч ки. Чтобы реплицироваться , вирусный геном
долже н попасть в клетку. За этим следует репликация вирусной ДН К с

РНК обращено (см . рис. 7-2) , а фе рм е нт, отвечающий за
осу ществле ние да 1того лроцесса, н аз ыв а ют обрат1юй

образованием множества ее копий . В то же время , для п олуч ения бел ка

тра1tс1сриптазой ( 1·e veгse tгan

оболочки, вирусный геном экспрессируется через последовательные

кодирова 11 в геноме р ет ровир уса, который пр едставл я ет

c1·iptase). Этот фе рме нт за­

7-2).

собой одноце поч е чн ую РНК, и н ес колько моле кул фер ­

Вирусный геном самопроизвольно соединяется с белками оболочки ,

м е нта упаковываются вместе с ге 1юмом в каждую вирус­

чтобы образовались новые вирусные частицы .

н ую част.иц у.

стадии транскрипции и трансляции , о пи санные в гл .

216

7 (см.

ри с .

ГЛАВА 6. ДНК : репликация, репарация и рекомбинация


Следующий шаг в р е п л ика ции ретровируса может

ВОПРОС6 - 5

происходит~,

А Обратные тран скриптазы не обладают ко рре кти рующей aк­

rl' тивностью, синтезируя ДНК на матрице РН К. Как вы думаете ,

8

Ltepeз длительное

время

п осле

инте гра ции

вирус ного генома в геном клетки-хозяина и заклю ча ется

в том, что с инт егрироваи1-юй в и русной ДНК при помощи

какие это имеет последствия для лечения СПИДа?

РНК-полимеразы хозяина с 1-1 имается множество копий

одноцеnо ч е чной РНК Они поm-юстъю идентичны исход­
ном у РНК-геному, и нфицировавшему клетку. Вирусные
Жиз1-1ею 1 ый цикл ретровируса представлен на РИС. 6-38.

геномы э кс пр есс ируют ся при помощи клеточного ап п а ра­

Когда геном ретровируса в виде одноцепочеч 1-юй РНК по­

та, производящего белки оболочки и белки, встраиваемые

п ада тв клетку, принесенная с ним обратная траискрилтаза

в липид ную оболоч1<у вируса, а также обратную тра н с­

синтезирует ком п лементарную це111, Д НК, в результате ч его

криптазу, которые затем вместе с РНК-1-е 1-юмом соби ра­

получается гибридная двойная спираль ДНК/РНК Це пь

ются в новые вирусные ч асти.цы .

РНК затем удаляется, а обратная транскриптаза (которая

Вирус иммунодефицита ч еJювека (ВИЧ) отн осится к

может использовать в каqестве матрицы и РНК, и ДНК)

р тровирусам . Как и все вирусы этого типа, ВИЧ может

синтезирует комплементарную цепь, в результате чего об­

су ществовать в латеtпной форме провируса, встроенного

разуется двойная спираль ДНК Эта ДНК затем встраива­

в х ромосому инфицированной клетки. Способность виру­

ется в случайное место геиома клетки-хозяина ферментом

са прятать ся внутри клетки-хозяина затрудняе т попы тк и

иитегразой (iлteg гase) , который тоже закоди рован в вирус­

лечить инфе кцию лротивови-рус ными лека рства ми. Но

ном геноме. На этой стадии вирус ш1ходится в латентном

благодаря тому, что об ратная транск рилтаза никак не ис­

состоянии: каждый раз, когда клетка делится, она передает

пользуется клетками для их собст венных нужд, этот фе р­

своему потомству копию встроею-юrо вирусного ге нома,

м ент служит главно й мишенью для раз работки лекарств

называемого провирусом (pгoviгus).

протиn СПИДа.
ИНТЕГРАЦИЯ
ДНК-КОПИИ
В ХРОМОСОМУ

интегрированная

ДНК КЛЕТКИ-ХОЗЯИНА

ДНК

ДНК

ОБРАТНАЯ ТРАНСКРИПТАЗА
СНАЧАЛА СИНТЕЗИРУЕТ
ДВОЙНУЮ СПИРАЛЬ
ДНК/РНК, А ЗАТЕМ
ДНК/ДНК

t

[: 1:::
•

липидная

РНК

ТРАНСКРИПЦИЯ 1
множество

__. . . ; : : : - - -

копий

РНК -=====-

оболочка

ТРАНСЛЯЦИЯ 1
белки оболочки

СБОРКА МНОЖЕСТВА

+
ВИРУС ВХОДИТ

обратная транскриптаза

НОВЫХ ВИРУСНЫХ

В КЛЕТКУ

белки ЛИПИДНОЙ
оболочки

И ТЕРЯЕТ

+

ЛИПИДНУЮ

ЧАСТИЦ, КАЖДАЯ ИЗ
КОТОРЫХ СОДЕРЖИТ
ОБРАТНУЮ ТРАНСКРИПТАЗУ

••

обратная транскриптаза • •••

ОБОЛОЧКУ
РИС.

ВНУТРИ БЕЛКОВОЙ
ОБОЛОЧКИ

6-38. Жизненный цикл ретровируса включает в себя стадии обратной транскрипции и ин­

теграции в геном клетки-хозяина. Геном ретрови руса состоит и з молекулы РНК (голубая) длиной
около 8500 нуклеотидов . Он а упакована в белковую оболочку, о круже нную липидным бислоем , который

содержит белки , закодированные в геноме вируса (зеленые) . Ферме нт обратная транскриптаза (крас­
ный к ружок), закодирова нная в вирусном геноме , упакована в вирусную частицу вместе с РНК . Он а с ин­
тез ирует с РНК ДНК -копию, а затем вторую цепь ДНК , в результате чего получаетс я двух цепочечная
ДНК -ко пия вирусного РН К- генома . Вн едрение этой ДНК- ко пии в геном клетки-хозяина катализирует

закодированный в вирусном геноме фермент интеграза . Интеграция в геном клетки-хозяина необхо ­
дима для экспрессии новых вирусн ы х молекул РНК при помощи клеточной РНК-полимеразы .

Мобильные генетические элементы и вирусы

217


ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

•

Mexarrnзм неrомологичного со ед ине11ия концов позволяет

быстро репарировать двухцепоче•rные разрывы ДНК Ча­
Способность клетки поддерживать порядок в хаосе окру­

•

жающей

среды

определяется

точностью

сто в ходе этого процесса послед овательность ДНК в м е ­

репликации

сте соединения изменяется.

огром1юго объема информации, содержащейся в ее ДНК.

•

•

•

ные разрьшы могут быть ре11арирова11ы точно с исполь ­

цы для синтеза второй цепи. Поэтому в двойной спирали

зованием последовательности гомологичной хромосомы

ДНК одна и та же информация содержится в каждой из

в rса честве образца. Во время мейоза похожий процесс

двух цепей.

гомологичной рекомбинации обеспечивает обмен генети­

Молекула ДНК удваивается (реr1лицируется) путем поли­

ческой информацией, в результате чего образуются моле­
rсуды ДНК с новыми последовательностями .

меризации новых комплементарных цепей с использова­

нием старых цепей двойной спирали ДНК в качестве ма­

•

передвигаются с места на место в геномах своих хозяев,

ДНК; генетическая информация копируется и может быть

являясь источником rенетичес1соrо разнообразия.

•

Около половины генома человека состоит из мобильных

Во время репликации две цепи двойной спирали ДНК

rенеткческих элементов. Два класса эткх элементов раз­

разделяются в од н ой или нескольких У -образных стр ук ­

множил.ись до особо бодьшоrо числа копий.

турах, называемых репликат и вн ы ми вилками. Ферменты

•

Вирусы

-

это всеr·о диш ь гены, упа,соваrпrые в защитные

белковые оболочки. Чтобы размножаться, им необходимы

ДНК-полимеразы, находящиеся в вилках, синтези р уют
новую комплементарную цепь ДНК на каждой исходной

клетки-хозяева.

•

цепи.

•

Мобильные rенетичесrсие элементы, или транспозоны,

триц. В результате образуются две идентичные молекулы
передана из материнской клетки в дочернюю.

•

При помощи rомолоrи•rной рекомбинации д вухцепочеч­

Каждая из цепей ДНК может выступать в качестве матри­

Неrсоторые вирусы в ,сачестве генома содержат не ДНК, а

ДНК-полимеразы реплицируют исходную ДНК - матрицу с

РНК. Одна из групп РНК-вирусов

необыкновеююй точностью, совершая всего одну ошибку

на скопировать со своего РНК-ге нома молекулу ДНК ,

на

•rтобы размножиться.

107 синтезированных нуклеотидов. Такая точность до­

-

ретровирусы

-

долж­

стигается благодаря процессу коррекции ошибок, в ходе
которого полимераза может удалять собственные ошибки

•

полимеризации во время продвиже1rnя по ДНК.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Из-за того что ДНК-полимераза способна синтези р овать

1ирус

ДНК исключительно в одном направлении, только лидиру­

rомО11оrична1 ре-

СО8АИН8НИ8 КОН•

ком6инаци1
ДНК-nО11имера1а

ЦОI

ющая цепь в репликативной вилке может синтезироваться

непрерьшно. На отстающей цепи ДНК синтезируется пре­

корректируt0ща1

рьшисто в обратную сторону, в результате чего образуют­

•

неrомО11оrичное

обратна■
транскриnтаю

ся короткие фрагмен ты ДНК; их сшивает фермент ДНК­

IIИДИруJОЩОI Ц8nll

ориджин (точка начаnа) ремикации

лиrаза , чтобы образовалась непрерывная цепь ДНК .

матрична1 цеn11

ОТСТОIОЩОI цeni,

ДНК-полимераза не может начать скнтез ДНК на матрице

мобиn~,нwй rенети-

реnараци1 ДНК

акти1ноm

ческий аnемент

с нуля. Вместо этого синтез на•rинает РНК-полимераза,

мутаци1

называемая праймазой, которая синтезирует небольшие

ремикаци1 ДНК
ретро1ирус
ретротрансnоэон

РНК (рибонукпеино
1а■ кнсnота)
Т81'10М8ра30
трансnоаон

фраrмент Окаэаки

ремикати1на1
1и11ка

фрагменты РНК (затравки), котор ы е затем удлиняются
ДНК-полимеразой. Затем затравки удаляются и замеща­
ются на ДНК.

•

•
•

Для репликацки ДНК необходима кооперация работы

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

множества белков. Вместе они образуют мультифермент-

ВОПРОСб - 6

11ый репликативный комплекс, катализирующий синтез

Ферменты системы репарации неспаренных нуклеотидов преи ­

ДНК.

мущественно исправляют нуклеотиды на вновь синтезированной

У эукариот ДНК на концах хромосом реплицирует специ­

ДНК, используя в качестве матрицы старую цепь. Если бы систе­

альный фермент теломераза.

ма репарации не отличала старую цепь от новой и выбирала бы

Редкие ошибки, которые допускает репликативный ашrа­

матричную цепь случайно , могла бы она уменьшить количество

рат, исправлmотся белками системы репарации rrеспарен­

ошибок репликации? Ответ поясните.

ных нуклеотидов. С учетом работы этой системы точность

реплика1~ии ДНК составляет

•

1 ошибку на 10 9 скопирован­

ВОПРОСб-7

ных ну1слеотидов.

Представьте , что мутация инактивировала фермент, необхо ·

Повреждения ДНК, возникающие из-за неизбежных хи­

димый для репарации повреждений ДНК , вызванных потерей

мических реакций, репарируются при помощи фермен­

пуриновых оснований . Эта мутация приведет к накоплению

тов, распознающих поврежденную ДНК и вырезающих

около

короткий участок цепи, содержащий повреждение. Недо­

Исходя из того , что геномы человека и шимпанзе отличаются

5000

мутаций в день в ДНК каждой из ваших клеток .

стающая ДНК затем заново синтезируется репарационной

примерно на

ДНК-полимеразой, использующей неповрежденную цепь

ся , чтобы превратиться в обезьяну. Что неверно в приведен ·

в ка•rестве матрю~ы .

ной аргументации?

218

ГЛАВА 6. Д Н К: репликация, ре п арация и рекомбинация

1%, вычислите ,

сколько времени вам понадобит­


ВОПРОСб - 8

ВОПРОСб - 11

Какие из приведенных ниже утверждений верны? Объясните

Генетический материал воображаемого организма структурно

ваши ответы .

не отличается от обычной ДНК . Удивительно, но исследования

А . Репликативная вилка бактерий асимметрична , потому что со­

показали , что ДНК в нем синтезируется из нуклеозидтрифос­

держит две молекулы ДНК-полимеразы , структурно отличающи ­

фатов , у которых

еся друг от друга .

трифосфат находится на 3' -атоме. Чем ДНК- полимераза этого

Б. Фрагменты Оказаки удаляются при помощи нуклеазы , разру­

организма должна отличаться от полимераз нормальных клеток?

шающей РНК.

Может ли она иметь корректирующую активность?

5' -атом

рибозы несет гидроксильную группу, а

В . Количество ошибок в репликации генома совместно снижает­
ся корректирующей активностью ДНК-полимеразы и системой

ВОПРОСб-12

репарации неспаренных нуклеотидов .

На РИС . В6-12 показана репликативная вилка в момент, когда к

Г. Гены нестабильны при отсутствии репарации ДНК .

отстающей цепи была добавлена РНК-затравка. Руководствуясь

Д. Ни одно из азотистых оснований , образующихся в результате

схемой, изобразите путь синтеза ДНК в следующем фрагменте

дезаминирования ДНК , не встречается в ДНК в норме .

Оказаки. Отметьте скользящий зажим и белок

SSB.

Е. Рак может быть результатом накопления мутаций в соматиче­
ских клетках .

ВОПРОСб-9

В клетках человека скорость репликации ДНК в репликативной
вилке составляет

100 нуклеотидов

в секунду. Каково минималь­

ное количество ориджинов необходимо человеческой клетке,
чтобы реплицировать свою ДНК каждые

24 ч? Учтите ,

следующий праймер

что в клет­

~ -

ке содержится две копии генома (одна от папы , вторая от мамы),

каждая из которых состоит из 3 х 10 пар нуклеотидов .
9

ВОПРОСб-10

Внимательно взгляните на структуры молекул , изображенных на
РИС . В6-10 . Предположим, одно из веществ добавляют в реакци­
онную смесь, где идет репликация ДНК .

РИС. В6-12

А . Что произойдет, если вещество А будет добавлено в большом
избытке по сравнению с концентрацией обычного дезоксицити­
динтрифосфата (дЦТФ)?

ВОПРОСб - 13

Б. Что произойдет, если это вещество добавить в концентрации,

Сколько (примерно) высокоэнергетических связей использует­

составляющей

ся для репликации бактериальной хромосомы? Сколько грамм

10% от концентрации дЦТФ?

В . Какие эффекты вызовет добавление вещества Б при тех же

глюкозы , по сравнению с ее собственным сухим весом (10· 12 г) ,
нужно бактерии, чтобы один раз скопировать свою ДНК? Чис­

Условиях?

ло пар нуклеотидов в бактериальной хромосоме составляет

(А)

3

х 106. Окисление одной молекулы глюкозы дает около 30 вы­
сокоэнергетических фосфатных связей . Молекулярная масса
о

о

глюкозы

о

см. рис .

11
11
11
-о - Р - О - Р - О - Р - О - СН 2
1

о-

1

о-

- 180 г/моль . (Помните , что в моле 6 х 1023 молекул ,
2-3 .)

1

о-

ВОПРОСб - 14

Верно ли данное утверждение (если не верно , то в чем) :
« Стабильность ДНК и в половых , и в соматических клетках важна
дидезоксицито­

зинтрифосфат

н

н

для выживания вида» . Ответ поясните.
ВОПРОСб-15

(Б)

На РИС . В6-15 в общем виде представлена распространенная
причина повреждения ДНК

-

химическая реакция дезамини-

о

11

-о - Р - О - СН 2
1

о-

Рис . вs-10

РИС. В6-15

Вопросы в конце главы

219


рования; в ходе нее азотистое основание теряет аминогруппу

(NH 2) ,

которая замещается на кетогруппу (С = О) . Напишите

структурные формулы азотистых оснований А,

G,

С, Т и

Uи

ВОПРОСб-18

Многие транспозоны передвигаются по геному при помощи ре­
пликативного ( « копировать - вставить » ) механизма (например ,

нарисуйте продукты их дезаминирования . Глядя на продукты

приведенные на рис.

дезаминирования и учитывая, что в клетке все эти основания

личивают число собственных копий в геноме всякий раз , когда

должны узнаваться и репарироваться , предположите , почему

происходит транспозиция . Хотя отдельные акты транспозиции

ДНК не содержит урацил .

6-33

и рис .

6-34).

Таким образом, они уве ­

редки , многие транспозоны обнаруживаются в геномах в боль­
шом числе копий . Как вы думаете, что удерживает транспозоны

ВОПРОСб-16

от полного захвата хозяйского генома?

А. Объясните , почему для репликации эукариотических хромо­
сом необходима теломераза, но она не нужна для репликации

ВОПРОСб-19

кольцевой бактериальной хромосомы . Свой ответ проиллюстри­

Опишите , что было бы, если бы эукариотическая хромосома

руйте схемой.

А . Содержала только один ориджин репликации :

Б. Понадобились бы теломеры и теломераза, если бы праймаза

1) в самом центре хромосомы ,
2) на одном из концов хромосомы .

могла синтезировать РНК-затравку на самом 3 ' -конце цепи, слу­
жащей матрицей для синтеза отстающей цепи?

Б . Не имела бы одной теломеры.
В. Не имела бы центромер.

150 млн

ВОПРОСб - 17

Примите размер хромосомы равным

Обсудите следующее утверждение: « Вирусы существуют на гра­

что соответствует типичному размеру хромосомы у живот­

нице жизни : вне клеток это просто мертвые наборы молекул , а

ных. Скорость репликации ДНК в клетках животных составляет

внутри клеток они живые ».

100 нуклеотидов

220

ГЛАВА 6. ДНК: репликация, репарация и рекомбинация

в секунду.

пар нуклеотидов ,


ОТ ДНК К РНК

составля ющих

пол ип е птидную

це п о чку:

каждая

ра з но­

видность белка имеет сво ю уникальную аминокислотную

ОТ РНК К БЕЛКУ

последователъ ность, которая определяет то , какую белок

РНК И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

примет простра~rст венн ую форму и кщше химические

свойст ва он проявит. Таким образом , генети ч еские ин­
стру кции, записанны е в ДНК, должны определять ами1-ю­

тех пор как в начале 1950 -х годов бы ла определена
структура ДНК (дезоксирибон у кле иновой кислоты), ста­

кислот н ую последовательность бел ков . В этой главе мы

обсудим, как име н но это реализовано.

J Ю ОL1 е видно , что н аследстве нная информация з акодиро­

ДНК сама по себе н е прию1мает участия в синтезе бел­

вана в п оследовательности нуклеотидов, соста вля ющих

к а; вместо этого она выдает разл ичны е поруч е ния с п е ци­

д НК. В пред ыдущей главе мы показали, •1то эта последо ­

ал ьной команде исполнителей. Если клетка н уждается в

вательность может без и з меи ени й п ередаваться от кл етки

каком -л ибо определешюм типе белка, то прежде всего ну ­

к ее потомкам в результате процесса ре плика ции . Но как

клеоти дная последователыюсть соотв етствую щ его

(с рав-

t<леп<а рас шифровывает и использует эту информацию?

Ка1< rенетиLJ ес кие << инструкции 1>, 1-~алиса11ные на я з ыке,
в котором всего ч етыре <<букв ы >>
н уклеотидов,

-

-

репликация ДНК

четыре раз ны х ти11а

(

приводя т к ф о рмир ова нию таких раз ны х

о ргани з мов , как бактерия , плодо вая мушка или челове к ?

Нам остается е ще много уз н ать о том, как 111-,формация ,

репарация ДНК
генетическая

рекомбинация

х р а нящаяся в генах , р еал и зуется даже в са м ой примитив ­

н ой од 1-ю1<леточ1юй бакте рии , н е гово ря уже о том, как мо­

синтез РНК

жет быть о рга ни зовано раз вити е такого слож ного много ­
ч то ге 1 rет ич еск ий код расшифрован , текст, за писа 11 ный в
1 ·е 11 ах,

l

(транскрипция)

кл ето чного о рга 1-111з ма , как шtш. Однако благодаря тому,
может б ыть про чита н .

5'

Е ще до тоео , как код ДНК был рас ш ифрова н , было из­

РНК
З'

синтез белка

вест но, что инфо рм ация , закл юч е 1-11-1 ая в ге н ах, о преде1 1 е н -

j

(трансляция)

11 ым об разом управляет с интезом белков. Б елки , в свою
оче ред ь, являются ва:жн ейшими компо11 е 1пами клетки и
о 11ределяют н е только ее структу ру, но и функции. В пре­

БЕЛОК

-··--.

д ы дущей ,-лаве мы уже сталкивали с 1, с н еболь ш ой частью

ами н окислоты

соон

и з многих тысяч вариантов белков, которые кл етка может
с инт зирова1ъ. В гл.

4 обсуждалось ,

что свойства и фу 1-1к­

РИС.

7-1 .

Генетическая информация реализуется путем синтеза

Ции белковой молекул ы 0 11 ре;~еляются порядком и ли по­

белков. П ередача ге н ети ч еской информации от ДН К к РН К (тра н скри п ­

следоваrпел ыюстыо (sequ ence) аминокислотных остатков,

ция) и от РН К к белку (тра н сляция) происходит во всех живых клетках.


нител 1>1-10 небольшого) участка очень длинной молекулы

ВОПРОС7 - 1

ДНК в хромосоме копируется в другой тип нуклеиыовых

А Под выраже ни ем « централ ьная догма мол екулярной биол о­

кислот

-

РНК, рибо1-tу1<Леuиову10 кислоту

rl' гии » подразумева ют поток генетической информа ции от ДН К

(RNA, ribonucleic

8

acid). Эти РНК-копии 1-1.еболыних уL1астков молекулы ДНК
затем используются для синтеза белка . Каждую секунду в

к РНК , а зате м от РН К к белку. Как вы думаете, уместн о ли тут

ис п ользуется слов о «догма»?

клетках нашего организма п роисходят тысячи подобных
гrреобразова~1ий . Таким образом, поток генетической ин­

формации в клетке движется от ДНК к РНК и затем к бел­

Участки последовательностей ДНК

ку ( РИС. 7-1 ). Все клетки, от бактерий до клеток человека,

транскрибируются в РНК

реализуют генетическую ииформацию имен н о так. Этот
принцип настолько фуидаме~пале 1-1, что его назвали цеи­

Первый этап считыва1-111я

тралыюй догмой

кой,

(central dogina) молекулярной биологии.

-

гена, осуществляемый клет­

копирование н уклеотидной последователъности

гена в РНК. Этот процесс называют тран скрипци ей (traл ­

sc1·i pt i o п ), поскольку информация, будучи преобразована

ОТ ДНК К РНК

в другую химическую форму, все же остается записанной
на

Транскрипция и трансляция

-

это механизмы, с помощью

практически

таком

же языке

-

языке

нуклеотидов .

Как и ДНК, РНК представляет собой полимер, состоя­

которых к летка читает или, другими словами, экспресси ­

щий из четырех различных типов субъединиц (нуклеоти­

рует

дов) , связанных между собой фосфодиэфирными связями

(express) свои генетические инструкции -

гены. На

ос~юве одного гена можно сделать болъшое число копий

( РИС.

одинаковых молекул РНК, а на основе одной молекулы

отличия от структуры ДНК:

РНК можно синтезировать множество молекул белка.

ставлены рибоиуюtеотидам.и, так как в их состав входит

Поскольку обычно клетка содержит всего одну или две

сахар рибоза, а не дезоксирибоза (отсюда и названи е ри­

копии каждого гена, такое умноже н ие позволяет клетке

бонут<леиновые кислоты);

в случае необходимости синтезировать боль ш ое количе­

РНК входят таки е основания, как аденин (А), гуанин

ство белка. В то же время каждый отдельно взятый ген

и цитозин (С), четвертое основание РНК

7-3). При этом химическая структура РНК имеет два

(1)

(2)

нуклеотиды в РНК пред­

несмотря на то что в состав

-

(G)
(U),
U, по­

урацил

может тран скрибироваться и транслироватьсн с разной

а не тимин (Т), содержащийся в ДНК. Посколъку

эффективностью, что позволяет клетке синтезировать

добно Т, способе н за счет водородных связей образовы­

одни белки в больших , а дру 1·ие

вать комплементарные пары с А ( РИС. 7-4), описанные для

-

в малых количествах

( РИС . 7-2). Более того, клетка способна менять (или ре­

ДНК в гл.

гулировать) экспрессию каждого гена в соответствии со

пар применимы также и к РНК.

своими потребностями в данный момент времени. В этом
разделе мы обсудим синтез РНК
сии

-

первый этап экспрес­

5 особею-юсти

образования комплементарных

Несмотря на то что химически РНК и ДНК достаточ ­
но схожи, их структура существе нно различается . В то

время как ДНК представлена в клетках исключительно в

zeua (gene exp1·ession).

виде двухцепочечных спиралей, молекулы РНК

-

одно­

цепочечные. Это различие имеет очень важное фу1-1кцио­
ге н А

нал1,ное значе1-1ие . Поскольку молекулы РНК од 1шцепо­

ге н В

:::::;:::::;;;:::::::::;::::::=::::Jднк
ТРАНСКРИПЦИЯ
ТРАНСКРИПЦИЯ

!

----- РНК

!

----• РНК

L1 ечиые, о н и , как и аминокислотные цепоlrки белка, могут
сворачиваться, принимая различные формы ( РИС. 7-5), а

вот двойная це п очка ДНК к этому н е с п особ на. Ниже в
этой ~·лаве мы увидим , что способность принимап, слож­

ные пространственны е формы позволяет молекулам РНК
не только служить посред1-1иками при передач е инфор­

мации от ДНК к белку, но и выгюлнять другие функции .

!ТРАНСЛЯЦИЯ

В то вре мя как функцией ДНК явля ется исключительно
ТРАНСЛЯЦИЯ

80000
00000
00000
00000
00000
РИС .

7-2.

Гены могут экспрессироваться с разной эффективно­

хран ение и нформа ц ии, задачи РНК более мноrообраз11 ы:
отдеJ11,ные типы молекул могут выпол1tяп, структурную и

даже каталитическую функции.

При транскрипции образуются молекулы РНК ,
комплементарные одной из цепей ДНК
Все молекулы РНК в клетке образуются в результате
транскрипции

-

п роц есса, им е ющего 0 11 ределенные сход ­

стью. Ген А тра н скр и бируется со з н ачительн о бол ьш ей эфф ектив н остью ,

ства с репликаци й ДНК (рассмотренной в гл .

чем ге н В . Это поз воляет п омерживать кол и чество белка А в клет ках на

крипция нач.инается с того, что небольшой участок двой­

6).

Транс ­

значительно больш ем уро вне, чем бел ка В . Н а это м и п осл едующих ри­

ной спирали мол е кулы ДНК расплетается , открывая до­

сунках нетранскрибируемые участк и ДН К обозначе н ы серым цветом .

ступ к основаниям обе их цепей. Одна из этих цеп ей ДНК

222

ГЛАВА 7. От ДНК к белку: как клетки реали з уют генетическую информацию


(А)

о

(Б)

11

НС ,,.-,
он

он

он

11
нс

н

рибоза
входит в состав

дезоксирибонуклеиновых

кислот (РНК)

кислот (дНК)

(В)

' NH

' N ,,.-,

1
с

~

1

входит в состав

рибонуклеиновых

с

о

н
урацил

тимин

входит в состав РНК

ВХОДИТ в состав ДНК

5 '-конец
1

о
1

-0 - Р = О
1

о
1

Н 2С
основания

о

он

1

-0 - Р = О
1

о
1

Н 2С

О

u

З'

5'

рибоза

0 ,::::::-

с

'--- N /

с

. ::::::-0

i 1

о

он

1

5'-конец

РИС. 7-3. Химические структуры РНК и ДНК имеют небольшие
5'

Различия. (А) В РН К углеводные остатки представлены рибозой , кото­

З'

"

рая отличается от дезо кс ирибозы, входящей в состав ДНК , наличием

сахаро-фосфатный остов

дополнительной -ОН-группы . (Б) Вместо тимина, входящего в состав

дН К, РН К содержит азотистое основание урацил , отличающееся от ти­

РИС.

мина отсутствием -СН 3 -групп ы . (В) Фрагмент молекулы РН К . Химиче­

смотря на отсутствие метильной группы , урацил , как и тимин, способен

7-4. Урацил образует комплементарные пары с аденином. Не­

ские связи между нукл еотидами в РН К такие же , как между нуклеоти­

образовывать ком плементарные пары с аденином. Таким образом, пары

дам и в ДНК .

оснований

U-A в РНК очень похожи на Т-А пары в ДНК (см .

рис .

5-6 А) .

От ДНК к РНК

223


(А)

РИС .

7-5.

Молекулы РНК могут образовывать специфичные пространственные структуры за

счет спаривания нуклеотидов из разных участков одной и той же молекулы. РНК пр едставля ет

собой одноцепочечную молекулу, однако часто небольшие последовательности нуклеотидов образуют
компл еме нтарны е пары с нуклеотидами той же цепочки. Такие взаимодействия наряду с « н ека н он ич е­
скими » парами оснований позвол яют РНК сворачиваться в сложные трехмерные структуры , специфич­

ные для данно й последовательн ости нукл еотидов. (А) Стру ктура условной молекулы РНК , обусловлен­
ная « каноническими » (уотсо н -криковскими) взаимодействиями нуклеотидов . (Б) Такая же структура , но
с участием не только « канони чес ких » (красный) , но и « неканонических» (например ,

A-G) с вязей

между

основаниями (зеленый) . (В) Структура молекулы РНК , уч аствующей в с пл айсинге . П ары оснований,
связанные « канони че скими » связями, представл ены в виде « п ерекладин », соединяющих цепи двойной

с пирали . Разомкн утыми п ерекладинами обозначены основания , находящиеся в другой ко нфигурации .
Для дополнительной информации о структуре РН К см. ВИДЕО

7.1.

высту п ает в ка честве матрицы для синтеза РНК. Ри бо­
ну клеоти д ы

по следо ва тел ьно, од ин за д ругим , при соед и­

ДНК
З'

5'

н я ются к растущей це пи РНК. Так же как в случ ае с ре ­
пликацие й Д НК, н уклео ти дн ая п оследовател ьность цели

5'

РНК определяется п уте м об разо ван ия компле м ентарных
п а р с Д НК-м атрицей. Если образовалась п одходящая

матричная цепь

пара, ри бон у клеоти д ковалентно связывается с растуще й
це поч кой РНК в результате ферм е нтати в ной реакции. Та­

ким об разом , формирующаяся в резул ьтате транскрипции
цель РНК или траискрипт

(t1·ansc1·ipt)

удлиня ется , при­

со единяя од ин ную1 еотид з а д ру гим , и им еет нуклео тид­

ну ю

1ТРАНСКРИПЦИЯ
З'

5'

послед ов ател 1,но сть , стро го компле м е ита рную ц ели

ДНК, испол ьзо ванной в качестве матрицы ( РИС. 7-6) .

РНК

Однако тран с крипция им еет нескол ько важных отл и ­
чий от ре пл икации ДНК. В отлич ие от новообразованной

РИС. 7-6. В результате транскрипции образуется молекула РНК,

цепи Д НК цепь РНК не ост ается с вязанно й водород ными

комплементарная одной из цепей ДНК . Цепь ДНК , комплементарную

свя зями со своей матрицей. Вместо этого немного позад и

матричной (на рисунке сверху) , иногда называют « кодирую щей цепью •,

то го участка, где был и лри соед ин еиы нуклеоти д ы, це пь

та к как ее последовательность э квивалентна последовательности полу­

РНК вы тес н яется цепью Д НК, которая за ново об разует

чивш ейся РН К.

224

fЛАВА 7. От ДНК к белку: как клетки реализуют генетическую информацию


двой ную спирал ь. Это, а также то, ч то тра н ск рибируется
ли шь од н а из це п ей мол екул 1, 1 ДН К , служ ит причиной

одноцепоч е ч11о сти моле кул РНК. Кром е того, молекул ы

РНК копируют лишь н еболь шой участок молекул ы Д НК,
поэтому 0 11 и з н а ч ительно короче. Молекулы Д НК х ромо ­

со м ч е1юп с 1<а доспн·ают дл ины в

250

мл 11 11 у клсотид11ы х

пар , тогда как длина большей LJ асти молекул РНК н е пре ­
вышает н ес кольки х тысяч

н у клеотидов (многие тип 1,1

РНК еще короч е).
Фе рм е н ты,

РИС.

обеспечиваю щи е

транскрипцию,

наз ы­

7-8. Транскрипцию можно визуализировать с помощью эле к•

тронного микроскопа. На микрофотографии видно , как множество

пают РНК-полимеразами. Так же как Д НК-по лим е раэ ы

РНК- полимераз одновременно транскрибируют два соседних гена . Мо­

(см . гл. 6), они катали зируют образование фосфоди э ­
фирных с вязей м ежду нуклеотидами, формируя сахара ­
фосфатный остов цепоtши РНК РНК -л олимераза шаг

ле кулы Р НК-полимеразы видны на фотографии как серия гранул , рас­

за ша гом дв ижется вдоль це пи ДНК, рас п летая двойную

фотоснимке видно , как транскрибируется рибосомальная Р НК (рРНК).

спирал ь , и дел ает доступными для образовааия комл ле­

Эта Р НК не используется для считывания белка , а является структурн ы м

положе нных на нити ДНК , с присоединенными к ним новообразовав ш и­
мися транскриптами

-

молекул ами РН К (тонкие боко в ые нити) . На этом

м ентарных па р все новы е у частк и матричной це пи . Таким

компонентом рибосом

об разом, це пь РНК прирастает по одному н уклеоти ду в
н аправле нии от 5'- к 3'-ко нцу ( РИС. 7-7). РНК- полим е р аз а

свободном

использует

с рР Н К . (С разрешения

рибон уклеоз идтрифосфаты

(АТФ ,

ЦТФ ,

(5') конце

-

специал ь н ых машин для синтеза белка . На

каждого р РН К-транскрипта можно увидеть кру п ­

ные гранулы , представляющие собой рибосомальные белки , связанные

Ulrich Scheer.)

УТФ и ПФ) , э н е ргия связей которых задает н уж 1-юе на­
правление реакции (см. ри с .

6-10).

ЦепочI<а РНК по ходу си нтеза практич ески сразу же
освобождается от Д НК-матрицы. Это з 1-1 ачит, что м н о­

следующей копии РНК обычно н.ачинается до того, как

жество I<опий РНК может быть синтез ировано на осно­

взятого гена (допустим, длиной в

ве одного ге на за короткий пром ежуток времени . Синтез

требуется около

первая цепь РНК зав ершена ( РИС.

ровала его

7-8). Для отдел ьно

1500

п ар нуТ<леот идов )

50 с, чтобы РНК- п олимера.за тран с криби­
( видео 7.2). Однако в кажд ый отдель но взят ый

момент времени на таком участке ДНК может работать до
З'

'-

5'

К-полимераза

субъединицы

двойная

в закрытой

спираль

конфигурации

ДНК

15 РНК-полимераз,

которые, наступая д руг другу ~1 а << пя т­

ки,>, способны синтезировать до

,,..
н аправл ение
транскрипции

бонуклеозид­
рифосфаты

1000

транскрилтов в те­

чени е часа. У большинства генов, однако , скорость тра н с­
крипции значительно выше.

Несмотря на то что РНК-полимера.за катализирует точ­
но такую же реакцию, что и ДНК-полимераза, между этими

ферментами есть существенные различия . Во- перв ых , что
очевидно, РНК-полим ера.за катализирует связы вание ри­

боную1 еоти дов, а н е дезокси ри бонуклеотидов. Во-вторых, в
отличие от ДНК- полим еразы, участвующей в реплика ции
активный

центр Р Н К-

который
происходит

транскрипт освобождение
РН К­
транскрипта

ДНК, РНК-лолимеразы способны начинать синтез цепоч­
к активному центру

полимеразы РНК-пол имеразы
короткий участок

ки РНК без затравки . Это разл ичие, по всей вид имости,
обусловлен о тем, что трансТ<рил ция не обязана б ыть такой
точной, как репликация ДН К В отличие от ДНК РНК н е

гибридной Р НК/ДНК

используется как п остоя нно е хран илище ген етич еской ин ­

спира л и

формации, поэтому о ш ибки в РНК-тра н скриптах приводят

РИС. 7-7. Транскрипцию ДНК осуществляет фермент РНК-поли­
мераза. РНК- полимера.за (показана голубым) постепенно передвига ­
ется по молекуле ДНК, расплетая перед собой двойную спираль. По ходу
движения РНК-полимераза присоединяет один за другим нуклеотиды к
цепи РНК, находящейся в сайте полимеризации . В качестве матрицы
она использует экспонированную цепь ДНК . В результате транскрипции

л ишь к н ез начитель ным последствиям для кл етки. РНК­

полим е раэ ы обычно дела.ют одну ошибку на

10~ ну клеоти­

дов, тогда как у ДНК- п олимеразы частота ошибок з 11 а чи ­

телъно ниже

- одн а на 107 нуклеотидов.

В клетках образуются разные типы молекул РНК

образуется одноцепочечная молекула РНК, комплементарная одной из

Б6льшая часть генов , соде ржащихся в клето чн ой ДНК, не­

нитей ДНК . Двигаясь по матричной ДН К, РНК-полимераза постепенно
смещает новообразовавшуюся цепочку РНК, позволяя нитям ДНК по­
зади себя свернуться обратно в спираль . Таким образом, гибридная
спираль, где ДНК связана с РНК, образуется лишь на коротком участке
примерно в девять нуклеотидов длиной , и такое «окно» передвигается
вдоль ДНК вместе с РН К- полимеразой ( ВИДЕО 7.2).

сет и нформа ци.ю об аминокислотн ой последовател ьности

белков; молекула РНК, которая копируется с этих генов
(и на основе кото рой прои сходит синтез белка ) , н аз ывают
матричной РНК (мРНК) . У эу кариот каждая молекула

мРНК обыч но содержит информацию, транскрибирован­
ную с одного гена, кодирующего еди н ствею-rый тип белка.

От ДНК к РНК

225


ТАБЛИЦА

7-1 . Типы РНК ,

синтезирующихся в клетках

вать начало ген а (точку начала транскрипции) и прочно

связаться с ДНК в этом участке. У бактерий и эукариот

Тип РНК

Функция

мРНК

кодирование структуры белков

процесс уз навания точки начала транскрипции происхо ­

служат структурной основой рибосомы

рРНК

и катализируют синтез белков

дит по-разному. Поскольку у бактерий этот процесс н е­
сколько проще, мы начн е м с н его.

Когда РНК-полимераза случайным образом сталки­

микроРНК

регуляция эксп рессии генов

тРНК

служат адаптерами между мРНК и амино­

с двойной спиралью и начинает быстро скользить вдоль

кислотами в процессе синтеза белка

цепи . Скольжение прекращается, только если фермент

другие малые РНК

вается с участком мол екул ы ДНК, она слабо связывается

участвуют в сплай синге РНК, поддержании
теломер и многих других процессах

встречает участок ДНК, называемый промотором . Этот
у часток содержит специальную последовательность

ну ­

клеотидов, указывающую н а точку начала транскрипции.

Как только РНК-полимераза достигает промотора, она
прочно связывается с ДНК и вскрывает двойную спираль,

В клетках бактерий набор близко расположенных генов
часто транскрибируется вместе, в одну молекулу мРНК,

экспонируя нуклеотиды обеих цепей ДНК ( РИС. 7-9). Одна

которая, таким образом, несет информацию сразу о не­

качестве матрицы при образовании J<омплементарных пар

сколъких разных типах белков . Конечным продуктом не­

с приходящими рибонуклеотидами, два из которых соеди­

которых генов является непосредственно РНК (ТАБЛ . 7-1).

няются полимеразой, давая начало цепи РНК Удлинение

из двух экспонированных цепочеJ< ДНК далее выступает в

Далее в этой главе мы увидим, что некоторые (нематрич­

ные) РНК, подобно белкам, выполняют регуляторные,

.

структурные, а также каталитические функции в клетке.
Они играют ключевую роль в процессе трансляции гене­
тической информации в аминокислотную последователь­

ность белка. Так, рибосомалъная РНК (рРНК)

RNA)

(ribosomal

формирует основу рибосомы, осуществляющей

трансляцию мРНК в белок, а траиспортные РНК (тРНК)

(transport RNA)

З'

матричная цеп1ерминатор
РНК-полимераза НАЧАЛО
СИНТЕЗА
РНК

'

5'
З'

( microRN А, iniRN А), как мы увидим в гл. 8, служат ключе­
В более широком смысле термин экспрессия генов

5'

(gene expression) обозначает процесс, в результате которо­
го информация, заложенная в последовательности ДНК,

З'

ТРАНСКРИПЦИЯ ,

белок, понятие <<экспрессия гена>> включает как

ОСВОБОЖДЕНИЕ

транскрипцию, так и трансляцию. В тех же случаях, когда

РНК- ПОЛИМЕРАЗЫ И

конечным продуктом является молекула РНК, трансля­

РНК-ТРАНСКРИПТА

-

Инициация транскрипции

-

'

~

5'
З'

З'

5'

1

~ ~

ция не требуется.

РНК-полимераза опознает сигнальные участки ДНК,
обозначающие начало и конец транскрипции

l рас1;Ущая цепь РНК

'

5'

ствующий на клетку или организм . В том случае, если этот

продукт

З'

5'

L_. сигма-фактор

выми регуляторами экспрессии генов эукариот.

транслируется в какой-либо конечный продукт, воздей­

З']
, ДНК

5

L..J

выбирают заданную аминокислоту и переносят ее в нуж­
в состав белка. Другие малые РНК, называемыеми-кроРНК

·····-;

'

5'

представляют собой адаптеры, которые

ный участок рибосомы, где эти аминокислоты Вl(JIЮчаются

•',

,,i :. .,. ___ ;: :_,;j

\

~

'

(
'\

обратно к

Т

РНК-полимеразе
З'

5'

критически важный процесс,

так как именно на этапе инициации транскрипции клетка

РИС .

способ1-1а выбирать, какие белки или РНК и в каком ко ­

тить транскрипцию, по специальным сигналам в последователь­

7-9.

РНК-полимераза бактерий узнает, где начать и прекра ­

личестве должны быть синтезированы. Для начала транс­

ности ДНК. В состав бактериальной РН К-пол имеразы (голубой) входит

крипции РНК-полимераза должна быть с пособна узна -

субъединица, называемая си гм а- фа ктор (желтый) , кото рая узнает про­
моторный участок ( зеленый) на ДН К . После начала транскрипции сиг­

ма-фактор освобождается, а РН К-полимераза продолжает синтез РН К
ВОПРОС

без него. Удлин е ни е цепи продол жается до тех пор, пока полимераза

7-2

А В какую сторону (справа налево или слева направо) движет­

rl' ся РНК-полимераза, показанная на рис . 7-8? Почему рРНК-

8

226

транскрипты короче , чем ДНК , которая их кодирует?

ГЛАВА

не встретит на своем пути си гнал терминации (красный); тогда фермент

останавливается и высвобождает и матричную ДН К, и новообразованную
мол екулу мРНК . Затем полимераза снова соедин я ется с сигма-факто ром
и начинает искать новы й промотор , чтобы начать процесс с начала.

7. От ДНК к белку: как клетки реализуют генетическую информацию


ПРОМОТОР
(сигнал начала
транскрипции)

- 35

- 10

+1

1

1

1

матричная цепь

AGGUCCACG

5' - - С С С А С А
З' - - G G G Т G Т

С

G G

С

Т ТСС

G G

G

Т С А АGGС

l
5'

•

G

АСС

G

СС

А

G

ТРАНСКРИПЦИЯ

А А СТ Т Т СТ Т ТА АТ

Т ААААТТ

7-10.

G А - - З']
5'

А А АGА А А Т Т А С Т

ДНК

\

матричная цепь

CCCACAGCCGCCAGUUCCGCUGGCGGCAUUUU
РИС.

G

З'

РНК

Бактериальные промоторы и терминаторы транскрипции имеют специфическую

нуклеотидную последовательность, узнаваемую РНК-полимеразой. На схеме зеленым цветом

выделены участки последовательности ДНК, характерные для промотора. Числами обозначены по­
зиции нуклеотидов относительно первого транскрибируемого нуклеотида (обозначенного
мотор устроен несимметрично (последовательность в положении
кулы, чем последовательность в положении

-10),

-35

+1).

Про­

стоит ближе к 3'-концу моле­

что позволяет правильно ориентировать молекулу

ДНК-полимеразы и задает направление дальнейшей транскрипции . Вс е бактериальные промоторы
содержат схожую последовательность ДН К в сайтах

- 35 и - 1О .

На нижней схеме красным обозначены

последовательности , которые РНК-полимераза воспринимает как сигнал терминации транскрипции.

цепи происходит до тех пор, пока фермент не встретит

ко в одной ориентации. Поэтому, будучи правильно рас по­

второй сигнал на ДНК

(terminator) транс­

ложенной на цепи ДНК, РНК-полимераза имеет возмож­

крипции. На этом участке полимераза останавливается и

н ость синтезировать единственный вариант цепи РНК.

-

терминатор

освобождает обе цепи ДНК, а также новообразованную

Это с вязано также с тем, что транскрипция идет только в

нить РНК ( см. рис .

направлении от

7-9).

Субъединица бактериальной полимеразы, называемая
сигма -фактором

(sigma factor) , отвечает за узнавание про­

5' к З'-концу. Одн ако по отношению к хро­

мосоме в целом нап равление транскрипции варьирует от

гена к гену ( РИС.

7-11 ). Поскольку прочное связывани е н е­

мотора в последовательности ДНК. Как только фермент

обходимо для того, чтобы РНК-полимераза начала транс­

присоединится к этому сайту и синтезирует цепь РНК

крипцию, фрагмент ДНК будет тран скрибирован только в

длиной приблизительно в

том случае, есл и ему предшествует промоторный у часток.

10

нуклеотидов, с игма фактор

отсоединяется, позволяя полимеразе двигаться дальше

без него. После того как полимераза, в свою очередь, вы­

Это гарантирует то, что только участки мол екулы ДНК,

содержащие гены, будут т ран скрибированы в РНК.

свобождается в сайте терминации, она опять образует
комплекс со свободным сигма-фактором и начинает поиск

РНК-транскрипты

Промотора, с которого вновь может начать транскрип цию.

Полимераза способна узнавать промотор даже несмо­
тря на то, что ДНК находится в форме двойной спирали.

Это происходит за счет образования специальных связей

с теми частями оснований, которые обращены к внешней
стороне спирали. Нуклеотидная последовательность ти­
пичного промотора и типичного терминатора транскрип­
ции представлена на РИС. 7-10.

5,

~
ген d
гене

~
ген а

3'

РИС.

ген Ь

ген с

3'

.........

ген

f

ген

g

5'

7-11. Одни гены могут транскрибироваться с одной цепи
- с комплементарной ей цепи. Направление транс­

ДНК, а другие

Поскольку ДНК двухцепочечная, промотор тео­

крип ции определяется ориентацией промотора в начале гена (зеленые

ретически способен инициировать синтез двух РНК­
транскриптов: одного справа налево, другого - слева

стрелки). На рисунке в генах, считывающихся слева направо, как ма­

направо. В действительности промотор устроен асимме­

рис .

трично, и потому связывает РНК- полимеразу всегда толь-

трица используется нижняя цепь ДНК , а справа налево

- верхняя (см.
7-10). На рисунке представлены примерно 0,2% (10 ООО пар нукле­
отидов) хромосомы Е. coli.

От ДНК к РНК

227


Инициация транскрипции эукариотических генов

-

ВОПРОС

сложный процесс

7-3

А Может ли РНК - полимера за, участвующая в транс крип­

rl' ции , использоваться для создания РНК -затрав ки , необ-

Большая часть того, что сказано выш относительно бак­

8

ходимой для репликации (гл . 6)?

териалыюй тра~1скрилц ии , также верно и для эука риот.

Одн ако инициация транскрипции у эукариотических кле­
ток им еет несколы<о важных отличий от того, как это про­

Послед няя , но н е менее з начимая особешrость иници­

исходит у бактерий.

•

ации транскрипции у эукариот

разах. В то время как бактерии содержат еди нств е н ­

ци а ции при ходится им еть дело с ДНК, упаковаююй в

ный тип РНК-полим е раз, эукариотич ес кие кл етки

1-1 уклеосомы и другие, более компакпrые формы хро ­

имеют целых три: РНК-полим.ераза

I, РНК-поли.мераза
IJJ (RNA роlуш егаsе I, RNA poly111.erase II, RNA polyin e гase III). Все оии отвечают за
транскрилцию разных типов 1·е н ов. РНК-полимераз ы I
и III транскрибируют гены, кото рые кодируют транс­
Пи РНJ{-полuмераза

портны е РНК, рибосомальные РНК и малы е РНК,
играю щи е

структурную

и

каталитическую

клетке (ТАБЛ. 7-2 ). РНК-полиме ра.за

II

роли

в

транскриб иру­

ет бол 1, шую •1асть генов эукариотической клетки, в том

то, что с и стеме ини­

мати н а, которые мы рассмотрим в гл.

8.

Те п е рь обсудим подробнее универсальные транскрипци­
о нные факторы и то, как они п омогают эукариотической
РНК-полиме разе

II

инициировать транскрипцию.

Для работы эукариотической
РНК-полимеразы требуются
универсальные факторы транскрипции

числе те, что кодируют белки ( ВИДЕО 7.3). Поэтому в

В отличие от бактериалъной РНК- полимеразы 0•1и ще1-1ная

дальнейшем мы будем гово рить преимуществе1-r1-ю об

РНК-полимера.за

этом ферм енте.

ровать транскрипцию

Второе отличие заклю чается в том, •по бакте риальная

ло к откр ытию универсальных фа~сторов транскрИiщии

II

н е сп особна самостоятелы-ю иниции ­

in vitro. Данное

наблюдение приве­

РНК-полимера.за (вм есте со своей сигма-субъедини­

(ge п eraJ tгaнscripti oл factoгs ) . Эти вспомогател ьные белки

цей) способ на и н иции ровать транскрипци ю самосто­

собираются на лромоторном участке ДНК, ориентируют

ятельно, тогда как эукариотическая РНК-полиме ра.за

РНК-полимера.зу относительно ДНК, разнимают двой -

требует п омо щи большого числа вспомогательных
белков. Наибол ее важными и з них являются уиивер­

1-,ую спираль так, чтобы сделать достут-юй матричную

салъиые траискрипциоииые фа'Кmоры, котор ые для на­

тра н ск рипции.

ч ала тра н скри пции должны собратъся ыа промоторе и

це п ь, и за пускают работу РНК-полим еразы
На РИС.

-

на•~ало

7-12 показано , как униве р салыrые ф акто ры

транскрипции собираются в комплекс на промоторе,

соединиться там с полиме разой.

•

-

Пе рвое отличие закл ючается в самих РНК-полиме­

Третье отличие транскрипции эу кариот в том, что ме­

исполъзуемом РНК-полим е разой

ханизм

обычно начинается с того, что у ни версалыrый транс­

инициации транскрипции о рга 1ш зован у

з начи тельно сложнее, чем у прокариот ( см.гл.

них

8). У бак­

терий гены уложены плотн о одии за другим с очень ко­

крипционный фактор

TFIID

II.

Процесс сборки

связывается с коротким

участком двойной сп ирали ДНК, состоящим пр еиму­

рот1<им.и участками н етранскрибируемой ДНК между

ществе J-11-IО и з нуклеотидов Т и А. Последователъност 1,

ними . Но у растений и животных (включая человека)

это го у ч астка благода р я своему составу получила на­

отдельные rе~, ы расположены н а болъших расстояниях

зва ние

друг от друга:

между соседними ге нами

(ТАТА-Ьох). П о м е ре связывания с ДНК

дюъся

п ар нукл еотидов .

100 ООО

может

TaL<oe ст роение

нахо­

п озво­

ляет для каждого ге на им етъ практически н ео rранич

н­

ТАТА-последователь но стъ,

или

ТАТА-601Сс

TFIID

вызы ­

вает з начител ьные и зменен ия ее структуры ( РИС. 7-13) ;

они служат ориентиром для ассоциации др уг их белков

ное число регул яторных п оследователъностей, разб ро­

11 а промотор е. ТАТА-бокс

са ,нrы х по ДНК. Это дает эукар иотам возмож 1 юсть ис­

гих л ромоторов РНК- полим е р азъr

полъзовать более слож ны е формы транс крипц ионной

ложе н на р асстоя нии в

регуляции, недоступны е бактериям.

транскрипции. Как толъко п е рвый транскрипцио т-rный

25

-

ключевой компонент мно­

II. 01-1обычно

распо­

н уклеотидов от сайта н ачала

фактор связался с сайтом на ДНК, остальные факторы,

а такж е РНК-полим ераза при соединяются
ТАБЛИЦА

7-2. Три типа

Тип полимераэы

РНК - полимераэ у эукариот

sc 1·i pti.o п

транскрипционны е ф акторы связываются друг с другом

1

большая часть генов рРНК

РНК-полимераза

11

белок-кодирующие гены, микроРНК ,
гены некоторых малых РНК (напри­
мер, участвующих в сплайсинге)

111

гены тРНК

5S рРНК
гены многих других малых РНК

228

iпitiatioл

complex ). На

рис.

об­

( tгaл­

Транскрибируемые гены

РНК-полимераза

РНК - полим ераза

1< н ему,

разу я полный 1Солтле1Сс ииициации mpauc1Cpunцuu

в о пределен1-rой п оследовательности,

7-12

1-10

показано, что

в действителъ-

1-1о сти последователь ность сбо рки может разл ичаться
для р азных пр омоторов.

Чтобы 11 ачатъ си нтез ировать молекулу РНК, РНК­
полимераза

II в соста ве комплекса ини ци ации транскрип­

ции, связанная с промоторной: областью ДНК, должна

освободитъся от тра1-1скрипцио1-1ных факторов . Для это го

ГЛАВА 7. От ДНК к белку : как клетки реализуют генетическую информацию


точка начала транскри пци и

ТАТА-бокс

Г-

(А)

ТВР

TFIID
с

(Б)

(В)

другие факторы

«хвост»

транскрипции

\

r

РНК-полимераза

11

РИС.

7-13.

ТАТА-бокс-связывающий белок (ТВР) соединяется

с ТАТА-последовательностью и создает локальные изменения в
пространственной структуре ДНК. ТВР представляет собой субъеди­

ницу транскрипционного фактора TFIID, которая способна распознавать
ТАТА-п оследовательность в составе промотора и связываться с ней .

Присоединение ТВР специальным образом изгибает молекулу ДНК , в
результате чего появляется участок с частично расплетенной двойной

(Г)

~ УТФ,АТФ

!

ЦТФ , ГТФ

спиралью . Такое изменение структуры позволяет присоединиться сле­
дующим транскрипционным факторам . ТВР состоит из одной полипеп­

тидной цепочки, сложенной в два почти одинаковых домена (синий и

зеленый). Восемь р-слоев белка накрывают ДНК , формируя структуру,
напоминающую седло ( ВИДЕО

ers Ltd

из :

7.4). (С разрешения Macmillan
J.L. Kim et. а/. , Nature 365: 520-527, 1993.)

PuЫish ­

(д)

РНК

ТРАНСКРИПЦИЯ

РИС. 7-12. Для запуска процесса транскрипции РНК-полиме­

к <, хвосту~ РНК-полим е разът присоединяется . н ескол ько

разе 11 необходим набор универсальных транскрипционных фак­

фосфатных групп. Процесс осуществляется транск рипци­

торов. Эти факторы называют TFIIA, TFIIB и так далее. (А) Многие про­

о нны м фактором

моторы содержат последовательность ДНК , назы ваемую ТАТА-боксом .

служит протеинкиназа (см. рис.

(Б) Транскрипционный фактор TFIID распознает ТАТА-бокс и связыва­

фосфорилирование помогает п олимеразе освободитъся

ется с ним , что , в свою очередь, делает возможным присоединение
следующего транскрипционного фактора TFIIB (8). Для упрощения на

от тра н скрипционны х факторов и 1,rачать транскрипцию.

TFIIH,

одной и з субъеди ниц которого

7-12,

Г). Считается, что

Сразу п осле за пуска процесса транскрипции большая

Рисунке не показаны структурные изменения , происходящие с ДНК по­
сле присоединения TFIID (см . рис. 7-13). (Г) Остальные транскрипцион­
ные Фа кторы вместе с РНК- полимеразой связываются с промотором .

дят с ДНК и могут принять участие в инициации следу­

(Д) TFIIH за счет энергии АТФ подобно рычагу раздвигает цепочки двой­

пол име разы.). Когда РНК-полим е раза

ной спирали в точке начала транскрипции, делая доступной матричную
цепь. TFIIH также фосфорилирует РНК-полимеразу 11 , что приводит к ее
освобождению от основных транскрипционных факторов и началу фазы

крипцию, она также отсоединяется от молекулы ДНК, а

элонгации транс крипции . Сайт фосфорилирования представляет собой
длинный полипептидный «хвост», который тянется за полим е разой.

частъ у нив ерсальных транскрипционных ф акторов ухо­

ющего раунда транскрипции (с другой молекулой РНК­

II завершает транс ­

фосфатные группы удаляются с н ее фосфатазами. После
этого она снова сп особна принимать участие в инициа­
ции транскрипции. В инициации тра11сr<рилции участвует
тол ,, ко деф осфор илированная РНК-полиме раза

II.

От ДНК к РНК

229


У эукариот в ядре одновременно

РНК-полимераза

11

\

происходит синтез и процессинг РНК
Несмотря н а то что матричный прю-щип , в соответствии с

которым ДНК транскрибируется в РНК, одинаков у всех ор­
ганизмов, судьба РНК-тра.нскрю , тов у бактер ий и эу ка риот
существе нно разл ич ается. У бакте рий ДНК локализован а
факторы

н е посредственно в цитоплазме, в которой та~оке соде ржатся

рибосомы

(ribosomes),

сплайсинга

осуществляющие синтез белка: они

полиаденили-

факторы, участвующие

ной мол екул ы мРНК и сразу же н ачинают с интез белка.

Ieus),

j

факторы ,

участвующие в
ровании

присоединяются к свободному 5'-концу транскрибирован­

В клетках эукариот транскрипция идет в ядре

..

в присоединении кэпа

(11L1 c-

где локы,и зована ДНК, а с иитез белка происхо­

дит в цитопл азме, в которой рас положен ы рибо сомы.

Так им образом, п еред тем как транслироваться, мРНК
должна выйти в цитоплазму че рез поры в оболочке ядра
НАЧАЛО

( РИС. 7-14). Од нако п е ред выходом из ядра эука риоти­

ПРОЦЕССИН
РНК

ч еская РНК проходит нес коль ко этапов процессинrа

(processing).

Процесс инг

происходит одновременно с

транскрипцией: ферменты, отвечающие за лроц есс инr

РИС .

РНК, связываются с ~ хвостом ~> эукариотич ес кой РНК­

ходит присоединение белков, участвующих в процессинге РНК .

полимераз ы и процесс ируют РНК-транскрипт ло мере

РНК - полимераза не только осуществляет транс к рипцию ДН К, но также

е го появлеиия из РНК - nолим е раз ы ( РИС.

7- 15.

После фосфорилирования РНК-полимеразы

11

проис­

присоединяет белки, участвующие в процессинге вновь синтезирован­

7- 15).

В зави симости от типа синтез ировааной РНК тран с ­

ной РНК. Эти белки присоединяются к «х восту » РНК - полимеразы после

крипты nроц есси руются (перед тем как покинут~, ядро)

его фосфорилирования на поздней стадии инициации транскрипции

по-разном у. Присоедине11ие 1<Эnа (кэпирован ие,

(см . рис .

capping)

и полиаде11шtирова11ие (polyad eпilat i on) характерно, на­

7-12). Во время процесс инга (см .

ни же) происходит кэ пирова­

ние , полиаденилирование и с пла йсинг РНК .

пример, только для процессииrа молекул РНК, которые

должны стать мРНК ( РИС. 7-16) .
Присоеди нени е кэnа .к РНК подразумевает модифи­

1.

кацию 5'-конца молекулы мРНК, т. е. конца, с и~rте­

2.

В

результате

пол иадекил ирования

новообразован­

ных мРНК к их 3'-концу присоед иня етсн специаль­

з ируемо го п е р вым в процессе транскрипции. Эта мо­

ная стру 1пура. У ба ктерий 3'-конец мРНК сов падает с

д ифик а ция закл ючается в присо едине нии к молекуле

3'-концом транскрипта, синтезированного РНК-пол и­

с допол­

меразой. В то же время у эу1<ариот специальный фе р­

нител ьной метильной группой. Присоед инение кэпа

м е ,п разрезает цепочку РНК в участке с определенной

РНК нетипичного нуклеот и да

-

гуанина

(G)

происход ит п осле того , как дл и1➔ а си нтезированной

п оследо ватеJП,ностыо , а затем д ругой ферм ент присо­

РНК дост игает

еди ня ет туда ряд аде н инов (А). Такой поли-А-хвост

25

н уклеотидов, но задол го до за в е р­

(poly-A tail) обыч но достигает длины

ше ния т р анск рипции всего гена.

в несколько сотен

нуклеот и дов.

ядрышко

Предполагается, что эти две мод ификации
нил ировани е и при соед ин е ние кэ п а

-

-

п ол иаде­

вы полняют следу­

ющие функ ции : 01-1и увеличивают устойчивость молекулы

мРНК, способствуют ее э кспорту и з яд ра в цитоп лазму и
позволяют ра споз н авать РНК-молекулу в качестве мРНК.
Эти модифи_кации также узнаются системой с интеза бел­

ка для того , ч тобы убедиться в целоспюсти молекулы
мРНК. Наличие обеих модификаций у 1<азьшает на то, что
в этой молекуле соде ржится пол н ая информ ация о белке,
и что мож 1-ю при сту п ать к е го си нтезу.

Эукариотические гены прерываются
5

мкм

некодирующими последовательностями

в ядре молекулы мРНК выходят че­

У эука риот боль шая часть молекул РНК, пе ред тем, как

рез поры в ядерной оболочке (красные стрелки) в цитоплазму, где

стать фу 1-1кцио1-1 ал 1, 1-1ым и, долж ны пройти дополнитель-

РИС .

7-14. Синтезированные

они могут быть транслированы. На рисунке представлен срез ядра

1-1ы е этапы лроцесс инга. Эти этапы под разумевают более

клетки печени . (С раз реш е ния

су ществе ,шы е измене1➔ ия, ч ем при со ед ин ение кэпа и ло ­

Elsevier из : D.W. Fawcett, А Textbook of
Histology, 11 th ed. Philadelphia: Saunders, 1986.)

230

лиаденилирование , и воз ни кают из-за удивитель ной осо-

ГЛАВА 7. От ДНК к белку : как клетки реализуют генетическую информацию


РИС.

5'- конец первичного

7-16. У эукариот после транскрипции происходит присое ­

транскрипта

динение кэпа и полиаденилирование мРНК . (А) Концы м РН К у эука­

риот модиф ицир у ютс я : к 5 '- кон цу п рисоединяется кэп, а к З'-кон цу

но

-

он

п оли- А -хвост и отщепл я ется ч аст ь некодирующей последо в ательн о­
сти. ( Б) Ст руктура кэ п а на 5 '-конце эукариотической м РН К. О братите
в ниман и е н а н еоб ыч н ую 5 ' -5 ' -с в язь между 7 - мет ил - G -нукле отидом и
о статком РН К . Ч асто кэ п доп олни тельн о модиф иц ир ова н м ет илиров а ­

ни е м 2 '- гидро кс ильно й группы пр и вто ро м остатке р ибоз ы ( на ри с ун ке

трифосфатный

не п оказа н о) .

МОСТИК между

5 '- концом РНК и

5'- углеродом

кэпа

i

7 - метилгуаноэин

полиаденилирование РНК и присоединение кэпа

0

кодирующая

некодирующая

последовательность

последовательность

5'
Р

ААААА1 s0-2so

5' кэ п

поли -А-х вост

G

З'

1

СНз

бело к

(А}

(Б)

длина составляет лишь небольшую часть от общей дли­

кодирующий участок

ны гена. Длина интронов варьирует от одного до более

З ,'] ДНК

5'
З'

5
бактериальный ген

чем

10

ООО нуклеотидов. При этом одни эукариотические

гены не содержат интронов , дру г ие

-

имеют несколько, н о

большая часть содержит множество интронов ( РИС. 7-18) .

ген ~-глобина человека

123

11
11

эукариотич е ский ген

РИС. 7-17. Гены бактерий и эукариот устроены по-разному. В то

u
2000
(А) пар нуклеотидов

вре мя как у бактери й вся считывающаяся последовательность кодирует
аминокислоты, у эукариот кодирующие последовател ьности ( экзоны )

Разделен ы интронами , которые не кодируют аминокислоты . Зеленым

ген факто ра

обозначены п ромоторы генов .

человека

5

бенности организации эукариотических генов. У бактерий
большая часть белков кодируется непрерывной последо­
вательностыо ДНК, которая, будучи транскрибирована в

РНК, может выполнять фун кции мРНК без каких-либо

дальнейших преобразовани й. У эукариот большая часть
кодирующих последователыюстей прерывается длинны ­
~и, некодирующими участками, называемыми интронами
(щtrons) (РИС. 7-17). Разбросанные участки кодирующей
nоследоватслыюсти называют экзонами (exons). Они

обычно значительно короче, чем интроны. Их суммарн ая

VIII

свертывания крови

интроны

10

/ 14 \

22

25

26

\f

экэоны

200

ООО пар нуклеотидов

(Б)

РИС.

7-18.

Большинство генов человека разбито на экзоны и ин­

троны. {А) Ген ~- глобина, кодирующего одну из субъединиц гемо гло­

би на

- бел ка , перенос ящего к и слород , - содерж ит три экзон а . (Б) Ген
фактора VIII , который кодирует бело к фа ктор VIII с вертывани я крови , со ­
держи т 26 экзонов . Мутации в этом огро мном ге не являются причино й
одно й и з самы х рас простра н е нных форм гемофилии .

ОтДНКкРНК

231


Интроны удаляются при сплайсинге РНК

ин трон

В эукар и отиl1еской клетке для того, чтобы си нтезировать
мРНК, сначала тра нскрибируется nесь rен , включающий

экзон

экзон

(5'-концевая

(З'-концевая

последовательность)

последовательность)

ка~< э1<зо ны , так и иитроны. После 11ри соеди нения кэ п а,

5'

З'

5'

З'

н о до того, как РНК -л олимераза завер 111ит 11ро ц есс т ран с­

к рипци и, н ачинается сплайсинr РНК

s pli c iпg).

(RNA

В пр оцессе с плайсинга последовательности интронов уда­

ляются из вновь синтезирова н ной ц пи РНК, а оставши­
еся экзо ны сшиваются вместе. В конце ко 1щов к каждому
транскрипту присоединяется

п оли-А-хвост: иногда это

пр оисход ит до того, как завер шится сплайсине, а в н еко­

то ры х случаях

модификации

-

после. По сле заве рше ния сплайс инга и

3'-

и 5'-концов транскрилта молекулу РНК

можно с читат ь зрелой мРНК, готовой для экспо рта из
яд ра и т ра н сляции .

Как клетка определяет, какую часть РНК-транскрипта

необход имо удаJ1и ть в процессе сплайсин rа? В отлиLIИе от

,,.,,,,,,.-

«лассо»

кодирующей последовательности экзонов большая часть
интроиа бессмысленна. Однако у всех интронов есть сход­
ство в их ну клеоти дной лоследовательности: каждый ин­

З'

трон содержит неболь ши е участки, служащие подсказкой,

что его надо удалить. Эти участки представляют собой

+

последователыюсти , р ас п оложенны е рядом с границами

ности интрона , называемый «точкой ветвления », атакует 5 '-концевой

для удаления интрона

/

~

1

L-, \ \

1

~

,--1--,

1 3,

фраг-

участок интрона и разрезает сахара-фосфатный остов РНК (обратите

первич -

У интрона 5 ' -конец ковалентно связывается с 2 ' -ОН-группой рибозы

мент

1/- - YURAC - .... - YYYYYYYYNCAG G- - - ного

- - - AG GURAGU -\-

транс -

экзон

УДАЛЕНИЕ ИНТ:::

1

'"''°"
5'

1

t- З'

--- AG
экзон

1

Во время сплайсинга образуется структура типа

7-20.

«лассо». На начальном этапе аденозин (красная А) в последователь­

последовательности, необходимые

5,

З'

5'
РИС.

он

внимание , что тот же самый аденозин выделен красным на рис .

7-19).

в составе аденозина , формируя разветвленную структуру. Затем сво­

бодная ОН -г руппа на 3 '- конце экзона реагирует с первым ну клеоти ­

2
'1"""

дом следующего экзона. Таким образом два экзона соединяются в

непрерывную кодир ующую последовательность, а интрон высвобож­
дается в виде структуры типа « лассо », которая в дальнейшем подвер­
гается деградации .

фрагмент

мРНК
экзон

2

Границы интронов содержат консервативные после ­

и нтронов. Во всех интронах они устроены одинаково или

довательности нуклеотидов. Приведенные на рисунке последова ­

очень похоже ( РИС. 7-19). Орие н тируясь на такие последо­

тельности необходимы для удаления интрона, остальные позиции не

вателыюсти, слож н о организованная система с плайсинrа

имеют существенного значения . Малые ядерные рибонуклеопротеиды

разрезает интрон , который при этом формирует структуру,

(мяРНП) узнают такие последовательности, разрезают РНК по гра­

напомин ающую %Лассо>> ( РИС. 7-20) , за счет реакции с уча­
ст и ем адени1-tа, помеченного красным цветом ~ra рис . 7-19

РИС.

7-19.

нице экзо н / интрон и ковалентно сшивают экзоны друг с другом . На

рисунке буквой

R обозначена

позиция, в которой может находиться

и рис.

7-20.

U. Букв а Nобо ­

Мы не будем п одро б но обсуждать систему сплайсин­

значает любой нуклеотид . Красным выделен остаток аденозина в по ­

га, но следует отметить, что о н осуществляется в основ­

один из двух нуклеотидов А или

G,

буквой У

-

С или

следовательности интрона , который называют «точкой ветвления » ; к

но м под действием молекул РНК, а н е молекул белков,

нему присоединяется 5 '-к онец интрона при сплайсинге , в результате

р аботаю щи х на д ругих этапах процессинга РНК Моле­

Расстояния

кулы РНК узн ают границы интронов и экзонов (за счет

между специфичными для с пл айсинга последовательностями могут

образования комплеме нтарных па р) и принимают не­

ч его образуетс я структура типа « лассо » (см . рис .

7-20).

быть различны , однако , как правило , расстояние от 5 ' - конца интрона

посредстве нное участие в химических реакциях с п лай­

до «точки ветвления » намного больше, чем от «точки ветвления » до

синrа. Эти молекулы называют малыми ядерными РНК

3 '- конца интрона . На рисунке приведены последовательности , необхо ­

(мяРНК)

димые для сплайсинга РНК у челове ка; подобные посл едовательности

вспомогательными белками, об разуют .МGJ!ЫЙ ядериый

ха ра кте рны для всех эукариот.

232

(smalJ

nнсlеаг

RNAs, snRNAs).

puб01ty1(Jleonpomeuд, мяРНП

ГЛАВА 7. От ДНК к белку: как клетки реализуют генетическую информацию

(small

Они , вместе со

nu clea г гibonнcleopro-


З',J ДНК

5
экзоны

интроны

ТРАНСКРИПЦИЯ , СПЛАЙСИНГ

j

И ГИДРОЛИЗ/ПОЛИАДЕНИЛИРОВАНИЕ
З'-КОНЦА
З'

5'

мРНК из клеток
поперечнополосатых
мышц

----.-- з• мРНК из клеток

5'

- - -- -•3'
- - -- -•3'

5'
5'

мРНК фибробласта
мРНК фибробласта
мРНК из клеток мозга

5'
РИС.

гладких мышц

7-21 .

Альтернативные пути сплайсинга гена а-тропомиозина. а-Тропомиозин

белок,

-

имеющий двухспиральную структуру и регулирующий сокращение мышечных клеток (см . рис .

4-13).

Как показано на ри сунке , сплайсинг первичного транскрипта гена а- тропомиозина может осущест­

вляться несколькими альтернативными способами . Продуктом такого сплайсинга являются различные

м РНК , с которых затем считываются разные формы белка . Для заданного типа клеток способ сплай­
синга может быть уникальным . Наприм ер, а-тро помиозин поперечнополосатых мышц отличается от
а-тро помиози н а гладкой мускулатуры , несмотря на то что оба белка считываются с одного ге н а. Крас­
ные стрел ки показывают сайты, в которых может происходить полиаденилирование.

te iп

particles, snRNPs). мяРНП служит основой сплайсо­
(spliceosome), осуществляющей сплайсинг, в состав

сомы

Зрелые РНК эукариот

избирательно экспортируются из ядра

которой входит множество других белков и РНК Работа
сплайсосомы представлена на ВИДЕО

Выше мы

7.5.

рассмотрели, как

мРНК синтезируется

и

Экзон-интронный тип организации генов эукариот

процессируется в I<леточном ядре. Однако для эука­

на первый взгляд кажется очень растоLJитель ным , но он

риотической клетки создаются определенные пробле­

одновременно дает и определенные преимущества. Во­

мы: из всей синтези рованной мРНК лишь небольшая

nервых, транскрипты многих эукариотиLJеских генов мо­

часть

гут пройти сттлайсинr по -разному, так чтобы в конце кон­

яся часть

-

зрелая мРНК

-

-

необходима клетке. Оставша ­

вырезанные интроны, поврежденная РНК

цов образовались различные белки. Такой альтернатив­

и

llЫЙ сплайсинr

только бесполезны, но могут быть опасны, если не будут

(alteroative splicing)

позволяет на основе

неправильно

процессированные

транскрипты

-

1-1 е

одного гена синтезировать разли,rные белки ( РИС. 7-21 ) .

уничтожены вовремя . Как же клетка отличает относи­

Около

60% генов человека претерпевают альтернатив­

тельно н емногочислен ны е зрелые молекулы мРНК от

ный сплайсинг [по современным данным, таких генов у

пр евосходя ще го количества РНК-мусора, образующе­

человека более чем

гося в результате процессинга?

90%. -

Прим . ред.] Таким образ ом,

сnлайсинг РНК позволяет эукариотам еще больше уве­

Ответ заключается в том, 'IТО транспорт мРНК из

личить и так безмерные возможности кодирования ин­

ядра в цитоплазму, где происходит синтез белка,

формации в их геномах.

ма избирателъный процесс. Пропускаются только кор­

Другое преимущество, которое дает сплайсин г эука­

ректно процессированные РНК.

-

весь­

За избирател ь~rость

риотическим организмам, по всей видимости , проявля­

транслорта ттроцесс ированных РНК отвечают ядериые

лось на ранних этапах эволюции генов. В гл.

будем

поры (nuc l eaг рогеs), I<оторые узнают и переносят толь­

экзон-интронная ст р уктура

ко зрелые молекулы мРНК. Эти поры соединяют ну­

генов могла способствовать появлению новых полез­

клеоплазму с цитоплазмой и , как будет обсуждаться в

подробно обсуждать,

LJTO

9 мы

ньrх белков . Наличие длинных интронов увеличивает

гл.

вероятность рекомбинации между экзонами различных

ми вход и выход макромолекул . Чтобы 11риготовитъся

15,

служат своего рода воротами, контролирующи­

генов. Это означает, что новые белки могут возникать

к экспо рту из ядра, молекулы мРНК должны связать­

достаточно быстро за cLJeт комбинации частей уже су­

ся с соответствующим набором белков, каждый из ко­

ществующих генов , что напоминает сборку нового ти па

торых сигнализирует, что мРНК процессирована вер­

Механизма из набора функциональных деталей. И в са­

но . Эти белки включают поли-А-связывающие белки,

мом деле множество белков в современных клетках н а­

кэ п-связывающи е белки и белки, сигнализирующие о

поминает лоскутные одеяла, собранные из общего набо­
ра составных частей, называемых белковыми до.менами

заве рш ении сплайсинга ( РИС. 7-22) . Очевидно, что вся

(doшens) (см рис. 4-16).

совокупность связанных белков, а не какой-либо кон­

кретный белок, определяют, покинет ли молекула РНК

От ДНК к РНК

233


кэп-связывающий
белок

:J

белкового синтеза

+-

-

ТРАНСЛЯЦИЯ

~

ОБМЕН

поли-А-связывающий

БЕЛКОВ

белок
ЦИТОПЛАЗМА

ЯДРО

РИС.

фактор инициации

7-22.

Специализированные РНК-связывающие белки сигнализируют о том, что зрелая

мРНК готова к выходу в цитоплазму. Как по каза но в левой части рисун ка, кэ п и полиаденилиров ан­

ный х вост зрелой молекулы мРНК « метятся » белками, узнающими эти модификации. Кроме того , после
успешного завершения сплайсинга с мРНК остается связанной группа белков, называемая ком пле к­
сом экзонного соединения (КЭС) . В тот момент, когда мРНК расценивается как « готовая к вы ходу», она
связывается с рецептором ядерного транспорта (см. гл.

15)

и в ыходит через ядерную пору. Попав в

цитопл аз му, мРНК сбрасывает связанные с не й ранее белки и присоединяет новые.

ядро ил и нет. Оставшиеся в ядре <<мусорные РНК~ де­

Вероятно, в генах общих предков современных

градируют, постав ляя строительный материал, повтор·

организмов содержались интроны

но использующийся для транскрипции.

Процесс транскрипции универсален: все клетки исполь­
зуют РНК-полимеразу, которан, пользуясь принципо м

Молекулы мРНК в клетке

образования комплементарных пар, синтезирует РНК на

рано или поздно расщепляются

основе ДНК. Действительно, бактериальные и эукарио­

Молекула мРНК может быть транслирована в белок не·
однократно (см. рис.

7-2),

поэтому время жизни зрелой

ти ческие РНК-полимеразы практически идентичны по

своей структуре и, очевидно, произошли от общего пред­

молекулы мРНК в клетке определяет количество белка,

ка. Поэтому кажется довольно странным, что судьба РНК­

который будет синтезирован на ее основе. Любая молекула

транскрипта так сильно различается у эу1<ариот и прока­

мРНК в конце концов расщепляется РНКазами, но время

риот ( РИС. 7-23 ) . В частности, наличие сплайсинга РНК

жизни различных молекул может существенно различаться

у эука риот представлнется фундаментальным различием

в зависимости от типа клеток и нуклеотидной последова­

между этими двумн типами клеток Но как возникло такое

тельности мРНК. У бактерий мРНК раз рушается дocтa­

разл ичи е?

TOLJI-JO быстро

-

ставляет около

среднее время жизни молекул мРНК со­

Как мы обсуждали ранее, сплайсинг РНК позволнет

3 мин . У эукариот оно больше. У некоторых

эукариотам синтезировать различные белки на основе

транскриптов, например мРНК, кодирующей ~-глоби н,

одного гена и дает, таким образом, определеняую эволю­

время жизни достигает

ционную гибкость. Однако это преимущество даетсн за

все же не превышает

10 ч,

но в большинстве случаев оно

определенную плату: клетки должны поддерживать боль­

30 мин.

Время жизни молекул мРНК определяется их нукле­

шой геном и синтезировать большое количество РНК Со­

отидной последовательностыо: чаше всего наиболее важна

гласно пр едставлениям одной из научных школ, древние

последователь ность в З'-некодирующем уч астке, располо­

клетки

женном между З'-концом кодирующей последовательности

и нтроны, которые были потеряиы прокариотами в про­

-

общие предки прокариот и эукариот

-

имели

и поли-А хвостом. Различное время жизн и мРНК помогает

цессе эволюции. Отказавшись от иитронов в пользу бо­

клетке контролировать количество синтезируе мых в н ей

лее корошого, четко организованиоrо геиома, бактерии

белков каждого типа. Как правило, белки, нарабатываемые

получили возможность воспроизводитьсн быстро и эф­

в бол 1,ших количествах (такие юu< ~-глобин), транслиру­
ются с долгоживущих мРНК. В то же время белки, при­
сутствующие в клетках в небольших количествах, а также

фектишrо. С этими представлениями согласуется то, что

белки, количество которых должно быстро меняться в от­

но малое число интронов, которые к тому же значительно

вет на какие-либо сигналы, кодируются короткоживущими

короче интронов высших эукариот.

просто устроенные, быстро размножающиеся эукариоты
(например, некоторые виды дрожжей) имеют оп-юсителт,­

результат тон­

В то же времн есть доказательства того, что интроньr

кой н астройки , происходящей в процессе эволюции, в ре­

исходно были паразитическими мобильными элементами

мРНК. Разница во времени жизни мРНК

-

зультате которой стабильность мРНК каждого типа точно

(см. гл.

соответствует потребностям клетки.

и колонизировали его геном. Клетки-хозяева неволы-10 ре-

234

6),

которые вторглись в древнего предка эукариот

ГЛАВА 7. От ДНК к белку : как клетки реализуют генетическую информацию


(А)

плицировали фрагменты этой эгоистичной нуклеотидной

ЭУКАР ИОТЫ

последовательности вместе со своей ДНК, а современные

эукариоты так и не позаботились о том, чтобы вымести
этот генетический мусор, оставшийся от древней инфек­

цитоплазма

ции. Однако пока картина не ясна. Вопрос о том, появи­

лись ли интроны у общего предка эукариот и прокариот, а

ядро

потом были потеряны прокариотами или появились толь­
ко у эукариот, остается предметом научных дискуссий.

ДНК

Мы вернемся к нему в гл.

9.

ОТ РНК К БЕЛКУ
РНК-транскрипт

КЭПИРОВАНИЕ 5'-КОНЦР::

j

СПЛАЙСИНГРНК

РНК-кэп

мРНК

\

ПОЛИАДЕНИЛИРОВАНИЕ

З'-КОНЦА
АААА

lЭКСПОРТ

АААА

мРНК

!ТРАНСЛЯЦИЯ

белок

В конце 1950-х годов биологи показа.ли, что информация,
заложенная в ДНК, копируется сначала в РНК, а затем

в белок. Сразу же встал вопрос о ~проблеме кодировки>>:
как информация линейной по следовательности н уклеоти­
дов РНК транслируется в линейную последовательность

химически различных субъединиц

-

аминокислот

-

в со­

ставе белка? Этот вопрос очень волновал ученых в то вре­
мя. Ведь перед ними была криптограмма, созданная при ­

родой, которая через более чем

3 млрд лет эволю ции могла
-

б ыть расшифрована одним из продуктов этой эволю ции

человеком. В действительности ученые н е только взлома ­
ли код, но и определили с атомарной точностью механизм,
с помощью которого клетка читает его.

Каждая аминокислота в белке
(Б)

ПРОКАРИОТЫ

кодируется тремя последовательно

расположенными нуклеотидами мРНК
ДНК

мРНК

белок

С точки з рения информации, транскрипцию понять со­

♦

t

всем н е сложно: ДНК и РНК химически и структурно
ТРАНСКРИПЦИЯ

крайне схожи, и ДНК может непосредственно служить ма­

трицей для синтеза РНК с помощью образования компле­
ТРАНСЛЯЦИЯ

ментарных пар. Сам термин <<транскрипция >> указывает

на то, что этот процесс подобен ко1-шертации рукописного

текста в машинописный. Язык и форма сообщения не ме­
няются, а используемые символы крайне похожи в обоих

РИС. 7-23. Пути преобразования РНК-транскриптов у эукариот и
Прокариот существенно различаются. (А) В эукариотических клетках

случаях.

Конверсия информации из РНК в белок, и аоборот,

молекула РНК, образовавшаяся в результате транскри пции , содержит

представляет собой перевод, трансляцию

последовательности как экзонов, так и интронов. Оба ее конца модифи ­

одного языка н а другой, использующий совсем другие

цируются, а экзоны удаляются в результате ферментативного сплайсинга

символы. Поскольку мРНК составле н а всего из четырех

(tl'anslation)

с

РН К. Образовавшаяся мРНК транспортируется из ядра в цитоплазму, где

различных видов нуклеотидов, а белок

происходит ее трансляция. Несмотря на то что эти процессы представле­

типов аминокислот, трансля ция не может быть реализова­

ны здесь как последовательные шаги , на самом деле они происходят од­

на за счет одиозначиого, точного соответствия отдельных

новременно. Так, например , добавление кэпа и сплайсинг обычно проис­

нуклеотидов в мРНК отдельным аминокислотам в соста­

ходят еще до завершения транскрипции . Это служит причиной того , что
полный транскрипт гена (включающего все его интроны и экзоны), обыч­
но не существует в клетке . (Б) У прокариот образование мРН К протекает
проще . 5'-Конец молекулы мРНК образуется при инициации транскри п­
ции РН К-nолимеразой, а З'-конец - при ее терминации . Поскольку в п ро­
кариотических клетках нет ядер, транскрипция и трансляция протекают в

-

из

20 различных

ве белка. Правило, по которому нуклеотидиая последова­
тельность гена при посредничестве мРНК транслируется

в аминокислотную последовательность белка, называют

генетическим кодом

(genetic code).

Последовательность

нуклеотидов

считывается группами по

три

молекулы

нуклеотида.

мРНК

Поскольку

одном и том же компартменте. Таким образом , трансляция бактериаль­

РНК - лин ейный полимер, собранный из четырех различ­

ной МРНК может начаться еще до завершения ее синтеза. Количество

ных видов нуклеотидов, возможны

белка в клетке зависит от эффективности каждого из этих этапов, а также
от скорости деградации РНК и самой белковой молекулы .

4 х 4 х 4 = 64 разлwшые
AUA, AUG и т. д.) . Одн а­
обнаруживается только 20 различных

комбинации ную1 еотидов (АЛА,

ко в белках обычно

От РНК к белку

235


UUA
UUG
CUA

AGA

GCA
GCC
GCG
GCU

AGG
CGA
CGC
CGG GAC мс UGC GM см
CGU GAU MU UGU GAG CAG

GGA
AUA cuc
GGC
GGG еде AUC CUG АМ
GGU CAU AUU cuu MG AUG

Ala

Arg

Asp

Asn

Cys

Glu

Gln

Gly

His

А

R

о

N

с

Е

Q

G

н

РИС.

lle

сед

AGC
AGU
UCA

GUA
GUC
ACG
UAC GUG
ACU UGG UAU GUU
АСА

ucc
uuc CCG UCG
uuu ccu ucu
ссс

АСС

Leu

Lys

Met

Phe

Рго

Ser

Тhг

Тгр

Туг

Val

L

к

м

F

р

s

т

w

у

V

UM
UAG
UGA
стоn

7-24. Нуклеотидная последовательность мРНК может быть переведена в аминокислотную

последовательность бел ка с помощью генетичес кого кода . Все трехнуклеотидные кодоны указаны
над одно - или трехбуквенным обозначениями соответствующей им аминокислоты (расшифровки обо-

значе н ий аминокислот и их структурные формулы приведен ы на вкладке

2-5,

с.

78- 79). Общепринято

за п исы вать кодоны так , чтобы их 5 ' - конец был сл ева . Обратите внимание , что большая часть аминокисл от кодируется бол ее чем одним кодо н ом . Кроме того , в наборе кодонов, кодирующих одну и ту же ами­
нокислоту, прослеживаются определ е нн ые закономерности. Разные кодоны, соответствующие одной

аминокислоте, обычно содержат одинаков ые нуклеотиды в первой и второй позиции и различаются по
нуклеотидам в третьей позиции . Существует три кодона, н е коди рую щих ни одной аминокислоты ; вместо
этого о н и в ы полняют рол ь термини рующих си г налов (сто п -кодонов) , обозначая конец кодирующей белок
последовательности . Один из кодонов

-AUG-

играет роль инициаторного кодона, обозначающего на­

чало кодирую щей белок последовател ьности , кодируя аминокислоту метионин .

аминокислот. Это означает, что либо определенные ную1е­

Ге н етический код, приведенный на рис .

7-24, испол1, ­

отидные триплеты никогда не испол1,зуются, либо код оы­

зуется

рожден, и некоторые аминокислоты кодируются более ч ем

Од1-1ако в некоторых слу•rаях возможны незначителъные

одним триплетом. Как видно из расшифровки генетическо­

отклонения от него : отличия были обнаружены в гене­

го кода на РИС. 7-24, верен второй вариант. Каждую группу

тическом коде ДНК митохондрий, а также у некоторых

и з трех нуклеотидов в РНК называют кодоном , обозначаю­

видов грибов и протистов. Митохондрия обладает соб­
ственной системой траискрипции и си нтеза белка, кото­

щим аминокислоту [за исключением трех стоп-кодонов.

-

практически

всеми

сов р емен ными

орrаиизмами.

Прим. перев.]. Стратегия, с помощью которой этот код был

рая функционирует независимо от аналогичных систем

взломан, описана в разделе ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ (с.

осталыrой клетки (см . гл.

237- 239).

14),

что и позволяет им иметь

эти отличия от основно1·0 вариаита универсалъного кода.

Сходство между универсалъным кодом и кодом вышеуло­

З'

5'

мяиутых грибов и протистов з 1ычителыю переве шивают

/ С U С // AG С / / G U U // А С С 11~

ра зл ичие между ними .

- Leu - - Ser - - Val - - Thr -

Теорет ич ески, посл едователыrостъ РНК может быт 1,

транслирована в любой и.з трех рамок считывания (read iпg

2

~ 1/

-

U С А '/ G С G / / U U А

1/

С СА /~

fraines),

в зависимости от того, с какого нуклеотида

1-та•rнется процесс расшиф ровки ( РИС.

7-25). Однако ли ш1,

одна из трех возможных рамок счит ыв ания в мРНК коди­

Ser- -Ala - - Leu - - Рго -

рует правилыrый белок. Далее мы увидим, как с пе 11и а.тrь1-1ый сигнал в н а ч але каждой молекулы РНК задает гrра ­
вил1,11ую рамку с чи1ъш а11ия .

З

CU

/1

CAG

/1

CG U

- Gln - - Arg

/1

UAC

--Туг

/1

CA U

1

- - His -

Молекулы тРНК обеспечивают соответствие
аминокислот кодонам мРНК

РИС.

7-25.

Молекула РНК может быть транслирована в трех раз­

Кодоны молекулы мPI-IK 1-1 е прииимают прямого уча­

личных рамка х считыва ния. В процессе трансляции нуклеотидной по ­

ст ия

следовател ьности (синяя) в аминокислотную (красная) последователь­

руют: д р угими слооам и ,

ность нуклеотидов молекулы мРНК считывается от 5 '-концу к З ' -концу

не

в

уз н ава нии

связ ыв аются

ами но кислоты,

еруппь1

кото р ую

и з трех

и е поср едспзе нно

с

они

коди·

н уклеотидов

аминокислотами.

блоками из трех нуклеотидов . Таким образом , теоретически одна и та

Трансляция мРНК в белок завис ит от ада п те р11ы х мо ·

же последовательность РНК может кодировать три принципиально

лекул, кото ры е, с одной сто роны , способны уз навать ко­

разных аминокислотных последовательности , в зависимости от рамки

до н и связ ыв ат 1,ся с 1-1им од ним и з сооих сайтов, а с дру­

-

считывания . В действительности только одна из этих рамок считывания

гой

кодирует осмысленную последовательность .

Эт и ада пте ры представляют собой набор 1-1 ебол ьш их мо-

236

связывать аминокислоту другим своим сайтом .

ГЛАВА 7. От ДНК к б ел ку: к а к клетк и реали зуют генетич ескую информацию


КАК ВЗЛОМАЛИ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД
К началу 1960-х годов ~центральная догма » была признана
в качестве пути переда•rи информации от генов к белкам.

тез ированные ими самими. Эта проблема была решена,

когда Маршалл Ниренберг обнаружил, что можно раз­

Было ясно, что гены кодируют белки, что rею,1 состоят из
ДНК, и •по РНК выстунает в качестве посредника, пере­

небольшое количество рибону:клеазы

носящего информацию из ядра , t'де хранится ДНК, в цито­

рушающего РНК Ему оставалось только синтезировать

плазму, где происходит ее трансляция в белки. Даже общий

формат rенетич скоrо кода был выяснен: каждой из 20 ами­

большое количество искусственных мРНК, добавить эти
синтетич ес1ше молекулы в бесклеточную систему и по­

но1<ислот, содержащихся в белках, соответствует в молеку­

смотреть , какие получатся белки.

рушить клеточш,1е мРНК в экстракте, добавив в смесь

-

фермента, раз­

ле мРНК трехбу:квенный кодон. Но еще более серьезным
вызовом для биологов, химиков и даже физиков оставалась
проблема взлома 1'енетического кода: все пытались выяс­

Поддельные послания (РНК)

нить, какую именно аминокислоту обозначает каждый из

Создать синтетичесю1е полииуL<леотиды с определенной

64 возможных нуклеотидных триплетов. Проще все1'0 было

последовательностью было не так просто, как кажется.

бы сравнить последовательности фрагментов ДНК или
РНК с соответствующим полипеnтидным продуктом. Од­

мики разработали методы, позволяющие синтезировать

нако методы секве 1-1ирования нуклеиновых кислот не будут

любую заданную последовательность нуклеиновых кис­

разработаны еще в течение

лот. Ниренберг решил использовать 1юлинуюrеотидфос­

10 лет.

Поэтому исследователи решили сами сиtпезировать

простые РНК, чтобы взломать генетический код. Если

Опять же, это происходило за много лет до того, как хи­

форилазу

-

фермент, способный соединять рибонуклео­

тиды в цепь в отсутствие матрицы. Состав получившейся

бы им удалось ~ скормить>> эти молекулы РНК рибосоме,

последовательности РНК подностыо зависит от того , ка­

I<оторая делает белки, а затем проанализировать получен­

кие нуклеотиды были в смеси, предоставленной фермен­

ные гrолилептид11ые продукты, они были бы на пути к рас­

ту:. Если в смеси несколько типов нуклеотидов, они бу­

шифровке того, какие аминокислоты какими триплетами

дут сшиты в случайном порядке; но при использовании

I<одируются.

только одного типа нуклеотидов получится однородный

полимер, содержащий только этот один L-Jуклеотид. Так

Ниренберг вместе со своим коллегой Генрихом Маттеи

Обойтись без клеток

синтезировали мРНК, полностью состоящую из ураци­

Прежде чем начать синтез мРНК, решено было усовер­

ла

-

поли-U.

шенствовать бесклеточнуто систему: синтеза белка. Это

Вместе исследователи « сJ<ормилИ>> эту поли-U РНК

ттозволило бы тра11слировать синтезированные мРНК в

бесклеточной системе трансляции. Затем они добавили

полипептиды в пробирке. (Вообще, чем проще система

в

при работе в лабораторных условиях, тем легче и tпер­

После проверки каждой аминокислоты, по одной за раз

претировать результаты.) Для выделения молекулярных

(а это

машин , необходимых подобиой бесклеточной системе

что поли-U РНК направляет синтез белка, содержащего

трансляции, исследователи взяли клетки кишечной па­

только феш1ла.паню1 ( РИС. 7-26) . Поскольку

лочки Е.

ств е нный кодон -триплет в этой мРНК, то

coli

и поместили их содержимое в центрифугу.

смесь

один

20

тип

радиоактивно

меч.е 1-1ых

аминокислот.

различных экспериментов), они установили,

UUU - един­
UUU, решили

Ilpн цеитрифу:гироваt1ии образцов на высокой скорости

они , кодирует фенилаланин. Первое слово из генетическо­

мембра1-1ы и большие обломки клеток опустились на д1-ю

го кода было расшифровано.

пробирки, а более легкие компоненты, необходимые для
синтеза белков, в том числе мРНК, тРНК-адаптеры, рибо­
сомы, ферменты и другие небольшие молекулы, остались

поли-А и поли-С и установили, что кодон АЛА кодирует

лизин, а ССС

Тiлавать в супериатанте. Иссл дователи обнаружили, что

щъю этого метода узнать .не удалось, поскольку полиt1у­

простое добавление радиоактивных аминокислот в этот

клеотид поли-С образует странную тройную спираль и не

КJ1еточный

~cyn ,> приводит

к производству радиоактив­

но меченых белков. При повторном центрифугировании
сулернатанта на

Затем Ниренберг и Маттеи повторили эксперимент с

-

1Jролин. Значение кодона

GGG

с помо­

может использоваться бесклеточной системой в качестве
матрицы для синтеза белка.

ще более высокой скорости ученые

<<Кормление» рибосом синтетичес1<Ими РНК оказалось

смоо1 и заставить рибосомы и все вновь синтезироваю-~ые

плодотворным методом. Но когда одно1сгу:клеотидные воз­

бетси осесть на дно пробирки; затем были обнаружены

можtюсти были исчерпаны, исследователи расшифровали

Ме•rеные полипептиды, лутем и з мерения радиоактивно­

всего три кодона, а

сти осадL<а, оставшегося в пробирке после удаления верх­

кой. Создать другие комбинации кодонов было сложнее, и
тут требовался новый подход к синтезу подину1теотидов.

него слоя (су:пернатанта). Недостаток данной системы в

61

кодон по-прежнему остались загад­

том, что она производит белки, кодируемы е клеточной

В

мРНК, уже присутствующей в экстракте . Исследователи

синтеза полинуклеотидов определенной последователыюсти

Же хотели использовать для синтеза белка мРНК, син-

1950

г. химик-органик Гобинд Корана разработал методы

Продол:жеиие на с.

От РНК к белку

238

237


КАК ВЗЛОМАЛИ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД (продолжение)
из разнородных нуклеотидов, но его методы работали толь­

Однако идея со смешанными полинуклеотидами дала

ко для ДНК. Когда Корана узнал о работах Ниренберга

результаты, которые было гораздо труднее расшифровать,

с синтетическими РНК, он направил все свои силы и на­

чем результаты, полученные Ниренбергом при исполт,зо­

выки на получение РНК Ими было обнаружено, что если

вании моионую1 еотидных РНК Возьмем, к примеру, поли­

синтезировать ДНК с заданной последовательностью ну­

UG. При добавлении последовательности, в которой повто­

клеотидов, то можно использовать РНК-лолимеразу для

ряется этот динуклеотид, к системе трансляции исследова­

считывания с нее РНК. Таким способом Корана получил

тели обнаружили, что она кодирует полипептид, состоящий

набор различных РНК с определенными повторяющимися

из цистеина и валина. Очевидно, что эта РНК содержит два

последовательностями нуклеотидов. Он создал последова­

различных кодона:

тельности из повторяющихся динуклеотидов (такие, как

утверждать, что кодоны

поли-UС) , тринуклеотидов (такие,

и валин, но нельзя сказать, какой из них кодирует валин,

I<ar<

поли-UUС), или

а какой цистеин. Таким образом, подобные последователь-

тетрануклеотидов (например, поли- UАUС) .

5' 1..)

uuuuuuuuuuuuuuuu uuuuuuu з·

г

синтетическая мРНК

РИС .

7-26. UUU

UGU и GUG. Поэтому можно было
UGU и GUG кодируют цистеин

с

N
синтезированный радиоактивный
поли пептид

кодирует фенилаланин . Синтети ч еская

мРНК была добавлена к внеклеточно й систем е трансляции ,
содержащей рибосомы, тРНК , ферменты и различны е низ­

комолекулярные соединения . После добавления радиоа к ­
тивно меченных аминок ислот в эту реа кционную см есь был и
проанализированы образовавшиеся пол и пептидн ые цепоч­
ки . В данном случае оказалось , что поли -U кодирует поли­
пептиды , содержащи е только фенилаланин.

внеклеточная система трансляции

с добавленными радиоактивно
меченными аминокислотами

лекул РНК, называемых транспортными РНК ( тРНК )

(t ransport RNA, tRNA), каждая из
80 нуклеотидов.

которых состоит при­

близительно из

РИС .

7-28.

Молекулы тРНК служат молекулярными адаптера ­

ми между аминокислотами и кодонами. Н а это й се р ии диаграмм

Выше обсуждалось, что молекула РНК способна сво­

одна и та же тРН К

-

в дан но м случ ае тРН К, с п е ци ф и ч на я для а мин о­

рачиваться в определенную пространственную трехмер­

к и сл оты фе нилала ни на

ную структуру за счет образования комплементарных

(А) Структуру, нап омина ю щую • кл е верны й л ист», об ычн о ис пользуют

пар между нуклеотидами из разных частей молекулы .

для того , чтоб ы показать об раз ов а ни е п а р ( красные лин и и ) м ежду ос­

(Phe) -

пр едставл е н а различны ми с пособа ми.

Если образующие комплементарные участки цепи РНК

н ова н и ями нукле отидов , фор ми рующих двухс пи ральны е уч астки мо ­

достаточно протяженны, то они формируют двойную

лекул ы . Анти кодо н ( красный) п редста вл яет собой п осл едо вательность

спираль, наподобие ДНК Молекула тРНК может слу­

и з трех нуклеотидов , об разующих п а р ы с кодо н ом в мРН К. Ам ин окис­

жить отличным примером этого. Четыре коротких участ­

лота, соответствующая паре кодон/антикодон , при соедин е на к З '-ко нцу

ка тРНК представлены двойными спиралями, что делает

тРН К. т РНК соде ржит н екоторые н еобычны е ос н ова ния , которы е п о­

молекулу, если ее представлять схематично, похожей на

лучаются п утем хи мич еско й м оди фика ции нуклеотидов уже с и нтези­

клеверный лист ( РИС . 7-28, А). Например, последователь­

рова н но й тРН К . Эти основани я

ность

ди н)

5'-GCUC-3' в одной части полинуклеотидной цепи

способна формировать прочную связь с последователь­
ностыо

S'-GAGC-3'

в другом участке молекулы. Клевер­

-

-

Ч1 (псе вдоури дин ) и О (дигидроури­

являются про и з водн ыми урацил а. ( Б и В ) . Разл ич ны е ракурсы

простра н стве нной L-об раз но й стру ктуры т РН К, выя вл е н н о й методом
рентгеностру ктурного а нал иза. Эт и два изоб ражен и я п о верн уты н а

ный лист сворачивается дальше, образуя компактную

90'

L-образную структуру, которая поддерживается за счет

тельность молекул ы. Цветом выделены те же участки , что и на А, Б и В .

друг от н ос ительн о друга. (Г) Ли нейная нуклеотидн ая п осл едова­

образования дополнительных водородных связей из раз­

(Д) Схематичное изображен и е тРН К с обознач е нн ым антикодо н ом, ко­

ных участков молекулы (рис.

торое будет и с пользова н о в п осл едующих ри сун ках .

238

7-28,

Б и В).

ГЛАВА 7. От ДНК к белку : как клетки реализуют генетическую информацию


ности из нуклеотидов нескольких типов дают полезную ин­

НУКЛЕОТИДНАЯ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ

ОБРАЗОВАВШИЕСЯ
ПОЛИПЕПТИДЫ

поли-UG

... Cys- Val-Cys-Val ...

UGU }
GUG

Cys Val*
'

Ловля триплетов

поли-АG

... Arg-Glu-Arg-Glu ...

AGA }
GAG

Arg Glu
'

берг и молодой аспирант-медик по имени Фил Ледер об­

СООТВЕТСТВИЯ
КОДОНОВ

формацию, но не позволяют окончательно показать, какие
кодоны кодируют каждую из аминокислот ( РИС.

7-27).

Последние неясности в коде прояснились, когда Нирен­

.. .Phe-Phe-Phe ...

+

поли-UUС

... Ser-Ser- Ser...

+

uuc}

наружили, что РНК-фрагменты, длина которых состав­

ляет всего три нуклеотида (размер одного кодона), могут

UCU
CUU

Phe, Ser,
Leu

UAU }
CUA
UCU
AUC

Туг, Leu,

связываться с рибосомой и привлекать соответствующие
тРНК, связанные с определенными аминокислотами, к

системам, синтезирующим белок. Затем эти комплексы,
содержащие одну рибосому, один кодон мРНК и одну ме­
ченую аминоацил-тРНК, можно было перенести на кусок
фильтровальной бумаги, и связанную с тРНК аминокис­

... Leu-Leu-Leu ...

поли-UАUС

... Tyr-Leu- Ser- lle ...

Ser, lle

лоту можно было идентифицировать.
Тренировочная попытка с использованием кодона

Подобная неоднозначность сохраняется также для всех других
кодонов, представленных на рисунке .

РИС.

UUU

удалась блестяще. Ледер и Ниренберг добавили к обычной
бесклеточной системе трансляции фрагменты UUU. Эти
тринуклеотиды связались с рибосомами, и Рhе-тРНК свя­
зались с UUU. Новый метод работал, и исследователи под­

• один из кодонов кодирует цистеин (Cys), другой - валин (Val).

7-27. Информация, содержащаяся в последовательностях

твердили , что кодон

UUU кодирует фенилаланин .

Ученым оставалось лишь синтезировать все кодоны

из чередующихся нуклеотидов, еще больше сужает возможные
таких последовательностей позволяет узнать состав кодируем ых ими

возможных - задача, которая была быстро решена
в лабораториях и Ниренберга, и Кораны. Благодаря тому,

белков, но не позволяет установить взаимно однозначное соответствие

что эти маленькие тринуклеотиды было гораздо проще

варианты при расшифровке генетического кода. Использование

из

64

кодонов и аминокислот. Например, результаты эксперимента с поли-UG

синтезировать, а тесты «триплет-захвата~ было легче вы­

не позволяют понять , какой кодон коди рует цистеин:

Как

полнять и анализировать, чем предыдущие эксперименты

видно из рисунка, такая же неопределенность сохраняется для всех экс­

по расшифровке, исследователи смогли полностью рас­

периментов с ди- , три- и тетрануклеотидами .

шифровать генетический код в течение следующего года.

UGU или GUG.

аминокислота

(Phe)

(А)

L...___J

клеверный лист

антикодон

(Г)

5' GCGGAUUUAGCUC

..............................

AGCGCCAGA

UGAAY
'----' 'PC UGGAGGUCCUGUGT 'l1CGAUCCACAGAAUUCGCA

З'

антикодон

От РНК к белку

239


Специфичные ферменты

Два участка неспар е нны х н уклеотидов, расположе н­

связывают тРНК с нужной аминокислотой

ных на разных концах L- образн ой молекулы , крайне важ­
ны для выполнения функции тРНК при син тезе бет<а.
Од ин из этих участков формирует антикодон, состоя ­

Чтобы про ч ест ,, ге н етический код ДНК, кл ет1<и синтези ­

щий из трех нуклеотидов, способных образовывать ком ­

руют большое колич ество тРНК. Те п ерь мы обсудим , как

пл ементарные лары с 1<одо 11ом молекулы мРНК. Вто рой

каждая и з этих молекул тРНК становится активироваи­

представляет собой корот1<ий од н оцепо ч ечный участок на

иой, т. е . связанн ой с одной и з

3' -конце молекулы т РНК. К этому уч аст1<у тРНК при со­

ей соответствует. Уз навани е и присоедине ни е н уж но й

20

ами но1Сислот, 1Соторая

ами н окислоты осу ществляются ферме~пами аминоацил­

еди ня ется ами но 1<ислота, соответствующ ая кодону.

Выше мы обсуждали, что генетический код вырожден .

тРНК-синтетазами

Другими словами, нескот,1<0 различ~rых кодонов могут коди­

yпt heta е) , которые

(am inoacyl tRNA

ковалентно при соеди няю т амино 1<ислоту к соотве тствую­

7-24). Это подра­

щему набо ру м оле1Сул тРНК. У болъшинства организ мов

зумевает, что либо для большей части амю-юкислот суще­

та~юй ф е рмент сущ ествует для каждой ами ноки с;ютъr

ствует неско;п,ко различных типов тРНК, л ибо одна и та же

(т. е. у всех имеется, п о 1Срайне мере,

молекула тРНК может образовывать комплементар~гые пары

Оди н и з ферментов при соединяет ами нокислоту глицин

ровать одну и ту же аминокислоту (см рис.

20 таких фе рментов).

сразу с н есколькими вариантами кодонов. В действительн о­

ко всем тРНК, уз н ающим кодо 1·t глицина, другой

ст и и то и другое имеет место. Для некоторых амю-юкис;ют су ­

нилаланин ко всем тРНК, кото ры е уз 1iают кодон фенила ­

ществует более чем од1iа тРНК, другие же тРНК устрое ны та­

ланина, и так далее. Наличие о пределе ~1ных нуклеотидов

ким образом, что им требуется образование комплементарной

в а нти кодо не и 3'-концевом сайте связ ы ва ния ами н о­

-

фе­

пары толъ 1<0 в п ервых двух позициях кодона, а несоответст ви е

кислот позволяет фер менту выбрать правильную тР НК

нуклеотидов, образующих иекаиоиическ:ие (wоЬЫе

(ВИДЕО

base) пары ,

в третьей позици.и не играет реш ающей рол и . Образовани е

7.6 ) . Аминоацил-тРНК-си нтетаз ы и сами тРНК в

р ав ной степе ни важны для процесса расшифровr<и генети­

таких некано 1шческих пар объясняет то, почему кодо 1iы, ко­

ческого кода, так как именно их совместная работа позво­

дирую щие од ну и ту же аминокислоту, чаще всего отличаются

ляет каждый кодон молекулы мРНК соотнести с правиль­

именно по третьему нуклеотиду (см. рис.

н ой аМ И liО!(ИСЛОТОЙ ( РИС.

7-24). Блаrодаря об­
20 разных амин окислот могут
соотноситься с 61 кодоном с помо щыо всего 31 разновидности
разован:юо неканонических пар

Реакция,

7-29) .

катализируемая

аминоацил-тРНК-син­

тетазой, в результате кото ро й ами н окислота при соединя­

молекул тРНК. Точное число типов молекул тРНК, одиа:ко,

ется к 3'-ко нцу тРНК,

различается для разных видов. Так, например, у человека им е­

пряже нных с высвобождением э нергии, происходя щи м в

ется около

рез ультате гидролиза АТФ ( см. рис.

500 различных генов тРНК, но в ~(ИХ представле,-ю

(триптофан ) ~ ~

3-30).

В результате

реакции образуется богатая энергией связь между акти-

только 48 вариантов антикодонов.
а ми н о к ислот а

одна из миожества р еак ций, со ­

-

О

н

1
~о
HzN- CI -С,

HzN- C - C~

энергией
0 / богатая
связь

'он

Ос:

СН 2

6
11

N"CH
н

N
н

Е

\_,

СВЯЗЫВАНИЕ

/

тРНК СВЯЗЫВАЕТСЯ

АМИНОКИСЛОТЫ

тР Н К-с интетаза

СО СВОИМ КОДОНОМ В

С тРНК

(т р и пто фанил -тРНК­

РНК

5'

синтетаза)

З'
м Р НК

В ИТОГЕ : АМИНОКИСЛОТА
ОТОБРАНА СВОИМ КОДОНОМ

РИС.

7-29.

Генетический код транслируется с помощью двух последовательно действующих

адап теров. П ервым адаптером является аминоацил - тР Н К-синтетаза , которая присоединяет амино­
кислоту к соответствующей т РН К . Этот п роцесс называют активацией. Второй адаптер

-

сама моле ­

кула т РН К, чей антикодон образует пары с соответствую щим кодоном м Р НК . т Р НК с присоединенной
аминокислотой называют активирован н ой тРНК. О шибка на любом из этих этапов
связывании активированной тРНК с кодоном

-

-

активации или

приведет к тому, что неправильная аминокислота будет

встроена в белковую цепочку. На рисунке приведена последовательность событий, в которой амино­
кислота триптофан

240

ГЛАВА

(Trp) узнается кодоном UGG на мРНК .

7. От ДНК к б елку : как клет к и реали зуют ге н етиче скую информацию


1

.. ... .

П ри анализе синтезированно го белка было обнаружено, что во в сех

•
+
••••
••••••
••• •• • + j Рнк
••••••
••••
•••••••
•• • ••
• •••

участках белко в ой мол екулы , где в норме дол жен находи тьс я ци­

-49

ВОПРОС

7-4

А В 1962 г. был п роведен эксперимент, в котором цистеин,

rl' связанный с молекулой тРН К, был превращен в аланин в ре-

8

зул ьтате определен н ых химических воздействий . Такие ги­

бридные молекулы т Р НК были добавлены к бесклеточ н ой системе
трансл яци и , из которой удал или норма л ьную цистеин о вую т РН К.

•.....
••••

• ••••••
•••••

с;;; РНК

...... +

••••

+ с_:5 РНК

бел ко в

+3

мол екул ы РНК

-33

белка

~

•

+ 1 мол екула

РНК

РНК

стеин , содержится аланин . Какие выводы о роли аминоацил-т РН К­
синтетаз ы в т р а н сл я ци и ге н ети ч еско го кода мож н о сдел ать н а ос­

новании этого экс п еримента?

бол ь ш ая субъед иница

малая субъ единица

13Ирова нной тРНК и аминоки ..:лотой. В даль н ей ш ем эта

энерг ия будет и спользован а при синтезе белка, для при­

М.М .

= 1 400

ООО

соеди нения ам иtюкислоты к растущ ей лолиrте n т и диой
це п о чк е.

Расшифровка генетической информации
происходит в рибосомах
Узнавание кодона антикодоном на молекуле тРНК прои с­

больш а я

ходит по тому же принципу образования комплементар­

субъед и н и ц а

ны х связей , что и при репликаци и ДНК и тра 1-rск риrщии.

Од н ако для точ~-юй и быстрой трансляции мРНК в белок
требуется большая молекулярная машина, движущаяся
вдоль

мРНК,

захватывающая

комплементарные

- 82 белка +
4 моле кулы

м алая

моле­

кулы тРНК, удерживающая их в заданном положении и
ковалентно

связывающая

прино симы е

РНК

субъ ед и н ица

ами нокислот ы

риб о сом а
М.М.

в

= 4 200

ООО

полиn ептидную це пь. Эту белок-производящую машиtrу
называют рибосомой

(ribosoine). Она

лредставляет собой

осромиый белковы й комплекс, состоящий примерно из

50

РИС.

7-31 . Рибосома представляет собой большой комплекс из

четырех молекул РНК и более чем

80

белков. Н а рисунке изобра­

различных белков (рибосомальные белки) и нескольких

же н ы ком п оненты эукариотической рибо сомы . Р ибосомы п рокариот

молекул РНК, которые называют рибосомальными РНК

устроены схожим образом. Н есмот р я на то что число р ибосомальн ы х

( рРНК) (ri boso ш al RNA, rRNA). Об ычная живая ю1 сшасо­
держит миллионы рибосом в своей цитоп лазме ( РИС. 7-30).

сл едние составляют бол ьш е п ол овин ы от об щей массы р ибосом ы .

белков значительн о п рев ы шает числ о молекул рибосомальн ых РН К, по ­

Эукариотические

и

прока риотические

рибосомы

очень похожи и по структуре, и по механизму фу нкци­

о ниров а ния . О бе составле ны и з большой и малой субъ ­
еди шщ , которые, соед инившись, образуют полtюценн у ю
рибосому массой несколько миллионов дальтон ( РИС.

7-31 ). Для с рав не ния
в сего

30

-

масса среднего белка соста вл я ет

ООО дальтон. Ма лая субъедииица устанавл ив ает

соответств и е между тРНК и кодонами мРНК , тогда как

больш ая субъедини ца катализирует образование кова­
ле~пных (пептид ных) связей между аминокислотами,

соед иняя и х в поли г~ е птид ную це почку. Для того чтобы
на ч ать синтез белка, обе субъединицы соед иняются н а

400

нм

РИС. 7-30. В эукариотических клетках рибосомы локализованы в
цитоплазме. Эта электрон ная ми крофотография показывает ультра­
тонкий срез небольшого участка цитоплазмы . Рибосомы вы глядят на

молекуле мРНК, обычно в области ее 5'- конца. Затем
мРНК протягивается •1ерез рибосому, словно пулеметная

лента. Ри босома, по ходу прохожде ния ч е рез нее мРНК,
транслирует нуклеотидную по следовател ьность в а мино ­

кислотну ю кодон за кодоном, используя т РНК в к а ч естве

Ней как черные точ ки (красные стрелки). Н екоторые из них свободно

адаптеров. Таким образом, амииокислоты добавляются

плавают в цитоплазме, другие же присоединены к мембранам эндо­
nлазматической сети. (С разреш е н ия George Palade.)

тельности (ВИДЕО 7.7) . После за в ерш ения синтеза белка

к растущ ей по л ипе птидной це пи в нужной последова­

От РНК к белку

241


субъеди ницы ри босом ы разъед иняются . Рибосо мы /\е й­

ту к расту щей n е птилной it пи , активирова нная т РНК вхо­

ствуют с пора з ител ыrо й э фф е ктив н остью: о эука риоти­

дит в А-сайт, образуя ком 11 лемеша р11ы е пары с кодо ном в

чес ких клетках рибосома сп особ н а за од н у секу н ду до­

молекуле мРНК Затем прин есе нн ая

бав ит~, к п оли п е птид11 ой це почке около

з ывается с поли 11 е п тид1 rой це поч ко й , у1tерживаемой дру­

2 ам инокислот;

ю ами нокислота свя ­

бактериаль ная рибосома функционирует е ще быстрее,

гой молекулой тРНК, р ас положенной в сосед 11 м Р-сайте.

доба вляя около

После этого рибосома сме щается, а и с п ользова нная тРНК,

20 ам инок и слот

в секу н ду.

Как рибосом ы ди рижируют всеми реащ ияМJ,1 , н еоб­

п е ред тем ка к бы т ,, удале 111-юй из ри босомы , п еремещается

ходимыми дл я трансляции? Каждая из них СО/(е ржит сайт

в Е-сайт ( РИС.

связ ывания молекулы мРНК, а также три сайта связ ы ­

дый раз при при соедине н ии аминокислоты к полипе п тид­

7-33) . l а.кой ц икл реа кций п овторя ется каж­

ван ия молекул тРНК, н азываем ы е А-сайтом, Р-сайтом и

ной це пи , 1-1 а ра.щиваемой от своего

Е-сайтом ( РИС. 7-32) . Для того чтобы лобаоить ам_ипоки с1ю -

тех по р , п ока не встр етится стоп -кодо н .

N- ко нца

к С- кон цу / lO

большая
субъединица

малая

субъединица

(Г)

РИС .

7-32.

сайт связывания мРНК

В каждой рибосоме есть сайт связывания мРНК и три сайта связывания тРНК. Са й­

ты связывания тРНК обозначают как А- , Р - и Е - сайты (аминоацил-тРНК- связывающий сайт, пептидил ­
тРНК-связывающий сайт и сайт отсоединения тРНК, соответственно) . (А) Трехме рная структура бак­

те риальной ри босом ы , выявленная методом рентгеноструктурного анализа , включает в себ я белки и

рРНК . Малая субъединица обозначена темно-зеленым цветом , большая

- салатовым . тРНК обозначе ­
- красным ; Р - оранже­

ны разными цветами в зависимости от того , с каким из са йтов они связаны : Е
вым и А

-

желтым. На рисун ке показано , что сразу все три сайта заняты тРНК , однако в дей ст ви тель­

ности в процессе с интеза б ел ка одновременно могут б ыть заняты только два из ни х (см рис .

7-33) .

(Б) Структура большой (справа) и малой ( сл е ва ) субъедини ц рибосомы (А) . (В) Структура рибосомы (А) ,
вид с вер ху. (Г) Схе матичное представл ен и е рибосомы в той же ориентации , что и на (В) , кото рое будет
использовано в последующи х рисун ках. (Источни к: А , Б и В http://www.pdb.org/ pdb/ static.do?p=general_

information/about_pdb/policies_references. html. Впервы е публикуются в русско м

242

ГЛАВА

издании.)

7. От ДНК к белку : как клетки реализуют генетическую информацию


ЭТАП

РИС .

1

7-33 .

Каждый шаг трансляции состоит из

4 этапов.

Эти этапы со­

ставляют цикл , который многократно повторяется в течение синтеза белка.

растущая полипептидная цеп ь

l

На первом эта п е
тРНК связывается

с рибосомой

(1) тРНК

с соответствующей аминокислотой связывается с

А- сайтом рибосомы, формируя комплемента рные пары с основаниями рас­

положе нного там кодона . Лишь одна из всего разнообразия вариантов моле­
кул тРНК с по собна к образованию комплементарных пар с каждым из кодонов

[в соответствии с wоЬЫе - гипотезой , допустимо образование неточных пар

<.

тРНК/ кодон. -Прим. ред.] , поэтому кодон определяет, какая из аминокислот

тРНК выход
из рибосомы

будет добавлена к растущей полипептидной цепи . А- и Р-сайты расположены

з·

5

достаточно близко друг другу, что позволяет двум молекулам тРНК образо­
Е-сайт

Р-сайт

вать ко мплементарные пары с кодонами, следующими друг за другом , не про­

А- сайт

пуская ни одного основания. Точное позиционирование тРНК гарантирует то,

что заданная рам ка считывания будет сохраняться в процессе синтеза всего
ЭТАП

полипептида. На втором этапе

(2) карбоксильная группа на С-конце полипеп­

тидной цепочки отсоединяется от тРНК , связанной в Р-сайте, и присоединя­
ется пептидной связью к свободной аминогруппе аминокислоты , связанной с

тРНК в А-сайте . Эта реакция катализируется ферментативным участком боль­
шой субъединицы. На третьем этапе

(3) смещение большой субъединицы от ­

носительно малой перемещает две молекулы тРНК в Е- и Р-сайты большой
субъединицы. На четвертом этапе

(4)

малая субъединица смещается ровно

на три нуклеотида вдоль молекулы мРНК , возвращая всю систему в исход­

з·

ную позицию. Это перемещение приводит к тому, что А - сайт рибосомы сно­
ва становится свободным и может связать новую молекулу аминоацил-тРНК

ЭТАПЗ

ТРАНСЛОКАЦИЯ БОЛЬШОЙ СУБЪЕДИНИЦЫ

*

( ВИДЕО

7.8). мРНК транслируется

5'- к З ' -концу,

при этом

исходит с С-конца полипептидной цепочки . Цикл трансляции с высоким раз­

решением можно посмотреть на ВИДЕО 7 .9.

Рибосомы
з·

в направлении от

N-конец белка синтезируется первым, а добавление новых аминокислот про­

Рибосома

-

-

это рибозимы
одна из самых крупных и сложных структур

в клетке. На две трет и она состоит из РНК и на одну треть

из белков.

Определе ние

пространственной структуры

е большой и малой субъединиц в 2000 r. было большим
успехом сов ременной биологии. Данные, полученные при
этом, подт верд или более ранние свидетельства о том, что
рРНК, а не белки, служат основой структур ы рибосомы и
определяют ее стюсобность осуществлять синтез белка.

ЭТАП4

рРНК уложе1-1ы в крайне компактну ю , аккуратную

трехмер1-1ую структуру, которая формиру ет <<Ядро>> рибо­
со мы ( РИС. 7-34). В отличие от рРНК, локализованной в

ТРАНСЛОКАЦИЯ МАЛОЙ СУБЪЕДИНИЦЫ

*

центре рибосомы , рибосомаль ные белки расположены в
основном

J-La

пов е рхности ,

где заполняют

~п р ещю-rы >>

и

« пробел ы~ в сложенной РНК. ОсновJ-Lая роль рибосомаль­
ных белков состоит в том , Lпобы способствовать укладr<е и

этдп 1
ВОПРОС

А В качестве матрицы для синтеза мРНК, с которой впослед­

H2N

5--.. .

7-5

rl' ствии был транслирован белок, использована последователь-

•

тРнк выходит

ность одной из цепей ДНК 5' -ТТААСGGСТТТТТТС-3'. Предска­

жите, какие аминокислоты будут на

Из рибосомы

з·

N- и С-концах этого полипептида,

если допустить, что в данном случае для трансляции не требуется
старт-кодон.

От РНК к белку

243


В мРНК есть кодоны, служащие сигналами

начала и окончания синтеза белка
Несмотря на то что в п робирке рибосомы можно заста­
вить транслировать любую РНК (см . разд. << Откуда мы
знаем ,>, с .

в клетке для этого требуется спе ци ­

237- 239),

альный сигнал старта. Участок мРНК, с котороt·о н ачина ­

ется с интез белка, крайн

важе и , так как он задает рам ку

с читыв а ния для в сех по следу ющих ш агов в это м процес­

се. Ошибка в одю 1 нуклеотид в л юбу ю сторо ну на этом
первом этапе приведет к тому, что каждый п оследую щи й

кодон в мРНК будет про чита н не правильно и образуется
1-1.ефу нкцион аль ны й белок с и с каже 11ной после11оватет,­
ностъю ами1юкислот ( см. рис.

7-27).

Н а ч альный эта п важе н и в другом от ноше нии: име нно
н а этом этап е клетк а может принят~, р е ше ни е, надо тран с­

л ироват1, мРНК и л и нет. Таким образом, скорость иници­

ации определяет ско рость с и11 теза бел ка с РНК
Тран сляция мРНК почти всегда начинает ся с кодона

AUG,
РИС.

7-34.

Форму рибосомы задают рибосомальные РНК. На ри ­

сунке приведены детальные структуры двух рибосомальны х РНК
рРНК (синий) и

- 23S

5S рРНК (фиолеrовый) -составляющие основу большой

субъединицы бактериальной рибосомы . Компо н енты рибосом обычно

для чего требуется с пе циаль н ая тРНК Такая ини­

циаторная тРНК (iпit i ato 1·

tRNA)

всегда несет аминокис ­

лоту метионин (у бактер ий модифи цированную форм у
метио 1ш 1-1 а

-

формилметионин) , поэтому все новосинте­

з ированн ы е бе;1 ки соде ржат м етионин в кач естве первой

-

обозначают в соответствии с их скоростями седиме нтации на ультра це н­

аминокислоты на N-конце

трифуге

http://

тез ируется первым . Впоследствии этот метиони н обычно

commons.wikimedia.org/wiki/ File : 50S-subunit_of_the_ribosome_ЗCC2.png . )

удаляет сп ециалы-~ая проте иназа. Инициаторная тРНК

(S). В первые

публикуется в русс ком и здании. (Источник:

на том 1<01-щ е, кото рый син­

отличается от тРНК, принося щей мет иониJ-1 н а следую­
щи х эта п ах тра н сляции .

У эукариот инициаторная тРНК, несущая м ет ио1-1 ин,

стабили зации сердце вины и з РНК, но при этом оставлят~,

вместе с до полнитель ными белками , наз ываемыми фак­

возможность для измене ний конформации рРНК, необхо­

торами инициации трансляции (tгaп s l atio n iпi t i at i oп

дим ы х для катали за белкового си нтеза.

to гs ) , соеди няется прежде всего с малой субъеди ницей

fac-

Не только три тРНК- связывающих сайта (А -, Р- и

рибосом ы ( РИС . 7-35) . Из всех присутствующих в клетке

Е-сайты) рибосомы формируются и з рРНК, но и ката­

тРНК только акт ивиро ванная инициаторная тРНК спо­

литический сайт, отвечающий за образование пептидной

соб на прочно связываться с Р -са.йто м малой ри босомаль­

связи, сформирован

ной субъед иницы .

23S

рРНК большой субъеди ницы :

Затем

загруженн ая

рибосо мальная

ближайшие аминокислоты расположены слишком дале ­

субъединица связ ывается с 5'-концом моле кулы мРНК,

ко, Lпобы взаимодействовать с лриходящей аминоацил­

который у всех эу ка риот пом ечен кэ п ом (см. рис.

тРНК или расту щей политтептидной цепью. Каталитиче­

Малая субъеди ница движется вп е ред в направл ении от

ский сайт этой, сдела1-1ной и з РНК, пе пти д илтрансфераз ы

5'-

во многих отношениях похож на аналог ичный сайт в бел­

она встре ч ает этот кодон, некоторые из факторов и1-1ици­

ковых ферме нтах . Он представляет собой карман со стро­

ации отделяются от малой субъеди 11 ицы , давая воз мож­

к 3'-ко нцу вдол,, мРНК в поисках п е р вого

AUG.

7-16).
Когда

го определе нным строе ~1и е м , который точно ориентиру ет

ность присоединиться бол 1,шой субъединице и заве ршить

д руг оти осителыю д руга две взаимодействующие струк­

сборку ри босомы. Поскол 1, ку и нициаторная тРНК пр исо ­

туры: растущий пе птид и акт ивированную тРНК, чем зна­

един е н а к Р-са йту, синтез белка может начаться с разу по­

чительно увеличивает в е роя т но сть протекания реак ции .

сле при соеди н еиия следую ще й активированной тРНК к

Молекулы РНК, обладающие каталитич еской актив-

А -сайту (с м . рис.

7-25).

1-юстыо , называют рибозимами (1· i bozyшes ). В последнем

У бакте рий механизм, по котором у прои сходит выбор

разделе этой главы мы коснемся д ругих рибозимов и об­
судим роль РНК-опосредованного катали за для ранн ей

старт-кодона, несколько отличается. Бактериальная мРНК
не имеет 5' -кэ па, который бы указал ри босоме, где на чинать

эволю ции жизни на Земле. Здесь же нам достаточно отм е­

поиск сайта старта трансшщии. Вм есто этого о ни соде ржат

тить: есть весо мое основание пола 1·ать, LПО молекулы РНК,

специаль ные п оследовательности дл иной до ш ести 1-rу клео­

а не белка, были п ервыми катализаторам и в живой кл ет ке.

тидов, связ ывающ и еся с рибосомой . Эти последователь но­

Есл и это верно , то ри босома с ее сердцевиной , состоящей

сти обычно рас положены на расстоянии в нес колько н укле ­

из РНК , может рассматриваться как реликвия тех древни х

отидов в 11 аправлении 5'-ко нца от

времен истории живого , когда клетки функ ционировали

~1ачат 1,ся трансля ция. В отличие от эука риотических рибо­

практически и сюпочитель но за с ч ет ри бозимов.

сом прокариотическая. рибосома способ на связ ываться н е-

244

ГЛАВА 7. От ДНК к белку: как клетки реализуют генетическую информацию

AUG, с

которого долж на


сайты связывания
рибосомы
З'

5'
циа торная тРНК

AUG i

м алая субъединица

AUG

i

мРНК

рибосомы со свя занными
факторам и ин и циации

бело к~

бело к а

трансляции ( н е по каз аны)

!

СВЯЗЫВАНИ Е мРНК

РИС.

7-36 . У

бело к у

прокариот молекула мРНК может кодировать сразу

несколько разных белков. У про ка риот ге н ы , контрол и рующи е раз ­
н ы е этапы одного и того же би охи м ич еского процесса, объедин е ны в

мРНК

5'

З'

кл асте ры (оп е роны) , которы е тра н ск рибируютс я вм есте, в с оставе од­

AUG

j

н ой м ол екулы мРН К. В отли чи е от эука ри от ич еск и х рибос ом , уз нающих

ИНИЦИАТОРНАЯ тРНК

5 ' - кэ п , пр о ка риотич еск и е ри бо сом ы инициируют тран сляцию в с пеци­

ДВИГАЕТСЯ ВДОЛЬ РНК
В ПОИСКЕ ПЕРВОГО

AUG

альны х сайтах с вя з ыва ния ри бо с омы (обоз нач е ны кра сным) , которые
м о гут быть рас п оложе ны во внутренн ей ч асти моле кулы мРНК . Эта осо ­

бе нность поз вол яет с ин тез иро ват ь несколь ко разных бел ков с одн ой
( п ол и цистр о н н о й ) м оле кулы мРН К.

ДИССОЦИАЦИЯ
ФАКТОРОВ
ИНИЦИАЦИИ

r

З'

посредственно со старт-кодоном,

AUG

нии в несколько нуклеотидов ему предшествует сайт свя­

зывания рибосомы. Такие связывающие рибосому последо­

вательности необходимы бактериям, так как прокариотиче­
ские мРНК обьгч но полицистроппые

-

они кодируют сразу

несколько разных белков, каждый из которых транслирует­

ПРИ

БОЛЬШОЙ

ся с одной и той же молекулы мРНК (РИС. 7-36 ). Эукарио­

СУБЪЕДИНИЦЫ

тические мРНК, наоборот, обычно содержат и нформацию

1

5'

AUG

расположенным внутри

последовательности мРНК, при условии, ч то иа расстоя­

только об одном белке.
Конец белок - кодирующей последовательности как
у прокариот, так и у эукариот обозначается наличием
одного из нескольких возможных стоп-кодоиов (см .

З'

г-::ИНОАЦИЛ-,РНК

рис.

7-26). Эти специальные кодоны - UAA, UAG и
UGA - н е узнаются тРНК и не кодируют ни одну ами­

нокислоту. Вместо того они сигн ализируют рибосоме

СВЯЗЫВАЕТСЯ

о том, что надо завершить трансляцию. Белки, назьша­

СА-САЙТОМ

емые факторами термипации трапсляции

(1

ЭТАП)

(translation

teпn i вation factoгs), связываются со стоп-кодоном, ока­
завшимся в А-сайте рибосомы. Это приводит к изме­

5'

З'

AUG

j

н ению пептидилтрансферазной активности рибосомы

ФОРМИРОВ!',НИЕ ПЕРВОЙ
П Е ПТИДНОИ СВЯЗИ

(2

ЭТАП )

и в ы нуждает ее присоединить к n ептидил-тРНК моле­

кулу воды вместо ами н окислоты ( РИС.

7-37). В резуль­

тате освобождается карбоксильная группа nолипептид­
ной цепи, которой о н а связывалась с молекулой тРНК,
и поскольку эта связь

-

единственное, что уде р живало

растущую п олипептидную цепь на рибосоме, готов ы й

белок немедленно выходит в цитоплазму. Затем рибосо­
5'

З'

РИС. 7-35. Для начала синтеза белка у эукариот требуются
Факторы инициации и специальная инициаторная тРНК. Для
Эффекти вн ой инициации трансляци и требуются допол нител ьн ые
белки (см. рис. 7-22 ), связывающиеся с 5'-кэпом и пол и-А-хвостом
М РН К. Таким образом , рибосома может проконтролировать интакт­
н ость обоих ко нцов м РН К п е ред те м , как ини цииро вать тра н сл я ци ю .

ма освобождает мРНК и разделяется на две отдельные
субъединицы, которые могут собраться на другой мРНК
для того, чтобы начать новый цикл синтеза белка.
В гл.

танно

4

мы обсуждали, что многие белки могут спон­

сворачивап,ся,

приобретая

определенную

про­

странственную структуру. Некоторые из них делают это

самостоятельно, как только выходят из рибосомы, од 1-tако
многие другие нуждаются в молекулярных шапероиах ( пю­

lecu lar s l1apeгon ),

п омогающих им правильно свернуться

После инициации белок удли няется в результате этапов, описанных

в клетке. Лучше других изучены шаnероны, которы е за

н а РИ С ,

счет гидролиза АТФ последовательн о связывают и осво-

7-33.

От РНК к белку

245


РИС.

7-37.

На заключительной стадии синтеза белка фактор терминации транс ­

ляции присоединяется к стоп-кодону, находящемуся в А-сайте рибосомы . Завер­
шенная полипептидная цепь освобождается , а рибосома распадается на две отдельные
субъединицы.

бождают белки до тех пор , гю1<а они н с све рн утся как надо.
Это позволя ет налравлять сворачивани е белков в нужных
З'

r 'СОЕДИНЕНИЕ
ФАКТОРА
ТЕРМИНАЦИИ
ТРАНСЛЯЦИИ

клетке, продуктивных налравле ниях , предот вращая обра­
зовани е ими белковых агре ,·атов и д руг их не правильных

структур. Новоси ,пезированные белки обыч~ю связыва­

ются шапе ронами п рямо при выход и з рибосомы.

Белки синтезируются на полирибосомах

КА-САЙТУ

Синтез большинства белковых молекул за нимает от

РИБОСОМЫ

20 с до

н ескольких минут. Но даже за этот небольшой промежуток
времени на каждой тран слируемой мРНК может произой ­

ти неско111,ко инициаций трансляции. При эффективной

трансляции мРНК новая рибосома садится на

5' -конец этой

мРНК сразу после того, как предыдущая рибосома трансли­
З'

5'

рована достаточное число нуклеотидов, чтобы освободить
место для посл еду ющей . Поэтому активно транслируемые

Т Е РМ И НАЦИЯ
ТРАНСЛЯЦИИ

молекулы мРНК обычно обнаруживаются в клетке в форме
полирибосолt, также и звестных как полисом.ы (polyribosomes,
polysomes), представляя собой большие цитопл азматиче­
ские структуры, состоящие из н ескольких рибосом, сидящих

1ia одной мРНК и уда.11е1шых друг от друга на расстояние в
80 нуклеотидов ( РИС. 7-38) . Благодаря такой множествен ной
инициации количество бе.111<а, которое может быть синтези­
рова~ю в едю rи_цу времени, значительно вьш1е , чем в том слу­

чае, если бы для н ачала синтеза каждого следующего белка
требова.1юсь заверш е ~ги е синтеза предыдущего.
Как бактерии, так и эу кариоты используют п олисо­
мы, однако бактерии могут увелиl1ивать скоростъ синте-

З'

5'

AUGAACUGG UAG CGAU CG
5'

■ 1 ■ 1 ■ 1 ■ 1 ■ 1 ■ 1 ■ 1 ■ 1 ■ 1 З'
100 нм

(А)

РИС .

7-38.

(Б )

100 нм

Трансляция белка полирибосомой . (А ) Схема синте­

за белка , п оказ ыва ю щая, как н есколько рибосом одн ов р еме н но м огут
тра н сли ровать од ну мол екул у м РН К ( ВИДЕО

7.10).

(Б) Эл ектро н ная

м и к рофотограф ия п ол ирибосомы эука р иотической клетки ; с разреше­
ния

246

John Heuser.

ГЛАВА 7. От ДНК к белку: как клетки реализуют генетическую информацию


за белка е ще бол ьш е . Поскол ьку бактериал ьн ая мРНК
н е н уждается в процесс ю1ге и физ ич ески доступна дл я

рибосом с разу после своего появл ния, ри босо мы обыlrно

Строго регулируемая деградация белков
обеспечивает поддержание
необходимого их количества в клетке

садя тся н а свободный ко н е ц ба ктери аль ной мРНК и на­
LJи 1 rают тран сл яцию е ще до того, как тра н с крипция этой

После того как белок выходит и з рибосомы, он попадает

РНК заве рш ается. Эт и рибосо мы следу ют вслед за РНК­

под контроль н ескол ъких с истем клетки. Число копий

кюкдо1·0 ко11кретного белка в клетке, как и чи сл о людей,

полим е разой в процессе ее дв иже ния по Д НК.

за ви сит н е толы<0 от того , как быстро он си нтезируется
(рождается), но и как долго <~ остается в живых >>. Таким об ­

Ингибиторы синтеза белка в прокариотических
клетках используются в качестве антибиотиков

разо м , раз руш е ние белка н а составляющи е его а минокис­

лот ы служит одним и з с 1 юсобов ре гулирова ния колич е­

Способ ность к точной трансляции мРНК в белки явля­

ст ва зада нного белка в зада нн ое время. Б елки оч ень силь­

ется общей ч е ртой всех живых ор га ни змов на Земле. Ри­

но различаются по в рем е ни жизни. Структурн ы е белки,

босомы и другие молекулы , вы пол няющие эту сложную

которы е становятся часть ю такой малои з м е ня е мой ткани,

работу, оч ень схожи у всех организ мов , 1-ю , как мы видели,

как косп1 ая или мышечная, могут сохра няться в те l1е ни е

между м еха низ мами си нтеза белка у бакте ри й и эу кариот

многих месяцев или даже лет. В то же время другие белки,

существуют н ебол ьши е различия. Будуч и причудой эво­

н а прим е р метаболически е фе рм ен ты и белки, ре гулиру ю­

люции, эти различия служат основой для одного и з важ­

щие кл еточный цикл , митоз (см. гл.

н ейших достижений совреме ,шой медицины.

дни, час ы или даже считанные мин уты. Ка1< же кл етка кон­

Бол ьшинство из наибол ее эффективных антибиотиков

18), существуют лиш 1,

тролиру ет время их существования?

представляют собой соединения, ин гибирующие синтез

Кл етка имеет спе циальны й путь фермен татив ного рас­

бед1<а у бактерий, но не у эукариот. Некоторы е и з этих пре­

щеп ле ния, или протеолиза (pгoteolysis) белков на состав­

парато в используют небольшие структурные и фу11кцио­

ляющие их аминокислоты. Фе рме нты, разруш ающие белки

налы1ы е разл ичия между бактериальной и эука риотиче­

сначала д о коротких пептидов , а потом до отдел ьных ами-

ской рибосом ами так, что преимущественно мешают бакте­

1юкислот, имеют об щее название

риалы-юму сюпезу белка. Поэтому тюше соединения могут

теазы (pгoteases ). Протеазы действуют путем разрезания

бьлъ и с п ользованы в высокой концентрации, нс будучи

(гидролиза) пе лтидной связи между аминокислотами (с м .

токс ичными дл я человека. Поскольку различны е антибио­

вкладку

тики связываются с разными учасшами бактериаль ной

ских путей

рибосомы , они обыч. но ингибиру ют разны е этапы синтеза
беm<а. Некоторы е из антибиотиков лриведе11ы в ТАБЛ . 7-3.

должно быть коротким. Другая

2-5,
-

с.

78- 79).

-

протеиназы, или про­

Одна из функций протеолитиче­

быстрое разрушение белков, чье время жиз 1-~и

-

раслознать и уничтож ить

поврежденные или неправильно свер нувШ],(еся белки. Из­

Многие распростран енны е анти биотики были вп е р­

бавление от неправильно свер н увш и хсн бел ков крайн е важ­

вые в1,щелены из грибов. Грибы и бактерии за частую за ни­

но для организма: тю<И е ней родеге11 е ративные заболевания ,

ма ют одни и те же э кологич ес ки е ниши . Чтобы получить

как болезни Хантингтона, Альц1·е ймера, Крейтцфел ьдта­

конкуре итн ое преим ущество, в процессе эвол юции 1·рибы

Якоба, выз ыыuотся агрегацией неправилыю свернувших­

нау чи л ись синтезировать мощны е токсины, уб ива ющие

ся белков. Б елко вы е агрегаты могут значитель но вред ит~,

бактерий, но безвредные дл я них са мих . Поскольку как

клеткам и тканям ил и даже выз ывать КJ1еточ1-1ую гибел ь.

грибы, так и л юди являются эу кариотами и, таким об­

Несмотря на то что б6л ыная LJасть поврежденных бел­

разо м , з начител 1,но ближе друг к д ругу, ч ем к бактериям

ков у ничтожается в цитоплаз м е, важные эта пы де гр ада ции

( см . ри с. 1-29), мы лолучи ли возможность <<ОДОЛЖИТЬ ~ эт и

белков протекают и в других клеточных комлартм е нтах эу­

соед и 1 1е ния для боръбы с н ашими собственными бактери­

кариотической клетки, таких как ли зосомы ( обсуждается в

ал 1,ными против1-~иками .

01. 15). В

эу кариотических клетках б6льшая часть белков

ра з рушается

ТАБЛИЦА 7-3. Антибиотики , ингибирующие синтез белка или РНК
Антибиотик

Механизм действия

Тетрациклин

блокирует связывание аминоацил-тРНК
с А -сайтом рибосомы (этап 1 на рис . 7-33)

Стрептомицин

Циглогексимид

7-35).

Рифамицин

2 на рис . 7-33)

блокирует реакцию транслокации на рибосоме
(эта п

3 на рис . 7-33)

блокирует инициацию синтеза РНК , связываясь
с РНК-полимеразой

трального ци лш~дра, сформированного протеазами, чьи

цили нд ра. С обе их сторон цилиндр запломбирован боm,­

блокирует пептидилтрансферазную реакцию
рибосом (этап

на з ывае мыми

шими белковыми комплексами, собранными, ло крайн ей

Также вносит ошибки при синтезе белка

Хлорамфеникол

машин ами ,

,штив 11ые це нтры н аправл ены во вн утр е ниюю камеру этого

п редотвращает переход от инициаторного
комлекса к удnинению цепи рибосомой (рис .

мо лекулярными

протеасомами (pгoteasom es ). Протеасома состоит из цен­

мере, из 10 разл ичных белковых субъед иниц ( РИС. 7-39).
Эти белковые << крышки~ связывают белки, которые долж1-1ы быть уничтоже ны , а зате м, ислользуя энергию гидроли­
за АТФ для лод питки собственной активности , отправля­
ют <<обрече 1-rны е>> молекулы белка в центральный цилиндр.
Там протеазы раз резают белки до коротких пе птидов , ко­

торы е затем выбрасываются с другой стороны гrротеасо­
м ы. Укрытие протеаз вн ут ри мол екулярной камеры имеет

бол ыной см ысл, так как предотвращает раз руш ение этими
протеазами всей ост,шьной клетки.

От РНК к б елку

247


н у вши е рибосому, требуют до пол нитель ной <,обработки ~,
прежде че м они станут полезн ыми клетке. Например, ко­

вал е нтная модификация (такая как фосфорилирова~·1и е) ,
связывание низкомол екуля рного кофактора или ассоци­

ация с д ругой белковой субъеди ницей часто н еобходимы
для активации вновь синтези ро ва нного белка ( РИС. 7-41 ) .

В следующей гл а в е мы увидим, что клетка способна
менятъ I<шщеитрацию бою,шей части своих белков в со­
ответствии со своими потреб ностями. В целом все эта пы,
пр едставл е нные на рис.

7-40,

могут регулироваться клет­

кой. Однако чаще все го она регул ирует экс пресс ию своих
генов на уровне инициации транскрипции .

Транскрипция и тра н сля ц ия

-

универсальные про­

цесс ы , свойственные всему живому. Но когда ученые за­
думались о том , как мог возникнуть поток информации от
РИС.

7-39.

Протеасома осуществляет деградацию короткожи­

ДНК к белку, они пришли к неожиданному выводу.

вущих и неправильно синтезированных белков. ( А ) Ст ру ктур н ая
модель це нтр альн ого ци л и ндр а пр отеасо мы в раз резе, п о луч е нн ая с

по м ощь ю рент ге н ост ру ктурн ого а н ал и за. Катал ити ч еские центр ы п ро­
интроны

теасо м ы обозна ч ен ы красными точками. ( Б ) Ст ру ктурн ая м одел ь цел ой

/

протеасом ы. Це нтральн ый ци л и ндр (желтый) с обеих сто ро н зак р ыт ре­
гуляторны ми ч аст ицами ( фиолетовый ) . ( Б

W.Baumeister et.

-

с разре ш е н ия

Elsevier

!ИНИЦИАЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ

из

а/ ., Се// 92: 367-380, 1998.)

Как протеасома опредешrет, какие белки должны
ПРИСОЕДИНЕНИЕ КЭПА,

l

войти в центральный цилиндр и подвершуться деграда­

ЭЛОНГАЦИЯ И СПЛАЙСИНГ

ции? Протеасома выбирает в первую очередь белки, кото­
рые были помече ны как подлежащие уничтожению при­

......

соединением ковалентной связью маленького белка, назы­
ваемого убшсвитииом (uЬiquitin). Специальные ферменты
метят выбранные белки с помощью одной или нескольких

РАСЩ Е ПЛ Е НИЕ , ПОЛИАДЕНИЛИРОВАНИЕ

молекул убиквитина. Эти убиквитинилированные белки

И ТЕ РМИНАЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ

1

затем узнаются и засасываются в п ротеасому белками ре­

. ___ l

гуляторной субъединицы протеасомы ( <<крыш1,и~ ).

вы ход

Беm<И, время жизни которых должно быть невелико,

содержат

небольшую

аминокислотную

последователь­

ЯДРО

-----мм мРНК
мРНК # ~..
ДЕГРАДАЦИЯ

t

тинилироваиию и уничтожению протеасо мой. Денатуриро­

ванные белки, а также белки, соде ржащие окисленные или

какие-либо другие ненормальные аминокислоты, таюке

ИНИЦИАЦИЯ СИ Н Т ЕЗА Б ЕЛКА (ТРАНСЛЯЦИИ )

узнаются и уничтожаются убиквитин -зависимой протео­

мм

литической системой. Фермент, добавляющий убиквитин
к та1пrм белкам, узнает сиг нальную последовательносп,,

ЗАВЕРШ Е НИ Е СИНТЕЗА Б ЕЛКА

И ФОРМИРОВАНИЕ КОН ЕЧНОЙ
ПРОСТ РАНСТВ Е ННОЙ СТРУКТУРЫ

1

которая оказывается на поверхности белка в результате его
н е правильного сворачивания или химического повр ежденапример аминокислотные последователь ности

L__J

ЦИТОПЛАЗМА

ность, отмечающую такой белок как подлежащий убикви­

1-1 ия,

ММ мРНК

ИЗ Я РА поли-А-коне ц

Oti2N

или

ое,.;соон

!-= ДЕГРАДАЦИЯ БЕЛКА

структурные мотивы, в норме спрятанные и н едоступны е.

-'/:..-..,

&fоон

Существует несколько этапов реализации

генетической информации на пути от ДНК к белку
В этой главе мы узнали, что для синтеза белка на основе

РИС .

информации, содержащейся в ге не, требуетсн большое ко ­

вляется в несколько этапов. Кон е чн ая ко нце нтра ц и я оп редел е нн о го

личество различных химических реакций ( РИС. 7-40). Ко­

бел ка зависит от эффективности каждого эта п а . Даже п осл е тра н сл я­

нечная концентрация белка в клетке, таким образом , зав и­

ции ко нцентра ци я белка может регулироваться за счет его деградации.

сит от э фф е ктивности каждого из промежуточных этапов,

П осттрансл я цио нн ые модификаци и регулируют актив н ость белков (см .

ведущих к его синтезу. Кром е того, многие белки, паки -

рис.

248

7-40 . Экспрессия белка

7-41) .

ГЛАВА 7. От ДНК к белку : как клетки реализуют генетическую информацию

в эукариотической клетке осущест­


первичная полип е птидная цепь

МИР
РНК

j

10

j

СВОРАЧИВАНИЕ БЕЛКА

' 'i~

формирование

первые

солнечной системы

клетки

млеко-

с ДНК

питающие

взрыв

И ПРИСОЕДИНЕНИЕ

г1~

настоящее

п ервые

КОФАКТОРJ\ ( НЕКОВАЛ Е НТНЫЕ
ВЗАИМОДЕИСТВИЯ)

РИС.

7-42.

Мир РНК мог существовать еще до появления совре­

менных клеток.

КОВАЛЕНТНЫЕ МОДИФИКАЦИИ ,

j

НАПРИМЕР ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

по средника между генами и белками, в примитивных
клетках являлась и хранителем ге нетической инфор­
мации, и катализатором химических реакций. Лишь

п озд нее в ходе эволю ции ДНК взяла на себя роль ге­

нетического материала, а белки стали основными ка­
тализато р ами

и

структурными компо н ентами клеток.

Если эта идея верна, то переход из мира РНК не был за­
вершен; как мы видели в этой ~·лаве, РНК все еще ката­

СВЯЗЫВАНИЕ С ДРУГИМИ

j

БЕЛКОВЫМИ СУБЪЕДИНИЦАМИ

лизирует несколько основных реакций в сов ременных

клетках. РНК-катализато ры , в том числе рибосомы и
РНК-катализаторы, участвующие в сплайсинге, таким

образом, можно рассматривать как молекулярны е ока­
менелости из р анее су ществовавшего мира.

зрелый функционирующий белок

Для существования жизни необходим автокатализ
Для прои схождения жиз ни требуются молекулы, ко ­

РИС. 7-41. Большинство белков требуют дополнительной моди­

торые обладают, хотя бы в малой степени, одним

фикации для приобретения ими функциональной активности. Для

ключев ым свойством: способностью катализировать

правильного фун к цион и рования в кл етке белок должен принять опре­

р еакци и , кото ры е ведут прямо или ко све нно к произ­

дел е нную ко нформацию , связаться с необходимыми кофакто рами и со­

водству таких же молекул , как они сами. Катализато­

единиться с другими белками-партнерами. Эти изменения в основном

ры с этим с пециальным свойством самовоспроиз веде­

обусловлены н ековалентными взаимодействиями , однако многие белки

иия , случайно возникнув, будут воспроизводить себя

подвергаются и дополнительным модификациям с образо ва ни ем ко ва­

и , следовател ьн о, забирать сы рье, которо е могло бы

лентны х связей. Известно боле е

100 различны х вариан тов ковалентных

использоваться для производства других в е щ еств. В

модификаций: самыми распространенными из них являются фосфори­

этом случае можно пр едсказать по сте п енное развитие

лирование и гликозилирование .

все более сложных х имических систем органических
мо~1омеров и полимеров , работающих вместе, чтобы
произвести е ще больше молекул одного и того же
типа, поддерживаем ые поставкой с ырья из окружаю­

щей среды. Такие автокаталитические системы будут

РНК И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

обладать многими свойствами, которые мы считаем
характеристиками живой материи: с и стема будет со­
держать далеко не случайный набор взаимодейству­

для полного понимания процессов, происходящих в

ющих молекул, она будет сп особна воспроизводить

современных клетках, м ы

себя, будет конкур иров ать с другими системами, за­

должны

рассмотреть , как

клетки эвол юциокировали. Но один из ключевых про ­

висимыми от того же сы рья , и , если она будет лише на

цессов, а имеюю экспрессия ге ков, представляет собой

своего сырья или помещена в температурные услов ия ,

особую пробле му: есл и нуклеиновые кислоты необхо ­

которые нарушат реакционный баланс, она будет ска­

димы для управления синтезом белков, а белки необхо­

тываться к химическому р авновесию и ~ уми р ать >>.

димы для синтеза нуклеиновых кислот, как же эта си­

Какие молекулы могли бы иметь подобные автока­

стема взаимозавис имых компонентов возникла? Есть

талитические свойства? В современных жив ых клетках

точка зреиия, что до п оявления современных клеток

на Земле су ществовал мир РНК ( РИС. 7-42) . Согласно
этой гипотезе, РНК, которая сегодня выступает в роли

самыми

ун ив ерсальными

катализаторами

являются

белки, кото рые могут принимать разнообразные про­
ст ранственные формы, изобилующие каталитическими

РНК и происхождение жизни

249


участками. Тем н е менее н е су ществует известных спо ­

собов, с помощ~,ю которых белок мог бы воспроизводить

себя непос редственно. Нуклеиновые кислоты способ ны
на оба этих процесса.
рибозим

РНК могут и хранить генетическую информацию,
и катализировать химические реакции

5'

Мы узнали, <rто комплементарное с паривание нуклеоти­
дов позволяет нуклеиновой кислоте испол~,зоват~, одну

З'

цепь в качестве шабло на для формирования другой . По­

РНК-субстрат

следовательностъ нуклеотидов в полученной цепи РНК
ОБРАЗОВАНИЕ

и ли ДНК, в свою очередь, задает последовательность ис­

КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ

ходной молекулы, что позволяет исходной нуклеиновой

ПАР МЕЖДУ РИБОЗИМОМ

кислоте реплицироваться (РИС. 7-43). Подобные меха~1из­

И СУБСТРАТОМ

мы комплементарного спаривания лежат в основе р епл и­

кации ДНК и транскрипции в современных клетках.

Эффективный синтез полинуклеотидов с помощью

таких механизмов все равно требует катализаторов для
содействия реакции полимери за ции: без катализаторов

полимеры образуются медленно, с ошибками, и неэф­

5'

фективно. В современном мире п олимеризация нуклео­

З'

тидов катализируется белковыми ферм ентами, такими
как ДНК- и РНК-полимеразы. Но как эта реакция могла

jРАСЩЕПЛЕНИЕ СУБСТРАТА

катализироваться до появления белков с соответствую­
щими каталитическими возможностями? Частичный от­

вет на этот вопрос был получен в

1982 г., когда обнаружи ­

лось, ч то молекулы РНК сами по себе могут выступать
в качестве катализаторов . Мы уже видел и в этой главе,
что молекула РНК, например, катализ ирует пептидил­

трансферазную реакцию в рибосом е. Уникальная сл особ­

5'

ность молекул РНК выступать как в качестве носителей

З'

информации, так и в качестве катализаторов, полагают,
по зволила им сыгратъ главную роль в процессе воз ник ­

j ВЫСВОБОЖДЕНИЕ

новения жизни.

ПРОДУКТА РЕАКЦИИ

СИНТЕЗ КОМПЛЕМЕН ­
ТАРНОЙ ПОСЛЕДОВА­

j

ТЕЛЬНОСТИ НА ОСНОВЕ

ИСХОДНОЙ ПОСЛЕДОВА­

ТЕЛЬНОСТИ

КОМПЛЕМЕНТАРНАЯ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ

j

СЛУЖИТ В КАЧЕСТВЕ
МАТРИЦЫ _для СИНТЕЗА
исходнои

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

рибозим

РИС.

7-43. Молекула РНК может служить основой для воспроизве­

дения своей точной копии. На первом эта пе исходная молекула РНК

РИС .

7-44.

Рибозим

-

молекула РНК с каталитической активно­

стью. На рисунке приведен пример , на котором простая молекула РН К

служит матрицей, на основе которой синтезируется молекула РНК с

расщепля ет другую молекулу РНК в специфическом сай те. Этот ри ­

компл е ментарной последовательно стью . Н а втором этапе уже образо­

бозим входит в состав больших РНК - ге номов , н аз ыв аем ых вир ои ды и

вавшаяся молекула РНК выступает в роли матрицы, формируя моле кулу

инфицирующих растения . В природе эта реа кция , протека ющая сразу

РНК с исходной посл едов ательно стью . Посколь ку с одной матричной

в нес кол ь к и х уч астках одной и той же молекулы РНК , содержа щей ри ·

молекулы РНК может быть си нтези ровано множество ко мпл еме нтарны х

бозим , явля етс я одним и з эта пов репликации такого РНК - ген ома. Для

копий , эти реакции могут приве сти к многократному ув еличен ию числа

проте кания этой реакции также требуются ионы магния (не показаны) ,

копий исходной посл едовательности.

которые связ ываются с РН К-субстратом в сайте расщепления.

250

ГЛАВА 7. От ДНК к белку : как клетки реализуют генетическую информацию


В сов ременн ых клетках РНК синтезируется в виде од1 ю це п очечной молеl(улы, и мы видет1 , что l(Ом п лементар­
ное с париван ие ос н ова н ий может произ ойти м ежду н укле­

отидами внутри одной цепи (см. рис.
тарны

7-5). Эти

комплемен ­

сп а рива~1 ия , н аряду с @екано 1i ич есl(ими~ водо р од­

ны ми связями, ,три водят

Сl(Лаnы вается

1(

тому, что каждая молеl(ула РН К

уникаль н ым

с п особом, определяемым

ее

нуклеотидной п оследователь ност ью. С помо щью подобн ых
связей об разуются сложные трехме рные струl(тур ы, и мо­
лекула РНК

l(al( целое

пр иобретает не п овторимый обл и к.

Как мы видели в гл.

4,

белковы е ферменты способны

катализировать биох ими ческие реакци и, потому ч то об­

РИС.

ладают пове р х н остью с уникал ьны ми коюу р ами и х и ми ­

ственных копий? Этот гипотетич ес ки й процесс требует катализа обоих

ческими свойствами, на 1<оторой дан ный субстрат может

этапов , ра с смотренны х на рис .

всту п ать в реакци ю. Таки м же об разом молекул ы РН К,

ны й це нтр РН К-фермента .

7-45.

Может ли молекула РНК катализировать синтез соб­

7-43. Красным

цветом выдел е н актив­

обладающие у н икаль н ой фо р мой , могут служить фер­
ментами ( РИС. 7-44) , хотя тот факт, tпо он и пост роены
всего из ч етырех разл и trных субъедини ц, о граничивает

лаборатор ных услов иях. Хотя с помощью п одобной де­

эффектив н ость их каталитических функ ци й и спектр хи­

мо н страции н ельзя доказать, что самовос пр ои зводя щ иеся

ми ч еских р еак ц ий, кото р ые они могут катализи р овать, п о

молекул ы РН К действительн о играли важ н ую роль в п ро­

сравнению с белками. Те м не менее рибозимы катал изи­

и схожде нии жиз ни на Земле, м ож ,-ю показать, что такой

ру ют м r-югие типы хим ич еских р еак ци й . Боль ш ин ство и з­

сце нари й в принципе возможен .

вестных р ибозимов были си н тезированы в лаборатор н ых
условиях (ТАБЛ.

7-4) ; с рав н итель.н о мало l(аталитич еских
РНК существует в сов ременны х клетl(ах.

Вероятно , РНК появилась до ДНК в ходе эволюции

Процессы, в которых катал и тические РНК все еще ис­

П е рвые клетки н а Земле предположительно были го раздо

п ользуются , до с и х по р и грают в клетке клю ч евую р оль;

ме нее сложными и ме н ее эффективн о размн ожающи мися,

они вклю чают некото рые из наиболее важных этапов экс­

ч ем сам ы е просты е современ ные клет к и . Они могли состо­

пресс ии ге нетич еской и нфо р ма ц ии, особенн о те этап ы, на

ять из простой мем браны, ок ружающей н абор самовос про­

которых сам и моле r<ул ы РНК рас ще п ляются или траисли­

изводящихся

руются в белl(и.

н еобходимы х для предоставления материалов и э нергии

молекул

и н еl(ото ры х других

l( ОМпо н ентов ,

РН К, таким об разом , обладает всеми свойст вами , не­

для их реп ликаци и . Если эв олюционные рассужден ия о

обходим ы ми молекулам, для катализа своего собстве н ­

РН К, описанные в ыш е, ве рны, первые клетки таюке прин­

ного син теза ( РИС.

7-45) . Несмот ря на то что самовосn ро­

ципиал ьн о отличал ис r, от известных н а м клеток тем , что их

изводя щихся систем из молекул РН К не бы ло н а йде н о

н аследственная и нформация х р ани лас r, в РНК, а не в Д НК

в пр и р оде, ученые находятся на п ути к получен ию их в

Доказательства того, что РН К возJ1 икла в ходе эволю­
ции до Д Н К, мож н о н айти в химических р азличиях меж­

ду ними . Рибоза (см. рис.

ТАБЛИЦА 7-4. Биохимические реакции, которые могут

7-3,

А ) , как и rJТIOl(OЗa, и д ругие

простые углеводы , легко об разуется из фо рмальдегида

катализироваться рибозимами

( НСН О )

Активность

Рибозимы

тов, имити рующ их условия н а пр имити вной Земле. Сахар

Расщепление РНК,

самостоятельно сплайси рующиеся Р НК

л игирова н ие РН К

Расщепление ДН К

самостоятельно сп л айсирующиеся Р НК

Образование пептидной

рибосомальная РН К

Сплайси н г РН К

он производится из рибозы в п ро цессе реакц ии , катализи­
руемой белковым фермен том, и з че го можно сделат~, вывод,

что р и боза предш ествует дезоксир ибозе. По-в и димому,
лее подходящей молекулой, чем Р Н К, для постоянно го
х р а не ния генетис1 еской инф ор маци и . В част ности, де­

самостоятельно спл айсирую щиеся Р Н К,

ЗО l(СИр ибоза в сахарофосфатном остове делает цепочки

(?)

Полимеризация РНК

искусственно отобранн ы е Р Н К

Фосфорилирование РНК

искусственно отоб ранные РН К

Аминоацилирование РНК

искусственно отобранные Р НК

Ал килирован ие РНК

искусствен но отоб ранные Р Н К

С-с (изомеризация)

дезокс ирибозу т руднее получить, и в соврем енных клетках

искусственно отоб ранные Р НК

Р НК сплайсосомы

Вращение вокруг связи

одного из осно вн ых результатов э ксперимен ­

Д НК ттоявиласъ н а сцене позже, а затем оказалась бо­

связи при синтезе бел ка

Л игирован ие ДН К

-

искусственно отобранные РНК

ДНК хим ически более стабильным и , чем цеп очк и РНК,
поэтому более дл и11 1-1ые молекулы ДНК могут х ран итъся
без повреждений.
Друг и е разл ич ия между РНК и ДНК двухцел о­
чечная структу р а ДНК и использование тимина вме ­

сто урацила

- еще больш е у в елич ивают стабильность

ДНК, так как подобную молекулу ле t'Че по ч инить. Мы
видели в гл.

6, что

повреждения нуклеотидной n оследо­

вателыюсти одн ой цепи двойной спирали м огут быть

РНК и п роисх ождение ж изни

251


устра н е ны при помощи использ ования д ругой цепи в

ВОПРОС7 - 6

качестве матрицы. Кром е того, д за минирование , одно

А Обсудите следующую фразу: « В ходе эволюции жизни на

rl' Земле РНК потеряла свои лидирующие пози ции первого са-

из наиболее частых неж лательных химических из­

8

менеf1 ий, происходящих в п оли нуклеотидах, легче об­

6-23).

мореплицирующегося катал изатора . Теперь ее роль ограни­

чивается простым пос редничеством при передаче информации от

на ружить и устранить в ДНК, нежел и в РНК (см. рис .

ДНК к белку».

Это объясня тся тем, что продукт дезамииирова­

ния, урацил, уже существует в РНК, так что фе р ме н ­

ты ре п арации не могут обнаружить подобное повреж­
де ние. Од н ако в ДНК, которая содержит тимин, а не

катализато рами, а РНК осталас 1, прежде всего в качестве

у рацил, любой урацил, образовавшийся при случай ном

посредника между ни ми ( РИС.

дезаминировании цитозина, будет легко обнаружен, и

клетки получили воз можность стан овип,ся все более

повреждение будет исправле но .

сложными, так как они могли тепе рь н ести и пер давать

Пере численные фаI<ты привели к идее о том, что

7-46) . С появл ением ДНК

больше генетической информации, чем можио было ста­

и каталитиче­

биль но поддерживать с n омощыо молекулы РНК. Из -за

ские свойства, предшествует ДНК в ходе эволюции . Счи­

большей хи.мической сложности белков и разл ичных хи­

РНК, имеющая как информационны

, так

тается, LJТO по м ере появления клеток, больше напомина­

мичес ких реакций, которые они могут катализи ровать,

ющю< сов ременные, многие функции, первоначально вы­

сдвиг (хотя и неnош-~ы й) от РНК к белкам также предо­

полнявшиеся РНК, были переданы более специфичным

ставил го раздо более богатый источн ик структурных ком­

молекулам, лучше подогнанным п од ис полнение опреде­

понентов и ферме нтов. Это позвол и ло клеткам развить то

ленных задач. В конце кон цов ДНК взяла на себя основ­

огромное разнообразие структур и функций, которое мы

ную информационную функцию, бетш стали основными

видим в сегод няшней жизни .

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
системы , основанные на РНК

•

G
1

Во все х живых клетках генетическая информация про·

ходит путь : ДНК

...

РНК

...

белок. Пре образ ование ге­

нетических инструкций из ДНК в РНК и белrш наз ыва­
ют экспрессией генов.

•

Для э1сспрессии содержащейся в ДНК rенетичес,юй ин­

формации нуклеотидная последовательность генов сначала

ПОЯВЛЕНИЕ РНК, КОТОРЫЕ МОГУТ

транскрибируется в РНК.

+

ОСУЩЕСТВЛЯТЬ СИНТЕЗ БЕЛКА

Транскрипцию катализирует

фермент РНК - полимераза. Определенные нуклеотидные

последовательности в молекуле ДНК ухазывают РНК­
системы , основанные на РНК и белках

G --~ок

полимеразе на то, где начать и где прекратить транскритщию.

•

РНК отличает ся от ДНК по ряду признаков . Она содер·

жит сахар рибозу вместо дезо,ссирибозы и основание
урацил

(U)

вместо тимина (Т). РНК в клешах синтези­

руется в виде одноцепочечных моле,сул, которые часто
склад ываются в определе нные трехмерные структуры.

ПОЯВЛЕНИЕ НОВЫХ ФЕРМЕНТОВ ,

!

•

Клет,си производят несколько раз ных функциональных

КОТОРЫЕ МОГУТ РЕПЛИЦИРОВАТЬ

типов РНК, в том числе матричную (или информаци­

ДНК И СОЗДАВАТЬ КОПИИ РНК

о,шую) РНК (мРНК , или иРНК) , ,юторая несет в себ е

НА ЕЕ ОСНОВЕ

инструхции дл я построения

белков,

рибосомалы, ую

РНК (рРНК), которая является компонентом рибосом, и

с овременные клетки

транспортную РНК (тРНК), используему ю в качестве мо­

лекулы-адаптера дл я синтеза белка .
ок

•

Транскритщия начииается с участков ДНК, называемых про­
моторами. Для инициации транскриrщии эукариотические

РНК-полимеразы нуждаются в сборке на промоторе ком·
ПJJекса из универсальных факторов транскрипции, тогда ка,с

РИС.

7-46.

бактериальной РНК-полимеразе требуется лишь одна до·

РНК, вероятно, предшествовала ДНК и белкам в про­

пошштеJJЬная субъединица, называемая сигма-фактор.

цессе эволюции. Считается , что в самых перв ых клетках молекулы РН К
выполняли информационные , структурные и катали тические фун кци и . В

•

В эу кариотич еск их ДНК большинство генов состоит из

настоящее время хран илищем ге нети ческо й информации служит ДНК ,

небоJ1ьших кодирующих участко в ( экзонов), перемежа­

а катали з осуществляется в основном белками. Основно й функцией

ющихся с не,юдирующими участками (нитронами) . Ког­

РНК теперь является посредничество между ДНК и с интезом белка , а

да эу кариотически е гены транскрибируются, копируются

та кже катализ н екоторых ключевых р еакций .

как экзоны, так и нитроны.

252

fЛАВА 7. От ДНК к белку: как клетки реализуют генетическую информацию


•

Интроны удаляются из РНК-транскриnта в ядре в про­

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

цессе сnлайсинrа РНК. В ходе этой р еакция, катализируе­

ап"тернатианый

мой ма;1ыми ндерными рибоную, е оnротеидами (мнРНП),
интроны вырезаютсн из РНК, а экзо11ы сшиваютсн друг с
другом.

•

ЭукариотичесIСие мРНК проходят несIСолько дополни­
тельных этапов процессинrа, прежде чем rюкинуть ндро

в том •mсле присоединение 1сэnа

( кэпирования)

-

и nол иаде­

нилирование. Эти реакции, наряду со сnлайсm1rом , про­

исходят по мере того, как РНК транскрибируется. Затем
Трансляция нуклеотидной последовательности мРНК в

м,~РНК

общие факторы

аминоацип-тРНК-

транскрипции

синтетаsа

rенетический код

иннциаторна11 тРНК
интран

nротеаэа

трансnортна11 РНК,
тРНК

nратеасома

трансn11цн11

nрацессинr РНК

фактор инициации
трансn11цни

рамка С'IИТЫIОНИII

инфармационна11

рибосомаn"на11

(матрнчна11) РНК
(нРНК, мРНК)

PHK-nanнмepasa
смайсинr РНК
смайсосома
транскрнnци11

nромотор

антнкодон

зрелая мРНК транспортируется в цитоплазму.

•

мапа11 11Д8рна11 РНК,

сnnайсннr

•оон

РНК, рРНК
рибосома

•ксnрессн11 rено1

РНК

кодон

белоIС происходит в цитоплазме на больших рибону1с;1е­
оnротеидных комплексах, называемых рибосомами. По
мере того как мРНК пропускаются через рибосомы, их

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

последовательность трансЛJ1руется в белок.

•
•

Последовательность нуклеотидов в мРНК считывается

Какое из следую щих утвержде н ий правильное? Ответ обоснуйте.

нов соответствует одной аминокислоте.

А. Отдельная рибосома может собрать только один тип белка .

Соответствие между аминокислотами и кодонами опреде­

Б . Все мРНК складываются в определенные трехмерные структу­

ляется генетическим кодом. Возможные комбинации из

ры , необходимые для их трансляции .

различных нуклеотидов в РНК дают

64

4

различных кодона

в rенети•1еском коде. Большинству аминокислот соответ-

•

ствует более одного кодона.

Г. Рибосомы

одинарной мембраной.

Ферменты,

•

•

называемые аминоацил-тРНК-синтетазами,

Д. Поскольку две цепи ДНК комплементарны друг другу, мР Н К

оп ределенного гена может транскрибироваться с любой из двух

Каждая тРНК содержит последовательность из трех ну­

цепей ДНК .

-

антикодон, который связывается с кодоном

Е. м Р НК может содержать последовательность

в мРНК путем комплементарного спаривания оснований

ATTGACCCCGGTCAA.

между кодоном и антикодоном.

Ж. Количество белка в клетке зависит от скорости его синтеза ,

Синтез белка начинается, когда на инициаторном

(AUG)

( стар­

его каталитической активности и скорости его деградации .

мРНК собирается рибосома. Этот

процесс регулируется бе;uсами, называемыми факторами

ВОПРОС7-8

инициации трансляции. Готовая белковая цепь высво­

Белок посмешин

бождается из рибосомы, когда рибосома достигает стоп­

людей улыбаться чаще. Он неактивен у многих хронически не­

кодона

счастных людей. Было обнаружено , что в мРНК, выделенной из

(UAA, UAG или UGA).

-

гипотетический белок , который заставляет

Последовательное соедине1ше аминокислот в nолиnеn­

организмов целого ряда различных несчастных людей из од­

тидную цепь катализируется молекулой рРНК в большой

ной семьи, отсутствует участок из

суб·ьединице рибосомы. Таким образом, рибосома являет­

присутствует в мРНК посмешина , выделенной из контрольной

ся примером рибозима

173

нуклеотидов , который

- молекулы РНК , способной ката­
.

группы счастливых людей . Были определены и сопоставлены

Jrизировать химические реакции

последовательности ДНК гена Посмешин в счастливых и не­

Деградация белкон в 1Слет1Се тщательно контролируется.

счастливых семьях . Они отличались одной нуклеотидной за­

Некоторые белки расщепляются в щпозоле крупными

меной, которая находится в интроне . Что вы можете сказать

бел1совыми комплеIСсами - nротеасомам11.
Исходя из знаняй о современных организмах и содержа­

о молекулярной основе несчастности людей из этой семьи?

щихся в них молекулах, можно предположить, что живые

низм , посредством которого единичная нуклеотидная замена в

системы появились в результате эволюции молекул РНК,

гене может привести к наблюдаемой потери участка в мРНК? Об­

которы е могли катализировать свою собстве1111ую репли­

ратите внимание, что удален именно внутренний участок мРНК.

кацию

•

цитоплазматические органеллы, окруженные

-

присоединяют ами1ю1сислоты к соответствующим тРНК.

товом) 1содо11е

•

В. Большая и малая субъединицы отдельных рибосом всегда на­
ходятся вместе и никогда не меняют партнеро в .

тРНК действует как молекула-адаптер для синтеза белка .

клеотидов

•

ВОПРОС7-7

группами по три нуклеотида (кодонами); каждый из ,содо­

.

(Подсказка :

[2]

[1]

Можете ли вы предложить молекулярный меха­

Если предположить , что исчезновение

173

пар оснований

Предполагается, что в ходе эволюции IСлетоIС двойная спи­

удаляет кодирующую последовательность из мРНК посмешина ,

раль ДНК заменила РНК, как более надежная молекул а

чем будут отличаться посмешиновые белки у счастливых и не­

дл я хранения генетической информации, а бетси заменили

счастных людей?)

РНК в качестве основных каталитичес,сих и струIСтурных
компонентов. Тем не менее некоторые важные реа~щии

ВОПРОС7-9

(такие, как образование пептидной связи) по-прежнему

Используйте таблицу генетического кода на рис.

каталязируются РНК ; считается, что они позволяют з а-

определить, какая из следующих последовательностей нуклео­

1·лянуть в древний РНК-м11р .

тидов будет кодировать поли пептидную последовательность ар-

7-24,

Вопросы в конце главы

чтобы

253


ВОПРОС7 - 15

гинин - глицин - аспарагиновая кислота :

1.
2.
3.
4.

Связывание тРНК с аминокислотой может быть представлено

5'-AGA-GGA-GAU-3';
5'-ACA-CCC-ACU-3';
5'-GGG-AAA-UUU-3';
5'-CGG-GGU-GAC-3'.

следующим уравнением :

аминокислота + тРНК +АТФ = аминоацил -тРНК
где РР 1 - пирофосфат (см . рис .

+ АМФ + РР; ,
3-40) . В аминоацил - тРНК амино­

кислота и тРНК связаны высокоэнергетической связью ; б6льшая
часть энергии, получаемой в результате гидролиза АТФ , таким

ВОПРОС7-10

« Связи, которые образуются между антикодоном в молекуле
тРНК и тремя нуклеотидами кодона в мРНК,

_______ ,,

образом , хранится в этой связи и может тратиться на образова­
ние пептидных связей на более поздних этапах синтеза белка .

Объясните, почему каждый из следующих вариантов окончания

Изменение свободной энергии в реакции связывания , показан­

фразы является правильным или неправильным :

ной в приведенном выше уравнении , близко к нулю, и поэтому

а) являются ковалентными связями, образовавшимися в резуль­

оно не может приводить к связыванию аминокислоты с тРНК.

тате гидролиза ГТФ;

Можете ли вы предложить еще один шаг, благодаря которому

б) являются водородными связями , которые образуются , когда

данная реакция может происходить?

тРНК находится в А-сайте ;
в) разрываются по мере транслокации рибосомы вдоль мРНК .

ВОПРОС7-16

А. Средняя молекулярная масса белков в клетке
ВОПРОС

Напишите обычный перевод английских слов

scription, translation.

-

около

30 ООО

дальтон . Однако существует несколько белков, масса которых

7-11

replication, tran-

гораздо больше . Самая длинная из известных полипептидных

Рядом с этим переводом напишите , что зна­

цепей, создающихся клеткой, представляет собой белок , назы­

чит каждый из этих терминов применительно к живой клетке .

ваемый титин (производится мышечными клетками млекопита­

ВОПРОС7-12

тон . Оцените , сколько времени потребуется мышечной клетке

ющих). Этот белок имеет молекулярную массу

3 ООО

ООО даль ­

В одном из инопланетных миров аминокислоты кодируются

на трансляцию мРНК, кодирующей титин (предположим, что

двумя , а не тремя нуклеотидами . Сколько аминокислот можно

средняя

закодировать с помощью такого кода? В другом мире исполь­
важна . Важно только, какие нуклеотиды входят в состав трипле­

120 дальтонам, а скорость трансляции для эукариотических кле­
ток - примерно две аминокислоты в секунду) .
Б . Синтез белка очень точен : на каждые 1О ООО аминокислот, со­

та . Сколько аминокислот можно закодировать с помощью этого

единенных вместе, допускается только одна ошибка . Какая доля

зуется триплетный код, но последовательность нуклеотидов не

молекулярная

масса аминокислоты

равна

примерно

кода? Можно ли ожидать возникновения каких-либо проблем с

молекул белка среднего размера и молекул титина синтезиру­

трансляцией подобных кодов?

ется без ошибок? (Подсказка: вероятность Р получить белок без
ошибок равна : Р

= (1 -

Е)", где Е

-

частота ошибок и п

-

количе ­

ство аминокислот. )

ВОПРОС7 - 13

Одной из замечательных особенностей генетического кода

В . Молекулярная масса всех эукариотических рибосомальных

является то , что аминокислоты с аналогичными химическими

белков в совокупности составляет около

свойствами часто имеют схожие кодоны . Например, кодоны с

но ли синтезировать их в виде одного длинного белка?

U

2,5 х 106 дальтон . Выгод­

или С во второй позиции , как правило, кодируют гидрофобные

Г. Транскрипция происходит со скоростью около

аминокислоты. Можете ли вы предложить возможное объясне­

в секунду. Можно ли вычислить время , необходимое для синтеза

ние этого явления с точки зрения древней эволюции механизмов

мРНК титина, исходя из данных , приведенных в этом вопросе?

30 нуклеотидов

синтеза белка?
ВОПРОС7-17

Какие из перечисленных ниже типов мутаций можно предска­

ВОПРОС7-14

Мутация в ДНК приводит к образованию стоп-кодона

UGA

в

зать , что они нанесут вред организму? Объясните ваши ответы .

середине РНК , кодирующей определенный белок. Вторая му­

А. Добавление (инсерция) одного нуклеотида близко к концу ко ­

тация приводит к изменению одного нуклеотида в тРНК , при

дирующей последовательности.

этом белок начинает транслироваться правильно, т. е . вторая

Б. Удаление (делеция) одного нуклеотида вблизи начала кодиру­

мутация « исправляет» дефект, вызванный первой. Мутантная

ющей последовательности .

тРНК переводит кодон

UGA

как триптофан. Какие изменения

нуклеотидной последовательности , скорее всего, произошли в

В. Удаление (делеция) трех последовательных нуклеотидов из
середины кодирующей последовательности .

мутантной молекуле тРНК? Какие последствия будет иметь на­

Г. Удаление (делеция) четырех последовательных нуклеотидов

личие таких мутантных тРНК для трансляции нормальных генов

из середины кодирующей последовательности .

в этой клетке?

Д. Замена одного нуклеотида на другой в середине кодирующей
последовательности.

254

ГЛАВА 7. От ДНК к белку: как клетки реализуют генетическую информацию


r

', __
ОБЗОР ГЕННОЙ ЭКСПРЕССИИ

анального р азв ития оплодотворе111-1ая яйцеклетка дает

КАК РАБОТАЮТ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

J!ИL~ающихся по структуре и функциям . К прим е ру, ра з ­

ТРАНСКРИПЦИИ

л ичия м ежду н е йроном и лимфоцитом мл е копитающих

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ,

соде ржат одинаковую ДНК ( РИС. 8-1 ). По этой причине ,

НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ

РАЗНЫХ ТИПОВ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ

нач ало большому количеству типо в клеток , р езко раз ­

н астолько велики, что труд но пове рить , •-по обе кл етки
а та кже

потом у,

что кл етки

в з ро сл ого органи з ма р ед ко

те ряют с вои сп е цифическ ие характе ристики , биоло,· и
с нач ала

пр ед полагал и,

что

в

процессе

с п е циали за ции

н е которые ге ны утрачиваются. Од н ако н а сегодняшний

КЛЕТОК

день известно: ПОLIТИ все кл етк и взрослого организма со­

ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЙ

де ржат одии и тот же геиом. Диффере1щировка клеток до­
стигает ся п уте м изм ен е r-1ия э кспр есс ии 1·е нов.

КОНТРОЛЬ

Сотни типов д иффе р е нцированных клеток выпол-

1-,яют с п е цифич ес ки е фу нкции , которые обеспечиваются

дНК организма кодирует все необход имы е для постро­

генами , экс прессиру ющимися (включениыми) только в

ения е го клеток молекул ы РНК и белков. Тем н е менее

клетках данного типа: 1-1а 11рим е р, ~ - кл етки поджелул.оLJ­

пол ное о писани е последовател ьност и нуклеоти дов в ДНК

ной железы с и,-rт ез ируют гормон инсулин,

организма (н еваж но, будут ли это н ескол ько ми лл ио~юв

как а-клетки поджелудочной железы си1-пез~1руют гор ­

u

то время

ную, еотидов , и з которых состоит ге ном бакте рий, или ,-, е­

мон глюкагон; лимфоциты иммунной системы являются

СI<ол ь ко миллиардов н уклеоти дов 1·е ном а челов ч ес кой

ед инств е ~rным типом клеток, проду цирующим аr-питела,

клетки) н е поможет и а м реконструироват ь ttелый орга­

а

ни з м, так же как пол ,-tый список всех англ ий ских слов н е

продуцирующие пер е носящий кислород белок ге могло ­

Мог б ы ттомочъ нам реко н струировать пьесу Ш екс пира .

бин. Р азли чия между ней роном , лимфоцитом, клет кой

Нам н еобход имо поним ать, как сонм спю работают эле­

п ече ни и э ритроцитом за висят от точного контроля ген­

менты последо вательности ДНК или слова в пьесе, чтоб ы

ной экспрессии . Клетки каждого типа испот,зу ют только

воссоздать цело

н е которы е гены из всех соде ржащихся в их геноме.

.

В клеточной биоло гии все зависит от генной экс­
прессии . Даже са мы е про сты е од,-юклеточные бактерии
мо,у,· выб о роч,ю и с пользовать свои гены, наприм е р
вю1ючать и в ыклю ч ать ,·е ны ферментов, н еобход имы х
дJtя п е рева риван ия им ею щи хся пищев ы х р есу рсов. У
многоклеточных растен ий и живот ных ге нная экс пр ес­
сия контролируется е ще более слож н о . В ХО/\е эмбр и -

р аз вивающиеся

э ритроциты

-

ед инств е 1-1~1ы е

клетки,

В этой ,·лаве мы обсудим основные с пособ ы кон­
троля ге нной экс пр есс ии бакте р~1 алы-1ых и эука риоти­
чес ких клеток. Н ек оторы е меха ни з мы р е гуляции и с­

пол ь зу ются в обоих типах кл еток , однако эу кариоты
бла года ря более слож ной организации хромати1-1а могут
регул ировать ге 1-11-1ую экспрессию с гюс обамн , 1-, едосту п ­

ными для бактерий.


ОБЗОР ГЕННОЙ ЭКСПРЕССИИ
Как отдельные клетки определяют, какие из м 1-югих ты­

СЯLI генов н еобход имо экс пр сси ровать? Это решение осо­
бен ,-ю важ110 для м~югоклето lл-1ых организмов, так как по
мере развития в организме появляется множество типов
клеток, таких как мышечны

, н е рвны е,

кровяные и т. п ., и

все они с и ль н о отли ч а ются д руг от д руга. Подобная диф­

ференцировка

(differentiation)

возникает благодаря тому,

что клетк и прои зводят и нака п ливают различны е 1-1 або рь1

РНК и белков, т. е . 0 1-rи э кспрессируют раз ны е гены.

Различные типы клеток многоклеточного организма
содержат одинаковую ДНК

Как обсуждалось в ыш е, клетки способны избирателыю
экс прессировать определенные гены, н е меняя

при этом

нуютеотиднуrо последовательность геномной ДНК Но от­

куда мы это знаем? Если бы ДНК необ ратимо изменялас1,
в процессе разв ития и дифференцирош<и , то хромосомы

дифференцированных клеток н е могли бы направлять

раз вити е целого организма. Чтобы прове рить эту гипоте ­
зу, ядро из клетки кожи взрослой лягу ш ки пе ресаж ив али в

[_J

25

яйцеклетку лягушки, из которой предварительно удаляли

мкм

собственное ядро. В не которых слуl1аях подобная яйце­
клетка нормально р азвивалась в головастика; это до каз ы ­
ва ет, что пе р есаже ~шые ядра клеток кожи не могл и уте­

рять никакие важю,rе последователь ности ДНК ( РИС. 8-2).

Подобные экс перим енты по пересадке ядер ус пе шно про­
водились с использованием ди ффе р енцированны х кл еток
взрослых млекопитающих, таких как овцы, коровы, сви-

1-1ьи, козы и мыши. В cлylrae растений отдельные клетки,
выделенные, наприм е р, из моркови, могут дать пол ноце н­

~юе вз рослое растение. Эти опыты показ ывают, LIТO в спе­

циализированных клетках ДНК несет весь набор и~1струк­

ций, необходимый для формирования целого организма.
Следовательно, клеп<и организма отлиlrаются не п отому,
что в их rе,юм е содержатся различ нь1 е ге 11 ы, а потому, что

нейрон

о ни экс пр есс ируют раз ны е ге 11ы

•

.

Различные типы клеток
синтезируют разные наборы белков

лимфоцит

Нейрон и лимфоцит обладают одинаковым геномом.

Различ ия в генной экс пресси и у разл ичных типов клеток

Длинные отростки нейрона сетчатки позволяют ему получать элек ­

можно прим е рно оце нить по белковому составу клеток

тричес к ие сигналы от многих клеток и передавать их дру г им . Лим ­

пе чени, сердца, моз 1·а и т. д., используя метод двуме рно ­

РИС.

8-1 .

фоцит

-

белая клетка крови , уча ст вующая в иммунном ответе на по ­

падание инфекции (н а рисована в масш табе ) ,

-

свободно передвига­

го эле ктрофореза в геле ( см. вкладку

4-6,

с.

163).

Эт и экс­

пе рим енты доказывают, что м1-ю1·ие белки присутствуют

ется по организму. Эти клетки мле к опитающих содержат одинаковый

во всех типах клеток мно1·0 1(Jl ето чны х о рганизмов. Такие

Boycott
in Essays оп the Nervous System [R. Bellairs and E.G. Gray, eds.] . Oxford,
U.K.: Clarendon Press, 1974. С разрешения Oxford University Press.)

белки называются белками домаитеzо хозяйства (housekeepiпg pгote in s ); к ним относятся хромосомные белки,

геном , но они экспрессируют разные РНК и белки. (И з: В.В.

РНК- палим разы , ферменты, участву ющие в реп арации

ДНК, рибосомалы,ые белки, фе рм енты 1·ликолиза и д ру­
гих базовых метаболических п утей, а также многие белки
ци тоскелета. Кажд ый с п ециализи рованный тип клеток

также производит сп е цифичные для данного т ип а белки,
ответственные за отличительные свойства эт и х клеток

Например, у млекопитато1ци х гемоглобин синтези руется

256

ГЛАВА 8. Регуляция генной экспрессии

1


(А)

~ ядро в пипетке

_

клетки кожи

"'

в кулыуральной

С)

CJ----• ~

,аш<е \!/

взрослая
лягушка

неоплодотворенная

яйцеклетка

/ядро клетки

о

-

кожи переносят

головастик

нормальный

эмбрион

в яйцеклетку

ядро яйцеклетки

уничтожают УФ-светом

(Б)

срез

масса

отдельные

отдельная организованный

ранний

молодое

моркови

делящихся

клетки в

клетка

эмбрион

растение

клеток

жидкой

клон делящихся

морковь

клеток

питательной
среде

(В)

теленок

неоплодотворенная
яйцеклетка

мейотическое
веретено
удаляют

РИС.

8-2 .

Геном дифференцированных клеток содержит все генетические инструкции, необ­

ходимые для управления развитием целого организма. (А) Ядро из клетки кожи взрослой лягушки

переносят в яйцеклетку, из которой предварительно удалили собственное ядро, после чего яйцеклетка

развивается в нормального головастика . Прерывистая стрелка показывает, что для того , чтобы дать
переса женному геному время для подгонки к эмбриональному окружению , необходима еще одна пе­
ресадка ядер : одно из ядер клеток начавшего развиваться раннего эмбриона пересаживается в еще
одну яйцеклетку с удаленным ядром , и уже из этой яйцеклетки развивается головастик . (С разрешения

Estate of Bunji Tagawa

из :

J.B. Gurdon, Sci. Ат . 219(6): 24- 35, 1968.) (Б)

У многих растений дифферен­

цированные клетки сох раняют способность к «дедифференцировке » , т. е . из потомков (клона) одной
клетки взрослого растения может развиться целое растение . (В) Дифференцированную клетку взрос ­

лой коровы сливают с безъядерной яйцеклеткой другой коровы , и из нее развивается теленок . Теля­
та , полученные с помощью клето к одной и той же коровы , являются клонами , так как они генетически
идентичны друг другу.

Обзор генной экспрессии

257


ретикулоцитами (клетками , из которых впоследствии об­

Клетки других типов по -разному р еагиру ют на rлю­

разуются эритроциты), но не обнаруживается ~,и в каких

кокортикостероиды. В клетках жировой ткан.и, напри ­
мер, падает уровень синтеза аминотрансферазы, а кл етки

других типах клеток.

Многие белки синтезируются клеткой в таких неболь­

некоторых других типов вообще не реаг ируют на глюко­

ших количествах, что их нел1,зя обнаружить с помощью

корти костероиды. Эти примеры иллюстрируют главную

гель-электрофореза. Для обнаружения подобных редких

особенность клетоLit!ОЙ специализации: различны

белков можно использовать более чувствитею,~1ый метод,

клеток часто по-разному отвеLiают на одни и те же вн екле­

называющийся масс-спектроскопией (см. рис.

ТОLiиые сигналы . В основе этоrо лежит различный паттерн

4-45).

Этот метод также позволяет узнать о ковалентных

типы

генной экспрессии, который определяет отлиlrительные

модификациях белков (например, фосфорилировании).

свойства каждого типа клеток.

Можно изучать генную экспрессию путем исследования

не самих белков, а мРНК, которые кодируют различ 1-1 ые

Экспрессия генов может регулироваться
на разных этапах пути от ДНК через РНК к белку

белки. Анализ примерного количества различных после­
довательностей мРНК в человеlrеских клетках указывает
на то, что в каждый момент времени типичная дифферен­

Если различия между типами клеток организ ма зависят от

цированная клетка человека экспрессирует

генов, которые клетка экспрессирует, то на каком уровне

генов из возможных

5000- 15

ООО

ООО. Именно экспрессия различ­

происходит контроль генной экспрессии? Как видно из

ных наборов генов в клетке каждого типа приводит к вари­

предыдущей главы, на пути от ДНК к белку много этапов,

25

ациям размера, формы, поведения и функций дифферен­

и регуляция может происходить на любом из них. Клетка

цированных клеток.

способна регулировать синтез собственных белков с помо­
щыо:

Клетка может изменять экспрессию

(3)

своих генов в ответ на внешние сигналы

контроля того, когда и как Liacтo транскрибиру­

(1)

ется ген,

(2) процессинга

и сплайсинга РНК-транскриrтта,

избирательного пропускания мРНК из ядра в цито­

золь,

(4) избирательной деградации некоторых молекул
(5) избирательной трансляции мРНК рибосомами,
(6) избиратет,ной активации или инактивации уже

мРНК,

Большинство специализированных клеток многоклеточ­

ного организма способно изменять паттерн экспрессии

или

генов в ответ на сигналы извне. Например, если на клетки

готовых белков [важную роль играет и скорость деграда­

rтеlrени подействует rлюкокортикоидный гормон ( один из

ции белков.

-

Прим. ред.] ( РИС. 8-3) .

Экспрессия генов может регулироваться на любом из

стероидных гормонов), уровень синтеза нескольких спец­

ифических белков в этих клетках резко возрастет. Глюко­

этих этапов, и в этой главе мы обсудим некоторые клю­

кортикоиды выделяются организмом во время голодания

чевые TOLIKИ контроля на пути от ДНК к белку. Для боль­

или интенсивных у пражнений и сигнализируют клеткам

шинства генов, однако , основным является контроль на

печени о необходимости усилить синтез глюкозы из ами-

уровне транскрипции (этап

1юкислот и других малых молекул. В число белков, синтез

как только транскрипционный контроль позволяет обой­

1 на рис. 8-3). Это

важно, так

которых вызывается глюкокортикоидами, входят фермен­

тись без синтеза лишних промежуточных веществ (ин­

ты, подобные тирозинаминотрансферазе, которая помога­

термедиатов). Поэтому первой мы рассмотрим именно

ет превратить тирозин в глюкозу. Когда действие гормона

регуляцию транскрипции, а также белки и компоненты

прекращается, уровень синтеза этих белков возвращается

ДНК, определяющие то, какие 1·е ны будут транскрибиро­

к норме.

ваться в РНК

неактивная мРНК
контроль

деградации

4

мРНК

2

3

контроль

РНК

контроль

транскрипции

транскрипт

транспорта
и

контроль

контроль

трансляции

локализации

РНК

РИС.

8-3.

Экспрессия эукариотических генов может контролироваться на разных уровнях. Из­

вестн ы примеры регуляции на каждом из уровней , хотя для большинства генов основной является ре­
гуляция на уровне

258

1: транскри пц ии последовательности ДН К в РН К.

ГЛАВА 8. Регуляция генной экспрессии


КАК РАБОТАЮТ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

ТРАНСКРИПЦИИ
Всего

50

✓

ffj~

лет назад идея о том, что гены можно включать

,с-$!

о"'

и выюпочать, казалась революцио н ной. Принятие этой

1о

конце пции бы ло большим шагом вперед, и из начально
она появилась при изуче 1-1 и и п риспособления бактерии Е.

coli

С Нз

потрясающая сложность генной регуляции у высших ор­

ганизмов и упаковка их ДНК в хроматин создают опре­

о

деленные п роблемы и вместе с тем дают новы е возмож­

-

1

н-МN-HI
I
I
N~7
~
N-{
rN

к изменениям в составе питателыюй среды. М н огие

п охожие при н ципы п рименим ы и к эукариотам. Од н ако

ности для контроля

О IIIIIIH - N

в чем мы впоследствии убедимся.

Начнем с обсуждения регулшпоров транскрипции: бел­

н

/

!'--мала,~•

ков, которые ко нтролируют экспрессию генов на уровне
транскрипции.

внеш н яя гра н ица сахара-фосфатного

остова на н а ружной стороне дво й но й спирали

Транскрипцию контролируют белки, связывающиеся
с регуляторными последовательностями ДНК

РИС.

8-4.

Регулятор транскрипции связывается с большой бо­

роздкой ДНК. П о каз а н толь ко один контакт между бел ком и одн ой па­

Контроль т ранскрипции обычно осуществляется на этапе

ро й азоти сты х основани й ДН К. Об ычно м ежду бел ком и Д Н К образуется

инициации этого п роцесса. В гл.

10- 20 так и х

7

было рассказан о , L!ТО

п ромотор ге~~а стимулирует присоединение к
полимеразы и помогает ей ориентироваться

re rfy
в

РНК­

конта ктов , в каждом и з ни х уча ствуют раз ны е а мино к исло­

ты , и кажды й уси ливает с вя з ь м ежду ДНК и бел ком .

направ­

лении, необходимом для начала транскрипции мРНК.

Промоторы бактериальных и эукариотических генов со­

соответственно регулирует определе н ную группу генов.

держат сайт инициации, с 1<оторого в действитель н ости

У людей известно гораздо бол ьше (несколько тысяч)

наqинается

при­

р егуляторов тр анск р ипции, что указывает н а важ н ость

иуклеотидов, которая иаходится выше сайта

этой формы регуляции экспресс ии для возникновен ия

мерн о из

50

инициации

транск р ипция,

( если

и

п оследовательность

сравнить нап равление транскри пц ии с

теqением реки). Этот участок содержит сайты, необходи­

сложного организма.

Белки

узнают специфическую

последовательность

мые для присоедииения РНК- полимеразы к ттромотору.

ДНК благодаря тому, что п оверхность белка хо рошо по­

Практически у всех генов, как бактериальных, так и эука­

догнан а к nоверхlюсти двой ной спирали ДНК с соответ­

риотических, кроме промотора имеются и другие регуля­

ствующей последователь ностью. Свойства пове рхности

торные последовательности ДНК, которые используются

двойной спи рали зависят от ее нуклеотидн ого состава;

для вклюqения и выключения этих генов.

таким образом, разные белки будут узнавать разные п о ­

Некоторые регуляторные последовательности
всем короткие (около

10

со­

следовательности нуклеотидов . В большинстве случаев

пар иуклеотидов) и работают

белок связывается с большой бороздкой спи рали ДНК
(см.рис . 5-7) и образует серию молекулярных контактов с

как простые генные переключатели, отвечающие на один
сигнал. Такие п ростые переключатели характерны в ос­

парами азотистых ос нований. Белок об разует водородн ые

новном для бактерий. Другие регуляторные последова­

связи, иониые связи и связи на основе гидрофобных вза­

тельности, чаще эукариотические, очен ь длинные (ино­

имодействий с к раями осн ований. При этом водо родны е

гда больше 1О О О О нуклеотидных пар) и работают как мо­

связи, которые держат п ары оснований вместе, обычн о не

ле1<уля рные микропроцессоры: объединяя инфор мацию

раз рушаются ( РИС. 8-4). Хотя каждый отдел ,,н ый контакт

от мн огих сигналов, они создают для гена ~ программу»,
определяющую как часто будет происходить инициация

довольно слабый, обычно на границе ДНК-белок об разу ­

транскр ипции.

вавшаяся связь получается и высокосп ециф ичной, и очен ь

ется примерно

20 таких

контактов, благодаря чему об разо­

Регуляторные последовательности работают не сами

проч и ой . Действительно, связь между ДНК и белком яв­

no себе. Для получ.ения эффекта эти последовательности

ляется одним из самых крепких и наиболее сп ецифич ных

должн ы быть узнаны белками, называющимися регу ­
ляторами транскрипции , кото р ые связываются с ДНК.

молекулярных взаимодействий, известных в биологии.

Хотя конкретн ые детали каждого примера узнавания

Именно совокупность последовательности ДНК и свя­

белком ДНК уникальны, мно гие белки, ответственные

зан ных с ней молекул белка работает как переключатель,

за регуляцию генов, узнают ДНК с помощью одного из не­

необходимый для контроля транскрипции. В геноме про­

скольких структурных мотивов. О ни встраиваются в боль­

стейшей бактерии закодирован о несколько сотен белков­
реrуляторов транскрипции, каждый из которых узнает
оnределенную последовательность нуклеотидов в ДНК и

шую бороздку двойной спи рали ДН К и об разуют связи
с короткой последовательностью пар азотистых основа­

ний. Типы ДНК-связывающих мотивов, показанные на

Как работают п е р еключатели тран с крипции

259


РИС .

8-5, -

rомеодомен, <1 11ин ковый п ал е ц,>, «лейциновая

застежка-молния ,>,

-

об наруживаются в соста ве ре гуля­

то ров транск ри1щии, которые

контролируют э кспр есс ию

т ысяч разл ичны х ге 1-юв практич ески в сех эукари от ич

ск и х

11JЮщад 1, п оверхн ости контакта с ДНК; llpи это м увсл ичи ­
ва тся с и ла и с п е цифичность вэаимо11ействия между ДНК

и белком . Поскол ь ку два раз ны х белка могут дим ризовать­
ся раз ными с п особам и , благодаря дим е ри зации для уз 11 ава-

организмов. Часто белки с вяз ываются со с пиралью Д НК

11ия бол ьшого колич ества разлиLf 11ых гюслсдователъ 1 юсте й

п а ра ми (в виде ди м еров ) . При д им ери зац ии удваивается

Д НК достато чJю оrрани ч е шюго колич ества белков.
Переключатели транскрипции позволяют клеткам
отвечать на изменения в окружающей среде

пара

оснований сахара-фосфатный

Наиболее простые и лучше всего и зу,1е1111ы е вари а нты ген­

ной регуля ции обнаружены у бакте рий и вирусов , которы е
и х инфициру ют. Ген ом бактер ии Е.

coli состоит из одной
колr, цевой моле кул ы ДНК дл иной прим е рно 4,6 х 106 ~1у­
клеотид ных п ар. Эта ДНК кодирует прим ерно

4300

бел­

ков, хотя в каждый момент време ни в клетке с интези рует­
ся только часть из них . Бакте рии регул ируют экс пр есси ю
м1-ю1·их сво~гх генов в за висимо сти от того , какие источники

пищи име ются в среде. Наприм ер, у Е.

coli есть

пять генов,

кодирующих ферме нты для производства ами нокислоты
триптофана. Эти ген ы н а хромосоме организованы в кластер

и транскри бируются с одного промото ра как одна длинная
молекула мРНК, с которой затем транслируются пять бел­

L_____J

ков ( РИС.

ДНК

8-6). Если триптофан имеется в с р еде и п осту п ает

в бактериальну ю клетку, эти ферменты больше н е нужн ы , и
их синтез пр еI< ращается. Такая с итуация воз 1-rиI<ает, на при ­

м ер, когда бактерия н аходится в кишечнике мл екопитаю­

щего, только что съев шего богатую белком пищу. Эти пяп,
генов,

экс прессирующиеся

координировано ,

составлшот

оперон - группу ге 1-юв, которая транскрибируется как одн а

молекула РНК. Оп е роны об ычны для бактерий, но

~re обна­

ружены у эу1<ариот, у которы х все гены транскрибируются
и регули руются по отдельности ( см. рис.

7-36).

Сейчас мы достаточно хорошо понимаем, как работает
триптофановый оперо ~1. Его промотор содер жит корот­

кую лоследователъность ДНК (длиной
РИС.

8-5 .

Регуляторы транскрипции содержат множество раз­

личных ДНК-связывающих мотивов. (А и Б) Гомеодомен

-

струк­

турный мотив, обнаруживающийся во многих эукариотических ДНК­
связывающих белках (А

-

вид спереди, Б

-

вид сбоку) ( ВИДЕО

15

нуюrеотидов) ,

которая распоз нается регулятором тра н ск рипции. Когда
р егулято р связывается с этой rюследовательиостыо, наз ы ­

ваемой оператор , он блок ирует досту п РНК-пол им е разы

8.1 ).

к пр омотору; при это м транскрипция о п е рона и, следова­

Содержит три последовательно связанные а- спирали (обозначены

телыю, пр оиз водство ферм ен тов для синтеза триптофана

цилиндрами) . Б6льшую часть контактов с азотистыми основаниями

ДНК образует спираль

3 (на

Б видна с торца) . Аспарагин

(Asn), на х о ­

прекращаются . Данный р егулятор тра1-1скриттции наз ы ­
вается триптофановый ре пр ессо р , и он контролируется

дящийся в этой спирали , связывается с аденином так , как изобра же­
но на рис .

8-4. (В)

Мотив «цинковый палец»

-

структура , состоящая

из а-с пирали и ~-слоя (последний обозначен изогнутой стрелкой),
которая стабилизирована атомом цинка (обозначен цветной сферой) .

« Цинковые пальцы » часто ковалентно связаны в кластеры так , чтобы

ВОПРОСВ - 1

А Бактериальные клетки могут получать аминокислоту трип­

~ тофан (Тгр) из среды, а при недостатке триптофана в среде

8

синтезировать его самостоятельно из других малых моле­

каждая из а- спиралей могла контактировать с большой бороздкой ДНК

кул . Тгр-репрессор

( ВИДЕО

транскрипцию генов, ответственных за производство ферментов ,

8.2 ). На рисунке показан

кластер из трех « цин ковых пальцев ».

-

регулятор транскрипции, который выключает

8-7).

(Г) Мотив «лейциновая застежка-молния». Этот ДНК -с вязывающий

необходимых для синтеза триптофана (см . рис .

мотив состоит из двух а- спиралей, каждая из которых принадлежит к

А. Что случится с регуляцией триптофанового оперона в клетках ,

отдельной молекуле белка . Друг с другом а-с пирали связываются по ­

экспрессирующих мутантный Тгр-репрессор, который:

добно застежке-молнии , и образуется димерный белок , который захва­

связываться с ДНК,

тывает двойную спираль ДНК наподобие прищепки ( ВИДЕО 8.3).
Каждый из этих мотивов образует множество связей с ДНК. Для
простоты , на рисунке Б показаны только водородные связи , а на рисун ­

ках В и Г вообще не показаны отдельные связи между ДНК и белком .

260

ГЛАВА 8. Регуляция генной экспрессии

(1) не может
(2) не может связывать триптофан, (3) связыва­

ется с ДНК даже в отсутствие триптофана?

Б . Что произойдет в случаях

(1), (2), (3),

если клетки , кроме того,

экспрессируют нормальный Тгр-репрессор со второго , нормально ­

го гена?


промотор

Е

о

с

в

приводит к тонким п е р естройкам в е го трехмерной струк ­

А

хромосома

Е.

i

оператор

~

•

•

..

coli

о п е ратором . Когда конце 1прация свобод1-юrо триптофа­

молекула

м РНК

~

....

туре , при это м белок полу чает с пособно сть с вя з ыват ься с
н а в клетке падает, р епрессо р те ря.ет триптофаt1 и больше
н е может свя з ыв аться с ДНК; при э том начинает транс­

крибироваться тригrтофановый оперон. Таким образом,

•

ре прессор предста вля ет собой про стое устройство , вклю­

фер м енты для синтеза тр ип тофана

чающее и вы 1ш ючающее прод ук цию rруплы ф е рм е нтов

биос интеза в зав и с имости от н ал ичия кон ечного проду к­
РИС.

8-6. Кластер бактериальных генов транскрибируется с одно­

го nромотора . Эти п ять генов коди руют п ять разных бел ков, необходи­

та м етабол ич еского пути, эта пы которого катализируют
эт и фе рменты.

мых для с и нтеза ами н окисл оты триптофана . В се пять генов транскриби­

Бактерия может очень быстро отвечать на повыш е ние

руются как одн а мол екул а м РН К , что п озволя ет коорди н и р овать их экс­

коtще нтрации триптофан а, поскол ьку тригrтофановый бе­

п рессию . П одоб н ые генные кл астеры , транскрибирующиеся как одн а

лок- ре прессо р сам по себе всегда при сутствует в клетке.
Ге н, который его кодирует, постоянно траискрибируется

молекула м РН К , обыч н ы дл я бактерий . Оди н такой кластер н азываетс я
оперон (ореrоп) . Экс п рессия три птофанового о п еро н а , изображенного

на низко м уровне, так что все время производится неболь ­

на рисунке, контрол ируется регуляторной п оследовател ьностью ДН К,

шое количество репрессора. Такая не регул ируемая. генная.

котора я н аз ы вается оператор

экс прессия называется конститутивной (постоянной) .

(operator)

и находится в н утри п ромото ра

этого оперона .

Репрессоры выключают гены, а активаторы включают
очень изобретателы-ю: репрессор может связаться с ДНК,

Триптофаиовый репрессор , как понятно из н азвания., я.вля­

тол ько есл и с ним связа но н ескол ько молекул аминокис­

ется белком -репрессором: в активной форме он вьпшrочает

лоты триптофана ( РИС .

8- 7).

гены , или репресс ирует их (подавляет их э кспресси ю) . Н е­

Триптофановый ре прессор явля.ется

ск им бел1<0м

( см.

рис.

4-37):

аллосте риче­

которые баюериал1,ные ре гуляторы транскрипции делают

связывание с триптофаном

противополож ное: они включают, или активируют, гены.

промотор

н ачало тр а нс к рипции

г--

- 60

L__J

низкая

высокая

концентрация

триптофана

триптофана

.

i

триптофан

ГЕНЫ ВКЛЮЧЕНЫ

8-7.

+1

концентрация

•"""""ый р:;::::,мера,а

РИС .

- 10

о п ер а тор

'

&-- активный репрессор

ГЕНЫ ВЫКЛЮЧЕНЫ

Белки-репрессоры могут включать и выключать гены. Есл и ко н це нтра ци я т р иптофана

в клетке ни зкая, РН К-пол имераза (голубая) с вяз ы вается с пр о мото ром и транск р ибирует п я ть ге но в
оперона триптофана (слева). Н о когда концентрация тр и птофана в ысокая , белок- ре прессор (темно ­

зеленый) активируется и связ ы вается с о п ерато ром (св етло-зеленый), таким об разо м бл о ки руя свя з ь
РН К-полимеразы с промотором (справа) . Есл и конце н трация т р и птофа н а п о н ижаетс я , ре пр ессор те ­
ряет с в язанный с ним триптофан и отсоединяется от ДН К, п ри это м п ол имераза сн о в а получает воз­

можность транскрибировать оперон. Оператор соде ржит два важных уч астка п осл едовател ьности
Д НК , находящихся в позициях
оперон п оказан н а рис .

- 10

и

-35

нуклеотидов , в ыделе н н ы х желтым (см. рис .

7- 10). Целиком

8-6.

Как работают переключатели транскрипции

261


РНК- полимераза

11АМФ, это з н ак бакте риям , что в среде больше нет глюко­

/

зы

-

пред почита моrо ими и сточ ника углерода;

n результате

САР запускает производство фе рм е 1-поn , н еобходимых для
разложения других

!
!

сайт связывания
белка - активатора

5'

мРНК

caxapon.

Акти ватор и репрессор контроли руют Lас-оперон

З'

Часто акт ивность одного лромотора контролируется дву мя
разл ичными регуляторами тра нс крипции . Наприме р, Lас­

белок

оперон у Е.

coli

контрол ируется сразу и Lас- репрессо ром , и

Генную экспрес с ию могут контролировать белки-акти­

белком-активатором САР. Lас-о п ерон кодирует белки, н е­

ваторы. Белок-активатор связывается с регуляторной последователь­

обходимые для погло ще ни я и п ерева ривания дисахарида

РИС.

8-8.

ностью ДНК и затем взаимодействует с РНК-полимеразой , помогая

лактоз ы. В отсутствие гл юкоз ы САР включает гены, кото­

ей инициировать транскрипцию . Без активатора промотор не может

ры е позволяют клетке использовать альтернативные источ­

эффективно инициировать транскрипцию. У бактерий связывание бел­

ники углерода, в частности лактозу. Од н ако при отсутствии

ка-активатора с ДНК часто контролируется путем взаимодействия акти­

в ср еде лактозы индуцировать экспрессию Lас-опе ро н а

ватора с какими-либо метаболитами или другими малыми молекулами

было бы бесполезно. Поэтому в отсутствие лактозы Lас­

(красный треугольник) . Например, бактериальный белок-активатор ге•

ре прессор подавляет экс пресси ю опе рона. Подобный ме­

нов катаболизма (САР) должен связаться с циклическим АМФ (цАМФ) ,

хат-rизм позволяет регуляторному уlrастку Lас-оп ерона ин­

чтобы соединиться с ДНК . Таким способом САР включает определенные

тегрировать два различиых сигна.тrа. При этом оперон экс­

прессируется , только когда соблтоде 1-rы два условия: в среде

гены в ответ на повышение внутриклеточной концентрации цАМФ .

есть лактоза и ~rет глюкозы ( РИС. 8-9) . Таким образом, этот

Подоб ны е белки-активаторы

сайт

работают с промоторами ,

сайт

которые в отличие от промотора триптофанового оперона

связывания

связывания РНК-

САР

сам и по себе почти не способ ны связывать и ориентировать

сайт начала транскрипции
1

полимеразы

РНК-полиме разу ; например они могут плохо узнаваться
L___J

гrолиме разой. Однако эти плохо функционирующи е про­

оператор

моторы могут быть <<улучш еН_Ы >,) с помощью белков-акти­

- 80

1

- 40

LacZ

ген

40

80

ДНК и контактируют с РНК-п олимеразой, помогая ей на­

+ ГЛЮКОЗА

чать транскрипцию ( РИС . 8-8) . В н екото ры х слу чаях бак­

+ЛАКТОЗА

те риа.тп,11 ые

р е гуляторы

транскрипцию

с

одного

тран ск рипции

промотора

и

могут

ОПЕРОН
ВЫКЛЮЧЕН
САР не связан
с промотором

подавлять

активировать

-

с

друrоео; это зависит главным образом от того, где име нно

- репрессор

+ ГЛЮКОЗА

Как и триптофановому ре прессору, белкам-актива­
торам часто необход имо связаться с другой мол е кулой ,

Lас-репрессор

САР

- репрессор

- ГЛЮКОЗА ►-

cataboli te

связан с
оператором

ОПЕРОН
ВЫКЛЮЧЕН

- ЛАКТОЗА

Lac-penpeccop

....

РНК-полимераза

чтоб ы лрисоедю1яться к ДНК Наприме р , бакте риаль ны й

белок-активатор САР (от англ.

ОПЕРОН
ВЫКЛЮЧЕН

- ЛАКТОЗА

отно сительно nромотора находится регуляторн ая по следо­

вательность, с которой связывается р егулятор.

пары
нуклеотидов

ваторов. Последние связываются с близлежащим участком

/

activatoг pгote in)

должен связаться с циклическим АМФ (цАМФ) перед тем,

связан с
оператором

ОПЕРОН
ВКЛЮЧЕН

как связьшаться с ДНК Гены, активируем ые САР, вкточа­
РНК

ются в ответ на повышение внутрию1еточной концентрации
РИС.

ВОПРОС8 - 2

А Объясните, как ДНК-связывающие белки могут специфиче­

rl' ски связываться с определенной нуклеотидной последова-

8

тельностью в двухцепочечной молекуле ДНК, не разрушая

водородные связи, которые удерживают вместе нуклеотидные ос­

нования . Укажите, как белки могут отличить Т-А пару от
Ответ дайте в форме рисунка (как на рис .

связей

-

вкладку

8-4) и укажите ,

C-G

пары.

какие типы

водородные, электростатические или гидрофобные (см .

2-7,

с.

82- 83) -

образуются. Не обязательно изображать

8-9.

Л актоэ н ый

(Lac)

оперон контролируется двумя сигна­

лам и. Инициация транскрипции Lас- оперона контролируется концен­
трациями глюкозы и лактозы через Lас - репрессор и САР . Когда лакто зы
в среде нет,

Lac-penpeccop

связывается с Lа с- опероном и выключает

экспрессию оперона . Добавление ла ктоз ы увеличивает концентрацию
внутри клетки производного лактозы , аллолактозы . Аллола ктоза связы­

вается с Lас - репрессором , вызывая в нем конформационные измене­
ния , в результате которых репрессор отсоединяется от ДНК оператора

(не по каза но) . Когда в среде нет гл юкоз ы , клетка произ водит цАМФ

определенную аминокислоту. Структуры всех пар нуклеотидов в

(красный треугольник) , и САР связывается с ДНК .

ДНК показаны на рис .

рона , кодирует фермент ~-галактозидазу, котор ый расщепляет ла ктозу

5-6.

на галактозу и глюкозу.

262

ГЛА ВА 8. Регуляция генной экспрессии

Lacl,

п ер вый ген опе ­


э укариоти ч еский

г нетич еский программ ны й цикл ведет себя как переклю­
ч атель, который осу1.цестоляет лоп,rческую опера цию в ком­
пыотер е. Когда ест 1, лактоза и нет глюкозы, клетка запуска­
ет подх одящую программу: в данном случае тра 1-1 ск ригщию
генов, п озволяющих пе р ева ри вать лактозу.

---

бело к-актив ато р

---■--­
L__J

э н ха нс ер

(сайт с вя з ыва ния

бел ка-акти ватора )

50

ФАКТОРОВ ТРАНСКРИПЦИИ,

лет н азад. Молекулярные ос­

МЕДИАТОРА И

РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ

новы переюпочател я были открыты с помощью комбина­

ци и методов генетики и биохи мии , и это был п ервый слу­
'iай проникновения в тайну контроля генной экспр ессии .

В эукариотич еской клетке сочетание нескольких подоб ных
<< устрой ств~ для ге нной р егуля ции приводит к созданию

еще более сложных программ . Действительно, программу
разв и тия оплодотворенной яйцеклетки во вз росл ый орга ­

низ м можно рассматривать как О':!ень сложный ц икл, со­

ставленный из простых компоне~-пов, подобных системе

н ач а ло
тра н с к рипции

СВЯЗЫВАНИЕ ОСНОВНЫХ

Элега1-1тная логика Lас-о перона вп ервые привлекла

внимание уч еных более

ТАТА бо кс

белок-активатор

/

1

'

РНК-полимераза

регуля ции Lас -оперона и триптофанового оперона.

11

НАЧИНАЕТСЯ ТРАНСКРИПЦИЯ

У эукариот участки, необходимые для регуляции
транскрипции определенных генов, могут находиться

на большом расстоянии от этих генов

регулирующие активацию опреде­

РН К -п оли м ераз ы и ос н о вных факто ро в тра н ск р и пции ( см . р ис.

7- 12)

к

-

и активато ры , и

пр омото ру. ДН К об разует п етл ю , которая обес п е ч и вает ко нтакт м ежду

к которым

присоединяются

бел ком-активато ро м , с вя за н н ы м с э н ха н се ром, и тра н скр ипционным

пользуют р е гулято ры транскрипции

Сайты ДНК,

8-1 О . У эукариот участки,

генов. Бело к-акти вато р , с вя за н н ы й с ДН К, сти мули рует п рисоеди н е н ие

Для регуля ции экспрессии генов эукариоты тоже ис­
репр ессо ры .

РИС.

ленных генов, могут находиться на большом расстоянии от этих

а1пиваторы эукариотич еских ге нов, б ыл и t1 аз ваны эи­

ко мпл ексом , св я за нны м с п р омото ром . В случ ае, изоб раже н но м н а р и ­

хаисерам.u

усил ивать ) , т. к.

с ун ке, больш ой белко в ый компл екс , наз ываем ы й медиатором , служит

и х присутствие р езко повыша ет скорость транскрипции .

по с редни ком. Пре ры в и стая линия оз н ач ает, что рассто ян ие от э нхансе ­

Для биологов явилось сюрпри зо м открытие, сделанное в
1979 г.: белки-активаторы могут уси ливать тра нс крипцию

десят ко в ты ся ч ну клеотидны х п а р .

(enchancer,

от шал.

enhance -

ра до сайта н а ч ал а тр анск рипции может вар ьировать, и н огда достигая

гена, даже если о ни присо ед ин е ны на р асстоянии тысяч

нуклеотид11 ых пар от его промотора . Также они работают
вне зависимости от того , с какой сто роны от ген а находят­

сборку комплекса инициации транскрипции: они могут

ся регуляторны е последовательности . Эти наблюдения

стимул ировать направленную доставку к промотору бел ­

вызвали некоторы е волрос ы . Как энхаи се р и связанный с

ков , которые изменяют структуру хроматина и таким об­

ним белок действуют на ген с такого далекого расстояния?

разо м

Как они связываются с промотором?

факторов транскрипции и РНК-поли ме разы . Этот меха-

Было предл ожено МJЮГО моделей .~действин на рассто ­

влия ют

на доступность

промотора для основных

1-1изм рас с мотр е н ниже .

янии,>, ~ю для бол ыпинства случаев подходят простейшие

из 1-~их. ДНК между эюсан сером и промотором изгибается
так, LJтоб ы эукариотический белок-активатор мог напря­
мую влиять н а события , происходящие в районе промотора

Упаковка ДНК в нуклеосомы
влияет на инициацию транскрипции

( РИС. 8-10) . ДНК играет роль привязи, лоз воляя белку, свя­

ДНК эукариот упакована в хромосомы, и при инициации

за нному с э нхансером н а расстояиии т ысяч нуклеотидных

транскрипции клеткам приходится брать это в расчет.

пар от гена, взаимодействовать с белками вблизи от про­

В гл.

Мотора, вюr ючая РНК- гrол имеразу

и основные факто ры

тических клеток упакован в нукл еосо мы , которы е , в свою

II

5

говорилось, что геиетич еск ий материал эу карио­

Часто для связи ре 1--улятора

очередь, сворачиваются в структу ры более высокого по­

транскритщии с белками на промоторе используются до­

рядка. Как регуляторы транскрипции, основ н ые факто­

полнител1,н ые белки: наиболее важный из них

ры транскрипции и РНК- полимераза получают доступ

комплекс, называющийся .медиатор

- белковый
aul!l. mediator -

к плотно упакованиой ДНК? Нукл еосомы могут инги­

Посредних) ( см . рис. 8-10). Одю1 из способов дейст вия
эу кариотич еских белков-активаторов - помощ,, в сборке

бировать иници ацию транскрипции , если они находятся

комплекса и з основных факторов транскрипции и РНК­

кируют сборку основных факторов транскрипции или

nолим еразы на промоторе. Эука риотическ ие белки-репрес­
со ры делают п ротивопол ожное: ослабляют транскрипцию,
не давая собраться этому белковому комплексу.

ДНК в хромосомы возникла в процессе эволюции именно

транскрипции ( см . рис.

7-12).

(от

Существует е ще один механизм дейст вия эука рио­
тических рс 1·уляторов тра~-1с1<рипции кроме влияния на

на промоторе, ве роятно, потому что оии физически бло ­
РНК-полиме разы

на

лромоторе.

Возможно,

упаковка

для того, чтобы предотвращатr, <<Проте чку>> генетической
экс пр есси и

-

инициацию транскрипции

при отсутствии

1-rуж1-1 1,1 х дJIЯ нее белков-активаторов.

Как работают переключатели транскрипции

263


ВОПРОСВ-3

к некото рым л из ин ам в хвосте гистоновых белков. Эта

А Н екоторые ре гуляторы тра нскрипци и связываются с ДН К и

мод ифика ция м е ня ет ст р уктуру хро матина , воз м ож но ,

rl' заставляют двой ную сп и раль из гибаться под остры м углом .

увеличивая доступно сть ДНК; кроме того, ацетильные

Подобны е « и згиба ющие бел ки » могут стимулировать транс­

гру ппы сами по себе узн аются белками, спо собствую щи ­

к рипцию, не к онтактируя ни с РНК - полим е р азо й, н и с осн овн ы ми

ми тр анскрипции , в ч астно с ти н екото рыми из ос н овных

8

ф акторами т ра н с к рипци и, ни с друг и ми ее р е гуля то ра ми . Можете

ли вы предлож ит ь пр а вдоп одо б ное объя с н е ни е то го , каким о б р а­
зом эт и бел ки р е гулируют тран ск рипци ю ? Н а ри суй те ди а гра мму,

котор ая иллю стрирует в а ш е объя с нени е.

ф акторов тр ан ск рипции.

Бел ки - репр ессоры тоже могут модифицировать хро ­

м ат и ,-L , ч тобы снизип, эффектив ,-юсп, инициации тра 11 с­
кригщии. Так , многие релрессо ры задействуют деацети ­
лазы zисто1-1.ов
группы

В клетках эукариот белки -активаторы и белки-ре­

-

ф е рм е нты , которые с нимают ацетильные

с хвостов

гистонов,

нив ел ируя полож ит ель но е

влия1-111е ацетилирования на

инициацию транскрипции.

прессоры используют структуру хроматина для включ е­

Хотя одни белки-ре нрессоры у эукариот работают для

ния и выключения генов. Из гл.

мы знаем , что струк­

отдельных генов, другие могут вызыват ,, образование

ту ру хроматина могут и зменять белковые комгшекс ы ,

болыних участков неактивного хроматина, содержащего

5

выз ывающи е перестройку хромати н а (хроматин-ремо­

много разны х ,-е нов. В гл.

делирующие комплексы), а такж е ферм енты , которые

участками ДНК, недоступ н ыми для транскрипции, явля ­

5 обсуждалосq,

что подобными

ковалентно модифицируют белки-rистоны, служащие

ются гетерохроматин инте рфаз ных хромосом и одна из

основой 1-1уклеосо мы (см. рис.

Х-хромосом у са мок млекопитающих .

5-27 и 5-28).

Многие аюи­

ваторы генов по л ьзуются этими м ехан из мами , стимули­

руя на11равленную доставку данных белковых комплек­
сов и ферм е нтов к промоторам ( РИС.

8-11 ) . Наприме р,

многи е активаторы транскрипции 11ривлекают ац етила­
зы гистоиов, которые присо единяют а ц етильную группу

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ,

НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ
РАЗНЫХ ТИПОВ
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ КЛЕТОК

р е гулятор транскрипции

Любым клеткам необходимо уметь включать и выклю­
чатъ ге ны в ответ на си 1·налы от своего окружения. Од­
нако кле тки многоклеточных организмов р азвили такую

способностт, в наивысшей степени. Это поз воля ет фор ­

ТАТА

белок-~

мировать организованную совокупность дифференци­
рованных

модификатор

хроматин ­

гистонов

ремодули ­

рующий
компле кс

клеток

высокоспециализированными

спосо­

бами. В частности, когда клетка многоклеточного орга­
низ ма ста новится коммитироватюй, т. е . определя ется
шшравл ени е ее раз вития в конкретный тип клеток , эта
детерминация

поддерживается

на

протяж еиии

многих

последующих клеточных п околений . Следовател ьно , и з­
менения в генной экспресс ии , которые часто вызывают­
с п е цифич ески й патте рн

р е стру ктурированны е

модифи ка ции ги сто нов

ну кл ео с ом ы

ся кратковре ме нным сигналом, должны каким-то обра­
зом з апомниться. Подобный фе 1-1ом е 1-11(.леточной памяти

(ce ll memo r·y) необходим для создания организован ных
основн ые фа кторы транс крипции,

медиатор и РНК-полим е р аэа

тканей и для поддержания стабильных типов диффе­
р е нцироваш-rых клеток. Однако простейшие изменения

ге и ной э кс п р ессии как у эу ка р иот, так и у бактерий часто
бывают кратковременными; иаприм е р, триптофановый

ИНИЦИАЦИЯ ТРАНСКРИПЦИИ

ре пр ессо р выключа ет трилтофа н овый опе рон толъко в

присутствие триптофана. Как только эта аминокислота
РИС.

8-11.

Эукариотические белки - активаторы могут вызывать

и з с р ед ы исч езает, о п е рон опять включается, и потомки

локальные изменения в структуре хроматина. Б ел к и -активатор ы

кл етки уже не будут помнить , ч то ее пред ю1 подве рга­

могут стимулиро вать п рис оед и н е ни е бел ков- модифи каторов г и сто н ов

ли сь действию триптофана.

и бел ко вы х ко мпл ексов, в ы з ы ваю щих п ерестр ойку х ро м атин а, к про­

В да нном разделе мы обсудим некоторые особенности

м ото ру ге н а . Под действ и ем этих бел ко в ДНК , уп ако в а нн а я в виде х ро ­

р егуля ции транскрипции у многоклеточных орга 1-1 из мов.

матин а, ста н о ви тся бол ее доступн ой для д ругих бел ко в кл ет ки, в ключ ая

В о сновном мы с конце нтрируемся на том, как эти м еха­

бел ки, н еобходи м ы е дл я ин ициа ции тра н скрипции . К ро м е того, ко ва­

низм ы

л е нтно модифициро ва нны е ги стоны м о гут служить сайта м и с вя з ыв а н и я

типы клеток, придающи е ч ервю , мухе или ч еловеку их от ­

для бел ко в , сти мул ирую щи х и ници а цию тра н ск р и пции .

личитет,ные приз наки.

264

ГЛАВА 8. Регуляция генной экспрессии

созда ют

и

поддерживают

специализированные


Эукариотические гены
регулируются комбинациями белков

ко1-пролируется

десятками

регуляторов

транскрипции

( РИС . 8-12). Часто некоторые из регуляторных белков
яв ляются активаторами, а некоторые репрессорами. Мо ­

Эукариотичсские регуляторы транскрипции могут кон­

лекулярны е меха1-1 измы , с помощ1,ю которых эффекты

тролировать инициацию транскрипции, находясь за мно ­

действия всех этих белков склад ываются , чтобы опреде­

го пар оснований от промотора. Поэтому нукл еотидные

лить окончательный урове1-1 1, экспрессии, тольI<о сейчас

1 юследовательности ,

1-1ачииают проясняться . Прим е р подобной слож ной систе­

ко1-пролирующи е

э кспрессию

гена,

бывают достаточ 1-10 дли нными. И у растений, и у живот-

мы р е 1-уля ции , участвующ ей в развитии плодовой мушки

11ых регуляторные последовательности нередко за1-1имают

D1-osophila

десятки тысяч п ар нукл еотидов, хотя б6льшая часть этой

деле ОТКУДА мы ЗНАЕМ , с.

ДНК служит « разделителем ,>

( ~ спейсером » ),

из оплодотворенной яйцеклетки, описан в раз­

266- 268.

и напрямую

регуляторами транскрипции н е ра споз нается.

До сих пор мы рассматривали регуляторы транс­
крипции как отделъные п е реключатели , каждый из ко­

Экспрессия нескольких генов может

координироваться одним белком

торых может включатъ или выключать ге ны. Это свой­

Кроме способности включать и выключать гены всем ор­

ствею-10 для многих простых бактериальных активато­

ганизмам

ров и р епрессоров,

умение координировать эксп р ессию различиых генов. На­

1-10

большинство эукариотичес ких

-

и прокариотам, и эукариотам

-

необходимо

регуляторов транскрипции работают согласованно , как

пример , когда эука риотич еская клетка получает сигнал к

« комитет» из регуляторных белков, каждый из которых

делению, должно одновременно включится некоторое ко ­

необходим для экс пресс ии L'ена в 1-1 уж1-1ой клетке в ответ

личество генов, до этого не экспрессировавшихся, чтобы

на правилъные условия, в правилы-ю е время и в необхо­

за пустить ряд событий, которые в конце концов приведут
к деле 1-1ию (см . гл.

димом количестве.

Термин комбинаторный контроль (co111Ьiпatoria l

18).

Бактерии координируют экспрес­

con-

сию группы генов путем класте ри зации в оперон , контро­

tгo l ) относится к с пособу, которым rрулпа регуляторных

лирующийся одним промотором. Но этот способ не под­

бел ков регулирует экслрессию одного гена. Простой при­

ходит для эукариот, у которых гены транскрибируются и

мер подобиой регуляции мы видели в случае бактери­

регулируются индивидуально.

ального Lас-олерона (см. рис.

эукариот важность

нируют экспрессию генов? Эукариотическая клетка ис­

р егуляции возрастает, и типичный эукариотический ген

пользует целый набор регуляторных белков для контроля

8-9). У

KaJ< же эукариоты

коорди ­

каждого гена, как она может быстро и эффективно вклю­

-

чать и выключать группу генов? Секрет в том , что, хотя

экспрессия генов контролируется комбинаторно, эффект

регуляторные последовательности ДНК

нетранскрибируемая

ДНК (дНК-спейсе р)

., •

~

•....

одного р егулято ра транскрипции может оказатъся р еша ­

....•

ющим для вюuочения или вьшлючения отдельного гена,

если этот компонент завершает образование комплекса,

~

необходимого для активации или подавл ения транскрип ­

'•'-

ции данного гена. Такая особен~юсть напоминает ситуа­
цию с набором лоследней цифры кода на кодовом замке:
замок откроется, есл и остальные цифры были предвари­
телыю правильно введены. Так же как одинаковые цифры

могут завершать комбинации на различн ых замках, один
белок может завершать комбинации регуляторных бел ков

основные

,_

факторы

для раз ных генов . Если различиые гены содержат после­

транскрипции

дователь ности ДНК, которые узнает один и тот же регуля­

,----- РНК­

тор транскр~rпции, они могут включаться и выюпочаться

полимераза

~
начало
транскри пции
промотор

согласованно, одним блоком.

Подобный механи з м регуляции у •1еловека осущест ­
вляет, наnример, белок-рецептор глю-к,о-к,орти-к,оидиых
гор.моиов. Чтобы этот регулято р транскрипции мог свя­
заться с регуляториым сайтом на ДНК, ему необходимо

РИС. 8-12. Регуляторы транскрипции работают координирован ­

образовать комш1 екс с молекулой глюкокортикоидного

но для контроля экспрессии эукариотического гена. В то времR

гормона, наnриме р кортизолом (см. табл.

как основные факторы транскрипции, свRзывающиесR с промотором ,

В ответ 1-1а глюкокортикоиды в клетках п е чени усили­

одинаковы для всех генов, транскрибирующихся РНК-полимеразой

16-1, с. 482) .

11,

вается э кспрессия множества различных генов , один из

РеrулRторы тра н скрипции и расстоRние от промотора до их сайтов

которых кодирует фермент аминотрансферазу тирози­

СВRзывания у разных генов различаются . Эффекты нескольких регуля ­

на. Все эти гены регулируются путем присоединения

торов транскрипции комбинируютсR, определяя окончательный уро­

комплекса из rлюкокортикоид1-10го р е ц е птора и гормона

вень инициации транскрипции . Детали этого процесса пока остаются

к

неизвестными.

из генов . Когда силы восстановились и гормон болъше

регуляторной

последовательности

в

ДНК каждого

Молекулярные механизмы, необходимые для создания разных типов специализированных клеток

265


РЕГУЛЯЦИЯ ГЕНА

ИСТОРИИ ГЕНА

Способность регулировать экспрессию t'енов имеет ре­
шающее з н ачение для правильного развития м1-югою 1 е­

EVE

передний конец задний конец
тела (голова)
тела («хвост »)

то<rного организма из оплодотворенной яйцеклетки в

фертильную взрослую особь. Начиная с первых момен­
тов развития запускаются последователы-гые прогр аммы

контроля дифференциальиой экспрессии генов, •по по­
зволяет животному пр авильно сформировать тело

-

по­

нормальная
оплодотворенная

яйцеклетка

могает отличить спину от живота, а голову от хвоста. Эти

Центральной проблемой биологии развития является,
ют эти паттерны экспрессии генов, которые определяют­

п е реднего конца

реципиента
1

брион развивается до стадии личинки

!

мещение крыла или ноги, рта или ануса, нейронов или

таким образом, понимание того, как в организме возника­

заднего конца яйцеклетки донора в передний ко н ец

вы текает

1

сигналы в конечном счете определяют правильное р аз ­

половых клеток.

инъекция цитопл азм ы из

прокол, н ем ного
цитоплаз мы и з

!

Q]m)) 11i1 Щ:r 11 r11i1
нормальная личинка

ся в теч.ение нескольких •1асов после оплодотворения. В

« двух востая » личинка

основе этого лежат действия регуляторов транскрипции.

Взаимодействуя с различными регуляторными последо­

РИС.

вательностями ДНК, эти белки инструктируют каждую

яйцеклетки

клетку эмбриона, какие гены ей надо включать в каждый

ность. Не большому колич еству цито плазмы с переднего ко нца яй­

8-13.

Молекулы , находящиеся на противоположных концах

Drosophila,

определяют ее передне-заднюю поляр­

момент времени в течение развития. Как связывание бел­

цеклетк и по з воляют вытечь и инъецируют туда цито пл азму с задн его

ка с учасп<ом ДНК помогает направить развитие сложных

ко нца яйцеклетки. Получ аетс я эмбрион (справа) , у которого вм есто

многоклеточных организмов? Продемонстрировать под­

головы

ход к решению этого важного вопроса можно, обратив­

се гм е нта . Для сра вн е ни я показан нормальный эмбрион (слева ) .

шись к истории гена

-

второй «хвост», т. е. дуплицированы по сл едние три брю шны х

eve.

В большом яйце
Ген

even-skipped

(коротко

- eve) -

это ген, экспрессия

которого играет важную роль в развитии эмб риона дро­

зофилы

(Drosophila) . Если

На этапе развития, когда

сегментов ( РИС . 8-13).

из-за мутации этот ген инак­

тивируется, многие части зародыша не формируются,
и личинки мух умирают

чинки вместо головы разовьется второй набор брюшных

на ранних стадиях развития.

eve

первый раз в1<люч.ается,

Поиск белков
Эти эксперименты показывают, что в норме образование

эмбрио н все е ще представляет собой одну гига~пскую

п еред н е-задней оси эмбриона контролируется некими

клетку, содержащую несколько ядер, плавающих в об ­

веществами,

щей цитоплазме. Этот эмбрион, длина которого около

концах . Исследователи были уверены, что эти вещества

400

мкм, а диаметр

160

мкм, образуется из оплодотво ­

находящимися

на

его

противоположных

имеют белковую природу. Чтобы определить их , яйца

ренной яйцеклетки с помощью серии быстрых ядерных

подвергли обработке, инактивирующей случайные гены .

делений, которые происходят без деления самих клеток.

Затем отобрали эмбрионы , у которых передие-задний

В конечном итоге I<аждое ядро будет окружено мембра­

пла н тела выглядел ненормальным. У этих мутантных

ной и станет отдельной клеткой; однако интересующие

животных были, скорее всего, инактивироваиы именно

нас события происходят до этого момента, называемого

те гены, которые кодировали белки, имеющие важное

целлюляризацией.

Цитоплазма гигантского яйца далеко не однородна:

зна•1ение для создания надлежащей передне-зад~1ей по ­
лярности.

бриона содержит разные белки. Наличие этой асимме­

Используя данный подход, ученые обнаружили мно­
жество генов, необходимых для создания передне-зад­

трии в оплодотворенной яйцеюrетr<е и в раннем эмбрионе
изначально было показано в экспериментах по удалению

ключевые регулятора транскри пции :

передний (головной) и задний (<<хвостовой~) концы эм­

части цитоплазмы из яйца дрозофит,т . Если переднюю

ней полярности, в том числе гены, кодирующие ч.етыре

Bicoid, Hпncl1back,
Kгi.ippel и Giaлt (генам дрозофилы ч.асто дают красоч­

часть яйца осторожно проколоть и позволить вытечъ не­

ные названия, отражающие внешний вид мух , у которых

болыпому количеству <~ передней,> цитоплазмы, зародыш

ген инактивирован в результате мутации). После того

не сможет образовать головные сегменты. Кроме того,

как белки были выявлены, иссл дователи смогли соз ­

если затем инъецировать в переднюю область этого яйца

дать антитела, распознающие каждый из них . Эти анти­

цитоплазму, взятую из заднего конца другого яйца, у ли-

тела, связанные с флуоресц ентными маркерами , затем

266

ГЛАВА

8.

Регуляция генной экспрессии


были использованы, чтобы определить, в какой обла­
сти раннеrо эмбриона локализован каждый белок (см.
вкладку

концентрации регуляторов транскрипции в каждой обла­

1-1 , с. 18- 19).

Результаты этих экспериментов по окрашиванию
антителами

eve. Регуляторные
eve позволяют определитъ

Тут и начинается история с геном
последовательности ДНК гена

поразительны.

Оказывается,

сти эмбриона. Основываясь на этой информации,

eve экс­

цитоплаз­

прессируется в виде семи полос, каждая в определенном

ма ран11его эмбриона содержит смесь из реrуляторов

месте относительно передне-задней оси эмбриона. Чтобы

транскрипции, каждый из которых распределен уни­

узнатъ, как эти регуляторные белки контролируют экс-

кальным образом вдолъ оси зародыша ( РИС . 8-14). В ре­

11рессию

зультате ядра внутри гигантской мноrоядерной клетки

регуляторную область rена

начинают экспрессировать различные гены

eve с такой точностью,
eve.

было решено исследовать

в зависи­

мости от регуляторов транскрипции, воздействию ко­
торых они подвергаются, что, в свою очередъ, зависит

Исследуя ДНК

от местоположе1-1ия каждого ядра внутри эмбриона.

Как мы знаем из этой главы, регуляторные последователь­

Ядра вблизи переднего конца эмбриона, например,

ности ДНК контролируют то, какие клетки в орга~-гизме

сталкиваются с набором регуляторов транскрипции,

будут экспрессировать определенный ген, и в какой мо­

который отличается от набора регуляторов, омываю­

мент этот ген будет включен. Один из способов узнать,

щих ядра на заднем коице. Таким образом, различные

когда и где регуляторная последовательность ДНК актив­

ко 1щентрации этих белков в разных областях яица обе­

на

спечивают ядра развивающегося эмбриона позицион­

тера, т. е. гена, кодирующего белок, активность которого

-

nрисоединитъ ее к последователыюсти гена-репор­

ной информацией, т. е. информацией об их местополо­

в эксперименте легко определить. Регуляторная последо­

жении относителъно передне-задней оси эмбриона.

вательность ДНК теперь будет управлять экспрессией ге­
на-репортера. Этот искусственный ДНК-конструкт затем

вставляют обратно в клетку или в организм и измеряют
активность белка-репортера.
Присоединением
п е редни й

задн и й

кон е ц тел а

ко не ц тела

,,0000000 ~

0000 0 00000)000

гену-репортеру

различных

обнаружено, что ген

eve

eve

было

содержит серию из семи ре­

гуляторных модулей, каждый из которых отвечает за

определение одной лолосы экспрессии

eve.

Так, на­

пример, исследователи смогли удалитr, регуляторный

t>oo

о~

к

участков регуляторной последовательности

0 оооо

0 оооооооо09

Bicoid

модуль, который определяет полосу
места перед геном
тером

и

eve,

поместить

2,

из его обычного

вставить его перед геном-репор­

полученную

последовательности

ДНК обратно в геном дрозофилы ( РИС . 8-15, А). Ока­
залось, что у эмбрионов, иесущих эту генетическую
конструкцию, ген - репортер экспрессируется именно в

области полосы

2 (рис. 8-15,

Б). Аналогичные экспери­

менты позволили обнаружить существование и других
Hunchback

регуляторных модулей, по одному на каждую из шести
оставшихся полос экспрессии.

Возникает вопрос: каким образом каждый из этих
модулей управляет формированием одной полосы в

определенной позиции? Ответ на этот вопрос заклю­
чается в том., что каждый модуль содержит уникальное

Giant

сочетание регуляторных последовател 1,ностей, связы­

вающих различные комбинации из четырех регулято­
ров транскрипции, присутствующих в виде градиентов

в раннем эмбрионе . Например, модуль полосы

2 содер­

жит сайты связывания для всех четырех регуляторов,

при этом
цию
Kru ppel

eve,

Hu 11 chback и Bicoid активируют
KrUppe l и Gia11t подавляют ее

а

транскрип­
( РИС . 8-16).

Концентрации этих четырех белков вдоль оси тела эм­

бриона варьируют (см. рис.

8-14), и эти градиенты кон­

центраций определяют, какие из белков будут связы­

РИС . 8-14. В раннем эмбрионе Drosophila четыре регулятора
транскрипции распределены неравномерно .

ваться с модулем полосы

2в

каждой области эмбриона.
Продолжение на с. 268

Молекулярные механи змы, необходимые для создания розных типо в специали з ированных клеток

267


РЕrУЛЯЦИЯ

ИСТОРИИ

rEHA

модуль

полосы

модуль

3

полосы

модул ь

2

полосы

7
ТАТА

(А)

ТАТА

модуль

полосы

..

(продолжение)

rEHA EVE

..
ген

eve
(Б)

ген

LacZ

2

(В)

(Г)

РИС. 8-15. Ген - репортер поз воляет выявить м одульн ую структуру регул яторного участка ген а
Eve . ( А ) Ген eve содержит регуляторные последовательности, в результате действия которых ген экс­

прессируется отдельными полосами вдоль тела эмбрио н а . (Б) У эмбрио н ов , покра ш ен н ых а нтителами
к белку Eve, видны сем ь характерных полос экспрессии. (В) В данном эксперименте участок (размером
480 нуклеотидных пар) регуляторной последовательности (модуль полосы 2, рис . А) вырезали и встав ­
ляли перед геном Lacl Е. coli, кодирую щим фермент ~-галактозидазу (см . рис . 8-9). (Г) Полученный
конструкт, содержащий регуляторный участок, вставляли обратно в геном Drosophila; при этом эмбри­
он начи н ал экспрессировать В-галактозидазу, но только в области второй полосы экспрессии гена eve .
Активность фермента обнаруживали путем добавления X-gal , модифицированного углевода , который
при рас щеплении В-галактозидазой образует нерастворимый голубой п родукт. (Б и Г - с разрешения
Stephen Small и Michael Levine.)

При определенном сочета нии связанных белков в кон­
кретном ядре начинает экспрессироваться eve, и так обра­
зуется полоса

2.

Регуляторные модули д ругих полос, как полагают,
функционируют прим ерно так же; каждый модуль счит ы ­
~---- модуль полосы

вает информацию о местоположении, предоставляемую
уникальным

со ч етанием

регуляторов

1щет (или не дает) сигнал к экспресси и.

транскрипции,

eve

нулся более ч ем на

более

20

20

eve

пар нуклеотидов) -----'

и

- = ..-- Kruppel и его

на основе этой

информации. В есь регуюпор~1 ый участок гена

2 (480

- - - Bicoid

и его

- --L...- сайт связывания - - - сайт связывания

растя­

ООО п ар нуклеотидов и связ ывает

Giant

регулято ров транскрипции, в том числе четыре,

и его

сайт связывания

обсуждавшиеся здесь. Таким образом, боль шой и слож­
ный регуляторный у часток формируется из ряда неболь­

---г-- Hunchback и его

- --~

сайт связывания

ших модулей, каждый из которых состоит из уникальной

РИС .

группы коротки х лосJ1 едовател ыюстей ДНК, узнающихся

ты свя з ывания для четырех различных регуляторов транскрип ­

8-16. Регуляторный модуль полосы 2 гена eve соде ржит с ай­

с пецифическими регуляторами транс1<рипции. Благодаря

ции . Все четыре регулятора необходимы для правильной экспрессии

этому один ген может отвечать на огромное коли 01ество со­

полосы

вместных сигналов. Белок

и

в со ч ета r-1 ии со многими другими р егу­

2 гена eve. Мухи , у которых отсутствуют оба активатора , Bicoid
Hunchback, не образуют полосу 2. У мух , у которых отсутствует один
из репрессоров, Giant и л и Krlippel, п олоса 2 расширяется и захватыва­

лятор1-1ыми белками управляет ключевыми событиями в

ет больший, чем в норме, участок эмбриона . Как показано на верхнем

дальней шем развитии мухи. Это один из подходов к объ­

рисунке , иногда сайты связывания для разных регуляторов перекрыва­

транскрипции, и

Eve

сам является регулятором

яснению тоео , как р азвитие сложных организмов может

ются , и тогда белки-регуляторы конкурируют за связывание с ДНК . Счи­

б ыть организовано с помощью повто ряюще еося примене­

тается, например , что

ния н есколь ки х основных принципов.

с самым правым сайтом связывания.

268

ГЛАВА

8. Регул я ция ге нно й э к с пр есс ии

Bicoid и Kriippel не могут одновременно связаться


глю ко кортикоидный

:----Z
8

глюкокортикоидны й
рецептор
в отсутст вие

гормон

клеток: акти н

и миози н , из котор ы х состо и т сок рат ителr,­

ный а ппарат ( см. гл.

17), а также белки-реце пто ры

и белк и

мемб рш 1 ных ио нны х кан алов, определяющие ч увст в итель1-юстr, м ыш ечной клетк и к нерв ным и мпул ьсам. Ге ны , код и ­

глюкоко рти к оидно го

рующ ие все эт и белки, со гласованн о вклю ч а ются , когда м и ­

гормона

~

~,~
ген

ге н

.....
ге н

1

2

областы начи н ают сливаться. Исследован ия д ифферен ци ­

1

·- ~

ровки мыш ечных клеток в кул 1,ту ре п озволили об на ружить
основ ны е

р е 1-улято ры

транск р и пц ии,

экс пр ессируемые

только в буду щи х мъ1шечных клет ках. Они коорд инируют
ее нную эксп ресс и ю и, таки м об разом , необход имы для диф­
ферен ци ровк и мы uш-1ны х клеток. Эти ре гул ято ры акт и в и ­

ру ют транск ри пци ю генов, коди-рующих м ыш ечны е белки,
п утем связ ывания со сп ец иф и-ч ескими последовательн о­

стями Д НК в регулятор 1-1 ых участ ках ген ов.
О с н ов ны е р егуля торы тра н скри пц ии могут пр е вра­

т ить н е мыш е чны е клетки в миобласты , акт и в и руя из­

ген

.....
ген

3

НИЗКИЙ УРОВЕНЬ

ВЫСОКИЙ УРОВЕНЬ

ЭКСПРЕССИИ Г Е НОВ

ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ

3

ме н е ни я генной эксп ресси и , ти пи чны е для д ифф ерен­

цирую щихся мыш ечны х клеток . Н а пр име р , когда один
из регулято р о в ,

myo D, искусст ве нн о

эк сnрессир уется в

культу р е фи бр областов из соедин итель н ой т кани кож и ,

ф иб р областы начинают вести себя как м и областы : сли­
ватъся, образуя клет ки, п охожи е н а мышеч н ые. Яркий
э фф ект экспр ессии гена

myoD

показаи н а РИС .

8-18.

РИС. 8-17. Один регулятор транскрипции может координировать
экспрессию множеств а различны х генов. Н а рисунке изображе н
п р и н цип действия гл юкокортикоидного рецепто ра . Сл ева показано н е ­
скол ь ко генов , у каждого из которых есть сво й регулятор , связанный с

ре гуляторным участком . Одн ако этой св я зи самой п о себе недостаточн о

для эффе кт и в ной активации транс крипции . С права по казан резул ьтат

действия дополнительного регулятора транскрип ции - комплекса из
глюко корти коидного рецептора и глюко корти коидного гормона , кото­

рый может связываться с регуляторной последовательностью каждого
и з этих генов . Этот ком пле кс в сочета нии с уже имевшимися регул я то­
рами запускаеттранс к рипцию , и все ген ы одновременно включаются .

н е выделя ется , экспрессия всех этих ге нов падает до

обычного у ров ня. Таким сл особо м один ре гулятор т ранс­
кри пци и может ко н троли р овать э кспрессию множества
р азлич1-1ы х генов ( РИС .

8-17) .

С помощью комбинаторного контроля
могут создаваться различные типы клеток

С 11особн осп, включать и выключ атъ м ~юго раз ны х ге н ов с
помощ ью всего од 1юго белка п олез н а не только для каж­
доднешюй регуля ц ии клеточны х функций . Он а таюке

20

имеет з н аtrение для диффере нцировк и эу1<ари отически х

м км

клеток - их п рев ра щен и я в клетки о п ределен н ых типов
в эмб риогенезе.

РИС .

Ярк и й п риме р влияния од н ого регулятора траи скрип­
ц и11 н а дифференц ировку известе н благодаря результа­
там изучения развития м ыш ечн ых клеток. Клетка скелет­
нъrх мы1.1Jц млекопитающих оч ень своеоб разна. Обыч но
это очень боль шая клетка, кото рая образуется при сл ия­
н ии множества клето к-предшестве 1-LНю<ов, назьmаем ы х

На этой иммунофлуоресцентной микр о ф отографии показано , что если

м.иобластдмu. Зрелая мьnuечная ю1 етка производит мно­
го характерных для нее белков, отличаю щи х ее от других

не э кспрессирую щие ген

8-18. Фибробласты могут превращаться в мышечные клетки

под действием одного-единственного регулятора транскрипции .
в фибробласте из кожи куриного эмб р иона инду цировать экспрессию
гена

myoO, то он

п ревращается в мы ш е ч н ую клетку. Ф ибробл асты , экс­

п рессирующие ге н

myoO, сл и л ись,

образовав длин ны е м н о гоядерные

клетки , похож ие на мы ш ечные . О ни окрашены зелен ы ми флуоресцент ­

ными антителами к спе цифичн ы м мышеч н ы м бел кам . Фибробласты ,
ра з реше н ия

myoO, п оч ти не видны
Stephen Tapscott и Harold Weintraub.)

на заднем фо н е . (С

Молекулярные м е хан измы, необходи мы е для создания разн ых типов специали з ированных кл еток

269


Стабильные паперны генной экспрессии

клетка - пр едшественник

могут передаваться дочерним клеткам

Ран ее в этой главе говорило сь, что д иффе ре нциров анн ая

клетка многоклеточного организма обычно остается диф­
ференцирован ной, и все ее потомки будут клетюши того
же типа. Некоторы е вы сокос п е циализиров а нные клетки

посл е диффе ренцировки боль ш е никогда н е делятся (на­
пр имер,

нервные

мышц).

Однако дифференцированные

клетки

и

клетки

п опереч но п олосатых

клетки

многих

других типов, такие как фибробласты, гладкомышечны е
клетки, клетки печени (гепатоциты) , на протяжении жиз­
ни индивида делятся мноl'о р аз. Тем не менее клетки в сех

этих типов пр и делении образуют только клетки того же
БЕЛОК-РЕГУ-

ЛЯТОР

-

3

ти п а:

из

гладкомышечных

клеток

клетки печени , а из клеток печени

-

не

могут

получиться

фиqробластьr.

Подобное сохранение клеточной идентичности озна­

(f)~ з

чает, что изменения в генной экс прессии, возникшие при
диффе ренцировке, должны запоминаться и пер едаваться

клетка А
клетка С
клетка Е
клетка
клетка В
клетка D
клетка F

всем последующим по колениям дифферен цировав шейся

G
клетка Н

клетки . Например, в клетках на рис.

8-19 продукция

каж­

дого из регуляторов транскрипции , один р аз начавшись,

РИС.

8-19.

Различные сочетания нескольких регуляторов транс­

крипции позволяют создать большое разнообразие клеточных

должна продолжаться в дочерних клетках, образую щихся
после каждого деления. Как можно этого достичь?

типов при развитии организма. На этой простой схеме « решение » о

У клеток есть несколько способов добиться того, чтобы

создании нового регулятора (обозначены пронумерованными кружка­

их потомки « помнили~.>, каким ти пом клеток им полагается

ми) принимается после каждого клеточного деления . Повторение этого

быть. Один из самых простых способов

простого правила позволяет создать вос е мь раз ны х типов клеток (А-Н)

ложительной обратной связи, когда основной регулятор

с помощью все го трех регуляторов транс кри пции . Каждый и з эти х гипо­

транскрипции активирует транскрипцию своего собствен­

тетич еск и х типов будет экс пр есс ировать раз ные ге ны , в соответствии с

ного гена в добавление к другим специфическим для этого

тем, какая комби нация регуляторов транскрипции в нем при сутст вует.

-

Lrepeз петлю по­

типа клеток l'енам (РИС. 8-20). Ранее обсуждавшийся белок

myoD функционирует именно по принципу положительной
обратной связи. Другой способ поддержания клеточного
типа

-

через точную передачу структуры конденсирован-

Видимо, в фибробластах, которые происходят от того

же широкого класса эмбриональных клеток, что и мы­
шечные,

уже

имеются

многие

из

регуляторов

т р анс­

крипции, необходимых для комбинаторного контроля
спе цифических мышечиых генов . Добавление myoD
заве ршает уникальную комбинацию регуляторов, при­
водящую к превращению клеток в мышечные. Клетки
некоторых других типов не пр евращаются в мышечные

при добавлении

myo D; такие

клепш, по- видимому, н е

накопили н еобходимые для этого р егуляторы т ран с­

т

кри гщии в ходе своего развития.

На РИС. 8-19 схематично показано , как накопление
различных

регуляторов транскрипции может приводить

к образованию различных типов клеток. Этот рисунок
также иллюстрирует то, как, благодаря возможностям
комбинаторного контроля и общим регуляторным после­

КРАТКО-~-~..­

белок А не

ВРЕМЕННЫЙ
СИГНАЛ

производится ,

ВКЛЮЧАЕТ

так как в норме ЭКСПРЕССИЮ

он необходим

БЕЛКА А

для активации

довательностям ДНК, ограниченное число регуляторов

своей собственной

тра н ск рипции может контроли ро вать экс прессию горазд о

транскрипции

большего количества генов.
Переход одного типа клеток

( фибробластов)

в другой

РИС.

8-20.

Петля положительной обратной связи позволяет соз­

(мышечные клетки) подчеркивает один из важнейших прин­

дать «клеточную память». Бело к А

ципов, обсуждаемый в этой главе: резкие различия между

рый активирует с вою собственную транскрипцию . Поэтому все потом ки

-

регулятор тра нс кр ипции , кото­

клетками разных типов (в размере, форме и функциях) воз ­

исходной клетки будут « помнить », что клетка-предшественник получил а

никают благодаря различиям в генной экспрессии.

кратков ременны й сигнал, который инициировал проду кцию бел ка А .

270

ГЛАВА 8. Регуляция генной экспрессии


Формирование целого органа может запускаться

5-метилцитозин

цитозин

одним регулятором транскрипции

Мы уже убедились, что для эукариотич еских генов харак­
терен комбинаторный контроль, но только один регулятор
транскриnци и может стать решающим для включения ил и

выключения целой группы генов и может превратить один

тип клеток в другой. Существенное расширение по1шма­

8-21. Образование 5-метилцитозина при метилировании ци ­

ния этого принципа возникло при изуче н ии развития ~·ла­

тозина в двойной спирали ДНК. У позвоночных метилируются тол ько

РИС.

за Dгosophila, мыши и человека. Для развит ия глаза кри­

цитозины, находящиеся рядом с гуанином.

тично действие регулятора транскрипции, называемого

Еу у мухи и Рах-6 у лозвоночных. Когда Еу экспресси ру­
наго хроматина от родительской к дочерней клетке. Пример

ется в клетках подходяще го типа, он может запускать фор­

этого мы видели на рис.

мирование не просто од и ого типа клеток, а целого оргаиа

5-30, где изображена Х-хромосома,

(глаза), состояще1·0 и з клеток различных типов, правиль­

неактивная в течеfше многих поколений клеток.

Третий способ, которым клетка может передавать ин­

формацию о генной экспрессии своим потомкам,

но пространственно организованных.

через

Лучшее подтверждение действия Еу получено из

метилирование ДНК. Б клетках позвоночных ДНК ме­

эксперим е нтов на плодовых м ушках Dгosophila , у ко­

тилируется исключительно по цитозину ( РИС.

-

8-21 ). Эта

торых ген Еу искусственно экспрессировали на ран­

ковалентная модификация цитозинов обычно выключает

них стадиях раз вития в клетках, в норм е участвующих

гены, привлекая белки, которые блокируют их экспрес­

в формировании ноги . Эта ненормальная экспрессия

сию. Паттерн метилирования ДНК передается в ряду по­

приводила к образованию глаза иа ноге ( РИС. 8-23 ) . Глаз

колений благодаря активности фермеша, который копи­

Drosophila

рует п аттер н метилирования с родительской цепи ДНК

изучают, как белок Еу координирует дифференцировку

на новообразованную дочернюю це пь сразу после репли­

каждой из клеток глаза. Здесь мы только упомянем , что

кации ( РИС. 8-22). Так как каждый из этих механизмов
петли

положительной

обратной

связи ,

-

состоит из тыся ч клеток, и сейчас активно

Еу напрямую контролирует экс пр ессию миогих генов,

определенные

связываясь

с

последовательностями

их

регу ля торных

структу ры конденсированного хроматина и метилирова-

сайтов . Некоторы е гены, контроли руемые Еу , кодируют

1-rие ДНК

допол нит ел ьны е регуляторы транскрипции; они, в свою

-

позволяет передавать информацию от роди­

тельской клетки к дочерним без изменения нуклеотидной

очередь, р егулируют экспрессию других генов. Кром е

последовательности ДНК, они считаются формами эпиге-

того, некоторые из этих регулято ров действуют на сам

1-lеmuческого наследования

Еу, образуя петлю полож ительной обратной связи, ко-

(epigenetic inheritance).

СН з
А С

5'

G

Т

А

Т С

G

т

5'
т

G

С А т А

т

не распознает ся

5'
Т

G

С А Т А

G

С А

А С

G

Т

А

Т С

l

метилтрансферазой

J

А С

G

Т

G

З'

т

С А Т А

G

С А

поддерживающей

l

метилтрансферазой

А Т С

МЕТИЛИРОВАНИЕ

G

С А Т А

G

сн

ЗАНОВО

Т

5'

G

G

1

З'

Т

5'
Т

Н зС

З'

С А

СИНТЕЗИРОВАННОЙ
ЦЕПИ

А С

5'

G

Т А Т С

G

т
З'

З'

5'
Т

G

С

А Т

А

G

1

Н зС

8-22.

т

З'

С А

5'

РИС.

G

распознается

поддерживающей

Н зС

1

ЗАНОВО

З ' СИНТЕЗИРОВАННОЙ 5.
ЦЕПИ

З'

3'

СН з

МЕТИЛИРОВАНИЕ

1

С А

-L

Н зС

Паттерн метилирования ДНК может точно наследоваться. Белок , называющийся под­

держива ющей метилтрансферазой, обеспечивает наследование уже установившегося паттерна мети­
лирования ДНК . Сра зу после репликации каждая дочерняя спираль ДНК содержит одну метилированную
цепь , унаследованную от родительс кой ДНК , и одну неметилированную , синтезированную заново . Под­
держивающая метилтрансфераза взаимодействует с эт ими гибридными спиралями и метилирует только
те СG -последовательности , котор ые спарены с уже метилированными СG - последовательностями .

Молекулярные механизмы, необходимые для создания разных типов специализированных клеток

271


особь, у которой ген Еу экспрессируется
нормальная особь

в клетках-предшественниках ноги

(красным обозначены клетки ,
группа клеток ,

группа клеток,

из которой

из которой

разовьется глаз

разовьется нога

экс прессирующие ген Еу)

D

н а ноге

(А)

(Б)

РИС.

8-23. Экспрессия гена Еув некоторых клетках - предшественниках ноги у дрозофилы запу ­
Drosophila с нормаль­

ска ет развитие глаза на ноге . ( А ) Уп рощенная схема, п оказывающая развитие

но экпрессирующимся геном Еу (слева) и с геном Еу, экспрессия которого искусственно запускается в

клетках, в н орме формирующих н огу (справа) . (Б) Фотография аномальной но ги , на которой находится
эктопический глаз .

белка

Рибопереключатели

Еу. Таким образом , действие всего одного регулятора

для регуляции генов

торая

обесп е чивает

непрерывную продукцию

-

экономичное решение

транскрипции может породить ц елый каскад р егулято­

ров , объединенные де йствия которых прив едут к фор­

Все ран ее описанны е м ехани з мы ре 1··ул яции э кспресс ии

миро ванию организованной грулпы клеток многих ра з­

ге нов пред полагают нали,1и е р егуляторного белка. Од ­

ли,шых типов. Можно себе пр едставить, как благодаря

нако недавно уч ены е обн а ружили некоторое количество

мноеократному прим ене нию это го принципа постепен ­

мол екул мРНК, которые могут са ми р е гул ировать свою

но создается сложный организ м .

собств е нную транскрипцию и тран сля цию. Эти само­
регулирующи еся мРНК содержат рибопере 1,лючатели

ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ
Мы раз обрали, как р егуляторы тра нскр ипции контроли­

(или РНК - переключатели)

-

короткие 1rоследоват ел ь ­

но сти РНК, м е няющи е ко~1 форма цию при связ ыв а нии

с малыми молекулами, такими как м етаболиты . Обна­
руже но много видов ри бол е реклю,rателей, и каждый из

р ую т экспрессию ге н ов, включая и выключая инициацию

них уз н ает определенную малую молекулу. Конформа­

транскрипции. Э тим способом регулируется б6льш ая

ционно е из м енение, выз в а нн ое связ ыв анием с этой мол е­

'Jасть генов всех о рганизмов. Од н ако на следующи х эта­

кулой , может р е гули ровать экспр есс ию ге на ( РИС . 8-24) .

пах пути от ДНК к белку могут возникать до полнитель ­

Такой тип реrуля11ии особе ю-ю харщсrе р е н ,?),ЛЯ бакте рий,

ны е точки контроля, д авая клеткам воз можность р егул и ­

у которых рибол ер ею1 юLJатели р еа гируют н а из м е не ни е

ровать количество лродукта, произ водимого ге ном. Этот

концентр ации в ю1 етке основ ных метабол итов и соответ­

посттранс1,рипционны й контроль , действ у ющий гю с;1 е

ственно из м е няют генную экспр есс ию.

того , как РНК-полим е раза села на промотор и 1-1 a LJ.aлa

Рибопереключатели , п ожалуй, являются прим е ром

синтезировать РНК, является решающим для р егуля ции

наиболее эконом ичных устройств для контроля 1:енной

многих ге нов .

экс прессии, так как они позволяют обойтись без регу ­

В 1-л.

7 мы описали один из типов посттранскрипцион­

ляторных белков . То , что короткие последо вател ьности

ного конт роля: альтернативный сплайсинг, поз воляющий

РНК могут образовывать высокоэффе ктивны е устройст ва

различным формам белка образовываться в разных тканях

для контроля

(см . рис.

обсудим еще несколько способов,

в л ою,::~у того, что , п е ред те м как воз иикл и сов р е м е нны е

с помощью которых кл етка может у пр а вля ть 1·е1пюй э кс­

кл етки , су ществов ал достаточно слож н.ый мир , у пр авляе­

пр е ссией после на LJ ала тран скрипции.

мый РНК ( с м. с .

272

7-21) . Здесь мы

ГЛАВА 8. Регуляция ге нно й э к сп ре сс и и

генов , служит е ще од ним

249- 252 ).

свидетельс твом


ГУАНИНА МАЛО

Бактериальные мРНК содержат короткую последова­

тел ьиость для связ ывания рибосо мы , рас nоложенную н а
н есколько нуклеотидов выше, чем кодон

AUG,

с которого

начинается трансляция . Эта последовательность коrvшле­
ментарно связывается с РНК из малой субъединицы рибо­

..

акти в но транскр ибирую щая

со мы для правил ьного по зиционирования стартового ко­

РНК-полимераза

дон а на рибосоме. Так как это взаимодействие необходимо

/

(А)

для эффективной инициации трансляции, оио представ­
ляет и деальную миш е нь для трансляционного контроля.

Блокируя или высвобождая сайты узиавания рибосомы,

ГЕНЫ БИОСИНТЕЗА

бактерии могут ингибировать или за пу скать трансляцию

П У РИНОВ ВКЛЮЧЕНЫ

мРНК ( РИС .

8-25).

У мРНК эукариот имеется 5'-кэп

-

последователь ­

ность, помогающая рибосоме найти перв ый кодон
с которого начин ается трансляция

( см.

рис.

7-35).

AUG,
В эу­

кариотических клетках ре nрессо ры могут ингибировать

ГУАНИНА МНОГО

трансляцию, связываясь со специфическими последова­

гуанин связ ы вается

с р и бо п е реключателем

З но вая структура
обры вает тр анскри п цию

тельностями РНК в 5'-нетранслируемой области мРНК и

не давая рибосо м е связат ься со стартовым кодоном. Когда
усло вия меняются, клетка может инактивировать р еп р ес­

-

со р и таким образом усилить трансляцию мРНК

терминатор
т р а нс кр ип ци и

Малые регуляторные РНК контролируют
экспрессию тысяч генов растений и животных
рибопереключател ь

Как мы обсудили в гл.

изменяет конф ор ма ц ию

7, РНК

вьшолняют много важных

функций в клетках. Кроме того, что они служат промежу­
ГЕНЫ БИОСИНТЕЗА

(Б)

П У РИНОВ ВЫКЛЮЧ Е НЫ

точными носителями генетической информации, они игра­

ют ключевые роли (структурную и каталитическую ) в син­

РИС . 8-24. Рибопереключатель (РНК-переключатель) контроли­

тезе белков (см . с. 243- 244). Однако иедавно было сделано
выдающееся открытие: в ряде работ было показано, что

рует гены биосинтеза пуринов у бактерий. (А) Когда гуанина мало ,

некодирующие РНК

конформация рибопереключателя позволяет РНК - полимеразе, уже

ки,

начав ш ей тра н скри п цию, продол жать ее , транскрибируя гены био­

не известную роль в р егулировании геююй экспр ессии.

-

-

те, с которых не считываются бел­

широко распространен ы в клетке, и они играют ранее

синтеза пуринов . При этом экспрессируются ферменты, необходимые

Один особенно важный тип некодирующих РНК,

для синтеза гуанина . (Б) Ко гда гуанин в избытке , он связывается с ри­

имеющийся и у растений, и у животных, называется ми­

бопереключателем, что приводит к его конформацио~ной перестрой ­

кроРНК

ке. Новая конформация содержит двуцепочечную структуру (красная) ,

400

заставляющую пол имеразу прекратить транскрипцию, не дойдя до ге­

ней мере одну треть всех генов , кодирующих белки. Эти

нов биосинтеза пуринов. В отсутствие гуанина формирование данной

короткие регуляторные РНК контролируют эксп рессию

(miRNA) .

Клетки человека производят более

разлиЧJ-rых микроРНК, которые регули руют по край­

двуце п очечной структуры бл окировано, так как одна из це п ей Р Н К, ко­

генов,

торая ее образует, спаривается с другим участком рибопереключателя

мРНК и влияя на их стабильность и трансляцию.

комплементарно

связ ываясь

с

определен1-rыми

(см. А) . В данном примере рибопереключатель не дает РНК-полимеразе

Как и в слу чае других типов некодирующих РНК

завершить транскрипцию , блокируя образование м РН К . Д ругие рибо­

(тРН К и рРНК), транскриттт-предшественник микроРНК

переключатели могут ко нтрол ировать трансляцию уже синтезирова н ­

подве ргается

ных мРНК. (С разрешения

для полу ч е ния з релой микроРНК Эта микроРНК за­

Macmillan Pu Ы ishers Ltd из:
R.R . Breaker, Nat. Rev. Мо/. Ce/lBio/. 5: 451 - 63, 2004.)

М.

Mandal and

специальному

лроцессингу

(обработке )

тем образует комплекс со с пеци али зирова 1-Lными белка­
ми, называющийся RISC (от аигл. RNA-induced sileпcing
complex - РНК-и ндуцируемый комплекс инактивации).
RISC патрулирует цитоплазму в поисках мРНК, ком­

'

Нетранслируемые участки мРНК

л лем ентарных микроРНК, которую он несет ( РИС .

могут управлять их трансляцией

8-26).

Когда эта мРНК сл аривается с микроРНК, она либо сра­

Когда мРНК уже синтези рована , самый обычный п уть ре­

зу уничтожается нуклеазой, входящей в состав комплекса

гулирования количества белкового продукта

RISC, либо ее трансляция блокируется,

-

контроль

и она пе ренос ится

инициации трансляции. Хотя детали инициации тр анс­

в область цитоплазмы, где ее в конце концов раз рушают

ля ции у эу1<ариот и бакт рий различаются, и те, и другие

д ругие ную1 азы. Как только

Используют одинаковые базовые стратегии для регуляции

ся с мРНК, он снова свободен и может искать следующи е

экс nр ессии генов на этом этапе.

молекулы мРНК Таким путем одна мол екула микроРНК ,

RISC заканчива ет разби рать ­

Посттранскрипционный контроль

273


сайт связывания рибосомы
З'

НЕ ОБРАЗУЕТСЯ

БЕЛОК

ПОВЫ Ш ЕН И Е

j

Т Е МП ЕРАТУР Ы

бело к- р е п рессор тр ансл я ци и

З' НЕ ОБРАЗУЕТСЯ

AUG

5'

._
A,_
U~G:...,_ _ _ З'

5'

ОБРАЗУЕТСЯ
БЕЛОК

БЕЛОК

(А )

(Б)

(В)

5

, _ _ _ __ _ A_U_G_ _ _ _ _ _ _ ,
3

5

~U
~G
'l'l'l'!'_ _ _ _ _ , НЕ ОБРАЗУЕТСЯ
,_ _ _..,,.~ 'l'l'l'!'A
3

(Г)

РИС .

8-25.

З' /

ОБРАЗУЕТСЯ

БЕЛОК

l @ I Ц ll llll! IIII Г

/

БЕЛОК

' 5'

а н т и с мы сл о в ая

РНК

Экспрессия генов может контролироваться путем регуляции инициации трансля­

ции. ( А ) Бел ки, связ ы вающиеся с оп ределе н ной посл едовательностью РН К, могут подавл я ть трансл я­

цию , н е давая рибосоме связаться с сайтом узнава н ия р и босомы (оранжевый), находящимся в нача л е
бактериального гена , кодирующего бел ок . Н екоторые р ибосомаль н ые бел ки используют этот меха­
низм, чтоб ы ингибировать трансля цию с в оей собственной м РН К. ( Б ) м РН К патогенной бактерии

ria monocytogenes

Liste-

содержит «термо ч увствител ьную " последовател ь н ость РН К, которая контролирует

тра н сля ц ию группы ви рулентных ге н ов. Внутри человека-хозяина температура в ыше , чем во внешней
среде; п ри такой тем п е ратур е термочувствительная последователь н ость денатурирует, и вирулентные

гены начинают экс п рессироваться. (В) Связывание малой молекул ы с рибо п ереключателем приводит к

структур н ой п е рест ройке Р Н К, при этом изол и руется сайт уз н ава н ия ри босом ы , и ини ц иа ц ия трансл я­
ции блокируется. (Г) Компл ементар н ая а н тисм ы словая РН К, транскрибированная с д ругого гена, спа­
ривается с определенной РН К и блокирует ее трансляцию . Хотя все эти примеры контрол я трансляции
отн осятся к бактериям, похожие меха н измы используются и у эукариот.

входящая в состав

может удалять одну молекулу

ли совсем н едав но . Хотя мы только наlшн аем осознавать

мРНК за другой, эффективно блокируя образование бел­

реал 1>1-~ый вклад микроРНК в регул яцию экс пресси и , уже

ка, который эти мРНК кодирует.

по11япю , L[TO они являются очень важной част1>ю аппарата

RISC,

Два с войст ва микроРНК позволяют им особенно эф­
фект ивно

регул ироватт,

экспрессию

генов.

одна микроРНК способна регулировать мно1·0 разJшч 11ых
мРI-IК, ес; 1и все ою,r содержат одинаковую последователь1-t0сть, комплементарную данной микроРНК; эти последо­

вател ьности часто расположены в

5'-

клетки для регулирования экс пресс ии ее генов.

Во-пе рвых,

и 3' - некодирующих

РНК-интерференция позволяет уничтожить
чужеродные двухцепочечные РНК
Н екото ры е и з белков, у ч аствую щи е в процесс инге и у п а­

областях. У ч е;ювека некоторые отдельные микроРНК

ковке микроРНК, служат в качестве за щитного механиз ­

таким способом контролируют сотни различных мРНК

ма клетки:

Во-вторых, ген, кодирующий микроРНК, за нимает в гено­

молекул РНК, особен~ю J\в ухцс поч ечных. Многие ви­

ме доволыю мало места по ср,шнению с ге нами, кодирую­

русы и транспозоны произ водят двухцепочечную РНК

щими регуляторы транскрилции. Име11110 малый разме р

на опреJ(еленной стадии своего жизненного цикла. На­

микроРНК является одной из п ричин то 1·0, что их откры-

правл е 1-1ный м еханизм ликвидации РНК, называем ый

274

rЛАВА 8. Регуляция генно й э кспрессии

01-111

организуют ликвидацию

« 1ужерод 1rы хi>


~ предшественник

тка ни к ткани благодаря л еремещению РНК м ежду клет­

лл ~ микроРНК

ками. Этот п ер нос РНК лозволяет цело му растению

ААААА ==зо--==~

J--=

ЯДРО

приобрести устойчивость к вирусу с разу после инфици­

рова ния н ескольких клеток В широком см ысле подоб ное

ци тозол ь

действие РНК-и нтерф ере нции на помин ает некотор ы е

ПРОЦЕССИНГ

ас п ект ы иммунного ответа у ч еловека. В обоих случа­

l

И ПЕРЕНОС В

ях инфицированный организм начинает проду цировать

ЦИТОПЛАЗМУ

белки

<~ атакующие >> молекулы (малы е интерферирующие РНК

~JПШ!!ШQшпr

RISC

или ан титела ) , с п ециаль но созда нные для инактивации

~ ОБРАЗОВАНИЕ RISC

захватч ика и защит ы хозяина.

од н оце п очеч н ая
микроР НК

3

,....,..,__ ___ ,
5

Ученые могут использовать
РНК- интерференцию для выключения генов

поиск

КОМПЛЕМЕНТАРНОЙ
длинный
ком племе н та рн ый

Открытие микроРНК, малых интерферирующих РНК и

мРНК

механизма РНК-иитерфе ре 1щии было встречено с боль­

уч асток

шим э нтузиазмом . РНК-инте рф ере нция стала важным
инструментом для экс периме нтов , позволяющих ученым

мРНК

h
!

мРНК
БЫСТРО
РАЗРУШАЕТСЯ

!

RISC

ТРАНСЛЯЦИЯ

ч ужеродная д вухце почечная РНК

ОСЛАБЛЯЕТСЯ ,

11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111

мРНК ИЗОЛИРУЕТСЯ

t РАЗРЕЗАНИЕ

И В КОНЦЕ КОНЦОВ
РАЗРУШАЕТСЯ

отсоединяется

,,. . '.

, ...; ' .

~

малые

,,111111111111111111111111111'

белки
RIS C

ется для образования зрелой микро РН К. П отом микро Р НК образует с

RISC.

~

ОБРАЗОВАНИЕ

RISC

М икро РН К присоеди ­

RISC к комплементарной ей мРН К. В зависимости от длины ком­

одноцеп очечная РНК

плементарного участка эта м Р НК либо быстро разрушается нуклеазой,

содержащейся в

,,jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj'

РН К

водит к разрушению мРНК . Предшественник микро РН К процессиру­

няет

,,111111111111111111111111111 1

интерфери рующие

РИС . 8-26. Связывание микроРНК с комплементарной мРНК при­

группой белков комплекс , называющийся

DICER

RISC, либо переносится в ту область цитоплазмы , где

ее могут уничтожить другие клеточные нуклеазы.

j

РНК - интерференцией , помогает держать под контролем
этих потенциально опасных оккупантов .

поиск

КОМПЛЕМЕНТАРНОЙ
РНК

Чужеродные двух_цегючечные РНК, появляясь в клет­

ч ужеродная РНК

ке, запускают РНК-интерференцию, первым делом привле-

1<ая белтюв ый комплекс, соде ржащий н уклеазу Di ceг.

Dicet·

___ ___J РНК РАЗРУШАЕТСЯ

Разрезает двух_це почечные РНК на маленькие фрагменты

(примерно 23 ~1уклеотидных пары в длину), которые на­
зываются малые интерферирующие РНК

(siRNA,

от аиzл.

s111all interfer.i11g RNA). Затем эти короткие двух це по Lrечны е
РНК включаются n состаn RISC - того же белкового ком­
ПJ~екса, который может нести микроРНК RISC избавляет­

RI SC

ся от одной цепи, а вторую и сполъзует для поиска компле­
ментарных ей чужерод ных молекул РНК ( РИС. 8-27). Най­
денные молекулы быстро разрушаются, освобождая

RISC

Ю~я: поиска таких же ч ужерод ных молекул РНК.

РНК- интерференция обнаружена у широкого сп ек­

.,,

отсоединяется

РИС .

8-27.

!
~~',
...-'-''--

Малые интерферирующие РНК

(siRNAs)

унич тожают

чужеродную РНК. Двухцепочечн ы е РН К вир усов и л и транспозонов
сначала разрезаются нуклеазой

Dicer.

П олуч ившиеся двухцепочеч­

тра организмов, включая одноклеточные гри б ы, расте­

ные фрагменты встраиваются в комплекс

ния и червей, что говорит об эволю ционной дрешrости
этого механизма. У некоторых организмов, в ч астности
У Р астений, РНК-интерфереиция распростра1-tя ется от

от одной спирали РНК, а втору ю использует для поиска и уничтоже­

RISC , который

избавш1ется

ния комплементарной ей Р НК . Этот механизм служит основой РНК­
интерференции .

Посттран с крипционны й контроль

275


инакгивирова:г,, практич ески любой еен в культурах ~<ле­
ток и ли в ря де слу ча

живот ,-юго. В гл.

•

в в целом ор~:аtrизме р астен ия и ли

10 мы

~соторые позволяют их потомкам ~ помни т ь ~, ка~сим типом

обсудим , ка к этот метод исnоЛ1,зу­

ется для определения функции от1tелы-1ых ге н ов.

Клепш многоклеточных органи змов имеют механизмы,
клето~с им следует быть.

•

Один единсше11ный регулятор транс1срипции, если он э кс­

В то же время РНК- инте рф е ре нция может оказат ,,ся

прессируется в подходящей 1слетке -11р ед шественнике, мо ­

очень полезно й лля раз работки нового эффе ктивного под­

жет запустить образо вание кл еток 011ределе 1111оrо типа или

хода к лечению болезней 'Jеловека. Так I<ак м~югие болез­
ни вы зыв а ются н е пра ви л ыюй э кс пр есс и е й ге но в, во з мож ­

д аж е 11 е;юго органа.

•

Клетки также могут управлять э1сспрессией генов, ко11-

но ст ь выкл ючать эт и ге ны с помощью комплемеIпар1-1ы х

трол ируя события,

молекул малых инте рфе риру ющи х РНК им еет боль ш ое

транс,срипции. Многие из этих м ех а11измов основаны на

кл инич еско е з н аче ни е .

де йствии моле1сул РНК , которые способны влиять на соб­

В за ключ е ни е надо отметить, 'ПО открытие важной
роли РНК в контроле ге нной э кспрессии рас ширя ет н аш е

стве,mую транс1сри11цюо или трансляцию.

•

поним ание типов р егуляторных сетей, котор ыми распо­

МикроРНК

(miRNA)

контролир уют экспрессию генов

путем спаривания с оnределеш-1ыми мРНК и регуляции их

лага ет кл етка. Од ной и з основиых задач биологии в бли­
жайш ем столетии будет определе ни е того , как благодаря

1соторые происходят после 11ачала

стабильности и ч>ансляции .

•

У клеток есть защитный механизм для у ничтожения <$ •1уж е­

взаимоде йствию всех эт их сетей возникают сложные о р­

родной 1.> двуцепочечной РНК, которую часто производят

г~1и з мы , вклю чая н ас с вами.

вирусы. Ученые используют этот механизм, назьшаемый

РНК-интерфере нцией, для инактивации интересующих их
генов, просто инъецируя II клетку двуцепочечную РНК, 1со­

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

торая комплементарна мРНК , тра11скрибирующейся с этих
генов.

•

Типичные эукариотические клетки экспрессируют только
часть

•

своих

генов;

разлиЧJ1ые типы

клеток

возникают в

актиютор

группы генов э кспрессируются в разных клетках по мере

rен-реnортер

их дифференцировки.

дифференцирока

Хотя экспрессия генов может реrулироват1,ся на любом

ком6инаторнwi4

этапе, для болъшm1ства генов основной является регуля­

контроn11

мanwe интерфе­

ция на уровне инициации транскрипции.

•

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

многоклеточном организме благодаря тому, •1то различные

Транскрипция отдельных генов в клетках вк;почается и

выключается с помощью регуляторов транскрипции. Они
действуют путем связывания с 1шроткими последователь­

рмру~ощие РНК

(siRNA)
М8ТИ11Иро1ание ДНК

микроРНК (miRNA)
репрессор
nemtl ~ рмбоrlере1U11ОЧОТ81111
обрсmссж C:UIИ
РНК-интерференци11
nосnранскриnцион­

нwit контроп~,

perymrrop транс­
криnцим
perynlТOpHCUI nо­

(RNAI)
нсn~rено1
IПИ1'8Н8ТИ'18СКО8
НОС118,ЦОIОНИ8

С118ДОIОТ81111НОСТ11

ДНК

ностями ДНК, называемыми регуляторными последова­

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

тельностями.

•

Каждый регулятор транскрипции имеет уникальные ха­

рактеристики, но большю1ство связ ывается с ДНК, ис­

•

Вирус, заражающий бактерий (бактериальные вирусы называ­

11оследовательность амmюкислот, которы е складываются

ются бактериофагами) , может реплицироваться одним из двух

в ДНК-с11язьшающий мотив, 011ределяет то, какая именно

способов . На стадии профага ДНК вируса встраивается в бак ­

последовательность ДНК распознается.

териал ьную хромосому и копируется вместе с бактериальным

У бактерий J>еrул яторы транскрипции обыч1ю связьшают­

геномом каждый раз, когда бактерия делится . На стадии лизиса

ся с регуляторной последовательностью ДНК вблизи от

ДНК вируса выходит из бактериальной хромосомы и реплициру­

места связьшания РНК-полимеразы. Они могут активиро­

ется в клетке много раз . С этой ДНК затем считываются белки

вать или подавлять транскри11цию гена. У эу1ш риот регу­

вирусной оболочки, которые вместе с реплицированной вирус ­

ляторная последователыюсть ДНК может быть удалена от

ной ДНК образуют много новых вирусных частиц , выходящих
из клетки наружу. Эти две формы роста вируса контролируются

щюмотора ,ш много тысяч нуклеотид ных пар.

•

Ре1·уляторы

транскрипции

основными способами:

эукариот

действуют

двумя

( 1) прямым влиянием на сборку

РНК-полимеразы и основных факторов транскрипции
на nромоторе, и

•
•

ВОПРОСВ - 4

ПОJ[Ьзуя один из немногих структурных мотивов. Точная

(2)

локальными изменениями стру1пуры

двумя регуляторами транскрипции

-

с1 и

Cro,

кодирующими­

ся вирусом . На стадии профага экспрессируется с1 , на стадии

лизиса

- Cro. Кроме регуляции экспрессии других генов с1 по­
давляет ген его , а Cro подавляет ген ct ( РИС . 88-4). Когда бакте ­

хроматина в области nромотора.

рию , содержащую фаг на стадии профага , короткое время облу­

У эукариот экспрессия гена обычно контролируется соче­

чают УФ -светом, белок с1 разрушается .

танием нескол ьких регуляторов транскрипции.

А . Что случится вслед за этим?

У многоклеточных растений и животных продукция раз­

Б. Можно ли отменить изменение, произошедшее в (А) , если вы ­

личных регуляторов транскрипции в разных типах клеток

ключить УФ-свет?

обеспечивает эк спрессию только тех генов, 1шторые под­

В. Зачем мог возникнуть в эволюции подобный ответ на УФ ­

ходят для клеток данного типа.

излучение?

276

rЛАВА 8. Регуляция генной экспрессии


белокс1

,,

1

\

t

11

~

I

-~·-- '-ге н е1

ген его

а..

::;

>:S:
о

I

I

ф

~

а
с::

♦
♦

t;

СТАД И Я

:s:

ПР О ФАГА

✓

u"локСго

ген е1

о

а,

ф

т

~

50

60

70

80

90

100

110

число нуклеотидов между энхансером и промотором

РИС. В8-7

\

ген его

♦
♦

СТАД И Я

ЛИЗИСА

этого эксперимента вы бы ожидали? Можете ли вы сохранить
свою репутацию и объяснить получившиеся результаты профес­
сору Квазимодо?
ВОПРОС В-В

Многие регуляторы транскрипции образуют димеры, состоящие
из двух одинаковых субъединиц. Почему это выгодно? Опишите
три структурных мотива , которые часто используются для связи с

ДНК . Какие именно свойства помогают им выполнять эту задачу?

РИС. В8-4
ВОПРОСВ-9

Репрессор л связывается с сайтами в геноме вируса л, необходи­

ВОПРОСВ-5

мыми для подавления литичес к их генов вируса , в форме диме ­

(Верно/неверно) Если ядро полностью дифференцированной

ра . Это необходимо для поддержания стадии профага (интегри­

клетки моркови пересадить в яйцеклетку лягушки с удаленным

рованного в геном бактерии) . Каждая молекула репрессора со­

ядром , пересаженное ядро донора способно заставить приняв­

стоит из N-концевого ДНК- связывающего домена и С -концевого

шую его яйцеклетку развиться в нормальную морковь . Объясни­

домена , необходимого для димеризации ( РИС. В8-9 ) . При индук­

те свой ответ.

ции (например, при освещении УФ-светом) литические гены на­

ВОПРОСВ-6

териальная клетка лизируется . Индукция инициируется путем

чинают экспрессироваться , образуются новые л-вирусы, и бак­

Какие из следующих утверждений верны? Объясните свои ответы .
А . У бактерий , но не у эукариот, большинство мРНК кодируют
больше одного белка .
Б . Большинство ДНК-связывающих белков связывается с боль­

разрезания репрессора л в области между ДНК-связывающим и
димеризующим доменами ; при этом репрессор отсоединяется

от ДНК. В отсутствие связанного репрессора к генам присоеди­
няется РНК-полимераза , и начинается стадия лизиса. Допустим ,

шой бороздкой двойной спирали ДНК .

что количество (концентрация) ДНК-связывающих доменов не

В . Из всех этапов, на которых может происходить контроль ген­

меняется при разрезании репрессора . Как вы думаете , почему

ной экспрессии (транскрипция , процессинг РНК , транспорт РНК ,

разрезание вызывает отсоединение репрессора от ДНК?

трансляция , контроль активности белка) , инициация транскрип­

место

ции является самым обычным этапом контроля.

разрезания

Г: Атомы цинка в ДНК-связывающих белках, которые содержат
домен « цинковый палец», способствуют специфичности связы­

вания с помощью специфичного взаимодействия с азотистыми
основаниями .

ВОПРОСВ-7

В лаборатории профессора Квазимодо вам необходимо опреде­
лить, насколько далеко энхансер (сайт связывания для белка-ак­

тиватора) может быть отодвинут от промотора гена прямой спи ­
ны и при этом все еще активировать транскрипцию. Вы систе­
матически изменяете количество нуклеотидных пар между эти­
ми двумя сайтами и затем определяете уровень транскрипции ,
измеряя количество образовавшейся мРНК. На первый взгляд ,
ваши данные выглядят странными ( РИС. В8-7 ). Какой результат

мономеры

димеры

репрессора

репрессора

сайт связывания с ДНК

РИС . В8-9

ВОПРОСВ-10

Ферменты для биосинтеза аргинина расположены в нескольких
позициях в геноме Е.

coli и

координировано регулируются регу­

лятором транскрипции , который кодируется геном

argR. Актив-

Вопросы в конце главы

277


ность белка ArgR зависит от наличия аргинина. При связывании с

тверждает первое предложение этого вопроса , и объясните , по­

аргинином

чему он его подтверждает .

ArgR меняет конформацию ,

при этом резко меняется

его афинность (сродство) к регуляторным последовательностям

ДНК в промоторах генов ферментов биосинтеза аргинина . Зная ,
что

ArgR

является белком - репрессором , предположите , будет

ВОПРОСВ-13

На рис .

8-19

показана простая схема того , как при развитии ор­

ли он сильнее или слабее связываться с регуляторными после­

ганизма с помощью трех регуляторов транскрипции можно соз­

довательностями ДНК , если аргинин имеется в избытке .

дать восемь различных типов клеток. Сколько различных типов

Если бы

был белком-активатором, то увеличивало бы

клеток можно создать по такой же схеме , используя четыре раз­

или уменьшало связывание с аргинином его сродство к регуля ­

личных регулятора транскрипции? Как написано в тексте, МуоО

торным последовательностям ДНК? Объясните свои ответы.

является регулятором транскрипции , которого достаточно для

ВОПРОС

бластах. Как это наблюдение соответствует схеме, показанной

ArgR

индукции экспрессии генов , специфичных для мышц, в фибро­

8-11

Когда впервые обнаружили , что энхансеры могут влиять на
транскрипцию генов,

промоторы

которых удалены от них

на рис.

8-19?

на

много тысяч нуклеотидных пар, были предложены две модели

ВОПРОСВ-14

объяснения этого эффекта . Модель « петли ДНК» предполагала ,

Представьте себе две ситуации, изображенные на РИС . QB-14 .

что транскрипция инициируется благодаря прямому взаимо­

В клетке

действию между промоторами и белками, связанными с энхан­

является активатором для множества генов, включая свой соб­

сером. Модель « сканирования » или « сайта вхождения » предпо­

ственный . В клетке 11 короткий сигнал индуцирует синтез белка

I короткий

сигнал индуцирует синтез белка А , который

лагала, что РНК-полимераза (или какой-то другой компонент

R,

транскрипционного комплекса) связывается с энхансером и за­

нов , включая свой собственный. В какой из этих ситуаций по­

тем движется вдоль ДНК, пока не найдет промотор . Эти две мо­

томки клетки будут « помнить» , что родительская клетка получила

дели протестировали, используя энхансер на одном фрагменте

этот короткий сигнал? Объясните ваш ответ .

ДНК и ген ~-глобина с его промотором на другом, отдельном
фрагменте ДНК ( РИС. В8-11 ). В смеси из отдельных фрагментов

ген ~-глобина не экспрессировался. Однако, когда эти два от­
резка ДНК связали друг с другом с помощью белка-линкера, ген

~-глобина начал экспрессироваться.

который является репрессором и выключает множество ге­

(А) КЛЕТКА

1

кратко0
временный
~ ~
_ ВЫКЛЮЧЕН
_ __ _ _
_
_ _____
_
_ ---+ _~'/'
_
_
.._
_
сигнал
, - -..._
--~
,---- _
---+

ген белка-активатора

Можно ли с помощью этого эксперимента определить, какая

из двух моделей верна? Объясните свой ответ.

включает свою

собственную
транскрипцию

11
кратко ­

биотин, присоединенный

/

белок-активатор

мРНК активатора
(Б) КЛЕТКА

"'- --------,

к одному концу каждой молекулы ДНК

энхансер

включается
транскрипция

ВЫКЛЮЧЕН временный

сигнал_;=::=~====..
- - - ·•--- ----+
ген репрессора

ген р-глобина

включается

---------

транскрипция

выключает свою

мРНК репрессора

бел о к - репрессор
собственную
транскрипцию

энхансер

РИС. В8-11

-

промотор

транскрипция

РИС. В8 - 14

ген р-глобина

ВОПРОСВ-15

Обсудите следующее утверждение : « Если экспрессия каждого
гена зависит от некоторых регуляторов транскрипции , то экс ­

прессия этих регуляторов, в свою очередь , должна зависеть от

ВОПРОСВ-12

экспрессии каких-то других регуляторов и их экспрессия тоже

Дифференцированные клетки организма содержат одинаковые

должна зависеть от еще каких-то регуляторов и т . д . Таким об­

гены. (Среди немногих исключений из этого правила

клетки

разом , клетке понадобится бесконечное количество генов, боль­

иммунной системы млекопитающих , в которой формирование

шинство из которых будут кодировать регуляторы транскрип­

-

некоторых специализированных клеток основано на ограничен­

ции ». Как клетке удается сводить концы с концами, не пытаясь

ных перестройках генома . ) Опишите эксперимент, который под-

достичь невозможного?

278

ГЛАВА 8. Регуляция генной экспрессии


-

~

I \

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ
ИЗМЕНЧИВОСТИ

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СЕМЕЙНОГО ДРЕВА
ВСЕХ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ
ИЗУЧЕНИЕ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
Любые два ч еловека отличаются друг от друга . Вз гляните
на группу людей в классе или в автобусе: каждый индивид
отличается огром ным числом наследуемых пр изнаков

-

РИС .

9-1.

Группа английских школьников иллюстрирует понятие

цв етом волос , глаз, кожи , ростом, телосложением и т. д .

изменчивости. Н еболь ш ие различия последовательно сти нуклеотидов

( РИС. 9-1). Мы все 11ринаю1 ежим к одному виду, но оч евид-

отвечают за различия во внешности индивидов . (С разрешения

11 0, что наш и ген омы н е соде ржат в точности одну и ту ж е

Pragoff, Wellcome lmages.)

Fiona

информацию.

Такие разл ичия нуклеот и дны х п оследовательн остей
м ежду организмами создают и сход ный материал, на осно­

ме нны х о рга 1-rи з мов, может r1р оли1ъ свет н а ход эвол юци ­

вании кото р ого л,ействует эвол юция. Из м е 1-1чивос1ъ, пре·

он н ого про цесса , создав ш е го и х. В закл ючени е ,-лав ы мы

терпевавшая в те ч ение миллиардов клеточ 1-1ы х 1 юколений

детальнее рассмотрим геном ч елове ка, чтобы узнап,, LJТCJ

с нач ала жиз ни на Земле давление естестве н ,юго отбора,

11ai.uи собственны е п оследовател 1,ност и Д НК могут ска­

ле 1·щ1 в основу удивител 1, ного разнообраз ия форм жизни,

зать 11 ам о том, 1<то мы и откуда взялись.

11

аселяю щи х Землю сегодия,

-

от бакте ри й до китов. Раз-

1-rообразие видов завис ит от хру п ко го рав ,-ювесия между
1

<онсервативной точносп,ю репликации ДНК, поз воля ­

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ

ющей потомкам насле;~овать достои н ства их предков, и
ошибками репликации и п оддержания генома, которые
позволяют орга н измам « и с пы тывать,> н овые свойства и

ИЗМЕНЧИВОСТИ

создают в ходе эвол юции н ов ы е возможн ости . Если то ч ­

ДНК, наследуемые кажд 1,Lм орга ни з мом от своих предков :

ка этого равновесия была бы иной, вся история жиз н и на

Земле п ошла б ы по-другому.

Эволюция

действу ет,

и с п ользуя

rюследовател ыiОсти

11 е существует общего меха низ ма для созда н ия дл инных
сегмен тов

совер ше нн о

н овых

н уклеот и д ных

по следова­

В этой главе мы обсудим, как 1·е ны и ге 1 юмы изме­

тель н остей. В этом смысле никакой ген и ~1и какой геном

няются с теч е ни ем времен и. Мы изу чим молекуля рн ые
М еха ни зм ы , приводящие к ге 11 ет ич еским и зме н е ниям , и
Уз нае м , как и 11форма ци я, соде ржащая ся в ге номах сов ре·

н е может быть 1ю -настоящему н ов ым . Эволю ци я боль ш е
похожа 11а ремесле нника, ч ем н а изобретателя: все удиви­
тел 1, н ое разн ообраз и е форм и функций, которое мы видим


в живых системах,

-

это результат вариаций на уже суще­

ВОПРОС9 - 1

А В этой главе утверждается , что генетич еская изменчивость

ствовавшие темы .

rl' полезна для вида ,

Од нако нако п ление таких вариаций в тече н ие милли­

8

онов поколений может приводить к радикальным измене­

ниям. В эволюци и особе н но важны несколько осн ов 11ых
типов ген етических изме нений ( РИС.

9-2):

поскольку она увеличивает его способ-

ность адаптироваться к из меняющи м ся условиям . Почему же

тогда клетк и п ри л агают бо л ьши е усилия к тому, ч тобы об е сп е чи т ь
точность р е пли к ации Д Н К?

Мутация в геие: существующий ген может изменять­

•

ся мутациями : заменой одного нуклеот ида на другой,

таких общих генов лежат в основе многих существен­

вы п аде нием или вставкой одного или нескольких ну­

клеот и дов. Мутации могут влиять на активность или

стабильность белка, изменять п оложени е в клетке и

ных различи й м ежду этими в идами .

•

влиять на его взаимодействия с другими белкам и.

Дуплu~сацuя гена: существую щи й ген, более длинный
сегм ент ДНК или даже целый геном могут дуплиц иро­

Мутации в регуляторной ДНК гена: мутации в участ­

ваться ( удваиваться) . Это приводит к возникновению

ках ДНК, регулирующих актив ность гена, мо гут вли ­

нескольких близкородственных ге н ов в одной клетке.

ять на то, когда и где экспрессир уется этот ген ( см .

При делении клетки и ее потомства исходный ге н и

гл.

его копия могут п олучать до п олнительные мута ции и

8).

Например, люди и рыбы имеют неожиданно

большое число общих генов, 1-10 изменения регуля ции

п риобретать функции и характер экспрессии, отлича­
ю щ ие их друг от д руга и от п р едкового 1:е н а.

•

Перемешuваиuе э1СЗоиов: два или более гена могут раз­

рыватъся и воссоединяться с образованием гибридных
ИСХОДНЫЙ

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ
ИННОВАЦИЯ

ГЕНОМ
МУТАЦИЯ

довательностей интронов. Поскольку эти последова­
тельност и удаляются в ходе сгшайсинга РНК, р азрыв

_J

регулятор ная
ДНК

МУТАЦИЯ В

и сш ивка не должны обязательно происходить в точно

РЕГУЛЯТОРНОМ

о п ределе нном месте для того, чтобы новый ген был

УЧАСТКЕ

L- ген

фующиональны м.

Горuзоиталъиый переиос zеиов: фрагмент ДНК может

м утация

__J

быть перенесен из генома одной клеши в ге н ом другой

~

клетки; и ногда такой перенос происходит даже между

м РНК

разным и видами. Этот процесс, редкий у эукариот, но

ДУПЛИКАЦИЯ

распростран енный у п рокариот, отличается от обыч­

ГЕНА

ного << вертикал1,ного ~> пере1-юса генетической инфор­

L- ген __J

ген А

мации от родителей потомкам .

Каждый из приведенных механ измов создания генети­

ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

ч еской изменчивости

экзонов

+

жавшие отдельным генам. У эукар иот разрыв и вос­
соединен ие часто п роисходят в нутри длин н ы х после­

В ГЕНЕ
L _ _ ген

ге н ов, содержащих сегменты ДНК, р анее принадле­

+

-

от простых мутаций, происходя­

щ их в гене, до дуnликаций , делеций, п ерестроек и вста­

вок, затрагивающих иногда более протяженные участки

ген В

генома,

-

играл важную р оль в эволюции современ ных

организмов. О ни п родолжают играть эту роль и сегод ня,
поскольку ор 1·анизмы пр одолжают эволюциони ровать . В

орга н изм А

этом разделе мы обсудим основные механизмы возники о­
вения генетической измен чивости и их последств и я для

эволюции геиомов. Но сначала остановимся н енадолго

для обсуждения осложнен ий, связанн ых с п оловым раз­
множением,

-

механизмом, используемым многими ор­

ганизмами для передачи генетической иJ-Iформации буду­
щим поколен иям.

органи з м В

В организмах , размножающихся половым путем,
организм В
с н овым ге н ом

РИС.

9-2.

Гены и rе номы мо гут изм е ня ться с помощью несколь ­

ких механизмов . В клад в э волюцию ге нома вно с ятточечны е мутации ,

потомству передаются только изменения,

происходящие в зародышевой линии

У бактер ий и п рочих одноклеточ н ых организмов, воспро­
изводя щихся бесп олым путем, наследование ге нетической

дел е ции , други е п е ре стро йк и и даже п рито к с в еже го ге н ет ическо го

информации осуществляется достаточно просто. Каждая

матери а л а .

особъ ко пи рует свой геном и затем разделяет его на две ч.а-

280

ГЛАВА 9. Ка к э волюциони р уют ге ны и rе н омы


сти ,

t половая клетка

озда вая д ве доч ерние клетки . Семе йное дре во таких

организмов

-

это про сто ветвящаяся д иагр а мма кл еточ­

клетки зародышевой
линии

ны х делеиий, н а прям у ю связ ыва ющая каждую особь с ее
потомк а ми и пр едка ми.

Для многоклеточного организма, воспроизводя щегося

t

• •-•-•i•-•
•

клетка

•✓ в' .

пе рвых, при половом раз множе нии происход ит пе ре м еши­

I \

I \

слециа.,1ыю созданные для пе ре носа копии генома особи в

•
•
•
•
••••••••

следующее поколение. Эти специализированные репродук­

РОДИТЕЛЬ

вание rеномов двух особей с образованием потомков , гене­

,~ ,~ ,, ,~

тически отличающихся от обоих родителе й. Во-вторых, в

тивные клетки

-

половые клетки

-

клет ки ,

зультате ч е го воз никает новая особь (см.гл.
ные клетки тела

соматические клетки

-

соматические клетки

соматические клетки

РЕБЕНОК

(gerrn ce]ls), или zаметы

соединяются в гrроцессе оплодотво рения, в ре­

(gametes), -

линии

'\.._

половая зигота

п оловым путе м, семейные с вяз и з начител 1, но сложнее. Во­

этом процессе используются генетические послы

клетки зародышевой

19). Все оста.,ть­

(somatic cells) -

РИС.

Мутации в клетках зародышевого пути и в соматиче­

9-4.

ских клетках имеют разные последствия. Мутации , происходящие
в клетках зароды ш евого пути (А), могут передаваться потомству (зе­

обречены погибнуть, не оставив собственных потомков
(РИС. 9-3). Линия клеток, и з которой образуются половые

леный). Мутации, происходящие в соматических клетках (В), напро­

I<летки, называется зародышевым путем (geгm

не передаются потомству этого индивида. Как мы обсудим в гл .

line). Имен­

тив , влияют только на ту особь , у которой возникают (оранжевый), и

20, со­

но по делениям ютеток за родыш евого пути можно просл е­

матические мутации отвечают за большинство случаев возникновения

дить гrредыдущие поколения каждого органи з ма и , в конеч ­

рака у человека (см . с.

641 ).

ном счете, дойти до н ашего общего предка - первой клетки,

образовав ш ейся при возникновении жизни более 3,5 мл рд
лет назад . В этом смысле соматические клетки существуют

следствия для особи, у которой она возникла (например,

лишь для того, чтобы помогать клеткам зародышевого пути

вызывать рак); однако она не передается потомству орга­

выживать и продолжать род .

низ ма ( РИС.

Все это означает, что мутация передается следующе­

9-4) . Поэтому, прослеживая генетические из ­

м е не ния, накапливающиеся в ходе эволюции , мы должны

му покол ению ли шь в том случае, если она произ ошла в

рассматривать лишь события, происходящие в клетках за­

l<Л етке з ародышевого

родышевого пути .

п ути . Мутация, происходящая в

соматической клетке, может иметь н еблагоприятные по-

Половое размножение вкточает п еремешивание ча­
стей rеномов, и этот процесс влияет на передачу ге н ети­

. •-•-•-•-•
t половая клетка

клетки зародышевои
линии

•

ческих измене ний потомкам. Однако многие из основных
м еханизмов , создающих ге н етическую и з менчивость ,
клетки зародышевои

~инии

'\.._
•

половая зигота

клетка

механизмов копирования и поддержания ДНК

I \

••••
••••••••
,~

,~

f\

Несмотря на существующие сложные м еханиз мы, при­

,~

соматические клетки

РОДИТ ЕЛЬ

бесполым путем, что мы сейчас и обсудим .

Точечные мутации вызываются сбоями нормальных

•✓ ......
I \

не

различаются у организмов, размножающихся половым и

з ванные обеспечить точное копирование и неизменность
соматические клетки

РЕБЕНОК

последовательностей ДНК, каждая пара нукл еотидов в

геном е имеет определенный небольшой риск измениться
при делении ю,етки . Изменения, затрагивающие отдель­

РИС. 9-3. Клетки зародышевого пути и соматические клетки

н уто пару нуклеотидов , называются точечными мутаци­

имеют принципиально разные функции. У организмов, воспро­

ями

изводящихся половым путем , генетическая информация переносит­

редких ошибок, происходящих при репликации или ре па­

ся в следующее поколение с использованием специализированных

рации ДНК (см . гл.

клеток - клеток зародышевого пути (показаны красным цветом). От
них происходят половые клетки (красные полукруги) . Половые клетки

Скорость точечных мутаций была измерена напрямую
в экспериментах на бактериях, в частности на Е. coli. В ла­

показаны полукругами , поскольку несут лишь половину генетической

бораторных условиях Е.

информации , содержащейся в остальных клетках тела (круги) . Когда

в

20- 25

две половые клетки встречаются при оплодотворении, они образуют

Е.

coli

оплодотворенную яйцеклетку, или зиготу ( фиолетовый) , которая вновь
получает полный хромосомный набор . При делении зиготы образуют­
ся новые клетки зародышевого пути и соматические клетки (синий).

~ra

Земле,

мутаций. Таким образом , культура, содержащая

Соматические клетки образуют тело организма, но их ДНК не вносит

Е.

вклада в следующее поколение .

несколько отличаются от генома предковой клетки. Неко-

(point rnutations).

Они в основном возникают из-за

6, с. 204- 213).

coli

делится приблизительно раз

мин; менее чем за один день единственная клетка

способна произвести больше потомков, чем людей

-

достаточно для того, чтобы с высокой вероят­

н.остыо произошла почти каждая из возможных точечных

coli,

109 клеток

несет миллионы мутантных клеток, геномы которых

Возникновение генетической изменчивости

281


мутантные клетки Е.

расти в отсутств~и

КЛЕТКИ ДЕЛЯТСЯ ,

ПОСЕВ

\\

гистидина (H1s ) НА КУЛЬТУРУ

МУТАЦИЯ В КЛЕТКЕ Нis­

неактивный
ген

АС Т

ред кая колония мутантных

среда без

coli,

которые не могут

\\ ВЫБОРКА

ВОЗНИКАЮТ

КЛЕТОК

--

гист идин а

НА ЧАШКУ ПЕТРИ

в богатой среде ,

бактерии, в которых

включающей гистидин,

произошли разные

бактерии начинают

РЕВЕРТИРУЮЩАЯ

МУТАЦИЯ В КЛЕТКЕ

мутации

размножаться

!
UGA

His+, которые могут

расти при отсутствии

ПЕРЕСЕВАЕТСЯ

МУТАЦИИ

His

клеток

гистидина

активный

1 L
АС С

His

ген

!
!

мРНК

UGG

СТОП-КОДОН

мутация «выключает» синтез

фермента , необходимо го
для синтеза гистидина

His+

TG G

мРНК

белок

ревертирующая мутация

восстанавливает синтез

РИС .

9-5. Скорости мутаций можно измерять в лаборатории. В этом эксперименте используется
линия Е. coli, несущая вредную точечную мутацию в гене, необходимом для создания аминокислоты

фермента, необходимого
для синтеза гистидина

гистидина . Если гистидин присутствует в питательной среде, эта линия может расти и делиться нор­

мально . Если вырастить большую (скажем, содержащую 10 10 клеток) культуру этой линии и пересеять
ее на чашку Петри, содержащую агар без гистидина, большинство клето к погибнет. Редкие выжившие
клетки будут содержать обратную мутацию (замену АТ на

GC), которая

исправляет исходный дефект и

позволяет бактериям расти при отсутствии гистидина . Такие мутации происходят случайно и лишь из­
редка , но возможность работать с очень большим числом клеток Е.

coli позволяет засечь это изменение

и точно измерить его частоту. Эксперименты такого рода показали, что скорость спонтанного мутаге­

неза у Е. coli приблизительно равна 1 ошибке на 109 скопированных нуклеотидов.

торые из этих мутаций дают селективное пре имущество

Точечные мутации могут изменять регуляцию гена

н есущим их клеткам, li а прим е р устойчивост1, к яду или

способностъ выживатъ при отсутстви·и стандартных пита­

Мутации кодирующих последовательностей генов достаточ­

тел~,ных веществ. Подвергая кулътуру действию отбора,

но легко выявит~,, поскольку они

на пример добавляя антибиотик или убирая необходимое

ную последователь н ость кодируемого белка предсказуемым

питател ыюе вещество , можно наход ить эт и « иголки в сто­

образом. Од н ако н арушения в регулято рной ДНК распоз­

ге сена ~

н ать СJюж11 ее: такие мутации вь u,лядят как незн ачительны е

-

клетки с о пр еделенной мутацие й , п озволяюще й

изме 1-rnют аминокислот­

им выживать при та1<их условиях, при котор ы х исход ны е

и змене 1Lия в дли11ных сегментах ДН К, чья точная 1-1уклео­

клетки выживать н е могли ( РИС .

тидная поСJтедовател ыюсть н е кажется важ 1-юй. А поскош)ку

9-5) . Та.к можно опреде­

лить , насколь1<0 часто происходит определенная мутация,

ре гулято рны е

и, следователыю, узна:~ъ об щую скорость мут ирования у

н екото ром расстоя ни и от кодирую щей последовател 1, ности

Е.

ре гулируемого ими гена, п оиск таких элеме 1пов и затрагива­

coli: она составляет при близ итель но 1 мутацию иа 109 пар

последователь н ости

могут располагаться н а

тирован ия составляет

ю щих их изменений - особе1шо с1юж1-1. ая задача.
Несмотря на все трудности , обн аруже н о много случ а­

ную1.еотидов, т. е.

е в, ко 1'да воз нитаюв ени е точечных м у тац ий в регулятор ­

нуклеотидов за клеточное деле ни е. У тодей ско рость му­

0,1 мутацию на 109 с1<о пироваилых
в 10 раз меныпе, чем у Е. coli.

Точечн ые мута ции дают возможность тон . ко р еrули ­

н ой ДНК имело зн ачитель ные последств ия для орга ни зма.

роватъ функцию гена путем ~1еболыuих из м е 1-1 ений его

Например, некоторы е люди обладают устоЙ 0JИвост ыо к

последователь ност и. В то же время они могут у ничтожать

малярии и з-за точе 0п-юй мутации; эта мутация влияет на

ге ны . Однако очень часто в резул ътате точе 0 1н ь1J( мутаций

экс пресс ию р е цеп то ра на поверхности клетки, к которо­

не происходит ни того , ни другого. Во м н огих пози циях

му прикре п ляется возбудитель малярии

rено~а то ч е 0 rные м ута ции н е оказывают никакого воздей­

Мутация препятствует прои зводству ре цептора в э ритро ­

Plasmodium vivax.

ств ия н а вне1шmй вид или жизнес пособ ность орга ни зма.
Таки е иейтраJtъuые м утации (ne u tгaJ inн tat i ons ) могут

ще 1-1ны ми от инфек ции . Точечные мутации в регуляторной

происход и ть в у ч астках, по следователыюсть котор ы х н е

ДНК также играют роль в нашей с п особности перевар и ­

цитах ,

и люди с так им

н арушением оказываются

за щи ­

важна, например в интронах; могут изменять третью по ­

вать сахар лактозу. Древ нейши е предки ч еловека н е усваи­

зицию кодона так, что в результате кодируемая а миноки с­

вали ла1<тозу, гюсколъку фе рм е 1-1 т лактаза , рас щепляющий

лота остается той же самой; или приводят

лактозу, с 1н~тезировался только в младен 01еств

1< замене амино­

. Взрослые,

кисJюты на сход н ую в такой поз иции белка, в 1<оторой в

которые болыr.rе н е питал и с ь грудным мол око м , не н ужда­

рав ной степ ени го;~ятся обе эти аминоки слоты .

л и сь в этом ферме н т

282

ГЛАВА 9. Как эволюционируют гены и геномы

.

Когда прибли зительно

10

ООО лет


дол я популяци и
с пер е но с имостью
л акто з ы

-

100%
90- 99%
80- 89%
70- 79%
60-69%
50- 59%
40-49%
30- 39%
20- 29%
10- 19%
0- 9%
н ет данны х

1
австралийски е

а бори ге ны

РИС.

9-6. Способность взрослых людей переваривать молоко появилась вслед за одомашни­
10 ООО лет н азад л юди , н аселя вши е се ве р н ую Евро пу и це н тр ал ьную Афр ику,

ванием скота. О кол о

одом ашнили скот, и в дальн ей ш е м н аличи е м ол ока стал о да вать ко н куре нтн ое пре и м ущество тем из

них , кото ры е б ыли сп особ н ы п ере ва ривать л актозу во взро сл ом возрасте , о собе нн о в п е риоды гол ода .
В ч ело вече с кой п о пул я ции воз н икли дв е н еза ви симые то ч ечны е мута ции , « в клю ч а ющи е » экс п ресс ию

л актаз ы у в з росл ых : одна - у ж ител ей се ве рн ой Ев р оп ы , друга я - у жителе й це нтрально й Афр ики . Впо ­
сл едствии эт и мутации рас простра н или сь у люде й в раз н ых ре ги он ах м и ра . Н а при ме р , п е ресел е н ие

се ве рны х е вро п ей це в в С е ве рную Аме р ику и в Австрал ию объя с ня ет, п оч е му большин ство людей, н а ­
сел яю щи х эт и ко нти н е нты , мо гут п еревари в ать л актозу во взросл ом воз расте , в то в рем я как коре нн ое
н асел ение сох ра ня ет н е п е р е н оси м ость л актоз ы .

назад л юди нач ал и пол учать молоко от дом ашних жиnот­

самостоятел r,нътм видом. Однако в регуляторных последо­

нь1х, в человеческой пону ля ции воз никл и ва рианты этого

ватель ностя х других генов изменения происходил и гораз­

гена, по звол яющие их но си телям ггродолжать экспр сс и­

до раньш е ; н екоторые из них , по-ви ди мом у, лежат в основе

ровать лактазу во взрослом возрасте. Сейчас мы зн ае м ,

многих глубоких различий между видами (РИС . 9-7).

что взрослые люди , способны е пе реваривать молоко, несут
точе'!ную мутацию в р егулятор н ой по следовател ьности

РОДСТВЕННЫЙ ОРГАНИЗМ В

ОРГАНИЗМА

дНК rена лактазы , позволяющую ему эффективно транс­
с мысле люди, которые могут пер еваривать лактозу,

-

э то

Jt~ последовательности
регуляторные
ДНК

« мутанты ~> по даlНЮМу прюнаку. Прим еч ател ьно , насколь1<0

быстро это новое свойство рас пространилось в поп уля­

ции челове ка, особ 1-tн.о в тех культурах , где молоко состав11ЯJЮ существенн ую Lfасть рациона ( РИС. 9-6).

Эвол юционны е изме1 1 е 1-1 ия в регуляторной последова ­

=

эмбриональная стадия

крибироваться в те ч ен.и е всей и х жизни. В определе нном

регулятор

=rfo

!ВРЕМЯ

транс крипции

1

.,,l+

,,

ог:

1

·-

2

!

11 ,

ген

3

ге н

3

ВРЕМЯ

р е гулятор
т ранскрипции

эмбриональная стадия

тель ности ге н а ла1пазы произошл и относительно неда вно

ген

(10 ООО лет ~~азад). К этом у време1-1и люди уже давно были
(А)

РИС. 9-7. Изменения регуляторной ДНК могут иметь кардиналь­

2

эмбриональная стадия

2

1

••••+

ные последствия для развития организма. (А) В этом гипотетическом
при мере геном ы организмов А и В коди руют один и тот же набор регу­

ляторных белков , однако регуляторная ДН К, контролирующая экспрес­
сию бел ков, различается . Оба организма экспрессируют один и тот же

белок на стадии 1, но на стадии 2 из-за различий в их регуляторной ДНК
эксn ресси руются разные бел ки . (Б) Различия в регуляци и генов при раз­
витии могут существен но влиять на внешн ий вид взрослых организмов .

( Б)

Возникновение генетической изменчивости

283


Дупликации участков ДНК приводят

короткие повторяющи еся

последовательности ДНК

к возникновению семейств родственных генов

ген

- "---

Точечные мутации моrут влиять иа активность существу­

гомологичные

ющего гена; но как возника~от новы е гены? Дулликация

ген

-~ мосомы

генов, пожалуй , самый важный механизм, с помощыо ко­

тороео новы е гены возн икают и з ста рых . После того как

i

rен дулли-цирустся, одна и з двух копий может мутироват 1,

и специализи ров ат ься для осуществления д ругой функ ­

-

ции, а друтая

НЕПРАВИЛЬНОЕ

ВЫРАВНИВАНИ Е

пр одолжать выгrолиять и сход ную функ ­

цию; или же обе копии и зменятся в процессе эволю ции ,

х

так что функция предковоrо гена окажется разделенной

lНЕРАВНЫЙ КРОССИНГОВЕР

между ними. Эта с пециализация ду плицирова~rных rе 1-юв
происходит постепенно, по мере накопления мутаций у
потомков исходной клетки, в которой произо шло ко пи­

ген

ген

рование гена. В резул ьтате повторе ния циклов процесса

дупликации и дивергенции генов

divergence)

(gene dupJication

длинная хромосома

апd

в течение многих миллионов лет из одного

кор о ткая хромосома

гена может воз ни кнуть целое семейство генов в rеноме,

каждый из которых будет иметь особую функцию . Аиализ

РИС.

геномны х последовательностей выявляет многочислен­

цесса кроссинrовера между короткими повторяющимися после­

ные примеры таких семейств. Например , у

Bacillus subtilis

довательностями ДНК. Пара гомологичны х х ромосом пр ете рпевает

лочти половина генов имеет од1юго или н ескольких ~ род ­

рекомбинацию по короткой последовательности (красный) , обрамляю­

9-9. Дупликация генов может происходить в результате про­

ственников~ в других участках ген ома ( РИС. 9-8). У позво­

щей ген ( оранжевый) . Такие повторяющиеся последовательности могут

ночных семейство генов глобинов явно возникло из един­

быть, например, остатками мобильны х генетических элементов, кото­

ственного предковоrо rеиа, как мы скоро увидим. Но как

рые присутствуют во многи х копиях в геноме ч еловека (с м . рис.

же происходит сам процесс дупликации генов?

Когда кроссинговер происходит та к, как по каза но н а рисунке , длинная

Предположительно многие дулликации rенов

6-35).

это

хромосома п олучает две копии гена, а в короткой х ромосоме ген будет

результат процесса гомологичной рекомбинации. Гомо­

утерян . Тип кроссинговера , создающий дупли кации генов , называется

логичная рекомбинация, как правило , происходит только

неравным кроссинговером , потому что получающиес я продукты им е ют

тогда, когда два длинных у<rастка почти идентичной ДНК

разный размер . Если этот процесс происходит в клетках за родышевого

оказываются спаренными; как правило, эт о один и тот же

пути , часть потомства унаследует длинную хромосому, а другая часть

-

сегмент ДН К на двух гомологичных хромосомах (см . гл.

с.

210- 213).

6,

-

корот к ую хромосому.

Одиако в редких случаях рекомбинация мо­

жет произойти м ежду двумя короткими последователъно ­

стями повторяющейся ДНК, оказавшимися с разных сто-

рон от одного гена. Если произойдет кроссинговер, одна и з

хромосом приобретет лишнюю копию гена, а вторая

-

по­

теряет ее ( РИС. 9-9). После того как ген дуплицировался та­

283

764

гена

генов,

не принадлежащих

/

4 - 19 членами
273

2126

семействам

в семействах
с

ким способом, последующие кроссинговеры могут тем же

гена

в семействах
с 20- 77 членами

родственных генов , объед иненных в посл едователыюсти ;
такие семейства часто наблюдаются в rеномах.

как дупликация и последующая дивергенция генов

3 членами

могут создавать белки, приспособленные
к особенностям организма и его развития
568

генов

в семействах

с

иабору генов. В резулыате возникает множество близко­

Эволюция семейства генов глобинов показывает,

генов

в семействах

с

лутем легко добавлять новые копии к дуплицированному

2 членами

Эволюционная история семейства генов глобинов

-

яр­

кий пример того, как дупликация и дивергенция геиов

способна приводитъ к возникновению новых белков.
suЬti/is содержит множество семейств

Сходство аминокислотной последователъности и струк­

эволюционно родственных генов. Крупнейшее семейство генов в ге ­

туры современных глобинов однозначно свидетельствует

номе В . suЫilis содержит

о том , что все они произошли от общего предкового rена.

РИС.

9-8.

Геном

Bacillus

77 генов , кодирующих разнообразн ые транс­
- белки , п еремещающие вещества через клеточную мембрану
(см. гл . 12). (С разрешения Macmillan PuЫishers Ltd из : F. Kunst et а/ .,
Nature 390: 249- 256, 1997.)

Самая

портеры

284

rЛАВА 9. Как эволюционируют гены и геномы

простая

молекула глобина

150

-

и эволтоционно наиболее древняя

лолипептидная це пъ длиной около

аминокислот, встречающаяся у многих морских чер-


Хромосома

в й, н асе комы х и у н аиболее примитивных рыб. Подоб -

11

11 0 наш ему ге моглобину, этот белок п е ре носит молекул ы

t<ис; юрода по телу ж ивотного [ вероятно , в <~ рыб ,> авторы
вклю ч ают круrлоротых, что при н ято в а~1 1·лийском язы ­

ке. У всех н астоящих ры б, или челюст н оротых, rемо 1·1ю ­
б и11ы тетрамерные ; у к руrло роты х, т. е. ми н ог и ми t<син,
гемоглоби н мо н омерный в оксиге нированной форме и

образует д име ры и ли тетраме ры при дезоксиге н а ции.

100

-

~

При..лt. ред . 1 . Однако молекула, п е ренося щая кисло род в

м

ro

крови взрослых мл екопитающих и боль шин ства других

:t

ПОЗВО I-I ОЧ НЫ Х, CJIO)[Шee: ЭТОТ белок состои т из ч етырех це­

Ф 300

п ей глоби нов двух раз ных типов

a:i

-

гены

с;

а-глобина и ~-глобин а

а-глобина

о

:t

( РИС . 9-10). Четыре сайта, связывающи е кислород в моле­

о

:s:

2:s: 500

кул е а 2 ~ 2 , вза имоде йствуют д руг с другом, ч то обес п ечи ­

::;

вает воз можность аллосте рич еских и з м е не ни й в мол екуле

одноцепочечный

глобин

700
одноцепочечный глобин связывает
одну молекулу кислорода

РИС .

9-11 .

Семейство глобинов человека возникло в результа­

те нескольких циклов дупликаций и мутаций. О коло

500

млн лет

назад предковый ген глобина дуплицировался с образованием ген­
ного семейства f3-глобинов и родственного семейства а- глобинов .
У позвоночных моле кула гемоглобина образуется из двух а -цепей и двух
f3 -цепей , как пока за но на рис .

9-1 О .

Приведенная последовательность

эволюционн ы х событий была выяснена путем сравнения генов глобина

полож ение в геме ,

в котором связывается
кислород

j

ЭВОЛЮЦИЯ ВТОРОЙ

многих организмов. Н апример , нуклеотидные последовательности ге­

нов yGи уд, которые образуют глобиновые цепи для эмбрионального
гемоглобина , гораздо бол ее схожи друг с другом , чем каждая из ни х
с геном

f3,

ЦЕПИ ГЛОБИНА ПУТЕМ

расположе ны единым кластером на хро мосоме

ГЕННОЙ ДУПЛИКАЦИИ
И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ

х ромосомы , произошедш ее около

МУТАЦИИ

-

э кс пр ессирующимся у взрослых. У людей гены f3-глобина

300

11 . Событие

разрыва

млн л ет назад , разделило гены

а- и f3 -глобинов ; гены а -глобинов теперь расположены на хромосоме

16 человека (н е показана на рисун ке).

при связ ывании и диссоциации кислорода. Структурные
изменения позволяют четы р ехце лоче чной молекуле гемо ­

глобин а эффекти вно связыват ь и отдавать четы ре моле­
кулы кислорода в р еж им е <~все и ли нич его~, н а что одно­

цепочечный вариант не с пособен . Такая эффективность
особеш-ю важна для крупных многоклеточных животных,
кото ры е не могут рассчитывать иа про стую д иффуз ию

кислорода сквозь тело для обеспече ния им своих ткан ей .

Гены а- и ~-глобина

-

результат ду плика.ций генов,

которые произо шли н а р анних этапах эволю ции

ночных . Около

500

млн лет назад дуплика.ция ~-ена с п о­

следую щи 1V1и мутациями прив ели

четырехцепочечный глобин кооперативно
связывает четыре молекулы кислорода

поз во­

r< возникновению

двух

н емного различающихся генов глобина; одю, из этих ге-

1-1ов кодировал а-глобин, а д ругой

-

~ - глобин ( РИС. 9-11 ) .

По зже, после того как началась дивергенция млекопита­

РИС . 9-1 О. Из одноцепочечной молекулы глобина возник четырех­

ющих, ген В -глобина, по -види мому, прете рп ел е ще одну

цепочечный гемоглобин, который используется в клетках чело ­

дуплика цию с последую ще й дивергенцией; она привела

века и другими млекопитающими. Молекула гемоглобина млекопи ­

к возник н овению второго гена, .п охожего на В -глобин , ко­

тающих - комплекс из двух цепей а-глобина и двух цепей f3-глобина.

торый с п ецифически эксттресси руется у э м б рионов (см.

Одноцепочечный глобин , встречающийся у некоторых примитивных

рис.

позвоночных, образует димер , диссоциирующий при связывании кис­

имеет более высокое с родство к ки сло роду, чем 1взрос ­

лорода, и представляет собой п ромежуточную стадию эволюции четы­

лый~ гемоглобин, и это свойство помогает п ередавать кис­

Рехцепочечной молекулы .

лород от мате ри плоду.

9-11).

Возни кшая в результате молекула г мо ,-л обина

Возникновение генетической изменчивости

285


Последующи е циклы дупликации г н ов а- и В-глобина

изошл и относитеJ1ьно 1-1 еда в110. I-Iалрим е р, в род лягушек

привели к во з нию-ювению новы х ч ле нов этих семейств.

Xenopus в хою1т несколько бл и з коро1tств е 1111 ых видов ,

Каждый из этих генов лосле ду n ликации из меня J1 ся из-за

которы е отличаются друг от друга множеств е нными ду­

точ чны х мутаций , влиявших на свойства образованной

п лика циями или трипликациями 1'е 11омов ( РИС. 9-12). Та­

молекулы гемоrлобина, и из ме не ний регуляторной ДНК,

кие крупномасштабны е дуплика ции могут вознию1уть ,

определивших, когда и с какой инте н сив ностью экс пр ес­

есл и в зародьп11 евой линии некоторой особи посл е цикл а
ре плика ции геном а не прои з ойдет деления КJ1 етки . По ­

сировался каждый ген.

Помимо этих с п е ци ализи рованных 1'ei-t0в глоби на, о

сле того как в з ародыш е вой ли ш1и слу ч ай но произ ошла

кластерах генов а- и В-глобина присутствует несколько

ду пликация ге нома, удво е нный rе ном п е р едается другим

дуплицированных последовател ьно стеИ ДНК, н е являю­

клеткам за родыш евой ли1-1ии этой особи и в конце концов

щихся функциональными L"енами. По последовател 1, 1-1ости

ее потом ству.

ДНК они сход ны с функциональными L"еиам и глобина; од­
нако экс прессия этих генов была << выключе~1а,> в резул ьта ­

те накопления мутаций. Существование таких псевдоzеиов
(р

eL1dogenes)

показывает, LJТO, как и следовало ожидать,

Новые гены могут возникать
в результате удвоения экзона

н е каждая дуnликация ДНК приводит к образованию

Роль дупликации ДНК в эволю ции н е сводится к рас ши ­

функционального гена. Здесь мы обсудили лишь ролъ ду­

ре нию семейств 1'енов. Она может действовап, и в ме н1,­

nликации и дивергенции в эволю ции генов глобинов; но

ши х масштабах, изменяя отдеJ11,ные 1'е ны путе м внутрен ­

истории многих друrих семейств генов , присутствую щих

них 11улли1<аций. Как обсуждалосъ в гл.

в геном е ч еловека, сходны.

состоят из нескольк их белковых дом.еиов (domaiпs) . Не­

4,

многие белки

которые белки, налрим ер антитела ( см . ри с.

4-29)

или

фибриллярные белки, таки е как коллаген, образуются из

Эволюционная история многих видов

множества калий одного домена , которые посл едователь­

включала полногеномные дупликации

но соедин е ны друг с другом. ТаJ<ие белки кодируются ге ­

Почти каждый ген в геномах позвоно чных представлен в

нами , возникшими в результате множественных ду плика­

нескольких версиях. Это говорит о том , что их эволюци­

ций сегмента ДНК

онная история включает ~1.е только дупликации отдельных

генов, но и дупликацию всего генома. На самом деле весь
-,

rеном, по- видимому, дуплицировался дважды в ранней эво­

люции позво1-ючиых 1 LIТO 11ривело к образованию четырех
копий каждого гена. В некоторых группах позвоночных,
например в семействах лососевых и карповых, в т. ч. у по­

лосатого дани о ( см. рис.

1-39),

возможно, имела место еще

одна ду11ли1<ация, т. е. образовалось

-

г- ИНТР ОН --~

экэон А

8 ко~тий каждого гена.

экэо н А

лликаций в эволю ции поз воночных трудно, посколъку со

времени эт их древни х эволюционных событий произо ­

экэон А

организмов полноrеномны е дуг1ликации особенно оче­
видны, поскольку они ,

по эволю ционным

меркам ,

_......___
гомологичные
хромосомы

-/

НЕПРАВИЛЬНОЕ

l

ВЫ РАВН И ВАНИЕ

Восстан. овить точную историю nолноге н омных ду­

шло много других из м ене 1-1ий. Однако у н екото рых видов

г- интрон -

экэон В

про -

экэон А

-

дл и н н ая хромосо м а

РИС.

9-13 . Рекомбинация

экэон в

-

экэон в

х

НЕРАВНЫЙ

1

КРОСС ИН ГОВЕР

экэон в

ЭКЭОН В

экэон А

может приводить к дупли кац ии экзон а.

Общая схема та же, что п редставлена на рис .

9-9;

короткая повторяю ­

щаяся последовательность показана красным. Однако в данном случае
удваивается не целый ген, а один экзон (синий). мРНК , транскрибиру ­
емая с исходного гена , будет содержать два экзона, А и В , в то время

как с длинной хромосомы будет транскрибироваться мРНК с тремя эк­
зонами А , В и второй копией В . П оследовательность, по которой проис­

РИС.

имеют разные наборы

ходит кроссин говер, находится в интроне , и в результате кроссинговера

(слева) имеет обычный диплоидный

сегмент ДНК, необходимый для сплайсинга, остается неповрежденным .

геном с двумя наборами хромосом в каждой соматической клетке; те­

П оэтому измененная нуклеотидная последовательность может без до­

9-12.

Разные виды лягушки

молекул ДНК.
траплоидный Х.

Xenopus tropicalis
laevis

Xenopus

(справа) имеет удвоенный геном , содержащий

вдвое больше ДН К на клетку. (С разрешения

286

Enrique Amaya.)

ГЛАВА 9 . Кок э волюци онируют гены и ге номы

полнительных изменений сплайсироваться после транскрипции для
создания функциональной мРНК.


У эу 1<ариот 1<аждый белковый доме н в та1<их ге~1ах, как

ных экзо нов , каждый из 1<оторых кодировал около

30- 50

11равило , код ир уется отдел ьным экзо 1юм . Уд воени е этих

а минокислот. Это означает, что все огромное раз нообра­

доме нов в пр еделах ген а может происходить в р езул ьтате

з и е структур белков могло образоваться и з относителыю

раз рыва и воссоединения ДНК в любом месте длинных

небол ьшого набора у ни версальных <<запчастей ,> , 1<оторые

интро11ов с любой сторо ны от э кзо на, 1<од ирующе го до­

объединялись в разл ичных соч ета~rиях.

мен ( РИС . 9-13). Если бы интронов н е

61,1110,

в гене было

бы слиш1<ом мало поз иций, в которых кроссинговер при
рекомбинации гомологичных хромосом мог бы удвоить
до ме н , н е повред ив его . Поэтому считается, ч.то разделе ­

Перемещения мобильных генетических элементов
ускоряли эволюцию генома

ни е 1<одирующих посл ед ов ател ьно стей эу кариотич еск ой

Еще один важный источник rен етичес1<их и з м е ~rе ний , ока­

ДНК относительно коротких э кзонов дл инными некоди ­

завший большое влияние на структуру современн ы х ге но­

рующими интронам~,r ( с м .

мов,

pi,rc. 7-17 i,r 7-18)

существенно

-

мобильные ге нетич еские эле менты (см. гл.

6).

Эти

паразитические лоследовательности ДНК способ ны коло­

упрощает появлеиие новых белков .

ни з ировать 1·е ном и распространяться в н е м. При этом они
часто нарушают функцию или из меняют р е гуляцию су ще­

Новые гены могут также возникать

ствую щих генов; иногда они даже создают новые ге 1-1ы в

в результате перемешивания экзонов

результате слияния посл едовател ьностей мобильных эле­

Та же раз 1-1овидность рекомбинации , которая п озволяет

ментов и се гм е нтов существующих генов .

э кзонам дупли цироваться в пр еделах гена , может прои с­

Вставка мобилъного генети,rеско го элемента в коди­

ходить и между двумя раз ными ге нами. При этом соеди н я­

рующую послед овател ьность гена и ли в е го р егуляторный

ются вместе экз оны , ~,rз началыю находивши еся в раз ных

участок

генах и кодировавшие совершенно разны е белковые доме­

~,аблюдаемых во мног~,rх организ мах . Мобильный генети­

ны . Такой важ ный проц есс на з ывается перемешиванием

ческ ий элем е нт может радикально нарушить работу гена,

экзонов. Рекомбю-~ация , раз рывающая и воссоединяющая

если встроится н е посредств е нно в кодирующую последо­

-

это ч астая причина << Спо 1панных ~ l\lrутаций ,

два интрона, н е обязана происходитъ в точ1ю определен­

вателыюс1ъ. Такая мутация-вставка лишает ген с пособ­

ной поз иции. Поэтому вероятность того, что случайная

ности кодировать полезный белок. Например, некоторые

реко мбинация между интронами разных генов создаст

из мутаций гена фа~<тора

фун1щиональный гибридный ген, оказывается достаточ 1·10

человека, ю-rдуцируются вставкой в ген мобильных гене­

большой. Предполагается, что большое число современ­

тических эле ментов.

VIII, вы з ывающие гемофилию у

ных белков, состоящих i,rз мозаики многих белковых доме ­

Активность мобильных генетичес1<их элементов мо­

нов раз ного происхождения, явля ется р езультатом таких

жет также ~,rз меиить регуляцию ге на. Наприме р , вставка

ре1<0мбииац~,rй ( РИС. 9-14).

элемента в регуляторный участок гена часто будет иметъ

Было показано, что все белки, код ируемы е ге номом

огромное влияние на то, где и 1<оrда этот ге н экспресси ру ­

ООО) , мопrи воз нию-rуть в резул ьтате

ется ( РИС. 9-15) . Многи е мобилъные ге нетические элем е н­

дупликаций и п е ре м ешивания н еск оль1<их тысяч различ -

ты несут последователыrости ДНК, которые распоз н ают-

человека (01<оло

24

H2N

соон

ЭПИДЕРМАЛЬНЫЙ
ФАКТОР РОСТА

H2N

соон

ХИМОТРИПСИН

H2N

соон
УРОКИНАЗА

H2N-

(А)

(Б)

соон
ФАКТОР

РИС.

IX

H2N

9-15. Мутации ,

вызываемые мобильным генетическим эле­

ментом, могут приводить к существенным изменениям в стро ­

соон
ПЛАЗМИНОГЕН

ении тела организма. (А) Нормальная плодовая мушка

melanogaster. (Б)

Drosophila

Антенны мушки превратились в ноги из-за мутации

в регуляторной последовательности ДН К , которая вызывает экспрес ­
сию гена, отвечающего за образование но г, в положении, где в нор­

РИС. 9-14. Перемешивание экзонов может приводить к созданию
белков с новыми комбинациями доменов. Каждый вид значков соот -

ме образуются антенны. Хотя это конкретное изменение не полезно
для мушки , оно показывает, каким образом перемещение мобильно­

ветствует определенному типу белковых доменов. В процессе эволю­

го элемента может приводить к существенному изменению внешнего

ции они объединялись друг с другом ; в результате образовались белки

строения организма . (А - с разрешения Е . В.

человека, показанные здесь.

Matthew Scott.)

Lewis; Б -

с разрешения

Возникновение генетической изменчивости

287


элеме н та, рас п оз наваемых од н ой и то й же тран с п озазо й ,

мобильные генетические элементы
экзон 1А

в ставл яются в бл изк ие п оложе ния 1-1 а х р о м осо м е, Д НК,

экзон ЗА
ГЕН А , содержащий
два сходных мобиль­

,{

ра с по ложе нная м ежду ними , са м а мо же т п е р емест и т 1,­

ся в р езул ,,та т е тран с п оз иции. В ге н о м ах э у к а риот это

ных элемента в

с о здает

интронах

ЭКЗОН 2А ВЫРЕЗАЕТСЯ

ТРАНСПОЗАЗОЙ , КОТОРАЯ

фрагмент

1

ГЕНА А

в результате горизонтального переноса

1В

экзон

экзон

28

38

нормальный
ГЕН В

28

экзон 2А

экзон

До сих пор мы рассматривал и ген етические и з менения ,
происходящи е в ге н оме отдельного вида. Одна ко ге ны и
д р у ги е уч астки ге номов могут также пе р но сит ься м ежду

ВСТАВКА В СЕРЕДИНУ ГЕНА В
ЭКЗОН

р е­

Гены могут перемещаться между организмами

1

/

18

в

та ни ям и

ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

экзон

ЭКЗОН

п е р еме щ е ни я экзо 11 ов;

существу ющи х экзон ов ( РИС. 9-16) .

РАСПОЗНАЕТ КОНЦЫ ДВУХ
экзон 2А

во з мо ж н ос т1, дл я

зул ьт ат е в о з ник а ю т новы е 1·е ны с 1-10 в ы м и со ч

особями разных ви дов . Этот механиз м , и звестный как го­
ризонтальный перенос генов (horizoл ta l gene tгan sfe г) ,

38

р ед ко в стр е ч ается у эу к ариот, одн а ко р аспрост р ан е н с ред и

новый ГЕН В

бакте рий ( РИС. 9-17).

с дополнительным

Напри ме р , Е.

экзоном

coli

приобр ела прибл из ительно одн у

пятую ча сть с в о е го ге ном а от д р у гих в ид о в н а протяж е -

РИС.

9-16.

Мобильные генетические элементы могут приводить

к перестановкам экзонов. Когда два мобильных ге нетиче ских эле ­
мента одного ти па (красный) случ ай но вставляются в хромосом у н е ­

.

о

подале ку друг от друга , механизм транспозиции иногда использует

ко нцы двух р аз ны х эл еме нтов (вместо двух концо в одного эл еме н та)
и при этом п ереносит находящуюся между ними х ромосомн ую ДНК в

новый сайт. Поскольку у человека интроны гораздо дл и нн ее , чем эк ­
зоны , такая транспозиция часто приводит к вставке нового экзона в

существующий интрон.

ся опр еделе ~1ными регуляторами тр анс крипции ; если э ти

... . . .

' • •• t

элементы вставляются в близи гена, ген может оказаться

.

под коитролем но в ых р е гулято ров тр ан с крипции , что р а­

дикал ыю из менит паттерн е го экспрессии. Таким образом ,

.

мобил ьные ген ет ич еские элем еиты могут б ыть крут-1ым

•.

.

.

.
'

:,

...

.

источником из мен ений раз вития , и считает ся , что они

бы л и особе ,шо важны в э вол юции плана строения м ~юrо ­
клеточны х ра стений и животны х.

к

во з никнов е нию

генов ~ -гл об ина, по - вид имому, произ ошл и в р ез ул ьта­
р ассеянными в ге номе ( см . рис.
мо бил ьны е ге н ет ически

9-9

и

6-35).

.

...
.
..
•
.

к л а ст е р а

те кро сс ингов е ров м ежду последов ателыюстями

.

...

но с ть дл я ге номны х п е р ест ро е к , поско лы< у служат ми ­

ш е нями дл я гомологичной р е комбинации . Н а приме р ,
пр ивед ши е

:

.

• . ·:. . . • . . .
.·.. .
. .:·:

Н а конец, мобильны е эле ме 1пы с оздают во з мож ­

ду п л икации,

...

:
.. '

Alu,

,"

\

Од н ако

1

мкм

эле м е нты играют и более н е­

по с редств енну ю рол ь в э волюции ге номо в . Эти параз и ­

РИС.

тич ески е эле м енты не только пе р е меща ют себя сами х ,

зультате процесса, называемого конъюгацией. Конъюгация на­

9-17.

Бактериальные клетки могут обмениваться ДНК в ре­

но и вр емя от в р е м е ни п е р ес тр а ив а ют с о седств у ющую

чинается с прикрепления клетки-донора (вверху) к клетке -реципиенту

с ними ДНК органи з ма-х озяина. Когда д ва мобил ы-rы х

(внизу) тонким отростком

-

так называемой половой фимбрией . ДНК

из клетки-донора затем переносится через фимбрию в клетку-ре ципи­
ент. Н а этой электрон н ой микрофотографии половая фимбрия облепле ­
ВОПРОС9 - 2

А Как вы думаете , почему горизонтальный перенос генов бo­

rl' лее распространен у одноклеточных организмов , чем у мно-

8

288

гоклеточных?

ГЛАВА 9. Как эволюционируют гены и геномы

на на протяжении всей своей длины вирусами , специально связанными

с ней , чтобы сделать ее более заметной . Конъюгация

-

это один из не­

скольких способов , с помощью котор ы х бактерии осуществляют гори­
зонтальный п еренос генов . (С разре ш ения

Carnahan.)

Charles С. Brinton Jr. и Judith

1


нии 11 ослед 1-1и х

100

мл11 л ет. В настояще е время такие

же генетические обме ны служат причиной возникно­

Генетические изменения, дающие селективное
преимущество, сохраняются

вения 1-1овы х и потенциально о п асн ы х ш там м ов бакте ­
рий , устой чивы х

1< лекарстве н 1-1ы м

препаратам. Так , от

одно ,·о вида д р угому могут п е р едаваться гены, даю щи е

Эволю ция часто сч итается

прогресс ивным процессом;

одн ако на молеI<улярном уровне Э 13Ол юция случайна. Рас ­

устой чиво сть к а нтибиотика м. Та кой обмен ДНК дает

смотрим суд 1,бу точечной мутации . Как мы уже обсужда­

бакте рии - р еципиенту колоссалы-юе селектив н ое пре­

л и , в редких случаях такая м ута ция может пр едставляп,

им у щество, по с кольку позволяет ей и збегать действия

собой и змен ени е к лучшему; ОLJень ч асто она не меняет

проти вом икро б ны х пр е пар ато в , которые в совр еме нной

в е роятность

медицине представляют собой п ер еднюю л инию защит ы

13ызывает

от бакте риальных инфек ций . В результате многие анти­

шая

выживания

су щест13 е нные

организма; 1-1.аконец,

повр ежде ния,

иногда она

например

на ру ­

кодирующую посл едовател ьность важного белка.

биотики п е рестали быть эфф е ктивными против рас п ро ­

Изме нения, обусловленные м утациями первого вида, бу­

ст р а ненных заболеваний , для борьбы с которыми они

дут им еть тенд е нцию к сохранению и рас простран е нию

успешно прим еня лис ь раньш е. Наприм ер , больши1-1 ство

популяции , поскол 1,ку организм, наследу ющий их , будет

штаммов

имет ь повыше нну ю вероятность воспроизводства. Изме­

гонорею,

Neisseriagonon·hoeae - бактерии, вызываюшей
- сей ча с устойчивы к п е ницилли1-1 у; по э тому

н е ния, вызываемые мутациями второго вида,

-

13

селектив­

да нный а нтибиотик больше н е используется в качестве

ио 1-1ейтралъиые

основного средства лечения этой болез ни.

рас пространиться или исч ез нуть: будут ли раз множатся

(selectively

n e utгal ) из м енения

-

могут

более услеш но орга н и з м-мутант или его родстве нники , не
несущи е м ута ции, зависит от случая. Напротив , мутации ,

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СЕМЕЙНОГО ДРЕВА
ВСЕХ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ

вызывающие се рь езные повр ежде ния , привод ят в тупик:

унаследовавший их организм погибает, н е оставив по ­
том ства. Б есконечное повторени е цикла проб и ошибок
естестве нного отбора и мутаций

-

-

приводит к постепен­

Поняв основные мол е кулярны е меха низмы изменения

ной эвол юции

rе номов , мы мож е м попыт ат ь с я выяснить наш у эвол ю­

изменяются, и они находят новые способы использ01зать

ционн у ю историю, с равнивая и анализируя по следова­

окружающую с реду, выживать в конкуренции с д ругими и

тель ности rено мов. Возможно , са мым удивит ель ным

ус пешно раз множать ся .

результа том таких геномны х анал и зо13 было открытие

организмов.

Их генетические свойства

Оlrев и дио , что в ходе эвол юции некоторы е Lrасти ге-

гены, им е ющи е сход­

1-юмов нака пливают мута ции ле гче, чем дру ги е. Сегмент

ны е нуклеотидны е по следователь ности из-за обще­

ДНК, не кодирующий белок или РНК и н е играю1щгй су­

го происхожде ния,

с пособны с охр а нять сходство

щ ест в енно й роли в ре гу ляции, может и з м е няться со сI<о­

на огромных эвол юционны х р асстоя ния х. Гомо лого 13

ро ст ,, ю , ограниченной ли шь частотой слу l1 айных мута ций.

многи х генов ч елов ека мож1-10 безо шибочно опознать у

На против, изменения 1'е н а , кодирующего тщательно опти­

того, что гомол о ги ч н ы е г е ны

-

-

таких далек их организмов, как черви, п лодов ы е муш-

мизированный н еобходимый белоI< или молекулу РНК, н е

1< И , д рожжи и даже бактерии . Нематода

н ер ено сятся с толь легко ; если таки е мутации происходят,

Caenorhab-

dil"is elegans, муха Dтosophila melanogaste1· и челов к
Ното sapiens - п е рвы е три вида животных, у которых

ор 1·а 1-1и зм-мута нт пр актич ески

всегда эли ми1-1ируется от­

бором. Поэтому такие гены очень коисервативиы (coп se1·­

была прочитана пол ная пос11 едовател ьность геномов.
В се три вида относятся к QL1ень далеким родстве н1-1и -

vative):

1<ам: Э ВО ЛЮ ЦИОJ·I Н ая л иния , давшая ПО З 130J-!ОЧНЫХ , по ­

эвол юционной истории н а иболее консервативные гены

видимому, ответвилась от л иний , прив ед ши х к н ема­

остаются вполне узн аваемыми у всех организмов. Если

тодам и насеко мым, более

600

млн лет назад. О д нако

есл. и с и стематичес ки с рав 11 ить

19 ООО ге нов С. elegans,
14 ООО генов Drosophila и около 25 ООО rе нов Ното sapiens мы обнаружим, что около 50% ге ~1ов каждого и з

белки , кодируемые ими, мало отличаются у раз­

ных организмов. На протяже ~1ии более LJeм

мы хотим устано13ить родстве нны

3,5

м л рд лет

связ и организмов, наи­

более удале н 1-1ых друг от д ру га н а древе жизни , нужно ис­
пол ьзо 13 ать им е нно такие 1·ены , кодирующие неза м е нимы е

б лки, наприме р ДНК- и РНК- полиме раз ы.

э тих тр ех видов им е ю т явных гомологов у одного и л и

Для более близкородственных видов часто можно

обоих д руt' И Х видов. Другими словами, п очти для 110-

получитъ болъше информации , изучая селе ктивно н е й ­

Jiови ны генов ч ело 13 ека с пр ав дл и 130 утве рждени е , что

тральные изменения. Эти из м е н ения накапл ива ются с

вариант этого ге на уже при сутс т 13овал у общего пр едка
Червей, мух и ч еловека .

Прослед ив такие 13Заимоотношения между 1·енами,
Можно начат ь определять эволюциошrы е связи м ежду
Раз ными видами, чтобы н ай ти каждой бактерии, жи13от­

Ном у, р асте нию или грибу м есто н а огромном едююм
д реве жизни. В это м разделе мы обсудим, как выявляют
эти связи и что они сообщают о нашем ген етич еском на­
след ии.

ВОПРОС9-3

А У всех ор гани змов на Земле имеются наи более консерватив ­

rl' ные гены , н а пример гены рибосомальной РНК, и у всех видов

8

между этими генами можно найти очевидное родство . Это

о з н ач а ет, ч то к онсерват и вн ые ге ны эволюционировал и оч е н ь мед ­

л е нно . Сл едует ли из этого , что та к ие ге ны уже при « воз ни к нове нии »
б ыл и бл изки к с ове рш е н ст ву?

Восстановление семейного древа всех живых существ

289


последн и й общий предок всех высши х пр и матов

а)

постоянной скоростью, и е зав и сящей от давле ния отбора.

15

Поэтому 01-tи дают нам простые и поняти ы е эвол юцион­

@: 1,5
s

ь
~

п редо к

!з 1,0

бы уз иать время, прош едшее с момента расхожде ния двух

::,
::,

общи й

>,

:,:

ные часы. Мы може м и с пользовать эт и ч ас ы для тоrо, что­

;:::
s

посл едн и й

(1)

10 s

видов от общего предка. Сравн ение таких нуклеотидных

:,:

из менени й поз волило н ам, наприм е р, построить тоlнrое

о

о:

х

s
3
s
:,:

::,

филогенетическое древо, показ ыва ющее эволю ционны е

....(D

а)

взаимоотнош ения высших приматов ( РИС.

):::,
о

(1)

5

:::i:

ro 0,5

9-18) .

,i:
~

"'

Геномы человека и шимпанзе име ют

о;

с;

о

сходную структуру и последовательность

<:[

о

чел о век

ш им п а н зе

ор ангутан

гор и лл а

Люди и шимпанзе

00

'

что

можно

-

настолько близкие родственники,

восстановить

по следователь ности

генов

вы­

Филогенетическое древо отображает взаимоотноше ­

мершего общего пред ка этих двух видов ( РИС. 9-19) . Люди

ния между современными формами жизни. На этом древе высших

и шимпанзе имеют практически совпадающие наборы

приматов л юди расположены ближе к ш импанзе, чем к горилл ам и л и

из

орангутанам, поскольку между нуклеотидн ы ми посл едовател ьностями

положе ны п о чти в одю1аковом порядке вдоль хромо сом.

РИС.

9-18.

25

ООО ге нов, кроме тоrо, гены у этих двух видов рас­

чел овека и ш импа н зе мень ш е разл ичий , чем между п оследовательно­

Единственное существенное и сключение

стями человека и гориллы или ч еловека и орангутана . Как в идно из ри­

2 челове ка,

-

это хромосома

возникшая в результате слияния двух хромо­

сунка, геномные последовател ьности всех четырех видов отл ичаются

сом. У шимпанзе, гориллы и орангутана они остались раз­

от посл едовател ьности, которую н ес их последний об щий предок, при­

деле нными .

Д аже активная перестройка rеномо в в результате

близите л ьно на 1,5%. П оскол ьку изменения на каждой ветви происхо­
дят неза в исимо , различие между любыми двумя видами должно бы т ь

перемещения

вдвое бол ьше , чем число измене н ий, произо ш едш их между кажд ы м

ра нее в этой главе, прив ела лишь к небольшим разл ичи ­

из видов и их последним общим предком. Н апример, геномы людей

ям между rеномами человека и шимпанзе. Более

и орангутанов различаются прибл и зи тельно на 3%, а геномы людей

миллио на коп ий последовательностей р ет ротран спозо­

и шимпанзе

-

на

на 1,2%. Хотя это филогенети ч еское древо основано

Alu,

мобильных

элеме нтов,

обсуждавшаяся

присутствующих в обоих геномах , расположены

в одних и тех же местах. Это оз начает, что большинство

исключительно на н уклеотидн ых последовател ьностях , оцененные п о

таким данным времена расхождения разных видов (показаны справа

последовательностей

от г рафика) хорошо соответст вуют данным, получ енным на ос н овании

транспо з ицию

иско п аемой летописи. ( С разрешения

Однако, как обсуждалось ранее, члены семейства

Ат .

Elsevier из: F.C. Сhеп andW.H. Li ,

РИС .

а
GTGCCCATCCAAAAAGTCCAAGATGACACCAAAACCCTCATCAAGACAATTGTCACCAGG
GTGCCCATCCAAAAAGTC~GGATGACACCAAAACCCTCATCAAGACAATTGTCACCAGG

V

Р

I Q

К

в нашем геноме претерпели

Alu

расхождения

ч ел овека

и

шимп анзе .

Alu по­

9-19.

Предковые последовательности генов

можно восстановить, сравнивая близкородстве н н ые

горилл а СМ

белок

до

пр ежнему способны к транспозиции. Это видно из тоrо,

J. Нит . Genet. 68446- 456, 2001 .)

ДНК чел о века
ДНК ш импанзе

99% из

V IQ D D

Т

К

Т

L I

К

Т

I V

Т

R

виды, живущие в наше время . Н а рисунке показана по­

следовательность кодирующей области гена лептина че­
ловека и шимпанзе, разбитая на пять ч астей . Лептин

-

это

гормон , регулирующий потребление пищи и испол ьзова­

к

Д НК человека ATCAATGACдmcдCACACGCAGTCAGTCTCCTCCAAACAGIIIAAqTCACCGGmGGAC

Д НК ш им панзе ATCAATGACдmCACACACGCAGTCAGTCTCCTCCAAACAGМ.G.GTCAC_CGGJTTGGAC
белок
I N D I S Н Т О S V S S К QIK V Т G L D
го р илл а

MG

ДНК ч ело века

белок

Р

G L

Н

Р

нуклеотида разл ичаются в по­

кодонах, выделенных зеленым цветом. Тол ько одно из этих

Посл едовательность последнего общего предка , скорее

всего , была такой же , как последовательности человека и

TTCATTCCTGGGCTCCAC с TCCTGACCTTATCCAAGATGGACCAGACACTGGCAGTC
TTCATTCCTGGGCTCCAC CTATCCTGACCTTATCCAAGATGGACCAGACACTGGCAGTC

F I

5 из 441

изменений привело к замене кодируемой аминокислоты.

горилл а ССС
р

ДН К шим п анзе

ние энергии . Л ишь

следовательностях шимпанзе и человека ; они находятся в

I L

Т

L S

К

М

D Q

Т

L

А

V

ш импанзе в тех участках , где они совпадают; в тех немногих
местах, где они не совпадают, для установления предкового
состояния можно использовать последовательность горил­

лы (розовый) . Эта стратеги я основана на взаимоотношени­
ДН К чел о века
ДНК шимпанзе

белок

TACCAACAGATCCTCACCAGTATGCCTTCCAGAAACGTGATCCAAATATCCAACGACCTG
TACCAACAGATCCTCACCAGTATGCCTTCCAGAAAC JGATCCAAATATCCAACGACCTG
У Q Q

I L

Т

S

М Р

S R N
го р илла

М 11 Q
ATG

I S N D L

ях между тремя видами, показанных на рис .

9-18. Различия

между людьми и шимпанзе обусловлены относительно
недавними событиями эволюционной истории, и после­
довател ьность гориллы отражает наиболее вероятную по-

D

сл едовательность предка . Для удобства показаны только

ДН К человека GAGAACCTCCGGGA CTTCTTCAGGTGCTGGCCTTCTCTAAGAGCTGCCACTTGCCCTGG
ДНК ши мпанзе GAGAACCTCCGOOACCTTCTTCAGGTGCTGGCCTTCTCTAAGAGCTGCCACTTGCCCTGG
белок

Е

N L R D L L
горилла

290

Н

V L

А

F S

К

GAC

ГЛАВА 9. Ка к э волюцио ни руют гены и геномы

S

С Н

L

р

w

300 первых нуклеотидов кодирующей последовательности
лептина; дальнейший участок из
у людей и шимпанзе .

141 нуклеотида идентичен


что ин о гда в став к и

Alu

выз ывают 1·е н етическ ие заболева­

кластер генов р-глобина человека

Е

ния у ч елов е к а . В таки х слу чая х прои сходи т тра н с поз и­

YG

t

15

ция фра гм е нто в ДНК в те у ч астки ге нома, где и х н е б ы л о
У род ител й бол ъного .
кластер генов р-глобина мыши

Функционально важные участки

Е

проявляются как островки с консервативной

p major

у

p mlnor

последовательностью ДНК

П о ме ре тоео ка к мы у глубляем ся в эволюционн ую исто ­
рию и н ачинае м срав н ивать наши геномы с ге н.ом а ми в се

более дале ки х пр едков , ка ртина ме ня ется. Наприме р ,
л ини. и ч елове ка и мыши раз ошл ись окол о

75

мл н лет на ­

10 ООО

пар

нуклеотидов

РИС.

9-20.

Положение мобильных генетических элементов в

зад . Люди и мы ш и имеют гено мы прибл и з ителъно од н ого

геномах человека и мыши отражает большое эволюционное

раз м ер а, соде ржа щие практически одинаковы е гены. Оба

время, разделяющее эти два вида . Участо к х ромос омы

ге ном а усеяиы мобил ь н ыми ге нетическими элементами .

в ека ( с м . ри с.

9-11)

чело ­

11

соде рж ит пять фун к циональны х генов , сходны х с

Хотя мобиль н ые эл ем е нты в rеномах чел ове ка и мыши

~- гл оби ном (ора нжевый); сра внимы й уч асто к и з ге ном а мыши с оде р­

им е ют с ход н ы е по сл едов ательно сти , они р аспр еделены

жит лишь ч етыр е ге н а . В кл астере ге нов ~- гл об и н а человека по каза ны

по-р аз ном у. Это о з нач ает, что с мом е н та расхожде ния

положе ния последов ательно стей А/и (зеленые к ружк и) и

д в ух вид ов элем е нты н еза ви с имо ра спро стр анял ись и п е ­

к ружк и) . В геноме м ыши по казаны положе ния эл е м е нтов В1 (род­

р ем ещались в ге номах каждой л инии ( РИС.

ственни ков эл е менто в А/и челове ка ; синие треугольни ки ) и

9-20) . Кром е

пе реме щени й мобильных элем ентов круnи омасш табная

ст венни ков эл е менто в

L1 челове ка;

( красные

L1

L1 (род ­

коричневые треугольни к и) . Отсут­

структура rеномов м енялас ь в резулътате бол ьшого чис­

стви е м об и льны х ге н етич еск и х эл ем енто в внутри генов глобина може т

ла э пиз о д ов р аз рыв а и п ослед ующего во сс о ед ин е ния при

быть с вяза н о с действие м естествен но го отб о ра, которы й элиминиро ­

рекомбинации х ромосом; по - в идимому, имело место око­
ло 180 та ких событий. В резул 1,тате стру ктуры хромосом
изме нились кардинально . Например , у людей большин­

в ал лю бую в ста в ку, свя за нную с н а руш е ни е м фун к ции ген а . Мо б иль ­
ны е элеме нты А/и и
(С ра з реш е ния

L1 о бс ужда ютс я детальнее
Ross Hardison и Webb Miller.)

в гл .

6

(с.

213- 214).

ство центром е р расположены вбл из и середины х ромосо­
мы, а у мыши

-

на концах х ромо с ом.

Те м не м енее, несмотря на п еремешивание гено в,

мыши от общего предка, изменилос ь около

50% ну кле ­

между этими дву мя геномами по - прежне му можно уви­

отидов . Однако на фоне таких существе нных различий

деть много участков сохраненной синтении

ч е тко выявляют с я участки , в ко т орых из ме н ения не до ­

sy nteny) -

(con erved

участков, в которых соотв етствующие гены у

пуск аются ,

и

по сл ед ов ат ель но сти

у

ч елов ека

и

мыши

обоих видов расположены в одном и том же порядке . Эти

остал исъ почти од инаковыми ( РИС. 9-21 ) . В эти х участках

гены были соседями у п редковоrо вида и, 1-rес мотря на в се

по след ователь ности сохранил и с ь под де йстви е м очища­

перестройки хромосом, остал ись соседями у обоих совре­

ющего отбора

м енных видов. Более

90% rеномов

мыши и чел овека уда­

ется разделить на соотв етствующие участки сохран е н­

ной синтении . В пределах эти х участков мы можем вы ­

(purifying election), т.

е. в резулътате эл и ­

минации особей с мута циями , ме шавшими осуществле­
нию в ажных функций .

Мощностъ сравиителы-юй zеиоми'КИ ( co inpaгat i ve

ge-

равнивать ДНК мыши и ч елов ека и детал ьно с р авнив ать

noinics)

Rуклеот идные последовательности . Таки е сравнения на

ге н омами д руги х живопrых , в том числе кры с ы , ку рицы

можно увеличить, сопоставив на ш ге ном еще и с

80

и собаки . Такие с равн ения испол ьзу ют результаты << При­

Млн лет, прошедших с мом ента расхождения ч еловека и

род ного э кс п ерим е нт а», продолж а вш егос я в течени е со -

Мас штабах целых rе номов показал и , что приме рно за

мышь

GTGCC!l'~тccд;:G_AAAGTCCAOOATGACACCAAAACCCTCATCAAGA
GTGCC тcc&AAGTCCAil:GATGACACCAAAACCCTCATCAAGA

экзон ~ интрон
TTGTCACCAGGATCAATGACATTTCACACAC TA - GGAG TCATG GGGACAAAGATGTAGGACT
TTGTCACCAGGATCAATGACATTTCACACAC TAAGGAG T - ATG GGGGACAAA --- GTAG' СТ

Человек

' CCAGAG'tC~AG
CCAG - - CCC - AG

G
G

РИС.

9-21.

G
G

Накопленные мутации привели к существенному расхождению нуклеотидных по­

следовательностей геномов человека и мыши. По казана часть последовательности гена лептин а
ч еловека и мыши , разбита я н а два участка . Поз иции , в которых последовательности различ а ются од­
нонукл еотидными заменами , выдел е ны зеленым ; позиции , в которы х они ра зли ча ются вс тав к ами и ли

выпадениями нуклеотидов , выделены желтым. Зам етим , что кодирующая последовательность э кзон а
и з менилась гораздо м еньше , че м с оседняя п осл едовательность интрона .

Восстановление семейного древа всех живых существ

291


ген человека :

1
5'

1 1

1 11 11

1

190 ООО

1

пар нуклеотидов

1111

■ 111

1

11
З'

_J

г
интр о н

и н тр он

100% сходства
50% сходства

ш имп анзе

ор а н гута н

п а ви а н

и грун к а

л е мур

к роли к
ДОЛЯ
сходства

ло ша д ь
кош ка

со бака
мышь
о по сс у м

ку р ица

р ыба

.

1
~~
(Fugu) _ _ _ ___.8.._1
_ _ .._
. ...м...l_,__________________J._____~г 50%

1О
РИС.

9-22.

ООО п ар н уклеотидов

Сравнение нуклеотидных последовательностей многих различных видов позво­

ночных выявляет участки высокой консервативности . На диа грамме приведена нуклеотидная по­

сл едовательност ь небол ьш ого уч астка ге н а транс п о ртного бел ка плазмат ической мембраны чел овека .
Экзоны, содержащиеся в гене (вверху) , обозначе н ы фиолетовым. Н а увеличенном участке гена по­

ложение экзона обозначено красным. В нижней част и рисунка последовател ьность ДН К человека вы­
ровнена с п осл едовательностью различных позвоночных; доля сходства с геном человека в участках

из

100 п оследовательных пар нуклеотидов показана зеленым (показано только сходство , превышаю­
50%). П оследовательность экзона консервативна у всех видов , включая курицу и рыбу. Три бл ока

щее

интрон н ой последовательности , консервативные у млекопитающих , но не у кури цы и рыбы, показаны
голубым . Функции бол ьши н ства консервативных последователь н остей интронов в геноме человека , в
т. ч. этих трех , неизвестны . (С разре ш ения

Eric D. Green.)

тен миллионов лет, и позволяют выявить ряд наиболее

Сравнение геномов показывает, что геномы

интересн ы х участков эт их геномов. Они показ ывают, ,по

позвоночных быстро приобретают и теряют ДНК

около

5%

генома человека состоит из последователь но­

стей ДНК, имеющих высокую коtrсервативностъ у многих

Продолжая двигаться н азад по шкале эволю ционно­

других млекопитающих ( РИС . 9-22) . Как это ни уд ивителъ­

го времени, мы можем с р ав нитъ н а ш геном с геномами

~IО, лишь треть этих посл едователЬliостей кодирует белки.

рыб . Линии рыб и млекопитающих разо шлись прибли­

Некоторые из ко нсе рвативных некодирующих последо ­

зитель н о

вательностей соответствуют регулято рной ДНК; други е

для того, чтобы случайны е и змене ния и различия в на­

400

мм, лет назад. Этого времени достаточ но

прои зводят молекулы РНК, не транслируемые в белок

правле нии отбора стерли почти л юбы е следы сходства

Однако фу нкция большииства консе рвативных посл едо­

нуклеотид ных 110 следователыюстей, кроме тех случаев ,

вателыюстей остается иевыясненной. Это неожиданное

когда очищающий отбор пр едотвра щал эти изменения.

открытие привело ученых к выводу, что мы понима ем кле­

Поэто му участки генома, сходные у человека и рыб,

точную биологию млекопитающих гораздо хуже, чем счи­

резко выделяются на общем фоне. У рыб по - преж н ему

талось раньш е. Сравнительная геномика предоставляет

можно н айти большинство генов, им еющихся у челове­

огромные возможности для появ ления все новых откры­

ка, и даже многие из его последовательносте й р егуля ­

тий и готовит множество сю рпризов.

торной ДНК В то же время многие гены прете рпели

292

rЛАВА 9 . Как э волюционируют гены и ге номы


отидов), а ге ном курицы втро е меньше. Крайний при ­

м е р сокра~.це ния генома

( РИС. 9-23 ) -

это бур ый фуrу

-

Fugu mbripes

рыба, крош е чный геном которой в

10 раз

короче, чем геномы мл ек опитающих, в основ1tом за счет

уко роче нных интронов. В интронах , а также в д ру гих
и екод ирующих сегментах г енома

Fugu

отсутствует по­

вторяющаяся ДНК, составляющая существенн ую долю

большинства rеномов мл е копитающих . Тем не ме1-1 ее
положения большинства интронов

Fugu

совпадают с их

РИС. 9-23. Бурый фугу Fugu rubripes имеет необычайно компакт­

положениями

ный геном. Геном этого вида содержит 400 млн пар нуклеотидов, что в

Очевидно , что экзон-интронная структура больши н ства

четыре раза меньше, чем геном аквариумной рыб ки полосатый данио ,

генов позво,ючных уже была сформи рова ,t а у обще го

хотя эти два вида имеют очень похож ие гены. (С разрешения

пр ед ка рыб и млекопитающих.

Arts and

Designs of Japan с гравюры Хирошиге .)

в ге номах млекопитающих ( РИС.

9-24) .

Каки е факторы могут отв еч ать за различия в раз­
мерах геномов современн ы х п озвоночн ых? Тщателы-~ые

сравнения болъшо ,·о числа rеномов привели к неожидан­

ному заключению, что небольшие фрагменты последо­
разное число дупликаций в этих двух эволюционных

вателы-юсти теряются и з геномов и добавляются к ним

люtиях, по это му число ге нов в семействах у этих видов

с удивитель но высокой скоростью. По-видимому, геном

часто различается.

Fugu

так мал потому, ч:то он терял последовательности

Другая неожиданность заключается в том, что гена­

ДНК быстрее, ч ем приобретал ,ювые. За большое время

мы всех позвонОLLНЫХ содержат приблизитель ио одно

такое неравновеси е долж 1fо было привести к масштаб­

и то же число генов, но разме ры геномов существе ,ню

ной <<о чистке >> генома от тех последовательностей ДНК,

разл ичаются. Геномы LJеловека, собаки и мыши имеют

ИСLJезновение которых было относительно безвредным.

приблизитель® сходный разме р

(3

х 109 пар нукле-

Этот процесс очень помог биологам : <1 обрезав лиш ний
жир~ с генома

Fugu,

эволюция щедро предоставила нам

<1облеrченную>> версию генома позвоночных, в котором
сохранились
ген человека

только

те

последо вательности ,

которые,

скорее вс его, имеют важную функцию.

Консервативность последовательности
позволяет прослеживать даже самое далекое
эволюционное родство

Двигаясь назад еще дальше и изучая геномы наших все

более далеких родственников

-

от шимпанзе, мыш е й и

рыб к мухам , червям , растени ям, дрожжам и даже бак­
те риям , мы н аходим все меньше и м еньше сходств с на ­

шим собственным геномом . Но даже ,-, а таких огромных
эволюционных расстою,иях очищающий отбор сохра нил
ген
о,о

нескол ько сотен фундаме нтально важных генов во всех

Fugu

100,0

180,0

тысячи пар нуклеотидов

домен ах живого мира. Сравнивая последователыюсти
эт и х генов у разных организмов и изуlrая, насколько да­
леко они разошлис ,,, мы можем попытаться восстановип,

РИС . 9-24. Положения интронов сходны у Fugu и человека. Сопо­

филогенетическое древо, в корне которого находятся об­

ставление нуклеотидных последовательностей генов человека и Fugu,

щие предки все го живого

кодирующих белок ханти нгтин. Оба гена (показано красным) содержат

томками являемся все мы.

-

исходны е кл етк и, чьими по­

67 коротких экзонов, выравнивающихся друг с другом, полностью соот­

Чтобы восстановить такое древо, биологи сосредото­

ветствующих друг другу по расположению ; экзоны соединены изогну­

чили внимание на определенном гене, имеющемся у всех

тыми черными линиями. Ген человека в 7,5 раз длиннее , чем ген Fugu

живых организмов,

(180 ООО и 24 ООО пар нуклеотидов соответственно) ; это различие пол­

мальных РНК (рРНК) малой рибосомалъной субъедини­

-

гене, кодирующем одну из рибосо­

ностью обусловлено тем, что последовательность человека содержит

цы (см. рис.

более длинные интроны . Интроны человека имеют большую длину отча­

отъемлемая часть жизнедеятелъности любой живой клет­

сти из-за присутствия мобильных генетических элементов, положения

ки, этот ком понент рибосомы хоро шо сохранился с ран­

которых показаны вертикальными голубыми полосками . У людей мута­
ция гена хантингтина вызывает болезнь Хантингтона - наследственное

них этапов развития жиз ни на Земле ( РИС . 9-25) .

нейродегенеративное заболевание. (С разрешения Macmillan PuЫishers
Ltd из: S. Baxendale et al., Nat. Genet. 1067-76, 1995.)

помогли

С
ри с.

7-31).

Поскольку процесс трансляции

использованием
восстановить

9-18),

тех

же

древо

принципов,
жизни

-

не­

которые

приматов

(см.

биологи по нуклеотидным последователь -

Восстановление семейного древа всех живых существ

293


~САССАС

GТТ

G(1;AGТGGAGCCТGCGGQТТAA

сс1:

ссс

челове к

Methanococcus

iGG<I0,1\1:,C,.OТACAACG GGТGGAGCCТGCGGТТТAA

Е.
GTT CCGGGGQ!ЗAGTAT

coli

ч елове к

РИС.

9-25.

Некоторая часть генетической информации сохраняется с момента происхождения

жизни . П оказана часть гена малой субъединицы рРНК (см . рис .

7-31 ). Соответствующие сегменты ну­
Methanococcus jannaschii,

клеотидной последовательности трех очень дальни х родственников (археи

бактерии

Escherichia coli и эу кариота Ното sapiens)

выровнены друг с друго м . П озиции, в которых ну­

клеотиды сов п адают у пар видов , обозначены зеленым ; ч тобы были лучше видны вс е три попарных
сравнения, последовательность челове ка повторена дважды. Точка в середине посл едовательно сти

Е.

coli обозначает позицию ,

в которой нуклеотид либо был потерян в ходе эволюции в бактериальной

линии , либо был вставлен в двух других линиях. Заметим , что последовательности этих трех организ­
мов разошлись друг от друга приблизительно в равно й степени и по - прежнему сохраняют безусловные
сходства.

~юстям малой субъединицы рРНК восста~юви ли единое

больши е trасти , или домеиа : бактер ий , архей и эукариот

древо всех живых организмов ( РИС . 9-26 ). Хотя миогие

( см.

свойства этого филогенетическо го древа были пр ед­
сказаны классической систематикой

ри с.

9-26) .

Хотя trеловечество за н ималось класс ификаци ей ма­

( основьшаю 1.цейся

кроорган из мов с д р евних времен , сейчас мы понимаем ,

на внешних при знаках организмов), имеется и много

что б6льшая часть ге нетич еско го раз н ообразия жи з ни н а­

неожиданностей.

ново стью

блюдается в мире невидимых микробов. На эти орга н из­

оказался тот фаr<т, что н екото ры е и з организмов, тра­

мы часто не обращают вни мания , кроме случаев, когда они

Пожалу й ,

самой

важн ой

диционно объеди нявши хся под н азва ни ем << бактери и ~ ,

вызывают заболевани я или, например , п,и е ни е б ревен , из

отличаются д руг от друга настолько сил ьно , нас коль ко

которых сделаны наши до ма. Но микроорганизмы состав­

прока риоты отличаются от эу кариот. Ка к обсуждалось

ляют большую ч асть живого ве щества н а нашей п лан ете .

в гл.

Лишь се годня , и зуtrая ттоследователыюсти Д НК, мы ~1 ач и­

1,

сейчас очевидно, что к прокариотам относятся

две раз ны е гру ппы

-

бактерии

(bacteri a)

и apxeu ( а г­

наем уз н авать истини у ю картину жиз ни на Земле , которая

с l1аеа) , которые разо шл ис ь на ранн их стадиях эвол юции

н е искажена н а ш ей точкой зре ния

ж из ни на Зе м ле. По этому ж иво й мир разделен на три

иы х сухопутных млеко питаю щих .

-

точкой з р е ния круп­

~р~ЕОБАКТЕРИИ

Эу~.ь

человек

Su/fo/obus

Haloferax

цианобактерии

дрожжи

~о

Paramecium

Methanothermobacter

Bacil/us

общая

Thermotoga

предковая

Aquifex

РИС.

9-26.

клетка

Trichomonas

одно изменение

на

1О

нукл еотидо в

У древа жизни имеется три больших подразделения. Каждая ветвь н а древе подпи­

сана названием одного из видов , представляющих соответствующую группу, а длина вет вей отражает
степень различия последователь ностей малой субъединицы рРН К эти х видов (см . рис .
что все организмы , кото рые можно видеть н ево оруженным гл азом
деленные желтым) ,

294

-

-

составляют лишь небольшое подмножество н а древе жи з ни .

ГЛАВА 9. Как эволюционируют гены и геномы

9-25). Заметим,

животные , растени я и грибы (вы­

);s/


ИЗУЧЕНИЕ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА

(А)

Хромосома 22 человека в митотической
конформации, состоящая из двух молекул

ДНК, каждая длинной 48 >< 106 пар нуклеотидов

Мы увидели, как ге 1-юмы посте пе1-11-ю меняются во време­
ни и как срав н ени

геtюмов разных видов может выявить

важнейшие события в их эвол юционной и сто рии. Теперь

обрати м внимание на наш собственный ге ном , наполнен­

гетерохроматин

ный информацией о том , кто мы и откуда родом.

Ге ном человека составляет
рас пределею-1ых п о

22

3,2

х

109

п ар нуклеотидов,

аутосомам и двум полов ым хромо ­

сомам. Последователыюсть генома челове-к.а (hшnan genome

sequence) -

это полная нуклеотидная последовательность

ДНК, соде ржа щаяся в

24

хромосомах. Донорами ДНК в

проекте секвенирования генома было м1-южество добро­
вольцев; поскольку люди отличаются друг от д руга в с ред­

нем од1-r им нуклеотидом из тысячи, опубликованная ттосле­
довател 1,ность генома человека состоит из многих индиви ­

дуаль ных последователь ностей. Это отражает одновремен­

~

><10

10%

плеча хромосомы,

-40

(Б): ■ ■111-1 1 ---- -· L

~

1• 1•

11:

1% хромосомы, 4 гена

(В)= ><10 ______---.-J-L

Г

генов

8-

один ген, 3,4 >< 10 пар нуклеотидов
4

(Г) ~~--~

\
:: _ _ _ :
:
экэон интрон I экспрессия гена
регуляторные
•
последовательности
белок
ДНК
J

J&

но единство и разнообразие человека как вида.

свернутый белок

В разгар осуществления проекта << Ге ном человека~ ну­
клеотидные последователь ности секвениро в ал и кругло­

суточ но со средней скоро стью

1000

нуклеотидов в секу н ­

ду. Кол ичество информации , получен ное в резул ьтате про­
екга, колоссально ( РИС .

9-27) . Хотя полн ый анализ да нных

РИС .

22 показывает, как
22, одна из самых
маленьких хромосом человека, содержит 48 х 106 пар нуклеотидов около 1,5% генома . Б6льшая часть левого плеча хромосом ы 22 состоит
9-28.

Последовательность хромосомы

устроены хромосомы человека. (А} Хромосома

займет много десяти летий, эта информация уже повлияла

из коротких повторяющихся последовательностей ДНК, упакованных

на содержание каждой из глав дан ной книги . В этом раз­

в особенно компактную форму хроматина (гетерохроматин, см . гл .

деле мы опишем ли шь и екоторы е из самых удивительных

(Б) На увеличенном в

свойств нашего генома.

5) .
40
генов . Темно-коричневым обозначены известные гены, красным -

10

раз участке х ромосомы

22

показано около

предсказанные гены. (В} На увеличенном участке (Б) показана общая
длина нескольких генов. (Г} На дополнительном десятикратном увели­
чении видна интрон-экзонная структура типичного гена . Каждый экзон

(красный) кодирует часть белка , в то время как последовательности
(А)

ДНК интронов ( серый) относительно неважны . (С разрешения

Macmillan
Ltd из : The lnternational Human Genome Sequencing Consortium , Nature 409860-921, 2001 .)
PuЫishers

Нуклеотидная последовательность
генома человека показывает
расположение наших генов

Когда в

1999 r.

была завершена расшифровка последова­

телы-юсти ДНК хромосомы
мале ньких н аш их

22

ч еловека, одной из самых

хромосом, вп ервы е стало возможным

увидеть точное р асположение генов вдоль целой хромо ­

сомы поз воночных ( РИС . 9-28) . С публи кацией <<Пе рвой
черновой ,> последовательности генома ч еловека в

заве рш енной черновой последовательности в

2001 г. и
2004 r. у н ас

теперь имеется панорама генетического ла н д шафта всех
(Б)

хромосом человека (ТАБЛ . 9-1 ).
Перво неожиданное свойство генома чело века

-

это то,

РИС . 9-27. Увеличенный геном человека, растянутый в области

насколько малая его доля (ли шь несколыш процентов) ко­

нашего происхождения. (А} Если бы каждая пара нуклеотидов зани­

дирует белки и структурные и каталитические РНК [в ходе

мала 1 мм (в таком масштабе нарисована молекула ДНК} , то геном че­
ловека растянулся бы на 3200 км - длина, достаточная для того , чтобы
пересечь из конца в конец центральную Африку, область происхожде­
ния современного человека (Б} . На таком масштабе ген , кодирующи й

белок, встречался бы в среднем каждые 130 м. Длина среднего гена
составляла бы 30 м , но суммарная длина кодирующей последователь­
ности среднего гена составила бы чуть более метра .

ВОПРОС9-4

А Мобильные генетические элементы, например последова­

rl' тельности А/и, присутствуют в ДНК человека во многих копи-

8

ях . Как присутствие последовательности А/и может влиять на

близлежащий ген?

Изучение генома человека

295


ТАБЛИЦА

9-1.

Некоторые основные характеристики

СJ1 едовател 1, 1 юсти ре гуляторн ой ДНК, как правило, им е ют

генома человека

3,2 х 10 9 пар нуклеотидов *

Длина ДНК

доля таких участков, п о-в ил им ому

около25 ООО

Самый длинный ген

2,4 х 10 6 пар нуклеотидов

составляют ме нее
тель ны е геномны е

27 ООО пар нуклеотидов

Средняя длина гена

-

~с п ейсе р1-1 ая ,> ДНК

Э кзоны и ре гуля торны е последовательности вмест

Число генов

2%

ге н ома ч ело века . Однако срав ни ­

исследования

показывают,

что

высо ­

коконсервативны у чеJ ювека и дру г их млеко пи таю щи х и ,

Наименьшее число экзонов в гене

следовател ьно , с высокой вероятностью фуню-1ио1-1 ал ьн о

Наибольшее число экзонов в гене

з н ачимы около

5% t·е ном а

3% остающейся

ДНК до с и х пор н е и звсст 1-1ы .

178

( см . ри с.

9-22). Ф ун1щии

этих

1

Среднее число экзонов в гене

10,4

Самый длинный экзон

17 106 пар нуклеотидов

это относител r,но небол ьшое число содержащихся в нем

Средняя длина экзона

145 пар нуклеотидов

генов. Ра1°1 ее чи сло ге н ов о це нивалось 11ри бл и з ител ы-ю в

Число псевдогенов **

более

Доля ДНК, содержащейся в экзонах

Другое уд иви телыюе свойство ге нома ч ло в ека

100 000

20000

1,5%

Хотя точ ­

1-ю

25

ООО , что н е та к уж с ил ыю отличается от числа ге нов

у более просты х м ноrоклеточных организмов, таких, как

Доля ДНК, содержащейся в других

3,5%

Drosophila (1 4 ООО)

высококонсервативных

и С.

elegans (19 ООО).

Након е ц, п оследовательность нуклео ти дов в геноме

последовательностях***

Ltеловека показала, что н еобходимая информация, содер ­

Доля ДНК, содержащейся в элементах

около

50%

жащаяся в 11 е м , по -в идимом у, находится

повторяющейся последовательности ,

в уд ивител ьном

беспорядке . Один и сследовател ь так описал наш геном:

представленной во многих копиях

<< Во м н о rом он на п оминает ваш гараж, спал ы-rю , холоди л ь ­

• Последовательность суммарной длиной 2,85 миллиарда нуклеотидов извест­
на точно (частота ошибок не превышает приблизительно 1на 100 ООО нуклеоти­
дов) . Оставшаяся ДНК состоит в основном из коротких последовательностей ,
повторяющихся друг за другом , причем число повторов различается у разных
индивидов.

-

297).

оценкам, число r·е нов ч еловека составляет приблизитель-

белки)

Псевдоген

(с м . раздел ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ ~, а с.

-

ное чи сло остается а е и звест ным , соглас н о со вр еме нным

(последовательности, кодирующей

"

это нуклеотидная последовательность, похожая на последова ­

ник или жизнь: очень инд ивидуал ьный , но 1-r еоnрятный ;

без видимых при знаков системы; с обилием накопл енного
хлама, кото рый для не ,ю свя ще нны х выглядит ~ мусором ,> ,

и с иеболь шим количеством явно це нных предметов, бec­
п eLJJ-IO разб роса~-,ны х тут и там в кажущемся беслорядке >> .

тельность функционального гена , однако содержащая большое число мутаций ,
нарушающих ее нормальную экспрессию. Большинство псевдогенов возни­
кают из-за дупликации функционального гена с последующим накоплением в

доля

О

20

10

30

40

60

50

70

80

90

одной из копий мутаций, нарушающих функцию .

*" Эти последовательности включают ДНК, кодирующую 5'· и 3' -НТП (нетранс­
лируемые последовательности мРНК), гены структурной и каталитической
РНК , регуляторную ДНК и ко нсервативные уч астки с н еизвестной функцией.

осуществле~1ия проекта

ENCODE

LINE
SINE
1
ретротранспозоны ..J
ДНК-транспоэоны

крибироваться в РНК может около

75% генома

интроны
участки, кодирующие

белки

-

МОБИЛЬНЫЕ
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ
ЭЛЕМЕНТЫ

установл ено, что тран с­

LJеловека

(см. l1 ttp:j/www.natL1гe.com/лature/joL1rn al/v489/n74 1 4/fLL1I /
n at uгe 11233.html). - Прим. ред.] (РИС. 9-29). Почти полови ­
на оставшейся ДНК состоит из мобит,ных генетических

простые повторы

ГЕНЫ
неповторяющаяся ДНК ,
не входящая в состав

-

интронов или экзонов

дуплицированные сегменты -

ПОВТОРЯЮЩИЕСЯ

УНИКАЛЬНЫЕ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

реликты нашей

9-29. Геном человека по большей части состоит из некодиру­
LINE,
SINE, ретротранспозоны и ДНК-транспозоны - это типы мобильных ге ­

более ранней эвото цио,нюй исто рии , ко,·да мобильны е эле­

нетических эл ементов, которые размножились в нашем геноме , репли ­

менты безудержно прыгали по н ашему ге ному.

цируя и вставляя новые свои копии в различные ме ста генома . Мобиль­

элементов , коло ни з ирова вших 1-1 аш ге ном в ходе эволюции .

Большинст,ю из этих элементов накогrи л и мутации , кото­

рые н е дают им больше п еремещаться; о ни

Вторая

примечательная

-

особе н,юстъ

ген ома

ч ело­

РИС.

ющих и повторяющихся генетических последовательностей.

ные генетические элементы обсуждаются в гл .

6 (с . 213-214). Просты е
14

века - это то, что ге ,-rы в сред нем им еют оч ень большую
дл ину: 27 ООО пар нуклеотидов. Для кодирова~-rия бел ка

пар нуклеотидов) , которые повторяются многократно, образуя длинны е

с редне го разм ера (у людей

около

сегменты ДНК . Дуплицированные сегменты

обходимо всего около

пар ну клеотидов . Б6лыuая

1300

430

аминокислот) ,-, е­

повторы

генома

-

это ко ротк и е нуклеотидные посл едовательности (менее

(1000- 200

-

это крупные фрагменты

ООО пар нуклеотидов) , присутствующие в геноме в

ч аст ь оставшейся ДНК ге на состоит и з дл инных сегм е нтов

двух или более положе ния х. Уникальные последовательности, не яв ­

не кодирующей ДНК в составе интронов, расположе нных

ляющиеся ч астями интронов или экзонов (темно-зеленый) , в ключают

м ежду срав ,-rител ы-ю короткими экзо н ами , кодируюнсими

ге нетические регуляторны е элементы, а также последовательности с

белки ( см. рис.

Г) . Кроме и1-1тро1-юв и экзо1юв в состав

неизвестными функциями . Участки гетерохроматиновой ДНК , наиболее

генов входят регуляторные посл едо вател ьности ДНК, обе­

богатые повторами , до сих пор н е были полностью секвенированы, по­

спечивающие экс прессию гена в нуж н ое время, с нужной

этому около

интенси в ностью и в нуж ном тип е клеток. У людей эти по-

на этой диаграмме . (С разрешения Е . Н .

296

9-28,

1

11 ротяжен11ост ь в десятк и тысяч п ар 1-1уклеоп111ов; боль ш ая

ГЛАВА 9. Как эволюционируют гены и геномы

10% последовательностей ДН К челове ка не
Margulies.)

представлены

j


КАК СОСЧИТАТЬ ГЕНЫ
Сколько необходимо генов, чтобы создать ч еловека? Этот

имея лишь посл едовательность ДНК

вопро

смыслеююй последовательность букв А, Т,

представля ется естестве нным . Если

гут дат ~, клетку дрожжей, а

14 ООО -

6000

генов мо­

муху, то сколько генов

необходимо, чтобы закодировать челов ка

слож ное суще­

-

ство, обладающее достаточным разумом и любозt1ате;1ыю­

-

кажущуюся бес­

Gи

С? Прежде

чем пытаться узнать расположение генов в геноме и сосчи­

тать их, н еобходимо научиться точно и надежно отличать
кодирующие последовательности от некод ирующих.

стыо для исследования собственного гена? До тех пор пока

Ка.к всегда, задача упрощается для прокариот и прими­

нсследовател.и н е завершили пе рвую ч е рновую последова­

тивных эукариот, на~трим ер дро)lокей . Чтобы найти гены в

телы юсть генома Llеловека, н аиболее распростране,пюй ве­

таком геноме, во всей последователы-юсти ДНК ищуr откры­

л ичшюй было

тые рамки считьmания (ОРС)

100 ООО . Но откуда взялось это число, и на ч ем
основано нересмотре1нюе з начени е - 25 ООО генов?

(open readiпg Ь·aines, ORF).
- например, 100 кодонов

Это ДJ1и_tшые последователь ности

Уолтер Гилберт, врач, ставший биологом, получив 1.11ий

или больше, в которых отсутствуют стоп-кодоны. Случайная

Нобелевскую премию за разработку методов секвеt1.ирова~-LИЯ

лоследовательностr, иуклеотидов содержит приблизительно

ДНК, был среди первых, попытавшихся приблизительно оце-

один сигн ал к прекращению сю-~теза бе;пса на 20 кодонов (по­

1-rnть число генов у ч еловека. В середине 1980-х годов Гилберт

скольку из

L!TO у людей около 100 ООО генов, 110деливдлииу
нашего генома (3 х 109 пар нуклеотидов) на среднюю дли ну
нем1югих тогда известных генов человека (около 3 х 10~пар

Поэтому ОРС

1-юсти, кодирующие более

нуклеотидов). Этот 1-1есложю,1й подсL1ет дал приятное круглое

торые начинаются с кодоиа ю-rициации трансляции (обыч:но

предположил,

ч:исло, которое широко цитировалось в статьях и учебниках.
Между тем таким способом было оценено число геиов,

возможных кодонов три

64

-

-

это стоп-кодоны).

н епрерыв1-rые нуклеотидные посл едователь-

100

аминокислот,

-

это хорошие

кандидаты на роль генов. Сегодня для поиска таких ОРС, ко­

ATG) и завершаются кодоном-терминатором - ТАЛ, TAG
TGA, используют компьютерные программы (РИС. 9-30).

или

которое человек мог бы иметъ в прющипе, а н е то, сколъко
генов мы несем на самом деле. Оказалос~,, LJТO на второй во­
прос ответить сложнее, даже имея полную последовател~,­

Сигналы и осколки

ность генома LJеловека. Как узнать, что определенный фраг­

У животных и у растений процесс поиска ОРС осложня­

мент последовательности является геном? В гл .

5 мы виде­

ется присутствием длинных интронных последовательно­

ли, что гены определяются как участки ДНК, от которых

стей, которые ттрерывают кодирующие участки генов. Мы

зависят свойства клетки или организма, и что эти участки

дНК обычно кодируют бе;юк или функциональную РНК
Теперь мы з н аем, что такие кодирующие последовательно­
сти составляют лишь н ескол ысо процентов нашего генома.

видели, что эти последовательности, как правило, гораздо
дли ннее , чем сами экзоны, суммарная длина которых мо­
жет составлятъ лишь нескол ько п р оцентов от длины гена .

В ДНК человека экзоны ююгда содержат всего

Но каr, узнать, какие участки - гены, а ка~ше - ~мусо р ~ ,

50 кодо нов
298

Продолжеиие иа с.

п ар ну клеотидов х1 ООО
О

счит:1~::;:
це п и ДНК в

2

3

4

5

6

7

[

цепи ДНК А

счит:1~::;:

1

.....'"-h......,....,....,.._.
41r-"""-~!Wlil~
[
,,.,..-tit'Н'll'Wt"llr......,,.....,......,rn.,..-w-Nll-tn

.........................__..........""""4!"-'-'......._._..........................,_...._......_ _ _'"-1"_

РИС.

9-30. Для поиска генов используются компьютерные программы .

В этом примере последова­

тел ьн ость ДН К дли ной 7500 пар нуклеотидов , п ринадлежащая патоген ному в иду дрожжей Candida a/Ьicans,
была введена в компьютер. Компьютер затем трансл и ровал всю п оследовательность во всех шести воз ­
можных открытых рамках считывания ( ОРС ) - трех с каждой цеп и (см . рис .

7-25). На выводе кажды й гори­
зонтал ьный ряд соответствует одной из рамок считы ван ия; стоп -кодоны (TGA, ТМ и TAG) обозначе ны дл и н ­
ными вертикальными полосками , а кодоны метионина (ATG) - короткими полосками . П о статисти ч ески
значимому отсутствию стоп-кодонов можно четко выявить четыре О РС (желтый). Для каждой ОРС пред­
пола гаемый кодон и н ициации

(ATG) выделен красным.

Остальн ые кодоны ATGв ОРС кодируют метионин .

И зучение генома человека

297


КАК СОСЧИТАТЬ ГЕНЫ (продолжение)
(150

пар ну1U1еотидов), в то время ка1< длииа интронов

может превышать

нов

-

10 ООО пар иуклеотидов. Пятъдесят кодо­

это недостаточно для тоrо, чтобы создать статисти­

Чтобы определить, какие гены, кодирующие белки,
экслрессируются в данном типе клеток или ткани, нужно

выделить мРНК и преобразовать ее в комплементариую

с1ески значимый «сигнал ОРС>>, посколъку и в ~1 екоторых

ДНК

случайных лоследователыrостях длиной

изводятся путем траискрипции и сплайсинга лоследова­

50 кодонов

может

-

кДНК (см. гл.

10).

Так 1<ак молекулы мРНК про­

не встретиться стоп-кодон. Более того, такие длинные ю1-

тельностей генов, кодирующих белки, получеиная кол­

троны с большой вероятностью могут содержатъ большое

лекция кДНК содержит последователыюсти всех генов,

количество случайного «шума ОРС,>

экспрессирующихся в клетке, из которой выделена мРНК

-

м н огочисленные

сегменты последовательности, в которых отсутствуют стоп­

Поскольку целr)

кодоны. Найти истинные ОРС в этом море информации,

экспрессируются в разных тканях, кДНК изготавливается

в котором

из различиых тканей. Дополнительное преимущество ра­

шум

зачастую сильнее,

чем

сигнал,

непросто.

-

нахождение всех генов , а разные гены

Поэтому для того, чтобы искать гены в эукариотической

боты с кДНК связано с тем, что в мРНК отсутствуют ин­

ДНК, 1-1ужно использовать и другие отличительные черты,

тро1-1ы и участки ДНК, находящиеся между генами; поэто­

определяющие наличие гена. В их числе последовательно­

му последовательиости кДНК в точности соответствуют

сти сплайсинга, обозначающие границы между экзонами и

кодирующим последовательностям в геноме.

иитронами (см . рис.

7-19), и характерные регуляторные по­

Затем секвенируют короткие фрагменты этих кДНК -

так называемые маркерные экспрессируемые последова­

следовательности ДНК, находящиеся перед геном .
Но самым мощным средством поиска генов остается

телъиостиЕSТ(от атл.

exp1·essed sequence tags). Получен­
EST сравнивают с нуклеотидной

гомология с генами других организмов. Даже очень корот­

ные последовательности

кая ОРС с бол1)шой вероятностью является экзоном, если

последовательностью всего генома,

кодируемая

ген

ею

амю-юкислотная

последовательность

со­

-

чтобы определить

источник каждой ЕSТ. Внимательно изучив соот­

впадает с известным белком из другого организма. Кроме

ветствие между

того, если предположительная ОРС выс01<оконсервативr1а

пришли к выводу, что белки кодируют около

в нескольких различных геномах, она, скорее всего, коди­

рует белок, даже если ген, содержащий ее, пока еще не был
найден или изучен (см. рис.

9-22).

Сравнения, например,

EST

и геномом человека, исследователи

24 ООО

rеиов.

Число генов человека: обратный отсчет
Наиболее точ1-tые из существующих подходов к предсказа­

человека с мышью и с рыбой, позволяют находить короткие

нию генов объединяют разиые типы данных, в том числ

ОРС с неизвестной фушщией и, с применением дополни­

1)

тельных усилий, объединять их в целые гены.
В

1992 r.

анализы

EST; 2)

:

компьютеризованный поиск в геноме

ОРС и последовательностей-сигналов сайта сплайсиига

исследователи использовали компьютерную

на краях каждого экзона;

3) сравиения с последовательно­

программу для предсказания участков, кодирующих белки,

стями геномов других орrа~шзмов, в первую очередь дру­

в предварительных данных последовательности человека.

гих млекопитающих. Третий из этих подходов

0 1-ш обиаружили два гена в участке хромосомы

мощный, посколы<у, как мы видели ранее в этой главе, rе-

4 длиной

-

особенно

ООО пар нуклеотидов и пять генов в участке хромосо­

1-1омы млекопитающих достаточно дивергировали, чтобы

19 длиной 106 ООО пар нуклеотидов. Это соответствова­
ло приблизителъно одному гену на 23 ООО пар нуклеотидов.

сходство сохранили лишь иаиболее важные участки их ге­
номов, например экзоны

Если считать, что гены во всем геноме расположены с такой

~юсти (см. рис.

58
мы

плотностью, то получится, что в геноме человека

и регуляторные последователь­

9-22).

130 ООО ге­

Хотя все оценки сходятся в интервале от 24 ООО до 25 ООО,

нов. Одна~<о оказалось, что хромосомы, которые анализи­

до получения окончатею)1-юго ответа на вопрос о том, сколъ­

ровали исследователи, были выбра~iы для секвенирования

ко генов у человека, могут пройти годы. Например, гены, ко­

именно потому, LJТO они выглядели богатыми генами. Когда

дируюL[(Ие короп<ие РНК, такие как ми1<роРНК, искатъ осо­

эта оценка была поправлена с учетом учасшов генома че­

бенно трудно. По мере совершенствования вычислительных

ловека с низким содержанием генов (в предположении, что

методов и получе1-rия новых последовательностей генома че­

в половине генома человека плотность генов в десять раз

ловека и геномов других орга1-1измов наша способность пред­

меньше, чем в изученных участках, богатых генами), оценка

сказывать положеиия генов в определеююй последователь­

упала до велиtrины

ности ДНК будет улусшrаться. Но в коиечиом счете зна~1ие

71

ООО.

точ1-юго 'ШСJ1 а генов [указать точное число г нов у человека

Сопоставление меток

в принципе невозможно, так как разные люди различаются

Подобиые оценки основаны на наших представлениях о

по сrислу копий многих генов; ниже это отмечают и авторы

том, как должн ы выглядеть гены; но узнавать гены в лицо

учебника.

мы до сих пор окончательно не научились. Альтернатив­

фу 1-гкци:й. каждого

ный подход к подсчету кодирующих ус~астков генома ос­

ми, в результате которых возникает человек.

и о.ван на экспериментальном выяснении того, сколько ге­
нов на самом деле экспрессируется.

298

ГЛАВА 9 . Как э волюционируют гены и геномы

-

Прим. ред.] гораздо менее важно, чем понимание

re1ta и его взаимодействий с другими

гена­

Эти центральные вопросы, скорее всего, будут занимат1)

биологов по мень. шей мере в течение следующего столетия.


Ус коренные изменения консервативных

н езначительной , однако, учиты вая размер генома, это со­

последовательностей в геномах

ответствует прибл изительно

помогают узнать , что делает человека человеком

чий в каждом материнском и отцовском наборе хромосом

3

млн генетических разл и­

между л юбыми двумя людьми . Детальный анализ данных
Как толr,ко б ы ли прочитаJ-11,1 геномы человека и шимпа 11 -

по генети,rеской изменчивости ч еловека 1101<азывает, что

зе,

боль шая ее часть возникла в относительно ранний 11 ериод

и сследовател и

1-1 а ,1а.J1и

искат ,,

изменения

последова­

телыюстей ДНК, кото ры е могут б ы ть ответстве 1-11-1ыми за

наш ей эволюции

удивитель ны е р азличия между н ами и эти ми живоп-,ыми.

да поп уля ци я человека была

Задача могла 11о казаться н е 11омерной , если уч есть, что тре­
бовалось с рав нип, у двух видов 3 мл рд пар нуклеотидов.

ет, 'ПО большая доля ген ет ической изменчивости, которой

Но она су щественн о у прощалась в случае а~1 а.J1и за только

9-22),

т. е. участков rено­

вероятно, около

100 ООО лет назад, ко 1'­

ще н ебольшой . Это означа­

мы обладаем сегод ня , у наследована н ами от ранних 11ред­
ков ч еловечества.

Большая доля

высоко.консервативных у многих видов млекопитающих

последовательн остей ( с м . ри с.

-

человека

связан а

I'енетической
с

разл ичиями

мов, которые с наибольшей верояпюстыо функциональ­

дов

ны . Эти последовательности кон се рват ивны , но не иден­

ли.морфиз.мов (ОНП , или

тичны: если с р ав нивать по следователь но сти двух видов,

po.limorphisms). ОНП -

изменчивости
отдель ны х

генома

ну кл еоти­

случ аями так называемых од1-ющр<леотuд1-tы.х по­

-

SNP,

от ащ,л _

single- nu cleotide

это просто поз иция в геноме, где

обычно обнаруживается, что 011и накопили некоторое

нуклеотиды с высокой вероятност ью различаются у раз ­

количество различий, нередко пропорциона.Jrьное време­

ны х л юдей: в такой позиции , иалрим е р, одна знач ительная

G-C, а другая -

ни, прош ед ш ему с момента р асхождени я видов от по след-

ч асть лопуляции им еет пару н уклеотидов

1-, его общего предка. Однако в небольшом числе случаев

А-Т ( РИС. 9-31 ). Два генома человека, выбранные случай­

можно увидеть следы внезапноI'О эволю ционно го рывка.

но из мировой популяции, разли,1юотся приблизительно

Налример, н екоторы е из последователь ностей ДНК, вы­

по

2,5

х 10 6 ОНП, рассеянным в геноме. Поскольку ОНП

сококо н се р ват и в ны е у д руг и х видов млекопитающих, и з­

имеют в геноме такую высокую плотно сть, они служа т по­

менялись н еобычайно быстро в течение последних

лезными маркерами

6 млн

лет эволю ции ,r.еловска, после того как н а ши ветви с шим ­

в генетических а 1-1а.J1изах, в которых

и сследователи пытаются связать определенный nри з наJ<,

панзе разош лись. С читается, что у человека такие участки

например подверженность заболеванию, с конкретным

с ускоретюй эволюцией

паттерном ОНП (см. гл .

(huma11

acce l eгated гegi on s) соот­

19).

Такой ан ализ должен иметь

ветст вуют функциям , связанным с важными различиями

медицинское зна ч ение: он по звол ит врачам

Между нами и др утими ви дами.

наличие у данного индивида предрасположенности к забо­

Одно из и сследований выявило около

50 таких

определить

у,rаст­

леванию, например болезни сердца, задолго до появле ,-rия

ков; четверть из них бы ла расположе н а вблизи генов, свя­

каких-либо симптомов. Тогда можно изменить поведение,

занных с развитием нервной системы. Тщательное и ссле­

чтобы сниз ить ве роятность вознию-ювения заболева ния.

дова 1:Lи е последовательности, в которой изменения прои с­

ходили наибол ее бы стро

(18

различий между человеком

Другой важный исто,1ник изменчивости, который
мы у на следовали от н а ших 11р едков

-

это ду плика ция

и шимпанзе и л ишь два разл и,ш я между шимпанзе и ку­

и выпадение крупных у,1астков ДНК. Если с равнить

рицей), показало, что она кодирует короткую молекулу

геном

1-r е кодирующей РНК, эксп рессир уемой в коре головного

ным геномом, мож но обнаружить около

любого

человека

со

стандартным

р ефе рент ­

100 разли qий,

Мозга человека в важней ши ~i период развития мозга. Хотя

включающих

функция этой РНК до сих лор неизвест н а, вдохновляю­

Н екото ры е и з таких различий о,1ень распростране ны ,

щее открытие стимул ировало новые исследования; можно

а д р угие 11ри сутству ют ли шъ у немногих людей. Пр ед -

дли нны е

сегме нты

последователь но сти.

Надея ться, что они проль ют свет на свойства мозга ч елове­
ка, отличающи е нас от близкородственных видов.

-1 ООО

Изменчивость генома человека одна из причин индивидуальности

За и склю ч ением идентичных бл и знецов, никакие два ч е1ювека не облада ют в точности одним и тем же геномом

[уже показа но, что геномы монозиготных близнецов прак­
т ич ески всегда имеют множество отличий, возникших в
Результате мута ций, и егомологичной реко мби н а ции , пе ре ­

мещений мобильных элементов и т. д. - Прим. ред. ] . Если
срав нить один у,rасток генома у двух разных ч еловек, ока­
)]{ется, •-по н уклеот идны е лоследователыюсти в средн ем
Различаются приблизител ы-ю н а О, 1% [ сейчас с редняя
сте пень различий оценивается как 0,5%; основной вклад
вносит изменчивость числа коп ий раз ных се ,,ментов гено­
ма. - Прим. ред. J . Такая изменчивость может показаться

индивид

пар нуклеотидов

GAC

-

с 1

А
индиви д

-

I

А

А 1 А

в
индивид

-

с
индивид

D

-

С А

I

G 1

А

I А I
А 1 А

С. А С
с 1 G

I

А

GAC

С А

А

1 А

с 1

I

G 1

А

t

о нп

РИС .

G

I

I

G

t2

о нп

1

С АТ

GTA

t3

о нп

9-31. Однонуклеотидные полиморфизмы (ОНП) - это после­

довательности в геноме, различающиеся одной парой нуклеоти ­
дов между разными частями популяции. Бол ьшинство таких изме ­

нений , но не все , в геноме человека происходят в тех сегментах ДНК , где
они не влияют на функцию генов .

И зуч е ни е генома челов ека

299


варителы-1ый анализ ПОl(азал, что ПОLПИ полови 11 а этих

Геном человека содержит

последовательностей содержит известные ге1-1 ы. Зад 11 им

обилие информации, которую

чис1юм можно сказать, что таl(ая изме н чивость н еуди­

еще только предстоит расшифровать

вительна, так как высокая частота приобрете н ия и поте­
ри ДНК ге 1-юмами по::~воночных, l(Оторую мы обсуждали

Мы уже зиаем последовательность ге11ома человека, но

ранее. Однако то, как именно эта изменчивость мен яет

остается м ножество вопросов, которые будут стоять перед

на ш и индивидуальные признаки, в боль ш ю1 стве слу ч а­

клето чн ыми биологами на лротяжении всего столетия.

ев остается загадкой.

Возможно, самый сложный вопрос такой: почему челове r<,

Кроме ОНП, дупликаций и выпадений, у н аследо­
ванных

нами

от

п редков,

люди

1-1 есут повторяющиеся

последовательности, которые особенно уязвимы для но ­

ш им п анзе и м ы шь так разительно отличаются друг от дру1·а, хотя они имеют в основном од1-1 и и те же re 1 Lы и, соот­

ветственно, одни и те же белки?

вых мутаций. Нап ример, в геноме человека п овсемест­

По-ви димому, ответ во многом будет п олучен благо­

но встречаются повторы СА. Нуклеотидные п оследо­

даря исследованиям регуляции ге н ов. Белки, закодиро­

ватель ности, содержащие большое число повторов СА,

ванные в геноме, лохожи на детали конструктора. Соби­

часто реплицируются неточно (представьте себе, что вам

рая их в р азных сочетаниях и в разном порядке, из одного

нужно скопировать слово, являющееся длинной строкой

набора можно построить множество разных п редметов.

САСАСАСАСАСАСАСА ... ); поэтому точное число п о­

Но в итоге общая форма получающегося изделия опреде­

вто р ов

ляется инструкциями, которые задают комплект исполь­

может

существенно

р азличаться

у

разных

лю­

дей. Поскольку эти последователыюсти демонстрируют
такую ис 1<JIJОL1ителы-rую

изменчивость и

возникла столь недавно, повто ры СА и другие подобные
повторы

-

зуемых деталей и порядок сборки.
Су щественная

п оскольку она

это идеальные ма р ке р ы различий между от­

часть

инструкций,

н еобходимых

для формирования много 1<леточного организма, содер­
жится в некоди рующей р егулято р ной ДНК, связанн ой

дельными людьми . Различ ия в числе СА и других типов

с каждым геном. Как обсуждалось в гл .

повто р ов в раз н ых положе н иях в

рассея н ы десятки обособленных р егуляторных элеме 1-1 -

reJ-1oмe используются

для того, чтобы о пределять индивидов методом ДНК­

тов

.дактилоскопии в расследованиях престу п ле ний,

связывания определенных регуляторов

про­

цессах, связа н ных с установлением отцовства, и других

-

8,

в этой ДНК

коротких сегме нтов ДНК, служащих сайтами
транскрипции.

Мож~ю сказать, что эта регуляторная ДНК олределяет

приложениях в судебно-медицинской экспертизе (см.

последовательную п рограмму развития : п р авила, кото­

рис.

рым следуют

10-19).
Б6льшая часть изменчивости последовательн ости ге­

нома человека

-

это генетически молчащая изменчивость,

п оскольку она попадает в п оследовательности ДНК, рас­
положенн ые в несу щественных участках генома. Такая

клетки в ходе деления, изменения поло­

жения в эмбрионе и включения новых соответствующих
наборов генов.
Срав не ни е большого числа разн ы х видоn

-

это мощ­

ный способ выявления ключевых регулятор н ых последо­

измеичивость не влияет на то, как мы выешrдим или как

вателы-юстей в огромном объеме несущественной ДНК

работают наши клетки. Это означает, что ли ш ь небольшая

Од н ако мы до сих п ор не знаем, как точно п рочитыват ь

доля измен чивости, которую мы наблюдаем в нашей ДНК,

эти последователыrости. Например, разные регуляторы

отвечает за наследуемые различ ия между разными люд1,­

тран скрилции могут связываться с одним и тем же корот­

ми . Как мы обсудим в гл .
века

-

задача ген етики чело­

ким участком ДНК; п оэ тому информа~1ии о последова­

научит 1,ся р аспоз н авать от н осительно нем ногочис­

19, важн ая

тельиости ДНК не достаточно для того, чтобы понять, ка­

лею-r ые функционально важ н ые варианты на огром н ом

кой белок или каки б лки регулируют да 1-1 ный

фоне нейтральной изменчивости.

того, контроль экслрессии гена
11ы й процесс (см . рис.

8-12),

-

1·e~r. Кроме

слож н ый комбинатор-

и этот факт осложняет иа щ и

попытки понять, на какой стадии развития и в каком ти пе

клеток экспрессируется кажд11 й ген.
Друго

затрудне н ие 13 и н терпретации и~-1формации,

закодированной в геноме человека, связано с распро­
странен ностыо ал 1,тер11атиn 1-юго сплайсинга. Мы знаем,
ВОПРОС9 - 5

что боль ш и н ство ге н ов человека претерпевают альтерна­

А Вам необходимо узнать функцию определенного гена в гe ­

тивный сплайсинr, что позволяет клеткам п роизводитr,

rl' номе мыши . Вы определили последовательность нуклеоти-

8

дов гена , узнали , какая часть гена кодирует его бел ковый

продукт, и прои з вели поиск сходных последовательностей в соот­

ветствующей ба зе да нных , однако ни ген , ни кодируемый бело к не
похож ни на что опис а нное ранее. Какую дополнительную информа ­

цию о гене и кодируемом белке вам потребуетс я получить , чт обы
суз ить к руг его возмож ны х функций , и как вы ее используете ? Опи ­

шите то , ка кая информация была бы вам полезна , а н е то , ка к ими
ме тода ми вы мо жете ее получить .

множество родственных, но различных белков на основе
одного гена (см. рис .

7-21).

Часто этот сплайсю1 r регули­

руется, так что одна форма белка в основJ-1ом п роизводит­
ся в одном типе ткани, а другая

-

в другом. В п редельном

случае один из генов дрозофилы теорети ч ески может

производить п утем альтернативного сплайси~1 rа

38

ООО

разлиL1ных вариантов белка ( РИС. 9-32 ). Таким образом,
организм продуцирует гораздо больше различ ных бел­
ков ~ 1х продуктов, чем о н содержит генов. Пока мы з наем

300

ГЛАВА 9. Как эволюционируют гены и геномы


экзоны А

экзоны с

экзоны в

экзоны о
п

48 1
ген

33

12

Dscam

А8

l

С16

мРНК I~ l

1 111111 111111

111 1

824
один из

РИС.

9-32.

38 016

j

1

02

различных вариантов сплайсинга

С помощью альтернативного сплайсинга с одного РНК-транскрипта может транс­

лироваться множество различных белков. Белки

Dscam дрозофил -

это рецепторы, помогающие

нервным клеткам соединяться друг с другом правильным образом . О кончательный мРНК-транскрипт

содержит

Oscam как набо­
12 альтернативных вариантов эк­
зона А (красный) , один из 48 вариантов экзона В (зеленый) , один из 33 вариантов экзона С (синий),
один из двух вариантов экзона D(желтый) и все 19 инвариантных экзонов (серый) . Использование всех
возмож ны х вариантов сплайсинга позволяет синтезировать с гена Oscam 38 016 различных вариантов
белка . На рисунке по каз ан только один из возмож ных паттернов сплайсинга ( малиновая линия) и соот­
ветствующая ему зрелая мРНК . (С разрешения Elsevier из : D.L. Black, Се// 103367- 370, 2000.)
24

экзона; четыре из ни х (обозначенные А , В , С и

D)

представлены в гене

ры альтернативных экзонов. Каждая зрелая мРНК содержит один из

н едостаточно о би оло гии альте рн ативного сн лайсин га,

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

'JТобы предсказать в то,п-юст и , какие гены ч еловека п од­
в ержены этому пр оцессу, где и на каких стад ия х развит ия

•

может осуществляться такая р егуляция . Од н ако похоже,

Сравшrnая нуклеотидные и амююкислотные последователь­
ности совреме1шых организмов, мы можем попытаться ре­

что альтер н атив ный сл ла й си нг играет особенно важную

конструировать ход эволюции rеномов в течение миллиардов

ро ль в р аз вивающ емся моз ге.

лет, прошедших с момента возникновения первых клеток.

Для поним ания ге н о м а ч ел овека н е определена и

рол ь отдел 1, ных молекул микроРНК ( с м . с.

•

Генетическая изменчивость, СJ1ужащая исходным матери­

273- 274).

алом для эволюционных изменени./;\, возникает в резуль­

Эти короткие РНК, обна р уже ю1ы е относительно н едав­

тате действия нескольких разных механизмов изменения

но , р егули р у ют н е м е н ее трети г е нов человека; однако

последовательности нуклеотидов генома

11 и шь

че•шых мутаций до более 1,руnномасштабных дупликаций

н е многи е из них и зуче ны скол ько-нибудь деталь ­

но . Нако н е ц, хотя дол я генома ч елове ка, кодирующая

белки, оценивается в 1%, е ще 3,5% высококонсерватив­

-

от простых то­

и иных перестроек.

•

Генетические изменения, дающие организму селективны е

НЬ!, ка~< пок аз ыв а ют сравие ни я с rе н омами др у гих мле­

преимущества, а также нейтральные генетические изме­

коп и та ющи х, и лоэтому, ско р ее всего , ф унк цион аль но

нения, распространяются с наибольшей вероятностью.

важны (см. с .

Изменения, существенно снижающие приспособленность

291).

Часть этой консервативной ДНК

Производит м олекулы РНК с и з вестной ф ункцией, е ще
частъ

-

это р е гуляторн ая ДНК; однако ро лъ осталь н ой

организма, устраняются в ходе естественного отбора.

•

Дупликация генов

-

оди11 иэ важнейших источников 1·е­

нетическоrо разнообразия. После дуnликации каждая из

кон серв ативной ДНК остается загадкой.

Тело ч елове ка образуется в резулътате слож ны х р е­

копий гена может накапливать собственные мутации; в ре­

W е ний , приним аем ы х клетками при пролифе р ации и

зультате копии могут стать д остаточно ра3Личающимися

сп е циали за ции в ходе наш е го разв ития . Клетк и олре­

для того, чтобы начать выполнять разные функции. В ходе

деляют, каки е молекулы РНК и какие белки с и11тези­

эволюции при многократном повторении циклов дуплика­

Ровать в р азных тканя х, в какие мом нты вр еме ни и в

ции и дивергенции генов могут возникнуть большие генные

тсаком кол ич естве. Информация , н еобход имая для при­

семейства.

нятия всех эти х ре шений , содержится в лоследовател ь1-[ости

•

ге нома человека; однако м ы только начинае м

Учить ся читать этот l<Од . Его р асшифровка

-

Нием клеточных б и ологов.

чает процесс обмена экзонами между генами, в ходе кото­

одна и з

СJ1 ожн ей ших зада ч , стоя щи х п е р ед следу ющим локоле­

По-видимому, эволюцию новых белков значительно облег­
рого образуются гибридные белки с новыми функциями.

•

Геном человека содержит
деленных на

22

аутосомы

3,2 х 109 пар нуклеотидов, раз­
и 2 половые хромосомы. Всего

Основные положения

301


•

несколысо процентов этой ДНК кодирует белки, а также

ВОПРОС9-8

структурные, регуляторные и каталипrчес,сие РНК.

Верно или неверно то , что б6льшая часть ДНК человека

Любые два •1еловека отличаются друг от друга в среднем

мусор? Ответ поясните .

одной парой нуклеотидов 11а

•

это

1000; эта измен•1ивость лежит

в основе нашей клдивидуальности и позволяет различать

•

-

ВОПРОС9-9

людей с помощью анализа ДНК.

Мобильные генетические элементы составляют почти половину

Сравнение геномных последовательностей разных ви­

генома человека и вставляются в него более или менее в случай­

дов

ных местах . Однако на некоторых участках эти элементы редки.

мощный способ поиска генов и других функциональ­

-

но важных частей генома.

Пример такого участка - кластер генов HoxD, расположенный на

Родственные виды, например человек и мьШiь, имеют

хромосоме

большую долю общих генов. Поэтому для понимания раз­
личий между видами особенно важны эволюционные из­
менения, влияющие на то, как эти гены регулируются.

~-

2 ( РИС .

Хромосома

а

В9-9 ) .

22

\IU/1111 1 11

Хромосома

1111 •.1.11 11118 "

2
IЩШ 1 / \
11181■■■ --,
i

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ
L.____J

...

~

l'flPl18"l'JМOI

100

....

~

1'lillCIIIJilt

rtlfOII
aapoдwW81WA nyn,

~-

......

t

~

очмuрощмА отбор

ДjМIО

кб

кластер

HoxD

РИС. В9-9

.111

~

.A.JJ..1.111

Кластер имеет длину около

100 килобаз

и содержит девять ге­

нов, дифференциальная экспрессия которых вдоль передне­

tтИlflCКot

задней оси развивающегося эмбриона участвует в формирова­
нии плана тела у людей (и у других животных). Как вы думаете,

почему мобильные генетические элементы в этом кластере
столь редки? На рис. В9-9 линии, направленные вверх, обо­
значают экзоны известных генов . Линии, направленные вниз ,

обозначают мобильные генетические элементы ; они настолько

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

многочисленны за пределами кластера

Обсудите следующее утверждение: « Мобильные генетические
элементы

HoxD,

что сливаются

почти в сплошной ряд. Для сравнения показан эквивалентный

ВОПРОС9 - 6

участок хромосомы

22.

это паразиты . Они вредят организму хозяина и эво­

-

ВОПРОС9-10

люционно невыгодны для него » .

Способ графически сравнивать последовательности нуклеоти­
дов (так называемая диагональная диаграмма) был разработан

ВОПРОС9-7

Хромосома

22

человека (длиной

48

Мб) несет около

кодирующих белки. Средняя длина каждого гена
нуклеотидов. Каждый ген в среднем содержит

700 генов,
- 19 ООО пар
сред­

ства последовательностей. Пример такой диаграммы приведен

пар нуклеотидов . Какая в среднем доля

на РИС. В9-10 , где ген ~-глобина человека сравнивается с кДНК

длины гена, кодирующего белок , преобразуется в мРНК? Какую

~-глобина человека (содержащей только кодирующую часть гена ;

долю хромосомы занимают эти гены?

рис . В9-10, А) и с геном ~-глобина мыши (рис . В9-10, Б).

няя длина экзона

- 266

5,4 экзона ;

на заре изучения последовательностей ДНК, однако до сих пор

остается одним из лучших способов визуального сравнения род­

(А) СРАВНЕНИЕ кДНК р-ГЛОБИНА

МЫШИ И ГЕНА

р-ГЛОБИНА ЧЕЛОВЕКА

р-ГЛОБИНА ЧЕЛОВЕКА

С')

/

~

ф

00

о

аз
:т

ro

:r

:s:

\О
о

9

C!l.
~

/

:r:

~
L(')

/

. •:,

:s:
3
1i
:,;

/

ro

:r

:s:

\О

о

Е

сЬ.
:r

,_
ф

L(')

ген Р-глобина человека

5'
РИС. В9-10

302

(Б) СРАВНЕНИЕ ГЕНА Р-ГЛОБИНА

ЧЕЛОВЕКА И ГЕНА

rЛАВА 9. Как эволюционируют гены и rеномы

3'

5'

ген р-глобина человека З'


Диагональная диаграмма показывает результаты сравнения

ворят, что он образовался благодаря «застывшей случайности» ,

фрагментов последовательности , в данном случае

т. е. случайно возник у одного из предковых организмов и потом

длиной

11

нуклеотидов. Если

9 или

больше из

11

-

блоков

нуклеотидов

в ходе эволюции передавался без изменений, другие

-

что код

совпадают, то на диаграмме ставится точка в положении , со­

обрел свой нынешний вид путем постепенных изменений благо­

ответствующем координатам сравниваемых фрагментов . Со ­

даря естественному отбору.

поставление всех возможных пар фрагментов дает диаграммы

Удивительное свойство генетического кода

-

его устой­

наподобие тех, что приведены на рис . В9-1 О : сходства длинных

чивость к действию мутаций . Например, изменение в третьей

участков последовательности на них выглядят как диагональ­

позиции кодона часто дает либо ту же аминокислоту, либо ами­

ные линии .

нокислоту со сходными химическими свойствами. Но является

А . Можете ли вы из сравнения гена ~-глобина человека с кДНК

ли природный генетический код более устойчивым к мутациям,

~-глобина (рис . В9-10, А) узнать положения экзонов и интронов

чем его другие возможные версии? Ответ

в гене ~-глобина?

очевидно из РИС. В9-13 . Лишь один из миллиона « случайных» ко­

Б . Обладают ли сходством экзоны гена ~-глобина человека

дов, сгенерированных компьютером, более устойчив к ошибкам,

(обозначенные серым цветом на рис. В9-1 О, Б) и экзоны гена

чем природный генетический код .

~-глобина мыши? Найдите основные различия и объясните их.
В. Наблюдается ли сходство последовательностей генов
~-глобина человека и мыши, лежащих вне экзонов? Если да ,

ческого кода аргументом в пользу его возникновения благодаря

определите положения участков сходства и предложите возмож­

ра? Ответ поясните.

-

однозначное да; это

Является ли устойчивость к мутациям настоящего генети­
«застывшей случайности » или в результате естественного отбо­

ные объяснения их сохранения в ходе эволюции.

Г. Претерпел ли ген мыши или человека изменение длины интро­
нов в ходе эволюционной дивергенции? Как это можно узнать?

ВОПРОС9-14

Какой из перечисленных процессов вносит НАИМЕНЬШИЙ вклад
в эволюцию новых генов, кодирующих белки?

ВОПРОС9-11

А. Дупликация генов с образованием новых копий, которые могут

Ваш научный руководитель, блестящий биоинформатик, высо­

приобретать новые функции.

кого мнения о вашем интеллекте и трудолюбии. Он предлагает

Б. Образование генов

вам написать компьютерную программу, которая найдет экзоны

В . Горизонтальный перенос ДНК между клетками разных видов.

генов , кодирующих белки, в последовательности генома чело­

Г. Мутации существующих генов с возникновением новых функ­

de novo из некодирующей ДНК в геноме .

века . Готовясь к выполнению этой задачи, вы решаете составить

ций.

список признаков , по которым можно отличить последователь­

Д. Перемешивание доменов белков путем перестроек генов.

ности , кодирующие белки, от интронной ДНК и от других геном­
ных последовательностей . Какие признаки войдут в этот список?

ВОПРОС9-15

(Вспомните основные свойства экспрессии генов из гл . 7.)

Некоторые гены эволюционируют быстрее других. Но как это

ВОПРОС9-12

скольких генов в одной и той же паре видов, как показано в та­

можно показать? Один из возможных подходов

сравнение не­

-

Почему мы ожидаем встретить стоп-кодон примерно через каж­

блице для генов крысы и человека . В таблице представлены ре­

дые

зультаты измерений скорости нуклеотидных замен двух типов.

20 кодонов в случайной последовательности ДНК?

Несинонимические изменения

-

это такие однонуклеотидные

ВОПРОС9-13

замены последовательности ДНК, которые изменяют кодиру­

Генетический код (см. рис . 7-24) определяет соответствие между

емую аминокислоту (например , АТС на ТТС , что соответствует

нуклеотидной последовательностью мРНК и последовательно­

замене аминокислоты изолейцин на фенилаланин) . Синоними­

стью аминокислот закодированного белка . С тех пор как код был

ческие изменения не меняют кодируемую аминокислоту (напри­

расшифрован, не утихают споры о его возникновении : одни го-

мер, АТС на АТТ, что сохраняет аминокислоту изолейцин). (Как
видно из структуры генетического кода на рис.

7-24,

во многих

случаях одной и той же аминокислоте соответствует несколько

25

кодонов.)
о
о
о

х
ш·

20
Ген

15

о

g:
"
5s
о

J

10

природный
КОД

!

5
о
о

5

Скоростъ изменений

Аминокислот

Несинонимических

Синонимических

Гистон НЗ

135

0,0

4,5

Гемоглобин а

141

0,6

4,4

Интерферон у

136

3,1

5,5

Скорости получены путем сравнения последовательностей крысы и человека

и измерены в числе изменений на нуклеотидную позицию за

109 лет. Средняя

скорость несинонимических изменений, по измерениям нескольких десятков

10

15

20

генов крысы и человека, составляет приблизительно

0,8.

чувствительность к мутации

А . Почему скорости синонимических и несинонимических нукле­

Рис. В9 - 13

отидных замен так сильно различаются?

Вопросы в конце главы

303


Б . Скорости синонимических замен во всех трех генах прибли ­

позвоночны

зительно равны . Как удается гену гистона НЗ столь эффективно

Курица

избегать тех нуклеотидных изменений , которые изменяли бы его

Кошка

Кобра

аминокислотную последовательность?

Челове к

Саламандра

В . В принципе белок может иметь высокую консервативность ,

Корова

если кодирующий его ген находится в « привилегированной » по­
зиции в геноме , в которой очень низкая скорость мутагенеза .
Золотая -----­

Какие данные в таблице позволяют считать, что причина консер­

рыбка

вативности белка гистона НЗ не в этом?

РАСТЕН

80ПРОС9-16

----..,..----- Ячмень

Среди растений гемоглобины были изначально обнаружены у

бобовых, где они снижают концентрацию кислорода в корневых
клубеньках, что позволяет живущим там бактериям фиксировать
азот. Эти гемоглобины придают корневым клубенькам характер­

ный розовый цвет. Открытие гемоглобина у растений было неожи­
данным , поскольку ученые считали , что гемоглобин встречается

червь

Насекомое

только в крови животных. Было сделано предположение , что ген

Боб

Кальмар

гемоглобина растений был получен от животного в результате го­

ризонтального переноса . С тех пор было отсиквенировано множе­
ство других генов гемоглобина из различных видов организмов ;
филогенетическое древо гемоглобинов показано на РИС. 89-16.

Нематода

БЕСПОЭВОНОЧНЫ

Ch/amydomonas
Paramecium _ _ _ _ _....,

А . Поддерживает или опровергает приведенное древо гипотезу,

ПРОСТЕЙW

что гемоглобины растений возникли в результате горизонталь­
ного переноса?

РИС.

89-16

Б. Предполагая , что гены гемоглобинов растений возникли в ре­
зультате горизонтального переноса (например , от паразитиче­
ских нематод) , каким бы вы ожидали увидеть филогенетическое

1000 нуклеотидов.

древо?

ной пары предков , Адама и Евы , которые были генетически иден­

Представим себе, что мы все

-

потомки од­

тичны и гомозиготны (каждая хромосома в точности совпадала с
80ПРОС9-17

гомологичной) . Если предположить , что все мутации , происхо­

Точность репликации ДНК в зародышевой линии человека тако­

дящие в зародышевой линии , сох раняются у потомства , сколько

ва , что в среднем при каждом делении клетки заменяется лишь

клеточных поколений должно было пройти со времен Адама и

около

Евы , чтобы в современных людях накопилось одно различие на

0,6 из 6 млрд

нуклеотидов . Поскольку на последователь­

ность большей части нашей ДНК нет никаких ограничений , боль­

1000

шинство из этих изменений селективно нейтральны. Любые два

ствует приблизительно

случайно выбранных современных человека несут приблизи­

линии , а длина поколения человека

тельно одно различие нуклеотидных последовательностей на

зад жила предковая пара?

304

ГЛАВА 9. Как эволюционируют гены и rеномы

нуклеотидов? Если каждое поколение человека соответ­

200 клеточным делениям в зародышевой
- 30 лет, то сколько лет на­


--- -~---

МАНИПУЛЯЦИИ С МОЛЕКУЛАМИ ДНК

tec hпo l ogy ), или ге н етическая инженерия , сделала воз ­
можным создани е хромосом с такими набо рами генов,

И ИХ ИЗУЧЕНИЕ

кото ры е ни ко гда не могли бы появитъся в природе и ли с

КЛОНИРОВАНИЕ ДНК

тео р етич ес ки возможными

РАСШИФРОВКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

сочетаниями,

но такими , что

для их образования потребовались бы тысячелетия .
Люди и

р ан ее на протяжени и тысяч елети й э кспе­

римен тировал и с ДНК, даже н е всегда понимая этого .
Наприме р , сов рем енны е разновидности садовой роз ы

-

продукт ы избирательных скрещиваний д иких со ртов роз

для кл еточиой биологии XXI в . обещает б ыть захваты­

Европы и Китая , ведущихся на протяже нии сотен лет

вающи м времен ем. Новы е метод ы аиализа ДНК, РНК, а

( РИС. 10-1, А) . Огромное разнообраз ие разме ров , окрасов,

также белков и новые воз можности манипуляций с ними

фо рмы тела и даже поведения различных пород собак

вызывают бур ны й ро ст кол ич ества информации и поз во­

р езул ьтат тщ а тельных ге н етич ес ких э ксп е рим ентов с от­

J.rяют нам и зу ч ать гены и кл етки ран ее н е вообразимыми

бо ром желаемых ч е рт, провод имы х со времен одомаш­

с rюсобами. Ceйlrac у н ас есть досту п к п оследователъ-

нивания волка, предка домашн ей собаI< и , т. е. в те ч е ни е

-

1-rостям из ми лл иардов н у кл еотидов, составляющи х ге­

н омы множеств а организ мов

-

от микробов и растений

до птиц, н асекомы х, ч еловека и д руги х млекопитающих .

Новые мощиые м етодИI(И п омогают нам расш ифровы­
вать эту информ ацию , что поз воля ет н е только собирать
О i'ромаы е, подробны е каталоги ген ов и белков, но и по­
сте пенно раск рыват ь то , как эт и компо~1 е 11 ты совмест ио

Работа ют для об разования ф ункци он ирую щ их клеток,
тка н ей и органи змов . Цел ью явля ется н е что 11 1-юе, как
Полное понимани е процессов , происходящих в кажды й
Мом ент в ре м ени в жив ы х органи з м ах.

Эта тех 1-юло1'ич ес кая револ юция бы ла во многом вы­
зва н а разв итием метолов, с и ль но расшири в ши х наши воз­
мож н ости работы с Д НК. В н а ч але 1970-х годо в впе р вые

РИС.

llоявилась воз можность изолировать заданный фра гм ент

тий . ( А ) С амое древ н ее известное изображение розы в за п адн ом ис­

дНК из м~югих миллионов па р нукл еотидов в типи чн ой

Х ро м осоме. Это, в свою о ч е ред ь , позволило создавать нo ­
lH,ie мол еI(ул ы ДНК в пробирке и в нед рять н овый ге не­
т ич еск ий мате риал об ратно в живы е о рганиз мы . Та кая
технология ре1юмби нантн ьгх ДНК (reco mЬin a п t DNA

(А )

(Б)

10-1. Люди экспериментировали с ДНК в течение тысячеле ­

кусстве в Кносском дворце на Крите, около
розы

-

2000 дон .

э . Современные

результат скре щивания подобных дики х роз . ( Б ) Н а п римере

мо п са и пуделя хорошо видна разница между породами собак . Все со­
баки , вне зависимости от п ороды , являются одним видом . (Б
ре ш ения

Heather Angel. )

-

с раз­


10- 15

тыс. лет (ри с .

10-1,

Б). На сеrод1-1 я11л-1 ий день м е­

мы о п иш е м , как п оследовательности ДН К мож н о из о ­

тоды ге нной ин женерии позволяют нам изме нять ДНК с

л иров ать , а

гораздо большей точностью и ско ростью .

совреме нным

щью ююиироваии.я ДНК и полимеразиой ц епиой peaicцuu

оборудованием и методами даже наlгинающий студент

(ПЦР), и объяс ним , как эти п оследовательно ·ти можно

их

LIИCJJO увели чит~,

во

много

р аз

с

пом о­

может полу чить ген етич ск ий материал организма, вы­

и спо л ьзо в ать для

делить определенный фрагм ент ДНК, соде ржащий необ­

след н ей 1 асти глав ы мы р азбе р ем , как генные тех н оло­

ходимый ге н, создать практич ески н ео граниче нно е LJИCJ IO

~-ии и с по льзу ю тся дл я изучения р ол и отделъ11ых ге нов

его точных копий и относител ыю легко определить

го

оздания и и зуче ния б лков. В по ­

и белков в клетках и организмах. Все эти технолоеии

1fуклеотидную последовател ьно сть . Используя модифи­

сделали возможным н а ш е современно

кации этих метод ик, выделе нный 1·ен можно изменить в

ло~-и и , включая

лаборатории и затем п ере нести обратно в культивируе­

ле нного в эт ой книги.

6611 ьшую

понима ни е био­

частъ материала , представ­

мые клетки, чтобы уточнить е го функцию. С помощью
немного более сложных методов ге н можно п еренести в
животное или растение, чтобы он стал фунтщионирующе й

МАНИПУЛЯЦИИ С МОЛЕКУЛАМИ ДНК

и наследуемой частью их генома. Эти технологические

И ИХ ИЗУЧЕНИЕ

прорывы з на•штелы-ю повлияли на все разделы клеточной

биологии. Они сделал и возможным получение наших со­
временных знаний об организации и эволю цион ной исто­

До раз вития методов реко мбинантных ДНК ключевая

рии сложных rеномов эукариот (см . гл.

ииформация о том, как работает клетка, была «заперта>>

9)

и привели к

обнаружеt1 ию цел ых новых классов генов, РНК и белков.

в ге ном е . Как толыш ученые 110 1-шли, что наследственная

Эти достижения п редоставили новые пути для изуч е н ия

информация зашифрована в по следовател ыюсти нуюr е ­

функций белков и их отдельных домен.он , раскрыв множе­

отидов ДНК, им захотел ось выделитъ отдельные ген ы ,

ство н еожидан ных аспектов их взаимоотношений. Нако ­

чтобы ло1-1ять, как о н и выглядят и как функциониру ют. До

нец, они дали биологам важный н абор инструментов для

тех нологической револ юции 1970 -х годов это было почти

и зучения меха н из мов разв ития животны х и растен ий из

невоз мож н о. Пробле ма состояла в том, что изолиров ани е
отделы-юго ге на

одной кл етки.

-

задача отнюдь не триви алъная. В от­

Техtюлогия ре комбинантной ДНК силъно повлияла

личие от белков гены су ществуют в клетке не отдельно, а

и на многие другие аспекты жизни людей. Кроме науч­

толы<о как Lrасти гораздо более крупной молекул ы ДНК

ных исследований ее испол ъзу ют для поиска мутаций в

Даже бактериальные ге номы, заметно более прост ые по

ДНК, отве чающих за насл едственные забол евания , и для

с рав н ен ию с эукариотич еск ими х ромосома ми , чудовищно

д иагно сти ки

длинны . Наприм ер, геном Е.

индив идуал ьной пр ед распо л оже нно ст и

к

заболеваниям , связанным с наследст венностью , таким

coli содержит 4,6 млн

пар ну­

юrеотидов.

ид е нти­

Длинные молекул ы ДНК можно разделить на мень­

фикации или оправдания подо з р е в ае мы х в прес тупл е­

ши е фраг м е нты просто меха ническ и ; но при этом фраг­

ниях ; она также приме ня ется для произв одства многих

м е н т, содержащий иеобходимый ге н , будет только одним

как рак;

ее

испо л ьзу ют

в

расследо ваниях

для

лекарств, включая инсулин для больных диабетом и
фактор све ртывания крови

VIII

для страдающих гем о­

фили ей. Даже при произ водстве стиральных порошков,

и з сотен тысяч, получе нны х и з геиома млекопитающего

таким с пособом. А в образце, содержащем м н ого копий
дл инной ДНК,

каждая молекула будет раз резан а по ­

содержащих термоустойчивые протеиназ ы , которые раз­

раз ном у, создавая сбивающий с то1н<у набор случайных

лагают пятна от еды и крови, используют ге н ет ич еск и е

фрагме нтов. Как же тогда ге н можно изолировать и иден­

т ех нол огии. Из всех открытий, описанных в этой книге,

тифицировать?

иссл ед ов а ния,

п рив ед ши е к раз витию т ехнол огий р е­

Ре ш ению этой пробл е мы во многом способствовало

комбинантной ДНК, ве роятно, сильнее всего влияют на

открытие особого класса бакте риа11ы-1ъ1х ферм ентов

нашу повс еднев н у ю жизнъ.

рестршсциою-1ых 11у1слеаз,

В э той глав е мы описывае м самые рас п ростра н е н ­

или

рестри~стаз

(1·estriction

п uc l eases ). Нуклеазы катализируют гид ролиз фосфоди­

опр еделе н ия

э фирной связи в нукл е иновой к и слоте. Но эти ф е рм е н ­

и х функции. Посл е обзора важнейших м етодов рево ­

ты обладают свойством, отличающим их от осталъных

ны е

м е тоды

манипул ирования

генами

и

люционного направления тех нологии р ек омбинантных

1-rуклеаз:

ДНК, начиная с простейших м етодик анализа ДНК,

в определен ны х сайтах, определяемых короткими по­

они

раз реза ют дву цепоlrе чную ДНК только

следовател ьно стя ми лар 1-гукл ео тидов. Благода ря этому
р ест рикцнонны е н у клеаз ы можно использовать для соз­

ВОПРОС

10-1

А Секвенирование последовательностей ваших двух копи й гена
~- глобина (с каждой из 11 хромосом) выявило мутацию в од-

rl'

8

ной из копи й. Обладая только этой информацией, должны ли

вы волноваться о том , что я вля етес ь носителем н аследстве нного за ­

боле ван ия , которое м ожет пе редаться ваш и м детям ? Кака я е ще ин­

фор маци я ва м п отреб уется , чтобы о цен ит ь ваши р иски?

306

ГЛАВА 10. Анали з генов и геномов

дания повторяемых наборов с пецифичных фрагментов

ДНК из л юбого генома . Мы н ачне м описание с того, как
эт и фе рме нты работают и как фрагм енты ДНК, созда н ·
ны е с их помощью , можно разделять. Зате м мы обсудим,
как эти фрагменты можно и сследовать, чтобы идентифи­
циров ать те и з них , которые соде р жат инт ер есую щий н ас
у часток.


Рестрикционные нуклеазы разрезают молекулы ДНК

микро б иологии нав се гда и з м е нило то, как клеточны е и.

в с п е цифичных са йтах

мол екулярны е биоло 1·и изу L1ают жиз нь .

Как и боль шин ство моле куля рно -биологи ч еских и1-1 -

стриктаза ми, раз резающими ДНК на р азл ичных участках

Разны е виды бактерий обладают разл ичными ре­
ст р у м е 1-1тов , р естриктазы были обнаружены исс11 едо ­

с определен ны ми последователы-юстями ( РИС. 10-2). Эти

вателями ,

целе вы е посл едо вател ы-юсти коротки е

и зу чавшими за и1-п е р есо о ав ш ую их ча ст ну ю

биоло 1' и•1 ес кую проблему. Было за м е ч е но , что н е ко­

8 пар

-

обычно от

4 до

нукл еоти дов . По этому сайты разреза ния соверш е н­

торая бактерия всегда выз ывала дег р адацию « ч ужой ,>

но слу ч айно най дутся в любой длинной молекуле ДНК

дНК, и с к усств е нно введенной в ее клетку. Поиск при­

Рест риктаз ы можно использовать для разрезания ДНК и з

чин такого выборочного уничтожения привел

л юбого источника. Главная причина их вы сокой практи­

к от­

крытию нооого класса нукл еаз , пр едс таоленного у этих

ч еской значимости

бактерий: они расще пляют ДНК только в участках с

разрезать заданную ДНК всегда в одних и тех же местах.

опр еде л енными

-

то, что каждый ти п фе рм ента будет

н уклео тидов.

Так , обработка образца ДНК человека да 1шой рестрикта­

Собственная ДНК бактерий з ащищен а от расщепл е 1-111я

зо й все гда будет привод ить к появл ению одного и того же

с помощью химической модификации этих по следова­

олределенноrо н абора фрагм ентов. Нуклеаз ы рестрикции

тел ьно стей . И з-за того что работа таких нуклеаз << з а­

сейчас лродают многи е компании; их обычно доставляют

прещала>,)

пе р е нос ДНК м ежду опреде­

по почте. Оюrайн-каталоги предлагают сотни подобных

ле 1-rными линиями бактерий, их на звали р естр икцион ­

ферме нтов , каждый из которых разрез ает с п ецифические

ными нуклеазами. Р е ш е ни е этой загадочной пробл емы

последовательности ДНК.

послед оват ел ьностями

( « гestгicted ,> )

Гель-электрофорез позволяет

сайт

разделять молекулы ДНК разной длины

расщепления

5'
3'

3'

Haelll

3'

5'

3'

После расщепления длинной молекулы ДНК на более

3'

5'

коротки е части с помощью рестриктаз часто н еобходимо

+

5'

5'

отделить разл ичные фрагменты ДНК друг от друга. Обыч­
но это делается с по мощью гель- эле ктрофореза, разделя­

Alul
+

ющего фрагме нты по их длине. Смес ь фрагме нтоо ДНК
пом е щают на один конец
лиакриламидного

геля,

пластинки аrарозноrо или

содержащего

по­

микроскопич ес ки е

поры . После этого к пластинке подводят напряжение.

EcoRI

+

Вследствие того что молекула ДНК отрицательно заряже­
на, фрагм е нты двигаются к положител ьно заряже нному

электроду; более длинные участки двигаются медленнее,
поскольку их п еремещение в большей степени зат руд 1-1ено
агароз~1ым матриксом. Че рез 1-1 есколько часов фрагм е нты

Hindlll
+

ДНК оказываются распределе нными по гелю в последо­

вателы-юсти, определ я е мой их раз мерами. Формируется
набор полос , каждая и з которых состоит и з молекул ДНК
одинаковой длины ( РИС . 10-3, А). Физ ически изолировать

Notl
+

определе нны е фрагме нты из этой пластинт<и агарозы до­

вольно просто : н ебольшой кусоч е к геля , содержащий н е ­

обходимую полосу, можно вырезать с помощью скальпеля

РИС. 10-2. Целевые последовательности рестриктаз различаются

или бритвы, после чего из ~1 его можно выделить ДНК

no частоте встречаемости в ДНК. Как показано на рисунке, фермент

Полосы ДНК в аrарозном или полиакриламидном

Нае111 разрезает ДНК по конкретной последовательности из четырех пар

геле невидимы, если ДНК не пометить или не покрасить

нуклеотидов; эта последовательность должна в среднем встречаться чи­
сто случайно на каждые 256 нуклеотидных пар (1 раз за 44). По тем же
Причинам фермент Notl, выбирающий мишенью последовательность из
восьми пар нуклеотидов, должен в среднем разрезать ДНК через каждые
65 536 пар нуклеотидов (1 раз за 48). Средние размеры фрагментов, соз­
даваемые разными рестрикционными нуклеазами , могут сильно разли­
чаться . Эта их особенность позволяет разрезать ДНК на фрагменты наи­

более удобной длины.
5

'-AAGддТТGCGGAAТТCGAGCТТAAGGGCCGCGCCGAAGCmAAA-3'
З'. ТТСТТAACGCCТТAAGCTCGAAТТCCCGGCGCGGCТТCGAAAm-5'

каким-либо с пособом. Один и з чувствителы-1ых методов
мечения ДНК - добавление к ней флуорес центного краси­
теля, светящегося в ультрафиолете только в присутствии

ДНК (рис.
те кции

-

ВОПРОС

10-3,

Б). Еще более чувствительный метод де­

предварител 1,ное вюiюч ение в моле кулы ДНК

10-2

А Какие получатся продукты, есл и участок двухце почечной
"#' ДНК, изображенный слева, разрезать с п омощью (А) EcoRI ,
8 ( Б ) Alul, {В) Notl или {Г} всеми тремя ферментами сразу? ( На
рис. 10-2 указаны целевые последовате л ьности этих ферментов.)

Манипуляции с моле кула ми ДНК и их и зучени е

307


высокая

радиоизотопов перед электрофорезом; часто используется

d:~ ме~~:н-

изотоп :i 2P, поскольку его можно встроить в фосфаты ДНК

.. ~~А1111.. темпе- ~
~
;

охлажде- .. ~А1111...А111..

и он и зл учает обладающи е высокой энерги е й ~-частицы ,
которые легко обнаружить с помощыо метода авторадио­

~в~й

п:е- ~

графии (рис.

10-3,

W' "'l№'~ • ратура ~
рН

В).

двойные

двухцепочечная

/

\

ние рН

С П!@. али

одиночные цепи

ДНК

( рвутся водородные

ренатурация
восстанавливает

двойные спирали
(нуклеот идны е пары
образуются за ново)

связи между

нуклеотидами)

ОБРд~БРдБОТКА

W'~~•

денатурация в

ДНК фага лямбда

EcoRI

ние

РИС.10-4. Молекула ДНК может денатурировать и ренатуриро­

вать (гибридизоваться). Для гибридизации необходимо , чтобы две

Hindlll

одно це п очечные молекулы ДН К были комплементарны. В этих приме ­

(~;J) ~
\!-"~~

рах комп л ементарны друг другу красная и оранжевая цепи , а также си ­
няя и зеленая цепи .

Гибридизация

-

чувствительный метод

определения специфических нуклеотидных

а 0

последовательностей

о
о
~

х

~

20_
g 46 _
q 1о -

1о.....,1

1о.....,1

1о.....,1
1о.....,1

~

[

~

2-

1о.....,1

1о. . .,1

(!)

(А)

=

1о.....,1

/

Приме нени е флуо рес це нтного красителя , связывающего­

направление

ся с ДНК, или меLtени е ДНК с помощью :i 2p поз вол ит ув и ­

движения

деть вс е 1ю;ю с ы ДНК в геле . Но эти м етод ы н е позволя ют

j

уз н ать, каки е из полос содержат н еобходим ую последова­
телы-юстr, ДНК. Чтобы иде нтифицировать фрагм ент, со­
держащий инте р есу ющую на с посл едо в ател ыюстъ, мо ж но

НИЗ

пластинка агарозного геля

и с пользо вать тот факт, что любая од 1-юце поче чная моле­

(Б)

кула ДНК будет образовывать уотсои -криковс кие связ и
со второй, компле м ентарной е й це пью.
В нормальных условиях д ве це пи дво йной с ш1рали

ДНК уде рживаются вм есте водо рою-~ыми связями, кото­
1о.....,1

l.....,J

рые можно разорвать с помощью нагр е вания прим ерно д о

1о.....,1

90

1о.....,1

ПРОЯВКА

1о.....,1

ПЛЕНКИ

1о.....,1

1о.....,1

ковале нтны е связи, соединяющие друг с другом ну клеоти ­

1о.....,1
1о.....,1

/

(В)

ды одной цепи. Есл и этот процесс медле нно обратить, т. е.

проявленный радиоавтограф

лист рентгеновской

· с ил и с и л ьного изм е и ения рН . Подобные возде й ств ия

вызо вут отделение д вух цеп ей д руг от д ру га, но 11 е разорв ут

фотопленки

м едле нно пониз ить темп е рату ру или вериуть рН к ией­

тральному, комплем е н тарные 11еnи с нова образуют двой­
ны е спирали. Такой процесс, называемый гибридизацией,
ил и:реиатурацией (гe n atu гati on) , связа н с восста 1 ювлени ем

РИС.

10-3.

Молекулы ДНК можно разделять с помощью гель­

электрофореэа. (А) Эта схема позволяет сравнить результаты раз­

резания молекулы ДНК (в данном случае генома инфицирующего бак ­

компле м е нтарных водородных связе й ( РИС .

Схожая

реакция

гибрид и зации

10-4) .

будет происходить

м ежду двумя любыми одно 1~е п очечными мол екул ами н у­

терии вируса , называемого лямбда) с помощью двух разных рестрик­

кл еиновых кислот (ДНК/ДНК, РНК/РНК или ДНК/

таз:

Фрагменты разделяют с помощью

РНК), есл.и их п оследовательности комплементарны . Фун ­

электрофореза в геле. Поскольку длинные участки двигаются медлен­

даментальная с пособность одноцепочеlшых мол екул ну·

нее коротких, самые нижние полосы в геле содержат самые короткие

клеи 1-ювых ки слот формироnат ь дnо йн ую с пирал 1
, только с

EcoRI ( слева) и Hindlll ( справа).

фрагменты ДНК . (Б) Для визуализации полос ДН К гель вымачивают в

комплем е нтарными им мол екулами предоставля ет оrром­

красителе , таком как бромистый этидий, котор ы й связывается с ДН К

н ы е возможности для выявления специфических последо­

и ярко флуоресцирует в ультрафиолетовом свете. (В) Альтернативный

вател ыюстей нуклеотидоn как в ДНК, так и в РНК

метод визуализации полос ДН К

-

авторадиография. Перед разре­

занием с помощью рестриктаз ДНК можно пометить радиоизотопом
32

Р, заменив им часть нерадиоактивных атомов фосфора. Это можно

сделать с помощью репликации вируса лямбда в присутствии

32

Р По­

скольку ~-частицы, испускаемые атомами 32 Р, будут засвечивать фото­

Гибридизацию проводят с помощью ДНК-зондов,
предназначенных для обнаружения данной
нуклеотидной последовательности

графическую пленку, лист пленки , помещенный над агарозным гелем в

Длн поис ка н у кл еотидной гюсл едоnателыюсти п утем ги ­

темной комнате , будет через некоторое время показывать положение

бридизации необходимо иметь фра гм ент н укле иновой

всех полос ДНК. (Б

кислоты , с помощь ю которого пои ск можно осущ ств лять.

308

-

с разрешения

Science Photo Library.)

ГЛАВА 10. Анализ генов и геномов


Длина ДНК-зоида

(DNA

ргоЬе)

кулы ДНК, обычно достигает

- одноцепочечной моле­
10- 1000 н уклеоти дов . Ее

о тпр авитъ

компании

электронно е пи с ьмо ,

соде ржащ ее

информацию о требуемой п оследовательности, и моле­

используют в реак циях ги б ри диза ции для детек ции моле­

кулы ДНК достав ят на следующий же день [р е ч,, идет

кул н укле иновых ки слот, соде р жа щих комплементарные

про США и Европу; в Росс ии срок доставки может быть

по следователь ности. Се годня ДНК-зонды произвольной

су щест венно больше.

последо ватель ност и можн о си н тезировать без помощи

луч е н , е 1'0 можно испо л ь з овать для поиска нукл е иновых

-

ПриJН. ред. ] . Как толъко зон д по ­

ферментов. Для х имич еского си нтеза одноцепочечной мо­

кислот, соде ржащих

лекулы ДНК длиной до н ескольких соте ~, нуклеотидов с

1юсть , в том чис ле и инте р есую щий нас фрагм е 1-п, с р еди

комплементар н ую

по следоват ель-

заданной последователь ность ю программируются при бо­

н або ра фрагме нтов ДНК, р азделе~-rных по раз м еру в ага­

ры размером не боль ше микроволновой п чи .

роз ном геле . Р езул ьтаты гибридизации ДНК из раз ных

Что б ы понять , какую по следовательность си нтези­

полос могут быть визуализованы с помощью Саузери­

ровать , необходимо з нать по следовател ьно сть юrтер е­

блоттииzа (Sопth е гп Ыo tti11g), обыlrной лабо раторной

сую щего нас фрагм ента ДНК. Пуст ь , наприм р, кто-то

процеду ры, н азванной в ч есть учеиого , предлож ивше го

хо ч ет ид ент ифициров ат ь фрагмент ДНК, соде р жа щий

ее ( РИС. 10-5) .

участо1< гена р -глоб ин а. Поскольку последователыюсть

ДНК-зонды широко используются в клеточной био­

этого гена из в естна, создание пробы для его распоз н ава­

ло гии. В этой главе мы е ще опиш е м , как гибридиза цию

ния явл я етс я простейшим зада ни ем по поиску по следо­

со сп е цифич ески м зондом мож н о использовать для вы­

ватель но ст и в базах данных и п рограммированию при­

я с н ени я

бора для си,-пеза нукле и~ювы х кислот. Подобны е зонд ы

траиск рибируется определеиный ген . Но сначала обсу ­

обычно заказыва ют в компаниях , которые си нтезируют

дим, как пtбридизация с пособствует процессу клониро ­

н еобходим ы е фрагменты ДНК. Для э того достаточно

вания ДНК.

(А) немеченая ДНК,

TOL' O,

в каких ткаиях и на каких стад иях ра зв ития

(Б) стопка бумажн ых полотенец

нитроцеллюлозу с

разрезанная

рестриктазами

... эг,

Эk]-РОф

прикрепленной ДНК

(В)
0

Рез

помещают в пакет

нитроцеллюлозная

.........__

бумага

меченая ДНК
известных размеров

агарозный

(мар кер размеров)

гель

МЕЧЕНЫЕ ДНК-ЗОНДЫ

ГИБРИДИЗУЮТСЯ

С РАЗДЕЛЕННОЙ ДНК

ФРАГМЕНТЫ ДНК РАЗДЕЛЯЮТ В
АГАРОЗНОМ ГЕЛЕ

РАЗДЕЛЕННЫЕ ФРАГМЕНТЫ ДНК

(Г)

ПЕРЕНОСЯТ НА НИТРОЦЕЛЛЮЛОЗУ

РИС. 10-5. Гибридизация с переносом с геля, или Саузерн-блоттинг, использу­
ется для детекции специфических фрагментов ДНК. (А) Смесь двухцепочечных

Фрагментов ДНК, полученных с помощью рестри ктаз, разделяют в соответствии с дли ­
ной с помощью электрофореза . (Б) Лист нитроцеллюлозы или нейлон а кладут сверху
на гель, и разделенные фрагменты ДНК переносятся на него с помощью блоттинга .

меченый

НК-зонд

Гель лежит на губке в ванночке с раствором щелочи , и буфер просачивается через гель

в буфере

и нитроцеллюлозу за счет бумажных полотенец, сложенных сверху. Во время проса­
чивания буфер вызывает денатурацию ДНК и переносит одноцепочечные фрагмен­

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ АВТОРАДИОГРАФИЕЙ

ты с геля на поверхность пластины нитроцеллюлозы , где они прочно при крепляются .

ДНК-ЗОНДОВ С КОМПЛЕМЕНТАРНЫМИ

(В) Лист нитроцеллюлозы аккуратно снимают с геля. (Г) Пластину с прикрепленными
одноцепочечными фрагментами ДНК обрабатывают радиоактивно меченым ДНК­
зондом , специфичным к целевой последовательности ДНК , в подходящих для гибриди ­
зации условиях. (Д) Лист нитроцеллюлозы тщательно отмывают, чтобы на нем остались

только те молекулы зонда , которые гибридизовались с ДНК . После авторадиографии

дНК, с которой гибридизовался зонд, будет видна как полосы на фотопластинке. Мо­

дификация этой методики для детекции специфических последовательностей РНК на­
зывается Нозерн-блоттинг (Northern Ыotting). В этом случае проводят электрофорез
8
геле с молекулами мРНК , а зондом обычно служит одноцепочечная молекула ДНК .

ГИБРИДИЗОВАВШИХСЯ МЕЧЕНЫХ
ФРАГМЕНТАМИ ДНК

(д)

расположение

меченых
маркеров

полосы

помеченной
ДНК

Манипуляции с молекулами ДНК и их изучение

309


КЛОНИРОВАНИЕ ДНК

последовател ьност и.

оздание бол 1,шого

определе 1111 ого фрагм е н та ДНК из генома

-

1и сла ко пий
один и з важ­

Мы увидели, что мол екул ы ДНК можно раз резать на бо­

н ей ши х прорывов тех нологии реко мбина нтных ДНК, по­

лее короткие фра гменты с помощью рест риктаз, а эт и

скол1,ку это

фрагменты можно распред ел ить по длине с помощью

КЭ)fЩОГО фрагм е нта ДНК 13 ге ном е .

-

отправная точка для поним а ни я функции

электрофореза в геле. Кром е того, мы теперь з 1-~аем, что для
выявления мол екулы ДНК с последо ватель ностью н укле­
отидов, совпадаю щей с и звестной последовательностью

зоида, можно использовать гибридизацию. В этом разделе

С помощью ДНК- лигаз соединяют фрагменты ДНК ,
получая рекомбинантные молекулы ДНК

будет показа ио , как даиные процеду ры можно скомбини­
ровать, Lпобы физически выделить участок ДНК и з ген о­

ности раз р езать длинные мол е кулы ДНК на фрагм е нты

ма. Другими словами, мы обсуд им, каким образо м можно

удобных раз ме ров, так и от воз можности сшивать эти

1ию11ироватъ

фрагменты вместе в н овых комбинациях. Любая такая

(clone)

определенный участок и:з любого ге­

нома. Термин клониро вание ДНК

(DNA

cloniлg) обозна­

Современны е ДНК-технологии зав и сят как от возмож­

мол е кула ДНК, созданная в лаборатории, называется

чает создание большого числа идентичных копий молекул

ре 1сомбина нтной ДНК (гecomЬinant

ДНК. Собственно, эта амплификация и делает возмож­

ка предоставляет средства для подобных мол екулярных

DNA).

ным физ иl1еское выделение опр еделенного участка ДНК

манипуляций. Ка к обсуждалосъ в гл.

(часто

лигаза

-

интересующего нас гена) из остальной клеточной

(DNA ligase)

6,

Сама клет­

фе рм е нт ДНК­

сшивает разрывы це п ей ДНК, воз ­

ДНК, представленной в исчезающе малых количествах в

никающи е в ходе р е пликации и р е пар а ции ДНК (см. рис .

сравнении с итоговым количеством амплифицированной

6-16

и

6-26).

Этот фе рме ю стал одним и з самых важных

инструментов технологии рекомбю-1 антr-1ых ДНК:
(А )

СОЕДИНЕНИЕ ДВУХ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ
« ЛИПКИХ )) КОНЦОВ

5'

+

5'

З'

5'

З'

З'

5'

фрагменты, /
образова н н ы е

(Б)

т1,1 ДНК ( РИС. 10-6). Посколъку ДНК имеет одинаковую
химическую структуру у всех организмов, эт от простой

-

+

л и газа

+Е

5'

З'

прием делает возможным соединение ДНК из любых

З'

5'

истоl1ников . Таким образо м, и з выделенных фрагментов
ДНК в пробирке можно получать мол е кулы ДНК, не
встреlrающиеся в природе. После того как две молекулы

EcoRI

были соединены с помощыо лиrазы, кл етка не способна
распоз нать, LJТ0 эти две мол екулы был и первоначалъно от­
дельными, и обращается с ними , как с ед иной молекулой.

СОЕДИНЕНИЕ ДВУХ ТУПЫХ КОНЦОВ

-

+

+

лигаза

Если подобный чужеродный фрагмент ДНК правильно

+Е

ф ра гм е н т,

ф рагм ент,

внедрен в ДНК клетки -хозяина, он будет реплицировать­

образо ванный об р азова н ный

Haelll
(В)

ся и транскрибироваться таким образом, как будто явля­

Alul

СОЕДИНЕНИЕ ТУПОГО КОНЦА С « ЛИПКИМ )) КОНЦОМ

+ дезоксирибо­
н уклеотиды

+

01 1 по­

зволя ет уче 1·1 ым соединять дру1· с другом л юбые фра 1·м ен­

поли мераза

фрагменты ,

лигаза + F,IIШ

(

'

ется нормальной частью собстве нной ДНК клетки.

Рекомбинантные молекулы ДНК
могут копироваться в бактериальных клетках
Большое число идентичных копий 011ределе1-11-юrо участ­

образованные

EcoRI

ка ДНК, ч асто
фрагмент,

образованный

Hae lll
РИС .

-

1<онкрет.ного ге н а, можно полуlштъ раз­

личным и способами. П ервый с п особ

-

введение ДНК в

быстро делящуюся бактерию; с r<Э)f<дой репликаци ей соб­
ственной ДНК о н а копирует и введенную ДНК.

ДНК можно внедрит~, в баюерии за сч т м ехани з ма,

10-6. Рекомбинантные моле кулы ДНК могут формироваться
in vitro. Фермент Д НК -лигаза может соединять два любых фрагменты

на:з ываемо 1·0 трансформацией (tгaл s fo 1·mat i o11). Некото ­

ДНК между собой . Лигаза сшивает сахара-фосфатный остов ДНК за

рые бактерии в норме поглощают мол е кулы ДНК, им е ю­

счет энергии АТФ. { А ) Соединение двух фрагментов Д НК, образованных
рестриктазой

EcoRI. Заметим ,

что «липкие » ко нцы , образующиеся при

работе этого фермента , позволяют концам двух фрагментов правиль­

щиеся вокруг них , протаскивая ДНК Lrepeз свою кл еточ­

ную мембрану внутр~, клетки. Внедряющаяся ДНК часто
встраивается в ге ном за с чет гомологич еской реко мбин а­

но соединиться, образовав комплементарные связи. Л игирование вос­

ции. Термин ~трансформация,> появился после п е рвых

станавливает изначальную целевую последовательность рестриктазы .

иабл rодений этого фе ном ена, когда один штамм бактерий

(Б) Соединение фрагментов ДН К, созданных с помощью рестриктаз Alul

трансформировался в другой. Искусствениая трансфор­

Haelll. ( В ) С оединение фрагментов ДН К, созданных с помощью EcoRI
Haelll с использованием Д НК-полимеразы для достраивания «липко­

ДНК, полученной и з другого штамма, была одним и з п е р­

и
и

EcoRI. Каждый фрагмент ДН К на рисунке рас­
5' -конец был левым у верхней цепи и правым у

мация одного штамма бактерий с помощью очище нной

го » ко н ца , образованного

вых экспериментальных доказател ьств того , что име нно

положен так, чтобы его

ДНК на самом деле является генетиlrеским материалом

нижней , как показано на (А) .

310

ГЛАВА 10. Анали з генов и rеномов

(см. раздел << Откуда мы з н аем,>, с.

169- 172).


фрагмент
ДНК

бакте риальная
клет ка- реципиент

(~~
)

()

+
ПОГЛОЩЕНИЕ

МОЛЕКУЛЫ ДНК

РИС. 1О- 7. Некоторые бактерии могут эффективно поглощать чу­
жую ДНК из окружающей среды

-

феномен, называемый транс­

формацией. В лаборатории ДН К для трансформации можно взять из
любого источника , даже из клеток человека. Попав в клетку- реципиент,
донорская ДНК может стать частью генома реципиента (за счет гомоло­

гичес кой рекомбинации; см . гл .

6) или ,

в особы х случаях , мо жет остать­

ся в н е бакте риальной хромосомы (что мы обсудим позже) .

В природной п опуля ции бактерий источником ДН К
для трансфо рмации служат п огибшие бакте рии , соде ржи­
мое клеток которых, включая ДН К , выделилось в окру­

жающую с реду. В пробирке же бакте рий, наприм е р Е.

coli,

можн о заставить п о 1·лотить рекомби и антн ую ДНК, соз­
данную в лаборато рии ( РИС. 10-7) . Для эксп е ри ментато ра

100

О '-lень удобно, LfТO << голая ,> ДНК из любого истоlши ка, не

нм

только ДНК бакте рий определе нного вида, может быть

РИС.

в н едрен а таким об разом. В лабораторных условиях бак­

торы для клонирования. Эта кольцевая двух цепочечная молекула ДНК

те риальная трансформация п озволяет изуl1ать ДНК таких

состоит из несколь ких тысяч пар нуклеотидов. Контрастирование , не­

слож 1-tы х организмов, как '-lелов е к.

обходимое для того , чтобы сделать ДНК видимой на этой эле ктро нно й

10-8. Бактериальные плазмиды часто используются как век­

микрофотографии , заставляет ее выглядеть значительно тол ще , ч ем
она есть на самом деле. (С разрешения

Для клонирования ДНК используют

Brian Wells .)

специальные плазмидные векторы

Ка1< отмсl1алос 1, выше, в недренная в баюер ию ДНК в
естестве нных условиях обычно становится частью бюпе ­
риального генома. Но исследователи, за интересованные

в 1<ло1-rировании , часто предлосrитают ко пировать и о ч и­

щать рекомбинантную ДНК и манипулировать ею, 1<0 гда
она входит в состав отдельной мол екулы

-

внебакте ри­

ал ы-юй х р омосомы. Для внедрения чуже родной ДНК в

бактериальную кл етку перен осчиками, или векторами
(vecto гs ) , служат баюериалы-1ы е плазмиды (plasшid).
Плазм иды, иснользуемые для клонирования ген ов, - это,

циклическая

фрагмент ДНК

двухцепочечная

для клонирования

плаэмидная ДНК

о

(•е~ормо"'::Р::

<оторые могут реплицироваться в бактеринх ( РИС. 10-8) .

Пл азм идный вектор содержит ориджин ре пликации, по­

Фрагм ент ДНК Кроме того, плазмиды обычно содержат
1

<а~<ой - 1-1 ибудь г н, п озволяю щи й провод ить отбор, - на11 РИмер, 1·ен устойч ивости к определе нн ому антибиотику.

В результате легко выделить именно те бюперии, которые

поглотили рекомбинант~1ую ДНК

В природе плаз мид ы встречаются у многих бактерий.

В11 ервые о ни были замечены враl1ами и уче ными благода­
ря тому, что часто несут rеиы , обеспечивающие устойчи -

НОЕ

200

РИС .

ДНК

СОЕДИНЕНИЕ
ДНК-ЛИГАЗОЙ

L.__J
нм

з воляющий плаз миде реnлицироваться в бактериальной

бы плазм иду было удобно разрезать и вставлять чужой

ТАЗОЙ

рекомбинантная

••

кулы ДНК дли 1-юй в несколько тысяч п а р нуклеотидов,

1О1еткс независ имо от бактери аль н ой х ромосомы. Он так­
>1<е содержит у ч астки для разрезания рестриктазами , что­

( ) К:ь

НИЕ РЕСТРИК-

1<а1< прави ло, относителыю небольши е кольцевые моле­
1

~

10-9.

L.__J
нм

200

Фрагмент ДНК вставляют в бактериальную плазмиду

при помощи фермента ДНК-лигазы. Пла змиду разре зают при помо­

щи рестриктазы (в данном случ ае той , которая образует липкие концы)
и сме шивают с фрагментом ДНК, который должен быть клонирован (он

вырезан той же рестриктазой) . В реакционную смесь добавляют АТФ и
ДНК-лигазу. Лип к ие концы соединяются комп лементарно , ДНК-лига за
с шив ает разрывы в сахаро-фосфатном остове ДНК , и получ ается це­

лая рекомбинантная молекула. В микрофотография х на рисунке моле­
кула ДНК окрашена красным . (С разрешения

Huntington Potter

и

David

Dressler.)

Клонирование ДНК

311


ДВУХЦЕПОЧЕЧНАЯ
РЕКОМБИНАНТНАЯ
ПЛАЗМИДА ,
ВНЕДРЯЕМАЯ
В БАКТЕРИЮ

еще не бы ла и з вестна? В качест в е при мера мы рассмотри м
клонировани е ч ел ове ч еского гена белка све ртывания кро­
ви

-

фактора

VIII. Хотя

м етоды, испол ьзуе мы е для и з о ­

ляции генов се год ня , отл ич аются от о писанных ниже , э тот
прим е р х орошо илл ю стрирует о с нов ны е

Q L (Q)

Дефе кты в ген е фактора

бактериальная
клетка

множество копий
очищенной

сотни миллионов

новых бактерий
вырастают

плаэмиды ,

в клеточной

выделенных из

культуре

раэрушенн_ых

бактерии

РИС.

10-10.

принципы

1<ло ­

нирования ДНК

VIII

оказ ыва ются причиной

наиболее распространенного типа ге мофилии

-

гемофи­

лии А. Это генетическое заболевание известно в течение
тысячи л ет и поражает одного му жчин у и з

10 ООО . Больные

гемофилией А не могут произ водить полностью функци­
ональный фактор

и поэтому периодически страдают

VIII

Фрагмент ДНК можно реплицировать внутри бактери­

альной клетки. Чтобы клонировать необходимый фрагмент ДНК, сначала
его вставляют в плазмидный вектор , как показано на рис .

10-9. Полученную

рекомбинантную плазмиду внедряют в бактерию при помощи трансфор­
мации. После этого плазмида реплицируется много миллионов раз , пока

размножается бактерия. Для простоты геном бактерии не показан .
человеческая

ДНК

вость бактерий к одному или нескольким антибиотикам.
И правда, ранее действовавшие антибиотики, например
пенициллин, более не эффективны при лечении мно­

РАСЩЕПЛЕНИ~

гих современных бактериальных инфекций, поскольку
плазмиды, обеспечивающие устойчивость к этому классу

РЕСТРИКТАЗОИ

антибиотиков, распространились среди разных видов бак­
терий за счет горизонтального переноса

( см.

рис .

.,/'

9-17).

;

Плазмиды , используемые для исследований рекомби ­
нантной ДНК, обычно являются упрощенными версиями

~

~r "-....J) ' \ миллионы
r

J,) f

\. ~ J
\ l ~ '

этих встречающих ся в природе плазмид.

Чтобы встроить кусок ДНК в плазмиду, очищенную
плазмидную ДНК обрабатывают рестриктазой, разрезаю­

' "

щей ее в единственной точке. Затем фрагмент ДНК, кото ­
ДНК-лигазу ( РИС. 10-9) . Эту рекомбинантную молекулу

I_J фраrмент?в

,.,;.._v I геномнои
"
ДНК

../i,J

"'

ФРАГМЕНТЫ ДНК
ВСТАВЛЯЮТСЯ
В ПЛАЗМИДЫ ПРИ

j

рый хотят клонировать, вставляют в плазмиду, используя

ПОМОЩИ ЛИГАЗЫ

ДНК путем трансформации внедряют в бактериальную
клетку ( обычно Е.

!

coli). Бакте рий выращивают на питатель­

tюй среде, где их число удваивается каждые

30 мин.

Всякий

раз, когда удваиваются бактерии, удваивается и количество
молекул ДНК, и всего лишь через день можно выделить сот­
ни миллионов копий плазмиды , предварительно очистив

ВНЕДРЕНИЕ

их (благодаря небольшому размеру) от все го остального

j

ПЛАЗМИД

rшеточного содержимого, в том числе больших бактериаль­

В БАКТЕРИИ

ных хромосом. Очищенный препарат плазмидной ДНК бу­
дет содержать миллионы копий исходного фрагм ента ДНК

(РИС. 10-10). Этот фрагмент получают в результате точного
вырезания из плазмидной ДНК при помощи подходящей
рестриктазы и отделения от нее при помощи электрофореза

(см. рис

10-3). Таким

способом можно получить в чистом

виде нужный участок ДНК из генома любого организма.
геномная библиотека

Гены можно выделить из библиотек ДНК

РИС .

10-11.

Библиотеки фрагментов геномной ДНК человека мо·

Мы видели, как при помощи вставки в бактерию любой

гут быть созданы при помощи рестриктазы и лигазы. Геномная би­

фрагмент ДНК может быть наработан в больших количе­

блиотека предста вляет собой набор бактерий , кажда я из кото ры х несет

ствах. Но как эти фрагменты ДНК выбрать и идентифи­

небольшой фрагмент человеческой ДНК . Для про стоты в библиотеке

цировать в самом начале? Точнее, как были выделены от­

показаны только цветны е фрагменты ДНК ; на самом же деле в не й пред­

дельные человечески е гены , когда их последовательность

ставл е ны и все серые фрагменты.

312

ГЛАВА 1О. Анализ генов и ген омов


диск

фильтровальной
бумаги

С)

радиоа кти вно

меченная ДНК-проба

ДНК ,

колонии , содержащие

плазмиды , гибридизованные

закрепившаяся

-"@ _L

колонии ба кте рий ,
несу щих

рекомбинантные
плазмиды, на

чаш ке Петри

плен ка

С ЗОНДОМ

/
,,

экспозиция

РЕПЛИКИ КОЛОНИЙ
(КОЛОНИИ

ЛИЗИС БАКТЕРИЙ И

ИНКУБАЦИЯ С

ДЕНАТУРАЦИЯ ДНК

РАДИОАКТИВНО

СПИРТОМ

ОТПЕЧАТЫВАЮТСЯ

10-12.

'

1

ФОТОГРАФИЧЕСКОЙ
ПЛЕНКЕ

расположение

ПОМЕЧЕННЫМ

колоний , несущих

ДНК-ЗОНДОМ

авторадиографическую

НА БУМАГЕ )

РИС .

'

'

БУМАГИ НА

НА БУМАГЕ ПОЛУЧАЮТ

---- --

1

метку

Бактериальную колонию, содержащую определенный клон ДНК, можно иденти­

фицировать с помощью гибридизации. Делается реплика колон ий, распределенных по чашке Пе ­

три . Для этого дис к фильтровал ьно й бумаги при жимают к поверхности чашки . Реп ли ку обрабатывают
щелочью (чтобы разрушить клетки и перев ести плазмидную ДН К в одноцепочечную форму), а затем на
бумаге пр оводят гибридиза цию с высокорадиоактивным ДН К-з ондом . Ба кте риальные колонии , свя­
завшие зонд, выявляют с помощью а вторадиографии. Из исходной чашки Петри можно выделить ж и­
вые клетки, содержа щие плазмиду.

от неконтролируемых кровотечений. До недавнего вре­

нии будет представлен клон определенного кусочка чело­

мени стандартным методом лечения этой болезни было

веческой ДНК. Коллекция из нескольких миллионов ко ­

VIII, выделенного

лоний в этой библиотеке будет содержать весь наш геном.

введение концентрированного фактора

из множества образцов крови . К большому сожалению, до

Пытаясь найти определенный ген, мы как будто бы в

того как кровь начали повсеместно проверять на наличие

поисках нужной книги попадаем в библиотеку, содержа­

ВИЧ - вируса, вызывающего СПИД, в ходе этого лече­

щую несколько миллионов томов, и понимаем, что в ней

ния многие больные гемофилией были заражены ВИЧ.

нет никакого каталога или указателя. Как же найти нуж­

Промышленное производство чистого фактора VIII с ис-

ный ген (в нашем случае это ген фактора

11ользова1-IИем технологии рекомбинантных ДНК привело

VIII)

в обшир­

и собрать его кодирующую

ной библиотеке человеческой ДНК? Решение состоит в
том, чтобы использовать способность нуклеиновых кис­
лот rибридизоваться, описанную ранее в этой главе. Если
бы у нас был ДНК-зонд для фактора VIII, мы могли бы с

rrоследовательность. Такая последовательность ДНК за­

помощью него найти подходящий клон в библиотеке. Но

тем была использована для производства больших коли­

откуда взяться этому зонду до того, как сам ген идентифи­

честв очищенного белка (см. ниже).

цирован и клонироваи?

к существенным достижениям в лечении гемофилии. Для

этого потребовалось клонировать нормальный ген челове­
ка, кодирующий фактор

Работать со всеми

VIII,

3 х 109 парами нуклеотидов

генома

разбить всю геномную

В случае с фактором VIII небольшое количество бел­
ка очищают из образцов крови доноров с использованием
свертывания крови как пробы на этот белок. Затем опре­

дНК на небольшие кусочки, с которыми удобнее обра­

деляют участо1< аминокислотной последовательности это­

щаться. Одна из распространенных методик, позволяю­

го белка (в настоящее время методом масс-спектрометрии,

щих сделать это, показана на РИС.

см. рис.

человека

-

задача пугающая, поэтому первый шаг в кло­

нировании любого нашего гена

-

10-11 . Сначала челове­

4-45).

Применив генетический код в обратном

ческую ДНК экстрагируют из образца ткани или из куль­

порядке (от аминокислот к нуклеотидам), воссоздают ча­

туры клеток и обрабатывают рестриктазой, которая разре­

стичную н уклеотидн ую последовательность гена. Затем

зает геном на миллионы различных фрагментов. Их смесь

эту последовательность химически синтезируют, чтобы

добавляют к плазмидному вектору и лиrируют в таких

создать ДНК-зонд. С использованием такого зонда редкие

Условиях, чтобы в один вектор вставлялся один фрагмент.

бактериальные колонии в библиотеке, содержащие ком­

Ре1<омбинантные плазмиды смешивают с культурой Е. coli

в концентрациях, при которых в одну бактерию попадает
только одна плазмида. Коллекция клонированных фраг­
ментов ДНК в полученной бактериальной культуре назы­
вается библиотекой ДНК (DNA library). В данном случае
она называется геном~юй библиотекой (genomic library),
rrоскольку клонированные фрагменты взяты напрямую

'И:з хромосомной ДНК. Если колонии, выросшие из одной

бактерии, изолировать на чашке Петри, то в каждой коло-

плементарный фрагмент с геном фактора

VIII,

находят

при помощи гибридизации ( РИС. 10-12).
Когда впервые использовали такой зонд на фактор

VIII, в библиотеке ДНК человека нашелся один клон с ком ­
плементарной последовательностью. Секвенирование это­

го фрагмента показало, что он содержит только небольшую
часть гена фактора

VIII, и задача собрать ген целиком ока­
-

залась очень трудоемкой. Сейчас известно, что его длина

180

ООО пар нуклеотидов, и он содержит много интронов

Клонирование ДНК

313


(см . ри с.

7-18, Б);

поэтому н еудивител ь но, что ни один клон

СОЗДАНИ Е ГЕ НОМНОЙ

из библиотеки н соде ржит всей последо вател r,ности ге на .

Многи е гены человека исход но были идентифицирова­
ны и клонированы с помощью процеду ры, опи санной для

гена фактора

Vlll. Сейчас,

,-ген А -,

1<0 1·да из вестна полная ттослсдо­

( 111 111\181:~

ге н зачастую гораздо прощ е. Нап риме р, если из вестна ча­
амююкислотна.я

последовательность

базе данн ых 1-rуклеотидную последовательность кодирую­

reJ-1a.

I

illilll lJ I I I III

,- ген А-,

Р НК- -

I

фр агм е н ты ДНК

:, ш

rш:

~ 111

далее, напрямую ююнировать ген из пробы LfеловеLJ еской
ДНК, минуя стадию создания библиотеки ДНК.

только из кодирующих последователъносте й, т. е.

А

'

J-1e содер­
VIII

полный кло н геномной посл едовательности , с одержащий

копии геномной ДНК в геномной

РАЗРУШЕНИЕ

РИС.

l

м/
З'
ААААААА

З'

f-f-f-+
AТТТ
f-f-f-

TТТ
З'

С ПОМОЩЬЮ ОБРАТНОЙ
ТРАНСКРИПТАЗЫ

5'
3'

f-tttttt

ттттттт

l

5'

РАЗРУШЕНИЕ РНК

Клонированные последовательности геномной ДНК и

В это м п римере ге н А редко тра н скр и бируется, а ге н Б тра н скри б ирует­

ся ч асто , пр иче м оба гена содержат и нтроны ( оранжевые) . В библ иотеке

щей п осл едовател ьности ге н а (красная) . В клон и рован н ых последова­

тел ьн остях кДН К п оследовательности и нтроно в были исключен ы за счет
сплайси н га в ходе фо р мировани я м РН К (синяя) , а вся кодирующая по­
следователь ность представл ена в каждой копии . П оскол ьку ге н Б ча ще ,

чем ген А , транск ри бируется в клетках, из которых б ыл а сдела н а библ и­
отека кДН К , он будет п редставле н там гораздо ч аще гена А. На п ротив , в
ге н ом н ой библи отеке ге н ы А и Б дол жн ы б ыть представл ены один аково .

С ПОМОЩЬЮ РНКа э ы Н
З'

f-tttttt
ттттттт

З'

5'
СИНТЕЗ КОМПЛЕМЕНТАРНОЙ ЦЕПИ ДНК

j

10-14.

(серая) , а больш ая ч асть ко п ий будет соде ржать только ч асть кодирую­

С ПОЛИ (Т) ПРАЙМ Е РОМ

З'

5'

копии кДНК в библиотеке кДНК

геном н ой ДН К кло нируются как и нтрон ы , так и нетранскри б и руемая ДН К

ГИБРИДИЗАЦИЯ

кДНК

=
=
=
=

кДНК, полученные из одного и того же участка ДНК , различаются .

СИНТ ЕЗ ДНК- КОПИИ

5'

Б

КЛЕТОК

мРНК

мРНК

='

библиотеке

И ВЫДЕЛЕНИЕ

головного мозга )

5'

--

А

Б

жащий интронов . Наприм ер , в случае гена фаюора

!

РНК

И КЛОНИРОВАНИ Е ДН К

Для м н огих целей ино гда полез но иметь ген, состоящий

5'

'

ОБРАтн~я ТРАНСКРЙПЦИЯ

определенных тканей

нервная тк ань

...
- - ..

СПЛАЙСИН1

мРНК -

Библиотеки кДНК отражают состав мРНК

ткань (например ,

1

т р а н ск р и п т ы

А когда в электронных базах дан н ых

найдеи ген , можно изготовить зонд ы для его и звле че ния

11 1

1
1
ТРА НСКР ИП Ц ИЯ

участок ДН К

РАС ЩЕПЛ Е НИЕ РЕСТРИКТАЗО Й

из библиотеки ДНК. Удается даже, как мы кратко опишем

ген Б

l lllillllll!~l,IМj l ll П II I

11 1

интересу­

юще го нас белка, можно с помощью компьютеров найти в

щего этот белок

хро м осо м ная Д Н К

ген Б /

экэон интрон н~транскрибируемый

вателыюсть ге ном а tr еловска, ююни:ровать определе 1rный
стич н ая

СОЗДАНИ Е БИБЛИОТЕ КИ кД НК

БИБЛИОТЕ КИ

ИСХОДНОЙ мРНК ИСПОЛЬЗУЕ ТСЯ КАК ПРАЙМ Е Р
З'

ttttttt
ттттттт

З'

5'
двухцепочечная кДНК

-

мы зах отим опр едел ить полную ами нокислотную посл е­

доватеJ1 ыюсть гена фа~<тора

С ПОМОЩЬЮ ДНК- ПОЛИМ Е РАЗЫ ; 5 ' - КОН Е Ц

5'

и интроиы , и э кзоны , стол ь велик и н еудобе н в обращении,

что приход ится работать с отдельными его частями. Если

копия исходной мРНК

VIII

только по н у клеотидной

последовател ьности, у 1-1 ас возникнут трудности : не понят ­

но , где 1'rачи 1·1 ается и заканчив ается кажд ый из э кзонов , а

б6лъшая часть нукл еоти д ны х последоватет, ностей ге на
это интроны (см. ри с.

7-18, Б) .

-

К счастью, довольно легко

изол иров а ть ген , уже лишен ный всех интронов . Для это го

и спол1,зуют другой т ип библ и отек ДНК - так называемы е
РИС.

10-13.

Комплементарную ДНК (кДНК) можно синтезировать

на мРНК. И з о п редел е н ной тка н и в ыделя ют все м РН К, а зате м с помо ­

щью фе р ме нта обрат н ой транскр иптаз ы ( см. р ис.

16-38)

п олучают их

библиотеки кДНК (cDNA li bгa1·y).

Библиотека 1-1 ашей кДНК сходна с наш е й геномной
библиотекой тем, что она тоже содержит многочисленные

ДН К-ко п ии ( кДН К) . Дл я п ростоты п оказа н п ро цесс синтеза ли шь одн ой

клоны миоп,[х разных лоследова тел ьностей ДНК ч елове ­

молекул ы кДН К н а одной из молекул м РН К .

ка . Но в одном важном аспекте они разл ичаются. ДНК, со-

314

ГЛАВА 10. Анализ генов и геномов


ВОПРОС

10-3

Существует нескол ько важ ных разл ичий м ежду ююиа­

А Оцените следующее утверждение: « По нуклеотидной nocлe­

ми ген омной ДНК и клонами кДНК ( РИС.

rl' довательности клона кДНК можно определить полную ами-

кло ны

нокислотную последовательность белка , используя таблицу

8

-

10-14). Геномные

это случайный н абор фрагм ентов ДНК генома

данного организма. За редким исключ ением , они содержат

генетического кода. Поэтому биохимия белков стала бесполез­

ной

-

од инаков ые п оследовательности вне за висимости от то1·0,

изучая белки , нельзя получить никаких новых данны х».

из каких клеток получена ДНК Геномны е клоны эукариот

содержат большое количество ловторяющихся лоследова ­
тельностей ДНК, ю-пронов , регуляторны х участков ДНК и

ставляю щая библиотеку кДНК,

это н е геномная ДНК,

-

спейсерной ДНК Последовательности, код ирующие бел­

а ДНК-копии молекул мРНК, присутствующих в опре­

r<и, составят лиuл, н ебольшую Liасть всей библиотеки (см.

делен ной ткани или клеточной культуре. Чтобы полу­

ри с.

чить библиотеку кДНК (cDNA) , из клеток вы деляют все
мРНК, а затем получают их ДНК-копии с помощью фе р­

ном коди рующие по следовательно сти , лрич ем только тех

м ента обрат н ой транскриптазы ( РИС. 10-13). Эти мол еку­

как кл етки разных тканей содержат разные наборы мРНК,

9-29). Клоны кДНК отличаются тем, LfTO несут в основ­

ге н ов, с которых в данной ткани с читываются мРНК Так

лы 1<омплеме 1-пар1юй ДНК, или кДНК, затем клонируют

из каждого тип а ткани будет получ е 1-1а своя библиотека

же, как фрагм енты геномной ДНК (см. выше), полу­

кДНК Кроме того, характер экспресс ии генов м еия ется в

чая библиотеку кДНК Например, ис пользуя библиотеку
кДНК, получе нную и з печени , - органа, ,·де в норм е обра­

ходе развития органи зма, так LfTO будут различаться и би ­

TaJ<

блиотеки кДНК, получ е1н1ы е на разных стадиях развития.

Пожалуй ,

зуется фактор

VIII, удалос ь и зол ировать кодирующую по­
следователы-юсть 1·e1-ia фактора VIII, лишенную интронов

наиболее важ ное пре имущество клонов

кДНК в том, что оии соде ржат непре рывную кодирующую

и представленную одной молекулой ДНК кДНК фактора

последо вателr,ность гена. Поэтому с получения кДНК н а ­

VIII выделили из библиотеки кДНК, и спользуя в каче­
стве зо нда участок ге номной ДНК факто ра VIII (см. рис.
10-12). В послед н е м разделе этой главы мы опиш ем, как

чинают в тех случаях, когда стоит зада ч а рас шифровать

аминокислот ную последовательность белка и ли получить

с помощью кодирующей последовател ьно ст и ге на у далось

нирова нного гена в клетках бактерий и ли дрожжей

наладить производство очищенного бел ка фактора

ни др угие н е умеют вырезать интроны и з транскриптов

этот белок в больших r.<оличествах путем экс прессии r<ло ­

VIII

(1-111 те,

РНК м лекопитающих) .

человека для комм е рч ес кого использования .

ОХЛАЖДЕНИЕ И
ДОБАВЛЕНИЕ

•

ПРАЙМЕРОВ

/

НАГРЕВАНИЕ

~: ДЛЯ

5'
З'

ГИБРИДИЗАЦИЯ

РАЗД~ЛЕНИЯ

ПРАЙМЕРОВ

ЦЕПЕИ
участок

двухцепочечной

ДНК для

\

ОХЛАЖДЕНИЕ
И ДОБАВЛЕНИЕ

ПРАЙМЕРОВ

амплификации

1 ЭТА П

З'

~:

5'

ДНК-полимеразаl

r__L З'
+дАТФ

+ дГТФ

+дЦТФ

СИНТЕЗ ДНК
ОТ ПРАЙМЕРОВ

+дТТФ

•

2

(

ЭТАП

З'

5'

3

ЭТАП

ПЕРВЫЙ ЦИКЛ АМПЛИФИКАЦИИ
РИС.

10-15.

Праймеры направляют амплификацию необходимого фрагмента ДНК. Знание по ­

следовательности ДНК , которую необходимо клонировать , используют для то го , чтобы синтезировать
две короткие молекулы ДНК, каждая из которых ко мплементарна последовательности на одной из це­

пей ДНК на противоположных ко нцах амплифицируемого участка . Эти молекулы ДНК служат прайме­
рами для синтеза ДНК

in vitro , производимого с помощью ДНК - полимеразы ,

и они же определяют ам­

плифицируемый фрагмент ДНК. Каждый цикл ПЦР включает три этапа . Сначала двух цепочечную ДНК
ненадолго нагревают, чтобы отделить цепи друг от друга

(1

этап) . После отделения цепей охлаждение

ДНК в присутствии переизбытка праймеров позволяет праймерам гибридизоваться с комплементар­
ными последовательностями на цепя х ДНК

(2

этап). Затем смесь инкубируется с ДНК-полимеразой

и четырьмя видами де зоксир ибонуклеозидтрифосфатов , чтобы ДНК синтезировалась, начиная с двух
праймеров

(3 этап).

Затем цикл начинается за ново с нагревания , чтобы отделить новые синтезирован­

ные цепи ДНК . Эта методика требует использования специальной ДНК-полимеразы , выделенной из

термофильных бактерий; она устойчива при гораздо более высоких температурах, чем эукариотиче­
ская ДНК - полимераза , и не денатурирует при нагреве на первом этапе. Кроме того , нет необходимости
добавлять ее после каждого цикла ПЦР.

Клонирование ДНК

315


ВОПРОС

В то же время глав н ое пре имущество геном н ых кло­
и

инт р о н ы ,

а

также

регулято рные

п осл

10-4

А А. Если ПЦР, изображенную на рис . 10-16, продолжить еще

н ов состоит в том, что о~rи содержат не только экзоны, но

rl' на два цикла , то сколько образуется фрагментов ДН К, поме-

доватет,ности,

8

которые оп р еделя ют, когда и где э кслр есс ируются ге н ы.

ченных серым , зеленым , красным и желтым? Если провести

е ще много циклов, какие фрагменты будут преобладать?

Поэтому именно ге номные клоны используют для о пре­

Б . Допустим , вы начинаете с одной двух цепочечной молекул ы Д Н К

деле ния полной последовательности 1-еномов ( см. ниже ) .

и амп л ифицир уете фра г мент ее последовательности длиной в

500 н у кл еотидо в . С кол ь ко п р имер н о цик л ов ПЦР вам потребуется ,
100 нг Д НК? 100 нг - это то количество ДН К,

С помощью полимеразной цепной реакции

чтобы синтезировать

можно амплифицировать

которое л егко об н а ружить посл е окраш и вания флуоресцентным
краси телем . ( Подсказка: для р асчетов вам потребуется знать , что

определенный фрагмент ДНК

средняя мо л екуляр на я масса нуклеотида

Раньше клонирование с использованием библиотек ДН К
было единственным способом изолировать

reJ-[,

и

OJ-[Q

- 330 г/моль . )

до

сих пор применяется п р и секве ни р овании целых геномов

и работе с очень большими ге нами. Как бы то ни было,

для многих приложений клонирования, в особен ности для

метод, изв естн ый п од наз в анием поли мер азная це пная

тех о рганизмов , ч ь и полные последовател ьн ости rеномов

реакция (ПЦР )

известны. С ейчас боль шая часть клонирований произво­

(polymerase chain reaction, PCR), предо ­

ставляет гораздо более быструю и простую альтерн ат и ву

дится с помощью ПЦР.

разделе н ие

цепей ДНК

разд ел е н ие

це п ей ДНК

и отжи г пр ай м е ров

1

1

'--~----'
1

7

1

'\

участо к

двух це п очеч~ о й
хр о м о с ом н о и

ДН К для
ам плиф и ц ирован ия

Д НК

\

/

1

,.

си н т е з

цепей Д Н К

/

ДНК

...

\

\

...
"' ,.
"' ...

~-

,.

/

/

...

/

,.

/

,.

\

...

ПЕРВЫЙ ЦИКЛ (образуются

ВТОРОЙ ЦИКЛ

ТРЕТИЙ ЦИКЛ

две двухцепочечные молекулы ДНК,
как на рис. 10-15)

(образуются четыре двухцепочечные
молекулы ДНК)

(образуются восемь
двухцепочечных молекул ДНК)

РИС .

10-16.

В ПЦР используют повторяющиеся циклы разделения цепей, гибридиза ции и

синтеза для амплификации ДНК. Если про цедура, изображенная на рис.

10-15, п овторяется ра з за

раз ом , новообразованные фрагменты , в свою оч е редь , служат матрице й для с интеза . В ходе каждого
цикла происходит удвоение того количества ДН К, которое был о в конце предыдущего , и через н е с кольк о циклов основная часть ф рагментов ДН К идентичн ы п оследовательн ости исходной моле кулы , заключенной между праймерами , вклю ч а я и х самих . В изображенном здесь примере три ци кл а р еакции
образуют

16 цепей ДН К , 8 из которы х (обведены желтым) одной

и той же длины и точно соотв етству-

ют одно й ил и другой це п и исходной ограниче н ной последовател ь н ости, изобра женной слева; другие
фрагменты содержат дополнительные участки исходной последовательности ДНК , реплицируемой в
первы х цикл ах . Еще через

4 ци кла 240 из 256 це п очек ДН К будут то ч но соответствовать исходной п о­

следовател ьности, а еще через несколь ко циклов пра ктичес к и все фра гменты ДНК будут иметь единую
длину. Несмотря на то что вся ДНК, имевшаяся в начале реакции , со х раняется , она представлена в
настолько малых количествах относительно новообразованной , что ее присутствие не важ но . Н а практи ке

20- 30 циклов достаточно для эффе ктивной амп л ификации ДНК . Каждый цикл занимает всего о ко -

л о пяти минут, а автоматиза ция всей про цедур ы теп е рь позволяет п ровести полностью внекл еточное
клонирование фрагме н та Д НК за несколько часов, в отличие от стандартны х методов клонирования ,

требую щих несколь ки х дней . В есь процесс по казан на ВИДЕО

316

Д НК

__.,,,.,

ДНК- п райме р ы

/

,.

си н тез

и отж иг прай м е ров

раздел е ни е

синтез

и от жи г п раймеро в

rЛАВА 1О. Анали з генов и ге номов

10.1 .

-<
-<
-<
-<
-<
-<
-<
-<


клетки

наследствениых заболева ний и в судебной медицине, что
мы кратко обсудим .
ПЦР основана на использован ии ДНК-полимеразы

для копирования образца ДНК в повторяющихся циклах
репликации.
выделение мРНК

выделение ДНК!

i последова­

~

тельность

_,,,______

мРНКдля
клонирования

Полимеразу направляют к необходимой

по следовательности

короткие

ДНК-праймеръr,

добав­

ленные в реа кционную смесь: они rибридизуются с об­
разцом ДНК в начале и в конце необходимой последо­
вательности . Эти праймеры предоставляют 3'-концы для

1

ДНК-полимеразы, с которых она начин ает репликацию

обеих цепей. Подходящие к искомой последовательности
1
ДОБАВЛЕНИЕ ПЕРВОГО

ПРАЙМЕРА , ОБРАТНОЙ
ТРАНСКРИПТАЗЫ И

ко для клонирования последовательности, чье начало и

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕО­

РАЗДЕЛЕНИЕ ЦЕПЕЙ И
ДОБАВЛЕНИЕ ПРАЙМЕРОВ

прайм еры должен придумать и с интезировать сам экс­

пе риментато р , поэтому ПЦР можно использовать толь ­

ЗИДТРИФОСФАТОВ

+

•

конец и з вестны. В ходе каждого цикла ре пликации две

ДНК

цепи двуцепоч еLIНОЙ ДНК разделяются и копируются

'\"

п е рвого цикла репликации. После множества подобных

РН~

1
РАЗДЕЛЕНИЕ ЦЕПЕИ

И ДОБАВЛЕНИЕ

ВТОРОГО! ПРАЙМЕРА

н езавис имо. На РИС.

10-15 показаны отдельные стадии

циклов образуется большое число, обыч.но миллиарды,
копий исходиой последовател 1, но сти ( РИС.

10-16) . ПЦР

край 1-1е чувствительна; оиа может заметить единичную

копию последовательиости ДНК в образце, амплифици­
руя ее так , что эту ДНК ста новится возможным увидеть,
например,

1

1
АМПЛИФИКАЦИЯ

АМПЛИФИКАЦИЯ

С ПОМОЩЬЮ ПЦР

с помоf ью пцР

i

с

помощью

окрашивания

элект рофорезом в геле (см. рис.

по сле

ра зделе ния

10-3).

Существует несколько особенно важных областей при­
менения ПЦР. Во-п ервых, на сегодняшний день это основ­
ной метод для юю 1-шрования относителъно коротких фраг­

ментов ДНК (менее
геномные

клоны

кДНК

клоны

(А)

10 ООО пар нуклеотидов ) из клеток. Из­

наL1аJ1ьной матрицей для реакции может быть как ДНК, так
и РНК, что позволяет с помощью ПЦР получать как пол1-lые геномные копии (с экзо н ами и с интронами), так и ко­

(Б)

пии кДНК гена ( РИС.10-17). Удобство метода в том, что ген

РИС. 10-17. ПЦР можно использовать для получения геномных

можно клонировать непосредственно с любого фрагмента

или кДНК-копий. (А} Для кло ниров ания фра гм ента генома с помощью

ПЦР сначала необходимо выделить хромосомную ДНК из клеток. До ­
ба вляют праймеры, ограничивающие участок ДН К для клонирования ,

редкая частица

по сл е ч его проводят много ци клов ПЦР (см. рис.

ВИЧ в сыворотке

10-16).

П оскольку ам­

ко мпл еме нтарн ые им уч аст ки}, с помощью ПЦР мож но выборочно по­

человека

крови

нирования кДН К гена сначала необходимо выделить мРНК из клеток.

зараженного

В раствор, содержа щи й мРНК, сначала добавляют первы й праймер , а

человека

обратную транскриптазу используют для получения ком пл е ментарной

без и спользования клеток. С по­

НИЕ
ВИРУСНОГО
РНК- ГЕНОМА

~- U -

молекула ДНК амплифицируется с помощью многих циклов ПЦР

in vitro

ВЫДЕЛЕ-

1

цепи ДНК . После этого добавляют второй праймер, и одноцепочечная

ведена целиком

- --1
РНК

образец

луч ать пра кти ч ески чи сты е фрагменты хромосом ной ДН К. (Б) Для кло­

Изобретенная в 1980 -х годах ПЦР может быть про ­

контропь с

крови зараженного

плифицируется только ДНК , заключен н ая между праймерами (вклю чая

ИЗБАВЛЕНИЕ
ОТ КЛЕТОК С ПОМОЩЬЮ
ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ

использованием
крови неэараженного
человека

ОБРАТНАЯ

ТРАНСКРИПТАЗА/ПЦРАМПЛИФИКАЦИЯ

-

мощью этого метода зада нную нуклео тидную последова­

РИС .

тель ность мож~ю выбороч.но и быстро ре плицировать в

ного генома в образце крови. Из -за способности поразител ьно уси­

больш-их количествах из любого образца ДНК, ее соде р­

ливать сигнал от единичной молекулы нуклеиновой кислоты ПЦР явля­

жащего. Например, ПЦР ceЙLiac широко применяется для

ется сверхчувствительным методом для детекции следовых количеств

созда ния большого числа копий любого гена из небольшо­

вируса в образце крови или тканей без необходимости очищать его. У

го образца челов ческой ДНК Метод также имеет множе­

ВИЧ ( вируса , вызывающе го СПИд) геном пр едставлен одноцепочечной

ство дРУ l'ИХ приложений, ВКЛJОLt ая амплификацию ДНК

молекулой РНК . Кроме ВИЧ этим методом обнаруживают многие други е

nри и спользова нии в диаг но стических тестах для поиска

вирусы , поражающие людей .

10-18.

ПЦР можно применять для проверки наличия вирус­

Клонирование ДНК

317


(А)

АНАЛИ З STR-ЛOKYCA У ОДНОГО ЧЕЛ ОВЕКА
РАЗДЕЛЕНИЕ ПРОДУКТОВ ПЦР В ГЕЛЕ
ПЦР­

прайме ~

1

[

отцовская
хромосома

хромосомы

материнская

отцовская -

-

ГОМОЛОГИЧНЫ

)

хромосома ,

материнская -

-&
8.

i

1;j

i

повторяющиеся
последовательнос т и

в SТR-локусе

(Б) подозревае м ый А

подозреваемый Б

п одозреваемый В

судебный образец Е

STR 1

=

STR2

STR3

=

~

~ ~
)

35
30
со

8. 25

,_
g
о
со

20

о
с:;

(.)

:s: 15

J

10
5
о

(

------- --- - -- ----

----~

1

~

а.

о

-6о

а.

!;;
(1)
с:;

(')

i

ДНК или РНК без затрат времени и усилий, 11еобходимых

работать с к райн е мален 1,кими образцами

для перво началыrоrо созда ния библиотеки ДНК

шими следами крови и тканей, котор ы е могут соде ржать

Другое применение ПЦР, связанн ое с ее особой чув­

ствительностыо,

-

поиск патоrенов инфе1щион1-1ьrх забо­

остатки тол ~,ко одн ой клетки

-

-

мельчай­

и получать генетические

« от п е ч атки 1 1алы1ев ,> человека, от которого полу ч ен об­

леваний на очень ра1-Lю1х стадиях. В это м cлyliae в качестве

разец. Геном каждого ч еловека (за исключеиием моно­

прайме ров и спользуют короткие фраrм енты ДНК. ком­

з иrотных близнецов) от; 1 ич.ается по по следователr, но­
сти ДНК от генома любого д ругого <rсловека; ДНК, ам­

плементарные последовател1,ности rенома возбудителя. С
помощью большого числа циклов ПЦР можно пров е рить

плифицированн ая с п омощыо ПЦР с испол~,з оваюrем

наличие или отсутствие даже единичных

копий в об­

определенных праймеров, вероятно , будет р азли ч аться

самый чувствительный

по по следовател ьиости у р азных людей. Ис п ользуя ак­

раз це крови ( РИС . 10-18) . ПЦР

-

ero

метод диа гностик и для многих инфек ций ; он уже часто

куратно вы бра ин ы й набор праймеров, покрывающих

заме 1-1яет использование антител к поверхиостным белкам

изв естные высокова ри абел 1,ныс у частки У. еловеческого

для определения присутствия патоген ов в образцах .
Наконец, ПЦР широко применяется в судебной ме­
диц и 1-1е. Ее п оразительная чувствительность позволяет

З 18

ГЛАВА 1О . А н ализ генов и rеномов

генома, с помощью ПЦР м ожно получит~, различающи­
еся генетические <, отпечатки п альцев >> для каждого че­

ловека ( РИС . 10-19).


можно, самых з ахватывающих э ксnернментов

РИС.

1О · 19. ПЦР используют при расследованиях для идентифи •

к ации личност и. (А) Последовательности Д НК , используемые в этом

анализе

-

repeats),

составленные из таких последовательностей ,

раскрытия

механизмов работы эт их ге~юв, а также молекул РНК и бел­
ков , которые они кодируют, внутри живых организ мов.

В этом биоло1-и особо и зобретательны

короткие тандемные повторы (SТRs , от англ.

short tandem
как САСАСА ...

-

-

существует

им е нно сто;rько способов подо йти к пробле м е функции

или GTGTGТ. .. , и н аходящиеся в различных местах (локусах) в геноме че­

гена, сколько есть ученых, стремящихся решит~, ее. Ме­

ловека. Число повторов в каждом

тоды ,

STR высоковариабельно в популяции,

и с пользуемые для

изучения активности

ге н а,

ча­

Из-за разнообразия в этих по­

сто зависят от подготовки и опыта работы исследовате­

следовательностях люди обы ч но наследуют различные варианты каж­

ля: генетики могут р ешить создать м утантный органи з м

дого SТR от матери и от отца ; два не родственных человека , как правил о ,

с наруше нной активностью гена; биохимики, возможно,

с разбросом от

4 до 40 у разных людей .

несут разные па р ы последовательностей. П осле ПЦР с ис п ользованием

выделят большое количество бе;1 ка для определе1-1ия его

праймеров , ограничивающих локус , образуется пара п олос амп л ифи­

фе рме нтативной активности и трехмерной структуры; а

цированной ДНК от каждого человека,
материнский вариа нт

STR, а

вторая

-

одна из п олос п редставляет

хорошо з накомы е с компьютером могут н ач.ать с поиска

отцовский. Дл ина ПЦР - п родукта

сходных посл едо ватель ностей или патте рнов экспрессии

-

и , соответственно, п оложение пол осы п осле эл ектрофореза будет за­

по компьютерным базам данных. Нес мотря на то что эти

висеть от точного числа повторов в локусе. (Б) В ги п отетическом при­

подходы различаются требованиями к подготовке и обо­

мере , п риведенном здесь, анализи руются три SТ R - л окуса у трех по ­

рудованию , все они ра з работаны для получения подсказок

дозреваем ы х ( А , Б и В ), что п риводит к образованию ш ести п ол ос дл я

о том , за что ген отвечает внутри клетки или организма .

каждого человека после электрофореза в полиакрил амидн ом гел е.

Далее мы рассмотрим несколько методов, прим еня е­

Хотя у разных людей отдел ьные полосы могут совп адать, общая карти­

мых для определения функции гена. Поскольку все они

на уникальна для каждого ч еловека . П осл едовател ь ность п олос может

иачи наются с расшифровки посл едователь ности гена,

служить в ка ч естве «отпечатков пальцев»

мы

(fingerprint)

дл я п рактически

наlrнем с подходов, использу ем ых для определеr-тия

однозначной идентификации чел овека . Ч ет в ертая линия ( Е ) содерж и т

последовательности участка ДНК. После этого мы обсу­

продукты такой же ПЦР, п роведенной по собра нн о м у крими н ал истами

дим, как ученые могут интерпретировать информацию,

образцу ДНК . ДНК можно п олучить из еди н ич ного волоса или малей шей

з акодированную

капельки крови, оставле н ной на месте п р еступления . Ч ем больше поку­

Затем разбе рем, как после выделения гена используются

сов изуче н о, тем вы ш е будет уве р е н ность в правил ьн ости резул ьтата.

технологии рекомбинантных ДНК, чтобы получить до­

Есл и исследовать вариабельность 5- 1О разных SТR -локусов, то вероят­

статочное количество его РНК или белка и изу чить их

ность того, что у двух сл уч айных людей совпадут « отпечатки п ал ьцев »,

структуру и функции. В заключении мы опишем некото­

в нуклеотидной

посл едовательности.

будет примерно 1 на 10 млн. В случае, показанном здесь , люди А и В

рые методы для изуче ния функций гена в клетке, ткани и

могут б ы т ь исключены из числа подозреваемых, а Б остается явным п о­

даже целом животном или растении. Эти методы произ­

дозре ваемым . Аналогичный п одход сейчас, как п равило , ис п ользуется

в ел и революцию во всех разделах биологии, пр едоставив

при определении отцовства.

новые пути для изучения функций генов, молекул РНК

и белков.

ДНК можно быстро секвенировать
В конце 1970-х годов исследователи разработали методы,

РАСШИФРОВКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

которые поз воляют быстро и просто определить последо­

ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

вател ьность любого ОL1ищенного фрагмента ДНК. С помо­
щью этой т ехнологии удалось определить полны е нукле­
отид 1-1ые по следо вательности сотен тысяч. генов и полно­

Ране мы исходили из предположе ния , уто функция гена,

стыо секвенировать ге номы мно 1- их ор 1-ан измов, включ ая

J<ото рый мы хотим и зучать, известна хотя бы в общих чер ­

поч.кующиеся дрожжи

Saccharomyces cerevi.siae,

тах. Но пред положим, что вы открыли ген, кодирующий

Caeп01-habditis

плодовую мушку Dтosophila

белок с н еизвест ной функцией. Как вы определите, что

nogaste1-, модельное

этот белок делает? Сейчас, когда в ходе проектов по сек­

собаку, крысу, шимпанзе, 1-ориллу и человека.

nенированию rеномов быстро обнаруживают новы е rе~1ы

elegans,

растение AraЬiclopsis

thaliana,

ДНК, самый распространенный из которых

Вопросом в клетоlrной биологии. Например, из

метод

ООО рас-

11ознаи ны х челове ч еск их ге нов (см. раздел <~ Откуда мы

знаем\), с.

297- 298)

более, чем у

10

ООО функция остается

mela-

а также

Было предложено несколько методов секве1-rнрова~-rия

Просто и з последователь ности ДНК, это стало обычным

25

нематоду

-

-

дидезокси­

ос1-rован на том, что синтез ДНК проводят

in vitm

в присутствии специальных дидезоксинуклеозидтрифос­
фатов, которые терминируют синтез цепи ДНК. В этой

технологии ДНК-полимераза образует частичны е копии

неизвеспюй .

Уже описанные м етоды позволяют биологам получать

фрагмента, который должен быть секвенирован. Реакция

большие колиL1ества ДНК в такой форме, с кото рой удобно

ре пликации проводится в таких условиях, Утобы новая

Работать в лаборатории. Представлена ли

цепь ДНК обрьmалась, достигая определенного нуклеотида

01-ra

фрагмента­

i\,щ в ДНК-библиотеке или набором продуктов ПЦР на дне

(А, Т,

Пробирки , эта ДНК может служить матерналом для, воз-

емых в настоящее вр емя, остается той же, секвенирование

G или С) ( РИС. 10-20). Хотя основа методов, использу­

Расшифровка и использование генетической информации

319


дезокси­

дидезокси ­

рибонукл еозидтрифосфат

:r

5'

рибонуклеозидтрифосфат

G З' ] двухцепочечная

I

З' CGTATACAGTCAGGTC 5'

ДНК

РАЗДЕЛЕНИ Е ЦЕПЕЙ ,
ДОБАВЛЕНИЕ МЕЧЕНОГО
меченый

ПРАЙМЕРА

праймер
блокирует

5'

удлинение це п и

З'

позвол яет

З ' ОН

рост цепи

с З '- конца

с З'-конца

l

нормальные

З'

j

j

небол ьшое количество

тTA'.J.--'3JQT зидтрифосфата (ддАТФ )

предшественники Ai~c4 т
(дАТФ, дЦТФ, дГТФ G i8@ir
и дТТФ )

праймер для

)

полимераза

полимераза

+ДНК

полимераза

полимераза

ATGTC
ATGTCAGTC
ATGTCAGTCC

молекулы ДНК

ATGTCAGTCCA
5'

Дидезокс и -метод секве нирова ни я ДНК ос но ва н н а

исп ол ьз ов а нии дидезо кси ну кле оз идтр ифосф атов , об ры вающи х
цеп ь.

+ дд ГТФ

+ддЦТФ
+ДНК

блокирует удлинение

секвенируемой ДНК

10-20.

+ддТТФ
+ДН К

+ДНК

одноцепочечная молекула

РИС.

д ЦТФ
д ГТФ

дидезоксину клеозида

GCATATGTCA
CGTATACAGTCAGGTC

З'

+ ддАТФ

дТТФ

случайная вставка

ДНК-полимеразы

5'

ДНК

+ избыток дАТФ

дезоксинуклеозид- ....__ _дcJ8GA / одного дидезокси нуклеотрифосфаты-

одноцепочечная

CGTAACAGTCAGGTC 5'

Дидезоксинуклеозидтрифосфаты

-

производные

~

in vitro

в реакционной

смеси, содержащей одноцепочечные молекулы ДНК, которые дол жны

быть секвенированы ( серые) , фермент ДН К- полимера зу, короткие ДНК ­
праймеры (оранжевые) , чтобы полимераза могла н ачать репликацию , а
та кже четыр е дезоксинуклеоз идтрифосфата (дАТФ , дЦТФ , дГТФ , дТТФ) .
Если в с месь добавлен дидезокси-аналог одного из нуклеозидов (на ри­

сунке это ддАТФ , по каза нный красным цветом) , он может встроиться в
растущую цепь ДНК . Тогда в цепи не о кажется

!~

- -----

норм аль­

ных дезо кс инуклеозидтрифосфатов , у которы х отсутствует 3 ' -гидро к­
сильная группа. Очищенная ДНК реплицируется

j

3' - ОН-группы , добавление

А

т

ATG
ATGTCAG
ATGTCAGTCCAG

с

З'

G
А

с
с
т

G
А
с
т

G
т
А

5'

G

сл едующего нуклеотида будет заблокировано, и цеп ь ДНК оборвется на
этой позиции. Дидезокси-АТФ ( красное « А» ) кон курирует с нормальным

дАТФ (синие «А » ), который находится в избытке, так что ддАТФ встав­

РИС.

ляется в растущую це пь в случа йн ы х местах . В конце концов , в р еак ци­

наб о р м ол екул ДН К, отл ича ю щихся по длине на один нуклеотид.

онной смеси образуется н абор молекул ДНК ра злично й длины , компле ­

Чтобы определить полную по следов атель ность фрагмента ДНК , двух­

10-21 .

П р и и с поль зо ва н ии д идезокси-метода получается

ментарных исходному фра гменту и обрывающихся на ра зличны х А (см .

цепоч е чную ДНК разделяют на дв е цепи , одна из кото ры х служит ма­

ри с.

тр и цей для секвен ирован ия . Четыре различных дидезокси-нуклеоти­

10-2 1). Толь ко один из возмож ных продуктов по каза н на ри сун ке.

да , об рывающи х цепь (ддАТФ , ддЦТФ , ддГТФ и ддТТФ , показаны крас­
ным) , и с пользуют в четырех отдельны х р еак ция х синтеза ДНК с одной

было зна читель но усо вер шенствова но. В результате этой

и той же одноцепочечной матрицы (серая). В результате каждой ре­

реа1<ции образуется набор различ ных копий ДНК, которые

акции образуется набор копий ДНК , об рывающи хс я н а разли чны х п о­

обрываются на каждой позиции исходной молекулы ДНК

зициях п оследовательности . Продукт ы р азделяют при помощи эле к­

и поэтому отличаются по длин е на один нуклеотид. Эти ко­

тро форез а на четырех отдельных дорожках поли ак риламидно го геля

пии можно разделить ло дл ине при помощи электрофореза

(подписаны на рисунке как А , Т, С и

в геле и по их рас положению определить посл едователь­

обнаружива ют с исполь зо ванием р адиоактивно й или флуоресце нтно й

ность исходного фрагм ента ( РИС.

G) . Синтезирова нны е

фрагменты

метки , встроенной в прайме р или один из дез о ксин укл еози дтриф ос­

10-21 ).

Сейl!ас секве нирование ДНК полностью автомати­

фатов , удлиняющи х цепь . Поло ски на каждо й дорожке представляют

зировано : специал 1,ньrе устрой ства смешивают реагенты,

собой фрагменты синтезированной ДНК , оборвавшиеся н а одном из

зате м проводят р еакц ию и С L!итывают по следователь н ость

ну клеотидов (например , на А в самой левой дорожке) в ра зличны х по ­

нуклеотидов с геля. Этот 11 роцесс облегчается лри ис­

зициях исходной ДН К. Считывая полос к и , н ачиная с низу, и идя по всем

пользовании нуклеотидов, обрывающих цель, ме ч е нных

дорожкам, можно определить последов ател ьно сть синтезированной

различными флуорес цент ными к расителями . Тогда все

цепи . Последовател ь но сть , по каза нн а я на зеленой стр ел ке справа от

реакции синтеза могут проводиться в одной пробирк

,а

продукть1 можно разделять на одной дорожке геля. Де-

320

ГЛАВА 10 . Анализ генов и rеномо в

геля, иде нтична последовательности
двухцепочечной ДН К.

5'-3' -цепи

(зеле ная) исходной


-

- - - - - - - - - - - - - - - - - -~----

пл аз м идный вектор

11· 11

806 ~ ~ 11 Search 1~11 Inforмtion !l]!!Ш Strarк
] llode: RdJ l eft cut ! ■1\ЬМ@• ; RdJ rirht cut Scale down 11]

•

1

с:
r- (

11

190

180

C T G A T TTT C AAA

T AA C R T G C G R

C T G A TTTT C ARA

T AA C R T G C C A

(

- -- первая

вста в ка

)

! РАСЩЕПЛ Е НИЕ РЕСТРИКТАЗОЙ

(
стью а втом атизировано. Здесь по каз ана крошечная часть данных од­

194 относительно

)
i РАСЩЕПЛ ЕН И Е РЕСТРИКТАЗОЙ

нуклеотид в последовательности Д НК. Можно четко прочитать участок
и

вторая вставка

(

ного раунда автоматического секвенирования в том виде , в каком они

отображаются на экране ком п ьютера. Каждый цветн ой пик показывает

173

-

г-

РИС . 10-22. На сегодняшний день секвенирование ДНК полно ­

последовател ьности между пози циями

)

начала

(

последовательности . Этот приме р взят из международного проекта по

оп ределению полной нуклеотидной последовательности генома расте­

ния AraЬidopsis thaliana. (С разрешения George Murphy.)

г

=--

)
третья вставка

(

те1пор, расположенный под гелем, считывает цв ет флуо­
ресцентной метки каждой полоски по мере продвиже ния

вдоль геля, и компьютер сохраняет последовательность до

)

последующего анализа ( РИС. 10-22). Как из этой информа­

РИС.

ции ученые могут собрать пол н ую последовательность ге­

зовать , чтобы соединить набор фрагментов ДНК из разных источ­

нома, описано в разделе ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ , с.

ников. После каждой вставки р екомбина нтная п л азмида клонируется,

322- 325.

Конечно , определение последовательности гена или
Целого 1·енома

-

это только начало.

-

Многостадийное клонирование ДНК можно исполь ­

чтобы очисти ть и ам плифицироват ь новую ДН К (см . рис .

10-10).

Затем

она разрезается рестриктазой в одном месте и ис п ол ьзуется как вектор

Как мы уже обсуждали в предыдущей главе, это слож­
ная задача

10-23.

дпя клонирования следующего фрагмента ДН К .

глядя на нуклеотидную последователы-юсть,

определить, к прим еру, где 1-rачинается и кончается ге н, и

ли п, его норм ал ы·rую функцию. Соединив ген инте ресую­

какие у ч астки nажны для регуляции его активности. Но

щего нас белка с 1·е ном флуоресцентного бе1гка-маркера,

даже обладая такой информацией, поро й н легко понять,
l<ai<yю роль 1·ен играет в жиз н едеятельности ор 1·а низма.

можно создать гибридный меченый белок и отслеживать
го положе ни е в клетке или организме. Наконец, прямым

для это 1·0 биологам н еобходимо воздействовать на каж­

практическ им 11рим енсиие м ре1<омбинантной технологии

дый ген более лрямыми методами.

является возможность производить в больших количе­

ства х белки, которы е в клетках редки.

Можно создавать совершенно новые молекулы ДНК
для изучения функций генов обычно приходится созда­
вать рекомби нанпп,rе молекулы ДНК Как рассказывалось
Bl,[tue, общий принцип создания рекомбинантных Д НК за­
кточается в объединении при помощи ДНК-лиrазы двух

фрагментов ДНК, в том числе полученных из разли чны х

С помощью клонирования ДНК можно получать
большие количества редких белков
Многи е и з тысяч. 1<леточных белков, в том числе те, кото­
ры е играют р ешающую роль в жизнедеятельности клетки,

при сутству ют в ней в ОL1ень малых количествах. Полу L1ить

о рганизмов или синтезированных хими ч еским путем (см.
Рис. 10-6). При помощи м1-югократноrо клонирования мо ­
лекул ы ДНК из любых источников можно изолировать и
соеди нить в любой комбинации, ч тоб ы п олучились моле­
кулы ДНК желаемой последователыrости ( РИС. 10-23) .

достаточ ные для изучения количества таких белков было

Возможность самостоятельно создаватr, моле~<улы
н ужной последовательности позволяет ученым манипу­
лировать генами различными способа ми . Вызывая в ге 1·tе
мутацию, которая изменит его активность, можно опреде-

но больших количествах.

чрезвычайно сложно, если вообще возможно. Од ним из
самых значителы-1ых вкладов технологии рекомбинант­
ных ДНК в 1<леточную биологию оказалась возможность
пол учать любые белки, в том LfИсле и редкие, в относитель­

Сверхпродукция белков обычно обеспечивается при
помощи специ аль ных векторов
ргеs

io11 vectors).

-

векторов экспрессии ( ех­

В отличие от векторов для клонирования

Расшифровка и исполь зование генетической информации

321


РИС.

в ектор экс пр есс и и

1

(

10-24.

С помощью белок - кодирующей последовательности ДНК , вставленной

в вектор экспрессии, внедренный в бактериальную клетку, можно производить боль ­

шие количества белка. Пл азмидны й векто р содержит высоко активный промотор, который

>
промотор

с п особствует образо ванию большого количества м Р НК вставленного в этот вектор гена. В

1

за в исимост и от свойств векто ра его внедрRют в бактерии, дрожжи , клетки насекомых или

мл еко п итаю щи х, где вставл ен н ый ген эффект и вн о тра н скрибируетсR и транслируетсR.

РАСЩЕПЛЕНИ Е ДНК

РЕСТРИКТАЗОЙ

(

в

этих

векторах

имеются

соответствующие сигналы для

транскрипции и трансляции, чтобы вставленный ге~1 э кс­

ВСТАВКА БЕЛОК-КОДИРУЮЩЕНЙК

прессировался в очень болы.LlИх количествах ( РИС. 10-24).

1

Для использования в бактериальных, дрожжевых клетках,

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Д~

клетках насекомых или млекопитающих создают различ ­
ные векторы экспрессии, в каждом случае содержащие соот­

ветствующие регуляторные последовательности для транс­

(

крипции и трансляции в этих клетках. Вектор экспрессии
реплициру ется

ВНЕДРЕНИЕ РЕКОМБИНАНТНОЙ

1

МОЛЕКУЛЫ В КЛЕТКУ

с

каждым

раундом

клеточного

деления;

создается культура клеток, способных к синтезу огромных

количеств необходимого белка. Поскольку белок, закоди­

~

рова~1ный в векторе экспрессии, обычно образуется внутри
клетки, его приходится очищап, от других клеточных бел­
ков с помощью хроматографии; но его настолько много в

клеточном лизате (часто

1- 10% от всех белков клеши),

что

очистку легко провести всего за несколько этапов.

♦

Эту методику сейчас используют для производства

больш их колиlrеств белков, важных для медицииы. Фак­
тор

VIII,

например, производят коммерчески с помощью

кул~,тур генетически измененных клеток млекопитающих,

и поэтому он чист от вирусного загрязнения . Многие дру­
с верхэкспрессируемая

сверхэкспрессируемый

мРНК

белок

гие полез~1ые белки, включая гормоны (такие как инсулин),
факторы роста, противораковые агенты и белки вирусных

оболочек для вакцин, производят таким же способом.

СЕКВЕНИРОВАНИЕ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА
Решение сводится к тому, чтобы разбить геном на

Когда методы секвенирования ДНК стали полностью ав­
последовательности

фрагменты и се1<венировать эти небольшие кусочки. Но

нужного участка ДН К превратилось из трудоемкой темы

тогда главная проблема состоит в том, как соединить по­

томатизированными,

определение

для диссертации в рутинную работу: загрузите в машину

следовательности

для секвенирования ДНК, добавьте необходимые реаген­

по рядке, чтобы получить сначала последовательности от­

ты

-

А, Т,

и получите искомый р езультат: последовательн ость

G и С.

Нет ничего проще.

коротких

фрагментов

в

правильном

дельных хромосом, а потом и весь геном . Чтобы собрать
геном воедино , исследователи п р именяют две различные

Но rrotreмy же секвенирование генома человека счи­
тается столь трудной задачей? В основном из-за его раз­

стратегии: шотган-секвенирование, или метод дробовика

(shotgun), и

подход <<клон за клоном ,>

(clone-by-clone).

мера. Сегодняшние методы секвенирования ДНК огра­
ниче н ы физическими размерами геля, используемого для

разделения меченых фрагментов ДНК (см. рис .

10-21).

С

Метод дробовика

одного геля можно считать, самое большее, несколько со­

Самый прямолинейный подход к секвенированию rено·

тен нуклеотидов. Как же справиться с геномом, в кото­

ма

ром их миллиард?

их нуклеотидную последовательность, а затем при помо-

322

ГЛАВА

10. Анализ генов и геномов

-

разбить его на небольшие фрагменты, определить


поиск

последователь ности

/

/

гена в базах

да нны х ДНК

-

синтез

клонирования

ДНК- пробы -

определения

в кДНК или геномной

,:f.:~т:~:;~;,

б,бл,о\, ДНК

-

РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ
АНАЛИЗ ИЛИ

ЯМР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТРЕХМЕРНОЙ СТРУКТУРЫ
БИОХИМИЧЕСКИЕ

ТЕСТЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

-

введение в

АКТИВНОСТИ

БЕЛОК

с помощью

ПЦР или поиск

Е.

coli

или

другую клетку

ВВЕДЕНИЕ В КЛЕТКИ

-

ИЛИ ОРГАНИЗМ ДЛЯ

ИЗУЧЕНИЯ ФУНКЦИЙ

/

-

вставка

в экспресси онный
вектор

РИС.

10-25. Технологии рекомбинантных ДНК позволяют двигаться в изучении строения от гена

к белку и от белка к гену. Н ебольшое колич ество очищенного белка используют для получения фраг­
мента ами но кислотно й последовател ьности . Это дает информацию , поз воляющую выбрать соответству­

ющий ген в библиотеке ДН К с помощью ДНК-гибридизации (см . рис .
цировать ген с помощью ПЦР из секвенирова нного генома (см. ри с.

10-12) ил и клонировать и амплифи ­
10-17). Когда ген выделен и отсекве­

нирова н , е го бело к-кодирующую последовательность мож но и с пользовать для созда ния молекулы ДН К,
с помощью которой можно получить большое кол ичество белка из генетически изме н е нны х клеток (см .
рис.

10-24). Затем

этот белок можно изучать биохимически или структурно. Кроме производства бел ка ,

ген или фрагмент ДНК можно встроить в клетки или организмы для изучения его фун кции.

Использование векторов экспрессии также позволя­
ет ученым производить много биологически интересных

белков для детального изучения структуры и функций,

его трехмерной структуры с помощью рентгеноструктур­

ного анализа ( см. раздел « Откуда мы знаем,> , с .

153- 156).

Методы рекомбинантных ДНК позволяют уl1е1fым начать

что раньше было невозмож1-rо. Получив большое количе­

работать с белком с неизвестной функцией, выделить ген,

ство белка, ученые могут анализировать его биологиче­
скую и биохимическую активность. Иногда удается даже

кодирующий его, а затем получить достаточно белка, что­

вьrрастить кристаллы белка, подходящие для определения

( РИС.

щи мощного компьютера восстановить исходную после­

сильно

довательность, основываясь на перекрывающихся участ­

последовательностями ( РИС.

ках ( РИС . 10-26) . Этот подход называется « методом дро­

бовика>>, или шотган-секвенированием. В качестве ана­

бы иметь возможность изучать его структуру и активность

10-25).

осложнена

повторяющимися

нук леотидными

10-27). Хотя они редк и в

бактериальных геномах, у позвоночных эти последова­
тельности составляют довольно большую часть генома

Jrоrии представьте себе, что несколько копий этой книги

(см. рис .

Разделили на маленькие кусочки, перемешали их, а зате м

может содержать более десятка у поминаний челове­

nоnытались восстановить всю книгу, соотнося слова и

ч еского генома. Представьте себе, что один получен­

Предложения на разных кусочках бумаги (потребуется
Несколько копий 1шиги, чтобы создалось перекрывание,

же секвенирование генома человека ,> (из начала этого

9-29).

В примере с книгой только одна глава

ный нами кусочек книги содержит фразу: « Но почему

liеобходимое для сборки). Так можно сделать, но это бу­
дет гораздо проще для книги длиной около двух страни ц .
По этой причине шотган-секвенирование подходит

раздела), а другая соде ржит отрывок: << генома ч еловека

ДJ[я определения последовательности небольших гено­

эти кусочки, основываясь на перекрывающемся фраг­

мов. Метод показал свою действенность в 1995 г. , когда

менте <<Генома человека~, но тогда получится совершен­

бьr)[ секвенирован геном болезнетворной бактерии Haernophilus influenzae. Это первый организм, у которого
6 ь1J[а определена полная последовательность генома.
llедостаток метода в том, что сборка генома может быть

совместили подход « клон за клоном~ с шотган- се квеии ­

ровани ем >> (из следующего абзаца). Можно объединить

но бессмысленное пр едложе ние << Но почему же секве­
нирование

за

генома человека совместили

клоном ,>

подход

с шотган - секвенированием >>.

«кло н

К тому же

Продолжеиие иа с. 324

Расшифровка и использование генетической информации

323


СЕКВЕНИРОВАНИЕ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА (продолжение)
несколько важш 1 х абз ацев м ежду этими фразами будет

повторяющи йся уч асто к ДНК

у т еряно.

И всего тол ько в этом разделе ! А ведь словосо ч ета ­
ни е « геном ч елов е к а~ п оявля ется п р актич ес ки в каждо й

главе этой книги . Та к и е по вторе ния з атрудняют опреде­
ление пол ожения каждого кусочка. Чтобы с прави т ься со

j

слож н о с тями , у ч е ны е, у l1а ствовав ш и е в про е кте секв е н и ­
рования

ге ном а ч ело века,

совм естили

подх од

«кло н за

кл о н о м >> с шот га н-секв е нироваt1 и е м .

случайная
фрагментация

-

множ ество

копи й генома

j

случайная

информация
в промежутке

фрагментация

утеряна

фрагменты
последовательност и

===

последовательно сть

собрана неправильно ,
участо к между повторами
поте рян

j

~~~~~;~:ательность
вос станавливается
на основе

пере к рывающихся
участ ков

РИС.

10-27.

Повторяющиеся участки затрудняют правильную

сборку последовательности. В это м прим е ре ДН К соде ржит два п о ­
вторяющи хся участка , кажды й со стоящи й и з м н о г их копий п осл едо ва­

РИС.

10-26. Шотган-секвенирование применяется для небольших

тел ьности GАТТАСА. Посл е а н али за п олуче нных при сек вени ров ании

rеномов. Сначала ге ном р азб ив а ют н а гор аздо бол ее м ел к ие п е рек р ы­

по сл едо вательностей об н а руж ива ют два п е рек рыва ю щихся участ ка .

вающи ес я фра гм е нты . Кажды й фра гм е нт сек ве нируют и соб ира ют ге­

В результате н е пра в ил ьн ой сбор к и п осл едо вательн ости уч асток, и с­

н о м , ос новы вая с ь на п е рек р ы в аю щихся по сл едо вательн остях .

ходно л ежащий между п овтора ми ( в квадратн ы х с кобках ) , будет утеря н.

Репортерные гены и гибридизация

да я сн о и з б и охимической акт ивн ост и , как именно белки

in situ

позволяют определить, когда и где

и сп ол ь зу ются в клетке.

экспрессируется данный ген

Во мн о ги х случ аях мож н о ПОЛ)ГLIИТЬ

П ОДСJ<азк и

о

функции белка с помо щ ь ю изу<1ени я того, ко 1·да и где
Ни пол ная н у клеотидная последоватею, , rо сть гена, н и

его ге н э кс прессир устся в 1<летке или о р 1·а 1-1 из м е в целом.

даже простра нстве нная стру ктура бел ка н

Определ и ть патте рн и время экспрессии ге н а можн о с

м огут п о м о ч ь

рас крыть его функцию , есл и он не схож с белком, функция

пом о щыо соедине н ия регулято рны х областей ген а с ре ­

которо го извест на. Многи е бел ки, та ки е как структурные

портерным геном, активность которо го можн о набл ю­

белк и клетки и л и состав ные части боль шого мул ьт ифе р ­

дат ь. Как подроб н о обсуждалось в гл.

ментноrо комплекса, не им е ют выражею-rой б и ох имич е­

ко юрол ируется

с кой активности сами гrо себе . Даже те, которы е обладают

п оследовательн остя ми Д НК, об ычн о расп оложе ннымvr

8,

экс прессия ге на

регулято рными н етра1-1с1<ри бируем ы ми

и звестн о й активностыо , на прим ер 11 р оте инкин азы, м огут

11 е ред код иру ющей обл астью . Эти ре гул ято рны е после­

в принципе прини мать уч асти е в л юбо м Lfисле разл и ч н ых

дователь н ости, кон тролирую щие то, какие клет ки буJТ.УТ

биохимичес ких п утей в клетке; д ругими слова ми, н е все г-

экспр есс ир о в ать о пр еделенны е гены и в каких усло в иях,

324

ГЛАВА 10. Анализ генов и геномов


Клон за клоном

сайты узнавания для рестриктаэ А , В , С,

При использовании этого подхода ученые начали создание
геномной библиотеки. Они разбили геном человека на пере­
кры ва:ющиеся фра1·менты длиной

100- 200 тыс. пар нуклеоти­
вставили в ВАС ( от ш12л. bacteгial

дов. Затем эти фрагменты

artifi.ciae

cЬиinosoшes

-

искусствеш1ые бактериальные хро­

мосомы), которые в~1едрили в клетки Е.

coli. ВАС

рестрикционная •
карта фрагмента "
генома человека

рестрикционные

11охожи на

карты отдельных

бактериальные плазмиды, которые обсуждались выше, но

клонов ,

мо 1·ут в1ш:юч ать 1·ораздо б6ль шие фрагменты ДНК. Бактерии

Ад

'f

D

В

В А

'f

В

С

D

и Е
ЕС

••

..,

..,

содержащихся

в ВАС

делились и коnирова.,rn ВАС, производя коллекцию перекры­
ваrощихся КJ101rnроваr-1 ных фрагментов (см. рис.

10-11).

Затем было найдено местоположение каждо1·0 из этих

РИС.

10-28.

Положение индивидуальных клонов фрагментов ге­

фрагментов в геноме человека. Для этого с использовани­

нома , содержащихся в ВАС, на физической карте генома опре­

ем рестриктаз составили рестрикционну:ю карту каждого

деляют при помощи их рестрикционных карт. Клоны обрабатывают

из 1шонов ( РИС.

10-28) . Расположение рестрию.(ио1н1ых

рестриктазами и определяют сайты, по которым их разрезают различ­

сайтов в каждом клоне позволило определить их местопо­

ные ферменты. Характерное расположение сайтов на каждом участке

ложение на рестри~щионной карте rеиома человека.

помогает найти этот участок на рестрикционной карте генома человека .

Зная относительное расположе ни е клонированных

фрагментов , ученые выбрали из них около

30 ООО , разре­

зали на небольшие кусочки и определили их последова­

А теперь все вместе

тельность методом шотган-секвенирования. После этого

Подход <<КЛОН за КЛОНОМ >> позволил в

стало реальным собрать последователь ность всего генома,

черновой вариант генома человека и пот-rую 11оследова­

соединяя между собой последователы-юсти отдельных

тельность в

юrо нов , покрывающих всю длину генома .

все молекулы РНК и белков, н еобходимых для построения

2004

2000

г. получить

г. Как набор инстру1<ций, определяющих

Привлекательность этого подхода в том, что точ-ное рас­

человека, эта последователыюсть генетических <<битов>> со­

положение фрагментов ВАС в геноме определить доволыю

держит секреты нашего развития, физиологии и медицины.

просто. Этот шаг « картирования~ уменьшает вероятность

Кроме того, зню-1ия генома человека очень важны для иссле­

того, что регионы, содержащие высокоповторяющиеся по­

дователей, зю-rимающихся сравнительной геномикой или

следовательности, будут неправильно соб раны; он также

физиологией других организмов: они силыю упростит1

практически исrшючает возможность собрать вместе после­

сборку rеномов других млекопитающих - мышей, крыс, со­

довательности из раз ных хромосом . Возвращаясь к аналогии

бак, друтих приматов . Появилась возможность определить

с учебником, основанный на ВАС подход сходен с первона­

нуклеотидные посл едо вателъности геномов отдельных лю­

чальным разделением книги н а страницы и разрывю-1 ия каж­

дей: на предоставлею-rую основу можно наКJ1адывать новые

дой страницы отдельно. Должно быть гораздо проще собрать

последовательности. Геном человека, по-видимому, являет­

обратно книгу, когда одна ку,ша обрывков сод ржит слова с

ся едииствеr-rны.м геномом млекошпюощеrо, расшифрован­

первой стран ицы, вторая

ным так детально и методично. Благодаря проекту « Геном

-

со второй и т. д. И прюпически

lfевозможно ошибочно вставить предложение со стра ницы

человека >> мы на,шнаем осознавать высокую степень моле­

40 в середи ну параграфа со страницы 412.

кулярного разнообразия нашего собствею-юго вида.

Мо)lшо использо вать для управления экспрессией р ·пор­

лок ведет себя сходн о с природным белком, и его рас­

терного гена. Уровень, время и клеточная специфич н ость

пределение п о клетке или организму можно н аблюдать

синтеза реnортерного гена будут отражать как фующию

просто ло флуоресц енции в микроскоп ( РИС.

инте ресующего 1-1 ас гена, так и действие р е гуляторных п о­

пользо вание связанных с

следовательностей, связанных с ним ( РИС. 10-29) . В боль­

ным методом

wи нстве случаев эксп рессию репорте рноrо гена иаблюда­

любых интересующих нас белков в живых организмах.

LОт по флуоресцентной или ф е рментативной активности

Из этой. информации можно сделать много пр едположе­

его белкового продукта.

ний о функции белка в орга низме.

GFP

10-30). Ис ­

белков стало стандарт­

изу чения распределения

и перемещения

Сегод 1-1я одиа и з сам ы х полулярных репортерных

Также возмож но непоср едственно наблюдать вре­

белков - это зеленый флуоресцентный белок (GFP) ,

мя и место образования мРН. К гена. Во многих слу ч аях

Молекула ,

их

э тот по дход дает нам ту же информацию, '-ПО и м е тод

мож1-ю просто присо­

репортер1-1ы х генов. Но в некоторых случаях следует вы­

придающая

л юминесцентным

зеле но е свечение. Часто ген

GFP

медузам

единить к одному и з коацов гена и зу чаемого белка. Во

брать мониторинг РНК: н апример, если конеч1-1ым про ­

Многих случаях получающийся связанный с

дуктом гена является РНК, а не белок. Метод, ос~юван -

GFP

бе-

Расшифровка и использование генетической информации

325


(А) ИСХОДНЫЕ МОЛЕКУЛЫ ДНК

больши м пр о рыв а м в н а ш е м п о11и ма 11ии э м б ри о н ал ыю ­

кодирующая

последова тельность
нормальная

го р аз вития , позволяя набл юдат ь мн о ги е и з м е нения в

клетки

белка Х

э к с пр есс ии г е н ов , пр о и сход ящи е в р аз ны х клетк ах р аз­

АБВГДЕ

- CIIIIIIII

'

начальная точка

/

регуляторные

паперн экспрессии

для синтеза РНК

последовательности

гена Х

гена Х

по след о ват ел ыю сти

ДНК в хромо сом ах . В этом случ ае проб ы 1· иб риди зу ют­
ными рас твора ми с оч е нь вы с оким рН для ра здел е ни я

последовательность

дв у х ц е п е й ДНК. Уч ас тки х ромо с ом , с вяз ывающи еся с

м е ч е ными пробами, потом мо ж но у видеть ( РИС. 10-32) .
ту м етодику м ожно и с полъз ова п, в м ед ицин е : при б

3

2

1· и б ри д и за ция позволя ет

кодирующая

для репортерного белка У

рекомбинантная

Jn situ

с пе 11ифич сск и е

ся с цел ыми х ромо с ом а ми , пр едва рител 1, но о б р абота н ­

ДНК , определяющие
экспрессию

пива ющ е 1·о ся э м б рион а.
ви з уа л и з ир ова т1,

паперн экспрессии

репортерного гена У

(Б) ТЕСТОВЫЕ МОЛЕКУЛЫ ДНК

-

р е м е нно с ти он а по з воля е т про ве рить , н е н есе т л и п лод
и з м е 11 е н1-1ы е хром ос омы.

- 1 EJ
2

2

паперн экспрессии

репортерного гена У

ЗАКЛЮЧЕНИЕ - регуляторная последовательность 3 включает
ген Х в клетках Б
регуляторная последовательность

-

2

включает

ген Х в клетках Г, д и Е
регуляторная последовательность

-

1 выключает

ген Х в клетках Г

РИС .

10-29. Репортерные

гены можно использовать для опреде­

ления паперна экспрессии гена. (А) Пр едположим, мы хотим вы­

яснить, какие типы клеток экспрессируют белок Х, но его сложно де­
тектировать непосредственно . Кодирующая посл едовательность бел­
ка Х заменяется на последовательность белка У, который можно легко
обнаружить; н а пример , белок У может быть флуоресцентным . Белок У
в таком случае будет экспрессироваться под контролем регуляторных
последовательностей гена Х (здесь помечены как

1, 2 и 3).

(Б) Что бы

выяснить , какие регуляторные последовательности контролируют экс­

прессию в определенных типах клеток , создаются различные комби ­

нации кодирую щи х областей белка У и р егуляторных последователь­
ностей. Затем эти рекомбинантные молекулы ДНК пров еряют на экс­
прессию при введении в различные типы клеток. При экспериментах в

эукариотических клетках обычно используют два репортерных белка:
фермент р-гала ктозидазу (см. рис .

ный белок

(GFP) (см.

рис .

8-15, В)

и зелен ый флуоресцент­

10-30).

ный 1-1 а принципе г и б ридиз ации н у кле ин ов ы х кислот,

РИС .

опис анный ран ее , н аз ы вается

можно

лат.

in situ

1· и б ри диз ация

( от

in situ - « 1-1 а м есте >,) ) , 1 юскол ьку он поз воля ет об­

на р у жив ать с п ецифичны е по следов ател ьност и н у к ле и ­
но в ых ки сл от, пока они в се е ще н ах одят с я н а м ес т е

-

в

При

in situ

ги бри д и зации 11сп ол ьзу ют зон д ы и з н у ­

ки сл оты ,

м еtr е нны е

С помощью зеленого флуоресцентного белка

(GFP)

помечать отдельные типы клеток в живых организмах.

В эксперименте, проведенном на плодовой мушке , ген

GFP

был со­

единен с использованием технологий рекомбинантной ДНК с мушиным
промотором , активным только в определенном наборе нейронов . Дан­

ное изображение живого эмбриона муш к и получено с помощью флуо­

1< ле тка х и л и хромо с ом ах.

кл е ино в ой

10-30.

фл у ор ес ц е нтной

ресцентного микроскопа , и на нем видны около

20

нейронов , каждый

мет ­

с длинными выростами (аксонами и дендритами) , связывающими их с

ко й ил и ра диоактивным и зо топом , для дет ек ции РНК

другими (нефлуоресцентными) клетками . Эти нейроны, расположен­

и л и Д НК определе нно й по следоват ль но ст и в кле тк е

ные прямо под поверхностью эмбриона , позволяют организму чув­

и л и тк а ни ( РИС .

ствовать его непосредственное окружение. (С разрешения

10-31 ) . Э та м етод ика поможе т выявить

патт е рны э к спресс ии 1· е нов . Его при ме н е ни е прип ело к

326

ГЛАВА 10. Анализ генов и геномов

W.B. Grueber et а/. , Curr. Biol. 13: 618- 626, 2003.)

Elsvier

из :


Гибридизация на ДНК-микрочипах позволяет следить
за экспрессией тысяч генов одновременно
В гл.

8 гово рилось,

что клетка э кслрессирует тол ы<о

onpe·

делет1ый набор гено в и з досту пных в ее геноме. Од но и з
наиболее важ ных приме неии й гибридизации нуклеи но ­
вых ки слот

-

определение того , как и е име нно ге ны ак­

т ивн о транскрибируются в мРНК у группы клеток, а ка­
кие н е работают. Методы

in situ

гиб ри ди за ции позволя ют

у ч е ным отслеживать эксп ресси ю одного ге н а или от н оси­

тельно н ебольшого их числа за один раз. Однако в 1990- х
годах и сследователи раз работал и н овый инстру м е нт, н а­
зываемый ДНК-мю,рочипом

50

(DNA

inicroaпay ) , который

позволяет и зучать РНК-продукты десят ков тысяч генов

м км

одноврем 1-11-10. Изучая экс пресс ию такого бол ьшого чи сла

РИС. 10-31. /n situ гибридизацию можно использовать для про•

генов, мы сможе м выявлять и и зучать слож ны е п а тте риы

верки наличия вируса в клетках. На этой микрофото графии ядра

экс пр есс ии генов , лежа щи е в основе фи з иологии клетки ,

эпителиальны х клеток, и н фи цирован ны х вирусом п а п илл омы ч ел о века

визуализируя, какие гены включаются

(HPV , от англ. human papillomavirus) , окрашен ы розовым с помощью

ся ) в процессе роста клеток , деле ния ил и при ответе на

зонда, узнающего последовател ьность вирусной ДН К. Ядра всех клеток

дей стви е 1·о рмонов, токсинов и инфекции .

( ю1и

в ыключают­

окрашены синим , хотя он маскируется розо вой окраской в и н фициро ­

Размер ДНК-микрОLJИПОВ немного больше предмет­

ванных клет ках . Ц итоплазма всех клеток окрашена зеленым . ( С раз ре ­

ного стекла. Они покрыты бол ьшим чи слом фрагм е нтов

шения

ДНК, каждый из кото рых содержит последов ателыюсть

Hogne R\'led Nilsen.)

J-1 у клеотидов, служа щую з ондом для слецифическоrо 1·е н а.

Самые плоп1 ые чипы содержат соп-1 и тысяч таких фраг­
ме~-пов н а п ло щад и ме ньш е поч товой марки , позв оляя

наблюдать за п аттери ами э кслрессии цел ых ге~юмов в
одном эксперименте . Некоторые вид ы микрочипов несут

фрагм енты ДНК, соответствующие цел ым генам , прикле­

и ваемы е

J<поверхностя м роботам и . Другие виды несут ко­

ротки е одноце поч ечны е молекулы ДНК, с интези руе мы е
прямо на пов ерхно сти чипа с помощью м етодов, похожи х
на прим еняемы е при и зго товл е нии комnыотер}1ых

п лат.

В обоих случаях точная последовательность и положе ни е
каждого ДНК-зонда на чипе и звестны.
При и с пользо вании ДНК-микрочи11ов для изуче1-1ия
э кслрессии вс ех ге нов одновременно из изучаемых кле­

ток выделяют мРНК и синтезируют по н ей кДНК ( с м .

рис .

10-13). Затем

кДНК помечают с п омощью флуо р ес­

центно й пр об ы. Микрочип инкубируют с образцом мече­
но й кДНК и дают пройти гибриди з ации ( РИС. 10-33) . По ­
сле этого чип отмывают от неприсоеди н ивши хся

м оле­

кул и с по мо щью автоматического микроскопа выявляют
р ас положе 1·1 и е

компл е ме нта рно

свя за вших ся

м е l1 е ны х

фрагм е нтов ДНК. Зате м соотносят пози ции фрагм ентов

РИС. 10-32. /п situ гибридизацию используют для выяснения по­

ДНК с ко нк рет ным и геиами, Д НК которых и зн а ч аль но

ложения генов на хромосомах. Здесь взял и шесть разл ичных ДН К­

поме щ е 11 а на чипе.

зондов, чтобы пометить расположение соответствующих им нуклео­

Д НК- чипы были и с пользованы для и зучения сам ых

тидных п оследовател ьностей н а хромосоме 5 человека , выделен ной в

раз ных проблем , от измен ений в экспрессии ге нов при со­

Метафазе митоза (см . рис . 5- 16 и вкладку 18-1, с. 562- 563). ДН К-зонды
были химически помечены, и их обнаруживали с помощью флуорес­

зревании юrуб1-LИJ<И до ге11етических <<под писей\'> клеток
LJеловека и з рако вы х опухолей разл ичных типов. Сравне­

центных антител к химической метке . На рисун ке показаны как материн ­

ние профилей ге ююй экслресс ии разны х видов раковы х

ская , так и отцовская хромосомы 5, расположенные параллельно . Каж­

опухолей человека можно, наприм е р, и спол ьзовап,, чтобы

дый зо нд образует две точ ки на каждой хромосоме, поскольку у мито­
тических хромосом уже была реплицирована ДН К, из -за чего в каждой
из них содержится две оди наковых двойн ых спирали . М етод, использу­
емый здесь, называют FISH (от англ. fluorescence in situ hybridisation).

отделить один тип раковых клеток от д ругого. С вя зав эти

(С разрешения David С. Ward .)

дет ли эффект у конкр етного пац и ента от лечения да ниым

па,~l"е рны

э кспресс ии

с

клиническими

проявл е ниями

-

скорост ью развития болез ни и тем, отвечает л и паци ент на
определенное леч ени е, можно попытаться лредс казат ,,, бу­

Расшифровка и использование генетической информации

327


пре паратом. Поэтому основа нные 11 а микрочип ах <~ профи­

С помощью генетических методов

л и~ раков ы х юrето 1<, вероятно, приведут к более точ ному и
эффективному леч ению вызванных ими заболева ний .

можно ВЫSIВИТЬ функцию гена
В ко не ч11ом счете клеточ н1,1 е биологи хотят о пределить,

мРНК из
образца

как гены , и х РНК и белки , котор ые 011и 1<од ируют, фу нк­

мРНК из
образца

1

~~
~~
~~~

2

~~
~~~
~~

ционируют в интактном организме. До изобрете н ия ме ­
тода клонирования функ ции бол ыuин ства генов были
открыт ы с помощью п оиска и изу чени я м у та1п 11 ых ор 1·а-

преобразование в кДНК ,

преобразование в кДНК,

11измов. При таком << классическом>> ге 11 етич еско м п одходе

мечение красным

мечение зеленым

н ачи н ают с изоляции мутантов, обладаю щих интересной

флуорохромом

флуорохромом

t

t
~~
~~~
~~~
,.._z-.,

~
~~
~~~
~~
~~~
~~

~

ГИБРИДИЗАЦИЯ НА МИКРОЧИПЕ

или 1-1 еоб ычн ой в1-1 е шностью: п лодовых м ушек с бел ы ми
гл азами или , например, и зоmутыми

кр ы льями . После

выявле ни я фенотипа

(phenotype)-

дения и н д иви дуума

о лределя ют е го генотип ( ge п.otyp e )

-

внешности или п ове­

(вариант гена, ответствен н ый за такое свойство) . Клас­
с ич еск ий генети ч еск ий п одход проще всего прим еиять в

опю ше нии о рганиз мов, которые быстро раз множа ются и
у которых легко выз ывать мутации в лаборатор ии , таких
как бакте рии , дрожжи , н ематоды и дрозофил ,,,.

t

Тех 11 олог ии реко м би1-1а1-1тной ДНК сделали возмож11ым

прим е нение

др угого

вида

ге нетич еско го

п одхода.

Вм есто того, чтобы на,1ю 1 ать со слу ч айно появивше гося
м ута 1-1та и использовать его для идентификации

t
ПРОМЫВКА , СКАНИРОВАНИЕ КРАСНОГО
И ЗЕЛЕНОГО СИГНАЛОВ И НАЛОЖЕНИЕ КАРТИНОК

re,1а, мож ­

но начать с кло нир ова нн ого ге на и выз ыв ат ь в н е м м ута ­

ции

in viti-o. Зате м с помощью внед рения

из ме ненн ого гена

обратно в ор 1·аниз м , и з которого его изначально выделили,
можно получить мута н ти ы й ор 1·а 1-1и з м и определить фу нк ­

цию этого 1·е на. Исполъзуя метод ики , описа нны е ниж е, 11е ­
слож но

и з м е нять код ирующую последовател 1,ность кло­

нированного 1·е на , ,побы вар1,ировать функци о н ал ь11ы е

с войства белкового продукта или удал ить

ero

целико м.

Мож1-ю меннть регулято рную посл едовател ьность гена

так, чтобы и з ме нилос ь количество образую щегося белка,
или так, чтобы ген э кспрессировался в д ругом типе клеток
или в д ру гой период онтоге неза.

Воз мож 1-юсть ма нипул ировать ДНК
вносить точ ны е мута ц ии, и

in vitro

позволяет

ге 11 ы мож н о ли ш ь сле 1· ка из ­

м е 11ять. Ч асто необходимо, на при мер, и зменюъ в белке,
кодируемом

геном ,

только

од н у

или

н ескол ько

амино­

кислот. Исл ользова 11 ие м етода сайт-специфичного мута­
небольшой фрагмент микрочипа ,
показывающий

11 О

генов

генеза

(site-d irected 1nutagenesis)

для дости же ни я такого

результата показа н о н а РИС. 10-34. С .помощью п одоб ного
выбороч 11 ого изме н ения аминокислот можно определить,

РИС.

10-33.

ДНК-микрочипы используют для мониторинга экс­

какие ч аст и полил епти д ной

1(

пи важны для так и х фу н ­

прессии многих тысяч генов одновременно. В этом примере мРНК

даме 1-паль 11ы х процессов, как сво ра,,и вание белка, взаимо­

выделяют из двух различных образцов клеток для непосредственного

/(ейств ие белка с ли 1·а н до м и фе рм е нтативrюго катализа.

сравнения и х уровней эксп рессии генов

-

например, из обработанны х

и необработанны х гормоном клеток . По образцам мРНК синтезируют

Кром е то~-о, сайт-с п е ци фич ны й мутаге н ез поз воляет о лре ­

делять биологи ч ескую ролr, каждой ч аст и да 1-1 1 ю1·0 белка.

кДНК и помечают ее (из одних клеток красным флуоресце нтным краси­
телем , а из други х

-

зеленым) . Меченые образцы смешивают и да ют

гибридизоваться с ДНК на микрочипе . После инкубации чип промывают
и сканируют флуоресце нцию . Представлен только небольшой фрагмент
чипа , содержащий

11 О ге нов . Красные точки свидетельствуют о том , что

ген сильнее экс прессируется в первом образце , чем тот же ген во вто­
ром , а зеленые показывают, что экспрессия гена выше во втором образ ­
це, чем в п е рвом . Желтые точ ки подтверждают примерно одинаковый
уровень эксп рессии, а темные

-

слабую экс прессию соответствующе­

го гена или ее полное отсутствие в обоих образцах .

328

ГЛАВА 10. Анализ генов и геномов

ВОПРОС

10-5

А Ч тобы вызвать мутацию in vitro (см . рис . 10-34) , в ДНК coз ­

rl' дают несовпадение. Как вы думаете, узнают и исправят ли

8

ферменты репарации ДНК (см . рис . 6-22) это несовпадени е,

когда несущая его пла з мида поп адет в клетки? Вызовет ли это про­

блемы в использовании сайт-специфичного мутагенеза? Объясни­
те свой ответ.


(А)

Животных можно генетически модифицировать

кодо н из м е н яемой

_

_

ам ин окисл оты

I

п л азмидныи вектор

для кло н и ро ва н ия

вставле н ныи

г1---,

Чтоб ы изуч ат~, фу н к ци ю гена, мутирова нного

н орм а ль н ы й ге н

CTG- ......,.
GAC

in vitro,

в

идеале н еобходимо создать о рга ни з м , в котором н орм аль­
н ый ге н за мещен из м ен е нным . В э том слу чае фу нкцию м у ­

та нт н ого белка можно изуч ать в отсутст ви е нормал ьного

РАЗДЕЛ Е НИ Е

ЦЕ П Е Й

( Б)

(

r

бел ка. У мн огих орган измов подоб н ая замена rе на

си нтетический

replace111ent) доволы-ю просто

ДНК- пра й м ер ,

83 CCIII соде ржащи й

мологической ре комб и нации между введенной мута нтн ой

мути рованную

Д НК и х р омосо мной Д НК ( РИС .

по сл ед ов ат ель н о сть

CTG ~

• Gc~

ся добавле ни е мутантного гена в ген о м без ка1<их б ы то
ри с.

с исп ользова нием технол огий рекомб ин антн ой ДН К, на­

И ДНК-ЛИ ГАЗЫ

зывают тран сгенным и ( tгan sge ni c

8::5)

У о рганиз м ов, раз м1-1 0:жаю1.ци хся поло вы м путем, та ­

кие измен ения обычн о вн осят в кл етки зарод ышево го
пути , т. е. в клетк и , ис пол ьзуе мы е для р аз мно же ния . Так и е

трансген 1-1 ые животные зате м с пособны передат ь из м е нен ­

О ДОЧЕРНИМ КЛЕТ КАМ

ный ге н хотя бы н е кото ры м своим пото мкам как п остоян­
ну ю LJ асть их ге но ма ( РИС. 10-36). Техиически есть воз мож­

~~= = = =CGG

мР Н К

(GMO, от

aitzл. geп e t i call y люd i f:i ed oгgaлi s 111s ).

РАЗДЕЛЯЕТСЯ

( Г)

orga11is111s), или zeitemu-

чecкu модифицироватtыми оргаииз.мами (ГМО)

ЛАЗМИДА РЕПЛИЦИРУ ЕТСЯ

GTG - --~

В) . Организ мы, в которые был встрое н нов ый

ДНК-ПОЛИМ Е РАЗЫ

ВЕД Е НИЕ В КЛЕТКИ.

GAC--»

10-35,

ген , и л и чь и ген омы б ы л и изме нены дру гими с пособами

спомощью

(В)

5'

(gene

Б) . Д руго й в озможност ью явля ет­

10-35,

ни б ыло изм енений, затрагива ющих нор мальный ген ( с м.

j

!ТРАНСКРИПЦИЯ
GAC- 3'
!ТРАНСЛЯЦИЯ

10-35, А). И с пол ьзуя ту

же страт е ги ю, м ожно удалит ь ге н , вы звав е го нокаут

kп oc ko ut) (р ис.

ДОСТРАИВАНИЕ ЦЕПИ

«

(gene

выполн яется с помощью го­

н ость и зме нять таки м об разом даже гаметы чело ве r<а, хотя

GCC

это за конодат ел ьно запр е щен о по ря ду эт ич ески х пр ичин.

5'

Схожи е методы раз рабатывают для и с правле ни я генети­

!ТРАНСКРИПЦИЯ
GCC- 3'
!ТРАНСЛЯЦИЯ

ч еских дефектов в соматич еских клетках человека. Сом а-

Asp
пол о вин а потом ства

п оловин а потом ств а

п ро изводит норм альн ый

п р о и зводи т бел ок

бел ок

НОРМАЛЬНЫЙ ГЕН Х

с требуем о й един ич н ой

l

)

а мино кислотн о й за м ен о й

(

РИС. 10-34. Синтезированные молекулы ДНК используют для

НОКАУТ

ДОБАВЛЕНИЕ

ГЕНА

ГЕНА

ГЕНА

~

~

~

актив но го гена н ет

специфичного мутагенеза. ( А ) Р екомбинантную плазмиду, со­
де р жащую ге н , разде ля ют н а две це п и ДН К. И скусственный ДН К ­

добавляют к одноце почечным моле кулам Д Н К в условиях , доп ускаю­

1

ЗАМЕНА

изменения белок - кодирующего участка гена с помощью сайт­

n раймер с одним измененным нуклеотидом в о п ределенной поз иц ии

1

~

~

~

оба ге н а акти вны

акт и ве н толь ко

мута нтны й ге н
(А)

щи х неидеал ь ную гибридизацию . (Б) П раймер гибридизуется с Д НК ,

(Б)

(В)

образуя одну н есовпадаю щую пару нуклеотидов . ( В ) Рекомбина нтная
nлазмида достраивается до двух це п очечн ой с помо щью си нтеза ДН К

РИС.

iп vitro , нач иная с праймера , при участии ДН К-ли газы, сшивающей
дН К . (Г) Двухце п очечная ДНК в недряется в клетки , где реплицирует­

вызывать несколько типов генетических изменений. ( А ) Н о р маль ­

ся . Реплика ция одной це п и создает нормальные моле кул ы ДН К , но

з ы ваемый за м еной ге н а) . Это даст информа цию об а ктив н ости мута нт­

10-35. У генетически модифицированных организмов можно

ный ген мож н о цели ком заменить мута нтной копией ге н а ( п ро цесс, н а ­

Ре п ли кация второй цепи (содержа щей п раймер) приводит к образо­

ного гена без помех со стороны нормаль н ого; кроме того , та к мож но из ­

ванию молекул ДНК , несуще й требую щуюся мутацию. Только п оло­

уч ать вл ия н ие мал ы х мута ци й. ( Б ) Н ормальн ы й ген можно совсем инак­

вина клеток- п отомков содержит плазмиду с мутантным ге н ом ; од­

тиви ровать , например , создав в н ем бол ь ш ую дел е цию ; в этом случае

нако кл етки , содержа щие мутантный ген , можн о идентифицировать ,

говорят, что ген но каутиро ван. Этот т и п измене н ий ши роко пр име н яют

отдел ить от других клеток и культиви ровать , чтобы создать чистую

для п ол учения сведений о фун кции нормальн ого ге н а у ж ивотного . ( В )

культуру таки х клеток. С п омощью молекул ДН К с соответствующей

М ута нт н ый ген м ожн о п росто добавить в геном . Это изме н ение может

последовател ьностью можно заменять , добавлять или удалять одну
аминокислоту или нес кол ько .

дать н ам и н форма цию, есл и введен н ый м ута нт н ый ге н « пересиливает»
функцию н орм альн ого гена .

Расшифровка и использование генетической информации

329


(А )

(Б) береме н ная мышь

ЭС К в культуре

РИС.

т ка ни

@w~

G?tб(!)@

~6~

ВВЕДЕНИЕ ФРАГМЕНТА

~

изме н е н н

!

ВО МНОГИЕ КЛ ЕТКИ

созданный с' ИЗ КАЖДОЙ ВВЕДЕНИЕ
ПОМОЩ ~ Ю
ген нои
инженери и

КЛЕТКИ
ПОЛУЧАЮТ
КОЛОНИЮ

варианта гена в кул ьтивируе мые ЭС К. В немноги х ЭСК нормальны й ген

I
Q

ЭМБРИОНА

ИЗМ Е Н Е ННЫИ ГЕ Н ,

гена-миш

Гены мышей можно заменять , используя эмбриональ ­

будет замещен видоизмененным в результате гомологичной ре комбина ­

ПОЛУЧЕНИЕ
РАНН Е ГО

ДНК, СОД Е Р~ЩЕГО

ва ри ан

10-36.

ные стволовые клетки (ЭСК). (А) П е рвый шаг - введение и з м е нен н ого

зек в
РАННИЙ
ЭМБРИОН

ции . Хотя это часто трудоемкая процедура, такие редки е клетки мож но

выявить и разм н ожить в культуре ; все клетки-потомки будут нести изм е­
ненный ген в место одной из копий соот ветствующего нормального ген а.
Н а сл едую щем эта п е ( Б) такие изме н ен н ые ЭСК вводят в очень ран н ий
эмб р ион мыши ; клет ки включаются в состав растущего эмбриона . Вы­
рос ш ая из н его м ыш ь

/

-

моза и к , н екотор ы е ее соматические клетки

(показаны оранжевым) содержат измененный ген . У ряда таких мыше й

~

клетк и за родыш ево го пути тоже могут содержать измене н н ы й ген . П ри
скрещивании с но р мал ьн ыми особями не которые потом ки та к их мы ш ей

будут н ести и зме н е нн ый ге н во всех клет ках тела . В свою очередь , при
ск рещи ва н ии двух таких жи вотных некоторые их потом ки получат п о две

РАННИЙ
ЭМБРИОН ,

ВЫЯВЛЕНИ Е

ЧАСТИЧНО

РЕДКИХ

СОСТОЯЩИЙ

КОЛОНИЙ ,

из зеке

В КОТОРЫХ

МУТАНТНОЙ
КОПИЕЙ ГЕНА

ВВЕДЕННЫ Й
ФРАГМЕНТ ДНК
ЗАМЕНИЛ ОДН У

ИЗ КОПИЙ
НОРМАЛЬНОГО

:r.

ГЕНА

Q

ко пи и из м е н е нн о го ге на ( п о одной в каждой хромосоме), содержа щие ­

ся во всех клетках. Если п р и исходной модификации ген а он полностью
инакти ви руется , таки х м ы шей н аз ы вают н окаут ными. Ч асто сл уч ается ,
что при нокауте гена , играющего роль в развитии организма, н о каутны е

мы ш и п огиба ют задолго до достиже н ия п оловоз рел ости.

н етически и с правленны х со м ати ч еских клеток в тка нь, в

РАННИЙ

на ибол ы.uей степ е ни п ораженную болез нью ; эти измен е­

ЭМБРИОН
ПОДСАЖИВАЮТ

ии я в любо м слу чае н е будут п ереда ны пото м ству.
М етоды полу ч еиия т ра нс генных о рган и з м ов п озво ­

СУРРОГАТНОЙ
МАТЕ РИ

з ек , в котор ых

-

МЫШИ

СЛОЖНОЙ

одна копия

БЕРЕМЕН ­

ге на - мише ни

НОСТЬЮ

з ам ене на

~

мутантным ге ном

!

РОЖД Е НИЕ

ля ют п олу чи ть слож ны й ор ,-ю, и зм, у к оторо го какие-то

гены видоиз м енены ил и полнос 1ъю от сутству ют. Н а при­

м ер , сейчас полу ч е ны разные лини и 1-101<аут1-1ых .мышей

(knockout n1 ice), у

которых о пределенный ген пол н остью

и1-1 акт ивиро ван . Наблюдая за эффекта ми, в ы з ванными от­
су тс тви е м

или

мутиров ание м

о пр еделе нного ге на, ч. асто

м ож но выяс нить его 1-юр ма.тr1>11 ую функцию ( РИС. 10-37) .

ПОТОМСТВА

у некоторых потомко_в ~ ~
клет к и з арод ы ш е вои

~

лини и с од е ржат

~

измененны й ген

JКРЕЩИВАНИЕ С
НОРМАЛЬНЫМИ
МЫШАМИ

в п отом стве

при с утст вуют
са мцы и са м ки

с одн о й и з м ене н ной
коп ией ге н а - м и ш е н и
в о всех кл ет ках

у,РЕЩИВАНИЕ

РИС .

10-37.

У трансгенных мышей с мутантным геном белка

Rb

развивается ретинобластома. Белок , кодируемый геном-супрес ­
сором опухол ей

Rb, связывается

с транск р ипционн ы м и фа кторами и

п одавляет и х, не п озволяя клет кам удваивать поврежденную Д НК . П ри
ТРАНСГЕННАЯ МЫШЬ ,

У КОТОРОЙ ОБЕ КОПИИ
ГЕНА-МИШЕНИ МУТАНТНЫЕ

инакт ивации с помощью ген н ой инженерии одного из ал л ел ей гена и

обо и х алл ел ей гена р 107 у 60% м ы шей развиваетс я рети н областом а (на
рисунке) , н о о на р едко дает метастаз ы . П ри инакти в а ции одн ого аллеля

Rb, обои х аллелей р 107 и ге н а-суп рессора опухолей р53 у 100% мы шей
развивается агрессивная , метастазирующая р ет инобластома, в клетках

тиlr ес ки е клет ки, так и е как клетки л е ч е ни , поджелудо чн ой

которой происходит мутация второго ал л еля Rb. Сходн ы м образом дан ­

желез ы , ко стной тка ни , кожи , раз множа ютс я в о рга 1-1из ме

н ое забол е ва н ие р азвивается у человека , что позвол яет ис п ол ьзовать

отде11 1, ного ч ел ове ка, но не пе редаются потомству (с м . рис.

таких м ыш ей ка к модельный объект для медицински х иссл едовани й .

9-3).

Не которые генет ич ес ки е заболе ваии я мож1-10 было

б ы облегчить юп,r даже выле чить с помо щ1, ю в в еде ни я ге-

330

ГЛАВА

10. Анализ генов и геномов

(Исто ч ник :

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:MiceRb.jpg.

публи куетс я в русс ком и здании . )

Впервые


бактерий Е.

2

coli,

двухце поч еч ную

экс прес си рующих

РНК инъецируют

двухцепочечную РНК ,

в ки ш ечник червя

.....

скар мливают червю

~

~~

(А)
(Б)

РИС .

10-38. Для изучения функции генов можно использовать РНК-интерференцию.
(dsRNA} можно вводить в организм С. elegans (1 }, скармливая червю
бактерий Е. coli, экспрессирующих dsRNA, или (2) инъеци руя dsRNA прямо в ки шечни к червя .
(А} Двухцепочечную РН К

( Б} В зиготе червя дикого типа мужской и женский пронуклеусы (красные стрел ки) сливаются
вскоре п осле о пл одотворения в ее задне й части . (В} В зи готе , где о пределенный ген был инак ­
тивирован с помощью

RNAi, пронукл еусы

не мигрируют. Этот экс п е риме нт выявил важную , но

(В)

ранее н еизвестную роль данного ге на в эмб риональном развитии . ( С разрешения

Macmillan
PuЫishers Ltd фотографии (Б) и (В} заимствованы из: Р. Gбnczyeta/., Nature408: 331- 336, 2000.)

20

мкм

РНК-интерференция -

Трансгенные растения важны

простой способ изучения функции гена

для клеточной биологии и сельского хозяйства

Нокаут гена у данного организма и изуl1ение его послед­

Методы рекомбииантных ДНК используются в основном в

ствий

пожалуй, наи более важный подход к поним анию

и сследованиях животных, однако 01 1 и оказывают огромное

функций rе н а. Но существует гораздо более быстрый и

вm1яни е и на изучение р астений. Действительно, н екото­

простой способ инактивации генов в клетке или организ ­

ры е особенности расте~1ий делают их очень подходящими

ме. Этот метод называется РНК-интерференция

объектами для применения геНl-fои н жен ерных методов.

-

inteгfeгe n ce,

(RNA

RNAi) и основан на естестве нн ом механизме ,

Если поместить кусочек растителыюй ткани в сте­

используе мом многими расте ниями и животными для ре ­

рилыrую среду, соде ржащую ли тателъные ве щества и под­

гуля ции работ ы некоторых генов и разрушения чужерод­

ходя щи е регуляторы ро ста, н екото ры е клетки начинают

ны х молекул РНК (см. рис .

неограни•rе trно и

8-26

и

8-27).

При введении в

1-1 еупорядо ч е11tr0 делить ся, формируя

1<J1ет ку или организм двухце п очеLJНЬJХ молекул РНК , в ко­

массу относи тельно иедифференцировапных клеток

торых такая же по следователь н остъ н уклеотидов, что и в

-каллус

(call us).

-

При тщательном контроле содержа ния

подлежащем и н активации гене, эти молекулы РНК опоз­

питател ьны х веществ и ре гуляторов роста мож но вызвать

н аются как чужеродные, что вынуждает клетку раз рушатъ

формирование в каллусе лобе rов, и у многих видов из

Не толъко и х, н о и мРНК, которым они ком п лементарны .

таких побегов получается целое но вое расте 1-1ие. У неко­

Мелкие фрагменты таких разрушенных РНК клетка в

торых расте ни й

дальней ш ем и с пользует для производства новых двухц е­

картофеля и

тючечных

PI-IK,

продолжающих стимулироватъ раз руше-

1н1е целевой мРНК

RNAi

может выз ывать наследуемые

и зме не ни я генной экс пр ессии, так как короткие фра гмен­

ты РНК могут п е редаваться дочерним клеткам .

RNA i

культивируемых клеточ1tых ли ниях млекопитающих. Она

важн а и при изучении фунl<ц ий генов у нематоды С.

~1 еболъш у ю группу клеток, из кото рой удается п олуl1 ить
взрослое ра стение ( см . рис.

8-2, Б) .

Как 1·е н етические ма ­

н ипуляции с культивируемы ми эмбрионал ьными стволо­
выми

ч асто используют для ин активации клеток в

- в том чи сле табака, п етунии, моркови,
Amhidopsis - одна клетка каллуса может дат ь

так

клетками

позволяют

полу читъ

мута1-1тную

мыш1,,

и т р а н сгенное р астение можно получитъ с помощью

трансфекции ДНК в культуру клеток ( РИС. 10-39).

ele-

Возможность создавап, трансгенные расте1tия резко

gaпs. При работе с LJе рвями вн едрять в клетки двухцепо­

уско ри ла прогресс во многих областях клеточной биологи и

чеченую РНК особе нно легко: ее можно просто ввести в

растений. Например, она сы грала важную роль в идентифи­

кишечник червя или нако рмить ею генети-чески модифи­

к ации

цированными бактер ия ми Е.

прои зводящими такую

J1 измов морфогенеза и регуляции ге нной экспрессии у рас­

PI-IK (РИС. 10-38) . RNAi распространяется по всему телу

тений. Эти методики от кры ли много новых воз можностей

ч е рвя , подавляя экс прессию ген а-мишени в разли чных

перед сел ьским хозяйство м , способных прин ести выгоду

т1<ан ях. Поскольку геном С.
ван,

coli,

рецепторов ро стовых р егуляторов, в а н ализе меха­

elegans полностью се квениро­

как прои зводителям , так и потребителям сельскохозяй­

RNAi использовали для определения функций полно­

ственной продук ции. Так, с помощью ге нной инженерии

го набора генов червя.

мож но и з менят ь содержани е липидов, крах мала и бел ков

Расшифровка и использование генетической информации

331


листовые кружки сутки

инкубируют с генетически
модифицированными

из листа табака

Agrobacterium

вырезают кружок

-~ .

· . ... - _· . ·.

:.._.,_· - -

в селективной
среде размно­

жаются только
те клетки растения ,
в которые

встроилась ДНК

из бактерии
побег

/:среда ,

индуцирующая

образование
побегов

перенос в

выращивание

среду,

проростка

индуцирующую

с корешками

образование
корней
взрослое растение,
содержащее трансrен,

исходно присутствующий
в бактерии

РИС.

10-39.

С помощью технологий рекомбинантных ДНК можно создавать трансгенные рас­

тения. Из листа вырезают кружок и инкубируют в культуре бактерий

Agrobacterium, в

которые встро­

ена рекомбинантная плазмида . Он а содержит маркерный ген, позволяющи й проводить отбор клеток ,
и ген, который нужно встроить в растение . Поврежденные клетки на краях кружка выделяют вещества,
привлекающие бактерий. Они вводят свою ДНК в клетки растения. Только те клетки , в которые попала
плазмида и в которых экспрессируется маркерный ген , выживают и дают каллус в селективной среде .

Под воздействием факторов роста каллус образует побеги и корни , и проростки вырастают во взрос ­
лые растения, содержащие встроенный ген .

в сем енах , обесп еLrивать устойчивость растений к вирусам

и воспроизводимые наборы фрагментов ДНК с помощью

и насе комым-вредителя м и создавать расте ния , с пособ ные

нуклеаз рестрикции, каждая из которых разрезает двой­

жип, в экстремалы-п,1х местообитаниях, 1-1алриме р на со­

ную спираль ДНК только в участках с определенной н у-

ле ны х м арш ах ил.и недоуuлажнс нных почвах . С п омо щью

1,леотид1юй rюследовательностью.

ген1-t0й инжен ерии была созда на раз новидность риса, с и1-1тез ирующая ~-каротин

-

•

предш ественник ви тамина А. За ­

мена обычного ри са таким <<Золот ым рисом» , названным

Моле1,уды ДНК разною размера можно разделять с помо­
щыо элеl\трофореза в 1·еле .

•

так за яркий золотистый цвет семян, поз волила бы преодо ­

С помощью метода ntбридизацин нуклеиновых кислот мож­
но обнаружить любую задаю1ую последоватедыюсть ДНК

леть дефицит витамина А, ежеrод1-10 при водящий к поте ре

илн РНК в смеси фраrме1rrов. Эта методm<а основана на том

з ре ния у соте н ты сяч детей в раз вивающихся страна х .

факте, что одноцепоче'l!1ая ДНК ИJIИ РНК формирует двой·
ную спираю, TOJIЬKO с цепоЧl\ами нуклеиновых 1\ИСЛОТ, имею·
щими 1шмw1еме1rrарную 110СJ1едоватеJIЬноL-ть нуклеотидов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

•

Одноцепочечные ДНК известной последователыюсти, ме·
чею1ые флуоресцент1Iым краситедем или радиоактивной

•

меткой, используют при гибридизации в качестве зондов.

Технология рекомбинантных ДНК ревотоционизировала
изучение клетки , дав возможность исследователям выде­

•

лять любой ген клетки и определять его точную молеку­

•

Важнейшая составляющая этой техноJюrин

-

возмож-

1юсть разрезать крупные молекулы ДНК на специфичные

332

ГЛАВА 10. Анализ генов и rеномов

можно искусственно синтезировать в J1аборатории.

•

лярную структуру.

Коротl\ие цепочки ДНК с заданной последовательносп,ю
Методика клонирования ДНК позволяет выделить моле·
кулу ДНК из милдионов других молекул и полу•шть ее в
очищенном виде в неограниченных количествах.


•

Разные фрагменты ДНК можно соедиt1ять

in vitro

с помо­

•

щыо ДНК-лигаз; так rюлу•1шот рекомбинантные моле1,улы

•

рии можно вставить в геном 1,летки или организма . Клони­

ДНК, не встречающиеся в природе.

рованную ДНК можно видоизменять

Фра~·менты ДНК можво сохранять и размножать, включая

танп1ые гены , а затем вновь ввод ить их в клет1'у или орга­

их в моле1,улы ДНК, способнь1е к реплккации

-

например,

в плазмиды. Затем такую рекомбинантную молекулу ДНК

Прямой метод определения функции гена
из генома организма и

рию), та1, что ДНК реплицируется при 1,аждом клето•rном

получая му­

-

удаление его

изучение влияния такого генного

нокаута на поведение ОJ>ганизма и д ругие его признаки.

•

делении.

in vitro,

низм. Такой прием позволяет исследовать фун1'ции генов.

•

вводят в быстро делящуюся клетку (как правило, в бакте­

•

Клонировашrые гены с помощью методов генной инжене­

Экспрессию определеюп,1х генов в клеп,е или организме

Набор клонироваt1ных фрагментов хромосомtюй ДНК,

можно подавить с помощью РНК-интерфере1щии

содержащий полный геном организма, называют 1·еномной

подавляющей трансляцию мРНК.

(RNAi),

библиотекой. Такая библиотека часто поддерживается о
виде миддионов клонов бактерий, каждый из которых со-

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

держит свой фрагмент ДНК.

•

Библиотеки кДНК содержат кдо1шрованные ДНК-копии
всех мРНК определенного ткпа клеток или ткани. В от­

содержат белок-кодирующие последовательности; в них
промоторов. Поэтому их наиболее часто используют в тех
случаях, когда нужно экспресси~ювать 1\JIОнирова~шый

ген, чтобы получить бело1с

Полимеразная цепная реакция (ПЦР)
амплифюшции ДНК

in vitro

кnонироаание

секиниро1ание

нет интронов, регуляторных последовательностей ДНК и

•

кДНК

rенотиn

rибрндиааци1
rибрндиааци1 in sifu
дидеаокси-ДНК-

личие от 1шонов геномной ДНК, клоны кДНК в основном

- мощный способ

ДНК

ДНК

реnортерный rен

методы рекомбинантныхДНК
нукnеааа рес:трик-

замещение rена

мааммда

аеnеный +7:•с-

nоnнмераана1

(GFP)

ок

РНК-интерференци1

(RNAi)
сайт-сnецифнческии

нокаутrена

ДНК-nиrаю
ДНК-мнкрочнn

центный

с использованием очищенной

рекомбннантна1

бибnиотека ДНК

мутаrенеа

цин (рестрнктааа) трансrенный

opra-

НН3М

цеnна1 реаКЦИI

трансформаци1
фенотип

(ПЦР)

ДНК-полимеразы. Для проведения ПЦР нужно знать по­
следователыюсть амплифкцируемоrо фрагмента, посколь­

ку

необходимо

синтезировать

два

олиrонуклеотидных

праймера, ограничивающих реплкцируемый фрагмент.

•

•
•

Обычно гены клонировали с помощью методов гибриди­
зации ДНК, чтобы идентифицировать плазмиду, несущую

ВОПРОС

1-1ужную последовательность из библиотеки ДНК. На се­

Что произойдет при секвенировании ДНК, если повысить содер ­

годняшний день большинство генов клонируют с помощью

жание дидезоксинуклеозидтрифосфатов по сравнению с дезок­

ПЦР, значительно размножая нужную последовательность

синуклеозидтрифосфатами? Что произойдет, если понизить?

В настоящее время разработаны методики для быстро­

ВОПРОС

го определения последовательности нуклеотидов любого

Почти все клетки организма животного содержат идентичные
геномы . Ткань , состоящую из нескольких разных типов клеток,

Полностью определе11ы нуклеотидные последовательно­

зафиксировали, а затем провели

сти rеномов сотен видов живых организмов , включая бак­

зондом к определенному гену. К вашему изумлению , сигнал при

.

•

in

sitи-гибридизацию с ДНК­

гибридизации оказался в одних клетках намного сильнее , чем в
других . Чем это можно объяснить?

Клетки бактерий, дрожжей и млеl\опитающих можно rен­

но-инженерными методами заставить синтезировать боль­

ВОПРОС

umе количества любого белка из любого живого организ­

После десятилетий упорного труда доктор Рики М. выделил из волос

10-8

ма. Это позволяет изучать бещш, 1юторых мало в исход­

голливудских звезд небольшое количество аттрактазы

ной клетl\е или 1юторые трудно изолировать .

производящего мощный феромон человека. Чтобы использовать

С помощью методик ре1'омбю1а1mrых ДНК можно соедюrnть

аттрактазу для личных нужд, он получил полный геномный клон гена

белок с молекут1рной меткой, например с зеле1rым флуорес­

аттрактазы, соединил его с сильным бактериальным промотором,

центным белком

•

10-7

участка ДНК.

ко питающих

•

10-6

и таким образом получая ее из пробы ДНК или мРНК.

терий, архей, дрожжей, насе,юмых, рыб, растений и мле -

•

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

(GFP), что позволяет наблюдать за его пере­
движениями внутри клетки. При соедкнении с GFP можно
длительно следить за белком внутри живого организма .
Гибридизацию нуклеиновых кислот in situ использу~от для

-

фермента,

вставил в экспрессирующую плазмиду и ввел эту плазмиду в клетки

Е.

co/i. К его полному разочарованию, аттрактаза в клетках не обра­

зовывалась. Предложите возможные объяснения этого факта.

определения точного местоположения гена в хромосоме

ВОПРОС

или РНК в клетке или ткани.

Какие из следующих утверждений верны? Свой ответ обоснуйте.

ДНК-мtrкрочипы представляют собой платформы, на ко­

А . Нуклеазы рестрикции разрезают ДНК в специфичных сайтах,

торых можно одновременно проводить множество реаl\­

которые всегда расположены в межгенных участках.

10-9

ций гибридизации . Их используют для одновремеmюrо

Б. ДНК движется при электрофорезе к электроду с положитель­

мониторинга эксщ>ессии д есятков тысяч генов.

ным зарядом.

Вопросы в конце главы

333


В . Клоны, изолированные из библиотек кДНК , содержат промо­

ВОПРОС

торные последовательности .

А . Сколько всего образуется фрагментов ДНК , если разрезать

10-11

Г. В ПЦР используют термостабильную ДНК-полимеразу, по­

человеческий геном с помощью рестриктазы

скольку при каждом шаге амплификации необходимо денатури­

те, что гаплоидный геном человека содержит 3 х 109 пар нукле­

ровать двуспиральную ДНК путем нагревания.

отидов . ) А сколько получится фрагментов , если использовать

Д . При расщеплении геномной ДНК с помощью рестриктазы

Alul,

Haelll? (Вспомни­

EcoRI? Notl?

распознающей четырехнуклеотидную последовательность, об­

Б . Геномные библиотеки человеческой ДНК часто создают с по­

разуются фрагменты, каждый из которых имеет длину ровно в

мощью обработки рестриктазой

256 нуклеотидов .

режется лишь частично: рестриктаза разрезает ДНК не во всех по­

Е. Для создания библиотеки кДНК нужно использовать как ДНК­

тенциально доступных сайтах. Как вы думаете , зачем это делается?

Haelll, используя

ее так, что ДНК

полимеразу, так и обратную транскриптазу.
Ж. Получение генетических « отпечатков пальцев » с помощью

ВОПРОС

ПЦР основано на том , что у разных индивидов в геноме содер­

Двухцепочечная молекула ДНК обработана тремя разными ре­

жится разное число SТR-повторов.

стриктазами, а образовавшиеся фрагменты разделены с помо­

3. Кодирующая

щью гель-электрофреза ( РИС. В10-12 ) .

область гена может присутствовать в геномной

10-12

библиотеке, приготовленной из определенной ткани , но отсут­
маркеры

ствовать в библиотеке кДНК, полученной из той же ткани.
ВОПРОС

размера

-

10-1 О

А. Какова последовательность ДНК, использовавшейся для сек­
венирования ( РИС. В10-1 о )? На четырех дорожках находятся про­

LQ

дукты секвенирования, полученные при использовании дидеок­

синуклеозидтрифосфатов ддГ (дорожка

1),

ддА (дорожка

2),

со

а.
Q)

(дорожка 3) и ддЦ (дорожка 4). Числа справа показывают положе­

ние маркерных молекул ДНК длиной

::;;

"'

50 и 116 нуклеотидов.

(tl

_о,

Б. Эта ДНК была получена из середины клонированной кДНК

5 ►-

2!

4 ►-

"'

-

белка одного из видов млекопитающих. Можно ли определить

i:::[

аминокислотную

~з,5 ►

последовательность

использованной

белка с помощью таблицы генетического кода (см. рис.

части

7-24)?

а.

(tl

::;;
дорожки

1 2 3 4

1 ►-

-116

Notl +
EcoR I

- - -- -

I

~

-

Notl

8 ►-

""

ддТ

EcoRI

-

-

РИС. В10-12

В том же геле проведен электрофорез маркерных фрагментов ДНК
известного размера (левая дорожка). Длина маркерных фрагмен­

тов указана в килобазах (кБ;

1кБ = 1000 пар нуклеотидов) .

Исполь­

зуя маркеры как подсказку, определите длину каждого из получен­

ных с помощью трех рестриктаз фрагментов . С учетом этой инфор­
мации составьте карту исходной молекулы ДНК, на которой будет
показано взаимное расположение всех сайтов рестрикции.
ВОПРОС

10-13

Вы выделили небольшое количество редкого белка. Затем вы

расщепили белок на фрагменты с помощью протеаз, отд~лили
некоторые фрагменты с помощью хроматографии и определили
их аминокислотную последовательность. К сожалению, как это

зачастую случается при наличии малых количеств белка, удалось
определить только три коротких фрагмента аминокислотной по­
следовательности .

1.
2.
3.

Триптофан-Метионин-Гисидин-Гистидин-Лизин.

Лейцин-Серин -Аргинин-Лейцин-Аргинин .

Тирозин-Фенилаланин-Глутамин-Метионин-Глицин .

А. С помощью генетического кода (см. рис .

РИС. в10- 1 о (С разрешения

334

50

Leander Lauffer и PeterWalter.)

ГЛАВА 10. Анализ генов и геномов

7-24)

составьте на­

боры ДНК- зондов для каждого из пептидов, которые можно
использовать для выявления этого гена в библиотеке кДНК пу­
тем гибридизации . Какой из трех наборов зондов имеет смысл


-

♦ ЗОНД К КОНЦЕВОМУ УЧАСТКУ КЛОНА А

клон А

♦ ЗОНД ИСПОЛЬЗУЮТ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ НОВОГО КЛОНА

РЕЗУЛЬТАТ: СОВОКУПНОСТЬ

-

УПОРЯДОЧЕННО РАСПОЛОЖЕННЫХ

клон В

♦ ЗОНД К КОНЦЕВОМУ УЧАСТКУ КЛОНА Б

клон Б

♦ ЗОНД ИСПОЛЬЗУЮТ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ НОВОГО КЛОНА

-

♦ ТЕ ЖЕ ЭТАПЫ

ПЕРЕКРЫВАЮЩИХСЯ КЛОНОВ ДНК,

♦

ПОКРЫВАЮЩИХ ВЕСЬ ИССЛЕДУЕМЫЙ
УЧАСТОК ХРОМОСОМЫ
клон г

♦
и так далее

ранее клонированный ген

или генетический маркер

11

/

- - •• - - - · - - : :; ====••

хромосомная ДНК

новый интересующий
исследователей ген

направление « прогулки по хромосоме »

РИС . В10-15
использовать в первую очередь? Ответ поясните. (Подсказка :

ВОПРОС

генетический код вырожденный, так что каждый пептид может

В родильном отделении вашей местной больницы возникла ужас­

кодироваться несколькими последовательностями.)

ная путаница. Четыре пары близнецов-мальчиков, родившихся с

Б . Вам также удалось выяснить, что глицин в вашем пептиде
№ 3 - С-концевой, т. е . он находится на конце белка . Как , учи­

за столь редкого события . Вас вызвали , чтобы навести порядок.

тывая это, вы составите олигонуклеотидный праймер для ампли­

Для начала вы хотите объединить близнецов попарно (многие

фикации участка гена из библиотеки кДНК с помощью ПЦР?
В . Предположим, что с помощью ПЦР (см . пункт Б) вы получили
ДНК длиной ровно в 300 нуклеотидов . Определяя нуклеотидную

младенцы выглядят на одно лицо , так что вы не хотите полагаться

последовательность этой ДНК, вы обнаружили примерно посе­

тандемными повторами

редине участок CTATCACGCmдCC . Какой вывод можно сделать

участкам генома . Результаты показаны на РИС . В10- 16 .

на основании этих данных?

А . Какие из детей

10-16

интервалом около часа, перепутали в ажиотаже , возникшем из ­

на внешность) . Поэтому вы решаете проанализировать взятую у

них пробу крови, используя зонд, гибридизующийся с короткими

(STRs) , которые

разбросаны по разным

близнецы? Какие из них

-

-

монозиготные

близнецы?

ВОПРОС 10-14

Б. Как можно определить, каким родителям принадлежит каждая

Предположим , что проводится секвенирование ДНК , как показа­

из пар близнецов?

но на рис .

10-21 , за

исключением того что к каждому из диде­

оксинуклеозидтрифосфатов ковалентно прикреплены красите­

2

ли разного цвета (что не влияет на их включение в состав цепи

З

4

5

6

7

8

- -- ..
..- ..---..
-----------

ДНК) . Какие продукты образуются , если все эти дидеоксинукле­
озидтрифосфаты добавить в одну реакционную смесь вместе с

четырьмя немечеными дидеоксинуклеозидтрифосфатами? Как

будет выглядеть результат, если продукты реакции разогнать на
одной дорожке гель-электрофореза?

ВОПРОС 10-15

Клоны геномной ДНК часто используют для « прогулки по хро­
мосоме ». При этом подходе один клон используется для выде­
ления следующих , содержащих перекрывающиеся последова ­
тельности ДНК ( РИС . В10-15 ) . С помощью такого метода можно
Установить последовательность длинного участка и иденти ­

фицировать новые гены , расположенные по соседству с ранее
клонированным.

А. Будет ли целесообразно при применении этого метода ис­
пользовать кДНК , не содержащую интронов?

Б . Что произойдет, если вам попадется повторяющаяся последо­
вательность вроде транспозона

L1 (см.

рис .

6-35) , присутствую­

щего во многих копиях в разных участках генома?

РИС . В10-16

Вопросы в конце главы

335


ВОПРОС

10-17

Одним из первых генетически модифицированных организмов
была бактерия , обитающая на поверхности растений садовой

земляники . Эта бактерия синтезирует особый «ледяной белок» ,

,Q

или айс - белок

~

(ice protein),

с

провоцирующий образование кри­

о

е-

сталликов льда при понижении температуры ниже точки замер­

0

зания . Поэтому растения , на которых обитает эта бактерия, осо­
бенно страдают от заморозков

-

(.)
>,

их клетки повреждаются кри­

О)

о

о

сталлами льда . Фермеры , выращивающие землянику, крайне за­

с

.i=

u

интересованы в предотвращении образования кристаллов льда.

~

Был выведен генетически модифицированный вариант бак­

'Е

(tl

терии с но каутом гена «ледяного белка» . В большом количестве

а:
<(

их внедрили на плантации земляники, где они вытеснили нор­

z

о

мальных бактерий в ходе конкуренции за одну экологическую

нишу. Результат был успешен: земляника , заселенная такими

-"'
о

о

бактериями, гораздо меньше страдала от заморозков .

.Q
'О

Полевые испытания вызвали жаркие дебаты , так как пред­

Q)

!D

ставляли собой первый случай попадания в природную среду ГМО,

с

.i=

о
-,

созданного с помощью технологий рекомбинантных ДНК . Все по ­
следующие эксперименты проводили с большой осторожностью, с

:s:

использованием высокой степени защиты ( РИС. В10-17) .

Q)

о::

:с

:3

Как вы думаете , можно было изолировать бактерию без «ле­

Q)
а.

дяного белка» , не используя генную инженерию? Могли бакте­

"'

рии с такой мутацией встречаться в природе? Если да

~

-

ных бактерий? А следует вообще опасаться рисков, возникаю­
щих при использовании генно й инженерии в сельском хозяйстве

336

ГЛАВА 10. Анализ генов и геномов

а.

было ли

более безопасным использование природного штамма мутант­

и медицине? Свой ответ обоснуйте.

(tl

РИС . В10 - 17


ЛИПИДНЫЙ БИСЛОЙ

без нарушен и я ее целостности ; она сп особна деформиро­

ваться без образования б решей. Если в мембра не образу ­

МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ

ется отве р стие, о н а н е сдувается, как возду ш н ы й ша ри к , и

не остается проды рявленной; она б ыстро замыкает отвер­

)Кивая клетка

- самовоспроизводя щаяся система, состо­
плазматической мембраны , или плазмалеммы (plasma

стие, восстанавливая целостность.

У наиболее просто устрое нных бакте р ий только одна

ящая и з молекул . Они находятся в н утри контейнера

meinbra п e). Эта жи ровая пленка , столь тонкая и проз ра ч ­

м ембрана

-

плаз малемма. Эука ри отические клетки, на­

против, содержат м ножество в11утре111шх .ме.мбра~1 ( i пterпa l

ная, , то ее и ельзя не посредственно н аблюдать в световой

m e mbraп es), окружающ их в нутриклеточн ые комn а ртме н­

микроскоп. Все кл е тки земных орган измов исп ол ,,зу ют

ты и образую щих многочисленн ые органеллы: э ндо п лаз­

плазма.лемму, чтобы отделить свое внутре н н ее содержи­

мат и ческую сеть ( Э П С) , аппа рат Гольджи (АГ) , митохон ­

мо е от 0 1<ружающей среды и сохранит ,, свою химическую

дрии и д р . ( РИС. 11-3) . Внутренние мембраны п остроены

целостность. Без мембраны не могут существовать ю1 етки,
а з на ч ит, и жиз нь.

внутренняя

Плаз малемма имеет п росто строение: ее основой слу­
жит двой н ой слой ли п идных молекул тол щиной около

5 нм, т. е. около 50 диаметров атомов . Однако ее свойства

мембрана ,
молекул ы во
плаэмалемма ,
окру ж ающая клет ку

внутриклеточном
ком п артменте

отличаются от свойств любой п ле нки и з материалов, с

о к ружа ю щая

в н утр и клеточный
ко м партмент

•

J<оторыми мы сталкиваемся о повседнев 1-юй жизни . Плаз­
ма.л емма н е просто служит барьером, защищающим содер­
жимое кле тки от вытека н ия и смешен ия с окружающей
средой ( РИС .

11 -1, А), ее функции нам 1-ю 1·0 шире . Если кл ет­

ка долж н а остаоаться живой и расти, значит, через плаз ма­
лем м у должны проходить в и у т рь r1 итател1, н ы е вещест ва

•• • •• •• • •• • ••• •••

и выделяться наружу п родукты обмен а. Для облегч е н ия
этого обме н а мемб рана про н изана вътсокоиз бирателыrы­

ми каналами и насосами

-

(Б )

белковыми молекулами, ко­

торы е п озволяют одним в е ществам проникать в клетку,

РИС.

а другим

выходить из н ее во вн е ш н юю среду. Другие

цаемостью. (А) П л аз м а.л е мм а отделя ет кл ет ку от ок ружающей среды

-

11-1 .

Клеточная мембр а на обладает и збирательной прони ­

М ембран н ы е белк и работают как сенсоры, поз воляющие

и я вля етс я един стве нно й м е м б ран ой у большин ства бакте ри а льны х

!<летке полу ч ать информацию об изме н е н иях окружаю­

клето к. О на поз воля ет сох ра н ять разл и чия между хим ич еск им соста во м

Щей с р ед ы и р еа п,1ровать на н их ( РИС.

кл етки и ее о круже н и я . ( Б) В эу кари отич еских клетках отдельны е о рга­

11 -2) . Механич ес кие

свойства мембраны столr, же за мечательны. Когда клетка

н еллы окруже ны до п ол н ител ь ными внутр е нним и ме м б р а н а м и. В обоих

растет или ме няет фо р му, это же делает и м е мбра н а. Ее

сл уч а ях м ембра н а н е дает сме ш и ваться мол екул ам, н аходя щ имся п о

п1ющадь может расти за с ч ет добавле н ия н ов ы х молекул

р аз ны е сто р оны от н ее.


получение

ществ . Б елк и выполняют боль шин ство осталь ных фу11к­

информации

ций м емб раны и придают раз ны м мембранам и х индиви­

дуальные особе нност и.
В данной rлаое мы рассмотрим строение биологи­

ч ес ких мембран и органи зацию их основных компонен­

2

"

импорт и экспорт

З способность
двигаться

-

л ипидов и белков. Мы сфокусируем внима1-1и е на

плазмалемме, но болr,ши1-rство моментов, которые мы рас­

и р асти

смотрим, относятся и к внутренним ме мбранам клетки.

Функции биологических м е мбран , в том числе их роль в
восприятии и п е редаче сигналов, тра н спорте малых моле­
кул и произ водств е э нергии , рас сматриваются в по следу­
ющих главах .

молекул

РИС.

тов

11-2. Плазмалемма участвует в восприятии информации,

порте и экспорте молекул, росте и подвижности клетки.

(1)

ядро

им­

Бел ки­

п ероксисома

эндоплазматическая

рецепторы на плазмалемме позволяют клетке получать сигналы из окру­

сеть

жа ющей среды .

(2) Транспортные бел ки мембраны обеспечивают импорт
и экс п орт малых молекул. (3) Гиб кость мембраны и ее способность увели ­

чивать площадь поверхности позволяет клеткам расти и пер едвигаться.

по тому же принципу, что и плазмалемма. Они тоже слу­

жат высоко избирательными барьерами между отсеками
(компартмеюами) клетки, содержащими разные наборы
молекул ( см. рис .

11-1,

Б). Небольшие различия соста­

ва этих мембран, особенно входящих в их состав белков,
определяют специфичные черты каждой органеллы.
Независимо от их расположения все клеточные мем­

браны состоят из липидов и белков и имеют похожее стро­

митохондрия

ение ( РИС. 11-4). Липиды составляют два тесно прилегаю­

щих друг к другу слоя, формируя липидпый бислой (двой­

РИС .

ной слой,

жество разных компартментов. По каза ны ти пичны е мембра нны е ор­

lipid

Ьi lауе г) (см. рис.

11-4,

Б, В). Липидный

11-3.

Мембрана разделяет эукариотическую клетку на мно­

бислой составляет основу мембраны и служит барьером,

ганеллы животной кл етки . Обратите внимание, что ядро и митохондрии

непроницаемым для большинства водо растворимых ве-

окружены двумя мемб ранами.

липидный
бислой
(толщина

5 нм)

(А)

молекула белка

мол ек улы

(Б)

молекулы белков

ЛИПИДОВ

РИС .

11-4.

(В)

Клеточная мембрана выглядит по-разному в зависимости от способа визуали­

зации. (А) Эл ектро нн ая микрофотография пла зма л еммы на поп ере чн ом срезе эритроцита . Схе­
матичные двум ерное (Б) и трехмерное ( В ) изображения клето чно й мембраны . (А

Daniel S. Friend.)

338

ГЛАВА 11. Строение мембраны

-

с разрешения


ЛИПИДНЫЙ БИСЛОЙ

гидрофильная

Уже твердо установлено, что липид н ый бислой - уни­

]

головка

версал 1, н ая основа биологических мембран. Его особ н1юсти отве ч ают за общие свойства всех клеточных мем­

бран [у 1-1екоторых групл архей осн овой мембран служит
гидрофобные

ли пид ный монослой . Кроме того, од н ослой ~юй мембраной
одеты жиров ы е ка пл и клеток ж ир овой ткани

тов.

-

-

хвосты

ади по ци­

Прим. перев. ] . Поскольку клетк и зал ол нены и ок ру­

жен ы вод ны м р астворо м молекул, мы н ач 1-1ем с рассмо­

трени я того, как строен ие мембран связано с поведением
РИС.

мембра нны х ли пидов в водном окружении.

11-5. Типичная молекула мембранного лип ида имеет гидро­

фильную головку и гидрофобные х во сты .

Мембранные липиды формируют в воде бислои
Мемб ранные ли п ид ы сочетают в себе два противололож­

ной частью молекулы через фосфат ную г ру пп у. Самая

ных свойства: каждая молекула лип ида имеет гидрофиль ­

распространенная раз новидн ост ь фосфолипидов в боль­

н ую ( ~любящую воду» ) головку (11ead) и од ин и л и два
гидрофобны х ( <<боя щихся воды ») углеводородных хвоста
(hydrocaгbo п taiJs) ( РИС. 11-5) . Наиболее обильно в кле­

ш ин стве клеточных мембран

точны х мемб ранах представле ны фосфоли пиды

-

ве ще­

ства, еидрофильные головк и котор ых соеди н ены с осталь-

полярная
(гидрофильная)
головка

[

(pl10sphatidylcboli11e);

это фосфатидилхолин

-

1-1 еболь шая ги дрофильная группа

(хол ин) при к репле на к фосфату в каL1естве его г и д роф ил 1,н ой головки, а две дл инных углеводо р одн ы х цепи служат

его гидрофобн ыми хвостами (РИС . 11-6) .

холин

ФОСФАТ

1
ГЛИЦЕРИН

]

головка

]

хвосты

(Г)

неполяр ны е

(гидрофобные)
хвосты

(В)

РИС .

11-6. Фосфатидилхолин -

самый обычный фосфолипид клеточных мембран. О н изобра ­

жен ( А ) в в иде схе мы , (Б) в виде структурной фо р мулы , (В) в виде модел и и (Г) в виде упро щенной схе ­
мы . Этот фосфол ипид состоит из пяти ч астей : гидрофил ьная голов ка (холин) соеди нена чер ез фосфат
с глицерином, которы й, в свою оч ередь , связан с двумя гидрофобными хвостами из углеводородных

цепей . Углеводородные це пи обра зуются из ж ирных ки сл от

-

те х же цепе й, имеющи х на одном и з кон­

цов группу - С ООН ; они пр и соединяются к фосфолипиду при взаимодействии это й г руппы с глицери ­
ном . Изгиб одной це пи может прои сходить там , где есть двойн ая связь между двумя атомами углерода ;

на рисун ке он ус ил е н для наглядности . « Фосфатидил » в наз вании фосфолипида относитс я к части мо ­
ле кулы , состояще й и з соедин е нны х фосфата , глице рин а и ж ирных к и слот.

Липидный бисло й

339


СН 3

н
ацетон

он

о

1

1

СН - СН - СН 2

1

СН

11

СН

1

NH
1

вода

С =О

РИС.

11 -8.

ацетон , растворенный в воде

Гидрофильные молекулы притягивают молекулы воды.

М ол екула ацетона полярн а и может формировать энергети ч ески вы ­

годные связи с молекулами воды , которы е тоже обладают полярно стью .
Поэтому ацетон хорошо растворяется в воде .

отрицательный за ряд , а

&· обозначает ч асти чны й
&' - ч астич ны й полож ительный за ряд . Поля ­

ризов а нны е атом ы по каза ны голубым и розовым цветом , неполярные
группы

фосфатидилсерин
(фосфолипид)

холестерин

(стероид)

-

серым .

галактоцереброзид
(гликолипид)

ВОПРОС

11 -1

имеется гидрофильная головка и один-два гидрофобных хвоста . Гидро­

А Говорят, что молекулы воды собираются вокруг гидрофобных
молекул, «образуя нечто вроде клеток• (см . рис . 11 -9) . Это
8 кажется парадоксальным - ведь молекулы воды не взаимо­

фильные голов ки (пока за ны голубым и желтым): у фосфатидилсерина

действуют с гидрофобными веществами . Ка к же они могут « узна ­

РИС.

11-7. Различным типам мембранных липидов свойственна ам­

фифильность. У каждого из трех типов липидов , показанных на рисунке ,

фосфат серина , у холестерина - -ОН-группа , а у галактоце реброз ида сахар (галактоза) и - ОН-группа. См. также вкладку 2-4, с . 76- 77.

rl'

вать » об их присутствии и менять свое поведение при взаимодей­

ствии друг с другом? Разберите эти доводы и четко сформулируйте,
что имеется в виду под «стру ктурами , напоминающими клетки ». Как

соотносятся эти структуры со структурой льда? Почему образова­

Молекулы с СОL1етанием гидрофильных и гидрофоб ­

ние эт и х « клеток » э нергетичес к и невыгодно?

ных свойств называются амфипатическими, или амфи­

фильными

(amphipathic). Амфифильны и другие типы
м ембранных л ипидов, в том LJисле стероиды (sterols), н а­
при м е р хол естери11 , присутствующий в м ембранах живот­
ных клеток, zликолипиды (glycolipids), в состав 1· идрофил ь11ых головок которых входят сахара ( РИС. 11-7). Наличие

у этих мол е кул и гидрофильных , и гид рофобных частей
определяет их способность собираться в бислои в водном
о.круже нии.

Kar<описаrrо
растворяются

в

в гл.
воде,

2, гидрофильиы е мол е кулы хороI.1.ю
потому

что соде ржат з аряже нI-1ы с

атомы или п олярны е группы (химич ески е груп п ы с н е ра в­

СН 3

"/

НС - СН 3

СН 3

2 -метилпропан

~юм е рным распр еделе ние м пол ожител ьны х и отрицател ь ­

н ых зарядов) . Эти заряженны е атомы могут эл ектростати ­
ч ески вз аимоде йствовать с полярными моле кулами воды

ил и формировать с ними водород ны е связи ( РИС . 11-8).

Ги д рофобны е мол екулы, налротив , не растворяются о
воде , поскольку в се или почти в се их атомы н ез аряж е ны

вода

2-метилпропан , растворенны й в воде

и не поляриз ованы , поэтому не могут образовывать связи
с мол е кулами вод ы. Вм есто это I·0 , моле кулы воды, сосед­

РИС. 11-9. Гидрофобные молекулы не взаимодействуют с водой,

ствующи е с та кими молекула ми , окр у жают их , формируя

Пос кольку мол екул а 2-метилпропана полн ость ю гидрофоб н а , она не

н е что вроде клеток ( РИС. 11-9) . Поскольку эти << клетки ,>

может образовывать св яз ей с молекулами воды ; в результате соседн ие

бол ее упоря доч е ны , ч е м окружающая вода, для их обра­

молекулы воды окружают ее , взаимодействуя друг с другом и образуя

зования требуется энергия. << Энергетич ес кая стоимость>>

нечто вроде клетки .

340

rЛАВА 11. Строение мембраны


их образо вания миними зируется, если гидрофобные мо­

лекул ы соби раются nместе, так что ко нтактирует с ними
н а им е ньшее воз мож 1-1 ое кошrчество молекул воды . По это­

му п ол ност 1, ю гидрофобные молекулы, например жиры в
кл етках жи ровой ткани животных ( РИС.
о

о

о

1

1

СН 2 - СН - СН 2

фол ипи д ы (ри с.

1

о

1

1

С= О

С= О

11-1О, Б), действуют две противопол ожно

направленны е силы: их гидрофильные голов ы притягива­

СН 2 -СН-СН 2

6 6
1

Напротив, на а мфифи лъны е молекулы, н апример фо с ­

1

1

С= О

творе в одну боль шую жировую каплю.

1
О = Р - о-

С= О

11-10, А) или мас­

ла в семен ах растений, об ычно собираются в водном рас­

ются к воде, а гидрофоб ные хвосты «отталкивают~.> воду и

1

о

«стараются ,> объед иниться с другими гидрофобными мо­

1

лекулам и. Этот конфликт успе шно раз ре шается при об­

С=О

разова 1-1ии л ипидного бислоя

-

структу ры, кото рая удов ­

летворяет обоим требованиям и энергетически наиболее
выгодна. Гидрофильные головки н а обеих сторонах бис ­
лая расположены на его пов е рхности и обраще1-1 ы к воде;
гидрофобные хвосты заэкранированы от воды, так как они

тесно у пакова ны внутри б ислоя , как начинка в сэндвич е
( РИС.11-11 ).
Те же силы, которы е заставляют амфифилыты е моле ­

фосфатид и л этанол амин

триа ц илгл ицерид

(А )

кулы формировать бислои, дела ют эти бислои самозамы­

(Б)

кающимися. Любое отве рстие в слое создает свободные
края, где гидрофобные хвосты соприкасаются с водой. По­

РИС. 11-1 О. Молекулы не йтральных жи ров полностью rидрофоб­

скольку такое полож ени е энергетич ески

ны , а молекулы фосфолипидов амфифильны. (А) Триацилгл и це ­

лекулы бислоя самопроизволь 1-10 перегруппировываются

риды - главная составляющая жиров животных и масел растений; их

так, чтобы края исчезл и . Если отверстие небольшое, при

молекул ы целиком гидрофобн ы. ( Б ) Фосфолипиды, например фосфати­

такой спонтанной перегру ппировке молекулы воды будут

невыгодно, мо­

дилэтаноламин, амфифильны, их молекул ы содержат и гидрофил ьные,

вытеснены и восстановится целостность бислоя. Если же

и гидрофобные участки . Гидрофобные участки п оказаны розовым, ги­
дрофильные части - голубым и желтым (третий гидрофобный хвост мо­
лекулы триацил гл и церида развернут вверх для более наглядного срав­

отверстие велико, слой может начать выгибаться и , зам­

нения с фосфоли п идам ; обы ч но его изображают развернутым вниз) .

том, что свободные края элимин.ируются.

кнувшись сам на себя, распадется на н есколько замкнутых
пузырьков. В обоих случаях главный принцип состоит в

- в ода

липидный
бислой

:

(А)

L___J

( Б)

РИС.

1

11-11. Амфифильные фосфолипиды формируют в воде бислой .

нм

(А) Схематичное изображе­

ние фосфол и п идного бислоя в водном окружении . (Б) Компьюте р ная модел ь, показ ы ваю щая положе­
ние мол екул фосфол и п идов (красные гол овки и оранжевые хвосты) и окружающих молекул воды (си­
ние) на поперечном срезе липидного бислоя . (Б - с разре ш ения

AAAS; R. VenaЫe R. Pastor из : Science

262: 223-228, 1993.)

Липидны й бислой

341


ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ НЕВЫГОДНО

сфе рич ес кие пуз ырьки

-

липосомы

(liposo 111es) -

обра­

зу ются, есл и в воду п омещают чисты е фосфолипи ды; и х

д и аметр вар1,ирует от

25 нм до

1мм [обыч 1ю д иамет р липо ­

сом 11 е пре выш ает н ес 1<олы< их микром етр ов. Ха рактерный
д и амет р ли п осом, стенк а которых состоит из одного л и ­

п идно го бислоя
плоский фосфолипидный бислой ,
края которого контактируют с водой

- 25- 250

нм .

-

При.лt. перев. ] ( РИС. 11-13) .

Кроме то 1·0 , п лоский фосфолипи дный бислой может фор­
мироваться ,

затягивая

отверстие

в

дву мя отсеками емкост и с водой ( РИС .

п е р е городке

м ежду

11 -14) .

Просты е искусственны е б и слои позволяют изу чать
дв и жени е л ипидн ых моле кул . Оказывается, некото ры е

дв иж е иия происходят редко , а дру гие часто и бы ст ро. Так,
в синтетическом ли пи д 1-юм бислое молекул ы фосфолипи­

до в о ч е нъ редко п е рескакивают из одн ой половины бис­
лоя в д ругую (на11рим е р , и з в нутре 1-ше 1·0 слоя ли п осомы во
замкнутый ком партмент,

сформированный
фосфолипидным бислоем

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ВЫГОДНО

РИС.

11-12. Фосфолипидные бислои спонтанно самозамыкаются,

формируя отграниченные компартменты. Замкнутая структура ста­

бильна, так как в ней гидрофобные углеводородные хвосты не контакти ­
руют с водой , что было бы энергетически невыгодно .

<.1Запрет,> на свобод~~ ые края им еет важное следствие:

ед инственный способ , которым лист конеlrного раз ме ра
может лишиться свобод ных крае в

- это из гибание и са­
мозамыкание; в результате он образует rра 1-1ицу вокруг
замкнутого пространства ( РИС.

(А)

11 -12) . Поэтому амфи­

фильные молекулы , таки е как фосфолипиды , неизбежно

вода

образу ют замкнутые емкости, отграничивая отдельные
комлартменты. Такое замечательное поведе ние, л еобхо­

д имое для создания живой клетки, в общем-то всего лишь
простое следств ие того факта, что каждая молекула имеет

один гидрофобный и один гидрофильный кон е ц.

Липидный бислой

-

двумерная жидкость

Вод ная среда, находящ аяся внутри клетки и сна ружи,

не дает мембранным липидам выскакивать и з бислоя,
но 1-~ичто н е мешает этим молекулам дв игаться и менять

взаимное рас положение в плоскости бислоя. Таким об­
разом, мембрана ведет себя кат< двумерная жидкость, LfТO
и меет важн ейшее з нач ение для ее строе ния и функций

( ВИДЕО 11 .1). Это свойство - н е то же самое, что гибкостъ
(fl exibl li ty), с пособ ность мембраны изгибаться . Гибкость
мембраны тоже важна, и она иаю1адывает ограничения на
раз м е р (около

м ембран

(011

25

(Б)

нм) пузыръков , состоящих из клеточных

25

нм

н аиме ньши й).

Жидкие свойства мемб ран можно изучать с помощью

РИС.

11 -13. Чистые фосфолипиды могут формировать замкнутые

и скусственны х ли пидных бислоев, которые с легкостью

сферические липосомы. (А) Эле ктронная ми крофото граф ия фосфо ­

формируются в водном растворе из амфифильных моле­

липидного пузырька (липосомы) ; видна двухслойная структура мем­

кул п утем самосборки. О бычно в опытах используют ис­

браны . (Б) Схема строения поперечного среза небольшой сферической

кусстве нные липидные б исло и двух типов. Замю-1 утые

липо сомы. (А

342

rЛАВА 11. Строение мембраны

-

с разреш е ния

Jean Lepault.)


ственных бислоях, отдельные фосфолилидные молекулы
вода

обычно удерживаются в пределах одного слоя мембраны и

вода

спонтаю-ю не лерескакивают в другой.

....
/

Текучесть липидного бислоя зависит от его состава

/,

Текучесть мембраны

легкость, с которой липидные

-

молекулы могут двигаться в плоскости бислоя

-

играет

важную роль в ее функционировании и должна подде р­

ж иваться в о п ределенных ераницах. Насколько будет те­

липидный бислой

кучим липидный бис.пой при определенной температуре,

РИС. 11-14. При формировании искусственного липидного би­

зависит от его состава ,

слоя могут затягиваться небольшие отверстия (диаметром около

дородных хвостов: чем теснее и чем более упорядоченно

1 мм) в перегородке, разделяющей два отсека емкости с водой.
Чтобы получить плоский бислой , в емкость с водой помещают перего­

они упакованы, тем более вязкой и менее текучей будет

в

LJастности от природы углево­

мембрана. Два главных свойства углеводородных хвостов

родку, а затем раствор фосфолипидов (в н е п оляр ном растворители) н а­

влияют на плотность их упаковки

но сят кисто ч кой н а отверстие.

ство образующихся в них двой ных связей.

внешний). Без участия белков , уско ряющих этот процесс,

слабее взаимодействуют друг с другом, и текучесть мембра­

при остальных условиях, сходных с таковыми в клетке, та­

ны возрастает. Длина углеводородю,тх хвостов мембран­

кое событие, называемое ~флип-флоп ~ , происходит с каж­
дой молекулой фосфолипида в среднем реже одного раза

ных фосфолипидов составляет от

14 до 24

(в большинстве случаев

атомов). У большинства

-

их длина и количе­

При умень шетrи длины цепей уоrеводородные хвосты

- 18-20

атомов углерода

в месяц. С другой стороны, в результате теплового движе­

фосфолипидов один углеводородный хвост содержит одну

ния молекулы фосфолипидов в пределах одного монослоя

или нескот,ко двойных связей, а второй

постоянно обмениваются местами с соседями ( РИС. 11-15) .

ные связи (см. рис.

Этот обмен ведет к быстрой диффузии липидных молекул
в плоскости мембраны; в искусственном бислое молекула

- только одинар­
11-6). Це пь с двойной связью содержит

меньшее число атомов водорода, чем может присоединить­
ся к ее углеродному скелету; поэтому говорят, что она нена­

липида может пройти расстояние, равное диаметру круп­

сьпценная ( unsatuгated) в отношении водорода. Хвост жир ­

ной бактериальной клетки (1 -2 мкм), примерно за одну

ной кислоты без двойных связей полностью укомплектован

секунду. При понижении температуры тепловое движение

(saturated). Каждая двойная связь в ненасыщенных цепях созда­
ет небольшой изгиб углеводородного хвоста ( см. рис. 11 -6);

замедляется, ли пиды диффундируют медленнее, и это де­
лает мембрану менее жидкой .

водородными атомами; его называют насьпценным

При изучении изолированных клеточных мембра~, и

из-за этого хвостам труднее плотно упаковываться. По ­

целых клеток получены сходные результаты. Это доказы­

этому чем больше процент ненасыщенных углеводородных
хвостов в липидном бислое, тем выше его текусrесть.

вает, что липидный бислой клеточных мембран также ведет

себя как двумерная жидкость. Составляющие ее липид­
н.ые молекулы могут свободно двигаться в лределах своего
слоя мембраны в любом ,~аправлении. Было показано, что
Углеводородные хвосты липидов гибкие и что отдельные
rvюлекулы фосфолипидов в пределах бислоя оч ен 1, быстро
вращаются вдоль их длинной оси со скоростыо до 30 ООО

оборотов в ми11уту (см.рис. 11-15). В клетках, как и в искус-

В бактериальных и дрожжевых клетках, приспосабли­
вающихся к изменениям температуры, длина и степень на­

сыщенн ости у глеводородиых хвостов в бислое меняется
таким образом, чтобы мембрана сохраняла более или ме­

нее постоянную текучесть: например, при более высокой
температуре клетки производят липиды с более длинны­
ми хвостами и с меньшим числом двойных связей. Та же
уловка используется при лроизводстве маргарина из расти­

тельного масла. )Киры, прои зводи мы е растениями, обычно
латеральная диффузия

ненасыщенные и поэтому находятся в жидком состоянии

при комнатной температуре, а животные жи ры (напр имер ,

сливочное масло или сало) обычно насыщенные и при ком­

\

натной температуре твердые . Маргарин получают из рас-

\
\

\ флип-флоп
l (происходит

J редко)

ВОПРОС

/

А Пятеро студентов вашей группы всегда садятся вместе в

I
изгибание

РИС.

вращение

11-15. Фосфолипиды могут двигаться в плоскости мембра­
нь~. На схеме показаны возможные типы движений молекул фосфоли­
пидов в липидн ом бислое.

11-2

rl' первом ряду. Это можно объяснить тем , что (А) им нравится

8

сидеть вместе и (Б) остальные студенты вашей группы не хо­

тят сидеть рядом с ними . Какой из вариантов годится для объясне ­

ния сборки липидного бислоя? Ответ поясните. Предположим , что
в случае липидного бислоя действует другая причина сборки . Чем
должны отличаться свойства бислоя в этом случае?

Липидный бислой

343


]

фосфолипид

полярная

3

группа

ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО

холестерин

полярная

головки

головка

]

жесткий

благодаря

2

присутствию

н е-

::;

холестерина

]

поляр - :х:

ный

участок

::~::я

угл е ­

плоское

вода­

стер ольное

]

родный

кольцо

хвост

участо к

о

РИС.

( Б)

(А)

цитозоль

текучий

11-17. Фосфолипиды и

гликолипиды асимметрично распре­

делены в липидном бислое плазмалеммы . Разным цветом показа­
ны пять ти пов фосфолипидных молекул: фосфатидилхолин (красный),

РИС .

11-16. Холестерин обычно увеличивает жесткость мембран.

(А) Структура молекулы холестерина. (Б) Схема, по казываю щая встра ­

сфингомиелин

(коричневый),

фосфатидилсерин

(светло-зеленый),

фосфатидилинозитол (темно-зеленый} и фосфатидилэтаноламин (жел­

и вани е хол естерина между фосфолипидными молекулами лип идного

тый) . Гликолипиды изображены с си ни ми ш естиугол ьниками, изобража ­

бислоя. Химическая фор мула хол естери н а прив едена на рис .

ющими остато к сахара в составе их головок . Все мол екулы гли колипи­

11 · 7.

дов находятся во вн е шнем монослое мембраны , а хол естерин (серый)
распределен между двумя слоями почти равномерно . Фосфатидили­

тительного масла с помощью гидрогенизации: при добавле­

нозитол

нии водорода двойных связей не остается, жир при комнат­

стороне мембра ны , где он участвует во внутриклеточной передаче сиг­

ной температуре становится твердым и более похожим на

налов. П оскольку в соста в е его гол овки есть инозитол (остаток сахара,

минорный липид , присутствующий только на цитозольной

не показан), он представляет собой редкое исключение

сливочное масло.

В животных клетках текучесть мембран модулирует­

ся путем включения в них стероида холестерина

terol)

-

-

в отличие от

других гликолипидов н аходится во внутреннем слое мембраны .

( choles-

( РИС. 11-16, А). Особенно много холестерина в плаз­

малемме

-

до

20% от

общей массы липидов. Поскольку

цитозоль

липидный бислой

молекулы холестерина короткие и жесткие, они заполня­

ют пространства между соседними молекулами фосфоли­
ных углеводородных хвостов (рис.

11-16,

Б). При этом

холестерин обычно повышает жесткость бислоя, снижая

полость эпс

его гибкость и проницаемость. Химические свойства мем­

бранных липидов и их влияние на текучесть мембраны по­
казаны на ВИДЕО

l

мембраны ЭПС

пидов, оставшиеся свободными из-за изгибов ненасыщен­

НОВЫЕ ФОСФОЛИПИДЫ

11 .2.

ДОБАВЛЯЮТСЯ

Для всех клеток текучесть мембраны важна по многим

к цитозольной
ПОЛОВИН Е БИСЛОЯ

причинам. Она позволяет мембранным белкам быстро диф­
фундировать в плоскости бислоя и взаимодействовать друг
с другом, что необходимо, например, для передачи сигна­

лов (см. гл.

16). Текучесть

также обеспечивает диффузию

мембранных липидов и белков из тех участков, где они
.включаются в состав мембраны после синтеза, в другие ча­
сти клетки. Благодаря текучести мембраны сливаются друг

с другом и их молекулы смешиваются. Она также обеспе­

j

чивает равное распределение молекул между мембранами

дочерних клеток при делении. Если бы биологические мем ­
браны не были текучими, сложно было бы представить себе

ФЛИППАЗА ПЕРЕНОСИТ

ФОСФОЛИПИДЫ В ДРУГУЮ
ПОЛОВИНУ БИСЛОЯ

симметричный

l

жизнедеятельность, рост и размножение клеток.

рост обеих
половин бислоя

Липидный бислой асимметричен
Клеточные мембраны обычно асимметричны

-

их сто ро­

ны, обращенные внутрь клеток или органелл и обращен­
ные наружу, резко различаются . Две половины бислоя

РИС.

часто включают поразительно разные наборы фосфолипи ­

бислоя. Все вновь синтезированные молекулы фосфолипидов включа ­

дов и гликолипидов ( РИС. 11-17) . Кроме того, мембранные

ются в цитозольный сло й мембраны ЭПС . Затем флиппазы п ереносят

белки встроены в липидный бислой в определенной ори­
ентации, и это критически важно для их работы .

некоторые из этих молекул в противоположный монослой, и площадь

344

ГЛАВА

11. Строение мембраны

11-18.

Флиппазы играют важную роль в синтезе липидного

всей мембраны увеличивается .


мембранная органелла

Асимм етрия липидного бислоя воз никает и поддержи­

(например , ЭПС или АГ)

вается во время роста мембраны. В эу кариотических клет­

-

[(р пле1н1ыми на цитозолыюй сторон е м е мбра~, ЭПС. Эти

фе рм енты используют в качестве субстрата свободные
жирные кислоты (см. вкладку

2-4,

с.

76- 77)

плаэмалемма

везикула

ках новые фосфолипиды синтез ируются ферментами, за­

и включают

все образующиеся фосфолипиды в цитозоль11ую полови­

ну бислоя. Чтобы м ембрана равномерно росла как единое
целое , половина новых молекул фосфолипидов должна

цитозоль

затем п еремещаться в противоположный монослой. Та­

7

кой перенос катализируют ферме нты флиппазы (Лippases)

( РИС. 11 -18). В плазмалемме флиппаз ы избирательно пе­

межклеточная жидкость

реносят специфичные фосфолипиды, благодаря чему раз­
РИС .

ны е их типы концентрируются в каждом моносло е .

Однако использование селективных флиппаз

11-19.

Мембраны сохраняют свою ориентацию даже после

не

переноса между клеточными компартментами. Мембраны транс­

единственный способ достичь асимм трии фосфолипид­

портируются путем отделения и слияния везикул . На схеме показано,

ных бислоев. В частности, другой меха 11и зм лежит в осно ­

как везикула отпочковывается от мембранной органеллы (такой , как

ве распредел ения гликолипидов

-

-

липидов, чье асимме­

ЭПС или АГ) и сли вается с плазмалеммой . О братите внимание , что ори­

тричное положение в мембране наблюдается всегда :и наи­

ентация мембраны в ходе этого процесса сохраняется: исходно цито­

более ярко выражено в животных клетках (см.рис. 11 -1 7).
Чтобы объяснить их распределение, нужно подробнее рас­

тивоположная сторона (оранжевая) от цитозоля, в просвет органеллы,

смотреть образование новых мембран в [(Летках эукариот.

внутрь пузырька или в межклеточную жидкость .

Асимметрия липидного бислоя
сохраняется при транспорте мембран

зольная сторона (красная) по - прежнему обращена к цитозолю , а про­

ных. Остатки сахаров присоединяются к гликолипидам в
аппарате Гольджи (АГ)

-

органелле, куда перемещаются

Синтез nо,пи всех новых мембран в эукариотической

белки и мембраны из ЭПС (см. гл. 15). Ферменты, присо­

I<летке происходит на мембране одного внутриклеточно­

единяющие остатки сахаров, находятся внутри АГ, и поэто­

го компартмента

- эндоплаз.мати-ческ.ой сети (ЭПС) (endoplasшic гeticulum, ER) ( см. рис. 11-3). Новые порции

минальной половины бислоя. Сиитезированные молекулы

мембраны, синтезированные на ЭПС , экспортируются

гликолипидов

в другие мембраны клетки с помощью отпочковывания

монослоя, так как не существует флипnаз, переносящих их

и слияния мембран. Небольшие участки бислоя отпоч­

ковываются от ЭПС, формируя небольшие сферические
пузырьки - везикулы, которые затем сливаются с други­
м.и мембранами, например с плазмалеммой, и входят в их
состав ( РИС.11-19 ). Ориеитация бислоя относительно ци­

тозоля при образовании и слиянии везикул сохраняется.

Сохранение ориентации означает, что все клеточные мем ­
браны - будь то плазмалемма или внутриклеточные мем­
браны , окружающие органеллы, - имеют ,1етко различи­

мые <<внутре~rюою>> и << наружную ~ стороны, образующие­
ся при синтезе мембраны: цитозолъиая (cytosolic) сторона

обращена к цитозолю, а противоположная сторона (л10ми-

му сахара добавляются только к липидным молекулам лю­
впоследствии

удерживаются

в цитозольный монослой. Поэтому, когда молекула глико­
лиnида в конце концов доставляется в плазмалемму, она

всегда находится в наружном монослое, а ее сахар обращен
во внеклеточное пространство ( см . рис.
асимметрично, но по-другому,

что связано с различиями

выполняемых ими функций. Например, и1юзитидиые фос­
фолипиды (iлositol

phospholipids) -

минорные [(Омпоненты

плазмалеммы, играющие особую роль в передаче сигналов
от поверхности клетки к ее внутриклеточным компоиен­

там, отвечающим на эти сигналы (см.гл.

Гликолипиды расположены в основном на плазма­
лемме и только в наружной половине бислоя. Поэтому их

МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ

r

. . . Кажется

удивительным, что липидный бислой жидкий и при

этом асимметричный. Объясните, почему ЭТО возможно.

16). Они

вступают

в действие только после того, как сигнал передается сквозь

половине липидного бислоя (см.рис.

ВОПРОС 11-3

11-19).

Остальные липидные молекулы тоже распределены

7tалъиая сторона у органелл и 11.аружиая у плазмалеммы,
n.on.cytosolic) - в полость органеллы или во виеклеточное
Пространство (см. рис. 11-19).

Углеводные rpyпm,1 контактируют с внеклеточной средой
(см. рис. 11 -17), образуя часть спло1шюго защитного слоя
Из УГJiеводов, окружающего большинство клеток живот-

внутри этого

плазмалемму, поэтому сконцентрированы в цитозольиой

11-17).

Липидный бислой составляет основу всех клеточных мем­
бран и служит полупроницаемым барьером для молекул,
находящихся по обе стороны от него. Но большинство
функций мембраны выполняют мембранные белки (membrane proteins). У животных белки составляют около 50%
массы большинства плазматических мембран (другие 50%
приходятся на долю липидов и сравнительно небольшого
количества углеводов, входящих в состав гликоли пи дов

Мембранные белки

345


ТАБЛИЦА

11-1. Некоторые белки плазмалеммы

и выполняемые ими функции

Фун кциональны й класс

Пример бел ка

Особые функции

Транспортные белки

Натрий-калиевый насос

Активный транспорт ионов натрия из клетки и ионов калия

Заякоривающие белки

Интегрины

Связывают внуrр иклеточн ые актиновые филаменты с белками внеклеточного

Рецептор фактора роста

С вязывает внеклеточный

матрикса (см. гл.
Рецепторы

тромбоцито в

Ферменты

-

в клетку (см . гл .

20)
PDGF, после чего генерирует внуrриклеточные
18)

сигнал ы , стим ули рующие рост и деле н ие клетки (см. гл .

(PDGF)

Катал изирует образование в нуrриклеточной сигнальной молекулы,

Адени л атциклаза

циклического АМФ , в ответ на внеклеточный сигнал (см. гл .

ТРАНСПОРТЕРЫ ЗАЯКОРИВАЮЩИЕ

12)

16)

ществ и ионы через мембрану; они выполняют и множе­

РЕЦЕПТОРЫ ФЕРМЕНТЫ

ство д ругих функций. Одни обеспечивают связь мембра­

БЕЛКИ

ны с макромолекулами, которые находятся по обе сторо­
liЫ от нее. Другие играют роль р ецелто ров , воспринимая
химические си гн алы из окружающей сред ы и п ередавая

их внутрь клетки. Тр етьи служат ферментами и катали­
зируют определениые химические реакции ( РИС.

11-20 и

ТАБЛ. 11 -1). Каждый тип клеточных мембран соде ржит

•••

свой особый набор белков, соответствующий специали­

1 \'

~

х

РИС.

11-20.

у

Белки плазмалеммы выполняют множество разных

з ирова~-1ным функциям конкретной мембраны. В данном
разделе мы рассмотрим строени е мембраш,ых белков и

по кажем, какими способами 01-~и могут связываться с ли­

функций .

пи дным бислоем.

и гликозилироваюrых белков ). Но, поскольку молекулы

Мембранные белки связываются
с липидным бислоем разными способами

липидов гораздо меньше белковых молекул, обычно мем­
браны содержат примерно в
лекул,

50 раз больше липидных
Lieм белковых ( см. рис. 11-4).

мо­

Белки могут быть связан ы с ли пид ным бислоем юrеточ­
ной мембраны несколькими способами ( РИС.11-21 ).

Мембранн ые белки не только транспортируют опре­

делен ные питатель ны е вещества, лродукты обмеliа ве-

1.

Многи е мембранные белки пронизывают бислой, и
части их молекулы находятся по обе стороны от него

(Б)

(А)
ТРАНСМЕМБРАННЫЕ

(В)

(Г)

ВСТРОЕННЫЕ

ПРИКРЕПЛЕННЫЕ

СВЯЗАННЫЕ С ДРУГИМИ

В МОНОСЛОЙ

К ЛИПИДАМ

БЕЛКАМИ

1

липидный [
бислой

РИС .

11-21. Мембранные бел ки могут быть связа ны с липидным бислоем нес колькими раз ны ­

ми способами . (А) Трансмембранный белок может пересекать бислой в виде одной а -спирали, не­
скольких а- спиралей или свернуrой структуры из ~-слоев (~ - бочки) . (Б) Некоторые мембранные белки
заякорены на цитозольной стороне с помо щью амфифильной а-с пирали . (В) Еще одна группа- белки ,
прикрепленные в наружной и л и внуrренней стороне мембраны за счет ковалентной связи с липидной
молекулой (красная ломаная линия) . (Г) Наконец , многие белки прикреплены к мембране только за счет
относительно слабых нековалентных в заимодействий с другими мембранными белками .

346

ГЛАВА

11. Строени е мем б раны


(рис.

11 -21 , А ) .

гидрофобны й радикал

Как и сосед ни е м ол ку 1ы л ип идов , та­

аминокислоты

кие mpa1tc.мe.11tбpai-mыe белки (tra11 s m e mbгa11 e pro te iп s)

водородная связь

им е ют ги дрофиль ны е и гид рофоб ны е уч аст ки п ове рх 1юсти . И х гидрофоб ны е у ч аст ки лежат во в 11 утре 1н1 е й
ч асти б и сл оя, у г незд ившись с ред и гидрофобны х хво­
стов л ипид ны х моле кул. Гид рофил ьны е у частки то р­

ч ат п о обе стороны м ембраны , контакт ируя с вод ным
ок руже н и ем.

2.

Д ру ги е м емб ра 1-1ные бел ки цел иком погружены в ци ­
тоз оль и

с вя за ны

с

внутр енним л и стком липи дного

бислоя с помощью амфифи л ы-юй а- с пирал и , рас пола­
га юще йся на повер х ности бел ка (ри с.11 - 21, Б).

3.

Не которы е бел ки л ежат полностью вне б и слоя , сна ­
ружи ил и внутри от н его, и присоеди~1 е 1·1ы к мембра­
н е только з а с ч е т од 1-юй ил и нес колышх кова лентных

с вязе й с липидными еру ппам и (ри с.

11-21 , В).
4. Еще од н а гру ппа белков свя зана с одной и з поверх­
носте й м ембраны опос редова нно : они уде рживаются

ря дом с м ембранои благодаря вза имодей ств иям с д ру­
гими ме мб ранными белка ми (рис .

11-21 , Г) .

Бел ки , н е посредств енно с вя занные с бислоем - тра~rс ­
мембранные, встроенные в один монослой и л и nрикре ­

РИС.

пле ннъrе к липидам

Гидрофобные ради калы аминокислот, образующих а -спираль , ко нтакти­

-

мож но из влечь из м ембра ны, только

11-23. Сегмент а-спирали,

пересекающий липидный бислой .

раз ру ши в б и сл ой с помощью детерге нто в (см . ниже ) . Та­

руют с гидрофобн ыми углеводородными хвостами фосфолипидных мо­

кие бел ки наз ывают иитегралыtым.и .11tе.11tбрат-tьши белка­

лекул , а гидрофильные части полипептидного остова формируют друг с

ми (jпteg гal mеmЬгап е pгote iпs). О стал ьные м ембранны е

другом водородные связи во внутренней части спирали. а -Спираль дли­

белки называют периферическими мe.11tбpaimы.11tu белка­

ной около

20 аминокислот полностью пе ресекает мембрану.

ми (pe гipl1e гa l m е тЬ1·ап е pгotein s ); их можно отделить от

мем б раны с помощью более мягких процедур э кстракции,
вл ияющих на межбел ковые взаимоде йствия, 110 оставляю­

( с м . рис .

щих н еповрежденным л ипидный бисло й.

с интезе м е мбранных белков (см . гл.

Полипептидные цепочки

пидного бислоя , соединяются специальными сегме нтами

11-20).

Правил ьная ориентация достигается при

15).

Участки транс ­

мембранного белка, находящиеся по обе стороны от ли­

обычно пересекают бислой в виде а-спиралей

пол игrептидной цели , которые прониз ывают м ембрану

Все м ембра нные белки им еют определе нную ориента цию

дрофобное окружение внутри липидного бислоя , состоят

(см. рис.

11-21,

А). Эти се гме нты , проходящи е через ги­

в л илид1-юм бислое, и это им еет з н ач е ние для их работы.

в основном из аминокислот с гид рофобными рад икалами .

:Например, для трансме мбранноео бел ка-рецептора важ­

Поскольку гидрофобные радикалы не м огут эффе ктивно

но, ч тобы е го воспринимающая внешни й с игнал ч асть

взаимоде й ствовать с водо й, они пред почи тают липи д ное

находи лась снаружи от л ипидного бислоя , а п е редающая

окружени е, где вод ы нет .

сигн ал внутрь клетки часть б ыл а об ращена к цитоз ол ю

Однако , в противопол ожность ги дрофобным ради ка­
лам , п е птидиые с вя з и, соед иняющие соседни е аминоки с ­

лоты, обычно поляр1-1ы и делают полипе птид нъrй остов
rидрофи л ы1ым ( РИС. 11-22). Отсутстви е воды вн утри бис­
о
11

1

н

н

1

/

N- C- C- N- C- C- N
н1

V
•

11
о

н1

iГ

..

пептидные с вязи

лоя стим улирует образование водородных связей между
атомами пе птидного остова. Число водород ны х с вя зей
макс имал ьно , если по лип е птидная це почка формирует ре-

1·улярную а- спираю, ; именно поэтому подавляющее бол ь­

шинство транс м е мбранны х сегментов полипе птид ных це­
пей п е ресекает липидный бисл ой в виде а-с пирале й ( см .
рис .

4- 10). В

этих прони зьmающих мембрану а-спиралях

гидрофобные радикалы находятся на наружной поверх­

Рис. 11-22. Пептидные связи (на сером фоне), соединяющие со­

ности спирали и ко 1-пюпируют с гидрофобными хвоста ми

седние аминокислоты в полипептидную цепь , полярны и потому
rидрофильны . Частичные заряды (б- - частичный отрицательный за­

дородные связ и д руг с другом во внутр енн ей части спира­

Ряд и б+ - частичный положительный заряд) позволяют этим атомам об­
Разовывать друг с другом водородные связи при сворачивании бел ка в
спираль, пронизывающую мембрану (см. рис . 11 -23).

липидов , а атомы по л иn е птидного ск елета формиру ют во ­

л и ( РИС .

11-23) .

Полиnептид ная цепь многи х тран смембраннъгх бел­
ков п ересекает мембра ну лишь один раз (см. рис.

11-21, А) .

Мембранные белки

347


Многие такие белки

-

ре це п торы внеклеточных сигналов.

Другие трансмембранньiе белки формируют водные поры ,
позволяющи е

водорастворимым

мол екулам

проходит~,

сквозь мембрану. Белки с единстве нной равном е рно гидро­
фобной тра н смембранной а-сп иралью и е с пособн ы форми­
рова1ъ такие поры. Порообразующие белки более сложные;
обычно они состоят из н ескольких а-спи ралей, каждая и з
которых м ногократно п ересекает липидный бислой (см.
ри с.

11-21, А).
Во многих порооб разующих белках один или нес коль ­

ко трансм ембранных участков состоят из а-спиралей,
содержащих аминокислоты и с гид рофильными, и с ги­

дрофоб ными радикалам и. Эти аминокислоты обычно рас­
п оложены так, что гидрофильные радикалы оказ ываются

на одной стороне с пирали, а гидрофобные

иа другой.

-

В гидрофобном ок ружении липидн ого бислоя а-с пирали

РИС .

уп аковываются, соп ри касаяс 1, друг с другом и формируя

налы в наруж ной мембр а не бактер и и

кольцо: гидрофобные радикалы их амииоки слот обраще­

Белок состоит из

ны к липидам мембраны , а гидрофильные радикалы об­

ненный водой трансмембранный канал. Показанная на схеме трехмер­

11-25. Белок порин , формирующий заполненные водо й к а­

16 участков

(Rhodobacter capsulatus).

изогнутых ~-слоев, формирующих запол­

разуют выстилку гидрофиль ной п оры , прониз ывающей

ная структура выявлена с помощью рентгеноструктурного анализа. Эти

липидный бислой ( РИС . 11-24) . Как такие поры обес п ечи­

белки-порины связываются друг с другом , формируя тример с тремя

вают избиратель ный транспо рт малых водорастворимых

отдельными порами (на схеме не показано) . (С разрешения

молекул через мемб рану, описывается в гл.

S.W. Соwап , Curr.Opin.Struct.Bio/., 3: 501-507, 1993.)

Хотя а-спираль

-

12.

Elsevier из :

наиболее обычный вариант струк­

туры полипептидных цепей, пересекающих липидный би­
слой, полипептидные цепи некоторых траисмембранных

тохондриальных и бактериальных м ембранах ( РИС . 11 -25) .

белков пересекают бислой в виде Р-слоев, объединенных

Митохондрии и клетки 1-1екоторых бактерий окружены

в цили ндр

двумя мембранами, и порины пропускают питательные

-

р -бочку. Как и следует ожидать, аминокис­

лоты каждой цепи, обращенные внутрь бо<ши, в основ ном

ве щества

rидрофилыr ы, а обращенные наружу и контактирующие с

брану, не пропуская более крупные молекулы, например

гидрофобной сердцевиной липидного бислоя

а нтибиотики или д ругие яды. В отличие от а-спиралей

рииы

(porios), формирующие

гидрофоб­

-

ные. Наиболее яркий пример такой структуры

и

некрупны е

ионы

чер ез

их

наружную

мем­

белки по ­

~ -бочки могут формировать лишь широкие поры, потому

большие водные поры в ми-

что Р-слои не могут слишком сильно изгибаться , и плот-

-

1-юсть их упаков 1ш оrра 1-rичена. В этом отношении ~-бочки

менее универсальны, чем наборы а-спиралей .
водная пора

трансмембранная
а- спираль

Мембранные белки можно выделить
с помощью детергентов и очистить

Чтобы понять, что собой представляет белок, нужно сна­
чала детально разобраться в его строении. Для ме мбран­
ны х белков эта задача связана с особыми проблемами.

Большинство биохимических процедур предназ начено
для молекул, растворенных в вод е или другом простом

растворителе. Однако мембранные белки работают ча­
стично в водном , а частично в жировом окружении. Из­

влечь их из этой среды и очистить так, чтобы при этом не
нарушить свойственной им структуры

-

нелегкая задача.

До того как детально изучать отдельный белок, его
нужно отделить от всех остальных белков клетки. Для
РИС . 11 -24. Гидрофильна я тр ан с мем бранная пора может б ыть

болыL1ииства мембранных белков первый эта п такого вы­

сформирован а н есколькими а-с п иралями . В изображенном на ри­
сунке бел ке пять трансмембранных а- спиралей образуют заполненный

деления заключается в раст вореиии (солюбилизации)
мембраны с помощью агентов, разрушающих липиднь~й

водой канал, пересекающий ли п идный бислой. Гидрофобные радикалы

бислой, т. е. н арушающих гидрофобные взаимодействия.

аминокислот (зеленые) на внешней стороне каждой спирали контакти­

Наиболее широко в качестве таких разрушающих аген­

руют с гидрофобными углеводородными хвостами липидов, а гидро­

тов используют детергенты

фильные радикалы (красные) на противоположной стороне спиралей

небольшие

формируют водную пору.

имеющие как гидрофобные, так и гидрофильные участ-

348

ГЛАВА 11. Строе н ие мемб р аны

( detergents) ( ВИДЕО 11.З ). Это

амфифильные липидоподобные

молекулы,


ВОПРОС

11 -4

мономеры

детергу

А Объясните , почему полипептидные цепочки большинства

rl' трансмембранных

8

белков пересекают липидный бислой в

виде а-спи рали или ~-боч ки.

+

'

ки ( РИС. 11-26) . Детергенты отличаются от мембранных

мембранный белок

фосфоли пидов тем, что им е ют только один хвост. Из -за

в ЛИПИДНОМ бислое

гидрофобный

l

хвост

'

гидрофильная
голов ка

мицелла
детергента

этого и ведут они себя по-д ругому. Поскольку у них один
хвост, молекулы детерге нтов им еют форму конуса; в воде

они обьтч1-10 собира ются в ма.пеиькие кл асте ры

- мицеллы
(miceHes), а не образуют бислои, как фосфолипиды, форма

+

мол екул которых ближе к цилиндрич еской.

При смешива нии избытка детергента с мембранами
гидрофобны е ко нцы молекул детерге нтов связьшаются
с пронизыва ющими м ем(? рану гидрофобными участка­

водор астворимые

ми тран см ембранных бел ков , а также с гидрофобными

ком пл ексы

сме шанны е

трансмембра нного

лип идно-детергентные

)(Вос тами молекул фо сфолипидов . Поэтому дете рге нты

раз рушают липидн ый бислой и отделяют белки от боль­
шинства фосфол илидов. По скольку другие ко 1-щы моле -

водорастворимые

мицеллы

белка и детергента

РИС.

11-27.

Мембранные белки можно солюбилизировать с по­

мощью такого мягкого детергента, как Тритон Х-100. Моле кулы
детергента (золотистые) показаны и как мономеры, и как мицеллы , об­
разующиеся из мономеров в воде . Гидрофильные головки детергента

изображены в виде кружочков . Детергент разрушает лип идный бислой,
и белки попадают в раствор в виде белково-детер гентных ко мплексов .
Фосфолипиды мембраны также солюбилизируются детергентом .

кул детерге нтов ги дро филы-rы е, вм есте с дете ргентом мем­

бранные белки остаются в растворе в виде белково-дете р­
гент ных комплексов ( РИС.

11-27). Вместе с тем детерге нт

солюбилизирует и фосфолипиды. Белково-дете ргентные
комплексы можно отделит~, д руг от друга и от лилидно­

дете рrентных комлле ксов с помощью электрофор еза в п о­
лиакриламидном геле ( с м . гл .

4).

Детальная структура известна

для немногих мембранных белков
Долгое время б6дьшую часть информации о структуре
мембранных белков получали

н епрямыми

с пособа ми .

Стандартный метод прямого определения структуры бел­
ков

-

рентгенострукту рный а нализ ( с м. рис.

4-48). Но для

его прим ене ния тр буется упорядоченное расположение
додецилсульфат
натрия (SDS)

Тритон Х-100

мол е кул в кристалле; а мембраниые белки труднее за­
кристаллизовать,

чем водо растворимы е,

н ахо,1\я щиеся

в

цитозоле и л и виею, еточньтх жидкостях . Тем н е мене бла­

РИС. 11-26. SDS (додецилсульфат натрия) и Тритон Х-100 - два
(SDS} -

года ря недав ним успехам в кристалл ографии с помо1цью

часто используемых детергента. Додецилсульфат натрия

ре 1птеноструктурного анал иза бы ла и зучена с высоким

сильный ионный детергент (это означает, что в состав его гидрофиль­

раз решением структура многих мемб ранных белков , в
том числе баюпериородопсuиа (bacte гi orodopsiп) и фото­
сиитетuческоzо реакцuою-юzо центра (photosy ntЬ etic геас­
ti оп cente г) . Эти мембранных белки играют важную роль

ной части входит заряженная группа} . Тритон Х-100 - мягкий неион­
ный детергент (его гидрофил ьная часть полярная , но незаряжен ная} .

Гидрофобный участок обоих детергентов показан голубым, а гидро­
Фильный - красным . Взятый в квадратные скобки участок Тритона
Х-100 повторяется около восьми раз. Сильные ион ные детергенты , та­
кие как SDS, не только отделяют липиды от белков, но и денатурируют
белки (см . вкладку4-5 , с . 162).

в улавливан ии и использовании э н е ргии света ( см. гл.

14).

Для бюпериородо п сина впервые было точно установле но,
как

ero

а-спирали пе ресекают л ипидный бислой. На при ­

мере фотос интетического реакциоиноrо цент ра б ыло под-

Мембранные белки

349


ВОПРОС

11-5

А Объясните , почему у изображенных на рис . 11-26 детерген­

rl' тов показанная красным часть молекулы гидрофильна, а по-

8

казанная голубым - гидрофобна. И зобразите короткий от­

резок полипептидной цепи из трех аминокислот с гидрофобными
радикалами (см . вкладку

2-5,

с.

78-79)

и обозначьте , используя те

же цвета , ее гидрофильные и гидрофобные части .

роб но изучено, ка к набор разных белковых молекул объ­
единяется в мембран е в функциональный комплекс .
Бактериородопсин (bacterioгodopsiп)

белок (около
количествах

- небольшой
250 аминок ислот) . Он соде ржится в боль ши х
в плазматич еской м ембране археи - галоба к­

тер и и Halobacteтium haloЬium, обитаю щей в сверхсолен ых

t
гидро­

фобная
основа

водоемах . Бактериородопсин действует как м ембранный

липид­

транспортный белок, выкачивающий прото ны из клетки.

бислоя

ного

Для активного транспорта нужна эи е ргия , и бактери оро­
допсин

н е поср едств енно

исполь зует э не ргию

солн е чно ­

го света. Каждая молекула бакте ри о родопсияа содержит

одну н ебелковую свето гюrлощаю щую часп,

-

цитозоль

мол екулу

ретиналя (гetinal). Ретин аль придает белку (и rалобак­
те рии) темно-розовый цвет. Эта н ебольшая гидрофоб­
ная мол е ку ла ковал енп-ю присо ед ине н а к одной из семи

трансмембра нных а-спиралей бакте ри ородо п сина. Она
лежит в плоскости липид ,-юго бислоя и пол ностью окру­
жен а семью а-спиралями ( РИС.

11-28) . Когда ретииал ь по-

РИС. 11-29. Фотосинтетический реакционный центр бактерии
Rhodopseudomonas viridis улавливает энергию света. С помощью
рентгеноструктурного анализа кристаллов этого мембранного бел­
кового компле кса была определена его пространственная структура.
Ком пл екс состоит из четырех субъединиц

- L,

М , Н и цитохрома.

L-

и

М-субъединицы формируют сердцевину реакционного центра ; каждая
содержит пять а- спиралей, пронизывающих липидный бислой. Все
а- спирали по казаны на рисунке в виде цилиндров. Положение разны х
групп - переносчиков электронов , ковалентно связанных с субъединица­

ми белка , по казано черным , кроме особой пары молекул хлорофилла,
которые возбуждаются светом (темно-зеленые) . Обратите внимание ,

гидрофобная

основа липид--;::;;:;:;:::::::::;:;:;

что цитохром связан с внешней поверхностью мембраны только за с ч ет

ного бислоя
нм)

(3

при кре пления к трансмембранным субъединицам (см . рис .

11 -21, д) . (С
J. Richardson, основанному на данных из : J.
Deisenhofer et al., Nature 318: 618- 624, 1985. С разрешения Macmillan
PuЫishers Ltd.)

l

изменениями , по рисунку

глощает ф отон света, о н изме няет сво ю форму, тем самым

вы зывая се рию небольших конформациош-rых и з м е н е ни й

белка, встрое нного в л ипи д ный бислой. Эти из м е н ения
приводят к п е ре н осу одного протона и з кл етки rалобак­
РИС .

11-28.

Бактериородопсин работает как протонный насос.

тери и во в 1-1 е шнюю с реду: протон п ерем е щается через би­

Полипептидная цепь белка пересекает липидный бислой в виде семи

слой с 110мощ1,ю упорядоченно рас п оложен ны х полярны х

а-с пиралей . По казаны положение ретиналя (пурпурный) и возможный

рад икалов аминокислот ( с м . ри с.

путь протона во время а ктивируемого светом транспорта. Полярные

р е rе 1, е рир уется,

11 -28).

Затем ретин ал ь

при соеди няя один протон и з цито золя .

радикалы аминокислот, участвующие в транспорте протона , показаны

Белок при этом приобретает исходную конформацию , и

красным, желтым и синим. Обратите внимание , что маршрут протонов

цикл может повторяться . О бщий итог ци кла

11 .4. Ретиналь также ис­

- это пере­
ме щение од н ого протона из клеши во вн е шнюю с реду. В
присутствии света тысяч и молекул бактериородо пс ина

пользуется для дете кции света в наших собственных глазах, где он сое­

выкачив ают про тоны из клетки, ге не рируя градиент ко н ·

(красные стрелки) позволяет им избежать контакта с липидным бислоем .
Этапы транспорта протона по казаны на ВИДЕО

динен с белком , очень похожим на бактериородопсин . Вп е рвые публи ку­

це 1-1трации прото н ов на п лазматической мембраи е. !<лет­

ется в русском издании . (Источни к :

ка за п асает в в иде пр ото нн ого гради е нта э нергию , а зате м

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/
commons/2/24/ Bacteriorhodopsin .jpg.)

350

ГЛАВА 11. Строение мембраны

и спользует ее для с интеза АТФ ( см. гл.

14).

Бактерио ро·


до п син

-

раз 11ови дносп, траиспортиого белка ( tгanspoгt

ргоtе iп) ; этот класс трансмембранных белков переме щает
м олекул ы и ионы в кл етк и и и з кл еток (см . рис .

11-20). С
12.

другими белками-транслортерами мы встретимся в гл .

Строени е

бактериалыю 1:о

фотосинтепrческоrо реак­

ционного це нтра п оказано на РИС.

11-29. Этот крупный

комплекс состоит и з ч етырех бет<овых субъеди1fиц. Три

и з них

-

трансмембранные белки; у двух субъединиц

(М и L) мембрану про~шзьша.ют н сколько а-спиралей, а
У третьей (Н)

-

L__J
5 мкм

только одна. Четвертый белок (цитохром)

находится на в 1·1еши ей сто рон е м ембраны и связан с тра.нс­

РИС .

м ембран 1шми белками. В сь белковый комплекс работает

ную форму, которая хорошо видна на сканирующей электронной

11 -30. Эритроциты

человека имеют характерную уплощен­

KaJ< молекулярная машина, использующая энергию погло ­

микрофотографии. У этих клеток нет ядра и други х внутриклеточных

ще нного хлорофиллом св ета и произ водящая высокоэн ерге­

органелл. (С разрешения

Bernadette Chailley.)

тически е электрокы, н еобходимые для реакций фотосинтеза

(см. гл. 14). Многие м ембра.~шые белк и соединены в крупные
комплексы. Расшифровка структур ы фотосинтетического

1<Леmочиым кортексо.м

реа кциоююго центра позв олила. выявить многие при1щипы

внутренней поверх ностыо мембраны.

устройства., характерны е и для тыся •r других мембра.~-~ных

беmюв, чья структура. еще н е исследована столь подробно.

(cell

со гtех) , которая соединена с

Из всех вариантов клеточного корте кса лу•rш е все­
го изу чен кортек с эритроцитов, имеющий с равнит ел ьно

простую и ре гулярную структуру. Эритро циты

-

м ел ки е

кл етки характерной уплоще нной формы ( РИС . 11 -30) .

Плазматическая мембрана

Гл а вный компонент их кортекса

Укреплена клеточным кортексом

tl'in),

Сама по себе клеточная м ембрана чрезвычайно тонкая и

п алочки длиной около

хрупка.я. Она прим ерно в

стилающую

10 000

тоиьш е, чем лист этой

книги. Поэтому большинство клето •н~ых мемб ра11 усили ­

-

белок спектрuн

(spec-

пр едставляющий собой длинные, тонкие, гибки е

100

плаз малемму

нм. Он образует сеть , под­
э ритроцита

и

подде ржива ­

ющую форму клеши. Спектриновая сеть соединена с

ваются и поддерживаются сетями из белков, связанных

мембраной

с м ембраной ч ерез тран см ембрашrые белк и. В частности,

белки, связывающие спектрин со специфичн ыми транс­

через

внутриклето•т ые прикре пительны е

форма клетки и м еханическ ие свойства ее плазмалеммы

м ембранными белками ( РИС. 11-31 ) . Ва.жностъ этой сети

определя ются сетью фибриллярных белков , наз ываемой

показ ывают случаи генетич ес ких наруш е ний структуры

прикрепительный
комплекс

спектрин

белки

100

трансмембранные
белки

РИС.

11-31.

нм

(Б)

Сnектриновая сеть формирует клеточный кортекс эритроцитов человека. (А) ди •

меры спектрина, связанные с небольшим числом мол екул актина, соединены в сеть. Она соединена с
мембраной с помощью как минимум двух типов прикрепительных белков (показаны желтым и синим),
крепящихся к двум типам т рансмембранны х белков (показаны зеленым и коричневым). (Б) Электрон ­
ная микрофотография сnектриновой сети на цитоnлазматической поверхности мембраны эритроцита.
Сеть растянута , чтобы были видны дета.ли ее строения; в нормальной клетке данный участок сети был
бы более сжат и занимал только около

1/10 этой площади .

(Б- с разрешения

National Academy of Sci-

ences из: T.Byers and D.Barton, Proc.Natl.Acad.Sci. U.S.A. 82: 6153-6157, 1985.)

Мембранные белки

351


ВОПРОС

1

мембранные белки ,

11-6

А П осмотрите на структуру фотосинтетического реакцион­
ноrо центра на рис . 11 -29. Как и следует ожидать, многие

клетка

меченные родамином

мыши

rl'

8

а -спирали пронизывают мембрану. Однако в нижнем правом

углу виден участок L-субъединицы в виде неупорядоченной петли ,

гибридная

находящийся внутри гидрофобной сердцевины липидного бислоя .

клетка

ИН КУБАЦ

Опровергает ли этот факт общее правило , гласящее , что белки пе­

.. -

•

•••

ресекают липидный бислой в виде а -спиралей или ~-с лоев ?

ПРИ

37 °

с п ектрин а у мыши и человека. Особи с такими наруш е ­
ниями

страдают

от

анемии:

число

э ритроцитов

у

них
слияния клеток

а сферическую форм у и легко раз ру шаются.
Белки, сход ные со спектрином и со свя занными с н им

при к репитель ными белками, имеются в большинстве жи­

через

сразу после

ниже нормы , а сами э ритроциты им е ют 1-1 е уплощенную,

40

мин после

слияния клеток

меченные флуорес цеином

клетка

мембранные белки

челов ека

вотных клеток. Однако их кортекс уст роен гораздо слож­

РИС.

нее, ч ем у э ритроцитов. Красным клеткам крови кортекс

казывает, что мембранные белки способны к латеральной диф­

11-32.

Образование гибридных клеток мыши и человека по­

нуже н в основном для обеспечения механической прочно ­

фузии в липидном бислое. Исход но мышиные и ч еловеческие белки

сти при протис кивании ч е р ез узкие кров е носиые сосуды;

находятся только на собственных половинах поверх ности плазмалеммы

другим клеткам он помогает ме~1ять форму и активно дви ­

вновь сформированны х гибридны х клеток , но в течение короткого вре­

гать ся ( см. гл.

17). Кроме того,

многие клетк и и спол ъзуют

мени они смешиваются . Для выявления белков к клеткам добавляют два

кортикальную сет ь, чтобы ограничить диффузию мем­

типа а н тител

б ра нных белков ; эту ее функцию мы рассмотрим в следу­

ми флуоресцентными метками (родамином и флуоресцеином). Флуо­

ющ ем разделе.

ресцентные антитела можно различить с помощью флуоресцентного

-

пр отив белков мы ши и человека,

-

помеченные раз ны­

The Соmрапу of Biologists Ltd из: L.D. Frye and

микроскопа , посколь ку флуоре сцеин имеет зеленый цвет, а родамин

красный . (С разрешения

Клетки могут ограничивать

M.Edidin, J.Ce/1 Sci. 7: 319-335, 1970.)

подвижность мембранных белков
Поскольку

мембрана

-

двум ерная ж ид 1юстъ,

многи е

мемб ранные белки , как и липиды, свободно дв и гаются в

Как показано на РИС. 11 -33, белки п лаз мале ммы могут

плоскост и ли пид ного бислоя. Такую ди ффуз ию можно

б ыть связа~1 ы с неподвижными в ~1 еклеточными ст рукту­

на1-лядно пр одемо 1-1стрировать путем слияния мышиных и

рами ,

челов е ческ и х клеток. В образовавшихся гибридных клет­

( см .

ках удвоенного размера наблюдают за распределением

рам и внутри клетк и , в ч аст н ости с 1<леточ ным кортексом

н апример с

гл.

мол екулами

внею1 етоlrн ого

мат рик са

20) или с от носител ьно малолодвижными структу­

мембра нны х белков мыши и LJеловека. Сначала мышиные
и челове lrеские бел ки приуроче ны к собстве нным полови­

нам вновъ сформированной гибри дной клетки. Но при­
мерно в пределах получаса два 1-1 абора белко в переме ши­
ва ются , ра вномерно рас rгределяясь по всей пов е рхности
клетки ( РИС.

11 -32) .

Представле 1-1ие о мембран

как о ли пидном морс, в

(А)

(Б)

(В)

(Г)

котором свободно плавают все мембранные белки, все
же си л ьно упрощено . Клетки изоб рел и с пособ ы , по­
зволяющи е уде рживат ь н екоторые мембранные белки
в пределах локаль ных у ч астков бислоя. Это поз nоляет
создаватъ фу нкцион ал ьно специализированные участки,

или мембран ные домены (m e mbгa 11e domaiл s ) на поое р х ­
ности клетки и л и органеллы . В р азделе ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ

( с. 354- 355) опи са ны

некоторые методы изуч е ния дв иже­

ния мембранных белков.
РИС .

11-33.

Латеральная подвижность белков плазмалеммы мо·

жет ограничиваться разными способами. Бел ки могут быть при к ре­
ВОПРОС

11-7

А Посмотрите на трансмембранные белки на рис. 11-31 . Что

rl' можно сказать об их подвижности в мембране?

•
352

плены к находящемуся внутри клетки клеточному ко ртексу (А} , к н ахо­

дящимся снаружи от клетки молекулам внеклеточного матрикса (Б} или
к поверх ностным белкам другой клетки (В) . Диффуз ионны е барьеры
(черные полоски) могут ограничивать подвижность белков определен ·
ным мембранным доменом (Г).

ГЛАВА 11. Строение мембраны


белок А

Формируя поверх липидного бислоя

rликокаликс,

углеводы за щищают пов е рхность кл етки от механических

и химических по вреждений. Все олигосахариды и поли­

апикальный

саха риды гликокаликса удерживают воду, образуя слой

участо

плазмалеммы

слизи. Такое покрыти е помо1·ает подвижным клеткам, на­

латеральный
участок ---­

белок Б

прим е р л е йкоцитам, проти скиватъся сквозь узкие щел и, а
также пр едотвра ща ет склеивание клеток 1<рови друг с дру­

пл азма л еммы

гом или со стенками кровеносных сосудов.

базальный

Однако поверхностные углеводы не толъко защища­

уч асто к

плазмалеммы

ют и смачивают клетку. Они играют важную роль в меж­

клеточном узнавании и адгезии . Так же как многие белки
узнают определе нные сайты на других белках и связыва­

/

баз ал ьная

ются с ними, особые белки лектииы

пластинка

(lectins)

распоз на­

ют о пр еделен ные олигосахаридные цели и связываются

РИС . 11-34. В клетках кишечного эпителия разные белки распре­

с

делены по отдельным доменам плазмалеммы . Белок А (на апикаль ­

и гликолипидов короткие и обычно содержат не более

ними .

Хотя олигосахаридны е це пи

гликопротеидов

остатков моносахаридов, они чрезвычайно раз ноо­

ном участке мембра ны) и бел ок Б (на латеральной и базальной частях

15

мембраны) свободно диффундируют по мембране в пределах своего

бразны . В отличие от полипептидных (белковых) це­

домена, н о не могут перемещаться на другой домен из-за с п ециальных

пей, в которых аминокислоты соединены в линейный

клеточных контактов

-

плотных ко нтактов (см. рис .

полимер с помощъю одинаковых п ептидных связей (см.

20-23).

рис.

11-22),

сахара могут соединяться разными способа­

ми и L1асто образуют разветвленные целочки (см. вклад­

(см. рис.11-31) . Наконец, клетки могут создавать барьеры,

ку

ограничивающие подвиж1-юсть определенных компонен­

1-1яться достатОLJНО разными комбинациями ковалентных

тов мембраны одним мембранным доменом. Например,

связей и формироватъ сотни ра зличных трисахаридов.

в эпителиальных клетках выстилки

кишеlrника транс ­

2-3,

с.

74- 75).

Даже три остатка сахаров могут соеди-

Таким образом, в многоклеточном организме г;ги1<0ка­

портные белки , поглощающи е питательные вещества из

ликс может служитъ определенной формой одежды

просвета кишки, должны находиться на апикалыюй

(api-

полицейская форма. Благодаря ей т<летки, слециализи­

cal) поверхности клеток т. е. обращенной к содержимому

рующиеся на выполн ении какой-либо функции , могут

кишечника. Другие белки, обеспечивающие транспорт

опознаваться дру гими клетками , с которыми они должны

-

как

растворимых веществ из клеток кишечного эпителия в

взаимодействоватъ. Например, специфиlшые олитосахари­

ткани и кровоток, должны находиться н а базалыtой (Ьа

ды rликокаликса участвуют в распознавании яйцеклеток

и латеральной

(latel'al)

al)

поверхностях ( РИС. 11-34). Такое

асимметричное распределение мембранных белков под­
держивается благодаря барьеру, проходящему вдоль ли­

адсорбированный

нии соединения клетки с соседними клетками эпителия

с помощью плотиых коитшстов

(tight j1LЛctions).

гликопротеид

В этом

тра нсмембранны й

дями, слециалъные соединительные белки формируют
сnлопнюй поясок гто окружности клетки; они лро11изыва -

10т мембраны соседних клеток (см. рис.

20-23) . Че рез

эти

глико­
каликс

t1ояски мембранные белки диффундировать не могут.

[

Поверхность клеток покрыта углеводами

липид: [

l-Iaм уже известно, что ко многим липидам наружного

бислой

ныи

Слоя ттлазмалеммы ковалентно присоедине ны сахара. Это

)l(e

относится к большинству белков плаз малеммы. К по­

давляющему их числу лри соединены короткие цеnочю1

Сахаров

-

олигоса,у;ариды

(ol.igosaccha,·ides ). Такие белки
(glycoproteins). К друтим

протеоглика н

гликоп

У4астке , где эпителиальиая клетка контактирует с сосе­

трансмембранны й

(

•=астат
сах

-

цитозоль

наз ываются 2ликопротеида.ми

РИС.

мембраю1ым белкам присоединенът одна или нескол1,ко
дJtинных полисахаридных цепей; их наз ывают npomeo-

rликокаликсом . Гликокаликс состоит из олигосахаридных цепей, при ­

2.!LUкaua.мu (proteoglycan ). Все углевод ы гликопротеидов,
llротеоrликанов и гликолипидов находятся на одной сто­
Роне мембраны, наружной, где они формируют покрытие
11.з углеводных це поlrек - гликокаликс (cai·bohydrate lay-

лисахаридных цепей мембранных протеогликанов. Гли ко протеиды и

er) ( РИС . 11-35).

зольной) поверхности плазмал еммы.

11-35. Эукариотические клетки

покрыты слоем углеводов

-

крепленных к мембранным гликопротеидам и гликолипидам, и из по ­
протеогликаны , секретированные клеткой, а затем адсорбированные на

ее поверхности, также могут участвовать в образовании гликокали кса .
Обратите внимание, что все углеводы находятся на внешней (нецито­

Мембранные белки

353


ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКОВ МЕМБРАН
Важная черта липидного бислоя - его текучесть. Этот
поток молекул жизненно необходим для сохранения це­
лостности мембраны и ее нормальной работы. Текучесть

мембраны позволяет мембранным белкам двигаться по

FRAP

ttttttttttttt
ЗАСВЕ­
ЧИВАНИЕ
ЛАЗЕРНЫМ
ЛУЧЕМ

бислою, соединяясь и разъединяясь; а от таких взаимо­
действий зависит жизнь клетки. Динамичная природа

мембраны столь важна для ее нормального фуиrщиони­

« выгоревший » участок

рования, что нашу рабочую модель строения мембраны

обычно аазывают жидкостно-мозаичиой моделыо

(fluid-

mosaic model).

ВОССТАНО-

Как можно измерять текучесть мембраны, столь важ­
ную для ее структуры и фуакционирования? Наиболее
распространены визуальные методы. Можно 11 росто

_....___,

ВЛЕНИЕ
ФЛУОРЕС ­
ЦЕНЦИИ

110-

метить некоторые молекулы мембра~1ы, а затем наблю­
дать за их движением. Такой подход позволил впервые

продемонстрировать диффузию мембранных белков, по­
меченных флуоресцентными антителами ( см. рис.

11-32).

Однако этот эксперимент заставил ученых думать, что

мембранные белки свободно, безо всяких ограничений
плавают в открытом море липидов . Сейчас мы знаем, что

этот образ не во всем соответствует действительности.
Чтобы подробнее изучить динамику мембран, ученые

РИС .

придумали более точные методы наблюдения за движе­

ния скорости латеральной диффузии мембранных белков. Изуча­

нием белков в мембранах, например в плазмалемме жи­

ем ы й мем б ранный белок можно пометить флуор ес центным антителом

11 -36 . Фотобличинr -

( как на ри сун ке) или его слиянием с флуоресце нтным зеленым белком

вых клеток.

(GFP) .
Атака

методика, используемая для измере·

При использовании метода

FRAP

флуоресцентные молекулы

обесцвечиваются на небольшом участке мембраны с помощью лазер­

FRAP

ного луча . Инте нсивность флуоре с ценции растет по мер е того , как « вы­

Один из таких методов

- восстаиовлеиие флуоресцеи­
ции после «выгорания» (FRAP, от шал . fluoгe cence гe­
covery after photoЫeaclling - фотобличинг, или выгора­

горевшие » молекулы перемещаются из пятна, а с ветящиеся меченые

ние, обесцвечивание под действием света). Сначала все

числяют по графи ку ско рости восстановления флуоресценции: чем

белки клеточной поверхности метятся флуоресцентной

больше коэффициент диффузии , тем выше скорость восстановления .

молекулы из соседних участков диффундируют в « вы горев ши й• участок

(на рисун ке по казан вид сбоку и сверху). Коэффициент диффузии вы­

меткой; затем эта метка обесцвечивается на небольшом
участке флуо р есцентного моря, после чего можно уви­

деть, насколько быстро окружающие меченые белки
проникают в обесцвеченную область мембраны. Для
начала интересующие нас мембранные белки метят осо­

го «восстановления флуоресценции >>

бым флуоресцентным веществом. Пометить белок мож­

ка скорости диффузии белковых молекул в мембране

-

прямая оцен­

но либо с помощью флуор есцеитных антител, либо по­

( ВИДЕО 11 .5). Такие эксперименты показали, что в общем

лу чив при помощи ге1нюй инженерии гибридный белок,

клеточная мембрана имеет примерно такую же вязкость,

состоящий из мембранного белка и флуоресцентного

как оливковое масло.

белка (например, используя зеленый флуоресцентный
белок,

GFP)

(см. гл.

10).

По сле того как клетка помечена, ее помещают под

Поодиночке

микроскоп, и небольшой участок мембраны освещают

Одно из ограничений

интенсивным импульсом узко сфокусированного ла­

метод позволяет следить только за большой популяцией

FRAP

заключается в том, что этот

зерного луча. Такое воздействие обратимо обесцвечи­

белковых молекул (сотнями или тысячами) на относи­

вает флуоресцентную группу (точнее, прекращает ее

тельно больших участках мембраны. С помощью этой тех­

свечение, вызывает « выгорание~) в освещенном пятне,

ники невозможно проследить , что делает отдельная моле­

обычно площадью около 1 мкм 2 , на поверхности клетки
( РИС . 11 -36). Затем можно измерить время, за которое

кула. Если какой-то белок не мигрирует в <<Вь. 1 горевшую~
зону в ходе FRАР-исследования, то из-за чего это проис­

флуоресцентные белки из соседних участков проника­

ходит? Из-за того что его молекула неподвижна, прочно

ют в « выгоревший ~ участок мембраны. Скорость это-

заякорена в одной точке мембраны? Или из-за того, что

354

ГЛАВА 11. Строение мембраны


В результате таких исследований выяснилось, что в

искусствеrн1ы х бислоях ме мбраиные белки диффунди­

руют быстрее и свободнее, чем в клеточных мембранах.
(Б)

~
(В)

Неудивительно, что подвижность белков 1з клеточных

мембранах ограничена

- белков в них больше, а л ипиды
разнообразнее, чем .в искусственных липидных бислоях.
Кроме того, миоrие мембра1-1ные белки прикреплены к
белкам внеклеточного матрикса, заяко рены на н аходя­
щихся под м ембраной элементах цитоскелета или при ­
креплены и к внутри-, и к внеклеточным белкам (см .

1 мкм

рис.

11-33).
Все эти методы исследова1-1ий позволили воссоздать

картину архитектуры и организации клеточных мембран,

РИС . 11-37. Картина движения разных мембранных белков раз­

создать более точный портрет мембраны как ди н амичной

личается. SРТ-ми к роскопия позволяет проследить за реальными

жидкой мозаики.

траекториями движения отдельных молекул белка на поверхности жи ­

вой клетки. На рисунке показаны характерные траектории некоторых

белков плазмалеммы. (А) Траектория белка, которы й свободно диф­
фундирует в липидном бислое плазмалеммы . (Б) Траектория белка,
которы й удерживается другими белками внутри небольшого участка

мембраны. (В) Траектория белка, прикрепленного к цитоскелету и по­
тому практически неподвижного. За движением белков следили в те­
чение нескольких секунд.

она может двигаться только в пределах небольшого участ­
ка, ограниченного цитоскелетными белками, и нам только
кажется, что она неподвижна?

солюбилизированные
мембранные белки

,
.
·
'
\
г-:
'

_,

.

целлы и мономеры

детергента

Чтобы решить эту проблему, исследователи придумали

+

методы мечения отдельных молекул или неболъших груnп

Молекул. Один из таких методов - single-particle tracking
или SРТ-микроскопия - позволяет следить за отдельными
Молекулами. Для проведения SРТ-микроскопии молеку­

липидно-детергентные
мицеллы

ВЫДЕЛЕНИЕ
КОНКРЕТНОГО БЕЛКА

лы бел1<а метят а1-1тителами, которые покрыты частицами
золота. Золотые шарики выглядят под микроскопом как
I<рощечные черные точки; за их перемещением, а значит,
11 за перемещением помеченной молекулы белка, можно
Проследить с помощью микровидеосъемки.

Судя по имеющимся в настоящее время данным, кар­
тина движения мембранных белков может быть очень раз­

ной, - от хаотичной диффузии до полной неподвижности

(РИС.

11 -37). У некоторых
сменяют друг друга.

белков эти вариа,-пы движения

~\т,,_ ,RRR-:
-;;;~i· .!т~\

УДАЛЕНИЕ

jf;:

ДЕТЕРГЕНТА

ДОБАВЛЕНИЕ

' .

ФОСФОЛИПИДОВ,
СМЕШАННЫХ
С ДЕТЕРГЕНТОМ

Освобожденные из клеток

Исследователи часто стремятся изучить поведение изо­

ill
работающий белок, встроенны й

( Рис. 11 -38). Липиды помогают изолированным белкам

очищенных белков.

мицеллы и мономеры
дете ргента

лированного белка, надвижеиие или активность которо­
rо lie влияют молекулы друrих белков . Для таких иссле­
дований мембранные белки можно выделить из клеток
й. встроить в искусственные фосфолипидные пузырьки

поддерживать их нормальное строение, благодаря чему
Можно подробно изучить активность и поведение таких

\

в искусственный бислой

РИС.11-38. С помощью мягких детергентов можно солюбилизи­
ровать мембранные белки и изучать их работу в искусственной

мембране.

Мембранные белки

355


ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ
ЛЕКТИНЫ

нейтрофил

РАСПОЗНАЮТ
УГЛЕВОДЫ НА

ПРИ СВЯЗЫВАНИИ

позволяют

ЛЕКТИНОВ

НЕЙТРОФИЛУ

НЕЙТРОФИЛ

НЕЙТРОФИЛЕ

кровь

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

МИГРИРОВАТЬ

ПРИКРЕПЛЯЕТСЯ

В ИНФИЦИРОВАННУЮ

К СТЕНКЕ СОСУДА

l

кров е носный
сосуд

ТКАНЬ

ОЧАГ ИНФЕКЦИИ

РИС.

11-39. Распознавание углеводов на

поверхности нейтрофилов

-

первый этап их миграции

из кровотока в инфицированные участки тканей. Особые трансмембранные белки лектины появля ­
ются на поверх ности клеток выстил к и кровеносных сосудов (эндотелиальны х клет ках ) в ответ на х имиче­
ские сигналы , поступающие из очага инфекции . Эти бел к и распоз нают определенные группы сахаров на
гликолипидах и гли копротеидах не йтрофилов, цир кулирующи х в крови . В результате нейтрофилы при ­

клеиваются и з нутри к стенке сосуда. Прикрепление не очень прочное, но оно ведет к гораздо более проч ­
ному белок-бел ковому взаимоде й ствию (не показано), которое помогает не йтрофилам мигрировать и з
к ровото ка в инфицированные ткани , протис кива ясь м ежду клет ка ми э ндотелия ( ВИДЕО

сперматозоидами ( см. гл.

19). Он и таюке участвуют в отве­

•

тах организма на ин фекции . Напри мер, на ранних стадиях

спонтанно перескакивать из одного монослоя в другой.

•

распознаются лектинами на клеточно й выстил1<е крове н ос­

-

прикрепление нейтро­

филов к стеЮ{е кровеносных сосудов,

-

ней стороны мембраны.

•

а затем их мигра­

цию и з кровотока в инфицированные ткани, где они по м ога­

-

Не которые кл етки регулируют текуче сть м е мбран, изме­
няя их липидный состав.

•

ют унИ'Iтожить проникших бактерий ( РИС. 11-39) .
Гликопротеиды

Два слоя плазмалеммы имеют ра зный липидный состав ,

соответствующий разным ф ункциям наружной и внутрен­

ных сосудов в инфицироваш-юм участке тела. Это взаимн ое
распознавание вызывает адгезию

Липидный бислой жидкий, и отдельные липидны е молекулы
диффундируют внуrри своего монослоя ; однако они не могут

бактери альной ин фекции углеводы на поверхности иейтро ­

фШlов (neutгophils), одной из раз новидностей лейко ци тов,

Мембранные белки отвечают за большm1ство функций
мембран

важ ная разновидность мемб ра нных

белко в. В следу ющей главе мы подроб нее разбе рем слож­

11.6).

-

в частности, за транспорт малых водораство·

римых молекул сJСвозь липидный бислой.

•

Трансмембранные белJСи пронизьmают липидный бислой

ные задачи , выпол няемые тран смемб ранн ым и белка ми,

обычно в виде одной или н есJСольких а-спирал е й , но ино ­

кото ры е траtrс п орт и ру ют молекул ы в клетки и из клеток.

гда в виде ~-слоев, искривл енных и образующих бочкоо­
бразную струJСтуру.

•

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

•

бислой , а прикр е плены к одной из его сторон дибо с помо­

Клеточ11ые мембраны создают барьеры, позволяющие

щью ковалентной связ и с мембранными липидами, либо с

клепшм удерживат ь разные мол екулы внутри отдельных

помощью неко11ал е нтных взаимодействий с другими ме м­

бранными белками.

компартм е нтов.

•

Клеточные мембраны состоят из непрерывного двойного

•

лекулы белков.

плазмал еммой расположен клеточный кортекс

Липидный бислой

белковых фибрилл .

-

это основная структура клеточной

мембраны, обеспечивающая ее барьерную функцию.

•

Молекулы мембраtшых липидов амфифильны

-

•

-

сеть и з

Хотя многие мембранные белки быстро дифф ундируют в
плоскости мембраны, клетки могут ограничивать подвиж·

у них

им е ется гидрофильный и гидрофобный участки. В водной

ность белков определенными доменами или иммобили зо·

среде они спонтанно собираются в бислои , образующие

вать белки, прикрепляя их к внеклеточным либо внутри·
1шеточ11ым макромолекулам.

замкнутые компартменты , которые вновь самозамыкают­

•

ся при повр е жд ении.

•

Под большинством клеточ,rых ме мбран находится под·
держивающая их форму белковая сеть . Например, под

слоя (бислоя) л ипидных молекул, в который встроены мо­

•

НеJСоторые мембранные белки не пронизывают липидный

Три главных типа мембранных л ипидов
ды, стеро лы и гликолипиды.

356

ГЛАВА 11. Строение мембраны

-

это фосфолипи­

Ко многим бел кам и некоторым липидам на поверхности
кл еток прикреплены углеводы, формирующие сл ой слиз и
и участвующи е в межк л еточном распознавании.


КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ
мtмlpaiooiA
~А

,._.

~СИМ

......,

МOClilЩ8tlNd {у,»

-....Я&tciloA

~

,.,...._к,

мембранмwi:1'811ок

IOAOpctN
()'1'1188ОАОРОД)

ВОПРОС

IIIICIIМOIIIIIМ№ (ма
~~

брамаt

11-12

В чем состоит различие между молекулой липида и молекулой

детергента? Как должна измениться структура молекулы липида,

чтобы она смогла приобрести свойства детергента?

~OIDIK

ФОСФО,lмnмд
хомс:терим

ВОПРОС

11-13

А . Липидные молекулы обмениваются местами со своими

соседями каждые 10·1 с. Молекула липида диффундирует
из одного конца бактериальной клетки длиной
гого примерно за

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ
ВОПРОС 11-8

Опишите, как разные клетки добиваются того, что определенные
белки клеточной поверхности приурочены к разным участкам их
плазмалеммы . Будет ли по-прежнему жидкой мембрана , многие

белки которой заякорены?
ВОПРОС 11-9

Какие из следующих утверждений верны? Ответ обоснуйте.
А. Липиды в липидном бислое быстро вращаются вокруг своей
длинной оси.

Б . Липиды в липидном бислое быстро меняются друг с другом
местами , двигаясь в плоскости бислоя .

В . Липиды в липидном бислое редко перескакивают из одного
монослоя в другой .

Г. Водородные связи, образующиеся между головками мем­
бранных липидов и молекулами воды, постоянно разрываются и
вновь формируются .

д. Гликолипиды в ходе синтеза перемещаются из одного мем ­
бранного компартмента в другой, но остаются приуроченными к
одной стороне липидного бислоя.

Е. Маргарин содержит более насыщенные жиры , чем раститель­
ное масло, из которого его производят.

Ж. Некоторые мембранные белки служат ферментами .
3. Слой углеводов, окружающий все клетки , делает поверхность
клеток более скользкой .

1 с.

2 мкм

до дру­

Соответствуют ли эти цифры друг дру­

гу? (Считайте, что диаметр головки липида
Если не соответствуют

-

-

около

0,5

нм.)

с чем , по-вашему, это может быть

связано?

Б. Чтобы получить представление об огромной скорости дви­

жения молекул, представьте себе , что липидная головка имеет
размеры шарика для пинг-понга
комнате размером

6х 6м

(4

см в диаметре) и что пол в

полностью покрыт такими шариками.

Если бы два соседних шарика обменивались местами один раз

за 10-1 с, какова была бы их скорость в км/ч? За какое время ша­
рик перемещался бы от одной стены до другой?
ВОПРОС

11-14

Почему в мембранах эритроцитов должны присутствовать
белки?
ВОПРОС

11-15

Рассмотрим трансмембранный белок, формирующий гидро­
фильную пору в плазмалемме эукариотической клетки. Когда

белок связывает на внеклеточной стороне свой лиганд, он акти­
вируется , и через пору внутрь клетки входят ионы натрия. Белок

состоит из пяти схожих трансмембранных субъединиц, и каж­
дая содержит трансмембранные а-спирали, на одной стороне
которых расположены гидрофильные радикалы аминокислот, а

на другой

-

гидрофобные . Учитывая , что белок служит натрие­

вым каналом, пропускающим ионы натрия в клетку, предполо­

жите , какое положение будут занимать пять трансмембранных
а-спиралей в мембране .

ВОПРОС 11-10

Какой смысл вкладывается в термин «двумерная жидкость»?

ВОПРОС

ВОПРОС 11-11

(средняя молекулярная масса

Структура липидного бислоя определяется конкретными свой­

(молекулярная масса

ствами его липидных молекул . Что бы произошло , если бы

А. Фосфолипиды имели только один углеводородный хвост вме­

11-16

В мембране эритроцитов человека соотношение массы белков

са

386)

примерно

50 ООО) к массе фосфолипидов
800) и холестерина (молекулярная мас­
равно 2: 1: 1. Сколько липидных молекулы при­

ходится в этой мембране на каждую молекулу белка?

сто двух?

Б . Углеводородные цепи были короче нормальных - например,
содержали около десятка атомов углерода?

В . Все углеводородные цепи были насыщенными?
Г. Бислой содержал смесь двух типов липидных молекул - с дву­

ВОПРОС

11-17

Изобразите увеличенный фрагмент схемы, представленной
на рис .

11-32,

на котором нарисуйте объединяющиеся участки

плазматических мембран двух сливающихся клеток . Покажите

мя насыщенными углеводородными хвостами и с двумя ненасы ­

мембранные белки обеих клеток, помеченные флуоресцентными

щенными хвостами?

антителами разного цвета , которые прикреплены к их внешней

д. Каждая липидная молекула была ковалентно связана через
концевой атом углерода одного из своих углеводородных хво­
стов с липидной молекулой противоположного монослоя?
Е. Бислой содержал смесь двух типов липидных молекул - с дву­
мя насыщенными углеводородными хвостами и с двумя ненасы­
щенными хвостами?

стороне . Покажите на вашем рисунке судьбу этих цветных меток

после слияния клеток. Останутся они только на наружной сторо­

не гибридной клетки (А) сразу после ее образования и (Б) после
перемешивания мембранных белков в результате ее инкубации

при

37 'С?

Изменится картина их распределения , если провести

тот же опыт при О ' С?

Вопросы в конце главы

357


ВОПРОС

ВОПРОС

11-18

Какие гидрофобные взаимодействия удерживают мембранные

11-20

Какая из приведенных ниже аминокислотны х последователь ­

способствуют сворачиванию

ностей, изображенных с помощью однобуквенных обозначений

белков и приобретению ими уникальной трехмерной структуры?

аминокислот, с наибольшей вероятностью соответствует транс­

белки в липидном бислое и какие

-

Сравните эти силы между собой .

мембранному участку ( а- спирали) трансмембранного белка?
Ответ поясните .

ВОПРОС

11 -19

Предположите, у каких из указанных организмов количество не­

насыщенных фосфолипидов в их мембранах будет наибольшим .
Ответ обоснуйте.
А. Антарктическая рыба .
Б . Пустынная змея .
В. Человек .
Г. Полярный медведь .

Д . Термофильная бактерия , живущая в горячем источнике при
температуре

358

100 ·с .

ГЛАВА 11. Строение мембраны

А. 1Т

L I У FG N М S S VТ Q Т I L L I S
L L L J F F GV М А L V I VV I L L I А
В . L L К К F F RD МА А V НЕТ I L ЕЕ S
Б.


8

8

8

8
-

-~ ;

8
•

-~•

8
.;,

.
•

~

1

'

-:', ·-

. '

-

-,r ~

...

;- ..

8

\

}
с

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

тривается в rл.

МЕМБРАННОГО ТРАНСПОРТА

общих пршщипов транспорта малых водорастворимых мо­

БЕЛКИ-ПЕРЕНОСЧИКИ И ИХ ФУНКЦИИ

ИОННЫЕ КАНАЛЫ И МЕМБРАННЫЙ

15.

Здесь же мы начнем с обзора некоторых

лекул через J(Леточные мембраны. Затем мы последователь­

но рассмотрим два главных типа мембранных транспорпrых
белков. Белкu -пере1юсчuки (t1·ansporteгs), имеющие под­
виж1-1ые части, могут переносить малые молекулы с одной

ПОТЕНЦИАЛ

стороны мембраны на другую, меняя свою форму. Этим

ИОННЫЕ КАНАЛЫ И ПЕРЕДАЧА

лекулы, либо ионы . J(аиалы (chanпe l s) образуют в мембране

СИГНАЛОВ НЕРВНЫМИ КЛЕТКАМИ
Чтобы жить и расти , клетки обмениваются молекулами со

способом могут п е реноситься либо малые оргwшческие мо­
1<рошечные гидрофильные поры, через которые растворен­

ные вещества могут диффундировать. Большинство кана­
лов пропускают только неоргаш,rческие ионы, поэтому их

называют uo1t1tымu каналами

средой. Плазмалемма действует как барьер, J(Онтролиру­
ющи.й тра~1 спорт веществ в клетки и из клето[(. Пос[(оль1<У в н утре нняя част,, ли пидного бислоя rидрофобна (см.
ГJ!. 11), плазмалемма практически 1-1 еnроницаема для боль­

- •• •

l!Jи ~1 ства водорастворимых молекул. В то же время многие
водорастворимые молекулы должны проникать через на­
РУжную мембра~1у: клет[(а должна поглощатъ питателъные
вещества, например саха ра и ами1-ют<ислоты, выделять про­

..

дукты обмена веществ, например углекисл ый газ, и реrу­
лнровать внутриклето чны е концентрации разл ичны х н е­
орrан11ческих ионов. Некоторые из этих веществ, н,mример

со2 и 02, все-таю,r могут диффундировал, прямо сквозь

Jrипидный бислой, но подавляющее большинство - н ет.

Их транспорт зависит от специальных мембранных транс­

nортных бетсов (memb.rane tгanspo.rt p1·ote iпs), прониз ыва­
ЮЩvrх. лилидный бислой и избирательно переносящих че­
рез мембрану отдельные ве щества (РИС. 12-1 ).
В данной главе мы рассмотрим, как мембраны контро­
~11РУют транспорт малых молекул в клетки и из J(Jleтoк.

\J!епщ таюке могут избирательно трансгюртировать через

Мембраны макромолекулы , например белки ; н о этот тил
Транспорта требует более сложны х механизмов. Он рассма-

(io11 c l1anлels).

•

\

(А) л ишенный белков

(Б) кл еточная мемб р ана

искусстве нны й

л и пид н ый бисло й

РИС.

12-1.

За перенос малых водорастворимых молекул через

клеточные мембраны отвечают специальные мембранные транс ­
портные белки. В отли ч ие от клеточных мембран (Б) искусственные
липидные бислои (А) непроницаемы для большинства малых водорас­
творимых молекул. Обратите внимание, что каждый тип транспортных
бел ков кл еточной мембраны пере н осит один тип малых молекул . Бла­
годаря этому в ограниченный мембраной компартмент избирательно
транспортируются определенные вещества.


Пос кольку ионы н есут эл ектрич ес кий заряд, их дви­

же ни е сквоз ь мембрану создает мощны е эл ектрич ес ки е

клетк у

на

ча сти ,

чи сл о

11олож и тел 1, ны х з аря дов

вн утри

клетки дол ж1-rо б ыт ь у ра вн ове ш е 1-rо практич ес ки в то чн о­

силы. В посл едн ем разделе данной гл авы мы разберем , 1<ак

сти таким же чи сл ом отрицатель ны х заря дов (то же ус­

эти силы поз воляют не рвным кл еткам передаватъ с ип 1.а­

ловие долж~ю выпошrя1ъся и для в1-1 е клеточ1юй с ред ы).

лы, обес п ечивая все поразителыюе раз нообразие форм по ­

Но все же сущест вует небол ьшой и зб ыток отрицатель ­

веде ни я, свойственное обладател ям ч ел овеч еского моз га .

ны х и л и положительны х за ря до в , сос р едото L1е нны х возле

n лаз мал еммы ; это вы зыв а т важные электрич ес ки е э ф ­

фе кты , которы е мы обсудим ниже. Вы сока.я конце нтрация

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Na+вн е клеток уравнове ш е на глав1-tым об разом внеклеточ ­
ным с1 - . Высокая конце нтрация ионов к+ вн утри клеток

МЕМБРАННОГО ТРАНСПОРТА

сбалан сирована различными отрицательно заряже 1шыми
внутрикл ето,rными ионами ( а нионами) .

Чтобы обсуждать мембранный транспорт, сн а ч ала н ужно

Это н е равном ерное рас пределени е ионов вн утри и

получитъ лредставления об ионном составе среды внутри

снаружи кл еток контролируется отчасти мембранными

l(Летки и во внеклеточном пространстве. Это поможет по ­

белками-п е реносчиками , а частично характе ри стиками

нять , почему для клеток та к важ е н транспорт ионов с по­

проницаемости самого липидного бислоя .

мощью как белков-пе ре носчиков , так и ио1н1ых каналов.

Липидныйбислойнепроницаем
Концентрации ионов внутри

для многих растворенных веществ и ионов

и снаружи клетки резко различаются

Гидрофобная внутренность липидного бислоя создает

)Кивые клетки поддерживают внутр е нний ионный состав ,

непроницаемый барье р для большинства гидрофиль ­

рез ко отличающийся от ионного со става окружающе й и х

ных мол е кул и ионов. Они так же 11 е с клонны проникать

жидкости ; эти разл ичия критиlr е ски важны для выжива ­

в жироподобное окруж е ни е, как шд рофобны е моле ку­

ния и работы клеток. Неорганич ески е ионы

лы не склонны проникать в тол щу вод ы. За до статоч 1-rо

Na+,

к+, Са 2 +,

с1- ин + (протоны) имеют наиболыпие концентрации из

б ольшое вре мя с квоз ь липи д ный би сл ой п у те м диффу­

всех растворенных веществ, окружающих кл етки. Движе­

з ии мо жет пройти практ ич е ски лю бая мол е кула. Одна­

ние ионов Liepeз мембраны играет важную роль во многих

ко скоро сть дифсру з ии ОLrе нь си л ъно з ависит от разм е­

биоло1·ических процессах

ро в моле кулы и ее гид рофи л ьно-rи д рофобны х свойств.

например , в активиости н е рв­

-

ных клеток (как мы покажем далее в этой главе) и в синте­

В целом , ч е м м ел ьч е молекула и ч е м б ол ее она жирор а­

з е АТФ во всех клетках (см. гл.

створима (т. е . гидрофобна, и л и н епол ярна) , тем больш.е

14).

Из положительно заряженных ионов (катионов) вне

клетки больше всего ионов

Na+,

а внутри клетки

-

к+

буrtет скоро сть ее д иффуз ии ч е р ез би слой.

1.

(ТАБЛ . 12-1 ). Чтобы электрические силы не разорвали

Малые иепол.я.риые молекулы, та ки е как мол екулярный
кислород

02

(моле кулярная м асса

диокс 1щ угл е рода
ТАБЛИЦА

12-1 . Сравнение

Внутриклеточная

Внеклеточная

концентрация (мМ)

концентра ция (мМ)

32

с квоз ь н его. Именно проницаемость м ембра ны дл я га­
зов обеспечивает клето,rное дыхани е (см. гл . 1.4).

2.

Незар.я.же1-тые пол.я.риые молекулы (мол е кулы , в ко ­
торы х эл е ктричес ки й заряд рас пр еделен н е равном ер­

Катионы

но) также быстродиффущ1_ируют с квозь би слой , е сли:

Na·

5- 15

145

они достаточно м алы. Н априм ер , вода

к·

140

5

эта нол

0,5
10-4

1- 2

M g 2+
2

Са •

1-2

7 х 10- (1 О- • М , р Н 7,2)

н·

5

7 2

4 х 10-5 ( 10-7 · 4 М , рН 7,4)

5- 15

110

• Клетка должна содержать равные количества положительных и отрицательных
зарядов (т. е. быть электронейтральной). П оэтому, кроме ионов с1· , клетка со­
держит много других анионов , не включенных в таблицу; фактически большин­

ство внутриклеточных веществ несет отрицательный заряд (НСО3 , РО~, белки ,

нуклеиновые кислоты, метаболиты , содержащие фосфатные и карбоксильные

групп ы, и др.). Для Mg2' и Са 2 ' в табл ице п риведена концентрация свободных ио­
нов. Общая концентрация внутри клетки составляет около 20 мМ для Mg 2' и 1- 2
мМ для Са 2 ' , но б6льшая часть этих ионов связана с белками и другими веще ­
ствами или, в случае Са 2 ' , содержится внутри раз н ых органелл .

360

(18 дальтон) и
(46 дальтон) д иффу нд ируют в ес ьма быстро ,
елице ри11 (92 дал ьтон) - м едле нн ее; для 1·л юкоз ы
(180 далътон) би слой уже практически не проницае м
( РИС. 12-2) .

3. Липид ный би сл ой также практич ески н епроницае м
для н се х иоиов и з аряже1тых молекул, независимо от

Анионы *
с1-

дал ьтона) и л и

даJ1 ъто1-~а) , ле гко растворяются

в л ипидном бисл ое и поэтому быстро д иффун дируют

концентрации ионов внутри клеток

и во внеклеточной жидкости у млекопитающих
Компонент

(44

ГЛАВА 12. Мембранный тран с порт

их раз м е ров . Заряд ч астиц обусло вл ивает и х с ильное
взаимоде йстви е с водой и пре пятствует прониююве ­

нию в угл е волородн ую фазу би слоя. Так, синтетич е ­

ски е б ислои в мил л иард

(10 9) раз более прон ицае мы

дл я вод ы , ч е м даж е дл я та ки х м аленьки х ионов , как

Na +и

к· .

Вода и малы е не полярны

мол екулы про~1икают сквоз ь

кл еточ 1-1ые м ембраны путе м простой диффуз ии . Но чтоб ы
кл етка могла поглощать пи та т ел ьны е в е ществ а и выдел ять

продукты обме на, м ембран а должна про1rус кап, и многие


Существует две группы мембранных

02
МАЛЕНЬКИЕ
ГИДРОФОБНЫЕ

МОЛЕКУЛЫ

транспортных белков

СО2

-

каналы и переносчики

N2

уществует мно 1:о разновидностей мембранных транс­

бензол

портных белков; они присутствуют во всех биологиче­
МЕЛКИЕ
НЕЗАРЯЖЕННЫЕ

ПОЛЯРНЫЕ
МОЛЕКУЛЫ

ских мембранах. Каждый белок осуществляет избира­

Н2О

тельный транспорт через мембраны определенной груп­

глицерин

этанол

пы веществ, например ионов, сахаров или аминокислот.

Большинство этих транспорпtых белковых << ворот~ еще
более избирательны : они открыты только для конr<рет­

БОЛЕЕ КРУПНЫЕ
НЕЗАРЯЖЕННЫЕ
ПОЛЯРНЫЕ
МОЛЕКУЛЫ

ной разновидности веществ одной

глю коза

ОДНИ Пропускают ИОНЫ

нукл еозиды

tlO не

Na+,

группы,

НО н е К\ а другие

Na+. Набор транспортных

н а прим е р

-

ИОНЫ К\

белков, присутствующих

11а плазмалемме или на мембране органеллы , определя­
ет набор веществ, которые могут т ранспо ртировап,ся в

клетку и в органеллу или из них. Таким образом, каждый
тип мембраи ха рактеризуется своим особым набором
тра н спо ртны х белков.
Как обсуждалось в rл.

11,

подробное изучение мем­

бранных транспортных белков показало, что их поли­

искусственный

пептидные цепи пересекают ли пидный бислой несколь­

липидный

ко раз, т. е. они относятся к <<извилистым ,> (mн l tipass)

бисло й

трансмембранным бею<ам. Пересекая взад-вперед бис­
РИС. 12-2. Скорость диффузии молекул через синтетический ли­

лой , полипептидные цепи формируют общий транспорт­

пидный бислой зависит от их размеров и гидрофильности . Ч ем

ный путь,

мень ш е молекула и (что бол ее существенно) ч ем меньшее число связей

лекулы могут проходить сквозь бислой, не вступая в не­

с молекулами воды она может образовать (т. е. ч ем менее она полярна

посредственный контакт с его гидрофоб ной внутренней

и более гидрофобна) , тем быстрее она диффундирует через липидны й

частыо.

бислой. Обратите внимание , что молекулы многих веществ, которые
кл етка использует как источник пищи , слиш ком велики и полярны ; они

110

которому 011ределе1-1ные гидрофильные мо­

Мембранные транспортные белки делятся
основных типа:

белки-переносчики

и

1ia

Главное отличие между переносчиками и каналами

н е могут прони кать через чистый лип идн ы й бислой.

два

белки-каналы.

-

в

том, как они обеспечивают избирательност 1, транспор­
другие молекулы

сахара, аминокислоты, н уклеотиды и

та, пропуская только определенные растворенные веще­

Многое другое, а также ионы. Простая диффузия таких ве­

ства ( РИС. 12-3) . Белки-каналы ( cl1 a 11л e l s ) осуществля ­

-

ществ сквозь липидный бислой происходит слишком мед­

ют и збирательный перенос в основном в зависимости

ленно; для их эффективного транспорта через мембраны

от р азме ра и электрического заряда частиц: если канал

нужны белки.

открыт, ион или молекула, достаточно мал е нькая и не-

переносимое

..

вещество

-

- V.

ион

~

\
:=== ]

липидный
бислой

саит связывания
переносимого

растворимого

(А)

(Б)

БЕЛОК- ПЕРЕНОСЧИК

БЕЛОК-КАНАЛ

вещества

РИС.

12-3.

Малые молекулы и ионы могут проникать в клетку через белки-переносчики или

белки-каналы. (А) Переносчик претерпевает сер ию кон форм а ционных изменений, чтобы пер е не сти
малую молекулу через липидный бислой. (Б) Канал, в противоположность этому, формирует в бислое
гидрофильную пору, через кото рую могут проходить о пр едел ен ные ионы , а в некоторых случ а я х

-

ма ­

лые мол екулы. Как и следует ожидать , каналы переносят частицы с гораздо большей скоростью , чем
переносчики. Каналы переходят из открыто го состояния в закрытое и пропус кают в е щества только в

открытом состоянии , кото рое показано на рисунке . Открывание и закр ывание каналов обы чн о контро­
лируются внеклеточными стимулами или условиями внутри кл етки.

Основные механизмы мембранного транспорта

361


сущая « правильный ,> за ря д, может проскочить сквозь
н его, как через узк ий люк. Белки-переносчики

трация

р астворен1-ю 1·0

вещества

вы ш

вне

клетк и. ,

чем

(trans-

внутри нее, а в п лазмалемме при сутствует подходящий

p orteгs), на против, пр о п ус кают только таки е мол еку­

для данного вещества канал или п ере носчик , то вещество

лы или ио ны , котор ы е могут пров заимоде йствовать с

буд т с110 1панно двиrатъся через мембрану внутръ клет­

сайтом связывания белка. Затем белок пер е носит эти

к и по градиетпу 1ео11.центрации (con ce пtrat i oп

частицы че р ез мембрану поодиночке , меняя с вою кон ­

путем пассивного транспорта

(pas ive

gradi ent)

t ra пs poгt), без за­

формацию. Он действует, ско рее, как турникет, ч ем как

трат эн ергии ме мбранным транслортным белком. Иногда

от рытая дверь. П е р е1-ЮСLJ И ки связывают п ере носимы е

эту разновидностъ транспорта н азывают также о блегчен -

вещества с высокой степе н ью специфич н ости, так же

1-tой диффузией

как фе рм е нты связывают субст раты. В дан ном случае

гие п е реносчики действуют как трубопроводы для такого

именно специ -фи чность связ ы вани я обес п е чивает и з­

п ассивного тран с лорта .

би рательность транспорта.

(faci litated diffusion). Все

каналы и мно­

Чтобы пере м е щать вещество пр отив градиента кон­

центрации , мемб ранный тран спортный белок, напротив ,
должен соверш атr, работу: он должен направлять поток

Растворенные вещества

«вве р х по тече нию ~, со прягая тран с порт с каким-либо

перемещаются через мембраны путем

иным процессом, лостав ля ющим э нергию ( см. ел.

пассивного или активного транспорта

П ере носчики

и

3,

где

рассматриваются источники э 1-1 е рг ии для ф ерм ентатив-

каналы позволяют малым

молекулам

1-1ых реакций) . П е р емещение веществ ч е рез м ембрану

пересекать мембрану. Но от чего за висит направлени е

с

движен и я в клетку или из клетки? Во многих случаях

том

направл е ни е т р а нспо р та опр едел я ется относит ельными

особые раз новид,-юсти пере н осчиков, способ ные задей­

затр атами

э не ргии

н азывается

(active trans port),

а1<тивным

транспор­

и его могут осуществлять толы<о

Молеку л ы

ствовать какой-либо источник эне ргии для транспор­

из области

та ( РИС.

12-4). Поскольку они осу ществляют тран с порт

с высокой конце нтрацией в область с более низ кой кон­

веществ

пр отив

концентрациями

р астворенного

вещества.

будут с понтанно двигаться « по течению,>
це нтрацией

-

-

если для ни х су щес твует проход в мем ­

б ран е. Такой транспорт веществ называется п асс ивным,

конце нтр ацио нно го

градие нт а,

такие п ереносчики называют белкам.u-1-tасосами

многие

(pumps).

В следую щем разделе мы п ознакомимся с разными п ере ­

поскольку для н е го н е требуется иной движущей силы,

н осчиками, осу ществля ющими как пассивный, так и ак­

кроме р аз ности концентраций. Наприм е р , есл и конце н-

тивный транспорт, и рассмотрим, как они транс портиру­

ют молекулы через клеточные м е мбраыы.

БЕЛКИ-ПЕРЕНОСЧИКИ И ИХ ФУНКЦИИ

переносимые через

мембрану вещества

• ~

-

белок­

Б ел ки - пе реи.осчики участвуют в транс порте чер ез мем­

браны практически любых малых органических молекул

белок-канал l переносчикt

( кроме жирораство римы х молекул и мелких н еза ряжен-

1-1ы х молекул, способных лроходить сквозъ липидный

липи_д-r

б и слой путем простой диффузии, см. рис. 12-2).Кажд ый

бисл ой

белок- п е ре нос чик высоко и збирателе н. Часто

н ыи

011

тра нс­

портирует только один тип молекул. Чтобы осуществлял­

ся слож ный процесс изб ирательного транспорта мал ых
простая

диффузия

мол е кул в кл е тки и и з кл ет ок , а также между цитозолем

транс п орт

транспорт

через

при участии

канал

переносчика 1 ~ - - - - - , - ~

ПАССИВНЫЙ

АКТИВНЫЙ

ТРАНСПОРТ

ТРАНСПОРТ

и мембранными ор ганеллами , каждая клеточ н ая мембра­
на соде ржит о пределенный , с п ецифичный для н ее на­

бор белков- пе рен осчиков. На пример,

r-,a ллаз мат иL1еской

мембране есть белки-пере носчики, транспорти рующие в
РИС.

12-4.

Больши н ство растворимых в е ще ств проходя т сквоз ь

клетку питат ель ны е вещества ( саха ра , аминокислоты и

м е мбрану путем активного или пассивного транспорта при уча­

нуклеот иды) ; н а м ембран

стии белков . Некоторые мелкие незаря женные молекул ы могут пере­

н ос чик, транспортирующий в лизосомы ионы н + и тем

мещаться через липидный бислой по градиенту концентрации путем

самым закисляющий их внутр е ннюю среду; в 11 утре~-1 няя

простой диффузии . Но большинству растворенных веществ требуется

мембрана митохон дрий содержит пере носч ики , имлор ­

помощь каналов или переносчиков . Как показано на рисунке, движе­

тирующие в митохондрии пируват ( он исп ол ьзуется как

ние веществ по градиенту концентрации

топливо для производства АТФ) и экс портирующи е син­

-

пассивный транспорт

-

происходит без затрат энергии, самопрои з вольно . Транспорт против
концентрационного градиента

-

активный транспорт

-

требует за­

л и зосом имеется белок-пере­

тез ированную АТФ ( РИС . 12-5) .
Хотя детальные

молекулярные

механизмы

транс­

трат энергии. Пассивный транспорт могут осуществлять и белки - пере ­

порта веществ известны толыш дл я н ескол 1,ких пе р е н.ос­

носчики , и белки-каналы ; активный транспорт осуществляют только

чиков , общие принципы работ ы этих белков уже хорошо

бел к и-переносчики .

и зуч е ны.

362 rnABA 12. М емб ра нны й т р ансп орт


нуклеотиды

саха ра аминокислоты

ВОПРОС

Na •

12-1

А Простую ферментативную реакцию можно описать уравне­

rl' нием Ф + С ~ ФС ➔ Ф + П , где Ф -

8

П

продукт, а ФС

-

фермент, С - субстрат,
- фермент-субстратный комплекс.

А . Напишите соответствующее уравнение , описывающее работу

бел ка - переносчика (П) , переносящего растворенное вещество (Р)
по градиенту концентрации .

Б. Что может сказать это уравнение о функции переносчи ка?

В . Почему такое уравнение не подходит для описания работы бел ­
ка-кан ала?
митох ондрия

транспорте ра гл юкоз ы с вя з ы вают только D - гл юко зу, но ,

пл аэ мал е мма

н а прим е р ,

РИС. 12-5. Каждая клеточная мембрана имеет свой характерный
набор белков-переносчиков.

1-re ее

зе ркал ь н ый изом е р L -глюко зу, который

кле тка н е ум еет и с поль з овать дл я 1·л икол иза .

Для гл юкозы, моле кулы которо й н е н есут заряда, на­
п р а вле ние

тран с порта

определя ется

только

концентрации. Для заряженных ч астиц
о рганич еских ,

так

и

н е орга н и ч ес ки х

-

гради е н том

как н ебольши х

ионов

-

вл ияние

Концентрационные градиенты и электрические силы
обеспечивают пассивный транспорт

оказ ы вает и другая си ла. По причинам , которые мы раз­

Р аствор е нны е вещества могут проникать с квоз ь мем­
б рану путем пассиnного и ли активного тра нспорта, и

заря дов по разные сто роны мембра ны, которая нос ит на ­

белки-п еренос чики способны осуществлять оба этих
варианта (см. ри с. 12-4 ). Про с той прим е р п е ре носчи­

разность потенциалов оказывает возде й ст ви е на любую

берем поздн ее, на большин стве клеточных ме м бра~, им еет­
ся ра з ность поте нциал ов

I< а , о существл яющ его п а ссивный транспорт,

портер глюкозы

(g lucose t r·a nsportel')

-

траи с ­

-

раз ница чи сл а эл е кт р ически х

звание мембраииый потеициал

( membrane potential). Эта

частицу, не сущую эл е ктрический заряд. Цитоплазматиче­

с кая сторо н а плаз малеммы обычн о за ряжена отрицател ь -

клеток пе ч е ни и

многи х других типо в клеток мле копи тающих. Поли­

пептидная ц е пь этого белка пе р есекает ме мбран у не

меньш е

12 раз . Считается, что б ел ок- п е рено с чик может

пер е носимое

Происходят слу ч айны е и обратимые пе реходы . В одной

конформации са йты связ ыва ния гл юкоз ы оказ ываются
на на ружной сторон е плаз мале ммы , а в др у гой - на в н у­
т р енней стороне ( РИС . 12-6) .

Если в окружающей клетку п е ч е н и среде мн о го гл ю ­
козы (об ычно это б ывает после приема пищи) , ее моле­

кулы прикреп л яются к сайтам с вяз ывания с внешн ей
сто роны мембра ны ; ко гда бел ок меня ет ко нфо рмацию , он
пе рен осит гл юкозу внутрь клет ки . Та м она отделя ется и
llоладает в цитоз ол 1, , где концентрация гл юкоз ы ни зкая.

Нап ротив, когда вы гол од ны и концентрация L"дюкозы в

•\

вещество

Приним ать как минимум д ве конформации ; м ежду ними

липи_д· [

1

градиент

ныи

концентрации

бислой

J

белок- переносчик ,
осущест вляющий
пассивны й

са йт связывания

транспорт

переносимого вещества

Крови низ кая, гормон rлтокагон ст им ул и рует об разова­

~---

КОНФОРМАЦИЯ

<:==> КОНФОРМАЦИЯ Б

ние бол ьшого количества гл юкозы в н ут ри клеток пе LJени
за СL1 ет рас ще пления гликогена. В результате ко нце нтра ­
ция глюкоз ,,, ста новится выш е внутри клеток, че м сна­

РУж и , и гл юкоз а ча ще связывается с сайта ми связ ывания
llе р еносчика внут р и клетки . Б елок м е няет конформацию
11 гтокоза тра нспортируется из клетки . Таким образом ,
Потот< глюкозы может быть н апра вле н в тобую сторо 1-1 у, в
за ви с имости от градие нта ее кон це 1-1 тра 11 ии на мем б раи е:
вн утрь клетк и, если ее конце нтра ция выш е во вн еш н ей
с реде, и л и наружу из кл тки , если ее концентрация в ыш е
13 11

Утри. Б елки- п ерен осчики этого типа, обесл ечиваю ­
Щи е транспорт ве щест ва, но н е вл ияющи е н а его на прав ­
Jtение , о существляют п ассивны й тра нс порт. Хотя он и
П асс ивный, н о строго избирательны й: сайт ы связыв ания

РИС.

12-6. С помощью конформационных изменений белок-пере­

носчик может осуществлять пассивный транспорт растворенного
вещества, например глюкозы. По казана модель , согл а сн о которо й
п е рено с чи к может принимать две конформации : в со стоянии А сайты
с вя з ыва н и я п е реноси мого веще ст ва н аходятся н а вн е шн е й сто рон е

мембра ны , в состоянии Б те же сайт ы

-

на внутре нн ей сторо н е м е м ­

б ра ны . П е реход м ежду двумя конформ а циям и п олностью об ратим,
происходит чисто случайно и не за ви с имо от свя з ывания пер е нос имо ­
го вещест ва . Если концентра ция пере н ос и м ого в е ществ а с н а руж но й

сто роны м е м б ра ны выш е , оно будет чаще захватыв атьс я при п е реходе
А -+ Б (и п ерено си тьс я в клетку) , ч ем при п е реходе Б -+ А (при котором

оно п е р е н о сится и з кл етки} . Так им о бр азо м , в цел о м будет прои сходи ть
тра н сп орт в е щества по градие нту кон це н тра ции .

Белки-переносчики и их функции

363


При активном транспорте растворенные вещества

(Б)

(А)

перемещаются против электрохимических градиентов

Ко 1-1 е ч1ю , клетки н е могут п олагаться только на п ассив ны й
транспорт. Акт ивны й тр а н с порт веществ против электро ­

химического град и е нта н еобход им , чтоб ы поддерживать
ВНУТРИ ­

о пределе нный ио1-1ный состав в 1-1 утриклет0Lнюй с ред ы и

КЛЕТОЧНАЯ

чтобы импортировать в клетку вещества, ко11цен тра ция

СРЕДА

электрохимический

электрохимический

которы х во вн е шн ей с р еде ме ньш е, ч ем в н у три клетки .

Клетк и осуществляют актив иый тран с п орт тремя ос н ов­

градиент в случае,

градиент в случае ,

когда мембранный

когда мембранный

потенциал и градиент

потенциал и градиент

или котраиспортеры

концентрации работают

концентрации работают

ют со пря же нный транспорт д ву х в е ществ, одн о и з кото­

в одном направлении

в противоположных

ными с п.особами ( РИС . 12-8 ) .

12-7.

tгaп s por te гs ) осуществля­

рых дв и жется по гради енту, а д ругое

направлениях

РИС.

1) Сопрягающuепереиосчuкu,

(coup]ed

2) АТФ -зависимые 1tасосы

Электрохимический градиент имеет две составляю­

щие. Общая движущая сила (электрохимический градиент} , опреде­

-

пр отив градиента.

(ATP-d1·i veл pшnps) со прягают

транспорт против градиента с ги дролизом АТФ .

тозавuсuмые иасосы (JigЬt-d,·iveп

pumps),

3)

Све ­

встре чающиеся

ляющая движение заряженного растворенного вещества (иона} через

главным образо м у прокариот, использу ют для активною

мембрану, имеет две составляющие: градиент концентрации иона и

тра н с порта э не ргию света; к ним от носится бакте рио ро ­

разность зарядов на мембране (мембранный потенциал, изображен ­

дол с ин (см. рис.

ный на рисунке в виде значков

+и -

По с кольку

на мембране} . Ширина зеленой

11-28).
для

движения

ве щества

по

гради ен ту

величина электрох имичес ко го градиента для полож ительно

сначала 1-1ужно создать этот 1·рад ие 1-гг, разиы е формы ак­

за ряже нного иона в двух разных случая х. На (А) направление действия

тивного транспорта связа ны между собой. Так, в л лазма­

градиента концентрации и мембранного потенциала совпадают, что

лемме животных кл еток им еется АТФ-зависимый насос,

-

стрелки

увеличивает суммарную движущую силу. На (Б} мембранный потенци ­

выкачивающий из клеток ионы

ал и градиент концентрации действуют в противополож ные стороны ,

химического гради ента. Затем ионы

Na+ против их электро­
Na+ могут входить

так что движущая сила , определяющая направление транспорта иона ,

в клетку по электрохимическому градиенту. Поскольку

ионы дв ижутся ч ерез солрятающие белки- пе реносчики ,

ум е ньш ается .

градиент

Na+ служит

транспорта

м 11 оrи х

источником э1-1 е ргии для активн ого

д р уги х

в е ществ,

транспортиру е мых

н о по отношению к на ружной с реде, так что эта сила втя­

в клетки прот ив элек трох имичес ких

гивает положител ьно за ряже1шы е ионы в Т<летку и вытал­

Nа• - насос пе рестанет работать , град иент

градие нтов. Если

кивает о трицательн о заряженные ионы из клетки. Кром е

ч езнет, и транслорт через Nа+-со прягаю щие белки- п е ре­

Na+ вскоре

ис­

этого , заря жен ны е ча сти цы тоже ст р емятся двитаться по

нос чики остановится. Таким образом, АТФ-зависимы е

градие нту концентрации.

Nа+-1-1асосы

Поэтому суммарн ая сила, выз ывающая движение за­

ряженных частиц ч ерез мембрану, состоит и з двух компо 1-1 е нтов

-

концентрационного градие нта и разности п от е н ­

ци алов ~1.а мембране. Суммар ную дв ижу щую силу называ­
ют электрохимическим градиентом (e l ect юch e m ical

dient)

играют це нтральну ю

роль

в

м ембранном

транспорте животных кл еток. В клетках растений, грибов
и многих бакте рий сход ную роль играют АТФ -зави сим ые
н+ - насосы , выкачиваю щие и о ны н + из клеток и создаю­
щи е их электрохимич ес кий градиент (с м. ниже ).

gra-

для да ю-юго ве щества. Этот градиент и определя ет

направление пассивного тра нсп орта Ltepeз мембра1-1ы. Для
некоторых ионов разт-тос·,ъ зарядов и конце нтр а циош1ы. й

градие нт работа ют в од 1-1 ом направле нии и создают доста­
то чн о крутой электрохимич еск ий град и ент ( РИС. 12-7, А).

Например , так обсто ит дело для положите;1 ьно заряжен ­

ных ионов

Na+,

конце н т рация которых выше во в1-1 екле­

точной среде, ч ем внутри клетк и. Поэтому

Na+при

нали ­

чии такой возможности входит в клешу. Если разность
зарядов и раз ность концентраций направл е ны в проти во­

0ИСИМЫЙ

положные сто роны , то суммарный электрохимический

град и ент может бы ть н евелик (рис.
сто для ион ов к+

-

НАСОС

12-7, Б) . Это имеет ме­
АТФ-ЗАВИСИМЫЙ

гrолож ителы-10 заряженн ых ио н ов, ч ья

НАСОС

ко нце нтрация горазд о выше в нут ри клетки, ч е м с н а р ужи.

Из-за этих пр отиво н аправлеи ных влияний электрохими­

ческий градиент для к+ на л лазмалемме мал , несмотря на

РИС.

большой ко1-ще нтрациот-11-1ый градиент, и сум м арный по ­

новными способами. Мол екула, перемещаемая с помощью активного

ток к+ ч е рез мембрану н евел ик.

транспорта , по каза на желтым , источник э нергии

364

ГЛАВА 12. Мембранный транспорт

12-8.

Клетки осуществляют активный транспорт тремя ос­

-

красным.


•

0 00
оо

•

+

+ + + + +

+ + + + +

эл ект ро ­

эл ект ро ­

х имич ески й

химически й

гр а ди е нт

гр ади е н т

дл я к+

для Na+

•

1

о

+

РИС.

р

12-9. Натрий - калиевый насос играет центральную роль в мембранном транспорте живот­

ных клеток. Этот белок-переносчик , ис пользуR э н е рг и ю гидр ол иза АТФ , вы качивает из клетки ион ы

-

натриR и зака ч ивает в клетку ионы калиR ( в обоих сл уча R х

п роти в эл ектрохимическо го градиента ,

хотR электрохимический градиент длR к• близок к нул ю) .

Клетки животных используют энергию

тительного глю<озида оуабаииа (oLLaЪain) , накоп ленной в

гидролиза АТФ для выкачивания ионов натрия

фги х минут обеспечивать другие т ранспортные процессы,

сопряже нные с движением

АТФ- зависимый Nа+ -насос животных клеток выкачива­
ет из клеток

Na+,

гидролизуя АТФ до АДФ. Таким обра­

Na+по градиенту.

Для ионов к+ ситуац ия ин ая. Действующая на них
элек трич еская с ила та же, так как она зависит только от

зом, это н е только белок-переносчик , но е ще и ферм ент

АТФаза. Кром е того, этот белок сопрягает транспорт Na+

за ряда данного иона. Од нако концентрационный градиент

и з клетки с транспортом к+ в клетку. Поэтому обычно

обычных условиях состоит в том, что движу щая с ила для

его н аз ывают Nа +-к+ -А ТФаза (Na+ -к+ -ATPase ) , Nа + -к+ .

движе ния ионов к+ через мембрану близка к н улю: элек ­

по.мпа, или Nа+ -к+- насос (натрий-кал и евый насос,

трическая сила, втягива ющая к+ в клетку, почти в точно­

PLI inp)

( РИС .

Na+-к+

12-9).

направле н в протИ1Зоположную сторону. Результат при

сти

Этот белок- пе ренос чик играет централь н ую рол ь в

урав1-ювешивается

концентрационным

градие нтом ,

вызывающим его выход из кл етк и.

эне ргети ке живот ной клетк и, обыLJНО по·:, ребляя около

30% всей АТФ, расходуемой клеткой. Как судовая пом­
п а на дырявом судне, он работает не прерывно , откачивая

Из клетки прони ка ющи е в н ее ч ерез д ру гие белки-пере­
нос чики и каналы ионы

Na+. Работа насоса

подде рживает

в I<летке в 10- 30 раз более ни з кую концентрацию ионов
Na+ и в 10- 30 раз более высокую кон центрацию ионов
К , ч ем во внеклеточной жидкости (см. табл. 12-1 , с.
360). При 1-юрмальных услов иях внутренняя среда боль­

lllин ства клеток заряжена отрицательно по отношению к
вн шн ей, так что положител ы-ю за ря же н н ые ионы втяги ­

ва ются внутрь клетки. Это означает, LПО направленная в
l<Jieткy элект родвижу щая сила для ионов

Na+велика,

та 1<

1<ак она складывается и з движущ й силы градиента кон­

центрации и направленной в ту же сто рону с ил ы гради ­
12-7, А) .

ента за ря да ( см . ри с .

Вне клетки поведени е Na+ на вершин е его электрохи­
мич еского градиента можно с равнить с боль шим объемом
воды за высокой плотиной: он сод рж ит очень большой
зап ас эн е ргии ( РИС. 12-10). Даже если искусственно оста­
н овить работу Nа+ -к+-насоса , наприме р , с помощью рас-

РИС.

12-10.

Nа • вне клетки можно сравнить с водой за высокой

плотиной . В ода за п лот иной обладает п отен циа ль ной эне ргией ,
кото ру ю мож н о и с п ол ьз ов ат ь длR совер ш е н и R р аб оты. Точ но так же
ио н ный г радиент н атриR н а св о ей мембра н е кл етка может ис п оль зо­
ват ь длR совер ш е н и R рабо т ы , в том ч исл е длR активн о го тра н спорта
д руг и х ве щест в . Н а фото по каза н а плотина на р еке Бл ай д , Ю ж н аR Аф­

р ика. ( С р азре ш е ниR

Paul Frankli n и Oxford Scientific Fil ms. )

Белки-переносчики и их функции

365


Работа

Na+-к+ -насоса зависит

бождает ионы

от временного присоединения фосфатной группы

Na+на внешней

стороне мембраны. В этот

же момент на той же наружной сто р о н е оказ ыв аются

сайты связ ы ва ~1ия ионов к+ (стадия

Nа+-к+ - насос

-

красивый приме р того, как белок со­

внеклеточной с р еде к+ ( стадия

4)

3).

Связыван и е во

вызывает отделение

прягает две р еак ции , следуя принцип ам, и зложенным в

фо сфат н ой группы ( стадия

гл.

дит обратио в и сходн у ю конформацию, в ы свобождая к+

3.

Работа насоса цикличиа, как схемат и•п-ю показано

н а РИС. 12-11 . Ионы

Na+ свя з ываются

с сайтами насоса,

н аходя щимися внутри кJJетки ( стад ия

1),

внутри клетки ( стадия

LJТO стимули­

около

10 мс,

6).

5),

при этом н асос п ерехо­

Затем вес ь ци кл, занимающий

повторяется. Каждый ша г цикла зависит от

рует А ТФаз н ую активность. При расще пл е нии АТФ

предыду щего ; есл и любой из этапов блокиру ется, то вся

высвобождается АДФ, а фо сфат (Р;) образует с самим

работа насоса останавливается. Это тонкое со пряжение

н асосом

высокоэиергетическую

себя фосфорилирует ( стадия

сам

эта пов обеспечива ет работу н асоса толъко при наJJ ичии

Фос форил ирование

по дходя щих транспортируемых ионов, тем сам ым пре­

с вя з ь ,

2).

т.

е.

насос

дотв ращая бес полез ный гидролиз АТФ.

вызывает изменение конформации насоса; он высво-

ПРОИСХОДИТ

з

Ф

2 ФОСФОРИЛИРОВАН;v
Е
НАСОСА

ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ ВЫЗЫВАЕТСЯ

-

ИЗМЕНЕНИЕМ КОНФОРМАЦИИ ,

Na+ ВЫСВОБОЖДАЕТСЯ

в

ВНЕКЛЕТОЧНОЕ

ПРОСТАРНСТВО

::

р ~

'

/'"'
~/

фосфат, связанный с насосом

цитозоль

-

1

Na+

высокоэнергетической связью

1

СВЯ-

ЗЫВАЕТСЯ

СВЯЗЫВАНИЕ к•

С НАСОСОМ

6

НАСОС ВОЗВРАЩАЕТСЯ

К ИСХОДНОЙ КОНФОРМА­

ЦИИ , к+ ВЫСВОБОЖДАЕТСЯ

РИС .

12-11.

вание

Na'

5

ДЕФОСФОРИЛИРОВАНИЕ НАСОСА

Nа+-к+ -насос транспортирует ионы благодаря циклическим изменениям. Связы­

из цитозоля

( 1) и последующее фосфорилирование цитозольной стороны насоса при ги­
(2) вызывают конформационные изменения белка, перенос Na' через мембрану и его
высвобождение во внеклеточную среду (3). Высокоэнергетическая связь между фосфатной группой и

дролизе АТФ

белком служит источником энергии для конформацион ных изменений. Связывание К' на внешней сто­
роне мембраны

(4) и последующее дефосфорилирование (5) вызывает возвращение белка к исходной
(6). Этот цикл показан на
ВИДЕО 12.1. Изменения конформации аналогичны А .=! Б-переходам , показанным на рис . 12-6, за ис­
конформации, перенос К' через мембрану и его высвобождение в цитозоль

ключением того что натрий-зависимое фосфорилирование и калий-зависимое дефосфорилирование

вызывают упорядоченные конформационные измен ения белка-насоса ; это позволяет белку совершать

полезную работу. Для простоты показано только по одному сайту связывания
белка-насоса в клетках млекопитающих имеется три сайта связывания

Na'

Na'

и два

и К' . На самом деле у

-

К' . Таким образом,

общий результат одного цикла работы насоса состоит из транспорта трех ионов натрия из клетки и двух
ионов калия в клетку. Оуабаин подавляет работу насоса, препятствуя связыванию К' .

366

ГЛАВА 12. Мембранный транспорт


Na+-к+ -насос помогает поддерживать

сократительная
клеточная

осмотический баланс животных клеток

ИОНЫ

ядро

сте нка

вакуоль ,

выбрасыва ющая вода

Плазмалемма проницаема для воды (см. рис . 12-2), и если
общая концентрация растворенных веществ на одной сто­
роне мембраны низкая, а на другой

-

воду

J

(В)

КЛ ЕТКА
ПРОТИ СТА

высокая, вода будет

проходить сквозь плазмалемму до тех пор, пока ко1-щентра­

ц ии не выровняются . Движение воды из области нижой
концентрации растворенных веществ (и высокой J(Онцен­

трации воды) в область более высокой J(Онцентрации рас­

вакуоль

творенных веществ (и ниЗJ(ОЙ J(Онцентрации воды) назы­

вается осмосом

(osmosis)

[обычно под осмосом понимают

только диффузию через полупроницаемую мембрану (см.
словарь терминов).

-

Прим. перев. ] . В плазмалемме клеток

имеются специализированные водные J(аналы аквапорu1-tы,

облегчающие транспорт воды. Сила, вызывающая движе­
ние воды, эквивалента разиости давлений воды и называ­

ется осмотическим давлением

(А)

ЖИВОТНАЯ
КЛЕТКА

РИС.

(Б) РАСТИТЕЛЬНАЯ
КЛЕТКА

12-13. Клетки не разрываются из-за осмотического давления,

избегая этого разными способами. Ж ивотны е кл етки подце ржи вают
низ кую внутриклеточную концентра цию растворенны х в еществ , вы качи ­

вая ионы (А) . Прочная клеточн ая стен ка растительных клето к не дает им

ргеss ше). В отсут­

р аздуться и лопнуть (Б) . Многи е проти сты н е набухают, та к как п е ри оди­

ствие противодействующего давления п оступле 1-rие в ~<лет­

ч ески в ыбрасыва ют и з кл етк и в оду, поступ а ющую туда за сч ет осмоса (В) .

(osmotic

ку воды путем осмоса вызовет ее набухание ( РИС. 12-12) .
В тканях организма животных клетки купаются в жид­

замыкающие клетки

кости, содержащей много растворенных веществ, в особен­
ности ионов

Na+и

сI-. Они уравновешивают высоl(ую J(ОН­

центрацию органических и неорганических раство р енных

веществ внутри клетl(и. Но осмотический баланс постоян­
но находится под угрозой нарушения, так как растворенные
вещества из внеклеточной жидкости постоянно п росачива­
ются в I<летку по их индивидуальным электрохимическим

LJ

10 мкм

градиентам. Поэтому животным клеткам пр иходится по­

стоянно выполнять работу по выкачиванию нежелатель­
ных растворенных веществ и поддержанию осмотического

баланса (РИС. 12-13, А). Эту функцию выполняет в первую
очередь Nа+-к+-насос, выкачивающий ионы натрия, про­
ни1<ающие в клетку. В то же время Nа+-к+-насос помогает

nодце рживать мембранный потенциал (см . ниже). Мем­

бранный потенциал предотвращает проникновение в клет­

РИС.

12-14.

На поверхности листа расположены устьица. Откры­

ва н ие и зак рывание этих отверстий контролируются поч ковидными за ­
мы кающими кл етка ми , которые о к ружают уст ьица. (С разреш е ния

Kim

Findlay.)
Разные клетки решают осмотические проблемы раз­
личными способами. Раститель ные клетки за щи ще 1-rы от

ки ионов с1-, так как они отрицательно заряжены, и им

11абухания их прочными клеточными стенками. Они могут

Пришлось бы преодолевать создаваемый насосом электри­

выдерживать большую разность осмотических давлений

'-lеский градиент, чтобы попасть в клетку.

по обе стороны nлазмалеммы (р ис.

12-13, Б ) . Клеточная

низ кая

высока я

стенка обеспечивает противодействующее давление, ко ­

концентрация

концентрация

торое уравновешивает осмотическое давление, возниJ(аJО­

Растворе нны х

ра створен н ы х

ве щест в

веществ внутр и

в не кл етки

клетки

"-

щее из-за проникновения в юrетку растворенных веществ,

и ограничивает попадание в клетку воды. Осмос наряду с
аюивным транспортом ионов в клетку создает

mypzop1-toe

давлеиие. Благодаря нему растительная клетка, раздутая
водой, поддерживает натяжение клеточной стенки. Таким

образом, растительная клетка похожа на футбольный мяч,
ВОДА

в котором кожаная покрышка туго натянута за счет давле­

ПОСТУПАЕТ

ния наl(аченной внутренней резиновой камеры. Клето чная

В КЛЕТКУ

ЗА СЧЕТ
осмотич е ское
давл е ние

ОСМОСА ,
РАЗДУВАЯ
КЛЕТКУ

РИС. 12-12. Диффузия воды через мембрану называется осмосом.
Если внутриклеточная концентрация растворенных веществ выше, чем
вне клетки , то вода за счет осмоса будет двигаться внутрь, вызывая на­

бvхание клетки . Если же клетку поместить в раствор с высокой концен­

rрацией соли , то вода будет выходить из клетки наружу ( ВИДЕО 12.2).

стенка выполняет роль покрышки, а плазмалемма

-

роль

каме ры . Тургорное давление выполняет разные функции.

Оно обеспечивает жесткость стеблей и расправленное
состояние листьев; играет роль в регуляции газообмена
через устьица

-

микроскопические отверстия на поверх­

ности листьев. Открывание и закрывание устьиц обеспе­
чивают окружающие их замыкающие клетки ( РИС.

12-14).

Замыкающие клетки контролируют собственное тургор­
ное давление, регулируя транспорт к+ через плазмалем:му.

Белки-переносчики и их функции

367


У н екоторых пресновод ных протистов, таких как аме­

клеточные мемб раны столъ же важе~J , пос кольку ионы

б ы , в клетку путем осмоса постоянно постулает избыто r<

кальция могут пр о чно связывать ся с раз ными клеточны­

воды. Она собирается в сократителыrую вакуоль, которая

ми белками, м е няя их активностъ. Так, вход Са 2 + в ци то­

период ически выбрасывает свое содержимое во внешнюю

золь ч ер ез кальци е вы е каJ-1алы часто служит п ус ковым ме­

среду (рис.

ханизмом для начала д руги х в нутриклето чны х событи й ,

за пол ня етс я

12-13,

В). Сначала сократительная ва куоль

раствором

с

высоким

содержаJ-1 ием

р аство­

ре нных ве ществ (вода дв ижется за ними за счет осмоса) .

н алрим ер секр е ции с игнальных мол е кул или сокраще ния
мыш е LJ Jtы х клеток.

Затем клетка активно в ыкачивает раство ре нны е вещества

Чем ни же будет базовая концентрация свободного

обрапrо в цитозол ь, а оставшаяся в вакуоли вода выбрасы­

Са 2 + в цитозоле, тем чувствительнее будет клетка к ее по­
выш е нию . Поэтому в эу т<а риотических клетках обычно

вается нар ужу .

подде рживается очен1, низкая концентрация свобод~-ю rо

Са в цитозоле - около 10-4 мМ. Внеклеточная конце1-1тра ция Са 2 • гораздо выш е (обычно около 1- 2 мМ). Эта
24

Внутриклеточная концентрация ионов Са 2 +
поддерживается на низком уровне

о громн ая раз ница ко ,-щ е нтраций дост и ,-ается главным об­

за счет работы Са 2 + -насосов
2

Концентрация Са +, как и Na +, в цитозоле го раздо ниже,
чем во вне клетоlrной жидкости. И там, и там ионов Са 2 +
гораздо меньше, ч ем Na+. Од нако тра н с по рт Са2 + через
2

разом за сч ет работы АТФ -зависимых Са2 +- насосов, при­
сутству ющих в п лазмалемме и в мембран е ЭПС и актив но
выкачивающих Са 2 + из цитозоля.
Как и Nа +- к+- на сос, Са 2 +-насос - это АТФаза , фосфо­
рилиру ющая ся и. дефо сфорили рующаяся н а протяжен ии

рабоч его цикла ( РИС. 12-15) . Види мо, механизм ее работы
4

4

во многом сов падает с о пи са нным для Nа - К - помпы (см.
Са 2 •- связы ваю щая
ПРОСВЕТ

2

-

Р Е ТИКУЛ У МА

цитозо~
ь ~~
,/ ,:'
r

12-11),

за исключением того, что кальциевый насос

возвращается к и сходной конформации без связывания

САРКОПЛАЗМА- ;

2+

рис.

п ол ость

ТИЧЕСКОГО

2

+

,,'

и пе ре носа второго иона. Эти два АТФ-зависимых насо­
са им еют сход ную аминокислотную по следовател ыю сп, и

ст рукту ру, что говорит об их общем эволю ционном про­
и схожде нии .

При сопряженном транспорте белки-переносчики

фосфорили ­

используют электрохимические градиенты

рую щи й ся

для активного поглощения питательных веществ

дом ен

Градиент любо 1-о растворенного вещества н а мембран е,

/

акти вато рный

как и 1-е н ерируе мый Nа+ - к+ - насосом градиент

до мен

исnользоватъ как истоlшик э н ер ги и для актив1-10 1-о транс ­

Na•, можно

порта второй молекулы. Движение первого вещества по
к и сл ота

ну кле о тид­

с в язывающий

электрохимическому градиенту обеспе чивает э н ергию
для дв иже ни я вто рого ве щества прот ив гр адие нта. Бел­

до мен

ки-пер

РИС. 12-15. Са 2 •-насос возвращает Са 2 • в саркоплазматический

но счики, использу ющие эт от принцип , называют

со пр яжен н ыми т р а н спортерами, или котр анспо р терами

ретикулум клеток скелетной мышцы. Пространственная структура

(co upl ed

этого мембранного транспортного белка была опреде л ена с помощью

гать

t raл spo гteгs ) ( см. ри с.

транспорт

двух

12-8).

11 ео рганическ и х

Они могут сопря ­
ион ов,

транспорт

рент геноструктурного анализа и эл ектронной м и кроскопии . Кальци­

евый насос представляет собой одну белковую молекул у, состоя щую
из четырех четко разграниченных доме н ов с разными функциями . При

возбуждении мышечной клетки Са 2 • выходит в цитозоль из саркоплаз ­
матического ретикулума (СР)

-

специализированной разновидности

Э ПС , стимулируя сокращение . П о окончании сокра щения кал ьциев ы й

ВОПРОС

12-2

А Увел ичение внутриклеточной концентрации Са 2 • вызывает

rl' сокращение мышечных клеток. Кроме АТФ-зависимого Са •
2

8

-

насоса в быстро и регулярно сокращающихся мы шеч ных клет­

насос закачивает Са 2 • в СР. П оли пептидная цепь этого бел ка пересекает

ках (наприме р , клетках сердца) на плазмалемме есть антипортер,

мембрану в виде десяти а-спиралей. Связывание АТФ и последую щее

обменивающий Са 2 • на внеклеточный Na•. Бол ьшую часть ионов Са 2•,

фосфорилирование аспара г иновой кислоты в составе насоса вызывают

попадающих в клетку п р и сокращении, этот антипортер быстро вы­

конформационные изменения . В результате сближаются нуклеотид­

ка ч и в ает обратно и з клетк и , ч то пр и водит к рассл абл ен и ю . Оуабаи н

связывающий и активаторный домены белка . Это движение, в свою оче­

и дигоксин (гликозид растения наперстя н ки) испол ьзуют дл я лечения

редь, приводит к перераспредел ению трансмембра н ных а-с п иралей .

бол ь н ых с на руш ени ям и со к ратим ости сердца, поскольку о ни усили­

Сайты связывания экранируются, и связанные ионы высвобождаются
в просвет СР. Обратите внимание , что ио н ы проходят сквоз ь мемб рану
внутри белка , не контактируя с липидным бислоем . (С разрешения Macmillan PuЫishers Ltd из : С . Toyoshima et а/., Nature 405: 647-655, 2000.)

368

ГЛАВА 12. Мембранны й транспорт

вают сок р ащения серде ч ной мы ш цы . Оба лекарства частично инги­
би руют Nа ' -к•-насос в мембране мы ш ечных клеток сердца. П ред­
л ожите объясне н ие те рапевтического воздействия этих лекарств на
па циентов . Что может произойти при их передозировке?


_

тра н с п орт ируемая

~

воположных 1-tаправлениях

;о-,раsсоор"руемы , ,о,

-

это аитипорт

(antiport).

Транспортеры, переносящие через мембрану только одно
растворенное вещество (и, таким образом, не являющи­

~~

А(,

еся соп ряже нными) , осуществляют уиипорт

- ~:~- ~\:~- ~\[~
1

]

• \J• ~ - w
i

I\

УН ИПОРТ

С ИМ П О РТ

липидный

чика глюкозы (см. рис.

руемый ион

12-6).

У животных особенно важную роль в транспорте ве­

бислой

I \ ко-транспорти"

(uniport) .

Н а пример, у нипорт характерен для пасс ивного пере нос­

ществ в клетку играет сим порт , использующий входящий

ток

Na+ по

его крутому электрохимическому градиенту.

Например, э пителиаль ны е клетки выстилки кишечника
транспортируют гл юкозу

АН ТИП О РТ

из

просв ета

киш еч ника

ч е р ез

эпители альный слой в кровь. Если бы на м мбране этих

СОПРЯЖЕННЫЙ ТРАНСПОРТ

клеток были тол ько белки-переносчики, обеспечивающие
пассивный унипорт глюкозы, то по сле приема сладкой

РИС .

12-1б. Некоторые белки - переносчики переносят через мем­

пищи глюкоза попадала бы в них , а посл е приема н еслад­

брану одно вещество (унипорт) ; другие сопрягают транспорт одного

кой пищи

вещества по градиенту концентрации с транспортом второго веще ­

клеши способны также к симпорту глюкозы и

ства проти в градиента . При сопряженном транспорте вещества могут

симпорте они извлекают глюкозу и з про света киш ечника

-

выходила из ни х обратно в кишечник. Но эти

Na+.

При

переноситься как в одном направлении (симпорт), так и в противополож­

п утем активного транспорта, даже когда ее концентрация

ных направлениях (антипорт) ( ВИДЕО

там ниже, чем внутри клеток. Ион

12.3). Унипорт, симпорт и антипорт

могут использоваться как для пассивного , так и для активного транспорта.

Na+, заходя

в клетку,

можно сказать, ~затаскивает,> за собой глюкозу, так как
электрохи мический градиент

Na+крутой ( РИС. 12-17). По­
Na+ происходит кооnера­

сколь ку связывание глюкозы и
неорганического

иона и органической

молекулы

или

тивно

-

связ ывани е одного из веществ облегчает связыва­

транспорт двух разных органических молекул. Если пе­

ние другого, для осуществления сопряженного транспорта

ре1-юсLIИJ< транспортирует оба вещества Liepeз мембрану

должны присутствовать оба вещества.

в одном направлении, этот процесс называется сшторт

Но если бы клетки кишечного эпителия имели толь-

(sympoгt) ( РИС. 12-16) . Если вещества движутся в проти-

7(0 сим порте р глюкозы, они н е смогли бы выделять глю-

<===::::> состояние Б

состояние

о

о

о

о

о о

+ + +

+++

о0 о

ВНЕКЛЕТОЧНАЯ СРЕПд0
+ '+ · +

электро­

химический

•

градиент Na +

·-•

ц и т о з оль

о

РИС.

12-17.

о

Белок, осуществляющий симпорт глюкозы и ионов

Na+,

использует натриевый

электрохимический градиент для транспорта глюкозы в клетки . Глюкоза может перемещаться

через мембраны эпителиальных клеток путем активного и пассивного транспорта . Показан один из

способов , с помо щью которого белок-симпортер глюкозы и

Na• активно закачивает глюкозу в клетку,
Na•. П ереносчик осущест­

используя в качестве источника энергии электрохимический градиент ионов

вляет случайные переходы между состояниями А и Б . В состоянии А белок « открывается » во внекле­

точное пространство , а в состоянии Б

-

в цитозоль . Хотя и

Na•, и глюкоза могут связываться с белком,

находящимся в любом состоянии, они эффективно взаимодействуют с ним только одновременно : свя­
зывание ионов натрия резко повышает сродство белка к глюкозе , и наоборот. П оскольку концентрация

Na• во

внеклеточной среде гораздо выше , чем в цитозоле , глюкоза с боль ш ей вероятностью связы­

вается с белком , находящимся в конформации А . П оэтому и

Na•,

и глюкоза попадают внутрь клетки

(благодаря переходу А ➔ Б) гораздо чаще , чем покидают ее (при переходе Б ➔ А ). Общий результат

работы белка

- транспорт глюкозы и Nа• в клетку. О братите внимание, что связывание транс п ортиру­

емых веществ с переносчиком происходит кооперативно : если одно из веществ отсутствует, то другое

не связывается с переносчиком и не транспортируется . Альтернативный вариант сопряженного транс­
порта рассматривается в вопросе

12-3.

Б елки - переносчики и их фун к ции

369


12-3

козу для ее и с пол ь зования д ругими клетка ми тел а. По ­

ВОПРОС

э том у

А Тран с мембранный ~ело к имеет следующи е характери сти к и :

н а э ти х

кле тка х им еетс я

два т ип а

п е р е но с Lr иков

1·люкоз ы. На аn икалы-юм дом е не п лаз мале ммы, об р а ще 11 1-rом

в п ро с в ет к иш ки ,

на ход ят с я

с им п о р т е р ы

Они актив но погл ощают глюкозу и создают

гл юко з ы.

е высоку ю

ко 1щен т рацию в цитоз оле . Н а базальном и латерал ьных
д ом е нах

n л аз мале ммы

р аспо л ож е н ы

пасс ивны е

гл ю ­

к оз н ые унигrо р теры , ч е р ез кото р ы е глюкоз а оы х од ит по
г р ади енту конц ен т рации для ее и с польз ооан и я д р уг и ми

клетками ( РИС. 12-18). Д ва ти п а п е ре нос чиков гл юкоз ы

п р иурочены к своим доме нам п лаз мале ммы благодаря

rl' у него есть два саита с вяз ыва ния , один для растворенного

8

вещества А и друго й - для вещества Б . Белок может менять

конформацию, сове ршая пере х оды между двумя с осто яниями : в

одном состоянии оба сайта связывания находятс я п о одну сторо­
ну от мембраны , а в другом оба сайта на ходятс я по дру гую сторону
мембран ы . П е ре ход из одного с остояния в друго е прои сходит толь ­
к о тогда , когда оба сайта связывания з аняты и ли об а с вободны , н о
н е когда занят тол ь ко один сайт.

А. К ка кому типу п еренос ч и ков относитс я опи с анный выше бел о к ?

Б . Нуж ны л и дополнительн ые сведе н ия , чтобы сделать вывод , что

диффуз ионному бар ье ру, которы й создают ок ружаю ­

бел о к переносит в е щество А против градиента , а вещество Б

щие ап икаль н ую ча сть клетки плотные контакт ы . Они

град иенту путем с и мпорта?

-

по

пр едотв ращают с мешиван ие мемб ранных компо нентов

В . П р иведите та кой же набор хара ктери сти к для бе л ка , осуще ствля ­

апикал ьного домена с ком п он е нтами базально 1·0 и лате ­

ющего анти п орт.

раль н ых дом енов ( см. rл .

11, рис. 11 -34.).

Клетки вы стилки кише ч ника и м~юrи х д ру гих орга­
н ов, наприм е р поч е к, с оде ржат на п лаз мал е мме р аз лич ­
ны е сим п орте р ы , такж е и с п оль з ую щи е э н е рг ию эл е кт р о -

хим и ческого гради е нта

Na•. Кажды й

~JЗ этих п е р енос ч и­

ков специфично связы вает и п е реносит внутрь кл еток
гру п пу сход ных сахаров ил и аминоки сл от . Но а нтипорт
с и с п ол ь з овани е м нат р и е вого гр ад и е нта тоже в ажен для

фун кционирования клеток . Наприм е р , Nа • -н• - об.мет1ик

(Na +-IГ-exchanger) в плаз мале мме м ногих животных
кл еток ис пользует в ходящий лоток
ни з к ая
ко н цен ­

т ра ц ия
си мпорт

Na+для

выкач и ван ия

из клетки протонов ; это один из основ ны х способов , ис ­
лол ьзуем ы х животными клетками для контроля з а рН и х
ц ито з оля.

гл юкозы

глю к о зы и

Nа •за счет

Грибы, растения и бактерии используют
для мембранного транспорта градиенты н•

э нергии
н атр и е вого
гр а ди е нт а

У кл еток растений , грибов (в том числе дрожжей) и бак­

л ате р а ль­

в ы сокая

ны й

к он цен ­

дом е н

ме м б р а н ы
п е р ен о счик ,

те р и й натрие в ые помпы на плаз малемме отсутству ют.

тра ц ия

Тран с п о рт веществ в клетку у них происход ит не за счет

глю козы

эне ргии элект рохимич еского градиента

Na+,

а в основ ном

ос у ществля ­

за с ч ет эне ргии эле ктрохимичес кого градие нта н• (про­

ющи й
п асси в ный

то нн о 1·0 градиента) . Этот град ие нт создают протонные

п ом п ы плазмал еммы, выкачиваю щ и е ионы н• из клетки ,

тра н спо рт
глю ко з ы

низкая

ГЛЮКОЗА
ВЫДЕЛЯЕТСЯ ДЛЯ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

кон ц ен ­

LJ e м сн аруж и ; в р езул ьтате nрото.н~r ые помпы за ки сляют

трация

окружающу ю клетки среду. Поглоще ни е многи х сахаров

глюкозы

ДРУГИМИ ТКАНЯМИ

та к что их ко~щ е11трация в н у три клет ки ста н овитс я ниже,

и ам.иr-юкислот клетками бактерий п ро и сход ит путем
симпо рта с н• . Электрохимич еский градие нт лротонов н а

М ЕЖКЛЕТОЧНАЯ ЖИДКОСТЬ

гrлаз мал е мм е испол ьзу ется пр и этом так же , как эле ктро ·

химический град ие н т Na• в животн ых клетках.
РИС.

12-18.

Два типа транспортеров глюкозы позволяют клеткам

У н екото рых фотосинтезирующих бакте рий гради е нт

кишечного эпи телия транспортировать глюкозу через выстилку

протонов создается за счет работы светозависимых п ро·

кишечника. Н а а п и кальной поверх ности за сч ет э н е ргии н атри е вого

тою1 ых помп , таких как ба ктерио ро11опс ин ( см . рис.

гр ади е нта глю коз а за качива ется в кл етки путе м симпорта с

з ально й и а пи кально й поверх ностя х прои сходит п а сс ивны й, по гради ­

У д ругих бакте рий 1·ради е н т создается за с ч ет активно­
ст и бел ков плаз малеммы , осуществляющих послед ние

е нту концентра ции , унипорт глю козы и з клето к ( ВИДЕО

стад ии клеточно го д ыха н ия , в х оде которых с интези р ует ·

Na+, а н а ба ­

12.4). Два типа

тр а н с порте ров глю коз ы сос р едоточены н а раз ны х уч астках поверхно ­

сти клето к бл а года ря плотн ым ко нтактам ( с м . ри с .

11-34 и гл . 20). Ч то б ы

11-28).

ся АТФ ( с м . гл. 14). Но растения, 1·р иб ы , а та юке многие
ба ктер ии и слолъзу ют для созда ния град ие нта гrротонон

подде ржи вать на низ ко м уровн е концен трацию

Na• в

ци тозол е , по сту ­

А ТФаз ы п л аз мале ммы , кото ры е выкачивают из клетки н+

п а ющий в клетку п ри с импо рте с глю козо й

вы качи ваетс я н а ружу с

за с ч ет э нер г ии гид роли за АТФ. Эти насосы н апоми на ют

Na'

помощью Nа'- К'- насоса . В просвете кишечни ка достаточно мно го
так как он п осту п ает с пище й .

370

ГЛАВА

12. Ме мбранны й тр а нс порт

Na+,

Nа•- к• -насосы и Са 2 + - н асос ь.1 клеток млекопитающи х, ра с­
с мотре 11 ны

р а нее .


Na + -сим порт

Na • -к• -АТФаза

натриевого градиента

•

н •-симпорт

н •-АтФаза

за счет энергии

за счет энергии
протонного градиента

переносимое
вещество
хл оропласты

Н+-АТФаза

сте н ка

(А) ЖИ ВОТНАЯ КЛЕТКА

РИС.

12- 19.

(Б)

РАСТ И ТЕЛЬ НАЯ КЛЕТКА

Существуют сходст ва и разл и чия в м еха н и з м ах тра нс п о рта раство ренных ве­

ществ клет кам и жив отн ы х и расте н ий. (А) Животные клетки часто используют для активного транс­

порта растворенных веществ через плазмалемму электрохимический градиент

Na',

создаваемый

Nа• -к• -насосом (Nа• -к• -АтФазой). (Б) Для тех же целей растительные клетки , а также клетки грибов
и бактерий (на рис . н е показаны) обычно используют электрохимический г радиент Н+, создаваемый
н • -АтФаз ой . (В) На мембранах лизосом животных клеток и вакуолей клеток растений и грибов име ет­

ся н • -АТФаза, закачивающая внутрь этих органелл протоны и поддерживающая в ни х к ислую реакцию
среды. На электронной микрофотографии хорошо видны вакуоли растительных клеток (молодого ли ­

ста табака) . (В

-

с разрешения

J. Burgess.)

Другой ти п н+ - АТФаз присутствует на мембранах

Некото рые белки-переносчики, о пи санные в данной

внутриклеточ 1-1 ых о рганелл - л изосом животных клеток и
центральной вакуоли клеток растений и грибов. Их работа
состоит в зака чивании протонов из ци тозоля в эти орга11 еллы, 'ПО п омогает поддерж ивать нейтраль ное зн ачени е

главе, изображены на РИС. 12-19, а их списо к приводится

Pli цитозоля

~1

кислые значе ния рН в 1-1 утри органелл. Ки с­

в ТАБЛ.

12-2.

Теперь мы пе рейдем к рассмотрению т ран сп орта ио­

нов че рез ка н алы и разбе рем, как за счет него может созда­
ваться м е мбранный потенциал .

J~ая среда многих органелл важн а дл я их фун1щионирова1tия ( см. гл.

15).

ТАБЛИЦА 12-2. Некоторые белки - переносчики
Переносчик

М естоположение

И сточник энергии

Фун кция

Глюкозный транспортер

Плазмалемма большинства клеток животных

Нет

Пассивный импорт глюкозы

Nа•-зависимый глюкозный насос

Апикальный домен плазмалеммы клеток

Градиент

Na'

Активный импорт глюкозы

Плазмалемма животных клеток

Градиент

Na+

Активный экспорт ионов Н',

Плазмалемма большинства клеток животных

Гидролиз АТФ

Активный экспорт Na• и импорт К'

Плазмалемма эукариотических клеток

Гидролиз АТФ

Активный экспорт Са 2 •

Плазмалемма клеток растений , грибов

Гидролиз АТФ

Активный экспорт н•

Гидролиз АТФ

Активный экспорт н • из цитозоля

почек и кишечника

Na•-н• -обменник

регуляция рН

Na•-к•-насос (Na' -к•-АтФаза)
Са •·насос (Са 2·-АтФаза)
Протонная помпа (Н•-АтФаза)
2

и некоторых бактерий

Протонная помпа (Н•·АТФаза)

Мембраны лизосом животных клеток и вакуолей

в клетках растений и грибов

Бактериородопсин

Плазмалемма некоторых бактерий

в органеллы

Свет

Активный экспорт н •

Б елки- п ерен о с ч ики и их фу нкции

31 1


ИОННЫЕ КАНАЛЫ

селективный фильтр,

выстланный атомами

И МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ

кислорода карбонильных

+

г рупп

Простей ший с пособ 110звозmп, малой водорастворимой

моле куле п е ресечь мембра1-1у

-

создать в н ей гидрофиль ­

ный канал, ч ер ез I<оторый эта молекула может пролезть.

Каналы клеточных ме мбра н выполняют свои фу нкции,
формируя водные поры. Через них может осуществляться
пассивный транспорт малых водо раство римых молекуJ1 в
клетки и органеллы или и з них.

Некоторые каналы образуют сравнительно крупные
поры; таким приме ром служат белки, формирующие ще­
левые контакты между двумя соседними клетками (см.
рис .

21-28),

и порипы, формирующие каналы в наруж­

ной мембране митохондрий и некоторых бактерий (см .
рис.

11-25).

+

Но такие большие, высоколроницаемые ка­

/

ион к+

налы приведут к катастрофической утечке веществ, есл и

они будут напрямую соединять внутреrнтость клетки с
внеклето<1ной средой. Поэтому у большинства каналов в

РИС.

плаз м алемме животных и растителыrых клеток поры уз­

пропускающий через мембрану только строго определенны й ион.

12-20.

У калиевого канала имеется селективный фильтр,

кие и высокоселективнъте. Один из типов специализиро­

На схеме представлена часть бактериального калиевого канала. Одна из

ванных каналов, аквапорииы, облегчают диффузию воды

четырех белковых субъединиц не показана, чтобы было видно строение

че рез плаз малемму. Структура этого белка поз воля ет

поры канала. Н а цитозольной стороне пора открывается в предцверие

быстро проходить через него незаряженным молекулам

(вестибулюм) , н аходящееся внут р и мембраны. Ионы к• в вестибул юме

воды, но не дает проходить ионам , в том числ ен + . Боль­

все еще связаны с окружающими их мол екулами воды (не показаны) .

шинство белков-каналов пропускают именно нео ргани­

Узкий селективный фильтр, ведущий из вестибулюма во внеклеточную

ческие ионы

-

чаще всего

Na+,

К+, с 1 - и Са 2 + . Ниже мы

среду, выстлан атомами кислорода карбонильных гру п п (красные), ко­
торые несут частичный отрицательный заряд . О ни временно связывают

рассмотрим такие ионн ы е канал ы .

ионы к• и освобождают их от водной « шубы " . (С разрешения АМS из:

D. А. Doyle et а/., Science 280: 69-77, 1998.)

Ионные каналы обладают избирательностью
и воротным механизмом

Два важных свойства отличают ион 11 ые каналы от обы<1-

шщей в размере. Этап прохождения через фильтр также

ных ды рок в мембране. Во-первых, 01-1и обладают иои~юй

лимитирует

избирателыюстъю, пропуская толъко определенные и е­

Поэтому при увею1че1-1ии концентрации ионов и х поток

ско рость

прохожде ния

ионов

через

канал .

органические ионы . Ио1-шая избирательность зависит от

через канал сна<щла пропорцио ,-шльно раст ет, затем до­

диаметра и формы ионного канала и от распр еде11 е ния

стигает максимума (насыщения).

заряж е нных аминокислот, выстилающих пору. Ионю,1 й

Второе важное отличи е каналов от простых отверстий

канал достато<1но узок, чтобы заставить ионы контакти­

состо ит в том, что ионны е каналы н е все время открыты.

ровать со своими стенками; по этому только ноны подхо ­

Тра 11 спорт ионов был бы бесполезен для клетки , если бы

дящего ра з мер а и определенного за ряда могут проходить

н е существовало способов контроля за потоками ионов,

через него ( РИС. 12-20). Наприм е р , узкие каналы 1·1 е будут

и многие тысячи ио111-1ьгх каналов в клетоLrной мембране

проп ускат ь крупные ионы , а с1шозь каналы с отрицатель­

были бы открыты всегда. На самом деле ионные кана­

но за ряж е нными стенками не с могут про ходит ь отрица­

лы ненадол го открываются , а за тем

тельно

( РИС . 12-21 ) . Как показа но далее, большинство ионных ка­

за ряж е нны е

вещества,

поскольку

одноимею-,ы е

вновь з,ш рываются

за ряды отталкиваются. Так в ходе эволюции возникли

налов ворот1-1ые

каналы , пропускающие лишь какой-либо оди 1-1 ион , 1-1.а­

л яют их л

лрим ер к + или с , - ( ВИДЕО 12.5) . Каждый ион в BOДI-IOM

обратно путем и змен е ний конформации.

(gated) -

специфичные стимулы застав­

р еход ип, и з зак рытого состояния в открытое н

растворе окутан небольшой « шубой ,> из молекул воды,

Поскольку открытый ионный канал н е должен менять

и при прохождении канала ионы должны избав иться от

конформацию при прохождении <1ерез него каждого иона ,

б6лъшей части этих молекул, чтобы поодиночке пройти

ионные каналы з начительно превосходят белки-перенос­

ч е рез селективный фильтр в узкой части канала. Там

чики по максималы-юй ско рости транспорта. За секунду

ионы

через открытый канал может проходить более миш1иона

вступают

в

важно е,

но

очень

кратковр

мен н ое

в заи модейств и е с атомами аминокислот, выстилающих

ионов. Это в

стенки селективного фильтра (см. рис.

стро­

скорость транспорта через п е р е 11осчики. С другой сторо­

го определенным образом расположе нные атомы поз во ­

ны, каналы н е могут сопрягать п ере но с ионов с источни ­

ляют каналу разл и 1 ать даже ионы лишь с неболь шой раз-

ком эне рги1,r и осуществлять активный транспорт. Функ-

372

12-20). Эти

ГЛАВА 12. Мембранны й тра нспорт

100 раз

бот,ше, <Jем извест ная максимальная


КАНАЛ ЗАКРЫТ

липидный

КАНАЛ ОТКРЫТ

лисе к у нд

открывание

или

за крывани е

других

ио,шых

каналов, ч увствитель ных к и з м е н е 1-1иям мембранного по­
те нциала . Воз никший в резул ьтате всплеск электрической

[

активности может быстро пе редаваться от одного участка

бислой

клеточной мембраны к другому, порождая электрич ес кий
сип-~ал (процесс будет рассмотрен ниже ,-,а примере нерв­
ных клеток). Этот тип электрич еской передачи сигнала

селективный

фильтр канал а

встречается н е только у животных, но и среди протистов и

расте ний. Хищные расте ния, такие как венерина мухолов­

РИС . 12-21 . Типичный ионный канал флуктуирует между откры ­

ка, использу ют электрич ескую сигнализацию при обнару­

тым и закрытым сос т ояниями . Канал , п оказанный на рисунке в п о ­

жении и ловле насекомых ( РИС. 12-22) .

перечном разрезе , формирует пронизывающую липидный бислой

Мембра нный потенци ал

-

основа всей эле ктрич ес кой

гидрофильную пору только в « открытой » конформации . П оляр н ые

активности клетки, будъ то клетка животных, протистов

группы выстилают стенки по р ы, а гидрофобные радикал ы аминокис­

или расте ний. Однако до того , как мы опишем воз никно­

лот контактируют с липидным бислоем (не показано) . П ора сужаетс я

вение мембранного 11оте нциала, мы разберем с11особы и з ­

до размеров, со п оставимых с размерами атома, в районе селекти в ­

м ерения активности ионных каналов .

ного фильтра, который в основном определ яет ионную селективность
канала (см. рис.

12-20).

Ионные каналы осуществляют случайные переходы

ция большинства ионных каналов состоит в том, чтобы
только

временно

делать

мембрану

определе~rных н ео рганических ионов

проницаемой

-

для

как правило,

из открытого состояния в закрытое и обратно
Из м ер ения элект рического тока

-

главный метод изуче­

Na+,
и позволять им быстро диффундировать

ния ионны х каналов и движе ний ионов в живых кл етках.

сквозь мембрану по электрохимическому градиенту, когда

были настолько усове ршенствованы, LIТO сейчас можно

ворота канала открыты.

опр еделить и измерить элект риlr еск ий ток, проходящий

К+, с 1- и Са 2 +

-

К радости ученых, методы и зме рения эле ктрич еско го тока

Благодаря активному транс порту с помощью 1-1асо­

через отдельный белок-канал. Этот метод получил н а­

сов и друг их белков-переносчиков ионные концентрации

звание метода локальной фиксации потенциала (пэтч ­

по разн ые сто роиы мембраны далеки от равновес ия . По­

кламп)

этому, когда канал открывается, ч е рез него устремляются

ную и неожиданную картину пов еде ния отдельных ион­

ионы . Поток ионов выз ывает перенос электрическ их за­

ных каналов.

рядов либо в клеТI<у (при вхождении в нее ионов), либо
из I<летки (когда ионы выходят наружу ) . Поэтому поток

ионов меняет напряжен ие на мембране - мембранный по­
тенциал - и таким образом и зме няет электрохи мическую
движущую силу, влияющую на движение всех остальных
ионов. Поток ионов может также вызывать в течение мил-

(patch-clamp

recordiпg). Он обеспеLJИЛ достовер­

При измерениях м етодо м

пэтч-кламп тонкую сте­

клянную трубку используют как микроэлектрод (microelectrode), чтобы и золи ровать маленький участок плазма­
леммы и создать с ней электрический контакт ( РИС. 12-23) .
Этот метод позволяет регистрировать активность ион1-1ых
каналов всех типов клеток

-

не только крупных н ей ронов,

извест ных своей эле 1прич еской активностью, но и таких

клеток, I<ак дрожжевые, которые слишком малы для обна­
руже ния их электрической активности другими способа­

ми:. Ме няя концентрации ионов в среде по обе стороны от
участка мембраны, можно исследовать , какие ионы про­
ходят через ее ионные каналы. С помощью подходящего

электронного оборудования можно также устанавливать
и фиксировать напряжени е на мембране (мембранный по­
тенциал) на любом зада нном уровне (отсюда название

-

метод локальной фиксации поте нциала ). Возмож,-юсть

менять мембранный потенциал позволяет понять, как его

РИС .

12-22.

Венерина мухоловка использует электрическую пе­

Редачу сигнала для ловли добычи. При прикосновении насекомого
к ловчим лопастям листа они захлопываются менее чем за полсекунды .

Ответ запускается при последовательном прикосновении к любым двум
сигнальных волосков, расположенных в центре каждой лопасти.
тиз трех
ои- механический стимул приводит к открыванию ионных каналов и
ак

возникновению электрического сигнала . Этот сигнал с помощью неиз­
вестного механизма приводит к быстрому изменению тургорного дав­
~ения, что приводит к захлопыванию листа. (С разрешения J.S. Sira,
aгd en P1cture Library.)

изменения влияют на открывание и закрывани е ио,-шых

каналов в мембране.

Если участок мембраны достато чно мал, в некоторых
случаях в нем будет присутствовать один-единственный
иоиный канал. Современное электрооборудование доста­
точно чувствител ьно, чтобы выявить поток ионов че рез
единичный канал, обнаруживая оченr, слабый элект риче­

ский ток (поряд ка 10- 12 а мп ер) . Таки е токи обычно ведут
себя удивительным образом: даже когда услов ия посто­
янны, ток внезапно лоявля ется и внезапно исч езает, как

будто кто-то слуl(айным образом щелкает выкл ючате-

И о нны е каналы и м е мбранный потенциал

373


жидкость

(электролит)
в микро ­
электроде

сте к лян ­

-

ный микро­

12-23. Метод локальной фиксации потенциала (пэтч-кламп)

позволяет следить за

пипет к а

регистрирующий

электрод

1 мкм

РИС.

удерживающая

микроэлектрод

активностью

одиночных ионных

каналов .

Сначала изготавливают микроэл ектрод. Для этого н агревают стеклян­
ную трубку и б ыстро вытягивают ее; получается чре звычай но тонкая н а
вершине трубочка (диаметром всего несколь ко микрометров). Затем
труб ку заполняют раствором эл ектролита , а ее ко н е ц при жимают к п о­

плотный

верхности клетки. Слегка всасывая жидкость в трубке , достигают на ­

контакт

дежной эле ктри ческой изоляции электролита , так как мембрана плотн о

ионный

прижимается к отверстию электрода (А) . Бл агодаря плотному контакту

канал

/~ 1!!!!11~ ""•~ ·!!1

между отверстием микроэлектрода и мембраной электрический ток

мембрана
клетки

может входить в эле ктрод или выходить из него только через ка напы ,

цитозоль

(А) ФРАГМЕНТ, НЕ

имеющиеся в « пятач ке»

(Б) ОТДЕЛЕННЫЙ

ОТДЕЛЕННЫЙ

ФРАГМЕНТ

ОТ КЛЕТКИ

(КОНФИГУРАЦИЯ

INSIDE-OUT -

(patch)

мембраны , закрывающем отверстие

микроэлектрода . (Б) Чтобы обнажить цитозольную сторону мембраны ,
нервная

можно аккуратно отделить ее фрагме нт, удерживаемый микроэле ктро ­

клетка

ЦИТО­

дом , от поверх ности клетки . Пре имущество отдел енного фрагме нта со­

ЗОЛЬНАЯ СТОРОНА

стоит в том, что по обе стороны от н его легко менять состав раствора ,

МЕМБРАНЫ СМОТРИТ

изучая влияние разных растворенных веществ на поведение канала.

В НАРУЖНУЮ СРЕДУ)

(В) Микрофотография ней рона глаза , который удерживается всасы­
вающей п и п еткой (ее ко нчи к виден на фото внизу слева от клетки) , в то

сигнал на экране осциллографа

металлическая

время как ре гистрирующий электрод фиксирует поте нциал по методу

показывает изменения тока ,

проволочка

проходящего через мембранные

пэтч-кламп . (Г) Схема установ ки для пэтч -кла мп регистрации . В откры­

каналы

тый верхни й конец микроэл ектрода вмонтирована металлическая прово­
лочка . Ток и , входящие в электрод через небольшой участок мембраны ,

проходят через проволочку, и з мерительный прибор , а затем обратно

источник
постоянного

стеклянный

напряжения

микроэлектрод

(блок

в раствор, в котором находится клетка или отделенный от н ее фраг­

мент мембра ны . (В - с разрешения Blackwell PuЫi shing
H.R. Mathews, and V. Torre, J. Physiol. 37: 315- 349, 1986.)

контроля

потенциала)

из: ТО.

Lamb,

метал­

лический
электрод

фрагмент
мембраны

t
,

(Г)

_________

состояние

ток , идущий

через раствор

канала:

..,,,,. J

закрыт

открыт

закрыт

открыт

закрыт

открыт

5

лем ( РИС . 12-24) . Такое поведение показ ывает, что канал
имеет под ви жные части и п е р еходит и з откр ытой ко н ­

форма ции в закрытую и обратно (см. рис.

12-2 1). Такое

о

поведение наблюдается даже при п остоян стве условий,
свидетельствуя о том, что л ереходы каJJала и з одного со­

5

10

15

стоя ния в д р угое могут вызываться те п лов ым дв и же 1-~и ем

20

25
время . мс

окружающих е 1·0 молекул. Регистрация еди нич~1ы х кана ­
лов

-

один

из очень н ем но гих методов,

по зволяющи х

РИС .

12-24. С помощью метода локальной фиксации потенциа­

след ит~, за и зменен иями конформации отдельно й моле­

ла можно наблюдать за поведением одиночного ионного канала.

кулы белка. Выявле нн ая с его помощью картина

В ходе н аблюдени й поддержи вается постоянная разность поте нциалов

-

ме­

ханизм, совершающий постоян ные резки е колебания,

-

п очти наве р1·1яка характерна и для д ругих белков с под­

(напря же ние) на изолированном участке мембраны . В показанном на
рисун ке прим ере это мембрана мышечной клетки , содержащая один
ионный ка нал

виж ны ми частями.

-

рецептор нейром едиатора а цетилхолин а. В данном

Если ионные каналы сове ршают слу ч ай ны е п е рехо ­

случае ка н ал открывается, пропуская в клетку положительн о заряжен­

ды м ежду открытой и з ак рытой конформацией даже тог­

ные ионы , в ответ на связывание ацети л холина с его наружной сторо­

да, 1<огда условия по обе стороны мембраны нс м ен яются,

ной. Но даже когда ацетилхолин связан с канало м (ка к во время трех

из менения­

вспышек его активност и , кото ры е видны на г рафи ке) , ка нап не остает­

ми условий в клетке или во внеклеточной среде? Отв ет

ся открытым все время : он быстро п ереходит из открытого состояния

заклю ч ается

в закрытое, о чем свидетельствуют кратковременн ы е падения тока во

как же их состоя ни е может регулироваться

в том,

что

при

определениых измене иия х

условий случайное пов едение сох р ан яется, но резко ме­

время каждой из вспышек . Когда ацетилхолин н е связа н с ка налом , он

ня ется вероятность разных состоя ни й. Например , если

отк рывается лишь из р едка. (С разрешения

374

ГЛАВА 12. Мембранный транспорт

David Colquhoun.)


ВОПРОС 12-4

Различные стимулы вызывают открывание

2пАL
10

и закрывание ионных каналов

МС

Существует более ста типов иоиных ка н алов, и даже у
прост ы х орга н измов имеются разн ые каналът. Нап ри мер,

у нематоды С.

elegans найде н ы ге ны ,
-

од н их только калиев ых каналов

коди рующие

68 типов

разных, н о р одстве н ­

ных . Ионн ые каналы разли ч аются п режде всего п о своей

На РИС. 812-4 (вверху) показан результат опыта с использовани­
ем метода пэтч - кламп ; показана зависимость от времени величи­

ио1той uзбирателы-юстu

-

п о тому, какие ионы они про­

п ускают. К роме того, ка н алы различаются сво и ми во рот­

ны электрического тока , проходящего через участок мембраны .

ными механизмами: какие условия вызыва ют и х о т кр ы ­

Участок мембраны был извлечен из плазмалеммы мышечной клет­
ки с помощью метода , изображенного на рис . 12-23. Известно .
что он содерж ит молекулы рецептора ацетилхолина - лиганд-за ­

( voltage-gated

висимого катионного канала, который открывается при связыва­

Для лиганд-зависимых каналов (li ga пd-gated

нии ацетилхолина с его внеклеточной стороной . При регистрации

она ко н тролируется связыва н ием с кан алом некой моле­

ацетил холин добавили в раствор, заполняющий микроэлектрод .

Ка кие выводы об особенностях этого канала мож но сделать на
основании графи к а? Как изменится графи к, если ацетилхолин

(а) не добавлять и (б) добавлять только в раствор , находящийся
вне микроэлектрода?

ва н ие и закрьша~-1ие. Для потенциал-зависимых каналов

c h an п el ) вероят ность открытого состояния

ко н троли руется мембра н ны м потенциалом ( РИС. 12-25, А).

кулы

cha11nel)

лига нда (рис.

-

тельных каналов

12-25, Б, В ) . Для механочувстви­
(stress-gated chan11el) открыван ие кон­

троли руют механические силы, действующие на канал

(рис.

12-25,

Г). Слуховые ре це п то ры (волосковые клетки

внутреин его уха)

важ 1-1 ътй прим ер клеток, работа кото­

-

ры х зависит от механ очувствительных 1,аналов. Звуковые

колебан ия вызывают открывание каналов, поток ион ов
условия вызывают отк рывание канала, это означает, что

входит в волосков ы е клетки, и это порождает электр ич е­

теперь ка нал будет проводить н амного больш ую часть

ский 01rнал, передающийся от волосковых клеток послу­

времени в отк рытом состоянии, хотя и не будет оставать­

ховому не рву в мозг ( РИС.

ся открытым все время (см . рис. 12-24). Когда ионный
r,анал открыт, он открыт пол н остью; зак рытый канал
П олностыо закрыт.

12-26) .

Потенциал-зависимые ионные каналы

реагируют на мембранный потенциал
Потенциал-зависимые ионные каналы играют главную
р оль в п ередаче электрических сигналов не р в~1 ыми ютет­

ками. О ни присутствуют и во многих других клетках
(А) поте нциал­

(Б) лиганд(В) лиганд(Г) механо зависимый
зависимый
чувствиканал
канал
тельный
(внутри
канал
(внекле­
точный
клеточный

зависимы й
к анал

1

л,~,д) ~

, лиганд) ,

,н

+++
КАНАЛ
ЗАКРЫТ

+
КАНАЛ
ОТКРЫТ

+

также участвуют в передаче электрических сигналов из

од 1ю й Ltасти растения в дру 1·ую, как, напр имер, при оп у ­
скании листъев у мимозы ( РИС.
ион ных

каналов

же 1-~н ы е белковые доме ны

'l
,,

l

l

даже растений. У некоторы х расти тельны х клеток они

висимых

~

-

мышеч и ых клетках, яй цеклетках, клетках протистов и

12-27).

и меются

-

У потенциал-за­

сn ециал ъны е

за ря­

сеисоры напряжения. Он и

н еобычайно чувств ителъны к изменениям мемб ранного
потен ц иала: его сдвиг на некую велиLrину, пр евышающую

\

п ороговую,

l

~~

создает

достатоLrную

электрическую

силу,

действующую на эти домены, чтобы вызывать переход
канала из закр ытого состояни я в открытое или наоборот.

Изменение мемб ра нного п отенциала не влияет на то, на­
сколько ш и р око от кроется кан ал, а меняет только вер оят­

ность его пребывания в откр ытом состоянии. Поэтому на
большом участке м мбранъ1, содержащем много молекул
ка наль н ых белков, при одном з н ачении потенц иала могут
находиться в отк рытом состояни и в среднем
а л ри друго м значении

-

в среднем

10% кан алов,

90%.

РИС. 12-25. Ионные каналы с воротным механизмом отвечают на
Разные стимулы. В зависимости от типа ионного канала, ворота от­
крыва ются в ответ на и зменени е разности потенциалов н а мембране
(А), на связывание вещества - лиганда с внеклеточным ( Б} или с вну­

том,

триклеточным (В) участком ка нала или в ответ на меха ническое возде й­

ц иал меняется из-за их открыва н ия и зак ры вания. Эта

стви е (Г) .

п етля обратной связи (иониые каналы

Чтобы понять рол ь п отенциал-зависи мых каналов в
живой клетке , м ы должны разобратъ, как же контроли­

руется мембранны й поте нциал. Простой ответ состоит в

LJTO

его конт р олируют сами ионные каналы: потен­

-

мембранный

Ионные каналы и мембранный потенциал

375


вхождение

положительно
заряженных ионов

слуховая

волосковая
кл етка

поддерживающая

текто ри ал ь ная мембрана

клетка

соединитель­
ная нить

базиллярная
нерва

мембрана

ПУЧОК СТЕРЕОЦИЛИЙ

ПУЧО К СТЕРЕОЦИЛИЙ

НЕ ОТКЛОНЕН

ОТКЛОНЕН

(Б)

(А)

РИС.

12-26.

Механочувствительные ионные каналы позволяют нам слышать звуки. (А} Разрез

кортиева органа, тянущегося вдоль канала улитки

-

слухового аппарата внутреннего уха . На каждом

слуховом рецепторе (волосковой клетке} на верхней стороне клетки есть пучо к тонких выростов, сте ре­

оцилий. Каждая волосковая клетка окружена поддерживающими клетками; снизу от ни х находится ба­
зиллярная мембрана

membrane)

(basitar membrane), а сверху -

текториальная , или покровная, мембрана

(tectorial

(это н е бислойные липидные мембраны , а прослойки внекл еточного матрикса}. (Б) Звуко­

вые колеба н ия вы зывают вибрацию базиллярной мембраны , в результате стерео цил ии отклоняются в
сторону. Все стереоци лии способны отклоняться, и кажда я прикреплена к следующей , более короткой
стереоцилии то н кой нитью . При отклонении стереоцилий нити натягиваются и открывают механочув­

ствительны е ионные ка н алы в их мембране. В р езультате в кл етку входят положительно заряженные

ионы из окружа ющей их жидкости ( ВИДЕО

12.6). Вхождение ион ов активирует волосковые клетки, они

стим улируют подходящие к ним волокна слухового нерва , и сигнал передается по нему в мозг. Волос ка­

вые кл етки обладают п оразительной чув ствительн остью: сила, необходимая для открывания отдель ­

ного канала, составляет около

2 х 10· 13 ньютонов ; самый слабый звук, который мы можем воспринять,
0,04 нм (меньше , чем диаметр атома водорода) . Н а

растягивает соединительную нить примерно на

ВИДЕО

12.7 показана удивительная гибкость этих структур .

потенциал

-

ионны е каналы) играет фундаментальную

роль в электрической сигнализации клеток. Разобрав ,
r<ак м ембранный потенциал может ре гулировать состо­

яние ионных каналов, мы теперr, обсудим, как ионные
каналы могут контролировать мембраш1ый потенциал. В
последне м разделе данной главы мы разбере м , как эта си­

стема р е гуляции работает при распростран ении с игналов
(Б)

(А)

РИС.

(В)

12-27. Потенциал-зависимые ионные каналы

в н ервны х клетках.

обеспечива­

ют движение листьев мимозы. (А) Ли ст в состоянии по к оя . (Б, В}
По следовательные стадии ответа на прикосновение. Через несколь­
ко секунд после прикосновения к сложному листу его л источки скла­

Мембранный потенциал зависит от проницаемости
мембраны для определенных ионов
У всех клеток на плаз малемме имеется раз ность зарядов,

ные ка налы , и генерируется электрический импульс . Когда импульс

ил и мембранный потенциал (membrane pote пti al) (МП).
Чтобы понять, как возникает МП, полезио вспом н ить неко­

достигает специализированных шарнирных клеток, лежащи х в осно ­

торые основные сведения об электричестве. Электрические

вании каждого листоч ка, эти клетки быстро теряют воду, что вызыва­

заряды в металлах пе р еносят электроны , а в раство рах

дываются . В ходе р еакци и открываются потенциал -за висимые ион­

ет мгновенное складывание листочков . (С разрешения

Oxford Scientific Fil ms.}

376

ГЛАВА 12, Мембранный транспорт

G.I. Bernard ,

-

ионы, которые могут быть положител r, но заряженными
(катионы) или отрицательно заряже 1н1ыми ( анионы). По·


липидны й

ионны й

б ислой

ка н а л

мость плазмалеммы в состоя н ии покоя гораздо выш е для

к+, чем для других ионов.

г,

+_+_ + _+
- + _+_ + _
+_ +_ +_ +
-+_ + _ + _
+ _+_ + _ +
-+-+_ + _
+_ + _ + _ +
- + _ + _+_
+_ + _ + _+
- + _+_ + _
+_ +_ +_ +
- +_ +_ +_
(А)

+_ +_ +_ +
_ + _ + _+ +
+_ + _+_
-+_ + _ + _ _ + _ + _ +
+ _+_ + _ +
- + - + _ + _ _ + _ + _++
+_ +_ +_ +

заряды равномерно

(Б)

__ + _ + _ +
- +_ +_ +_
__ + _ + _ +
- +_ +_ +_
__ + _ + _ +
- +_ +_ +_
_ _ +_ +_ +
- +_ +_ +_
__ +_ + _ +
- + _ +_+_
__ + _ + _ +
- +_ +_ +_

некоторое число положи­

распределены по обе

тельно заряженных ионов

стороны от мембраны ;

(красные) пересекают

мембранный потенциал

мембрану, двигаясь

равен нулю

справа налево ; возникает

к+ стремится выходить и з клетки по своему крутому

концентрацион.1-юму градиенту. Но при любо м выходе из
клетки во внешнюю среду положительных зарядов вну­
три остаются неу р авновешенные отрицательные заряд ы .

Создается электрическое поле, или МП, противостоящий
дальнейшему выходу ионов к+ из клетки . Пример но за
миллисекунду устанавливается равновесие, при кото ром

мембранный потенциал юu< раз достигает такого з начения,
чтобы препятствовать движению ионов к+ по концентра­
циою-юму градиенту . Электрохимический градиент для
к+ при этом равен нулю, несмотря на то, что конце нтра ция
к+ внутри клетки по -прежнему гораздо выше, чем снару ­
жи ( РИС. 12-29).

ненулевой мембранный
потенциал

В Н Е КЛЕТОЧ НАЯ СРЕДА

РИС. 12-28. Различие концентраций ионов с двух сторон от липид­
ного бислоя порождает мембранный потенциал. Мем б ранный потен­
ци ал обес п ечив ается тон ким (<1нм) слоем ионов, которы е удерживаются
возл е мем б раны благодаря притя жению к ион ам противоположного за ­
ряда на друго й стороне мембраны . (А) При рав е н стве распределения з а­
рядо в по обе стороны от мембраны мембра нный потенциал отсутствует.

(Б} Когда ионы одного типа проходят сквозь мембрану, они создают
Раз ность зарядов между двумя сторонами мембраны , что и порождает

мембранный потенциал . Число ионов , которые должны пересечь мем­

брану для создания мембранного потенциала, - лишь крошечная доля
их общего количества. (достаточно прохождения 6 ООО ионов калия через
1мкм 2 мембраны , чтобы сдвинуть мембранны й потенциал на 100 мВ ; чис­
ло ионов калия в 1 м км 3 цитоплазмы в 70 ООО раз больше. )

ц и тозоль

движущая сила

мембранного потенциала
(А) Калиевые каналы закрыты ,
мембранный потенциал

ток ионов сквозь мембрану клетки можно зарегистриро­

вать как электрический ток, а изменение концентрации ио­
нов , если оно не уравновешивается в точности измене нием
I<онцентрации ионов с противоположным зарядом, - как
Изменение разности зарядов, т. е. МП ( РИС. 12-28).

Чтобы понять, как возникает и поддерживается МП ,
рассмотрим движение ионов в типичную животыую клет­
I<у и из нее в отсутствие внешних стимулов - в состоянии

nомя. Отрицательные заряды органических молекул, ыа­
ходящихся внутри клетки, в основном сбаланси рованы
ионами к+ ( главные внутриклеточные катио1iы). Высо ­
I<а.я: внутриклеточная ко нцентрация к+ отчасти создается

работой Nа+-к+-насоса, который активно закачивает к+ в
;<~етку . Это приводит к высокой разности концентраций
< rro разные стороны плазмалеммы - концентрация к+
внутри клетки гораздо выше, чем снаружи. При этом nлаз­
малемма содержит набор к+ -каналов, называемых каналы
nостоя1-аюго тока, или утечки (К+ leak channels). Эти ка­
Нальr случайно переходят из открытой конформации в за­
I<рьпую вне зависимости от условий среды внутри клетки
ИJ

' И снаружи от нее. Когда они открыты, ионы к+ свободно

вьrходят через них из клетки. В покоящейся клетке в ос-

н

.

овном открыты именно эти каналы, поэтому nроницае-

равен нулю ; концентрация

(Б) К~лиевые каналы открыты ;
К выходит из клетки , внутри
нее остаются отрицательные

К+ выше внутри клетки , но

заряды ; при таком распре­

суммарный заряд по обе

делении зарядов возникает

стороны мембраны нулевой

мембранный потенциал,

(число положительно и

уравновешивающий

отрицательно заряженных

стремление ионов К+

ионов равное)

выйти из клетки по
градиенту концентрации

РИС.

12-29.

Калиевые каналы постоянного тока (каналы «утеч­

ки») играют главную роль в генерации мембранного потенциала
на плазмалемме. (А) Гипотетичес кая ситуация , когда кали е вые к ана­

лы постоянного то ка за к рыты , а м е мбранный потенциал ра вен нулю .

(Б) Как только каналы отк рываются , ионы к+ пок идают клетку, двигаясь
по градиенту концентрации . Если допустить , что в м е мбране н ет отк ры­
тых каналов , проницаемы х для други х ионов , отрицател ьно заря же нные

ионы не смогут последовать за п ер есекающими мембрану ионами к+.
В ре зультате возникает и з быто к полож ительны х за рядов на внешне й
стороне м е мбраны и отрицательны х зарядов

-

на внутренней . Та к воз­

ни кает мембранны й поте нциал, втягивающи й ионы к+ обратно в кл етку.
Устан а вливаетс я равновесие , при котором действи е градие нта конце н ­

трации ( стимулирующе го выход ионов к+ из клетки) в точности урав ­
нове шива етс я дей стви е м ме мбра нного поте нциала ( стимулирующего

вход к+ обратно в кл етку) ; суммарного п е ре м е ще ния и онов к+ при это м
н е про ис ходит.

Ионные каналы и мембранный потенциал

377


ответствующим равнове ию по

Сила , движущая ионы ч ерез

Na+. Таким образом, любое
onp /\ · ленных

мембрану , состоит из двух

изменение проницаемости мембра~,ы для

компонентов : элект рического

ио н ов

потенциала на мембране и

-

т. е. любое изменение в числе открытых ионных

каналов разных типов

концентрационного градиента

-

вызывает изменен и

МП. Вито ­

ге МП онределяется как состоянием ионных каиалов в

данного иона . В состоянии

мембране, так и ко~ще~1 трациями ионов в цитозоле и в 1-1е­

равновесия две силы

сбалансированы и

клеточной с р ед

удовлетворяют простому

плазмалемм прои сходят очень быстро по срав н нию с из­

математическому уравнению ,

.

Поскольку электри ч еские про11ессы на

менениями концентраций ио ,-юв н а коротки"Х интервалах

уравнению Нернста :

време 1-1.и

-

за миллисекуиды, а н е секу н ды или минуты

-

состояние ионных каналов играет ~,аиболее важ н ую роль
в регуля ции МП .
где

V-

мембранный потенциал в

Чтобы понятr,, как взаимодействие между ионными

милливольтах , С0 и Сг соответ­

каналами и МП используется для электрической сиг­

ственно внеклеточная и

внутриклеточная концентрация

нализации, мы перейдем от поведения ионов и ионных

ионов. В данном виде уравнение

каналов к поведе нию целых клеток . Рассмотрим в кач.е­

предполагает, что все ионы

стве глав ного прим е ра нервные клетки, по скол ы<у 01-1и в

несут единичный
положительный заряд , а

иаибол 1,шей степени по срав н ению с другими клетками

температура равна

профессио н ально занимаются элект рической сигнализа­

37

•с .

цией и используют ионные каналы наиболее сложными

способами.
РИС.

12-30. Уравнение

Нернста можно использовать для расчета

потенциала покоя на мембране.

ИОННЫЕ КАНАЛЫ И ПЕРЕДАЧА
Потенциал пока.я (гesting

membi-ane potentiaJ) -

это

СИГНАЛОВ НЕРВНЫМИ КЛЕТКАМИ

МП при таких постоянных условиях, при которых потоки

О с новная задаtJа нервной клетки, или нейрона (n e uroп)

п оложительно

через

получатъ , пр оводить и пе реда вать с игналы. Нейроны про­

nлазмале мму в точности уравновешены, так что ~,е про­

водят с итналы от органов чувств в ц ентральную нервную

и

отрицательно за ряженных

ионов

-

исходит дальнейших изменений в распр еделении заря дов

систему (ЦНС)

на мембране. МП измеряется как созданное на мембране

роны передают сиг 11 алы д руг другу, образуя сети необы­

напряжени е. В живот ных клетках потенциал покоя со­

ч ай ной с1южности , что позволяет головному и сгrиниому

ставляет от

мозгу а нализировать сигналы от ор га н ов

- 20 до - 200

милливольт (мВ) в зависимости

-

голов н ой и спинной мозг. В ЦНС ней­

trувств,

интер­

от вида животного и типа клеток. Потенциал покоя счита­

претиро вать их и целесообразно на 1-~их отвечать. Из ЦНС

ется отрицательным; это означает, что внутренняя среда

отростки н ейронов тянутся к исполнительным орга н ам,

кл етки за ряж е на отрицательно по отношению к внешне й

приводя в действие мышцы и железы. Чтобы осущест­

среде, т. е. в клетке ~, емного болr,ше отрицателъных за ря ­

влять эти функции, многие н ей роны имеют чрезвычайно

дов, чем положительных . Реальна.я величина п отенциала

большую дли н у: н апример , длина отростков моторных

покоя в живоп1ых клетках в ос н овном зав исит от гради­

н ейро ~юв, п е редаю щих сигналы из спинного моз ,·а trе1юве­

ента концентрации к+ н а плазмалемме, поскольку в по ­

ка в мыш цы ноги , достигает метра.

кое мембрана nроиицаема в осtrовном для к+, а к+

-

глав­

Каждый нейрон состоит из тела -клетки

ный положительно заряженный внутриклеточный ион.

соде ржащ е~-о

Проста.я формула уравнения Нернста (Ncшst equ at i oп)

длинных тоиких отростков.

ядро,

и

н ескольких

(cell body),

отходящих

Обычно н ей рон

от тела

имеет

( РИС. 12-30) количественно описывает состояние равнове­
сия и позволяет рассчитать теоретический потенциал по­

12-5

коя, если и звестн ы концентрации ионов в~.1утри клетки и

ВОПРОС

во внеклеточ ной среде.

А Используя значения концентраций из табл. 12-1 (с . 360) рас·

Тепе р1> 11ред положим , что в п лазмалемме внезапно
открылись

какие-то

другие

другого иона, например для

каналы,

Na+.

проницаемые

для

П оскольку концентра­

rl' считайте равновесный мембранный потенциал для Na' и к•

8
ет

(допустим, что внутриклеточная концентрация Na' составля ·

10

мМ) . Каким будет МП клетки в состоянии покоя? Свой ответ

Na+ выше вне клетки, ч ем внутри, натрий через эти

поясните . Что произойдет, если откроется одновременно большое

каналы на чнет двигаться в клетку , и МП станет менее от­

число Nа'-каналов, и мембрана станет гораздо более проницаемой

ция

рицател 1, ным. У него даже может изменип,ся знак на по­

лож итель ный ( если внутренняя с реда кл тки приобретет
положител ьный за ряд по с равн е нию с внешней средой).

МП приобретет новое значен ие, которое станет промежу­
точным между отрицательным з нач е ,ш ем, соответствую­

щим равиовесию по К+, и положительным знаt~ением, со-

378

rЛАВА 12. Мембранный транспорт

для

Na+,

чем для К'? (Обратите внимание , что для резкого измене·

ния разности потенциалов на мембране нужно очень небольшое
число ионов; поэтому вы можете исходить из предположения, что

концентрации ионов по разные стороны мембраны практически не

изменятся . ) Предскажите , что произойдет, если Nа' -каналы вновь
закроются.


нервное окончание

соседни е участки мембраны, оно будет быстро затухать с
увеличением расстоя ния до источника. На малых рассто­

яниях это затухание существенной роли не играет. Но для

п ередачи сигналов на большие расстояния такое пассuв1юе распростпраиеиие

(passive spread) 1-ie годится.

Сходным

образом телефонный с игиал может пе редаваться без уси­

ления на небольшие расстояния п о проводам в пределах
вашего города, но для передачи по подводному кабелю че­
рез океан сигнал долже н через определенные интервалы
усилив аться.

тело нейрона

дендриты

аксон (длина

терминальны е

от менее

развет вления

чем

1 мм

до

более чем

Нейроны решают эту пробл ему удаленной комму ­
никации

с

помощью

активного

сигнального

м еханизма:

локальный электрический стимул достаточной силы за­

аксона

пускает всплеск электрической активности плазмалем­

1 м)

мы, быстро распространяющий ся по мембране аксона и

РИС. 12-31. Типичный нейрон имеет клеточное тело, единствен­

поддерживающийся благодаря автоматическому самооб-

ный аксон и множество дендритов. Аксон передает сигналы от тела

1-ювлению иа всем своем пути. Это распространяющееся

нейрона, к клеткам-мишеням , а дендриты получают си гналы от аксонов

электрическое возбуждени е

други х н ей ронов . Красные стрел ки по казывают направл ения п ередачи

poteпtial) , или нервный импульс (пerv e

сиг налов .

п ередавать с игнал без затухания от одного конца ней рона
до другого со скоростью до

-

потенциал действия (actioп

impLLlse) -

может

100 м/с.

Все ранние исследования, установившие механизм
один длинный аксон

(axon),

проводящий сигналы от

передачи электрических сигналов по нервам, были вы­

тела клетки к удаленным клеткам-мишеням. Как пра­

полнены на гигантском аксоне кальмара ( РИС.

вило, н ейрон имеет еще несколько более коротких, вет­

Диаметр этого аксона столь велик, что можно регистри­

вящихся деидритпов

12-32).

расходящихся от тела

ровать его электрич ескую активность с помощью введен­

I<летки, как анте нны, и обеспечивающих увеличенную

ного внутрь него электрода (см. раздел ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ ,

площадь поверхности для получения сигналов от аксо­

стр.

нов других нейроиов ( РИС. 12-31 ) . На своем конце аксон

установлено, что потенциал действия напрямую связан со

обыlшо разветвляется на множество ветвей, каждая из

свойствами потенциал- зависимых ионных каналов (см .

l<оторых образует нервное окончани е (n e гv e teпniпal) ,
так что послание нейрона может одновременно пер еда ­

рис.

(dendrites),

381 - 383).

12-25, А)

Благодаря подобным исследованиям было

в мембран е нервной клетки, работу которых

мы теперь и р ассмотрим .

ваться многим клеткам-мишеням - другим нейронам
Или же клеткам мышц и желез . Дендриты тоже могут
очень сил ыю ветвиться ; в некоторых случаях 1-1.а ден­
дритах одного н ей рона образуется до 100 ООО входов от
других н ервных клеток.
Независимо от т ого, какую информацию передает

нейрон - будь это з рительная информация от глаза, мо­
торная команда к мышцам или один из эта п ов сложиой
Чеnи обработки сигналов в мозге - форма передавае­

Мьrх сигналов всегда одинакова: они представляют со­

бой изменения элект рич еского потенциала на п лазма­
лемме нейрона.

Потенциалы действия используются

РИС.

АЛя быстрой передачи сигнала
на большие расстояния

Нервная система кальмара

Loligo

позволяет живот­

ному быстро реагировать на стимулы окружающей среды. Ср еди

1-lейрон стимулируется сигналом (обычно исходящим от

другого нейрона), который действует н а определенный
Участок его поверхности. Сигнал запускает измеиение МП
1-ta

12-32.

данном участке. Но для передачи этого сигны~а и зме-

1-tени:я МП должны распространиться от участка, обычно
находящегося на дендрите или теле клетки, до нервных
окончаний аксона, которые передадут сигнал следующим
1
<леткам в цеп и. Хотя локал ы-юе изменение МП будет
nассивно распространнться по аксо ~1у или дендриту на

н е рвных клеток , в ходящи х в систему обеспечения « р еакции бегства "
кальмара , одна и з клеток образует гигантский аксо н , имеющий очень
большой ди а метр [на самом дел е гига нтс кий аксон представляет собой
синцитий: он образуется путем слияния более м ел ких аксонов несколь­
ких сотен клеток , чьи клеточные тела не сливаются .

-

Прим . перев . ] .

Задолго до того, как метод пэтч-кламп поз волил записывать активность
одиночных ка налов мелких клеток , ученые смогли зарегистрировать по­

тенциалы де йствия в гигантском аксоне кальмара и пр едсказат ь нали­
чие ионных ка налов в его мембране . (С разре ш е ния

Howard Hall, Oxford

Scientific Films.)

Ионные каналы и передача сигналов нервными клетками

379


Потенциалы действия обычно возникают
при открывании потенциал-зависимы х
натриевых каналов
мембрана

Потенциал действия обы чно залускается резкой локаль ­

поляризована

ной деполяризацией, т. е. сдвигом МП в областъ менее от­
рицател ъны х значе ний, к нулю. Позднее мы обсудим, как
такую де п оля ризацию вызывает действие сигналь ны х

молекул

-

иейромедиаторов (л e uro trans mit te rs ), выде­

мембрана

ляемых другим нейроном. Стимул, вызывающий депо­

деполяризована

ля ризацию более сил ьную, ч ем оnределе1-шый порог, вы­

зывает временное открывани е на этом участке мембраны
потенциал-зависимых Nа+·каналов

( voltage-gated Na+

c hanлe l s ). В результате небол ьшо е колиlrество

Na+ вхо­

КАНАЛ

КАНАЛ ОТКРЫТ

ИНАКТИВИРОВАН

д и т в клетку по элект ро химическому градиенту. Вход л о­

РИС.

ложитель ных за рядов силь нее делоляризует мембрану,

нимать как минимум три конформации . Каналы могут переходить из

делая МП ещ е менее отрицательным, в р езультате чего

одной конформации в другую в зависимости от мембранного потенци ­

открывается больше потенциал-зависимых Nа+-каналов;

ал а. Когда мемб рана находится в состоянии покоя (в ы сокопол яризова­

в клетку входит больше ионов

вызыв ая еще более

на), наиболее стабильно закрытое состояние . Когда мембрана деполя ­

сильную деполяризацию . Этот процесс продолжается с

ризуется, более стабильным становится открытое состояние , и высока

Na+,

12-34.

Потенциал-зависимы е натриевые ка н алы могут при ­

самоус иле ни ем, пока примерно через миллисекунду МП

вероятность откры вания данного канал а. Но еще более стабильным при

на локальном участке мембраны н е сдвинется от лотенци­

деполяризованной мембране я вляется инактивированное состоя н ие ,

ала покоя (лрим е рно

поэтому после короткого периода пребывания в открытой позиции ка­

- 60 мВ) до приблизительно +40 мВ

( РИС. 12-33) . Этот заряд на мембране близок к состоянию

нал инактивируется и бол ьше не может открыться. Красные стрелки по­

равно весия, при

казывают последовательность событий после резкой деполяризации ,

котором элект ро хим ич ес к ая сила,

зывающая движен и е

Na+через

вы­

мембрану , ра вна нулю. В

таком состоянии эффект ы МП и ко нцент рационного гра­

ди ента ионов

Na+равны

черные стрел ки

-

возврат к исходной конформации п осл е реполяри­

зации мембраны .

и противоположно направл ены ,

и чист ый вход или выход

Na+отсутствуют.

Если бы каналы продолжали реагировать на изменившийся МП таким

путем бесконеч1ю, клетка впала б ы в ступор в этом со­

m+40

стоя нии, когда все ее потенциал-зависимые Nа+ -каналы

-5

пр еимуществе нно открыты.

@

Спасает клетку от этой судьбы тот факт, что Nа+ ­

s:

::r

:I:

~

ПОТЕНЦИАЛ

о

ДЕЙСТВИЯ

с:

>S:

:о
:I:
:I:

п о ро говый
-поте нци ал

~-40
::.
~-ба ---

\О

п отен ц иал

де поля ри зую щее воздействие стимул а

...
о

- - ·покоя

каналы

имеют

автоматический

формацию. После этого канал не может сразу открыться

снова. Даже если мембрана по- прежнему деполяризована,
Nа+ -каналы останутся в таком и11,а1етивироватюм состо ­
секунд после возвращение МП к исходному отрицатель­

2

ному з 1-1ач ению . Схематичн о три состоя ния потенциал­

вр емя (мс)

зав и с имо го натриевого каиала

ин актив ированно е

12-33.

Потенциал де й ствия возникает и з- за быстрого и з ме ­

нения мембранного потенциала . П отенциал п окоя нейрона составля­
ет примерно

-60 мВ .

ме­

яиии и будут сохранять его в течение нескольких милли­

СТИМУЛ

РИС.

инактивирующи.й

ханизм, заставляю щий их быст ро (в течение примерно
миллисекунды) принять особую инактивированную кон­

Потенциал действия (П Д ) возникает, если стимул

-

-

зак ры тое, открытое и

пр едставле ны на РИС.

12-34. Каков ьr

состоя ния этих каналов во время восходящей и нисходя­

щей Lfасти потенциала действия , показано на РИС. 12-35.
ДопоЛJ-1ительным

факто р ом,

позволяющим

мем·

деполяризует мембрану п р имер н о н а

б р ан е вернуться к состоя нию п окоя, служит открыва­

тенциал сдвигается до значения

ни е поте11циал-зависи.м-ых к+ -каиалов (vo ltage-gated К~

20 мВ ; при этом мембранный по­
-40 мВ - порогового значения , при

котором возникает ПД . П ри возникновении ПД п роисходит дальнейшая

channels). Они также открываются в ответ на де поля­

быстрая деполяризация мембраны (красная кривая); мембранный по ­

ризацию мембраны, но не так быстро, как Nа + -каиалы,

а за­

и остаются открытыми все время, по ка мембрана депо­

тем, после завершения ПД , возвращается к отрицательному значению

ля ри зован а. Когда потенциал действия достигает свое-

потенциала покоя . Зеленая кривая показывает, как мембранный потен­

1·0 пика, положителъ н о заряженны е ио ны к+ начин ают

тенциал переходит через нулевое значение и достигает

+40 мВ,

циал возвращался бы к потенциалу покоя после исходного стимула при

вы ход и ть из клетки через эти каналы по своему элеr<·

отсутствии в мембране потенциал -зависимых каналов .

трохимическому градие нту, временно избавившись от

380

ГЛАВА 12. М емб ранный транс порт


РИС. 12-35. Потоки ионов вызывают подъем и падение потен ­

,:s;

циала действия . В изображенном случае потенциал действия вызван

(А)~
2

коротким импульсом электрического тока (А), который частично депо­

:s:

а.

~

ляризовал мембрану (как видно на графике зависимости мембранного

:::;

потенциала от времени) (Б). На (Б) показаны изменения мембранного

:s:"'
,..

потенциала на разных фазах потенциала действия (красная кривая),
вызванные открыванием и посл едующей инактивацией натриевых ка­

~

>,

о

u,..

о

(Б)

2

50

налов. Состояние каналов показано на (В). Даже при повторной сти­
муляции второй потенциал действия не возникнет, пока натриевые
каналы не вернутся из инактивированного состояния в закрытое (см.

рис.

12-34). До

этого мембрана нечувствительна к стимуляции

-

она

находится в состоянии рефракте рности.

отрицател ы-юго МП, удерживающего их в покоя1.цейся

(В)
ф ~

l(Летке. Быстрый выход к+ через поте,-щиал-зависимые

:s:

К+·l(аналы быстре е возвращает мембрану к состоя 1-1ию

о::

ПОI<оя , чем это произошло бы с помощью работы калие­
вых I<аналов постоянного тока.

I

.о

1D 1D
ф

о

о :s: с;
,..
rn

закрытое открытое

о

а.

U

о

,- I

rn rn

U I

n

инактивированное

><

зак ры тое

1

2

время (мс)

КАЛЬМАР РАСКРЫВАЕТ
СЕКРЕТЫ ВОЗБУДИМОСТИ МЕМБРАНЫ
Каждую весну кальмары Loligo pealei мигрируют на мел­

даша. При прочих равных условиях, чем больше диаметр

ководье возле мыса Кейп-Код на восточном побережье

аксона

США. Там они размножаются, давая новое поколение

кальмаров. Кальмары не только встречаются и размножа­
ются, но и обеспечивают для нейробиологов, проводящих
Ji eтo в Морской биологической лаборатории Буде- Холл

(Массачусетс), отличный моделы-1ый объект для изучения

l1ередачи электрических сигиалов по аксонам.
Kai, многие животные, ка11 ьмары выживают благода­
ря поимке жертв и бегству от хищников. Быстрые реф­
лексы, способность двигаться с большим ускорением и

бьtстро меиять н аправление движения помогают им из­
бегать опасности и находить подходящую пищу. Скорость
и ловкость обеспечивает кальмарам специальная система
Реактивного движения. Они втягивают воду в мантийную
110
лост1,, а затем сокращают ее мускулистые стенки, бы­
стро выбрасывая воду через трубчатый сифон, что и обе­
снечивает их продвижение в водной среде.

-

тем быстрее вдоль него передаются сигналы .

В 1930- е годы ученые впервые начали использовать
преимущества гигантского аксона I<альмара для из учения

элеI<троф и зиологии нервных клеток. Благодаря его круп­
ным размерам исследователи смогли вводить внутрь н его
электроды, измерять электрическую активность и следить

за его мембранным потенциалом. Эта экспе риментальная
система позволила ученым поставить многие новые во­

просы о проводимости нейронов, включая вопросы о том,
какие ионы важи ы для возни ю-ювения и распространения

потенциала действия, как в ходе н его меияется проницае ­

мость мембраны и ка ,< изменения МП nлияют на открыва­
ние и закрывание ионных каналов.

Установка в действии
Поскольку аксон кальмара такой длинный и толстый,

Контроль столь активных и скоординированных мы11Jеч , rьrх сокраще ний требует наличия нервной системы,

капилляра электрод, заnолн еиный элект ролитом , чтобы

сnособной передавать сигналы от одного конца тела жи­

его кончик лежал глубоко в цитоплазме ( РИС. 12-36, А) .

вотного к другому с высокой скоростыо. Loligo pealei обла­
дает одними из самых крупных н рвных волокон во всем
)]<11:вотном мире. Гигантские аксоны кальмара достигают

между внутренностью аксона и иаруж,-юй средой, т. е. МП,

1

О см в длину и примерно в 100 раз толще аксонов млеко­

питающих; диаметром они. примерно со стержень каран-

внутрь него можно вставить сделанный из стеклянного

Эта установка позволяет измерить разность потенциалов
а также потенциалы действия, проходящие над кш1чююм

электрода (рис.

12-36, Б).

Сам потенциал действ ия можно

Продолжеиuе иа с. 382

Ионные каналы и передача сигналов нервными клетками

381


КАЛЬМАР РАСКРЫВАЕТ СЕКРЕТЫ ... (продолжение)
плазмалем м а

внутриклеточ ный

акс о на

эл ект род

вызывать кратковреме1 1ной электрической стимулянией
одно1·0 из концов аксона. На самом деле неважно, какой

конец аксона стимул ировать: возбуждение может переда­

40

потен ци ал действия

ваться в обоих направлениях. Неважно таюке, какова сила
стимула, если он превышает определениый порог: потен­
циал действия возникает по принципу ~ вс

CD

::;

или нич ГО>> .

Научившись вызывать .и измерять потенциалы дей­

0

ствия, ученые использовали гигантский аксон кальмара,

tпобы ответить на дру гие вопросы, связаr-тые с возбудимо­

стыо мембраны. Например, какие ионы отвечают за возню<­

-40

новение 11оте1щиала действия? Три иона с наибольшими
о

аксо н

1 мм

(А)

2

мс

4

6

(Б )

концентрациями как внутри аксона, так и во внеклетоtн-юй

среде

это

-

Na+, к+

и с 1-. В равной ли степе ~~и они важны

для генерации потенциала действия? Поскольку аксон

кальмара такой большой и 11роч1iый, можно выдавить из
РИС .

12-36 . С

помощью введенного в гигантский аксон кальма ­

него цитоплазму, ка1< зуб1-rую пасту из тюбика ( РИС . 12-37, А).

ра электрода (А) можно измерить амплитуду потенциала дей­

Затем через внутренность аксона можно пропускать чи­

ствия (Б).

стый раствор

Na+,

к+, С \ · или

SO;· (рис. 12-37, Б); незави­

симо можио изме иять содержание ионов во внеклеточной

среде. В ходе этих опытов было сдела~ю замечательное от-

к анюля для в в еде ния

гигантски й рез иновы й

жид кости

а ксон

п е рфуз ионн а я

а ксо пл аз ма

жид кость

С:::5~-...1.......,_~

~

___.....]@

~

~~~~~=~---::::=====~:_-~езиновая
(А)

12-37.

жидкости

"\

кан юля _____. ,
,,,......,.

,,

7
мембра н а ги га нтского аксона

(Б )

п одложк а

РИС .

.

ток пе рфузион но й

!lflll--•'1,'---,
1 1.

вали к ~..tr~. (цитоплазма аксона)

Можно удалить цитоплазму из аксона и заменить ее искусственным раствором

ионов. ( А) Цитопл азму аксо н а удал яют с п омощью рези н ового валика. ( Б ) П ерфузио нн ый раст вор , со­
держащий требуемую кон це нтрацию ионо в , аккуратно п рокачивают через аксо н .

Это описание ттотеициала действия касается тол1,­

ко неболы.uой части мембраны. Однако самоусилива­
юш:аяся де поляри за ция такого уtrастка достаточна для

В нервных окончаниях благодаря открыванию
потенциал - зависимых кальциевых каналов

электрический сигнал превращается в химический

про­

Когда потенциал д йствия достигает нервных ок.опчаиий

ходят такой же цикл самоусиливающейся де поляри ­

(neгve teпninals) на конце аксона, сигн ал должен ю:1к-то

деполяризации

сосед ни х уlrастков, которые зате м

зации. Так 11 отенциал действия распространя тся, как

переда ваться юtетк.алt-лtишеиям. (taгget

бегущая волна, от исходного участка деполяризации,

ми контактируют эти окончания . Обычно это 11 ейроньr

достигая окончаний аксона ( РИС. 12-39) . Чтобы устра­

или мыше trные кл етки . Передача сигн ала клетке - миш е ни

нит ~, последствия потоков

Na+ и

К+, связа 1н1 ых с про ­

хожде нием потенциала действия, постоянно работает

лроисхо11ит в с п ециализирова нны х

тактах

-

синапсах

(synapses).

cells),

с которы ·

межклетоLJНЫХ кон­

В большинстве си напсов

Nа +;к+ -АТФаза, восстанавливая ио1111ые ерадие нты на

плазмале ммы у п е редающ е й и воспринимающей кл еток

плаз ма11 ем ме аксона.

соответственно, пресииаптическ.ой (pгesy naptic) и постси­

иаптическ.ой (ро

t ynaptic) cleit).

ческой щелью (syпapt i c
ВОПРОС

А О п~ ш ите, использовав не бол ее 100 слов,
де и ствия распростран я ется по аксону.

rl'

•

382

ляет около

12-6
как потенциал

20

-

разделены узкой сииапти­

Обычно ее ширина состав·

нм , и электрический: сигнал пе редаоаться

L!ерез н ее н е может ( РИС. 12-40). Для передачи сооб щения
от одного н е йрона лругому электриt1ес кий сигнал пр ев ра­

щается в химический, передающийся в виде небольших
молекул н ейромедиатора (neL1гotгansinitteг).

ГЛАВА 12. Мембранны й транспорт


крытие: нормальный потеtщиал действия возникает тогда

кл етки ( РИС. 12-38). Таким образом, при измен е нии по­

и. только тогда, когда концентрации

тенциала действия в резуm,тате открывания

Na+и

к+ внутри и сна­

Na+-каналов

ружи аксона бли з ки к естественным . Таким образом, ока­

мембрана проницаема в ос н овном для

залось, ,~то клеточные компоненты, необходимые для воз-

те нциала действия натриевые каналы закрываются, и МП

Na+.

На спаде по ­

11иююв е ния потенциала действия - это плазмале~,rма, ионы

возвращается к отрицательному значению, зависшцему от

Na+и

внеклеточной кон центрации к+ . По мере снижения прони­

к+ и энергия концентрационных гради е нтов этих ио­

нов на мембране; все остальные компоненты, в том числе

цаемости для

другие источники метаболической э нергии, уда.,шлись при

цаемой для К+, чем в покое. Открывание дополнитет,ш,1х

Na+мембрана

становится да.же более прони­

ка.,1 иевых каналов позволяет ускорить возвращение МП к

выдавливании цитоплазмы и промывке аксона.

состоянию покоя. Это подготавливает мембрану к возник­
нов е юно следующего потенциа.,~а действия.

Пропускная способность канала связи

Исследования , выполненные на гигантском аксоне

После выявления первостепенной роли ионов

Na+и

к+ в

калъмара , внесли неоценимый вклад в наше понимание

возниююве нии потенциала действия , появился следую-

нейрональной возбудимости, а ученые, создавшие эту экс­

11щй вопрос : какой вклад вносит каждый из этих ионов?

периментальную

Насколько для каждого из них проницаема мембрана, и

ные исследования, были удостоены в

как меня ется проницаемость в ходе смены потенциала

пре мии [ англичане Алан Ходжкин

действия? И вновь ответы были получены с помощью ги­

Хаксли

систему

(1917- 2012). -

и

выпол 1-1ившие

вышеописан­

1963 г. Нобелевской
(1914- 1998) и Эидрю

Прим. перев. ] .

гантского аксона кальмара. Можно помеиять ко 1-щентра­

ции

Na+и

к+ с внешней стороны мембраны и напрямую

из мерить влияние этих изм енений на МП. Благодаря та­

о;;

s

Т<им исследованиям удалось выяснить, что в покое МП

а,

аJ<сона бл изок к равновесному потенциалу для к+ . При

~

изменениях внеклеточной концентрации к+ потенциал

с:

~

поr<оя аксона изменяется примерно в соответствии с урав­

нением Нернста (см. рис.

::r

В покое, таким образом,

12-30).

-

- 40

:i:

~

мембра,-ш проницаема в основном для К\ как нам теперь
известно, калиевые каналы постояююго тока

о

t;

,:s;

с:

основной

Ситуация для

Na+ резко

отличается. Если изменить

Na+,

на потенциал покоя ак­

2
время ( мс)

nуть для .прохождения ионов через кл еточную мембрану.
внеклеточиую коицеитрацию

о

РИС .
ции

12-38. Форма потенциала действия зависит от концентра ­
Na• снаружи от мембраны . По каза н ны е на р исунке потен ц иалы

сона это не влияет. Однако амплитуда потенциала действия

действ и я во з н ика ют при концент ра ции ион ов

Меняется параллельно изменениям концентрации

де, ра вн ой

Na+ вне

Na• во вне клеточно й сре­

100%, 50% и 33% от норм ы .

Нейром едиаторы запасаются в готовом виде внутри

дит в синаптич:ескую щель. Так бл агодаря потеициал- з а­

н е рвных око1fча1-1ий, где ш,и упакованы в мембранt1ы е си­

висимым Са 2 + -каналам электрич еский сигнал превраща­

наnти чески е везикулы (см. рис.

ется в химический ( РИС.

12-40). Когда

лотенциал

12-41 ).

де йствия достигает нервного окончания , нейромедиатор
ВЬtсвобождается из нервного око1-гча1-1ия п уте м э кзоцитоза

(см. гл . 15). Взаимосвяз ь м ежду поте нци алом действия и
секрецией обеспечивает акги вация еще одного типа по-

1·енциал -зависимых катио~1 ных каналов. Деполяризация
ГLJrаз малеммы нервного окон,1а1-1ия под действием потен­

циала действия вызьшает врем енное открывание потеици­
СLJ~ -зависимых Са 2 + -1шиалов ( voltage-gated Са 2 + -c11annels),
сконце нтрированных на плаз малемм е пресинаптического
Нервного оконч а ния. Поскольку конце нтрация Са 2 + вне
lО1етт< и более ч е м в 1000 раз превышает вн утриклето,шую
1 01
< -ще нтрацию свободного Са2 + в цитозоле, Са 2 + через от1< Рытые 1<аналы устре мля ется в не рвное окончание. Повы1.i! е ние ко 1ще 1-1тра ции Са 2 + в цитоз оле ,-,срвного оконч:а ,шя
запус кает слияни е некоторых пуз ырьков , содержащих

1-rе йром слиатор , с п лазмал еммой, и н ейромедиатор выхо -

Медиатор-зависимые каналы
на клетках-мишенях превращают химические

сигналы обратно в электрические
Выделенный нейромедиатор быстро диффундирует че­
р ез си1-1аптическую щель и связ ывается со своими реце п ­

торами ,

сконцентрированными

на

постсинаптич еской

мембране клетки-мишени . Связывание нейромедиатора
с е го ре це пторами вызывает из ме нени е МП клетки-ми­

шени , которое может запуститъ потенциал действия. За ­

тем н йромедиатор быстро удаляется из сина.птической
щели

-

либо с помощью расще пляющего его фермента,

л ибо путем обратного поглощения (нервным окончанием ,
выделившим его, или соседними клетка ми). Это бы строе
уд аление не йромедиатора ограничивает сигнал во вр е м е -

Ионные каналы и передача сигналов нервными клетками

383


РИС .

12-39.

Потенциал действия

может распространять•

(А)

направление распространения потенциала действия

ся по аксону. (А) На схеме показан результат регистрации мем­

бранного потенциала на трех участках аксона
мя

внутриклеточными

длине .

Обратите

электродами ,

внимание ,

что

и

V3 )

тре-

распределенными

по

его

амплитуда

(V1, V2

потенциала

аксон

дей-

~

ствия не убывает при его распространении . Направление рас­
пространения потенциала действия показано красной стрел кой .
(Б) Изменения состояния натриевых каналов и токов , проходя щих

через мембрану (оранжевые стрелки), изменяет мембранный по ­
тенциал и приводит к возни кнове нию потенциала действия, рас­

пространяющегося по аксону (см . ВИДЕО

12.8).

Участок аксона с

деполяризованной мембраной показан синим . Обратите внимание ,
что потенциал действия может распространяться от деполяризован ного участка только в одну сторону, так как с другой стороны от этого

участка натриевые каналы инактивированы (см . также рис .

12-35).
о

1

3

2

время (мс)

(Б)

состояние аксона в момент времени

t=О
направление распространения потенциала действия

натриевые

закрыты

инактивированы

открыты

закрыты

каналы

+

+

+
мембрана
аксона

+

реполяризована

деполяризована

состояние аксона в момент времени t

натриевые

в состоянии покоя

= 1 мс

направление распространения потенциала действия

инактивированы

закрыты

плазмалемма аксона

открыты

закрыты

каналы

+

+

+
мембрана

+
реполяризована

деполяризована

цитозоль аксона

в состоянии покоя

аксона

ни и обеспеУ.ивает ~ молчащее ,> состояние клетL<и-мишени,

открываются в ответ на связывание н ей ром едиато ра , изм е ­

когда ~ молчит,> г1рес инаптич еская клетка.

няя ио1нrую проницаемость постсин а птич еской мембраны.

Существует несколъко типов рецепторов н ейромед иа­

Это, в свою очередь, вызывает и зм е нения МП (РИС . 12-42).

торов; н екото рые вызывают относительно м.едле~1ные реак­

Если и з ме н е ние достатОLJНО велико, оно может запуст итъ

ции клеток-миш е ней, другие - более быстрые. Быстрые от­

потенциал действия в постсинаптической клетке. Хоро­

-

веты

с длителъ ностыо порядка миллисекунд

-

зависят от

uouompom-tьL"C рецепторов, или медиатор -зависимых uo1-t1-tЪL"C
ка1tалов (transmitteг-gatecl iоп channels). Они представляют
собой подгруппу лиганд-зависимых ионных каналов (см.
рис.

12-25, Б). Их функция заюночается в том, что они

пре­

шо изуч е н прим е р м еди ато р- з ависимых ионных каналов

в иервио-мышечuом контакте,
juл ctjo п)

-

wtu cuuance

(ne L1гoinu scпlaг

особом типе синапса между 1-1 е рв1-юй и попереч­

нополосатой мышечной клетками. У позвоночных действу­

ющий здесь нейромед иатор

- ацетилхолии (acetylcholine),

вращают химический сигнал, пе редающийся нейромедиа­

а медиатор-зависимый ионtrый канал - ацетилхолu1ювый

тором , обратно в электр ич еский сигнал . Каналы време нно

рецептор (acety l c h oliп e гeceptor) ( РИС . 12-43).

384

ГЛАВА

12. Мембранный транспорт


пресинапти ч еское

пузырьки

с ней р омедиатором
(Б)

РИС.

12-40. Нейроны передают химические сигн алы

в синапсах. Эл ектро н ная микрофотография

( А ) и схема (Б) п о п еречного среза через два нервных окон ч а н ия (желтые), формирующие сина п сы н а
одн ом и том же дендрите ( голубой) в моз ге млеко п и тающего . О братите в н имание , что и п ресинапт и ч е­
ская, и постсинапти ч еская мембра н ы синапса утолще н ы. (А- с разреше н ия

Нейроны получают возбуждающие

ato 1·y

и тормозные сигналы

вероятность

Cedric Reine.)

п е ш·о п s ) , стимулируют клетки - мишени, повышая
возникновения

пот е нци ала

действия

на

и х мембра1-rе. Тормоз ные нейромедиаторы, вы деляем ы е

От ветом на действие нейромедиатора в синапсе может
быть или возбуждение, или торможение клетки-мишени.
Возбуждаю щие н ей ромедиаторы , выделяемы е нервными
Оl<О 1'rL1аниями аксонов возбуждающих иейроиов

(excit-

1-1 е рв~1ыми

окончаниями

аксо нов торлюзиых 1-tейроиов

(inЪiЬitoгy n e uгo11s) , оказывают противоположное воз­
действие: они затрудняют возбужде1-1 11е потсин аптич е­
ской клетки. Яд кураре, кото рый южноаме риканские ин ­
дейцы использовали для отравленных стр ел, а хирурги

НЕРВНОЕ ОКОНЧАНИЕ
в состоянии покоя

прим еняют для расслабле ния мышц во вре мя операций,

АКТИВИРОВАННОЕ
НЕРВНОЕ ОКОНЧАНИЕ

АКТИВИРОВАННОЕ

АКТИВИРОВАННЫЙ

НЕРВНОЕ ОКОНЧАНИЕ

СИНАПС

н ер вны й
и мпульс

(эл ект р и­
ч еский

сигнал )

высвобождение

нейромедиатора ---,

1

~

~---------

(хи м и ч еск и й сигнал)

......

клетка

по стсинаптическая

РИС. 12-41. В нервном окончании электрический сигнал превра­

клетка

щается в химический . Когда потенциал действия достигает нервно­

РИС.

го окончания , открываются потенциал-зависимые кальциевые канал ы

нал лиганд- зависимые ионные каналы в синапсе . В ыделившийся

8 nлазмалемме, и ионы Са 2 + входят в цитоплазму аксона. Повыше н ие

нейромедиатор связ ы вается с лиганд-зависимыми ионными каналами

12-42.

Химический сигнал превращают в электрический сиг­

концентрации Са 2 • в нервном окончании стимулирует слияние синапти­

на пл азмалемме постси наптической клетки и открывает их . Возникающие

Ческих везикул с преси наптической мембраной; в результате нейроме­

ионные токи ме н яют мембран н ый потен циал постси наптической клетки ,

Аиатор выделяется в синаптическую щель.

в н овь п ревращая хими ч еский сигнал в эл ектри ч еский ( ВИДЕО

12.9).

Ионные каналы и п е редача си г налов нервными клетками

385


липидный

бислой

/
т

4 нм

1
(Б)
отрицательно

заряженные аминокислоты

ОБЩАЯ СХЕМА СТРОЕН И Я

РИС.

ЗАКРЫТАЯ КОНФОРМА Ц ИЯ

12-43. Ацетилхолиновый

ОТКРЫТАЯ КОНФОРМАЦИЯ

рецептор, находящийся на плазмалемме мышечных клеток,

открывается при связывании с ним нейромедиатора ацетилхолина, выделяемого нервами.

(А) Этот лиганд-зависимый ионный канал состоит из пяти трансмембранных белковы х субъединиц,
совместно формирующих водную пору, проходящую сквозь липидный бислой . Стен ки поры обра зо ­

ваны пятью трансмембранными а-с пиралями

-

по одной из состава каждой субъединицы. (Б) От­

рицательно заря женные ради к алы аминокислот на обои х краях поры (по казаны на рис . как красные
знаки

«- »)

основном

обеспечивают избирательное пропус кание только полож ительно заряженных ионов, в

Na+и

к+ . На этой схеме субъединица , показанная синим цветом на предыдущем рисунке ,

убрана, чтобы был виден канал поры . Когда бело к - канал находится в за крытой конформации, пора
блокирована гидрофобными радикалами аминокислот, расположенными в районе, называ е мом во ­
ротами . (В) При связывании ацетилхолина с белком-каналом он переходит в открытую конформа­

цию . Гидрофобные радикалы раздвигаются , и ворота от к рываются . Это позволяет ионам

Na+вх одить

клетку по электрох имическому градиенту. Ионы к + перемещаются по эле ктрохимическому градиенту
в противополож ном направлении (не по каз ано). Даже после связывания ацетилхолина ка нал случай­

ным образом переходит из открытой конформации в закрытую и обратно (см . рис .

12-24); одна к о

в

отсутст вие ацетилхолина канал редко от к рывается .

вызывает паралич, блокируя передачу возбуждающих

тор, каналы открываются, но лишь очеиь небольшое количе­

сигналов в нервно -мышечных синап сах. Противополож­

ство ИОНОВ С] · ВХОДИТ В клетку, ПОСКОЛЬКУ В СОСТОЯНИИ ПОКОЯ

ным действием обладает стрих 1шн

движущая сила для ионов с1- на мембране близка к нулю.

-

обычный ком п о­

нент крысиного яда: он вызывает судор оги, конвульсии и

Однако если в тот же момент возбуждающий нейромедиа­

смерть, блокируя передачу то рмозных сигналов

то р отк роет натриевые каналы, деполяризация, вызывае мая

[стрих­

нин блокирует п ередачу тормозных сигналов внутри

вхождением в клетку Na+, вызовет и вхождение с1- через от­

спинного мозга.

крытые каиалы, что нейтрализует деполяризующий эффект

-

Прим. перев .].

Возбуждающие и тормоз ны е нейромедиаторы связы ­

Na+( РИС. 12-44) . Так тормозные н ейро м едиаторы подавтпот

ваются с разными рецепто ра.ми; имешю от тила рецепто ра

зависит различие между возбуждением и торможением.
Главные рецепторы возбуждающих нейромедиаторов, в пер­
вуто очередь ацетша:олииа

ta.mate), -

(acetylcholine) и глутамата (glн­

это лиганд-зависимые катиою-rьте каналы. Когда

ВОПРОС

12-7

А При миастении в организме человека по ошибке вырабаты­

rl' ваются

8

антитела к собственным рецепторам ацетилхолина.

Эти антитела связываются с ацетилхолиновыми рецепторами

с ними связывается ней ромедиатор, каналы открываются,

на плазмалемме мышечных клеток и инактивируют их . Болезнь при­

катионы входят в клетку, происходит де поляризация плаз­

водит к сильной прогрессирующей мышечной слабости . Например,

малеммы, и МП достигает порога, необходимого для запуска

больным на ранних стадиях заболевания трудно поднимать веки , от­

потенциала действия . Поэтому ст имуляция таких рецепто­

крывая глаза, а кроликам, используемым как модельные объекты при

ров обычно вызывает активацию постсинаптической клетки.
Рецепторы тормозных нейромедиаторов (главные из кото­

рых - у-ами1юмасш11ю.я "КUслота, ГАМК (y-aminobutyric acid,

GABA)

и глиции

(glycine) ) -

это, напротив, л иганд-зависи­

мые хлорные каналы. Когда с ними связывается нейромедиа-

386

ГЛАВА 12. Мембранный транспорт

изучении болезни, трудно держать уши вертикально. По мере того как

болезнь прогрессирует, ослабевает большинство мышц, и больные
испытывают затруднения при речи и глотании . Нарушения дыхания

могут приводить к смерти . Объясните , какой этап в функционирова­
нии мышц нарушен при этом заболевании .


возбуждающий

ВОЗБУЖДАЮЩИЙ СИНАПС

++++

нейромедиатор

связ ы ваясь

Na

+

ионными

каналами.

---

эргическими хлор ными каналами. После их связ ыва ни я ка­

ция

н алам легче открыться под воздействием ГАМК, что делает

клетки более чувствительными к тормозному воздействию
ГАМК. Напротив, ,u-1 тидепрессант прозак блокирует обрат­

вход ионов Na +де поляризует
мембрану, повышая вероятность

н о всас ывание возбуждаrо ще 1'0 н е йром едиато ра серотоии ­

возникновения потенциала

иа (se 1·otoпi11) , повышая его соде ржани е в тех син а псах, где

дей ствия

используется этот нейромедиатор. Поч ему при этом облег­

тормозной

чаются симптомы де прессии, до сих п ор остается загадкой.

не й ромедиатор

++++

медиатор-зависимыми

как валиум, амбиен и феназепам, связ ывюотся с ГАМК­

+ +

АКТИВА- _ ___:

ТОРМОЗНОЙ СИНАПС

с

Например, барбитураты и ТаJ(ие ус покаи вающи е средства,

АКТИВА-

---

Разных

~

++++

++++

р ец епто ров

нейромедиаторов

очень

вых семейств . Например, существует большая группа под­

ция

типов ацетилхолиновых, глутаматных, Г АМК-эргических,

rлиц иновых и серото п иновых рецепторов; обычно 01-rи

вход ионов CI - гиперполяризует
мембрану, снижая в е роятность

расположены t ia разн ы х нейронах и лишь слегка разли­
<rаются по своим свойствам . При таком раз нообразии ре­

возникновения потенциала

це п торов можtю создать ново е поколе ни е п с и хот ропны х

действия

РИС. 12-44. Синапсы бывают возбуждающими и тормозными .
Возбуждающие нейромедиаторы активируют ионные канал ы , через
которые в клетку входят Na+ или Са 2 +, а тормозные

типов

много, хотя все они относятся к н ебольшому числу белко­

-

ионные ка налы,

ч ерез которые в клет ку входит с 1- .

ле1(арств, которы е будут действовать более избирательно
на определенный набор нейронов и облегчать ментальные
болез н и, наносящие ущерб сто1tь многим человеческим
жизням. Нап ример ,

1% человеческой популяции страдает
1% - от маниакально-депрессивного
п сихоза, и гораздо большее число людей - от тревожности

от шизофрении, еще

генерацию потенциалов действия: при их воздействии клет­

или депрессии.

ку-мишень ~-ораздо сложнее деполяризовать.

Распределение и функции этих и некоторых других
тиrrов ионных каналов, рассмотренных выше, представле ­
ны в ТАБЛ. 12-3.

Синапсы позволяют человеку думать,
действовать и запоминать
В синапсе нервные око нчания пресинаптической клетки
превращают электрич еский с и гнал в химический, а по ст­

Медиатор-зависимые ионные каналы -

синаптическая клетка превращает химический сигнал об­

главные мишени психотропных веществ

ратно в электрический. Воздействие н а эти процессы, и к

Большинство лекарств, используемых для лечения бес­

с ч астью и

сонницы, тревожности, депрессии и шизофрении, воз­

чение. Но почему эволюция выбрала такой, как представ­

действуют на синапсы мозга, и многие из них действуют,

ляется, неэффективный способ передачи электрических

I(

несчастью, имеет огромно е практическое з н а­

ТАБЛИЦА 12-3. Некоторые примеры ионных каналов
Ионный канал

Характерная локализация

к• -канал постоянного тока

Плазмалемма большинства клеток животных Поддержание мембранного потенциала в покое

Потенциал-зависимый Nа•-канал

Плазмалемма аксонов нервных клеток

Генерация потенциала действия

Потенциал-зависимый к•-канал

Плазмалемма аксонов нервных клеток

Возвращение потенциала к состоянию покоя

Функция

после нервного импульса

Потенциал-зависимый Са 2•-канал

Плазмалемма нервных окончаний

Стимуляция выделения нейромедиатора

Ацетилхолиновый рецептор

Постсинаптическая мембрана

Передача возбуждающих сигналов

(ацетилхолин-зависимый Na•- и Са 2• -канал) *

Глутаматный рецептор (глутамат-зависимый
Na•· и Са 2• -канал)
ГАМК-рецептор (ГАМК-зависимый с1--канал)

мышечных клеток

Постсинаптическая мембрана

Передача возбуждающих сигналов

многих нейронов

Постсинаптическая мембрана

Передача тормозных сигналов

многих нейронов

Глициновый рецептор (глицин-зависимый с,--канал) Постсинаптическая мембрана

Передача тормозных сигналов

многих нейронов

Механочувствительный катионный канал
Волосковые клетки внутреннего уха
Восприятие звуковых колебаний
• Большинство типов ацетилхолиновых ионотропных рецепторов проницаемы в основном для ионов Na' и К'. - Прим. перев.

Ионные каналы и передача сигналов нервными клетками

387


сиПiалов? Более эффективной кажется пря мая элект ри ­

и благодаря этом у выпот1яп, ко н кр п,ые зада чи . Кром е

ч еская связr, между лре- и по стси н алтич еской 1<летками

TO l' O, ио нн ы

или полное избавление от си напсов и образование ед и1-юй

пр ете рн евать длитель н ы е и зме нения в зав исимо сти от их

клетr<И-СИ J IЦИТИЯ.

пр ед ш ествующего использова ния , сох р аняя след ы

Значение си н ап сов, способных к обработк

х имич.е­

1-~и х

1<а н алы И друг и е l<OMПOJ l e lГ TЫ си н а н сов могут

-

с ки х с ип-,алов, становится 1 юнятным , ес; 1и мы р ассмотрим

ны

и х работу в контексте фу нкционирова ния всей н е рв н ой

н ам действоват ,,, думать, LJувствовать, говор ить и

с и стемы

-

огром н ой сет и нейронов , связанны х множ

-

ством разветвленных п у тей, выпол няющих слож ны е вы ­

11р еж-

обытий . Та1< возни кает п амять. Та 1(им образом, ион­
1<аналы

это са мо е сердцем ха ни змов, позволяю щи х

воз м ож н о, важ н.ее всего

-

что ,

запомин ать что-либо, проч и ­

-

тан н ое в к н игах оро/( е этой.

числ еиия, обеспечивающих хран ение памяти и п ла ниру ­
ющих действия. Чтобы выполнять эти фу нкции , н е йроны
должны н е про с то ге н ерировать и пе р едавать с иrн а1 1 ы : о ни

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

долж ны также их комбю,ировать, 1нrтер прети ровать и за­
пи сыв ать. Име ,ню х имические син а пс ы делают это воз­

•

Липидный бисJЮЙ клеточных мембран проницаем для ма­

можным. Например , мото рны й н ей рон в с пинно м мозге

лых непшшрных моле,сул, таких как кислород или д иок ­

п олу ч ает входящие сигналы от соте н

сид у1·;1ерода, и очень мел1сих пол ярных моле ,сул

ил и тысяч других

нейронов, образующих на н ем с инап с ы ( РИС.

12-45). Не­

которы е из этих сигналов возбуждающие, а другие

-

-

таких,

как вода . Он практически н е проницаем дл я больШЮJства

тор ­

крупных

водорастворимых

мол е кул

и

ионов .

Перенос

мозные. Моторю,rй ней рон должен обобщить всю посту­

питател 1,ных вещест в , других метаболитов и ионов ч ерез

п ающу ю к нему информацию и отреагироват ь либо пе ре­

плазмале мму и внутренние мембраны клетки осуществля­

дачей поте нциалов действия по аксон у, чтобы заставить

ют мембранны е транспорт ны е белки.

сок ра щат ься мышцу , л ибо сох ранени ем состояния 1юкоя.
Эта задаLJа

•

Клеточные мембраны содержат множест во транспортных

вычисление правиль ного <<выходного ~

белков, кажд ый из которых отвеча ет за перенос ч е рез

сигнала н а основа нии многоголос ицы ~ входя щи х,> с игна ­

мембрану определе 1пюrо типа растворенных веществ. Су­

лов

ществ ует д ве основных раз новидности мембранных транс­

-

выполняется благодаря сложным взаимодействиям

-

между раз ными типами

ионных ка н алов в

портных белков

плазмале м ме

н ей рона . Каждый и з сотен типов н ей ро~юв вашего мозга

•

-

белки-переносчики и каналы.

Движ е ние иона •1ерез мембран у определ яется

имеет собственный характер ный набо р рецепторов и и о н ­

химическим

ных каналов, что

концентрации и эле 1стрическоrо поля.

позволяет клетке отвечать о пр еделен­

ным образом на кщ1кретный н або р входящи х си гналов

•

гра д и е нтом ,

скла д ывающимся

ero электро­

из

градиента

При пассивном транспорте незаряженные молекулы само­
прои з вольно дв ижутся по градиенту ко1щентрации, а за ря ·

женные частю~ы (ио11ы)

-

по электрохимическому гради­

е нту; направление молекул воды зависит от осмотического

концентрационного градиента. При активном транспорте
мо лекулы и ионы движ утс я против градиента концентра-

ции или эле ктрохимического

градиента,

и этот процесс

требует затрат энергии .

•

Б еmси-п е реносчюси

связывают

специфичные

ве щества

(неорганич ес кие ионы, малые орrани•1 еские молек ул ы или
оба этих типа) и переносят их •1 е р ез липидный бислой, щ>е ­

терпевая копформацио1н1ы е и з менения, при 1соторых сай­
ты связывшrия веществ 01сазываются сначала на одной , а

з ате м на другой стороне мембраны .
(А)

(Б)

•

Белки-п е ренос•1ики могут действовать 1сак насосы, пе реправляющи е вещества против эле ктрохими•1ескоrо гради­

РИС.

12-45.

ента; при этом они используют энергию гидролиза АТФ,

На дендритах и теле мотонейрона спинного мозга

градиентов

формируются тысячи синапсов. (А) Тысячи нервны х окончаний фор­
мируют на мотонейроне синапсы. Синапсы передают информацию от

•

Na+ин+ или энергию света .

Nа + -к+ -насос плазмалеммы животных клеток

- это АТФа­
Na+и закачивает
поддерживан крутой градиент Na+на плаз малем ·

разных частей тела жи вотного и контролируют частоту импульсо в , пере­

за, которая активно выка•1ивает из клетки

даваемы х по аксону мотонейрона. (Б) Н е йрон крысы в культуре клето к.

в нее К+,

Тело и дендриты клетки (зеленые) окрашены флуоресцентным антите ­

ме. Этот градиент используетсн ка,с источник энергии дю1

лом к одному и з белков цитоскелета . Тысячи о кончаний аксонов (крас ­

др угих видов активного транспорта, а также для п е реда''"

ные) други х нейронов (которы е не видны на фото) образуют синапсы на

поверхности клетк и ; они окра шены флуоресцентным антителом к белку

эле кчжческих сип1алов.

•

Б ел ки-каналы формиру ют водные поры, про11изьшающt,1 е

синаптических пузырь к ов . Электрические сигналы, приходящие по аксо ­

липидный бислой, через которые могут диффундироват1,

нам, передаются через синапсы , а затем вдоль дендрито в к телу клетки .

растворе нны е вещества. В то 11р ем я как переносчики осу·

Передач а этих сигналов за ви сит от движения ионов ч е р ез плазмалемму

ществлнют шстивный или пассивный транспорт, транспорт

нервны х клето к. (Б - с ра зре ш е ния

через каналы 11сеrда па сс ишtый.

388

Olaf Mundigl и Pietro de Camilli .)

ГЛАВА 12. Мембранный транспорт


•

Бол ышшстnо канал оu н ал ы ,

по з во л яющи е

это и зб ира тельные ионны е I,а ­

н е орга нич ес ким

ионам

подх од ящ е ­

.-о размера и з аряда пе ресе кать мембра ну, дви гаясь по

В ОПРОС

12-8

эле Iпрохимич есI,ому гради е нту. Транспорт ч е р ез ионны е

На рис .

12-6

канал ы происходит I, ак минимум в 1000 раз быстрее, ч ем

пассивный транспорт растворенного вещества по градиенту

тран спорт с помощью п е р е носчиков . Существуют также
каналы , пропусI, ающи е во ду и д р уги е м елки е мо лекул ы

•

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

.

изображен белок- переносчик, осуществляющий

концентрации через мембрану. Что нужно изменить на схеме,
чтобы превратить этот белок в белок- насос , который перено ­

Большинство ионных каналов им еют воротный м е хани з м.

сит вещество против эле ктрохимического градиента , используя

Они вр е м е нно открываются в ответ на сп е цифичны е сти­

энергию гидролиза АТФ? Обоснуйте необходимость каждого из­

мул ы , таки е как измен е Iшя м е мбра нного поте нциала (по­

менения н а рисунке .

те нциал- зависимые канал ы) или связ ывани е в е ще ства-ли­

•

•

•

•

•

ганда (лиганд-зависимые каналы).

ВОПРОС

Даже при возде йствии соответствующею стимула каналы

Выберите верные утверждения . Свой ответ обоснуйте.

12-9

не остаются открытыми постошшо; они слу•шйным обра­

А. Плазмалемма практически непроницаема для всех ионов.

зом переходят и з открытой 1<011формации в заI,рытую и об­

Б . Для избирательного пропускания растворенных веществ ка ­

ратно. Активирующий стимул у величивает время, которое

налы должны сначала связывать и х молекулы .

каналы проводят в открытом состоянии .

В . Белки-переносчики пропус кают растворенные вещества че­

Мембрашfый потеIщиал определяется неравным расrIреде­

рез мембрану гораздо быстрее , чем каналы .

ление м зарядов по разны е стороны плазмалеммы. 011 изме­

Г. Некоторые протонные насосы используют световую энергию.

няется при прохождении ионов через открытые каналы. В

Д. Плазмалемма многи х животных клеток содержит открытые ка­

большинстве животных Iшеток калиевые каналы постоян­

лиевые каналы , и тем не менее концентрация к• в их цитозоле

ного тока отвечают за поддержание отрицательных з на•Iе­

гораздо выше , чем во внеклеточной среде .

Iшй м ембранного потенциала в состоянии покоя , коI·да дви ­

Е. Симпортер можно превратить в антипортер, если поменять

жущая сила для к+ на ме мбране практич ески равна нулю .

его ориентацию в мембране (т. е . если часть молекулы , в норме

Нейроны передают сигналы в виде потеIщиалов действия,

обращенную к цитозолю , повернуть так , что она будет обращена

способных преодоле вать большие расстояния по аксонам

во внешнюю среду) .

без затухания. Потенциалы действия обычно возникают

Ж. Мембранный потенциал аксона временно становится более

Щ>и открьшании потенциал- зависимых натри е вых канал ов

отрицательным , когда он возбуждается и на нем возникает по­

в ответ на деполяризацию мембраны.

тенциал действия .

Потенциал-зависимые

I,альциевые

I,анал ы

в нервных

ок ончаниях под действи е м нервного импульса вызьmают

ВОПРОС

выдел е ние н е йром едиаторов в синапсах . Нейром едиатор­

Располож ите следующие вещества в порядке увеличения прони ­

зависимые ионны е каналы на постс инаптич е ской м ем бра­

цаемости для них липидного бислоя : РНК , Са 2 •, глюкоза , этанол ,

I1 е клето1,-мишен ей пр е вращают эти химич е ски е сигнал ы

N2, вода .

12-10

об1>атно в электрические .

Возбуждающие нейромедиаторы открывают медиатор-за­
висимы е кан алы , проница е мые для

Na+,

вызывая де поля­

ВОПРОС12-11

Укажите между перечисленными парами понятий хотя бы по од­

ризацию мембраны постинаптич еской кл епш , в резуль­

ному сходству и одному различию (ответить на вопрос помогут

тате ч е го

определения из словаря терминов) .

щ>и достиж е нии

пороI·а воз ника ет поте tщи ал

де йствия. Тормоз ные н ей ром едиаторы открывают мед иа­

А . Симпорт и антипорт.

тор-зависимые I, аналы для ионов с1 - , что пр едотвраща ет

Б . Активный транспорт и пассивный транспорт.

импул ьсацию клетки - миш е ни , подде рживая пол яризован­

В . Мембранный потенциал и эле ктрохимический градиент.

но е состояние ее м е мбраны.

Г. Белок-насос и белок- переносчи к .
Д . Ак сон и телефонный провод .
Е . Растворенное вещество и ион .
ВОПРОС

12-12

Оцените следующее утверждение : « Различия между белком-ка­
налом и бел ком - переносчиком похожи на различия между мо­
стом и паромной переправо й ».
ВОПРОС

12-13

Нейромедиатор

ацетил холин

синтезируется

в

цитозоле

и

.....

транспортируется в синаптические пузырьки , где его концен­

nорт

ствии АТФ . Ионы

nассманwА ,рано,

трация более чем в

100 раз

выше , чем в цитозоле . Выделенные

и з аксона синаптичес к ие пузырь к и могут поглощать из раство ­
р а дополните льные порции ацетилхолина , но толь к о в присут ­

Na+для поглощения а цетил холина не требуют-

Вопросы в конце главы

389


ся , но примечательно , что повышение рН раствора , в котором
находятся пузырьки , повышает скорость поглощения ацетил­

ВОПРОС

холина. Кроме того , его транспорт в пузырьки подавляется при

Как будет описано в гл.15 , внутри эндосом (мембранных орга ­

12-19

добавлении ядов , делающих мембрану проницаемой для ионов

нелл) низкое значение рН (среда кислая) , что необходимо для и х

н • . Предложите механизм транспорта , который объяснял бы

нормального функционирования . Закисление внутренней среды

все эти особенности .

эндосом обеспечивает протонная помпа , расположенная в их

мембране . Мембрана эндосом содержит также хлорные каналы.
ВОПРОС

Если нарушена их работа (например , из-за мутации гена , коди­

12-14

Потенциал покоя на мембране клетки составляет около
толщина мембраны

-

-70 мВ , а

около 4,5 нм . Каково напряжение электри­

рующего канальный белок) , то нарушается и транспорт протонов
в эндосомы.

ческого поля на мембране в В/см? Как вы думаете , что произой­

А. Объясните , как с 1· -каналы помогают обеспечить закисление

дет, если приложить эту силу к двум металлическим электродам,

среды в эндосомах .

разделенным воздушным зазором в

Б . Подразумевает ли в вашем объяснении , что хлорные каналы

1 см?

абсолютно необходимы для понижения рН внутри эндосом?
ВОПРОС

12-15

Фосфолипидный бислой формирует в воде замкнутые сфери­

ВОПРОС

ческие пузырьки (см . гл .

Некоторые бактерии могут расти, используя в качестве един­

11). Допустим,

зырьки , в которых единственный белок

вы сконструировали пу­

12-20

это Nа•-к•-насос ; для

ственного источника углерода либо этанол (СН 3 СН 2 OН) , либо

простоты предположим, что каждая молекула насоса за один цикл

уксусную кислоту (СН 3 СОО · ) . Д-р Швипс измеряет скорость , с

переносит один ион

-

Na• в одну сторону и один ион к• -

в противо­

которой два эти вещества пересекают плазмалемму бактериаль­

положную. У всех этих насосов та часть белка , которая обычно на­

ной клетки , но из-за избыточного вдыхания одного из веществ

правлена в цитозоль, находится на наружной стороне пузырьков .

(интересно , какого?) забывает аккуратно подписать результаты

Используя рис .

измерений :

12-11 , определите, что произойдет, если:

А . Ваши пузырьки помещены в раствор , содержащий ионы

Na•

и к• , причем концентрации этих ионов внутри них такие же, как

Скорость транспорта (мкмоль/мин)

Концентрация
источника углерода (мМ)

Вещество А

Вещество&

Б . Вы добавили АТФ к раствору, описанному в пункте (А) .

0,1

2,0

18

В . Вы добавили АТФ , но раствор

0,3

6,0

46

1,0

20

100

3,0

60

150

10,0

200

182

в растворе.

снаружи

-

содержиттолько ионы

-

как внутри пузырьков , так и

Na• (без к• ) .

Г. Вы добавили АТФ, но при этом половина насосов в пузырьках
ориентированы так, как описано выше , а половина

-

таким об­

разом, что их цитозольная часть смотрит внутрь пузырьков .

Д. Вы добавили АТФ к раствору в ситуации , описанной в пункте
(А) , но ваши пузырьки содержат кроме Nа•-к•-насосов еще и

А . Постройте графики зависимости с корости транспорта ве­

к•-каналы постоянного тока .

ществ от их концентрации .

Б . Определите с помощью графиков , что представляет собой ве­
ВОПРОС

щество А

12-16

-

этанол или уксусную кислоту.

Назовите три типа воздействий , которые могут влиять на откры­

В . Определите скорость транспорта для веществ А и Б при кон­

вание ионного канала.

центрациях

0,2 мМ

и

100 мМ

(для ответа нужно знать основы ки­

нетики ферментативных реакций , изложенные в гл.

3) .

ВОПРОС

12-17
На плазмалемме клетки объемом 1000 мкм 3 открылась тысяча
Са 2 •-каналов. Концентрация Са 2• в цитозоле клетки - 100 нМ .

Через ацетилхолин-зависимые катионные каналы могут свобод·

В течение какого времени каналы должны оставаться откры­

но проходить ионы

тыми , чтобы концентрация Са • в цитозоле выросла до

вании ацетилхолина с этими каналами на мышечных клетках на ­

2

5 мкМ?

ВОПРОС

12-21

Na•, к• и Са 2 • .

Объясните , почему при связы­

Источник Са 2 • во внешней среде практически неисчерпаем (кон­
центрация Са 2• в среде , в которой обитает большинство клеток

блюдается преимущественно вхождение в клетку ионов

животных, достигает нескольких миллимолей) , а через каждый

ВОПРОС

2

канал проходит около 10 ионов Са •в секунду.
5

Na•.

12-22

Ионные каналы , регулируемые связыванием нейромедиаторов
(например , ацетилхолина , глутамата , ГАМК или глицина) , име ­

ВОПРОС

12-18

ют сходную структуру . Однако каждый класс этих каналов вклю­

Клетки животных поглощают аминокислоты с помощью белков­

чает набор очень разнообразных подтипов , различающихся

симпортеров на их плазмалемме . Как вы думаете , электрохи­

сродством к лигандам , пропускной способностью , скоростью

мический градиент какого иона , скорее всего , обеспечивает

открывания и закрывания . Как вы считаете , облегчает или за­

поглощение аминокислот? Расходуется ли при этом АТФ и если

трудняет такое разнообразие разработку и применение новых

да , то для чего?

лекарств?

390

ГЛАВА 12. Мембранный транспорт

..


РАСЩЕПЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

кулы, такие как жирные кислоты и белки , тоже служат
источниками

САХАРОВ И ЖИРОВ

энергии, если

проходят

по

соответствую­

щим метаболическим путям. Мы также увидим, сколь

РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА

разнообраз ны молекулы, получаемые при рас щепл е нии
сахаров и жиров, и как они используются для создания
м акромол екул в клетке.

Как мы обсуждали в гл. 3, клетки постоянно иуждаются в

В итоге мы изучим , каr< клетки регули руют свой ме­

энергии, Lпобы создавать и подде рживать биологическую

таболизм, и хранят пищевые молекулы для посл еду ющих

Уnорядоч е 1-1ность, позволяющую им оставаться живыми.

метаболических нужд. Как клетки производят основную

Эта э нергия переходит и з химических связей в молекулах

часть необходимого им АТФ, обсуждается в гл.

14.

еды, служа щей для клеток топливом.

Наверное, самые важные топливные молекулы

-

это

сахара. Растения создают собственные саха ра из С0 2 с
помощью фотосинтеза. )Кивотные получают сахара и
друп-1е мол екулы, такие как крахмал, которые легко рас­

РАСЩЕПЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
САХАРОВ И ЖИРОВ

tцеr~ляются на сахара, у потребляя в пищу другие организ­

Если бы эн е ргетическая молекула, такая как глюкоза,

мы. Как бы то ни было , процесс окисления сахаров для

окисля J~ась до СО 2 и Н 2 0 за одну стадию (что прои сход ит

производства эн ергии очень схож у расте ний и живот­

вн е живых организмов), она бы выделила стол 1,ко эне р­

ных. В обоих слуlrаях клетки , составляющие организм ,

гии, сколько ни одна молекула-переносLJИК не смогла бы

Получают полезную эн е ргию из энергии химических

принять. Кл етки ис пол 1,зуют фе рм е нты для того, чтобы

связей, зап асенной в сахарах, с помощью расщепл е ния

провести окисление сахаров в жестко контролируемой

Сахаров и их окисления до оксида углерода (СО 2 ) и воды

лоследователы-юсти реакций. Как показано на РИС.

(l-I20). Эту эне ргию клетка хранит в активированных мо­

лекулах-п е реносчиках, таких как АТФ и НАДФ·Н, а они ,
в свою ОLrередь, служат мобильными источниками хими­
чес1( их групп и элект ронов , н еобходимых для биологиче ­
с~сого синтеза (см. гл. 3).

В этой главе мы просл едим важнейшие этапы рас­
Ще11ления, или -катаболизма, сахаров и покажем, как с
помощью окисле1-1ия образуются АТФ, НАД·Н и другие
а~стивированные молекулы-переносчики в клетках. Мы
сконцент рируемся 1-1а расщеплении глюкозы, поскольку

именно эти реакции доминир уют при полу ч ен ии энер ­
r1-1и в бол ьшин стве живоп1ых клеток. ОL1ень схожий п уть
1-1меют р асте ния, грибы и многие бактерии . Другие моле-

13-1 ,

мол екула глюкозы расщ епляется шаг за шагом , выдавая

эн е ргию н ебол ьшими порциями активированным моле­
кулам-пере1-юсчикам с помощью со пряженных реакций .

В этом случае большая часть эн е ргии, выделяющейся при
окислении глюкозы, сохраняется в виде высокоэнергети­

ческих связей АТФ и дру гих активированных молекул­
переносчиков и становится доступной для совершения

полез ной работы в клетке.
)Кивотные клетки производят АТФ двумя путями .
Сначала определенные шаги в последовательности фер ­
ментативных реакций н а прямую э нергетич ески связаны

с эне ргет ич ески невыгодной реакцией АДФ

+ Р;

-► АТФ

[в этой реак ции также образуется вода. -При.м. перев.].


(А)

ПОШАГОВОЕ ОКИСЛЕНИЕ

(6)

ПРЯМОЕ СЖИГАНИЕ

САХАРА В КЛЕТКЕ

САХАРА

тативном

(digest ioп)

большая

расще плении

мол екул

пищи

-

nuщeвapelluu

происходит и ли в11е к 1 ето к (в наш ем ки­

-

шечнике ) , или в специа111, 11ы х орган J 1 лах внутри клеток,

наз 1,1вае мых лизосом.:1ми. М е мбрана, окружающая лизо­

небольшие энергии активации,

э н ергия

преодолеваемые температурой

активации ,

сому, отделяет ее пищева рител ьны е ферме нты от цитозо­

преодо­

ля (см. гл.

леваемая

..
..
.

о::

жа ром

а.

::i:

(')
о::

ro

::i:

§
(О

о

CD

u

части: белки на аминокислоты, полисахариды на сахара, а

свободная

жиры на жирные кислоты и глице рин. После переварива-

энергия

вся

сохраня-

свободная

ется

энергия

в активи-

.

рас 1це п ляют большие

по лимерные молекулы пи 1ци на их моном ерны е составные

от огня

]

~

ф

15).

Пище варител ы-1 ы е ферм е 1-пы

переходит

рованных
молекулахпереносчиках

1-1ия небольшие органически е молекулы, получ е нны е из
пищи, поп адают в цито з оm, клетки , rде начинается их по ­

в тепло ;

степе 1нюе окисл е ние. Как показано на РИС.

ничто не

ление соответствует двум последующим стадиям: стадия

сохраняется

13-2, это окис­

2

1-1ачинается в цитоз ол е и зака~гчивается в митохондриях, в

то время как прохождеиие стадии

3 оt·ра1-rичено

митохон­

дриями .

В ходе второй стадии клеточного катаболизма цепь
РИС.

13-1.

Контролируемое пошаговое окисление сахаров, про­

реакций, называемая vtuicoлuзoм

(glycolysis),

превращает

исходящее в клетках, сохраняет полезную энергию , в отличие

каждую молекулу глюкозы в д в е м еньши е молекулы пи­

от простого сжигания той же молекулы . В клетке ферменты ката ­

рувата

лизируют окисление ч ерез последовательность ш агов , в которых сво­

использованы, если предварителыю 01-1и были превра­

бодная энергия преобразуется в удобно «рас фасованные » порции в

щены в какой-нибудь сахар

мол екулах-переносчиках, ч аще всего АТФ и НАДН . Н а каждой стадии

гликолиза. В ходе образования пирувата образуются два

фермент контролирует реакцию , уменьшая активационный барьер, ко­

типа

торый должен быть преодолен случай ны ми столк нове ниями молекул

НАД.Н . Пируват же затем транспортируется из цитозоля

(pyruvate).

Остальные сахара также могут быть

активированных

пром ежуточный проду кт

-

молекул-переносчиков:

АТФ

и

при температуре клетки, чтобы дать возможность протекать опреде­

в большое внутренн ее пространство митохондрии

ленной реакции. Сумм ар ная выделяющаяся свободная э н ер гия в ходе

трикс (matгix). Там огромный ферментативный комплекс

окисления глюкозы

пр евращает каждую молекулу пирувата в СО 2 и ацетил­

- 686

ккал/моль

(2880 кДж/моль) -

одинакова в

КоА

обои х случаях (А) и ( Б).

(acetyl

-

ма­

СоА), еще одну активированную молекулу­

переносчик из описанных в гл.

3 (см.

рис.

3-36).

Большое

кошгчество ацетиJJ-КоА также образуется с помощью по ­
шагового расщепления и оt<исл е иия жирных кислот, полу­

Окисление молекул пищи дает энергию, необходимую
для прохождения этой реакции. Основной же синтез АТФ
происходит

в

митохондриях

и

использует

э нергию

ак­

чаемых из жиров.

Третья стадия окислительного расщепления целиком
происходит в митохондриях. Ац етильная группа из ац е­

произ 1юдства

тил- КоА пе р еносится на молекулу, наз ывае мую оксалоа­

АТФ; в этом процессе участвует митохондриальная мем­

цетат, образуя цитрат, который входит в серию реакций

брана (см. гл.

цикла лимо1-той кислоты (citгic

тивированных

молекул-пере1-юсl1иков

14).

для

Здесь мы сфокусируемся на первой по ­

следовател1,ности реакций, с помощью которых пищевые
молекуш,r окисляются ка1< в цитозоле , так и в митохондри­

acid cycle).

В ходе этих

реакций ацетилы-1ая группа окисляется до СO 2 , и обра­

зуется большое число высокоэне ргетических мол е кул

ях. С помощью этих реакций образуются АТФ и молеку­

пер е 11осчиков электронов

лы-переносчики, которые затем дадут возможность синте­

эле ктроны от НАД-Н передаются по о пределешюй по ­

зировать большое количество АТФ на митохондриальной

следователы-юсти фе рментов во внутр е нней м е мбран е

мембране.

-

НАД · Н. В конце ко 11цов

митохондрии , называемой электрои-транспортной ц е­

пъю ( e l ect 1·o n - tгaпspoгt c h aiл ), где высвобождаемая в ходе
их транспорта энергия расходуется на поддержание про­

Молекулы пищи расщепляются в три стадии

цесса образования АТФ с поглощением: молекулярного

Белки, липиды и полисахариды, составляю щи е боль ш ую

кислорода (газ

часть того, что мы едим, должны расщепляться в мень ­

испол 1,зуется большая часть энергии окисления для син­

шие

теза почти всей клеточной АТФ .

молекулы

пользовать их

перед тем,

как

иаши

клетки

смогут ис­

0 2).

Именно н а этих конеlfных стадиях

либо как источники э н ргии , либо как

С помощью синтеза АТФ э иерrия, получеш-tая при

строительные блоки для бол ее крупных молекул. Про ­

расщепл ении сахаров и жиров, перераспр еделя ется в лор­

цесс расщепления сложных молекул на более простые с

циях химической энергии в форме, у доб ной для и с п ол ьзо­

-

использованием ферментов называют катаболиамом

tabo lism ). Еда,

(ca-

поступающая извн е, должна пройти через

катаболизм, в отличие от макромолекул внутри наших
собственных клеток. Поэтому п ервая стадия в фермен-

392

ГЛАВА 13. Как клетки получают энергию из пищи

вания в 1<летке. В любой моме н т в тиличiiой кл етке в рас­

творе находится примерно

109 мол е кул АТФ , а во м1-10rих
клетках вся эта АТФ сменяется (т. . исполъзуется и за­
меня ется) каждый 1- 2 мин . Сред 1щй челове к в состоян~rи


СТАДИЯ

1:

РАСЩЕПЛЕНИЕ
БОЛЬШИХ
МАКРОМОЛЕКУЛ

НА ПРОСТЫЕ
СУБЪЕДИНИЦЫ

аминокислоты

1

жирные кислоты

простые сахара

и глицерин

цитозоль

СТАДИЯ

2:

РАСЩЕПЛЕНИЕ
ПРОСТЫХ
СУБЪЕДИНИЦ
НА АЦЕТИЛ-Код,

СОПРОВОЖДАЮЩЕЕСЯ

клеточная

ПРОИЗВОДСТВОМ

мембрана

НЕБОЛЬШОГО

эукариотической

КОЛИЧЕСТВА

клетки

АТФ И НАД · Н

<,~~:':о, \ _______

\
СТАДИЯ

3:

кислоты)

1

_Jl-ll-----t------1■ матрикс
митохондрии

......__

мембраны

jjj

ПОЛНОЕ
ОКИСЛЕНИЕ

митохондрии

АЦЕТИЛ-Код

ДО СО2 И Н 2 О,
СОПРОВОЖДАЮЩЕЕСЯ
ПРОИЗВОДСТВОМ
БОЛЬШОГО
КОЛИЧЕСТВА

восстановление

до НАД·Н

АТФ И НАД·Н

РИС.

13-2. Три стадии клеточного метаболизма -

от потребления пищи до образования конечных

продуктов обмена в клетках животных. Эта серия реакций производит АТФ, которая потом расходуется
на реакции биосинтеза и другие энергозатратные процессы в клетке . Стадия

1 протекает в основном

вне

клетки , а также в специальных органеллах , наз ываемы х лизосомами: там внутри клетки тоже может про­

исходить пищеварение , т. е . разрезание длинных молекул на более короткие. Стадия
целиком в цитозоле , за исключением последнего этапа

-

на ацетил-Код, который проте кает в митохондрия х. Стадия

2 происходит почти

преобразования пирувата в ацетильные группы

3 целиком происходит в митохондриях .

Расщепление и использование сахаров и жиров

393


покоя гидролизует каждые

24 ч массу АТФ , примс рло рав ­

~rую собственной массе .
В целом п очти п оловина энергии, кото рая теорети­

одна молекула
глюко зы

ч ески могла бытr, получена при окисJ1 ении глюкозы и ли
ж ирных кислот до СO 2

+ I-1 2O, улавл ивается

за тр ат ы

и использу­

э нергии ,
которы е

ется при протекани и энергетически невыгодной р еакции

Р;

+

СТАД И Я

АДФ -+ АТФ. Для с ра вн ния, сов ременный двига­

окупятся
поздн ее

тель внутреннего сго ра~1ия , такой как автомоб ильный
двигатель, может преобразовать не более

1

СТАДИЯ

2

20% доступной

в топливе э 1-1 е ргии в полезную работу. В обоих случаях
остальная эне ргия р ассеивается в виде тепла; животным
оно помогает разо гр еть их тело.

Гликолиз

-

центральный путь синтеза АТФ
расщепление

Це итральный проц есс во второй стадии расщепле ния

молекул пищи

-

рас п ад глюкозы

(glu.cose) в

шести­

последова­

углеродного
сахара

тел ьност и реак ций , известной каl( гликолиз (glycolysis)
(от греч. glykys - << сладкий ,> и lys is - <.\ расще пление~> ).
В ходе гликолиза АТФ образуется без использования 0 2•

на два трех­
углеродных
сахара

Он проходит в цитоз оле большинства l(Леток, вклJОLrая
многие анаэробные организмы. Гликол из, вероятно , воз­
ник рано , до того , как фотосинтез ирующие организмы
1-~асьпили кислородом атмосферу.
В ходе гликолиза моле кула глюкозы, соде ржащая
шест ~, атомов углерода , р аз р езается на две молекул ы пи­

рувата

(pyrLLvate ), каждая

из которых содержит три атома

угле рода. На каждую молекулу глюкозы р асходуется две

выделение

молекул ы АТФ, Lпобы провести первые стадии , 1ю позд­

и запасание

нее сиюезируется LJетыре молекулы АТФ . В итоге после

энергии

гл икол иза получ ается выгода в виде д вух молекул АТФ на
каждую р асщепленную молекулу глюкоз ы .

Гл икол и з включает

10

последователь ны х р ак ций ,

в ходе каждой из которых образуется новый уrлевод­
иый пром ежутоLLНЫЙ продукт, и каждая из которых

катал изи руется собственным ферментом . Эти р еак ции

РИС.

пр едставлены в общих ч е ртах на РИС. 13-3 и подробно

Каждая из

н а ВКЛАДКЕ 13-1 ( с.
ментов ( с м . гл .

396- 397).

4), фе рме нты ,

Как и большинство ф е р ­

метьте , что на 4-й стадии ш естиуглеродный сахар рас щепляется н а два

катализирующие р еа кции

трехугл еродных , так что числ о молекул на всех более поздних стадиях

глико л и з а, им еют в назва нии окончание - а.з а

мер, иэомераза

oase), а

(isomerase)

13-3. Пошаговое окисление с аха ров начинается с гликол иза.
10 стадий гликолиза катализируется своим ферментом. За­

-

напри ­

и дегидро геназа (d e h y dгoge­

сам и названия L' ОВорят о реакци и , которую они

удваивается . Как видно , на стадии

6

на ч инается выделе н ие энергии

при гликолизе , ч то приводит к « чистому вы ходу» АТФ и НАД - Н (см . также
вкл адку

13-1 ).

Гл икол из также и н огда наз ы вают п утем Эмбдена - М ейер·

хофа в честь х имиков, в п ерв ы е описавши х его . Все стадии гликоли за

провод я т.

Хотя молекулярный кислород не участвует в глико­

п оказаны в ВИДЕО

13.1.

л и зе , окисле ни е все равио прои сходит : э л ект роны п е р е­

носят ся

с

н еко торых

атомов

углерода,

получае мых

из

ГJIЮКОЗЫ , с помощью нлд+
превращается в НАД· Н

(NAD+), который при этом
(NADH) . Пош аговая природа

LJае мая в ходе гликолиза, х р а нится в виде э л е ктронов в

НАД · Н.

н е­

В ходе rлю<ол и за на одну моле кулу глюкоз ы об разу·

большими порциями , что способствует сох ран ению ее в

ются две моле кулы НАД·Н. У аэ робных организмов эт 1'J

проц есса по з воляет э н ергии

окисле ния выделя ть ся

мол е кулах - п ер е но с чика х, а н е

(ри с.

13-3). Часть

выделению в виде те п ла

в ыделяющейся при окислении э н е ргии

расходуется и а си нтез молекул АТФ из АДФ и фосфора.
Си нтез АТФ в ходе гликолиза наз ывают субстратиы.м
фосфорuлироваиием (substrate- level phosphorylation),

мо лекул ы НАД - Н отдают свои эле ктроны в электрон·
транспортную цепь ( с м . гл .

14).

По п е пи эле ктроны п е·

редаются на 0 2, формируя воду, а НАД+, образующийс.fl
из НАД-Н , снов а и спол ьзуется в гл иколи зе ( стад ия 6 н а
вкладке 13-1). Полная расшифро вка хода L'Л икол иза J3

поскольку оно происходит в ходе прямого пере носа фос ­

19 30 -х годах была огромным т ри ум фом б и охим ии , за J<O ·

фат ной группы с молекулы субстрата

торым б ы ст ро последовало осоз н ание це нтраль н ой роли

м етаболита, саха р а

394

-

-

промежуточ ного

на АТФ. О стальная э нерги я, полу-

ГЛАВА 13. Как клетки получают энергию и з пищи

АТФ в клеточных 11роцессах.


Брожение обеспечивает синтез АТФ

ВОПРОС

в отсутствие кислорода

А На первый взгляд последние стадии брожения не нужны : в

13-1

rl' xoдe производства лактата или этанола не синтезируется

У бол 1, шин ства животных и растительных клеток гли­
J<олиз является только прелюдией к третьей и послед­
н ей стадии рас ще п ления мол кул пищи , в ходе которой

синтезиру ется большое количество АТФ с помощью
окисJ1 ителъного фосфори л ирова ния в мито хон дриях с

8

никакой дополнительной энергии для клетки. Объясните , по­

чему клетки , растущие в отсутствии кислорода , не могут просто вы­

делять пируват, как продукт обмена . Какие вещества , полученные
из глюкозы , будут накапливаться в клет ках, не способных произво­
дить ла ктат или этанол в ходе брожения?

потребле ,-~и ем кисло рода. Одн а ко для ююгих анаэроб­
ны х микроорган и з мов, которые н е использу ют кислород

и могут р асти и дел и ться без н его, гликолиз служит ос­
новным истоlmиком АТФ. То же справедливо для мно­
(А) БРОЖЕНИЕ , ПРИВОДЯЩЕЕ К ВЫДЕЛЕНИЮ ЛАКТАТА

гих тканей животных, наприм е р скелет ны х мышц , ко­

торые могут продолжать фу нкциониров ать при низком

соде ржа нии

2

2

П~ ••------~

2 ШШ1D +2н·

2D

2

0 2.

В так их анаэробных условиях пируват

и НАД·Н остаются в цитозоле. Пируват преобразуется в
ве щ ества, которые выводя тся из кл етк и, наприм ер лакта т

=:)

в мышцах или этанол и С0 2 у дрожжей, используемых

в пивоваре нии и хлебопече н ии. При этом НАД · Н отда­
ет с вои электроны и преобразуется обратно в НАд• . Это
о
о

о­

~/

о-

с

~/
с

1

н - с - он

1

С =О

1

СН 3

1

СН 3

молекулы

2

лактата

(Б) БРОЖЕНИЕ , ПРИВОДЯЩЕЕ К ВЫДЕЛЕНИЮ СПИРТА И СО 2

реге н е риров ание

НАд• необходи мо

разли чными видами брожения (fe rm e п tation) . И сследо­
вания коммерчески важных видов брожения, провод и­
мых д рожжами , во многом с п особствовало ранн ему раз­
витию биохимии .

Многие бактерии и а рхеи могут nроизводить АТФ без
кислорода с помощью аиаэробиого дыха~tш~ (anaeroЬic гes­
pirat ioп)

-

nроцесса, в ходе которого в качестве конечного

2

Пример гликолиза показывает, как ферменты

2 молекулы

сопрягают окисление и запасание энергии

пи увата

о

о-

А н алогия с <<греб ным кол есо м ,> в гл.

~/

? lну=о
С =О
1

СН

1-re кислород , а др уг и е

вещества. Анаэробное дыхание отличается от брожения
тем, что включает в себя эле ктрон-транспортную цепь ,
встроенную в мемб рану.

------2

lm!ID + 2н•

поддержания

которых выделяется э н ергия , подоб ~1ы е этому, называют

акцеnтора электронов и спользуется

------•2

для

реак ций гл иколиза ( РИС. 13-4) . Анаэробные п ути, в ходе

2Н

З

клетки

2 молекулы

ацетальдегида

Н 2 С - ОН
1

СН 3
2 х

СО 2

2

ри с .

3-30). Для

иллюстрации того, ка к фермент ы

ное колесо в нашей а налог ии

-

-

(см.

греб­

п озволяют проходить со­

молекулы
этанола

чевой п арой реакций глико1шза.

мышечной клетке, совершающей сильное сокращение), пируват, об­
Разованный в ходе гли колиза, преобразуется в лактат, как показано на
Рисунке. Эта реакци я регенерирует НАД+, потребленный на стадии 6
rпиколиза , но в ходе всего пути выделяется значительно меньше энер­
гии , чем при полном окислении. (Б) У некоторых организмов, растущих

8

анаэробных условиях, та ких как дрожжи, пируват через ацетальдегид
nревращается в диоксид углерода и этанол . По этому пути тоже реге ­
нерируется нм• из НАД· Н , что необходимо для завершения гликолиза .

Как (А) , так и (Б) являются примерами брожения.

н евыгодных реакций с эн ергетически выгодными

пряженным реак циям , мы п оближе познакомимся с r<лю­

РИс. 13-4. Пируват можно разложить без кислорода с помощью
брожения. (А) Когда имеющегося кислорода недостаточно (например,

8

объясняла, как

нич ес ки х молекул с nомощью со nря жения эн е ргетичес ки

СН з

•

3

получаю т пол ез н у ю э н е ргию от окисления орга­

Эт и реа кции, стадии

6

и

7

на вкладке

13-1,

превра­

щают трехуглерод ный сахар гли це ральдегид-3- фосфат
( альдегид) , промежуточный 11р одукт, в 3-фосфоглице­

рат (карбоновую кислоту). Процесс заключается в окис­
ле нии альдегидной группы до карбоксильной , которое
прои сходит в две стадии. В ходе су мм а рной р еак ции вы ­

деляется достато чно свободной э н ерг ии , чтобы пр евра ­
тить молекулу АДФ в АТФ и п е ренести два электрона на
НАД +, об р азовав НАД - Н. При этом все равно выделяется
достаточно тепла в окружаю щее про странство, чтобы ре­
акция осталась э не ргети чески в ыгодной: ЛG суммарной
0

реакции составляет

- 3,0 ккал/молъ (- 12,5

кДж/ моль).

Расщепление и использование сахаров и жиров

395


гексокиназа

Глюкозо фосфорилируется с по ­

мощью АТФ, чтобы образовать
сахаро-фосфат.

+

Отрицательный

ф

+

н

заряд на фосфате не дает сахаро­
фосфату пройти через клеточную

мембрану,

удерживая

глюкозу
глюкоза

внутри клетки .

Легко обратимая пере­
стройка

1з

------

2

химической

структуры

Н - С - ОН

фосфоглюкозоизомераза

(изомериза­

~

ция) переносит карбо­
нильный

кислород

от

н - с - он

углерода

на

н - с - он

14

ра .
с.

(См .

вкладку

(линейная форма)

2-3,

74-75.)

Новая гидроксильная группа на

форилируется с помощью АТФ,

Н'()Н
он

s1
6СН 2 O Р

( циклич еская форма)

(линейная форма)

глюкозо-6-фосфат

первом атоме углерода фос­

1

О

н - с-он

6СН 2 О

(циклическая форма)

саха­

н - с - он

f Н 2 OН

6
sV-~
2

Р ОН 2С

~

з1

41

1s

второй, образуя кетозу
альдозного

1

С =О

но-6 - н (линейная форма) но_:6 - н

первого

из

f H20H

фруктозо-6-фосфат

Р ОН2~:2ОН +

фосфофруктокиназа

Р ОН 2~:20 :

чтобы затем образовать трех­
углеродный сахар. Поступление
контролируется

на

этом

этапе

он

он

сахаров в гликолитический путь

фруктозо-1 ,6-бисфосфат

фруктозо-6 -фосфат

за счет регулирования фермен­
та фосфофрукrокиназы .

СН 2 O Р

СН 2 О Р
1

1

расщепляется,
две

производя

трехуглеродные

гид-3 - фосфат может сразу
же

вступить

в

OH2 vo~H 20 ~

моле­

кулы . Только глицеральде­

следующую

1

1

но- с - н

альдолаза

Н'6н
он

но - с - н
1

1

1

(циклическая форма)

стадию гликолиза .

С =О

С=О

сахар

н - с - он

н

н - с - он
1

СН 2 О Р
(линейная форма)

дигидроксиацетонфосфат

фруктозо - 1,6 -б исфосфат

Другой продукт 4-й стадии,

в

альдегид-3-фосфаr.

глицеральдегид3-фосфат

триозофосфатизомераза

дигидроксиацетон-фосфат
изомеризуется

+

1

глицер­

дигидроксиацетонфосфат


глицеральдегид -

3 -фосфатдегидрогеназа

Две молекулы глицеральдегид-3-

+

+

фосфата окисляются . Начинается

Р,

1

энергия ,

ангидридная

1Ш!!С1

+ н+

Jн 2 0 Р

поскольку

образуются НАД· Н и новая вы­
сокоэнергетическая

+

н - с - он

фаза гликолиза , в ходе которой
выделяется

о~ /о Р
":::: с

1 ,3 -би с фосфоглицерат

глиц е рльд е гид -

3-фосф ат

связь с фосфатом (см . рис . 13-5).

о~ /о Р
":::: с

Перенос высокоэнергично­

1

го фосфата, образованно­

фосфоглицераткиназа

+

ф

н - с - он

Jн2О Р

го на стадии 6, на АДФ с

образованием АТФ.

1 , 3-би сфо сфоглицера т

о~ /о­

'-': : с

фосфоглицератмутаза

Оставшаяся фосфатная эфирная связь

1

в 3-фосфоглицерате, имеющая срав­
нительно

низкую

переносится

с

энергию

третьего

Н -С - О Р

Jн 2 он

гидролиза,

углерода

на

второй, образуя 2-фосфоглицерат.

2-фосфоглицерат

енолаза

Отщепление воды от 2-фосфо­
глицерата

создает

энергичную

енольную

высоко­

связь

с

фосфатом .
2-фосфоглицерат

Перенос
ческого

пируваткиназа

высокоэнергети­
фосфата,

+

обра ­

зованного на стадии 9, на

АДФ образует АТФ, зафосфо е нолпируват

LСУММАРНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ ГЛИКОЛИЗА

1Шf!Ш
две молекулы

глюкоза

пирувата

Кроме двух молекул пирувата в результате образуются еще 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАД·Н .


(А)

стмии в и

н
с
1

7 mиколизд

~

РИС.

о

Образова н ие ковал ентной
связ и между rлицераль ­

Н - С - ОН
1

13-5. Энергия выделяется в ходе 6-й и 7 -й стадий гликолиза.

Н а этих стадиях окисление альде гида до карбоновой кислоты связано с
образованием АТФ и НАД· Н . (А) На 6-й стадии фермент глицеральдегид-

деrид-3-фосфатом

3-фосфатдегидрогеназа проводит одновременно эне ргетически выгод­

глице раль-

(субстратом) и -S Н - rруппой

де rид-3-

ное окисление альдегидной группы и энергети чес ки затратное образо­

цисте и новоrо радикала

СН2СХv фосфат

фермен та rл и цераль­

дегид-3 -фосфатдегидро­

-sн ген азы . Также фермен т
нековалентно связывается

с нм·

rлицеральдегид-3-фосфата

/

в ходе п ередачи двух

Н - С - ОН

/
Н - С - ОН

роли « гребного кол еса » (см . рис .

3-30,

Б) . На 7-й стадии образовавшая­

на АДФ , образуя молекулу АТФ и оставляя свободную кислотную ка р­
боксильную группу н а ок и слен ном сахаре . Эту реакцию катализирует

эл ектронов и ато м а

ферм е нт фосфоглицераткиназа. Зам етьте, что затем н енна я часть мо­

водорода (гидр ид-ион ;
рис . 3-34) от гл ицераль-

л екулы глицеральдегид-3-фосфата (серая) не ме ня ется в ходе всех этих

деrид-3-фосфата на

1

связанный НАД•, с

CH2CXv

связи проводится за счет реа к ции окисления , и ф ермент выступает в
ся высокоэнергетическая связь в 1 , 3-би сфос фоглицерате переносится

Происходит оки сле ние

s

вание высокоэнергетической фосфатной связи . В то же время он запа­
сает энергию в НАД- Н . О бразование высокоэнергетичес к ой фосфатной

реакций . (Б) Сокращенно даны суммар ны е х имические изменения , про­
исходящие в ходе 6-й и 7-й стадий .

образованием НАД· Н .
Соответстве нно , часть

l'l'r.l':'Wl'I

~

+Н

+

S

V

(тиоэфирная)

1

Н - С - ОН
1

CH 2CXv

r

фосфат

o -o-i-o,_
-О - Р8 0
_,

о

О

гии детально описано на РИС.

запасается в НАД · Н , а часть

четко осуществляются дв умя фе рмента ми , с которыми

С =О

/

н и е свя зи между фер ментом

13-5. Химически е р еакции

прочно связываются промежуточны е продукты (сахара).

и глицеральдегид-3-

На самом деле, как локаза но н а ри с .

фосфатом в высокоэнергет и ческую тиоэф ир н ую связь

ме 1п (rлице ральд е rид-3 - фосфатд еrидроге наза) с помо ­

Молекула неорган и ческого

зует короткоживущу ю ковалентную связь с альдегидной

фосфата заме щает собой

группой, катал и з ируя ее окисление в таком связанном

в ы сокоэ н е р гет и ческу ю

13-5,

п е рвый фе р ­

щыо реак ционно активной - SН-rруппы фермента обра­

связь с ферментом ,

состоянии. Реакционноспо собная фермент-субстратная

образуя 1 ,3-бисфос­

связь затем замещается н еорганическим ионом фосфата,

фо гл ице рат, содержа щи й

образу я высокоэне ргетический фосфатный про межуточ-

в ы сокоэ н е р гетическ у ю

1

Это замечательное достижение по добыванию эне р ­

в ходе окисления альдегида,

высокоэнерrети - расходуется на превраще-

С = Оческая связь

11

эне ргии , выдел ив шейся

фосфатную связ ь

.

1 , 3 -б исфос-

Н - С -ОН фоrлицерат
1

о

CH2CXv

'\./

1ШП1D

о

с

о
о

'\.

с

11

о

Р -0

-

6-

/

Е
гидролиз

высокоэнергетической

tJ;

~

связи

Q.
Q)

образование

"'
g:

высокоэнергетической

:r
tJ;

связи

(1)

но

"~

:r

о

1О
о

с

Высокоэнергети ческая

1

н - с -он
1

3-фосфо-

СН2СХv rлицерат
(Б)

"'

(.)

о

связь с фосфатом

'\. /
с

пере носится на АДФ
для образования АТФ

ИЙ6И7
н

"с~

о

Ш!iП1

но

СТАДИЯ

"с~

о

ал~еn,д~,ар~,,,.,
Е

он

кислота

Существенная
часть эне р ги и
окисле ни я
запасе н а в
акт и в и рова нн ых
переносчиках :

АТФ и НАД· Н

6

-

__с_т_мия1

суммарное изменение в энергии для 6-й и следующей за ней

7-й стадий выгодно и составляет
РИС.

13-6.

-3 ккал/моль (-12,5 кДж/моль)

Сопряжение реакций на 6-й и 7-й стадиях гликолиза

позволяет провести энергетически невыгодное образование вы·
сокоэнергетической фосфатной связи. На 6 - й стадии энергия окис ­

ления связи С-Н движет образованием как НАД· Н , так и высокоэнер­

гети ческой фосфатной связи . Разрыв высокоэнергетической связи на
7 -й стадии затем позволяет образовать АТФ .

398

ГЛАВА 13. Как клетки получают энергию из пищи


1-1ый пр одукт, освобождающийся ферментом. Пром ежу­

в ходе соп ря жен ны х реакций ( РИС .

точно соеди неии е 1 ,3-бисфосфогли це рат связывается со

(стад ии

вторым фе рм е нтом (фосфоrлице раткиназой) . Затем этот

образуется высокоэне ргетическая фосфатная связь на­

6 и 7)

13-6). Эти р еа кции

единстве ~1ные в гликолизе, в ходе которых

ф рм ент катали.зирует э н е ргети ч ески выгодный п ере нос

прямую с н еорrанич ским фосфатом. Именно и з-за них

фосфата с пром ежуто чного продукта на АДФ с образо­

появляется суммарная выгода в ви де двух мол екул АТФ

ванием АТФ, зав ршая про цесс окисления ал ьде гида до

и двух молекул НАД · Н на каждую моле кулу глюкоз ы.

l<а рбоно вой кислот ы.

Как было замечено ран ее, НАД · Н долже н обратно окис­

Мы обсудили именно этот пр оцесс ок исле ния не мно­
го де тальн ее, потом у LfТO он служит хорошим при мером

ляться до НАД +, необходимого для этих со пряженны х
р еак ций. Если НАД + отсутствует в с реде, гликолиз оста­

того, как с помощыо ф ерм ентов можно за пасать эн е ргию

новится (см. рис.

13-4).

фосфоенолпируват

енол-фосфатная

(вкладка

13-1)

- 14,8

связь

ангидридная связь

1 , 3-бисфосфоглицерат

с углеродом

(вкладка 13-1 )

фосфатная
связь в
креатин­

фосфате

о

~

Н

+NH 2

О

1
11
11
_
C-C - N- C- N- P- 0
-0/
1 1
1 /1
н СНз
н; о-

связь с

фосфатом
(фосфо­

креатин-фосфат
(активированный

- 10,3

переносчик , запасающий
энергию в мышечных

клетках)

Н20
ангидридная

- 11 ,7

о

о

о

11

11

11

С - 0 - Р - 0 - Р - 0 - Р - 0-

гидролиз

АТФдоАДФ

- 7,3

6- 6- /6-

ангидридная
связь)

-5

Н2О

глюкозо-6-фосфат

Фосфоэфирная

(вкладка

связь

13-1)

- 3,3

примеры, показывающие изменение

тип фосфатной связи

РИС.

стандартной свободной энергии (дG " )
при гидролизе фосфатной связи

.__

_...

о

13-7. Разница в энергии различных типов фосфатных связей позволяет образовывать

АТФ с помощью фосфорилирования субстрата. Слева приведены примеры различных типов фос­
фатных связей и сайто в гидролиза молекул. Те , которые начинаются с серого атома углерода , изобра­
жают только фрагмент молекулы. Примеры молекул , содержащих соответствующие фосфатные свя ­

зи, приведены справа с изменением стандартной свободной энергии при их гидролизе в ккал/моль

(1 ккал= 4,184 кДж) .

Перенос фосфатной группы с одной молекулы на другую энергетически выгоден ,

если изменение стандартной свободной энергии (ЛG' ) гидролиза фосфатной связи в первой молекуле

более отрицательно , чем гидролиз фосфатной связи (после ее образования) во второй . Соответствен­
но , фосфатная группа легко переносится с 1 , 3-бисфосфоглице рата на АДФ с образованием АТФ . Реак­
цию гидроли за можно рассматривать как перенос фосфатной группы н а воду.

Расщепление и использование сахаров и жиров

399


ВОПРОС

13-2

(А)

А Арсенат (Aso:·) химически очень сходен с фосфатом (Ро:· )

8 т рим еров

rl' и используется как альтер нативный субстрат многими фер -

8

липоамидр едук таз ы ­

ментами , которым необходим фосфат. Тем не менее , в от­

т р ансацет ил аз ы

личие от связи фосфата , ангидридн ая связь между арс е н атом и
углеродом очень быстро гидроли зуется в воде . Зная это , предполо ­
ж ите , почему арсенат

вещество , исполь зуемое убий цами , но н е

-

клет ками . Сформулируйте свое объяснени е в конте ксте ри с.

13-6.

+6 димеров
дигидролипоилде гидро ге н аз ы

Как м ы только •по видел 11, АТФ может син тезиро­

ваться и з АДФ п р и образовании 11 ромежуточ 1 1ых п родук­
тов, обладающ и х фосфат ~1ы ми связями с более вы сокой
э н ергией, ч ем в АТ Ф . э~1 е ргии фосфап1ых связей мож н о
о цен ить с помощ ью оп ределе н ия из м енения ста ~щартн ой
0

свобод н ой энергии ( ЛG ) пр и их разрыве в ходе 1· и дро­

+12 димеро в

лиза; на РИС.

пируватдекарбоксилазы

13-7

срав н иваются высокоэ н ергетические

фосфоанги дри д иые связ 11 в АТФ с н екото ры м и д ругими
фосфатным и связями, образующим и ся пр и

Как объясняется

вкладке

1ta

(с.

3- 1

гликолизе.

96- 97), мы

наз ы ваем

связи «в ы сокоэ r-1 ергетическ и м и ,> толы<о в то м см ысле, ч то
их гид р ол и з заметно э н е ргетически выгоде н .

(Б)

Сахара и жиры расщепляются в митохондриях

пируват

о

до ацетилкофермента А
СН з С

В ходе аэробного метаболизм а в эукариотических клетках
пируват, об разованны tt при гл нколизе, акти вно л е ре но­
с ится в м итохо н дриаль н ый матри кс, основ ной в н утрен­

ний компратмент органеллы

( см.

рис.

14-12 ). Там

,f'

"'

он бы ­

стро декарбокс ил ируется огромным ко мплексом из трех

белков, н азьшаем ым пируватдеzидроzеиазиым комплексо,и

(py1·uvate

d eЬ yd rogenase

cornp lex).

Проду ктам и декарбок­

СОО-

СО 2

~

силирован и я пирувата являются молекула С О 2 (отходы ),
молекула НАД·Н и молекула ацетил- КоА . Ст рукту ра и
функци о н и рование пируватде rидроге 11азн ого комплекса
представле ~1 ы на РИС.

13-8.

).Кирны е кислоты, п олу ч ае мы е из жи ров, являются
альте рн атив ным

110

от н о ш е н ию к саха р ам то пл и вом для

про и зводства энер ши. Как и п и руват, получаемый пр и
1·ликолизе, жирны е

кислоты

в

м итохо ндриях п р ев р аща­

KoA - SH

ются в а цетил-КоА . Каждая длинная молекула ж ирной

к ислоты

( в в иде активированн ой

молекулы а цил-КоА ) це­

ацетил-Код

ликом раз р езается с п омо щью последовател 1, н ого ц икл и ­

ч еского отщепле ния двух углеродов за один раз с карбок­
сил ~,нога конца, образуя одн у молекулу ацетил - КоА при

РИС.

каждом повторен ии цикла. В ходе этого про цесса об разу-

гидрогеназо й . (А) Об ща я схе м а строе ния пирув атдегидрогеназ ноrо

13-8.

Пируват окисляется до ацетил-Код и С0 2 пируватде ·

к омп л е кса , содержащего три различны х ф е рм е нта и около

60 пол и пеп ·

тидны х цепе й. В этом бол ьшом мультифе рм е нтном компл ексе п ром е·
ВОПРОС

13-3

жуточные продукты реакции п е р едаютс я напрямую от одно го фе р мента

А Многи е катаболические и анаболич еские реакции осн о ваны

rl' на одних и тех же механизмах , однако протекают в п ротиво-

8

положных напра вл ениях , на при мер реакции гидролиза и

конденса ции , о писан н ые на рис .

3-38. Это также ве р но для синтеза

и раз рушения жирн ы х кисл от. И з того , что вы знаете о м еханизме

их р аз руш е н ия (см . р и с .

13-9), предп ол ож и те,

како е числ о атомов

угле рода будет и м еть большинство жирных кислот в клетке

-

чет ­

ное или нечетное?

к другому. (Б) Реакции , п роводимые пируватде гидроге н азным ком плек ·

сом . Комплекс превращает пируват в а цетил -Код в матри ксе митохон ·

дрий ; в ходе реа кции выделяется та кже Н АД · Н . А , В и С - три фе рм е нта:
пируватдекарбоксилаза

(pyruvate decarboxylase), липоамидредуктаза·
(lipoamide reductase-transacetylase) и дигидролипоил ·
дегидрогеназа (dihydrolipoyl dehydrogenase). Изображения ферм ентов
представлены на рис . (А) , а осуществляемые ими реакции - на (Б) . Пи ·
транса цетилаза

руват и его прои з водны е от м е ч е ны красным.

400

ГЛАВА 13. Как клетки получают э нергию из пищи


(А}

(Б)

жирный ацил - КоА

О

,f'

R- CH 2- CH 2- CH2- C '-..

/

S- KoA

остальная часть
углеводородного хвоста

жировая капля

жирный ацил-КоА
укорачивается

на два атома

____..повтор цикла .. .

,f'O

R- CH 2- C

/
"- S- KoA

углерода

о

сн -с

1

з

мм

о

,f'

"

S- KoA

ацетил-Код

11

R - СН г СН = С Н- С

СН 2- 0 - С - у глеводородный хвост

HS-KoA

1--

о
11

СН - 0 - С - углеводородный хвост

11

q

' s-код

Н 20

он н

о

1

1

о
q

R- CH 2- С - С - С
1 1
's К д

R- CH 2- C- CH2-C

~

о

qо

Н Н

~а

11

СН 2- 0 - С - углеводородный хвост

GШ!1П

L-1

+ н•

эфирная связь

РИС .

13-9. Жирные кислоты также окисляются до ацетил-Код.

(А) Эле ктронная микрофотография

липидной капли в цитоплазме (вверху) и структура жи ров триацилглицеринов (внизу). Остато к глице­
рина, к которому присоединяются три жи рные кислоты через эфирные связи, по каза н синим . Жиры

нерастворимы в воде и образуют большие ка пли липидов в специализированных жи ровы х клетках (на­
зываемых адипоцитами), в которых они хран ятся . (Б) Цикл окисления жирных кислот. Цикл катали зи ру­

ется набором из четырех ферментов в митохондриях. С каждым циклом длина жи рной кислоты умень­
шается на два атома углерода (показанн ы х красным) ; при этом образуется одна молекула ацетил-Код ,

а также по одной молекуле НАД· Н и ФАД · Н 2 • (А- с разрешения

1 отся

также молекула НАД · Н и моле кула д ру гого пе ренос­

ЧИJ<а электронов , ФАДН2
Сахара и жиры

-

(FADH 2)

( РИС . 13-0).

основные и сточники энергии для

большинства нефотосинтез ирующих организмов, вкточая

Daniel S. Friend.)

заюпочена в ацетил- КоА. Следующая стадия дыхания , в ходе
которой ацетильная группа ацетил-КоА окисляется до СO 2

и Н 2 O в цикле лимонной кислоты

-

центральная для всего

эн ергетич еского метаболизма аэробных организмов. У эука­

ЧеJiовека. В ходе их превращения в ацетил- КоА только малая

риот цикл лимонной кислоты протекает в митохондриях

додя энергии, запасенной в этих молекулах, превращается в

органел лах , в которые пирув ат и жир~[ые кислоты направля ­

АТФ и НАД· Н. Б6льшая часть энергии все равно остается

ются для синтеза ацети л- КоА ( РИС. 13-10) .

-

плазмалемма

Саха ра и

сахара

полиса х а риды

Жиры

-+

ж ирны е
кислоты

-

глюкоза

-

'---__,я

-

п и руват

~
жирные

----► жирные кислоты

кислоты

/

МИТОХОНДРИЯ
цитозоль

РИС.

13-1О .

В эукариотических клетках ацетил-Код производится в митохондриях из молекул,

получаемых из сахаров и жиров. В этих органеллах происходит б6льшая часть окислительных реак­
ций клетки и производится основная часть АТФ .

Расщепление и использование сахаров и жиров

401


Кроме жир ных кислот и пирувата, из цитозоля в ми­
тохондрии транспортируются

н екото рые ами 1 юкислоты.

КоА 1-1а дру 1·ую молекулу, оксалоацетат

(oxaloacetatc),
-

образуя шест и уrлерод н ую трикарбоновую кислоту

Там о н и тоже превращаются в ацетил-КоА либо другое

лил1.01йtую кислоту

промежуточное соеди н ение из цикла лимонной кислоты

по следую щ ему циклу реакций. Лимон н ая кислота з атем

(см. рис .

13-2).

Соответственно, в эукариотич еской клет­

пост с п е нн. о

(cit,,ic acid),

окис ; rя ется,

а

давшую 1-1 азвание всему

э н е ргия ,

п олучаемая

в

ходе

это ц е нтр, в котором сходятся все пути

о r<исления, расходуется на образование высокоэ 11 ерес­

производства э не ргии , с ч е го бы они н и начиналис ь: саха­

тических молекул-переносчиков сход н ым с 1·ликолизом

ке митохондрия

-

ров, жиров или белков. У аэробных бактерий, н е имеющих

образом . Последовател 1,ностъ из восьми реакций обра­

митохондрий, все эти реакци и (гликолиз, синтез ацетил­

зуе т цикл, поскольку оксалоацетат, с которого начин ал­

КоА и цикл лимонной кислот ы) происходят в одном ком­

ся процесс, производится с н ова в конце ( РИС . 13-11 ) .

Пока мы обсуждали толr,ко один из трех типов акти­

п артменте цитозоля.

вирова r-rных молекул-лереносlr иков, образую r_цихся в ходе
цикла лимонной кис;юты

В цикле лимонной кислоты за счет окисления

-

НАД·Н. Кроме трех молекул

НАД·Н, за каждый оборот цикла образуются одна молекула

ацетильных групп до СO 2 образуется НАД•Н

ФАД·Н 2 (восстановленный флавинаденю-щи нуклеотид) из

Третья и финальная стадия окислительного расще пл е­

ФАД и одна молекула рибонуклеотида ГГФ

ния молекул пищи для производства э н е ргии требует из­

зинтрифосфат) и з ГДФ (см. рис.

бытка

двух активирова нных молекул- п е ре носLtиков и зображены

3,5

0 2•

Хотя живые орга н измы ~rаселяют Землю уже

млрд лет, считается, что у пл анеты кислородная ат­

мосфера появилась только между

(см . рис.

14-43).

1

и

2

млрд лет назад

Соответственно, реакции , обсуждаемые

ниже, в ходе которых потребляется кислород, могли воз­
никнуть относительно недавио. Напротив , механизм, ис­

13-11).

(GTP) (1·уано­

Структуры этих

на РИС. 13-12. Строение ПФ сходно со строением АТФ,
и перенос одной конечной фосфатной группы с него на

АДФ образует по одной молекуле АТФ
Как НАД·Н, ФАД·Н 2 -

1-ia

каждый цикл.

пе ре носчик высокоэнергетических

электронов и водорода. Далее мы кратко обсудим, что энер­

и е тре­

гия, заласен1-1ая в мобильных высокоэнергетических элек­

бует кислорода, и << родстве1-шики~ этой элегантной па ры

тро н ах НАД·Н и ФАД-Н 2 , затем испол r,зуется для синтеза

пользуемый для прои зводства АТФ на рис.

13-5,

связанных р еакций могли возникнуть оче1-1ь рано в исто­

АТФ в ходе о~tислителыюzо фосфорилироваиия

рии жизни на Земле.

phospJюгyl ation ),

Еще в

XIX

происходящего 1 , а

в. биологи заметили, что при отсутствии

воздуха (анаэроб~r ые условия) клетки производят молоч­

о

ную кислоту (наприм е р , клетки мы шц) или этанол (на­

11

H3C- C- S- KoA

пример, дрожжи), в то время, как на воздухе (аэробные
условия ) эти клетки потребляют

02

ацетил-Код

и выделяют СO 2 и

2С

Н 2 O . Большие усилия, затрач е нные на опр еделе ние пу­

о.=оо""~ ~ бС

тей аэробного метаболизма, в конце концов сфокуси­
р овалисъ иа р еакциях окисления пирувата и

1937

припели в

г. к открытию цикла лимонной кислоты (ci tгi c

cycl.e),

acid

так же известного как цu1<,л трикарбоиовых 1<,Uс­

лот (tгicaгdoxylic

cycle)

(oxidative

митохондриалъной

acid cycle),

или цикл Кребса (КгеЬs

(см. раздел ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ , с.

лимонной кислоты отвечает прим ерно

403- 405).
за 2/ 3 всего

Цикл

!Ш!ЩI ,

+н

/

/ lC"fl:.

э иергети ческие электроны из НАД ·Н пе редаются на ряд

мембранных фермеитов, вместе и звестных как эле1<,mрои­

cl1ain). В конце
0 2, образуя воду.

ияв

~imum + н·
СТN\ИЯЗ

~~

4С Ьддия в стддия
'>-- 4c --r- 4C

высокоэнереетическими элект ронами в форме НАД·Н.

СO 2 высвобождается как н енужиый продукт, а высоко­

ctгoл-tгanspoгt

""""

~
СТДДИЯ 2 бС

~АДИя,

ления органических веществ в болr,шинстве клеток, а

(el

ТДДИЯ 1

4с

окис­

е го основные конечные продукты представле н ы СО 2 и

траиспортиая цепь

4с

/

!

~

Е

СО

2

sc
1Ш!!П1 + н·
С О2

ОБЩИЙ РЕЗУЛЬТАТ: В ХОДЕ КАЖДОГО ОБОРОТА

цепи эти эле ктроны взаимодействуют с
В самом цикле лимонной кислоты 0 2 1-1 е требуется. Од­
~rако в любом случае он необходим , п оскольку элект рон­
транспортная цеЛJ, позволяет НАД·Н и збавиться от сво­

РИС .

их элект ронов и таким образом восстанопить НАД+, не­

ление атомов углерода в ацетил-Код. Цикл начинается с реакции

обходимый для п оддержан ия работы ци кла.
Цикл лимо нной кислоты, локализованный в ма­

ЦИКЛА ОБРАЗУЮТСЯ ТРИ НАД·Н , ОДИН ГТФ И ОДИН ФАД·Н 2,
И ВЫСВОБОЖДАЮТСЯ ДВЕ МОЛЕКУЛЫ СО2

13-11 .

Цикл лимонной кислоты катализирует полное окис·

ацетил-Код и оксалоацетата с образованием цитр ата (лимонно й к и сло ·

ты) . С каждым оборотом цикла образуются две молекулы СO 2 (побоч·

триксе митохондрий, катализирует пол ное окисле11 и

ный продукт) , три молекулы НАДН , одна молекула ГТФ и одна моле кула

атомов углерода ацетильной группы у ацетил-Кол, пре­

ФАД · Н 2 . Чи сло атомов углерода в каждом пром ежуточно м проду кте п о·

вращая их в СО 2 • Однако ацетильная группа не окисля­
ется напрямую. Вместо этого о н а пе р е но сится с ацетил-

402

ГЛАВА 13. Как клетки получают энергию из пищи

казанов желтом прямоугольнике (см. также вкладку 13-2, с. 406-407).
Вс е стадии цикла лимонной к ислоты пр едставл ены на ВИДЕО 13.2.


(А)

(Б)

о

гуа н ин

2н ·

_l_________,,_l_. шши

11
с

N, c ,,.... ' Nн

_

о

о

о

11

11

11

нс /
~

O- i - o - i - o - i - O- CH2
о-

о-

О

N~

11
с

'- N-:7

1
с

о

' NH2

11

о-

рибоза
он

r:

он

ф

liD
РИС. 13-12. Продукты каждого оборота цикла лимонной кислоты включают одну мо­
лекулу ГТФ и одну молекулу ФАД·Н 2 , структуры которых приведены эдесь. (А) ГТФ и

ГДФ очень сходны по строению с АТФ и АДФ; единственное отличие между ними - замена

основа н ия адени н а на гуанин . ( Б ) Н есмотря н а значител ьн ы е отличия в строении, ФАД· Н 2 ,
как и НАД· Н , явл яется пере н ос ч иком водорода и высокоэнергети ч еских элект ро н ов. Здесь
он приведен в окисленной форме ( ФАД ), а его атомы, н есущие водороды, выделен ы жел­

тым . Эти же атомы приведен ы в восстановленной форме отдельно правее .

ОТКРЫТИЕ ЦИКЛА ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ
<< М еня часто спрашивают, каким образом наtншась и раз­

Используя гомогенизированные ткани , Кребс с колле­

вивалась работа по изуtrению цикла лимонной кисло­

гами сделашr следующее наблюдение. Во-первых , в при­

Ты 1>,

сутствии кислорода некоторые органические кислоты

-

сказал биохимик Ганс Кребс в лекции и обзорной

-

стап,е, где он описывал его нобелевское открытие цикла

цитрат, су кцинат, фум а рат и малат

Реакций, лежащего в центре клеточного м етаболизма.

до оксида углерода. Для этих реакци й требуется постоян­

Возникла л и концепция в основе внеза п ,-ю,·о вдох1-rове­
ния, озарения? ~ это произошло совсем по-другому1>,

ции образуют цикл , а не ли ней н ую последовательность,
возникло после ~ оче1iь м едлен ного эволю ционного nро ­
цесса1>, длив шегося более пяти лет, в ходе которого у

Кребса отдельные озарения соtrетались с аккуратными

э ,<сп е ри.ментами, что привело к открытию одного и.з цен­
тральных метаболических путей, лежащего в основе вы­

быстро окисляются

ный приток кислорода.

-

ответил уч еный . Наоборот, понимание того, что эт и реак­

-

Во - втор ых, окисление этих ве ществ распадается на
два лин е йных последовательных пути :
цитрат-+ а-кетоглутарат-+ сук цинат
и

сутщинат

-+ фум арат -+ малат -+ оксалоацетат.

В-тр тьих , добавление небольшого количества

не­

работки э нергии в клетке.

скольL<их и з эт их веществ

Измельченные ткани, странный катализ

рода - гораздо большее, ч ем требуется для окисления толь­
ко добавленных молекул. Для объяснения этого странного

1<суспенз ии

мышечного гомоге­

ната стимулирует необычайно сильное поглощени е кисло­

К началу 1930-х годов Кребс и д ругие исследователи уже

б11аружили, что определенные молекулы окисляются не­
об,,,t1ай1-10 быстро в различных пр паратах тканей - срезах
0

nочю1 и пече ни или сусп е нз и.и и.зм ельче нных мышц голу­

бя. Поскольку такие реакции связаны с присутствием кис­

JfОрода, уч еные предполож и ли, что в этот набор веществ
входят промежуто чные продукты, играющие важ11ую роль
8
дьrхании клетки - поглощении 0 2 и выделении СO 2 , со­

llровождающем м етаболизм пищи.

наблюде ния Альберт Сент-Дьерди (нобелевский лауреат,
открывший второй из вышеприведенных путей) предполо­
жил, что отдельные молекулы каждого вещества L<аким-то

образом выполняют рол ь катализаторов окисления мно1·их
мол екул д ругих в еществ , присутствующих в мышце.

На тот момент большинство реакций , важ ных для
цикла лимо нной кислоты , уже были открыты. Что пока

не было и звестно и вызывало си льн ое замешател r,ство
Продолже1lие иа с. 404

Расщепление и использование сахаров и жиров

403


ОТКРЫТИЕ ЦИКЛА ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ (продолжение)
эту загадку, связав линейны е цепи в цикл , мы будем ука­

ПИРУ ВАТ

з ывать на молекулы, вю1юченные в н его, букв ам и от А
до З ( РИС . 13-13) .

Яд указывает на цикл

•

А

ц итрат

Б

и зоцитрат

Многие указания, которые Кребс использовал дл я обо ­
сноnания цикла лимо 1 шой кислоты, он в з ял из экс пе ри­

СО, +НАД·Н+Н'
В

м е нтов с исполь зо ваш1 е м

• __,__
•1--НАД·Н Н,

д

су кци нат

конкуре нтным ингибитором фермеJiта. По скол ьку при

добавлении малоната к ткан ям дыхание в них сил ьно ос­
лабевает, Кребс р еши л, что сукцинатдегидрогеназа и в есъ
п ут ь, связа нный с н ей, должны итратъ ключевую ролъ в

2

>--_._~-- н о

1--ФАД·Н,

Е

Ж

клеточном д ы ха нии.

Затем исследователь замети л, что при добавле нии А ,
Били В к суспензии ткани, отравленной малонатом, нака­

пливается Д ( РИС. 13-15, А). Это наблюде ние подтве рждает
важностъ

фумарат

су 1щинатде гидро геназ ы

для

клеточного дыха­

ния. Кроме того , он обнаружил , что Д также накапл ивает­
ся при доба вл е нии к отравле нной м алонатом ткани Е, Ж

малат

или З (рис.

13-15).

Послед ний результат дает основания

ду мать, что должен существовать допол нительный набор

+

3

ядовитого веще­

туре очень похож на су кцинат (Д) ( РИС . 13-14) и служит

со, +нм-н+н'
сукцинил - КоА

-

дегидрогеназу, превращающую Д в Е. Малон ат по струк­

а.-кетоглутарат

Г

малоната

ства, специфиtrесю1 ииrибирующего фе рме нт сукцинат­

реа кций, превращающи х Е, Ж и З в Д, поскольку ранее

было показа но, что Д служит предшествеини ком Е, Ж и З,

о ксалоацетат

а н е продуктом их реакций.

РИС .

13-13.

В этой упрощенной схеме цикла лимонной кислоты

при окислении промежуточных продуктов выделяется СO 2 и по ­
глощается

0 2•

соо-

Кребс и другие иссл едо в атели п о н а ч алу не по нимали ,

соо-

1

1

СН 2

что эти реакции замк н уты в ци кл, как п оказано здес ь .

СН 2
1

1

СН 2

соо-

даже у будущих нобелевских лауреатов

-

1

так это то ,

соо-

каким образом предположитель но ли н ейные цепи реак­

ма лон ат

ций могли вызывать такое каталитическ о е потр ебление

сук цин ат

кислорода, когда каждая мол екула метаболита вы з ъша­
ет 0 1<ислени е многих д ругих мол екул . Для у проще ния

РИС .

обсужде ния то го , каким образом в итоге Кр ебс решил

цината .

мембра11е. Окисл и тельное фосфорилироnание

это еди н ­

ла расщелляrотся три молекулы воды, и атомы кислорода

стве нная стад ия окислитель11ого катабол из м а, которая на­

н екоторых из ни х целиком тратятся на образование С О 2 ·
Многие ошибочно считают, что в ходе аэ робноt"О дыхания

пряму ю требует поступле ния

-

0 2 и з атмосферы.

В есь цик л лимо нной кислоты прив еде н на ВКЛАД­

КЕ 13-2 ( с.

406- 407). Заметьте,

что атом ы кислорода, н е­

обходимые для образования СО 2 и з ацетильных групп,
входящих в l(И КJI Кребса, предоставляются н е

0 2, а водой.

Как проиллюстрировано н а вкладке, в ходе каждо 1"0 ци 1< -

404

ГЛАВА

13. Как клетк и п олучают э нергию и з пищи

13-14. Структура малоната очень напоминает структуру сук ­

атмосферный

0 2,

н еобход имый для процесса, прев раща­

ется в СO 2 , высвобождаю щий ся как по бо чный продукт.
На само м деле, как мы увиди м , молекулы газооб раз н ого

0 2 восстанавливаются до воды , а
мую в СО 2 .

н е встраиваются н апря­


доба вл е ни е А

(А)

Кребс пошел дальше, доказав, что каждая из фер­

на капли вается Д

•

•

А-Б-в-г-д t Е-ж-з

ментативных реакций, входящих в его постулируемый

цикл, происходит в препаратах тканей . Кроме того, все

они идут со скоростями, достаточными, чтобы соответ­

бло киров ка

ствовать скорости потребления пирувата и кислорода в

м а лон а том

соответствующих тканях. Кребс заключил , что эта серия
н ак апливается Д добавлени е Ж

(Б)

•

•

А-Б-в-г-д t Е-ж-з

реакций служит основ н ым, если не единствен н ым пу­
тем окисления пирувата

-

по крайней мер е, в мышцах.

Складывая вместе разные факты каr< ттазл и находя не­

достающие звенья, Кребс получил ясную общую карти­

блокиров ка

ну метаболических процессов, лежащих в основе окис­

малонатом

ления пищи . Стоит заметить, что он расшифровал этот

РИС. 13-15. Отравление препаратов мышц малонатом дало све­

запутанный метаболический путь без помощи реагентов

дения о циклическом характере этих окислительных реакций.

и методов, считающихся необходимыми у современ­

(А ) Добавлен ие А, Б или В к отра вленной малонатом мышце приводит

иых биохимиков: радиоактивных маркер ов, позволяю­

к н акопл е ни ю Д . (Б) Доб авл е ние Е , Ж или

м а лонатом

щих следить за мече 1-1 ыми веществами в ходе реакций,

образ ца м также вы з ы вает н ако пл е н ие Д. Это дает повод думать , что

или масс-спектрометрии, мо 1.цного метода для быстрого

есть ф е рм е нтативны е р еакции , пр ев раща ющи е эту мол екулу в Д . От­

определения различных химичес1шх веществ.

3 к отравл е нны м

к рыти е того , что цитрат (А) может б ыть об разо в а н и з о ксалоа цетата (3)
и пирувата, п озволил о Кребсу о бъединить эти дв а реак ционны х пути
в п олны й ци кл . Одн ако от к рытию роли а цетил -Код ка к п ос р едни ка
м ежду пируватом и оксало а цетатом н е сужде но б ыло п ро и з о й т и е ще

расходуется мало
пирувата : цикл

расходуется много

работает медленно

пирувата : цикл

из - за низких

работа ет быстро ,
поскольку образуется
МНОГО А через З

концентраци й

в теч е ни е де сят и л ет.

промежуточных
в е ществ

Объяснение загадочных усиливающих эффектов

пир у ват

пир у ват

Цикл реакций, предложенный Кребсом, четко объяснял,
1 <аrшм

сильное потребление

0 2.

3

-

-

образом добавление небольших количеств любых

промежуточных веществ от А до

могло вызывать столь

Пируват находится в избытке в

Препаратах тканей, поскольку быстро производится в ходе
гликолиза с испою,зованием глюкозы, получаемой из за­

пасенного гликогена (см. рис.

13-3). Его

окисление требу ­

ет работающего цикла лимонной кислоты, в котором каж­
дьrй оборот приводит к окислению одной молекулы пиру­
вата. Если промежуточные соедиl-J_ения от А до 3 имеются
в достаточно небольшом количестве, скорость работы
всего цикла будет сильно ограничена. Добавление запаса

.ТПобоrо из этих веш;еств будет иметь огромный эффект на
СRорость работы всего цикла (РИС. 13-16). Поэтому легко

у
РЕЗУЛЬТАТ :
низкое потребление

ДОБАВЛЕНИЕ
БОЛЬШОГО

РЕЗУЛЬТАТ :
высокое потребление

кислорода , поскольку

КОЛИЧЕСТВА

кислорода, поскольку

образуются небольшие

количества НАД·Н
и ФАД-Н 2

ЛЮБОГО ИЗ

ПРОМЕЖУТОЧНЫХ

для их использования

ПРОДУКТОВ

образуются большие

количества НАД·Н
и ФАд-н 2

для их использования

в окислительном

в окислительном

фосфорилировани и
(см. рис . 13-18)

фо сфорилировании
(см . рис . 13-18)

видеть, I<aI< множество молекул пирувата могут бып, окис­
Jiены с потребле нием большого количества кислорода в

РИС.

Расчете на каждую добавленную молеr<улу веществ, вхо­

продукта оказывает огромный эффект на скорость работы всего

дящих в цикл Кребса.

цикла ЛИМОННОЙ кислоты.

Многие пути биосинтеза начинаются

ходных веществ для биосинтеза. Но многие из веществ,

с гликолиза или цикла лимонной кислоты

:Катаболические реакции, такие как гликолиз или цикл

лимон.ной кислоты, производят не только энергию для
l<JJ.eп<и, но и строительные блоки, из которых строятся
другие молекулы (см. рис. 3-2) . До сих пор мы делали
Упор на их энергетическую роль, а не на образование ис-

13-16.

Пополнение содержания любого промежуточного

образующихся в ходе гликолиза и цикла Кребса, тратят­
ся на биосинтез, или вr<лючаются в аиаболич.еские пути,
где 01-rи превращаются с

помощью последовательности

ферментативных реакций в аминокислоты, нуклеотиды,

липиды и другие иебольшие органические молекулы,
необходимые клетке. Оксалоацетат и а-кетоглутарат из
цикла лимонной кислоты, например, транс п ортируются

Расщепление и использование сахаров и жиров

405


ВКЛАДКА

Полный цикл лимонной кислоты

13-2

Полный цикл лимонной кислоты . Два атома углеро ­

да из ацетил-Код, вступающие в этот оборот цикла
(выделены

),

превратятся в СО 2 в следую­

следующий
цикл

С7J3П + н·

1

н,~

~S - KoA

стадия 1

НО

соо- стадия 2
~

цитрат (6С)

СН 2

8

оо­

ш .1 Н2
-1ацетат (4С)
6~~оксало-

стадия

тятся атомы углерода, выделенные с ин и м.

СоА

S

1

1

1

аксалоацетат (4С)

но - сн

СН 2 малат (4С)

~

1

соо-

оон 2 изоцитрат (6С)

нс - со о-

соо-

6 00-

ЦИКЛ ЛИМОННОЙ КИСЛОТЫ

стадия~

'---"

20
фумарат (4С)
стади

сным

щих оборотах цикла : в этом обороте в С0 2 превра-

пируват

оо-

а- кетоглуторат (5С)

1Н

оо-

СО 2

1 2

н

сукцинат (4С)

сукцинил-КоА (4С)

оо-

Н 20

1

00-

стадия

4

С7J3П + н ·

СН 2
1

С=О

6 00-

Н2

СН 2
1

С=О
1

S

l<oA

СоА

HS - KoA

Детальнее все

8 стадий показаны ниже. В этой части вкладки в каждой стадии изменяющаяся часть моnекуnы выделена синим,
13.2.

а название фермента, катализирующего реакцию, желтым . Все реакции показаны на ВИДЕО

соо-

После того как фермент пере ­
носит протон с группы -СН 3 на

ацетил-Код, отрицательно заря •
женноя -сн ; связывается с кар•

1

С =О

О = С - S - Код

+

1

гидролиза

направляет

с и нтаза

Ко д

1

С Н2
1

1

но - с - соо-

СН 2

СН3

1

1

СН 2

соо-

бонильным углеродом оксалоа ­
цетата. Последующее отщепле­
ние кофермента А (Код) за счет

O= C - S
ци трат ­

1
соо-

ацетил - Код

н еста бильный
S- цитрил - Код

окс алоацетат

реакцию

цитрат

строго в эту сторону .

соо-

Н 20

1

Реакция изомеризации,

В

КОТО·

рой вода сначала теряется, а затем снова

присоединяется,

пере·

мещает гидроксильную группу от
одного

атома

углерода

к

сосед-

н -с - н
1

н о - с - соо1

н -с - н
1

сооцитрат

ако ни таза

1.
)

Н20

соо1

н -с - н
1

с - соо-

соо-

Н 20

t

11

(

1

Н20

с -н
соо-

нестабильный

1

н -с - н
1

н - с - соо
1

но - с - н
1

сооизоцитрат

-


соо-

соо-

В первой из окислительных стадий
цикла углерод, несущий гидроксильную группу, превращается в

карбонильную группу . Непосредственный продукт реакции неста-

билен, он теряет (0 2, будучи все

изоцитрат -

1

н -с- н
1

н

1

соо-

1

н - с - с оо-

н -с - н

('\

1

С=О

... СШ!П1 + н •

н•

1

соо-

1

С =О

С О2

1

соо

н естабильный

и зо цитр ат

еще связан с ферментом .

н -с -н

1

'\

(

1

но - с - н

1

н -с -н

дегидрогеназа

н - с - с оо-

соо-

1

а- кетоглутарат

оксалосукцинат

соо-

соо-

а- Кетоrлутаратдегидрогеназный
комплекс очень напоминает боль­

шой

ферметативный

превращающий

комплекс,

пируват

в

аце­

тил-Код (пируватдегидрогеназа) .

Он также катализирует окисле­
ние с образованием НАДН, СO 2

и высокоэнергетической тиоэфир­

1

1

н -с - н

а-кето гл ута ратде гид ро ге н аз ный ко мпл екс

1

1

Н -С - Н

+

н -с - н

HS ~ oA

1

1

С=О

С =О

1

1

соо-

S - KoA
сукцинил-КоА

а- кетоглутарат

ной связи с коферментом А (Код).

соо-

соо-

1

Фосфат из раствора замещает
собой Код, образуя высокоэнер­
гетическую

фосфатную

связь

с

сукцинатом . Затем этот фосфат

передается на ГДФ , образуя ГТФ .

(У бактерий и растений вместо
этого образуется АТФ . )

1

н -с - н

н -с - н

су к цинил - КоА-с инте таза

1

1

н -с - н

н -с - н
1

1

соо-

С =О
1

S - KoA
сукцинил-КоА

сукцинат

соо-

соос у к цин а тд е гид ро ге н аза

1

В третьей окислительной стадии
ФАД забирает два атома водо­
рода у сукцината .

11

1

н -с

н -с - н

1

1

соо-

соо-

соо-

фумарат

ф у ма р аза

с-н
11

н -с

Родом появляется гидроксильная

1

т

соо-

группа.

тельных стадий цикла углерод, не­

сущий гидроксильную группу, пре­
вращается в карбонильную группу,
восстанавливая оксалоацетат, не­

обходимый для первой стадии .

1
1

н -с - н
1

соомалат

1

н -с - н
1

малат

соо-

но - с - н

но - с

соо-

фумара т

В последней из четырех окисли­

соо1

1

С присоединением воды к фума­

1

с-н

н -с - н

сукцинат

Рату рядом с карбоксильным угле­

н -с - н

м а л атд е г и д ро г е н аза


Перенос электронов движет синтезом
ну кле отиды

глюкозо-6-фосфат - -

i

аминосахара

фру ктозо-6 -фо сфат

i

/ ""-

гликолиз

- - -- -

гли колипиды
гликопротеиды

-

липиды

фосфат

аминокислоты

i
3- фосфо глицерат

t

пиримидины

/

i

холестерин
жирные

i

кислоты

~ цитрат -----

аспартат

аминокислоты

-

ок/лоацетат

\

пурины
пиримидины

f

цикл

_,,,,,,
,,,,,,,,-

~

внутрею-1 юю

-

до 1-t0 р ов и акц епто р ов

электронов, об разу ющих цел ь, их э н е ргия умень шается.
Выделя ющаяся энергия исп ользуется для переноса ио нов

н+ (прото нов ) через мемб рану, из внутре ннего компар­
тмеита митохо ндри и наружу, в межмемб ра 1-1 ное п ростран­

ство. За счет этого об разуется трансмембранн ый гради е нт
ио нов Н+, служащий источ 1-1ико м энергии (как батарея) ,

12). В

митохо нд р иях самой зна­

с образова нием АТФ .
В ко нце электрон-траиспо ртной цели электроны со­
ед иняются с молекулами

глутамат

другие

гем

амино­

хлорофилл

ц е п,, пе р еносчико в электр о н ов вст р ое н а во

м ембрану митохондрии в эукари отич еских клетках ( в

lr и мой из этих реакций является фосфорилирова1ш е АД Ф

а-кетоглутарат

' -КоА
сукцини~

кул, на электрон -трансп ортную цепь . Эта специаль ная

эн е ргии реак ц ий (см. гл.

кислоты

\

электрон ы , получ е нны е ими от ок и сления дру 1· их моле­

которы й может быт ь и с пот,зован для раз ных требующих

J

ЛИМОННОЙ

стадии, на которой высвобождается б6ль ш ая

-

плазматическую м ембрану бакте рий). П о ходу пе реда­

пирув а т

другие

п и щи

ч аст ь всей хи м ической э н е ргии. В этом п ослед нем процес ­

чи электро но в п о ц епи молекул

фосф ое н олпируват

аланин - - - -

Теп е рь вер ,-rемся к п оследней стадии окисления молекул

се перен ос чики электро н ов, НАД·Н и ФАД-I-1 2 , п ередают

д и гидро-

а цетон-

1-

,
серин

-

основной части АТФ в большинстве клеток

кислоты
пурины

0 2,

продиффундировавшими

в митохондрию; об разо ва вшаяся восстановленная моле­
кула

0 2 одновременно

совмещается с ттротонами (Н+) из

окружаю щего раство ра, образуя воду. Теперь электроны
дости гают мин и му ма эн е ргии , и вся в озможная эне ргия из

окисления пищи уже полу чена. Синтез АТФ , требующий
РИС.

13-17.

В ходе гликолиза и цикла лимонной кислоты обра­

пр исутствия кисло рода, наз ы вают окисли тел ь ным фо с­

зуются предшественники многих важных биологических моле­

форилированием

кул. Аминокисл от ы , ну клеот ид ы , липи д ы , сахара и др угие мол е кул ы ,

Окисл ительное фосфор илирование происходит в мито­

п оказанные здесь к ак п родукты реакций , в свою очеред ь , с л ужат

хо ндриях эукариотических клеток и в плазматической

(oxidative

ph osph oгy lation) ( РИС .

13-18).

пред шественни к ами м н оги х макромоле кул в клетке . Каждая черная
ст р е л ка в этой диаг р амме соответст вуе т одн ой ф ермента т ивной

реак ц ии ; красные стрелки соот в етст ву ют биох ими ч еским п утям со
многими стадиями, необходимыми для образования у к азанны х п ро ­

IZ!ilD

п и р ува т

из гли ко л иза

СО

из гли колиза

ду ктов .

п ируват

из митохондрий обратно в ци тозол ь , где служат пред ш е­
ств енниками мн огих важней ших молекул, так их как ам и ­
н окислот ы аспартат и глутамат соответственно. Пр ед­
ставление о сложн ост и эт ого пр о ц есса мож н о получить

и з РИС . 13-17, на которо м изоб ражены некоторые ветви,

!

АЦ ЕТИЛ - Код
Код

идущие от цент ральных катаболи ч еских реакций к био­
синтезу.

1D

МИ ТОХОНДРИЯ

РИС . 13-18. На последней стадии окисления молекул пищи НАД·Н
ВОПРОС

13-4

А Рассмотрите хи мические реакции , подробно показа нные на
~ вкладе 13-2 (с. 406- 407). Как вы думаете, поче му полез но

8

сначала соединить ацетильную груп пу с другим углеродным

скел е то м, о к с ало ацетатом , а н е сраз у п олно ст ью ок и сли ть оба у гле­
р ода до СО 2 ?

408

ГЛАВА 13. Как клетки получают э нергию и з пищи

(и ФАД•Н 2 , не показано), образованный в ходе цикла лимонной
кислоты ,

отдает высокоэнергетически е электроны , которые в

итоге восстанавливают

02

до воды. Значител ь ная ч асть энер г ии ,

высвобождаю щейся в ходе сове рш е нной се рии передач электронов
на внутрен н е й мембран е митохондрии (или плаз матич ес кой м е мбра н е
ба ктерий) , используется для с интеза АТФ с помощью о к и слительного
фо с фори л ирования.


ВОПРОС

13-5

А Есть ли ошибка, и если да , то какая, в утверждении: « Kиc­

rl' лород, поглощенный в ходе окисления глюкозы в животных

8

клетках, возвращается в атмосферу в соста ве СO 2 ». Как бы

вы могли подтвердить ответ экспериментально?

мембраие аэробных бактерий, оно является одним из са­
мых значительных достижений клеточной эволюции, по­

этому будет ос иовной темой rл.

14.

В итоге за счет полного окисления молекулы глюко­

зы до СО 2 и Н 2 O образуется около

30 молекул АТФ.

(для

объяснения, откуда конкретно берутся эти молекулы
АТФ, см. табл. 14- 1, с. 424.) Для сравнения, с помощью од­
ного ли шь гликолиза можно получить только две молеку­

лы АТФ на одну молекулу глюкозы.

РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА
Клетка - это сложнейшая химическая машина, и 1-rаше
обсуждение метаболизма с особым вниманием к глико­
лизу и циклу лимонной кислоты было обращено только
к крошечной доле всех ферментативных реакций, посто­

янно идущих в клетке ( РИС. 13-19) . Чтобы все пути рабо­
тали слаженно

( LПО

необходимо для выживания клетки и

ее ответа на воздействие внешней среды), нужно, чтобы
наnравление конкретного метаболита в тот или иной путь
тщательно регулировалось на каждой развилке.

РИС.

Многие наборы реакций должны точно контролиро­
ваться. Например, чтобы поддерживать порядок внутри

13-19.

Гликолиз и цикл лимонной кислоты

-

метаболические пути. Схе матично изображе но о коло

центральные

500

метаболи­

чес ких реакций типичной клетки, гли колиз и цикл лимонной кислоты

юrетки, всем организмам требуется постоянно воспол­

выделены красным. Остальны е реакции либо ведут к ним , принося не ­

нять запас АТФ с помощью окисления сахаров и жиров

большие молекулы для о к исления с целью получения э нергии , либо на­

(см. рис. 13-10). У животных нет постоянного источника

правлены от них , та ки м образом предоставляя углеродные составляю­

nищи , а растениям надо выживать ночью без солнечного

щие для биосинтеза. Заполненны е к руги представляют молекулы в раз­

света, I<огда они не могут производить сахар с помощью

личных метаболических путях, а соединяющие их линии соответствуют

Фотосинтеза. Растения и животнь1. е изобрели несколько

ф ерме нтативным реакциям , превращающим один метаболит в друго й.

способов ре.ш ения этой проблемы. Один из них

-

в пери­

од -избытка ресурсов синтезировать запасы еды, которые

nотом можно потребить при нехватке других источников
энергии. Соответственно, клетке требуется решать, напра­
ви:ть ключевые метаболиты по анаболическим или по ка­

тов, каждый из которых модифицирует его химически

rаболическим путям, другими словами, будут они исполь­

лактатдегидрогеназа в лактат; третий фермент изменяет

зованы для построения других молекул или будут сожже ­
Itьr для немедленного получения энергии. В этом разделе
Мьr обсудим, как клетки регулируют сложные связанные
n:ути, образующие основу метаболизма.

пир уват до оксалоацетата, четвертый до аминокислоты

по-другому, н ежели остальные. Как мы уже видели, пи­
руватдегидрогеназа превращает пируват в ацетил-КоА, а

аланина и т. д. Все эт и пути кои курируют за одни и те же

молекулы пирувата, и в то же время происходят подоб­
ные соревнования за тысячи других маленьких молекул.

Можно предположить, что вся система должна быть так

Реакции катаболизма и анаболизма

взаимосвязаны и регулируемы

Все реакции, показанные на рис. 13-19, происходят в
Клетке диаметром меньше чем О , 1 мм, и каждая стадия
Требует собственного фермента. Чтобы еще усложнить
задачу, каждая молекула часто участвует сразу в не ­
скольких разных путях. Пируват, например, является

субстратом для полудюжины или более разных фермен-

ВОПРОС

13-6

А Циклический путь реакций требует постоянного восстанов­

rl' ления начального материала и его доступности в конце каж-

8

дого цикла . Если вещества из цикла лимонной кислоты по­

стоянно изымаются в качестве строительных блоков , используемых
в различных метаболических реакциях , почему цикл не останавли­
вается через короткое время?

Регул.яци.я метаболизма

409


тщательно сбалансирова н а, ,~то любое н ебольшое возму­

АТФ и. двух молет<уJ1 ГТФ. Наломним, что суммарно в

щение, например изменение температуры или потребле ­

xori гликолиза образуются две молекулы АТФ на каж­

ния лищи, должно стать катастрофой.

дую использованную молекулу глюкозы.

На самом дел

баланс метаболизма о клетке удиви­

У человека и многих других млекопитающих 1·лю -

телr,но стабилен. Как тот,ко он нарушается, клетки 11ы ­

1<онеогенез идет в ос~ювном в клетках печени , которые

таются

восстановить

изначальное

·остояние:

они

могут

ада птироват ься и продолжить функционироват1, во вре­

мя голодания или болез ни . Такая гибкость достигается
за счет слаженной сети контролыtых механиа.мов

.mechanisms), действующих на

(control

ферменты для регуляции и

координирования скоростей многих метаболи,rеских ре­
акций в клетке.
Как мы видели в гл.

4,

активность ферментов можно

rлюкозо-6-фосфат

контролировать множеством разных с пособов. Многие

!

белки включаются или выключаются с помощью кова­
лентных модификаций, таких как присоедин ение или от­

соединение фосфатной группы (см. рис.

4-38).

фруктозо- 6-фосфат

Или же аI<­

тивность может контролироваться с помощью связыва ния

небольших регуляторных молекул, часто метаболитов, с

аллостерическим ферментом (см. с.

147- 148). Подобная

регуляция может быть как положительной, повышаю щей

активность фермента, так и отрицатель ной, ингибирую­

фруктозо- 1,6-бисфосфат

щей. Как показано ниже, оба типа регуляции, положителъ ­
ная и отрицательная, контролируют активность ключевых

* ГЛЮКОНЕОГЕНЕЗ

ферментов гликолиза.

*
ф --+-~

Регуляция по принципу отрицательной

обратной связи позволяет клеткам переключаться

rш+--аа
*
*

с расщепления глюкозы на ее биосинтез
Телу требуется постоянный лриток глюкозы, чтобы обе­
спе чиватъ потребности обмена. Например, клетки мозга

фосфоенолпируват

практич ески полностью зависят от глюкозы как матери­

ала для дыхания. Во время голода или тяжелых физиче­

ских нагрузок глюкоза крови исполъзуется быстрее, чем
поступает из пищи . Один из способов восполнить ее за­
пасы

-

синтез из маленьких органических молекул ,

не

относящихся к углеводам (таких как лактат, пируват или

-~ст•·

аминокислоты) [пир уват, или пировиноrрад11ая кислота,

является триозой

-

моносахаридом.

-

процесса, н азываемосо rлюконеогенез

Прим. ред.] в ходе

(gluconeogenesis).

Сложная система обратных связей позволяет клетке пе­
рею1 ючиться с разложения t"люкозы с помощью гликоли­

за иа ее синтез в ходе 1·люко н еогеиеза.

Болъшинство реакций, входящих в путь разложеиия

f~o~
-

глюкозы до пирувата, легко обратимы. Однако три про­

РИС.

цесса

колиэа. Набор обходных реакций (обозначены буквами от А до Г) необ­

-

стадии

1, 3

и

10

на вкладе

13-1 -

практически

13-20.

Глюконеогенеэ фактически « обращает» реа кци и гли ·

необратимы. Все дело в большом отрицательиом изме­

ходим, чтобы избежать стадий

не нии свободной энергии, происходящем при этих ре­

необратимы. Как можно видеть, реакции синтеза, происходящие в ходе

1, 3 и 10 гликолиза ,

которые практически

акциях, в норме ведущих к разложению глюкозы. Для

глюконеогенеза, требуют траты энергии, в то время как гликолиз в целом

того, чтобы весь путь заработал в обратном нап равлении

является энергетически выгодным набором реакций . Чтобы следить за

синтеза глюкозы из пирувата, н еобход имо обойти эти ре­

энергией, выделяемой или поглощаемой в ходе гликолиза , вспомните ,

акции . Обход осуществляется с помощыо их замещения

что фруктозо-1 , 6-бисфосфат разрезается , образуя два трехуглеродных

алътернативными ферментатив~1ыми <<обходными реак­

сахара (не показаны) . Поэтому все последующие реакции, являются ли

циями >>, требующими расхода энергии (реа1щии А, Б, В

они частью гликолиза или глюконеогенеза, относятся к двум молекулам

и Г на РИС . 13-20). Соответственно, для реакций синтеза

сахара и, соответственно, удвоенному числу переносчи ко в энергии на

мол кулы глюкозы требуется гидролиз четырех молекул

каждую потребляемую или производимую молекулу глюкозы.

41 О

fЛАВА 13. Ка к кл етки пол у ча ют эне р г ию нз п и щи


могут поддержи ва ть соде р жани е глюI<о з ы в крови с и с­

молекул пищи. Добавляя еще один уровень контроля,

nолъзоваии ем различных и сходны х молеI<ул. Один из

фермент, проводящий обратную реакцию (фруктозо- 1 , 6-

обычных расходны х материалов

-

б исфосфатаза; см. обходную реакцию Б на рис .

лаI<тат: эта молекула,

13-20),

регулируется теми же молекулами, но в обратную сто­

производимая при избыточной нагрузке мышечными
пр ев р ащае т­

рон у: когда фосфофруктокиназа выклю,rается, этот ф ер ­

ся обратно в глюкозу, чтобы восста новить истощенные

мент активиру ется. Такие скоо рдинированные механиз­

мышцы. Бала н с между гликолизом и rл юко1-1 еоге 1-1 езо м

мы р егуляции поз воляют клетке быстро отвечать на из ­

клетками,

поглощается

п еqе ныо,

где

он.а

долже н очень хор ошо р егули роваться , чтобы гл юкоза

м е няющиеся условия среды и быстро nодстроитъ под них

быстро р асщел лял асъ, когда н е хватает эн ер1·етических

свой метаболизм.

р есу р со в , и при это м си нт ез ирова лась и п ер е носи лас ь

в д ругие ткани, когда у клеток печени ест ь изб ыток
э не ргетиq еских запасов в виде лирув ат а, цитрата и ли

Клетки запасают молекулы пищи в специальных

АТФ . Если бы как прямым , так и обратным реак циям на

хранилищах для будущего использования

рис .

13-20

было поз вол е но протека тr, без ограничений,

они бы пр евр ащали метаболиты взад - вп еред по бес­

Как мы увидели, глюконеогенез

смысл ен ным циклам , потр ебля ющим много энергии и

процесс, требующий существенного количества эн ергии в

выделяющим тепло без надоб н ости .

виде гидролиза АТФ и ГТФ. Поэто му он не может и дти

Одна из ключевых контрольных точек в разложении

-

это дорогостоящий

постоя нно . Для воз мещения недостатков во вре мя голода

rлют,озы находится на третьей стадии гликолиза, образо­
вании фруктозо- 1 , 6-бисфосфата с помощыо фосфофру-к­

животные запасают еду в хранили щах внутри своих кле­

ток. Глю коза хранится как qасть большого, разветвлешю­

rпокuн.азы (p l10spЬofructokinase). Это одна из тех реак­

го пол исахарида гликогена

ций, которых приходится избегать в ходе глюконеогенеза

виде гранул в цитоплаз м е многих клеток, в п е рвую очередь

( см. стадию 3 на ри с. 13-20 или на вкладке 13-1 , с . 396397). Фосфофруктокиназа аллостерически активируется
АМФ, АДФ и неорганическим фосфатом - продуктами

75).

t'идролиза АТФ; она аллостерически ингибируется АТФ,

и скоо рдинироваино регулироваться. Когда требуется

цитратом и другими видами <<топлива,> для дыхания ( та ­

больше АТФ , чем может быть получено из молекул пищи,

l<vtми, как жирные кислоты , которые могут высвобож­

поступающих из крови, клетки расщепляют гликоген с об­

печени и мышц ( РИС.

(glycogen ), при сутствующего в

13-21 ; см. также вкладку 2-3, с. 74-

Синтез и расщ епление гликогена идут по достато qио

независимым путям , которые, тем н.е менее, могут быстро

даться из запасен ных жиров , когда глюкоза недоступна).

раза ванием глю-козо -1-фосфата

Поэтому, когда запасы энергии малы и накапливаются

тем она превращается в глюкозо-6-фосфат, вступающую в

(glucose- 1- р lюs р Ьаtе) ;

за­

Продукты гидрол иза АТФ, фосфофрукток иназа активи­

гликолиз.

руется, и активно идет гликолиз. С другой сто роны, когда

Пути синтеза и расще пления гликогена коорди ни­

в избытке АТФ или такие исто,шики э не ргии , как цитрат

руются ф е рме нтами , которые аллостерически р егул и ­

и жирные кислоты , фосфофр уrпокиназа выключается,

руются глюкозо- 6 - фосфатом, но

в

благоприятствуя глюконеоге незу и в итоге нако плению

направлениях . Гликоzеисиитетаза

(glycoge11

п ротивоположных

sy лth ase ) в

(В)

~о

г ранулы

но~

гли к оге н а
в кл ет к е

п ечени

точка ветвлен и я

о

mикоген

11

он

гликогенфосфорилаза

остат ки глю коз ы

Рис. 13-21 . Животные клетки запасают
гликоген, чтобы получать энергию во вре­

он

~я голодания. {А) Структура гликогена ( рас­
тител ьн ый крахмал -

глю козо- 1 -ф осф ат

очен ь схожий полимер

н~
осн,

глюкозы , но заметно менее разветвленны й).

{ Б) Электронная микрофотография гранул гл и ­
когена в цитоплазме клетки пече н и . ( В ) Реакция,
катализируемая гл икогенфосфорилазой. { Б с Разреш е н ия Robert Fletterick и Daniel S. Friend.)

0

но

гликоген

11

н

1

м км

Регуляция метаболизма

411


ВОПРОС

13-7

А Рассмотрите строение молекул сахаров и жирных кислот
(см . гл . 2). Как вы думаете, почему окисление сахаров дает

rl'

8

примерно в два раза меньше энергии, чем окисление экви­

валентной сухой массы жирной кислоты?

голода 1-1 ия ; даже после проведе нной без пищи 11оч.и жир
моби ли зуется. Утром б6л ьш ая часть а цетил- КоА, вступ а­
юще го в цикл л имонной кис;юты , образуется из жирны х
кислот, а н е из глюкоз ы. Посл

еды , однако, основная

ч асть ацетил-КоА, вступающе1·0 в цикл Кребса , уже по ­
ступает и з глюкоз ы , полученной с пищей, а все и збытки
глюкозы использ уются дл я восстановления истощенных

запасов гликоге~, а и ли для с интеза жиров . (Хотя живот­
ны е кл етки могут легко пр ев ратить сахара в жи ры , они н е

могут превратить жирные кислоты в у глеводы. )

Пищев ые запасы как животного, так и растительного

50
РИС .

13-22. Жиры

прои схождения образуют важнейшую LJасть ч еловече­

м км

ского рациона . Растения пр евращают часть сахаров, об­

в животных клетках запасаются в виде капель.

р азующи хся в ходе фото синтеза при св ете дня , в к р ахмал

Ка пл и жира (окрашены красным) , на ч инающие нака пл и в аться в раз ­

( sta 1·cЬ)

в и ваю щейся жировой ткани . ( С разре ш ения

ный с гликогеном животных . Жиры у расте ний пр едстав­

Peter Топtо п оz

и

Ronald М .

-

разветвлен ный пол имер глю коз ы , очень сход­

ля ют собой триацилгл ице рины , как и у животиых, и они

Evans.)

разл ич аютс я только типами основных жи рны х ки слот.

Зародыши в сем енах растений вынужде ны жить толь­
синтетическом пути активируется глюкозо-6-фосфатом,

ко на запасе нных резерва х питательн ы х веществ дл ител

а zликоzенфосфорилаза

p lюsphoгy l ase) , ката­

ное время, пока они не прорастут, образовав листья , спо­

лизи рующая расщепле ние гликогена, ингибируется как

соб ны е использовать эне ргию солнечно го света. Зародыш

(glycogen

1,-

глтокозо-6-фосфатом, так и АТФ . Эта ре t·уляция позво­

испош,зуе т эти за пасы как и сто чники энергии и молекул,

ляет предотвратить расщепление гл икогена, когда АТФ

н еобходим ых для строительства клеточных стенок и си н­

в избытке, и усиливает его синтез, когда концентрация

тез а многих других структу р в ходе раз вития . По этой

глюкозо- 6-фосфата высока . Равиов есие между си нтезом

приLrине сем ена растений часто содержат особенно много

и

жиров и крахмала, которы е делают их очень хорошей едой

р асщепле нием

клеточными

гликогена также

сигнальными

р егулиру ется внутри­

п у тями ,

контролируемыми

,11,ля живот н ы х, в том числе для н ас ( РИС.

13-23). Прорас­

гормонами инсу л ином, ад реналином и rлюкагоном ( см .

тающее зерно по мере н еобходимости превращает запасен­

табл.

иый жир и крахмал в глюкозу.

16-1, с. 482 и

рис.

16-23, с. 495).
- гораздо более важное запасное

Количественно ж ир

вещество , чем гликоrе1-1 . Частич но это объясняется тем,
что окисление одного грамма жир а высвобождает в два

раза больше энер гии, чем грамма гликогена. Более того,
гликоген связа н с большим количеством воды, что вы­
зывает ш естик р ат но е отли'iие между массой гликогена

и жи ра, при окислении которых высвобождается оди­

i'

наковое количество э нергии . В средне м у взрослого че­
ловека им еется зап ас гликогена прим е рно н а одии де нь

нормальной активности , но достато ч~ю жира, чтобы про ­
жить почти месяц. Если бы наши ос~-ювные запасы при­
шлось х ранить в виде гликогена вместо жира, массу тела

пришлось бы в с редн ем увеличить на

60

фунтов (почти

30 кr).
О сновная 'iасть нашего жира хранится в виде капель
водонерастворимых триацилглицеринов в с пециальной

РИС.

жировой ткани ( РИС . 13-22; см. также вкладку 2-4, с.

76- 77).

ником пищи для людей. Кукуруза, орехи и горох содержат богатые

В ответ на гормональные сигналы жирные кислоты могут

за п асы крахмал а и жиров, в которых хранится энергия и строительные

высвобождаться из этих депо в кровь для ис пользования

блоки для биосинтеза , используемые молодым зародышем в семени .

друтими клеткам и. Необходимость в этом возникает после

(С разрешения

412

ГЛАВА 13. Как клетки получают энергию и з пищи

13-23.

Некоторые семена растений служат важным источ ·

John lnnes Foundation.)


оболочка хлоропласта

вакуоль

полученной в ходе окисления питательных молекул, со­

/

бирается именно в ходе окислительного фосфорилирова­

---

ния (см. гл.

тилакоид

капля

14).

Пища, которую мы едим,

•

маспа

-

это не только источник энергии

для метаболизма, но и исходный материал для биосинтеза.

(жир)

Многие промежуточные продукты гликолиза и цюсла ли­

монной кислоты служат начальными точками для путей,

ведущих к синтезу белков, нуклеиновых кислот и многих
другие молекул в ,слетке.

1 мкм

•

менно,

РИС. 13-24. Растительная клетка хранит как крахмал, так и жиры

хорошо скоординированы,

что

позволяет клетке

адаптироваться и продолжать функционировать в широ­

в хлоропластах. Показана маленькая часть одного хлоропласта из
Растительной клетки , содержащая гранулы крахмала и капли липидов,

Тыся•ш разных реакций, происходящих в клетке одновре-

ких пределах внешних условий.

В ходе периодов нехватки пищи регуляция активности

•

накопившиеся в результате идущего здесь биосинтеза. (С разрешения

l(JJJOчeвыx ферментов позволяет клетке переключиться с

К . Plaskitt.)

расщепления глюкозы на ее биосинтез (rлюконеоrенез).

•

Клетки запасают пищевые молекулы в специальных хра­
нилюцах. Глюкоза запасается в виде гликогена у живот­

В расте ниях как жиры, так и крахмал хранятся в хло­
ропла стах

-

ных и в виде 1срахмала у растений; ,са" животные, так и

с пециал ьных орган еллах , в которы х в р ас ­

тительной клетке идет фотосинтез ( РИС .

растения запасают жирные кислоты в виде жиров. Рас-

13-24). Там они

тител.ьные запасы питательных веществ служат основным

СJ1ужат запасом пюци, использу емым для си~пеза АТФ в

источником пищи для животных, включая чел.опека.

п е риоды т е мноты.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

дДФ,АТФ

mHJCOIIH3

nируаат

ацетип-КоА

брожение

*"Р
~сата6о11иэм

ФАД,ФдД•Н 2

ГДФ,"Ф

крахмал

1-онтролируемоrо последователыюrо о,сисления для полу­

flllOK030

ндД·,ндД•Н

чения полезной химичес"ой энергии в виде а"тивирован­

rпикоrен

ных моле1сул-переносчюсов АТФ и НАД·Н.

rп~оконеоrенеэ

ОIСИС/IИТ81111НО8 фоС•
форИ11иро1ание

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

•
•

Глюкоза и другие моле"улы пищи расщепляются в ходе

ЦИКII IIИМОННО/:i ICИC­
IIOТW

мектрон-транс­
nортная цeni,

Сахара, полученные из пищи, расщепляются в ходе не­
Сl(олысих метаболичес"их путей: rлюшлиза (идет в цито­
золе), ци"ла лимонной кислоты (в матриксе митохондрий)

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

и Оl(Ислите;1ыюrо фосфорилирован.ия (на внутре,шей мем­

•

•

бране митохондрий).

ВОПРОС

В ходе реакций гликолиза шестиуrлеродный сахар глюко­

Окисление молекул сахаров в клетке происходит в соответствии

за расщепляется на две молекулы трехуrлеродноrо сахара

с общей схемой реакции:

пирувата с образованием относительно небольшого l(OJJИ·

С 6 Н 1 Р 6 (глюкоза)+

честваАТФ и НАД·Н.

ющих утверждений верны? Объясните свой ответ.

В присутствии l(Ислорода пируват превращается в ацетил­

А. Энергия выделяется только в виде тепла.

КоА и СО 2 • Ци1сл лимо,шой кислоты затем превращает

Б. В виде тепла энергия вообще не выделяется.

60 2 ...... 6СО 2 +6Н 2 О + энергия.

Какие из следу­

ацетильную группу ацетил-КоА в СO 2 и Н 2 0. Значитель­

В. Энергия выделяется в ходе процесса, включающего окисле­

ная часть выделяющейся энергии запасается в виде высо­

ние атомов углерода.

l(Оэнерrетичес"их электронов активированных переносчи­

Г. Реакция дает клетке необходимую ей воду.

tсов НАД·Н и ФАД·Н 2 • В эукариоти•1еских клетках все эти

Д. В клетках реакция происходит более, чем в одну стадию.

реакции идут в митохондриях.

•

13-8

Другим важным источником энергии яв;шется жир.

Е. Многие стадии окисления молекул сахаров включают реакцию
с кислородом в виде газа.

)I(ирные 1сислоты, образующиеся при разложении жи­

Ж. Некоторые организмы проводят обратную реакцию .

ров, поступают в митохондрии и превращаются в мо­

3.

Некоторые клетки, живущие в отсутствие

0 2, выделяют СО 2 •

ле,сулы ацетил-КоА. Затем эти молекулы ацетил-КоА

•

01шсляются в цию1е лимонной "ислоты с образованием

ВОПРОС

IIAД-H и ФАД·Н 2 , как и ацетил-КоА, получе1шый из пи-

Крайне точный прибор (пока не изобретенный) показал, что

рувата .

один из атомов углерода из последнего вздоха Чарльза Дарвина

IIAД·H и ФАД·Н 2 передают свои высокоэнерrетичес,сие

представлен в нашей крови, где входит в состав молекулы гемо­

13-9

электроны на электрон-транспортную цепь на внутренней

глобина. Предложите, каким образом этот атом углерода мог по­

Мембране митохондрий, где серия переносов электронов

пасть от Дарвина к вам, и перечислите некоторые молекулы , в

исnользуетсн длн синтеза АТФ. Большая часть энергии,

которые он мог входить по пути.

Вопросы в конце главы

413


ВОПРОС

ВОПРОС

13-1О

13-15

Клетки дрожжей могут жить как в присутствии кислорода (аэроб­

Протекание большинства метаболических реакций было рас­

но), так и без него (анаэробно) . В каких из этих условий клетки

шифровано с помощью синтеза метаболитов , содержащих ато­

будут расти лучше? Объясните свой ответ.

мы изотопов , отличающихся от природных . Продукты реакций ,

начиная с меченых изотопом метаболитов , можно проанализи­
ВОПРОС

13-11

ровать для точного определения того , какие атомы в продуктах

В ходе движения мышечным клеткам требуется много АТФ для

получаются из определенных атомов реагентов . При этом ис­

поддержания работы своего сократительного аппарата. В этих

пользуют, например , тот факт, что разные изотопы обладают

клетках содержится много креатинфосфата (см . рис.

13-7). По­

разной массой, и их можно отличить с помощью биофизических

чему это вещество удобно для запасания энергии? Обоснуйте

методов, таких как масс-спектрометрия . Кроме того, некоторые

свой ответ с помощью рис.

изотопы радиоактивны, и их легко обнаружить с помощью элек­

13- 7.

тронного счетчика или фотографической пленки , которую засве­
ВОПРОС

13-12

чивает радиация .

Идентичные пути, составляющие сложную последовательность

А . Предположим, что пируват, содержащий радиоактивный

реакций гликолиза, показанную на вкладке

396-397),

карбоксильной группе, добавляют к клеточному экстракту, в ко­

13-1

(с.

14

Св

характерны для большинства живых клеток. Однако можно при­

тором может идти окислительное фосфорилирование . Какие из

думать огромное число альтернативных химических реакций,

образующихся молекул должны будут содержать основное коли­

которые позволили бы окислить молекулы сахаров, и которые , в

чество добавленного С?

14

принципе, могли появиться в ходе эволюции вместо гликолиза .

Б. Предположим, что к экстракту добавляют оксалоацетат, со­

Обсудите этот факт в контексте эволюции.

держащий радиоактивный С в своей кета-группе (см . вклад­
ку 13-2, с . 406-407). Где должен находиться атом 14 С после ровно

ВОПРОС

одного оборота цикла?

14

13-13

Предположите , что животная клетка представляет из себя куб со

стороной

10 мкм. В клетке содержится 109 молекул АТФ, которые

ВОПРОС

13-16

она все использует за одну минуту. АТФ восстанавливается за

В клетках, которые могут расти как в аэробных, так и в анаэроб­

счет окисления глюкозы. Через какое время клетка использует

ных условиях, в присутствии кислорода брожение ингибируется .

такое количество газообразного кислорода, которое соответ­

Предположите , какова причина этого явления .

ствует ее собственному объему? (Вспомните, что один моль со­

держит 6 х
ВОПРОС

1023 молекул. Один моль газа занимает 22,4 л.)

13-14

В условиях, существующих в клетке, изменения свободной
энергии первых нескольких реакций гликолиза (на вкладке

13-1,

с.

396- 397) таковы:
Стадия 1 ЛG = - 8,0 ккал/моль (- 33,4 кДж/моль) .
Стадия 2 ЛG = - 0,6 ккал/моль (- 2,5 кДж/моль).
Стадия 3 ЛG = -5,3 ккал/моль (- 22,2 кДж/моль).
Стадия 4 ЛG = -0,3 ккал/моль (-1,3 кДж/моль) .
Выгодны ли эти реакции энергетически? Используя данные зна­

чения , нарисуйте в масштабе энергетическую диаграмму (А) для
суммарной реакции и (Б) для пути, составленного из четырех от­
дельных реакций.

414

ГЛАВА

13. Как клетки получают энергию из пищи


•

-~·

•

МИТОХОНДРИИ И ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

ТРАНСПОРТА ЭЛЕКТРОНОВ

• • •• •

пр е вращ е ни е э н е ргии соm-~ е чного света в э нергию х ими­

ч еских связей в ходе фото си нт еза, а также аэ ро б но е д ы ­
х ани е , даю щ ее нам возможность исnоль з оват1, кислоро д

для произ водства бот,шого колич ества АТФ из пита ­
тельных мол е кул. Описываем 1,1й ниж е м еханизм во з ни к

у бакте ри й более

3

м л рд лет н азад. От прыски п е рвы х

И ПЕРЕНОСА ПРОТОНОВ

таких клеток заполнили собой каждый уголок зе мной

ХЛОРОПЛАСТЫ И ФОТОСИНТЕЗ

а ны п о р азител ьны м р аз нооб р аз ием жизненны х форм, а

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХЛОРОПЛАСТОВ

хло р о пластов и митохондрий .

пов е р х н ос ти, каждую тр е щин у зе мной коры , моря и ок е­
в эу ка ри от ич ес ких кл е тках они до сих пор живут в ви де

И МИТОХОНДРИЙ

Вопросы << Откуда мы произошли? » и << Наско.тп,ко мы
родственны д ругим живым органи з мам? » волновали лю­

Фундаменталь н ая проблема эффе ктивного произ водства
э не р,· ии сильно повлияла н а и сторию жизни на Земле.

дей с с моме нта осоз нания себя частью природы. История,
котору ю мы теперь може м рассказап, бла годаря длинной
це 11 и научных иссл едований, явля ется од но й и з самых

Значительную долю структур, функций и особенностей

д раматич ных и зах ватывающих и сторий и з когда-либо

э волюции клеток и организ мов мож11O связать с и х п о­
треб н остями в э н е ргии. П ервы е клетки могли про~шво­
дить АТФ за сч ет расще п ления орга нич еских молекул,

расс казанны х . И о н а е ще н е дописан а до ко нца. С каждым

образо вав ши хся в ходе предшеству ющих геох имич ес ки"Х
11

годом исследова ния в области клето чной биологии с при ­

м е нен ием все более мощны х мол е кулярных методов дают
н ам нов ы е под роб ности.

Роцессов, с гюм о щ 1, ю какого -то вида брожения. Реакции

броже ния 11рои сходят в ци тозоле современны х клеток.
Кат, обсуждалос1, в ,-л. 13, эти реак ции и сп олr,зуют э нер­
гию, получ е нну ю в ходе част ично1·O окисления э не ргети­
Че 1,и богат ы х мол екул пищи, для образования АТФ - хи­
мической « валют ы » клетки.
Но в ходе р азвития жизни OL1e111, р а но возник гораз­

до более эффе ктивный м етод производства энергии и
си нтеза АТФ, ос н ова нный н а транс п орте электронов в

Мембра l!ах. Через миллиарды лет этот процесс стал на ­
стол ько важе н дл я жиз ни н а Земле, что мы пос вяща ем
ем у цел ую ,·лаву. Как мы увидим, клетка и с пользует
~, ем б ранный м сха 1-1и зм для п олуче ния э н е ргии и з ши ­
Ро,,о ,·о с н е ктра и сточников: 1-1 а пр имер, н а н ем ос н ова но

Б езусловно, централь ной дл я развития ж из ни б ы ла

с гrособностъ производитr, достато чное количество э н ер ­
гии для клетки. В этои ,·лаве мы обсуждае м м еха ,шз мы ,
сделав ши е это воз можным .

Клетки получают большую часть энергии
за счет механизма , связанного с мембраной
О с но вная э не р гети ч еская вал юта кл етки
рис.

3-32).

-

это АТФ (см.

В эу кари отических кл етках небольши е коли ­

чества АТФ образу ются в ходе гликолиза в цитозол е, но
основн ая ее ч астъ с инт з иру ется за счет о.кислитеJ1 ыюr·о

фосфорилирования в митохо н ; :рия х ( см. гл .

13).

М еха-

11и зм образования б6ль ш ей части АТФ в митохон д риях


14-1

отлиttается от механизма ее синтеза в ходе гликолиза тем,

ВОПРОС

ч то задействует мембрану: окислитслы-юе фосфори л иро ­

А Динитрофенол (дНФ)

ва ние зависит от электро11 ного транс порта в м емб ра не ми­
тохо н д рии и тра 1-1 спо рта ионов че рез нее. Процесс произ­

водства АТФ того же ти п а происход ит в цитоп лазматиче­

ской мембране бактерий. Мемб ранный меха ни з м синтеза
АТФ воз ник оче 1-11, рано в истории жиз ни и был настол ы<о
усп еш ен, что его основные свойства сохранились в ходе
длинного эволю ци ошюго путеш ес твия от р ан ни х прока ­

риот до сов ременных клеток. У фотосинтетич еских бак­

- маленькая молекула , делающая

rl' мембраны проницаемыми для протонов . В 1940-х годах не-

8

большие количества этого высокотоксического вещества

давали пациентам для то го , чтобы снижать вес . ДНФ эффективно
вызывал потерю ли ш ни х килограммов , особенно усиливая рас хо­
дование запасов жира. Можете ли вы объяснить , как он может вы­
зывать такой п роцесс? В качестве неприятны х побочных э ффектов

у пациентов наблюдалось повышение температуры и обильное по­

тоотделение во время лечения . Дайте объяснение этим симптомам.

терий, расте ний и водорослей сходный процесс синтеза

АТФ на мембра не протекает в ходе фотосинтеза.
Основанный t-ia мембране про цесс синтеза АТФ состо­
ит из д вух связа ~11-rьrх стадий; обе проводятся белковыми
комплексами, рас положенны ми в м ембране.

Стадия

1. Электро ны ,

полученные при окислении моле­

кул питатель ных веществ (см . гл .

13)

или из

дру гих источников (обсуждается ниже) , пере­

В этой главе мы рассмотрим производство энергии каI<

в митохондрия х, так и в хло роп ластах, особо подче ркивая
общие принципы образования протонных градиентов и их
и спользования в этих органеллах и в цитоплазматической

мембране бактерий. Мы начнем с оriисания структуры и
функции митохондрий, деталь но рассматривая события,

носятся по набору переиосчиков электронов,

происходящие в митохон дриалыюй мембране и приво­

называемому элект рон-транспортной цепью и

дя щи е к образованию протонного градиента и производ­

закточ ен н ому в мембране. При п е реносе элек­

ству АТФ. Затем мы опишем фотосинтез в хлороп ластах

тронов выделяется э н е ргия, и с пол ьзуемая для

раститель ных клеток. В конце про следим э вол юционные

перекаtrки протонов (Н+ ) t1ерез мембрану. Та ­

пути , дав ши е н ачало этим механизмам производства э н ер­

ки м образом формируется электрохимич еский

гии. Изучая образ ж и зt1и множества од ноклеточ ных орга-

протонный

градиент ( РИС.

градиент на мемб ране

-

14-1, А) . Ионны й

это форма запасе нной

э не ргии , кото рую можио исполъзовать для со­

вершения полезной работы, если ионам дать

возможность проникать об рат но ч ерез мембра­
ну по градиенту ( см. гл.

12).

Стадия 2. Ионы н + поступают обрат н о по их электрохи­
мическому градиенту через белков ый комплекс,
наз ываемый АТФ- синтазой (АТР

syntl1ase),

ка­

тализирующий энергозатратный сиюпез АТФ
и з АДФ и нео рганическо го фосфата (Р ; ) . Этот

вездесущий фе рмент игра ет роль турбины, по ­
зволяющей и с пользо вать 11рото~Lный градиент

для синтеза АТФ (рис.
О бъедине ние электронного

14- 1, Б) .
транс п орта,

пе река ч ки

00

ооо

о

о о о

низкоэнергетичfские
электро н ы

СТАДИЯ

1: ЭНЕРГИЯ

о

о

протонов и с интеза АТФ было названо хемиосмотической

ТРАНСПОРТА ЭЛЕКТРОНОВ

гипотезой

ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ

АТФ-СИНТАЗОЙ ДЛЯ

ПЕРЕНОСА ПРОТОНОВ

СИНТЕЗА АТФ

(cbemiosmotic bypothesis) , когда ее высказали в

1960-х, из -за связ и между химической реакци е й образова­
ния связ и, в ходе которой синтез ируется АТФ
и про цессов мембра нн ого транспорта
от греч. осмос

-

( <<хеми -»)
( ~ -осмотическая »,

<<толкать » ) . Ceйtrac этот процесс наз ыва­

ют хемиосмотическим сопряжением

(cbemiosmotic cou-

pliпg). Х миосмотические механизмы позволяют клетке
добывать энергию при пе реносе эле ктро,-юв практич ески
так же, как эн е ргию , зап асенную в батарейке, можно ис­
пользовап, для со ве ршения полез ной работы ( РИС . 14-2) .
Хемиосмотическое со пряжени е в пе рвые появи лос r,

о

СТАДИЯ 2: ПРОТОННЫЙ
ГРАДИЕНТ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ

ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ

(А )

(Б)

РИС. 14-1. Клетки приобрели системы добывания эне ргии , необ ·
ходимой для жи з ни . (А) В аж нейшим требованием для этих процессов

является наличие мембраны, в которую встроены белок- насос и АТФ·
с интаза , а также и сточник высо коэ нергетичес к и х электронов (е- ) и про ·

тонов (Н ' ) . Н асос использует энергию транспорта электронов (детали
н е показаны) для перено са протонов , получаемы х из воды , создавая

протонный градиент н а мембране . Высокоэнергетически е эл ектроны

у бакте ри й . Аэробные эу кариотич еские кл етки, видимо,

мож но получить из органическ и х или неорганически х молекул , или они

полу чил и бактери алъный хем иосмотич еский механи з м

образуются при действии света на специальные молекулы , такие как

неизме 1-1ным , с~1 ачала благода ря включени ю ~ в себя » аэ­

хлорофилл. (Б) Градиент, образованный в (А) , служит источником энер ­

робн, 1х бакте рий , образовавших митохондрии, а позже (в

гии для разнообразны х процессов. Он используется для проведе ния

люrия х, приведши х к появле нию водорослей и расте ни яй )

энергозатратных реакций в митохондриях , хлоропластах и бакте риях,

включением циа~юбактерий, об разовавших хло ропласты

включая синтез АТФ АТФ- синтазой . Красная стрелка у казы ва ет направ·

( см. 1·11 .

ление движени я протонов н а каждой стадии.

416

1, ри с. 1-19 и 1-2 1).

ГЛАВА 14. П р ои з водств о э н е р г ии в м ито хондриях и хл о ропл аста х


положительный электрод

/

/

(закрытый металлом углеродный стержень)

/
в-

вся химическая энергия

Поток

потока электронов

электронов

изоля тор

-

превращается в

в проводе

электроли т

тепловую энергию

провод

(Б)

оксид марганца

(11)

и порошкообразного
графита в тонком

~:: ; ~:,:,~?-11 химическая энергия потока

порис том мешочке

электронов превращается

в потенциальную энергию,
заключенную в разнице

уровней воды; меньшая
часть энергии все же

цинковый ~
отрицательный

расходуется на тепло

перенос электронов

электрод

от цинка к оксиду

марrанца

(N)
(В)

(А)

РИС.

14-2.

Батарейки работают за счет химических реакций, связанных с переносом электро­

нов. (А) Когда обычнаs~ батарейка длs~ фонарика замыкаетсs~ в цепь , электроны «текут » с одного конца

металлического контейнера , сделанного из цинка

(Zn), к атому м а рганца в оксиде марганца (IV) (MnO2). В
(11) (MnO). (Графит в батарейке используетсs~ толь­

качестве продуктов образуютсs~ Zn 2• и оксид марганца

ко длs~ проведениs~ электронов . ) (Б) Если концы батарейки коротко замкнуть друг на друга , вcsi энергиs~ ,

высвобождающаs~ся при транспорте электронов , превращаетсs~ в тепло . (В) Если батарейку подсоеди­
нить к насосу, значительная часть энергии транспорта электронов используется для совершения работы
(в данном случае для пере качивания воды) . Клет ки могут сходным образом использовать э нергию , полу­

чаемую за счет тра нспорта электронов , для работы на сосов, как по каза но на рис .

ни з мов , включая тех, которые могут на поминать наших

14-1 .

Дефекты в функционировании митохондрий могут

Ранних предков , мы увидим, какую роль играло хемиосмо­

иметь серьезные последствия для всего организма. Рассмо­

тическое со пр яжение в становлении эука ри от и развитии

трим, например, наследственное заболевание

Всей жизни н а Земле .

ческу10 эпилепсию с рва~-tы..мu мышечнылш волоююмu , или

синдром

МИТОХОНДРИИ И ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ

MERRF

(от аигл. rnyocloпic

-

миокло1-1и ­

epilepsy ,vitli

гagged

геd fibeгs). Это заболевание, вызываемое мута цией в гене
одной из митохондриальнъrх транспортных РНК (тРНК) ,

ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

характеризуется снижением синтеза

Митохондрии (m i tochondгi a) имеются почти во всех эу­
у растений, животных и боль-

АТФ, В результате у пациентов обычно развивается мы ­
ше чная слабость или проблемы с сердцем (из-за влияния

1:Uинства эукариотич еских микроорганизмов, и б6льшая

на сердечную мышцу ) и эп илепсия и:ли СJ1 абоумие (из -за

Часть АТФ в клетке прои зводится в этих органеллах. Без

влияния на нервиые клетки). Мышцы и н ервные клетки

них сов ременные эукариоты за висели бы от сравнительно

страдают больше всего от дефектов в митохондриях, п о­

Неэффективного процесса гликолиза при с ИJпезе АТФ, и

скольку им требуется особо большие количества АТФ для

I<ажется маловероятным, чтобы сложные многоклеточные

правильной работы.

кариоти,rеских клетках

-

митохонд риалъных

белков , требуемых для электронного транспорта и синтеза

организмы могли довольствоваться этим. Когда глюкоза

Те же метаболические реакции, что и в митохоtщри ­

11ревращается в пируват в ходе гликолиза, высвобождают­
ся только две молекулы АТФ на одну молекулу глюкозы

ях, идут в аэробных бактериях, не обладающих эт ими

(меньше 10% всей потенциально доступной свободной

мембрана участвует в хемносмотическом сопряжении .

3

органеллами.

У этих

организмов

цитоттлазматич еская

1-Lерrии ) . В противоположность этому, в митохондриях ме-

Разумеется, бактериальной клетке лри ходится выnолн ять

1·аболизм сахаров завершается, и вы деляющаяся эн ергия
l1спользуется так эффективно, что и а каждую окисленную

множество других функций; митохонд рия же, наоборот,

Молекулу глюкоз ы выделяется около

30 молекул АТФ .

стала очень высокоспециализированной органеллой для
пр оизводства эн е ргии.

Митохондрии и окислительное фосфорилирование

417


Митохондрии имеют внешнюю мембрану,
внутреннюю мембрану

митохондрии

и два внутренних компартмента

Митохондрии в целом схожи по размеру и форм

с бак­

териями, хотя эти параметры могут очень силь но вар 1,и­

ровать в зависимости от типа клеток. Они содержат свои
:::::=tFli!.:- миофибрилла сократительного

ДНК и РНК, а также полноценные системы транскрипции

и трансляции, включая рибосомы, позволяющие им само­
стоятелыю синтезировать некоторые из собственных бел­

аппарата

(А) КЛЕТКА СЕРДЕЧНОЙ

ков. Замедленная киносъемка живых клеток показывает,

что митохондрии

-

это особенно мобильные органеллы,

(Б) ХВОСТ СПЕРМАТОЗОИДА

мышцы

РИС.

14-3.

Митохондрии расположены в местах быстрого рас­

постоянно меняющие форму и положение. Представле н ­

ходования АТФ. (А) В сердечной мышце митохондрии расположены

ные в больших количествах

в клетке печени,

в непосредственной близости к сократительному аппарату, где за счет

например), эти органеллы образуют длинные движущие­

гидролиза АТФ выделяетс я энергия , используемая для сокращения . (Б)

(1000- 2000

ся цепи, связанные с микротрубочками цитоскелета (см.

В с п е рматозоиде митохо ндрии расположены в х восте; они о кружа ют

гл.

часть подвижн ого жгути ка, кото рому требуется АТФ для дви же н и я .

17).

В других клетках они остаются зафиксированны­

ми в одном положении для образования АТФ строго в
местах ее особенно интенсивного расходования. В сердеч­
ной мышце, наприм ер, митохондрии расположены в непо­

Отдель ная митохондрия одета двумя высокоспеци­

средственной близости к сократительному аппарату, в то

ализированными мембранами

время как в сперматозоиде они плотно обернуты вокруг

играющими важнейшую роль в ее работе. Внешняя и вну­

( одна

окружает вторую),

14-3). Число мито­

тренняя мембраны отделяют два комттартмента митохон­

хондрий, имеющихся в раз ных типах клеток, может очень

дрии: обширное внутреннее пространство, называемое

основания подв ижного жгутика ( РИС.

сильно различат ься и меняется в зависимости от потреб­

матриксом

ностей клетки. В клетках скелетной мускулатуры, напри­

иое простраиство

(matrix), и гораздо более узкое межмембраи­
(intermembrane space) ( РИС. 14-4) . Если

5- 10 раз из-за

выделенные митохондрии аккуратно обработать и разде­

роста и деления митохондрий в случае, если мышце при­

лить на отдельные компоненты с помощью ди фф еренци­

шло сь много раз сокращаться.

ального центрифугирования ( см. вкладку

мер, число митохондрий может возрастать в

4-4, с. 160- 161),

Матрикс. Это пространство содержит
концентрированную смесь сотен ферментов,

включая необходимые для окисления
пирувата и жирных кислот, а также цикла

лимонной ки слоты

Внутренняя мембрана. Свернутая во
множество крист, внутренняя мембрана
содержит белки , проводящие реакции
элетрон-транспортной цепи и АТФ-синтазу,
син тезирующую АТФ в матриксе

Внешняя мембрана. Из-за содержащегося в
ней белка , образующего каналы (его называют
порин) , внешняя мембрана проницаема
для всех молекул с молекулярной массой ,
не превышающей 5000 дальтон

Межмембранное пространство. В этом
пространст ве содержатся белки ,
использующие АТФ, выходящую из матрикса,
для фосфорилирования других нуклеотидов

100
РИС .

14-4. Митохондрия

разделена на четыре различных компартмента. Каждый компартме нт

содерж ит уни кальный набор белков, позволяющий ему выполнять с вои особые функции . В митохо н ­
дриях клетки пече ни прим е рно
не ,

418

67% в сех белков расположены в матриксе, 21 % на внутренней мембра6% н а внешней м е мбране и 6% в межмембранном пространстве . (С разре ш е ния Daniel S. Friend.)

ГЛАВА 14. Производство энергии в митохондриях и хлоропластах

нм


ВОПРОС

14-2

тельного фосфорилирования. Эта мембрана, кроме того,

А На электронной микрофотографии видно , что митохон­

rl' дрии клето к сердечной мышцы содержат гораздо больше

8

крист, чем митохондрии клеток кожи . Предложите объя с­

н е ни е этому фа кту.

содержит разнообраз ные транспортные белки, позволяю­
щие определенным малым молекулам, таким как пируват

или жирные кислоты, поступать в мат рикс .

Внутренняя мембрана обычно силыю извитая
образует много складок, называемых кристами

- она
(c1·istae ), на­

правленных внутрь матрикса и сильно увеличивающих пло­

щадь поверхности внутренней мембраны (см.рис.

14-4). Эти

r-южно определить биохимический состав каждой из двух

сюrадr<и дают большую площадь для синтеза АТФ; в клетке

мембран и пространств, заключенных в них. Все они со­

печени, к примеру, внутренние мембраны всех митохондрий

держат уникальные наборы белков.

составляют примерно треть всех мембран клетки, а число

Виешняя мембраиа (o u te г mеmЪгане) содержит мно­
го молекул транспортиого белка порина, который, как
описывалось в гл.

11,

мерно в три раза больше, чем в клетках печени.

образует водные каналы в липид ­

ном бислое. В результате внешняя мембрана работает

KaI<

крист в митохондриях клеток сердеsпюй мышцы еще при­

сито, пропускающее все молекулы массой не более

5000 дальтон, включая маленъкие белки. Это делает меж­
мембранное пространство

химически эквивалентным

В ходе цикла Кребса образуются
высокоэнергетические электроны

Митохондрии используют в качестве топлива как пиру­

цитозолю в отношении содержащихся в нем малых мо­

ват, так и жирные кислоты, причем пируват в основном

лекул. В противоположность этому, внутренняя мембра-

образуется из глюкоз ы и д ругих саха ров , а жирные кис­

1-tа

лоты

(inne1·

memЪrane), как и другие мембраны клетки, не­

проницаема для ионов и болъшинства мелких молекул,

-

из жиров . Эти топливные молекулы перено сятся

через внутреннюю мембрану митохондрии, посл е чего

за исключением тех, для которых проход обеспечивают

превращаются в важнейший промежуточный продукт об­

специалы-rы е мембранные транспортные белки. Соответ­

мена ве ществ

ственно, митохондриальный матрикс содержит только те

ходящихся в матриксе (см. рис.

Моле.культ, кото рые могут быть с п е цифично перенесены

пы из ацетил- КоА затем окисляются в матриксе в ходе

туда через внутреннюю мембрану, и его содержимое со­

цикла лимонной кислоты (см. вкладку

вершенно особое.

В цикл е атомы углерода ацетильной группы из ацетил­

Через внутреннюю мембрану митохондрий перено­
сятся электроны и перекачиваются протоны, в ней рас­

полагается АТФ-синтаза. Болъшинство белков, заклю­
ченных во внутреннюю мембрану митохондрии, входят в
ЭJJектрон-транспортную цепъ, необходимую для окисли-

-

ацетил- КоА

-

с помощью фе р ме нтов, на­

13-10). Ацетильные груп ­
13-2,

с.

406- 407).

КоА превращаются в СO 2 , который выделяется из клетки

как побочный продукт. В дополнение в ходе цикла обра­
зуются

высокоэнергетические

электроны ,

связанные

с

активированными молекулами-переносчиками НАД · Н и

ФАД · Н 2 ( РИС . 14-5) .

два высокоэнергетических
электрона , полученных

за счет окисления сахара

н

нестабильный изомер

н.\•;/н о
11

" с .,,, с ' с .,,.. с ' Nн
11

11

.,. . c.. ., N.,,,c,
н
I

н

GD:1 1

2

ДОНОРСТВО

ПЕРЕСТРОЙКА

ЭЛЕКТРОНОВ

связи

т

гидрид-ион

Н:

два аnектрона постуnают
а аnектрон-транспортную цепь

мемб~ны

РИС .

14-5. НАД·Н

отдает свои электроны в электрон-транспортную цепь. На этом рисунке высо ­

коэнергетические электроны изображены в виде пары красных точек у желтого атома водорода . Ги ­
дрид- ион (атом водорода с лишним электроном) отнимается у НАД-Н и превращается в протон и два
высоко э нергетичес к их электрона. По каза но только кольцо, переносящее электроны в составе высоко­

энергетической связи; чтобы увидеть полную структуру и превращение нм• в НАД· Н, см. очень сход­
ную структуру НАДФ·Н на рис .
изображе на на ри с.

3-34.

Электроны также аналогично переносятся ФАД·Н 2 , чья структура

13-12, Б .

Митохондрии и окислительное фосфорилирование

419


Хотя. ци кл л имо rшой ки слоты рассм атри вается как

часть аэроб н ого метабол и зма, в ходе н е го н е и сп ользует­
ся моле куля рный ки сло род

(0 2) .

Этот газ н а пряму ю п о­

требл я ется только в послед н е й катабол ичес кой реак ции ,
про и сходящей н а внут рен ней м емб ране митохо ,щ рии , как

протонная

мы ув идим п озже .

В хемиосмотическом процессе энергия передается
от активированных молекул-переносчиков к АТФ
Почти в ся. доступная при сжигании у глев одов , жир ов и

д ругой пищи эне ргия на более ранних стадиях запасается

мол е кулы
ж иров

и у гл е водов

в виде активированных моле кул- пе ренос чиков , образу ­
ющихся в ходе гликолиза и цикла лимонной кисл от ы

-

НАД · Н и ФАД·Н 2 • Эти молекул ы - переносчики отда ют

продукты

с вои вы сокоэне р1-етич еские эле ктроны н а эле ктрон-тр а н с ­

портну ю це пь в митохонд риалы-rой м емб ра н е и ст,нrовятся

РИС.

оки сл е нными НАД + и ФАД. Эле ктроны быстро пе реда ют­

митохондрии. Представлена только первая стадия хемиосмотическо ­

ся. по цепи к мол е кулярному кислороду

(0 2) , образуя

воду

(Н 2 O). Перенос эле ктронов по ходу электрон -тра нс порт­

14-6.

Протоны перекачиваются через внутреннюю мембрану

го сопряжения (см. рис .

14-1 ). Путь потока электронов показан красны­

ми стрелками.

ной це пи вы с вобождает энергию , расходуему ю н а пе ре ­
качку протонов через вн утре ннюю мембра н у митох он­

д рии ( РИС. 14-6).
внешняя мембрана

Итоговый протонный градиент, в свою оч.е р ед ь , и с­

митохондрии

лолъзуется для. синтеза АТФ . Полная лоследователъностъ
реакций показана на РИС. 14-7. Внутре нн я я м ембрана

митохондрии, та ким образом, служит устро йством , пре­
вр ащающим

эн е р гию

вы соко э н е ргетич ес ких

электро,-rов

НАД·Н в эне ргию фосфатно й связи АТФ ( РИС . 14-8). Этот

хе миосмот иL1еский м еханиз м с интеза АТФ называется
окислительным фосфорилированием, поскольку включ а­

ет как потребле ние

0 2, так

и добавле ни е фосфатной г руп­

пы к АДФ с об разованием АТФ .
Хотя хе миос мотичес1<ое сопряже ни е ускользало от

вним ания исследователей много лет, подавл яющее болъ ­
шинство орга низ мов ис пол ьзуют для прои з водства АТФ
име нно этот м ехани з м. Источник электронов для под1.!ер ­
жа ния

п е р е кач к и

протонов у

раз 1-1ых о ргани з м о в

и

ацетил-Код

при

/

пируват

раз ных процессах с ильно разл ичается . При аэ роб ном ды ­

'

жирные кислоты

хании в митохонд риях и аэробных бакте рия х эле ктроны
пол учаются толъко из гл юкозы ил и жир 1-1ы х ки сл от. При

фотос ин тезе

н еобход имые эле ктроиы

дей ствии с вета

phyll).

rra

образуются

при

пируват

зеленый пигме нт xлopoфuJut ( c Ь l oro ­

жирные кислоты

МОЛЕКУЛЫ ПИЩИ ИЗ ЦИТОЗОЛЯ

А многие бактерии в кач естве источников в ысоко­

эне ргетич ес ки х электронов , н еобход имы х им дл я синтеза

РИС .

АТФ , и спол ьзуют неор~-анич ес кие вещества, такие как во­

ходе цикла лимонной кислоты , служат источником энергии для

дород, железо и се ра.

синтеза АТФ. Пируват и жирные кислоты попадают в митохондрию

14· 7.

Высокоэнергетические электроны, образовавшиеся в

(внизу) , превращаются в ацетил - Код , а затем преобразуются в цикле

Электрон-транспортная цепь перекачивает протоны
через внутреннюю мембрану митохондрии
Электрон -т ра 11с п о ртная це пь , и л и дыхателъиая цепь

spir·atory chain), проводящая

лимонной кислоты, в ходе которого НАД' восстанавливается до НАД· Н
(и ФАД до ФАД- Н 2 , не показано). В ходе окислительного фосфорили ­
рования высокоэнергетические электроны от НАД - Н (и ФАД - Н 2 ) пере ­

(re-

носятся по электрон-транспортной цепи во внутренней мембране ми·

о к и слительное фосфорил и­

тохондрии на кислород (OJ Транспорт электронов создает протонный

ров а ние, представлена во миожеств е копий во вн утре н­

градиент на внутренней мембране , который использует для синтеза

н ей м ем бран е митохондрий. Каждая цепь вкл ючает более

АТФ АТФ - синтаза . На этой схеме точные соотношения « реагентов » и

40 бел ков . Б олъшинство и з них закрепле ны в липидн о м

« продуктов» не соблюдены. Например , мы скоро увидим , что требу·

б и слое и раб ота ют тол ько в не поврежденной мембра 1-1 е,

ется четыре электрона от молекул НАД · Н , чтобы превратить

что услож н яет их изу ч е ни е. Однако компоненты эле r<-

молекулы Н 2 0.

420

ГЛАВА 14. Производство энергии в митохондриях и хлоропластах

02 в

дв е


. +½

энергия в форме высокоэнергетических электронов

электро нов по це пи э н е р1-ет ич ески выгоде н : эле ктроны на ­

чи11 ают с очень высокой э н е ргии и теряют ее на каждой

+

\.

с тадии п е ре но са, в конце концов по сту пая на цитохромок ­

с и дазу, где они реагируют с молекулой

0 2 до

образования

вод ы. Эта та стадия клеточного дыхания, где расходуется

кислород, и она п отребляет п очти вес ь кислород, кото р ый

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

мы вдыхаем .

процессы превращения

энергии в мембране

Перекачка протонов создает сильный
электрохимический протонный градиент

на внутренней мембране митохондрии
ф

+

р,

Без мех,uшзма за пасания э не ргии, выделяющейся в ходе

электронного транспорта, она бы просто высвобождалась
энергия в виде высокоэнергетических

в виде тепла. Но клетки использу ют значитель ную часть

фосфатных связей

э н е рпrи п е р е н оса эле ктронов за счет того, что он прои с­

РИС. 14-8. Митохондрии катализируют важнейшее превращение

случае эне ргетич ески выгод1-1ы й ток электронов по эле к­

энергии. В ходе о кислительного фосфорилирования энергия, полу­

трон-тра нспортной це п и приводит к пе рекачиванию про­

ченная при окислении НАД · Н до НАД+, используется для энергозатрат­

тонов через мембрану из митоходриалытого матрикса в

ходит в белках, способных пере качивать прото н ы. В этом

наго процесса фосфорилирования АДФ до АТФ . Суммарное уравнение

пространство между внутрен н ей и внешней мембранами

всего процесса передачи электронов от НАД·Н к кисло роду можно за­

митохондрии ( см. рис.

писать так : НАД·Н

+ ½ O 2 + Н + --.

ндд+

14-9).

Дальше в это главе мы подробно опишем молекул яр­

+ Н 2 O.
ный

меха ни зм,

связывающий

электронный транспорт

с п е ре носом протонов. Сейчас же мы сосредоточимся

трон- тра 1-1спортной цепи, как и друг ие мембранные бел-

н а последствиях этого ловкого биологического манев­

1,и , можно растворить, ис пользуя 1-rе иотiНы е детергенты

ра. Прежде всего, активная п е ре качка протонов образует

(см. ри с. 11 -27), очистить, а затем вставить в небольшие

град иею концентрации н +

-

Мембранные везикулы. Подобные исследования показа­

ме мбране составлнет около

0,5

JLИ, что большинство белков, включенных в митохондри­

около

альную электрон-тра нслортную це пь, сг руппированы в

ло

три бол ьших дыхателы-tы.х ферлtеитативпых ко;1tплекса

создает мембранный поте нциал на внутренней м ембран е,

7,

7,5)

град иент рН на в нутре нне й
м ежду матриксом (где рН

и межмембранным пространством (с рН око­

как и в цитоз оле) . К тому же пе река чка лрото1-юв

(respiiatoгy eпzy m e co mplexe ), содержа щих множество
бел1юв. Кажд ый комплекс вкл юч ает трансмембранные
белки , заяко ривающие его во внутренней митоходриал 1,­
Ной мембране.
Пер еч и сл им три д ыхател ьных ферм ентативных кoм­
ll Jteкca в пор ядке, в котором они п олуча ют электроны:

(1) НАДН-дегидрогеиазиый комплекс (NADH d e l1 ydгoge11ase co mp lex), (2) цитохром -Ьс 1 -1сомплекс ( суtос hгош Ь с 1
comp lex) и (3) цитохромоксuдазиый комплекс ( cytoclнom

0xidase соп1р l ех ) . Каждый из них соде ржит ион м еталла
11 другие х им ические группы, п омогаю 1.цие электрона м

Проходить ч е рез комплекс. Дыхательные комплексы Места п е рекачки протонов , и каждый можно себе пред­
став ить как бел ковую машину, перека чиваю щую прото­

МЕЖМЕМБРАННОЕ
ПРОСТРАНСТВО

внутренн

мембран
митохон­
дрии

МАТРИК
убихинон

ны • rе р ез м ембрану одновременно с п е р е носом ч ерез н ее
эле r<тронов .

Транс п орт электронов начинается, когда от НАД-Н

отщепляется гидри д-ион сн- ) и превра щается в протон
11 два высокоэнергетических электрона : н - -+ н + + 2е­

(см. рис. 14-5 ). Эта реакция катализируется первым

дъtхательным

фе рм ентативным комплексом, НАД · Н ­
деrидроген азой , которая принимает электроны от НАД· Н

( Рис. 14-9). Затем электроны переда ются по цепи каждому

Дос11едующему ферм ентативному комплексу по очереди.

.71Я трансп орта электронов между комплексами исполъ-

3У10тся мобильные п ереносчики эле ктронов. Транспорт

1 1 11 ' 1 11 11 1
10 нм

РИС.

14-9.

НАД·Н-дегидро­

комплекс

цитохром­

геназный

цитохром

оксидазный

комплекс

Ьс,

комплекс

Электроны переносятся через три дыхательных фер­

ментативных комплекса во внутренней мембране митохондрии.
П оказаны относительные размеры и форма каждого комплекса. В ходе
транспорта электронов от НАД·Н к кислороду (красные линии) протоны ,
полученные из воды, пере качи ваются через мембрану из матрикса в

межмембранное пространство с помощью каждо го из дыхательных фер­
ментативных компле ксов ( ВИДЕО

14.2).

Убихинон

(Q)

и цитохром с (с)

сл ужат подвижными п ере н осчиками электро н ов между компл ексами.

Митохондрии и окислительное фосфорилирование

421


Электрохимический протонный градиент
используется для синтеза АТФ

МЕЖМ Е МБРАННО Е
ПРОСТРАНСТВО

внут рен,[

Сила , толкаю щая

няя ме мбрана

п ротоны из-за

ми то ­

Как объяснялось выш е, электрохи мич ес кий прото нный
град и е нт н а внутре нн ей мембран е митохон дрии исполь ­

МАТРИКС

хон др ии

зуется для си нтеза АТФ . Позволяет это сделать бою,­
шой ферм ент, называемый АТФ-синтетазой, или АТФ ­
си нтазой (АТР sy п t hase) , который тоже встрое 1-1 во вну­

МЕЖМЕМБРАННО Е

тре н 1 1юю мембран у митохо~щрии. АТФ-синтаза создает

ПРОСТРАНСТВО
в нутрен-

няя мем-'

[

Сила , толка ющая
прот о н ы из-за

ги д рофильный проход чер з внутре1111юю мембрану, по
градиента

н•

брана
ми то-

МАТРИКС

х о н дрии

которому лротоны проходят обратно ч е рез мембрану по

ЛрН

их электро х имич ескому гради е нту ( РИС.14-11 ) . При лро ­
хождении этих ионов ч е р ез ф е рм е нт они используются

н·

для пров едения энергет ическ и н евыгод ной р еак ции м еж­

ду АДФ и нео рганическим фосфатом (Р;) , образу ющей
РИС.

14-1О . Суммарный электрохимический градиент н • на вну­

АТФ (см. рис.

2-24) .

АТФ-синтаза имеет древнее нрои с­

тренней мембране митохондрии состоит из двух сил: большой

хождение: один и тот же фе рм ент имеется в митохондриях

и малой. Большая связана с мембранным потенциалом ( Л V) , а

животных клеток, хлоропластах растений и водоросле й , а

малая

такж цитоплазматич ес кой мемб ране бактерий.

- с разностью концентраций н • ( ЛрН) . Обе сил ы со в ме ща­

АТФ-синтаза

ютс я , создавая общую вели ч ину, тол кающую прото н ы в матрикс. Со­

-

это большой белок, состоящий из мно­

отношение между этим и си л ами вы ражается в виде уравнения Н ерн­

жества субъединиц ( РИС. 14-12). Б6льшая, ферм нтати.вная

ста (см. рис.

ч аст ь белка в форм е еоловки леде нца направлена в матрикс

12-30).

и провод ит р еак цию фо сфорили рова1-1ия. Эта фермента­

тивная структура прикре пле н а че рез более тонкую мноrо­
с отрицател 1,ным заря дом внутри ( со стороны матрикса) и

субъед и1-1 ичт-rую <<ножку,> к траисмембранлому п ереносч и­

положительным с н аруж и , как р езулътат суммарного тока

ку протонов. При прохождении протонов L!е рез узкий ка­
нал переносчика их дви жение вызывает быстрое вращение

н· наружу.

Как обсуждалось в гл.

12, сила, движу щая пассив­

ный ток ионов ч е рез ме мбраиу, пропорциональна элек ­

ножки внутри головки ,

вать АТФ (рис.

14- 12,

L[TO

поз воляет головке синтез иро­

А). Фермент работает прюпически

трохимическому градие нту для этого иона на м ембране .

как молекулярный мотор , превращая эне ргию тока про­

Он , в свою ОLrередь, зав исит от напряжения на мембра­

тонов по градиенту в механич ес кую э н е ргию трения двух

не, которое и з м е ря ется как м е мбранный потенциал, и от

наборов белков д ру г о друга

конце нтрационного градие нта иона (см . рис .

По­

трутся о неnодвижиые белки головки. Движения ножки

скольку протоны заряж е ны положительно, они будут

вызывает и змен е ния конформации субъединиц головки.

12-7).

-

вращающиеся белки ножки

с 1·отовностыо дв игаться через мембрану, если на м ем­

Эта механическая деформация превращается в э н е ргию

бране есть и збыток отрицателъных за рядов с противо ­

химических связей во время синтеза АТФ. Невероятное

положной стороны. В cлyLtae внутренней мембраны ми­

тохонд рии гради ент рН и мембранный поте нциал рабо ­
тают совместно, создавая мощный электрохимич ес кий
протонный

....

н · ----

градиент, дела ющий э не рг ет ическ и очень

А ТФ-син таза

выгодным дл я н • движе1ше обратно в митохондриаль­

/

ный матрик с. В м емб р анах, прои зводящих э нер гию,
рассматрив аем ы х в этой главе, мембранный поте нци ал

добавляется к д nижу щ ей силе, толкающей н • обратно
через мембрану, протон-движущей силе (ргоtол dгiviпg
force); таким образом, мемб ранный потенциал увеличи ­
вает колич ество э н е ргии , за пас енной в протонном гр а­

вн утрення я мем брана
в н ешняя мем б ра н а

д и енте ( РИС . 14-10).
РИС.
ВОПРОС

14-3

А Когда вещество дин итрофе нол (дНФ) добавляют к митохон ­

rl' дрии,

8

внутре ння я ме м брана становится проницаемой для

протонов ( Н • ). В проти воположность тому, пр и добавле н ии

н и гери ци на внутрення я м емб ра на стан о ви тс я проницаемой дл я к• .
( А) Как изме н итс я электрохими ч еский г р адиент протонов в ответ н а
ДНФ ? (Б) Как он изме н ится в от в ет н а н и ге р ицин?

422

14-11.

Электрохимический протонный градиент на внутрен ·

ней мембране митохондрии позволяет АТФ-синтазе производить
АТФ . С передачей в ы сокоэнер гетических электронов по электрон·
тра н спортной цепи заметная ч асть в ыделяю щейся энергии ис п ольэу·

ется на работу трех ды хательных ферментативных комплексов, выка­

чивающих протоны из матрикса . Результирующий электрохимический
п ротон н ый поте н циал на внутрен н ей мембране толкает н • обратно че­

рез АТФ-синтазу, трансмембранный белковый комплекс, использующий
энергию п отока н • для синтеза АТФ из ДДФ и Р 1 в матриксе .

ГЛАВА 14. Производство энергии в митохондриях и хлоропла стах


трансмембранный

РИС .

14-12. АТФ-синтаза выглядит как леденец на палочке .
{А) Фермент состоит из « головы », называемой F1 и си нтезирующей
АТФ , и трансмембранного переносчика протонов, называемого F0 •
Как показа но на рисунке , и
ниц.

F0 ,

F1,

и

F0 образованы

переносчик

н+

(F O )

МЕЖМЕМБРАННОЕ ПРОСТРАНСТВО

множеством субъеди­

нутренняя

состоя щая из ротора (красный) и стебля, крутится в мембра­

не за счет протон ного гради ента. Статор (светло-зеленый) образован

трансмембра нными субъеди ницами, соединенными с другими субъе­
диницами , образующими удлиненную ручку. Она при креп ля ет статор к
кольцу субъеди ниц , образующих неподвижную « голову » АТФ-синтазы.

Ее ~-субъединицы (темно-зеленые) синтезируют АТФ. (Б) Трехмерная
стру ктура

F1 АТФазы,

определенная с помощью рентгеноструктурно­

го анали за. Эта ч асть АТФ -синтаз ы пол учила с в ое название из - за ее

с п особ н ости проводить р еак ц и ю , обратную синтезу АТФ, а име нно
гидролиз АТФ на АДФ и Р 1 , при отсоединении от тра нсмембр а нной ча­
сти. (Б

- с разрешения John Walker из: J.P. Abrahms et а/., Nature 370:
621-628, 1994. С разрешения Macmillan PuЫi sh ers Ltd .)

устройство способно синтезировать до

100 молекул АТФ в

10

(А)

(РИС.

нм

14-13). В последнем режиме АТФ-сит-паза работает

секунду, и на каждую синтезируе мую молекулу АТФ через

как протонные помпы, описанные в гл.

синтетазу должны пройти около трех протонов.

АТФ-синтаза АТФ или расходует, зависит от величины

АТФ-синтаза

12. Синтезирует ли

это обратимое сопрягающее устрой­

электрохимического градиента протонов на мембране, в ко­

ство. Она может либо использовать ток протонов по их

торой она находится. У многих бактерий, способных расти

-

электрохимическому градиенту для образования АТФ

( ее

ка1< в аэробных, так и в анаэробных условиях, направление

нормальная роль в м ито хондриях и плаз матической мем­

работы АТФ-синтазы может легко меняться, когда у баr<­

бране аэробных бактерий), либо использовать энергию
гидролиза АТФ для перекачки протонов через мембрану

терии заканчивается

0 2.

В таком случае фермент исполь­

зует часть АТФ, производимой внутри клетки с помощью
гликолиза, чтобы перекачивать протоны из клетки, подп.ер­
живая протонный градиент, необходимый бактериальной

н+
н+

н+

н+

н+

н+

н·

н+

н•

н+

н+

н·

н•
н+

клетке для импорта важнейших питательных веществ за
счет сопряженного транспорта (см. ниже).

н·

н+ н•

Сопряженный транспорт через внутреннюю

мембрану митохондрии также происходит за счет
электрохимического протонного градиента

Синтез АТФ

-

это не единственный процесс, использую­

щий энергию электрохимического протонного градиента .

В митохондриях многие заряженные молекулы, такие как
пируват, АДФ и неорганический фосфор, перекачиваются
в матрикс из цитозоля, в то время как д ругие, такие как

АТФ, 1-rужно переместить в противоположном направле­

(А) СИНТЕЗ АТФ

(Б)

ГИДРОЛИЗ АТФ

Рис. 14-13. АТФ-синтаза - сопрягающее устройство обратимого
действия, способное как превращать энергию электрохимическо­
го потенциала протонного градиента в энергию химических свя­

зей , так и наоборот. АТФ- си нтаза может либо синтезировать АТФ за
счет использования протонного градиента (А) , либо перекачи вать про­
тоны против электрохимического гради е нта за счет гидролиза АТФ ( Б) .

Направление работы в каждый момент времени зависит от суммарно­

го изменения свободной энергии (ЛG , обсуждалось в гл. 3) для сопря­
*ен ного процесса переноса н• и синтеза АТФ из АДФ и Р 1 • Например,
если электрохимический потенциал протонного градиента упадет ниже
определенного уровня, ЛG транспорта н• в матрикс больше не будет
хватать для синтеза АТФ. Вместо этого АТФ будет гидролизоваться, что­

бь~ АТФ-синтаза восстановила градиент. Работа АТФ-синтазы показана
на ВИДЕО 14.3 и ВИДЕО 14.4.

нии. Белки-переносчики, связывающие эти молекулы,

способны сопрягать их транспорт с энергетически выгод­
ным переносом н+ в матрикс митохондрии. Пируват и не­
органический фосфат, например, по одному переносятся
вместе с протонами внутрь, последние при этом двигаются

по своем элеюрохимическому градиенту в матрикс.

Другие переносчики работают благодаря тому, что
электрохимический градиент протонов создает мембран­

ный потенциал, причем внутренняя сторона мембраны

заряжена более отрицательно, чем межмембранное про­
странство. П ереносчик-антипортер использует разность

потенциалов для выделения АТФ наружу и переноса АД Ф
внутрь, в матри:кс митохондрии. Поскольку у молекулы

АТФ на один отрицательный заряд больше, чему АДФ,
обмен этих нуклеотидов приводит к движению одного
отрицательного заряда из митохондрии. Таким образом,

Митохондрии и окислительное фосфорилирование

423


з-

m:JШ 4 - внешняя мембран а

С помощью окислительного фосфорилирования

образуется почти вся клеточная АТФ
Как отмечалось ран ее , 1·ликолиз сам по себе дает выгоду

разность

зnекrрических

только в две мол е 1<ул ы АТФ 1-1 а каждую мол е кулу глюко ­

потенциаnов

з ы , хотя пол1-1о е окисление глюкозы, включающее глико ­

вызывает обмен
АТФнаАДФ

лиз и uки сл ителы-юе фосфорилировани е, дает около

30

мол е кул АТФ. В гликолизе оч е видно , откуда берутся эти

молекулы: две расходуются в нач але процесса и четыре об­
разуются к кон1.(у (см. рис.

МАТРИКС

н·

градиент рН

градиент рН
позволяет

позволяет

осуществить

осуществить

импорт фос

импорт

13-3).

Но при окислител ьном

фо сфо рилировании подсч ет н е такой прямолю 1 ей ный, по ­

ата

ПИQУВ8Т8

тому что молекулы АТФ образуются н е нап рям ую, каJ< в
гликолизе . Вместо этого , они синтезируются за счет энер­

гии, л е ре 1-юсимой НАД·Н и ФАД ·Н 2 , которые образу ются
в ходе гликолиза и цикла лимо1-L1-юй кислоты. Эти активи­
ров анны е молекулы-переносчики отдают свои электроны

11 а электрон-транспортную це пь, лежа щ ую во внутренней

пируват

мембране митохондрии. Перемеще ни е электронов по ды­
Электрохимический протонный градиент на внутрен­

хателы-юй цели дает энергию для формирооания протон ­

ней мембране митохондрии используется для работы некоторых

ного градиента, который, в свою ОLiе р ед ь, подде рживает

связанных с ним процессов транспорта. Пируват и неорганичес к ий

образование АТФ.

РИС.

14-14.

фосфат (Р 1 ) переносятся в матри кс вм есте с ионами Н +, кото рые дви ­

Количество АТФ , образующейся за счет одной мо­

жутся по их электрохимическому градиенту. АДФ закачивается, а АТФ

лекулы-пере н осчика, з ависит от н есколы<их факrоров,

выкачива ется в ходе антипорта (обм е н АДФ на АТФ) , связанного с раз­

включая то, где его эле ктро 1-1ы

ност ью электрического потенциала на мембране (мембранным поте н ­

цепь. Молекулы НАД · Н , образова нны е в цикл е лимонной

вступают в дыхател ы-1ую

циалом) . Показа н заряд на каждой из переносимы х молекул для сра в­

кислоты,

нения с мембранным потенци алом , кото рый внутри отрицательный .

свои электроны НАД·Н-дегидрогеназе

Внешняя мембрана л е гко проницаема для всех этих веществ. Активны й

тельному ферме1-патив 1юму комплексу в цепи. Эти элек­

тр а нспорт молекул ч е рез мембраны с помощью белков-переносчиков и

троны зате м п е р едаются от одного ф ерм ентативного ком­

образование мембранного потен циала обсуждаются в гл.

12.

пр оходящем

в

матрикс е

митохо~щрии, отдают

-

первому дыха­

гшекса к следую щему, вы зывая п е рекачива ни е протоно в

через внутреннюю м ембран у митохо 1-щри и на каждом эта­
п е их пут и. Молекулы НАД-Н в итоге дают э н ергию дл я

обмен нуклеотидов, переме щающий одну молекулу АТФ

образ ования примерно

в цитозолъ, работает за счет разн ости зарядов на внутре н­

и ответы к нему).

ней мембране митохондрии ( РИС . 14-14).
В эука риотических клетках электрохимический пр о­

тонный градие1-1 т исполъзуется

1<ar< для образования АТФ ,

2,5 молекул

АТФ (см . вопрос

14-5

ФАД·Н 2 , образующийся в ходе цикла лимон ной кис­

лоты, с другой сторон ы , дает энереию тою,ко для образо ­
вания

1,5 молекул

АТФ. Это связа но с тем, что мол кулы

так и для транспорта определенных метаболитов через
внутре 1-~нюю м ембра1-1у митохондрии. У бактерий протон­
ный градиент на цитоплаз матич еской мембране служит

для тех же функций. Но у бактерий этот градиент важен и

ТАБЛИЦА

как источник напрямую испол 1,зуемой эн е ргии : у подвиж ­

Процесс

ных бактерий ток протонов в клетку обес п ечивает быстрое
в ращение бактериального жгутика, двигающего бактерию

14-1.

Выходы продуктов при окислении глюкозы

на молекулу глюкозы

Гликолиз

вперед ( ВИДЕО 14.5) .

14-4

А Замечательные свойства, дающие возможность АТФ-синтазе

rl' работать в обоих направлениях, позволяют производить вза-

8

2 НАД·Н (в цитозоле)
2АТФ

Окисление пирувата
ВОПРОС

Итоговый выход АТФ

Прямой продукт

2 НАД · Н

2
(в митохондри-

до ацетил-Код

альном матри ксе )

Полное окисление

6 НАД· Н (в ми тоходри -

ацетил-Код

имные превращения энергии протонного градиента и энер ­

гии химической свя з и в АТФ в обе стороны. (А) Если АТФ -с интазу,
производящую АТФ, соотнести с водной турбиной , генерирующей

5
15

альном матриксе)

2ФАД· Н 2

3

2ГТФ

2
Всего

электричество, что будет подходящей аналогией для ситуации, ког­

з·

30

да она работает в обратную сторону? (Б) В каких условиях можно

* НАд·Н, об разующий ся в цитозоле, дает меньше АТФ , чем НАд · Н , образую·

ожидать простаивания АТФ-синтазы , когда она не работает ни в

щийся в матриксе митохондрий , п оскол ьку внутренняя мембрана митохондрии

одну сторону, ни в другую? (В) Что определяет направление работы

непроницаема для НДД - Н . Транспорт НАд· Н в матрикс митохондрии, где он ре·

АТФ-синтазы?

аги рует с НДД· Н-дегидрогеназой , требует энергии .

424

ГЛАВА 14. Производство энергии в митохондриях и хлоропластах


ВОПРОС

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

14-5

А Подсчитайте число молекул АТФ , образующихся на пару

rl' электронов,

8 (1)

пе ренесенных от НАД· Н на кислород, есл и:

на каждый перенесенный электрон, про ш едший через

ТРАНСПОРТА ЭЛЕКТРОНОВ
И ПЕРЕНОСА ПРОТОНОВ

три д ы хате л ьных ферментативных комплекса через мембрану,

перекачиваются пять протонов,

(2)

через АТФ-синтазу долж н ы

пройти т р и п рото н а н а каждую молекул у АТФ , образую щу юс я из

АДФ и неорга н ического фос ф ата в митохондрии и

(3)

од ин п ротон

ис п о л ьз у ется дл я созда н ия п ротонного градиента , н еобход имого
для транспорта каждой молекулы АТФ из митохон д рии в цитозол ь,
где она ис п ольз уе тся.

В общих ч ертах мы уже рассмотрели, как митохонд рия
со прягает электронный. тран спо рт с образованием АТФ.

Те п ерь изучим более деталъ н о мол е кулярн ый меха ни з м,
лежащий в основе связанного с мембранами прев ращения
э н ерш и. Сделав это, мы приблизимся и к выполнению
бол1,шей задачи. Как подчеркн уто в начале главы, очень
сход ны е устройства по пр е вр а щению энергии использу­

ются в митохондриях, хлоропластах и бактериях, и на тех

ФАД·Н 2 пропускают НАД·Н-де1·идрогеназный комплекс и

отдают свои электроны связанному с мембраной мобиль­
ному переносчику убихинону ( см. рис.

основных принципах , которые мы обсудим, основана ра­
бота почти всех живых существ .

14-9). Эти электро­

В т е ч е ние многих лет причина , по которой электрон­

ны вступают по зже по ходу дыхательной це пи из-за ч его

транспортные це пи закл юч е н ы в м е мбрану, ускользала

вызывают п ер е к а чк у меньшего числа протонов и произ­

от биохимиков , пытавшихся понять их . Процесс хеми­

водства меньше~-о количества АТФ . В ТАБЛ. 14-1 показа ны

осмотического сопряжения вызывает взаимодейст ви е

все соотнош е ния количеств образующейся АТФ на раз­

химических и элект рич ес ких сил , которое н еле гко ра с ­

ных этапах окислении одной молекулы 1·люкозы .

шифровать на молекуля рном уровне . Загадка была в

Окисле ~1ие жирны х кислот также дает много НАД · Н

итоге раз р е ш е на , и в н ачале 1960-х годов была пр ед­

и ФАД-Н 2 , которые, в свою очередь, образуют много АТФ

ложе на гипотеза о фун да ме нтальной роли трансмем ­

при окислителыюм фосфорилировании (см. рис.

13-9 и
13-10). Таким образом, лочти вся АТФ в животной клетке

бранных протонных градие нтов. Идея была настолько
новой , что не имела широкого при зна ния в течение мно ­

образуется за счет хемиосмотического механизма на мем­

[И Х лет

бране митохондрий.

тверждения в ре зультате экс пе риментов, поставленных

-

до того, как накопились до полнительны е под­

для строгой проверки хемиосмотической гипотез ы ( с м.

Быстрое превращение АДФ в АТФ в митохондриях
поддерживает высокое соотношение

раздел ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ , с.

42 7- 428).

Н есмотря на то , что ис следователи продолжают рас ­
крывать де тал и хемиосмотическоrо соп ряж е ния на ато­

АТФ/АДФ в клетках

марном у ровне, е го основы те п ерь ясны. В этой части

Как результат соп ряженного транспорта, обсуждавше­

главы мы разбе ре м некоторы е принципы , н а которых

гося. выше, молекулы АДФ, образовавшиеся при L"И­

базируется процесс транспорта электронов и детально

д ролизе АТФ в цитозоле, быстро возвращаются в ми­

объясним, как он может ге н е рировать прото 11ный гра­

тохондрии для << П ер езарядки ~.> , и почти все молекулы

д и е нт.

АТФ, образующиеся в матриксе за счет окислител 1,но­
rо Фо сфорилирования , перекач ив а ются в цитозоль, где
0 ни

и н уж ны. Небольшое количество АТФ и спользует­

ся. внутри митохондрии для ре п л ика ции ее ДН К, син­

Протоны легко перемещаются
за счет транспорта электронов

теза белков и д руг их э 1-1ергозатратных реакций . В итоге

Хотя протоны напомин а ют д ру ги е положительные ионы ,

в сред 11 ем молекула АТФ в теле Lfеловека ку р сирует из

такие как к+ и

Митохо11дрии и обратно (в виде АДФ) для перезарядки

б раны , в н екото рых отношениях они уникальны. Атомы

Чаще , ч ем раз в минуту, поддерживая в клетке приме рно
в 10 раз более высокую концентрацию АТФ по срав н е­

водорода пр едставлены в огромном изб ытк е в живых ор­

нию с АДФ.

жащих биологических молекулах, но и в молекулах воды,

Как обсуждалось в гл . 3, биосинтетические ферм е н 1'Ь1 часто проводят э нергетически невыгодные реакц ии,
соп рягая их с э нергетически оытодным гидролизом АТФ

их окружающих. Протоны в воде очень подвижны: они

(см. рис. 3-33, А). Пул АТФ из-за этого расходуется 11а
110

ддержаJ1 и е клеточ1-11,1 х процессов так же, как аккумуля­
тор может питать элект рический двигатель. Если актив­
н ость митохондрий приоста новить, урове 11ь АТФ упадет,
111<леточная батарея будет разряжатr,ся; в итоге, энергети­
ческ и н ев ыгодны е реак ции бол ьше н е смогут идти , и клет­
ка У-Мрет. Яд цианид, блокирующий транспорт электронов
во внутре нней мембране митохондрий., вызывает смерть
имен110 таким образом.

Na+,

в том, как 01-1и движутся Liepeз мем­

ганизмах, их очень много н е только во всех углеродсодер­

про с какивают ч ер ез сеть связанных водородными связя­

ми молекул воды, быстро отделяясь от одной молекул ы
и с разу же соединяясь с соседней . Таким образом, вода,
которая

в клетках прис утствует в езде, служ ит готовым

р езе рвуаром в ро ли до нора и акц ептора протонов.

При восстановлении молекулы за счет полу ч е ния
электрона ( е· ) возникает отрицательный заряд. Часто

он быстро нейтрализуется за с ч ет присоедин е ния лро­
тона и з воды, по этому су ммарный э фф ект восстанов­
ления

равно знач е н

Н+

( РИС. 14-15) .

+ е·

п е р е но су

ц еJ10 1·0

атома

водорода,

Молекулярные механи змы тран с порта электронов и переноса протонов

425


н•

и е, r·де электроны пе редаются по эл ктрон-транспортной

ИЗ ВОДЫ

цели ,

относительно

несложно

пер качивать

протоны

с

одной стороны м ембраны на другую. Требуется только,

чтобы переносtrики электронов были так расположены в
окс ил е нны й

н естабильный

восстановл е нный

мембране, что при присоед инении электрона они забира­

пе ре но сч и к

интерм ед иа т

п е рено сч и к

ли бы протон с одной стороны мембра ны и отдавали его на

элект ро на

эл ектр он а

другую сторону при передаче эле ктрона следующей моле­

куле-переносчику в цепи ( РИС.14-16 ) .

нт ~ н, r

восстановленный
перено счик
электрона

РИС.

14-15.

-

е

нестабильный
интермедиат

Н

+

о кисленны й

к воде

Редокс-потенциал

-

мера сродства к электрону

Белки дыхательной цепи переносят электроиы так, что

переносчи к

они двигаются последовательно от одного ферментатив­

электрона

ного комплекса к другому, без коротких замыканий с про­

Протоны в воде очень мобильны . П е ре нос эл ект р о н а

пуском одного из комплексов . Каждый переиос электро­

-

м ожет л егко в ыз ват ь п е ре но с целых ато мо в водо рода, поскольку вода

на

л е г ко приним ает и отдает прото ны . В это м прим ере А получ ает эл ектр о н

описано в rл.

это окислительно-восстановительная

3,

реакция: как

молекула или атом, отдающая электрои,

и п ротон , когда восста н а вли вается, а Б те ря ет эл ект рон и протон , когда

становится окисленной, а молекула или атом, получа­

о к и сляетс я .

ющая его,

восстановленной (см . с.

-

91 - 92).

Электроны

самопроизвольно будут переноситься от моле1<ул с опю ­
сительно низким сродством к имеющимся у них электро­

Аналогично, когда при окислении молекулы атом

нам, и п отому те ряющих их, к молекулам с более высоким

водорода может легко расщепиться на составляющие его

сродством к электронам. Например , НАД·Н с е го высоко­

протон и электрон, позволяя электрону переноситься от­

энергети ч ескими

дельно к молекуле, лрюiliмающей электроны, в то время

электронам, и его электроны легко передаются НАД·Н­

как протон передается в воду. Таким образом, в мембра-

дегидрогеиазе. Принцип работы обычных электрических

электронами

имеет низкое

сродство

к

батареек основан на сходных пере носах электронов между
веществами с разным сродством к ним .

В биохимических реакциях любые электроны , забира­
емые у одной молекулы, всегда передаются другой, так что

одна молекула окисляется, дру 1·ая восстанавливается. Как

и у любой другой химической реакции, способность таких
окислительно-восстановительных реакций (ОВР) проте­
м е мбра н а

кать с п онтанно зависит от изм енения свободной энергии
(ЛG) при переносе электрона, которая, в свою очеред ь,
зависит от относитель н ой силы сродства двух молекул к

электронам. (Ролr, свободной энергии в химических р еак­
циях см . в гл.

3, с. 94- 95.)

Поскольку п е реносы элекrро1-юв дают почти всю энер­

гию, необходимую для живых существ, стоит потратить
немного времени на то, чтобы понять их. Многие читате­
ли уже знакомы с кислотами и основан и ями , отдающими

и принимающими протоны (см. вкладку

2-2,

с.

72- 73).

Кислоты и основания существуют в сопряженных кислот­
но-основных парах в том смысле, что кислоты ле1· 1<0 пре­

вращаются в основания при потере протона. Например,

уксусная кислота (СН 3 СООН) превращается в соответ­
ниэ коэ н е ргет ич е с кий
эле кт рон

ствующее основание (СН 3 Соо - ) в ходе реакции
СН 3 СООН

;=

СН 3 Соо-

+ н+ .

Абсолют н о так же пары соедин ний НАД·Н и НАД+
РИС .

14-16.

Ориентация переносчиков электронов позволяет за

счет переноса электронов перекачивать протоны. В ходе дв ижени я

называются редокс-парами , поскольку НАД·Н превраща­

ется в НАД+ за счет потери электронов при реакции

эл ект ро на по эл ектрон-тра н с портно й це п и он м ожет с вя зать и вы с в о ­

НАд·Н

б одит ь п ротон на каждо й стадии. Н а этой схеме пе ре н осчик электрона

Б заб ирает п ротон ( Н • ) с одно й сто ро ны м е м бра ны , ко гда п ри ним ает

НАД · Н

-

;=

НАд +

+ н+ + 2е- .

сильный донор электронов: посколъку его

эл ектр о н (е · ) от п е р е н ос ч ика А ; он в ы с вобождает п ротон н а другую сто­

электроны связаны высокоэн е ргетической связью, ЛG пере·

ро ну ме м б ра н ы , ко гда отдает эл ектр о н пе р е н ос чи ку В .

дач.и его электрон ов н а многи е другие молекул ы выгодна.

426

ГЛАВА 14. Производство энергии в митохондриях и хлоропластах


ХЕМИОСМОТИЧЕСКОЕ СОПРЯЖЕНИЕ

ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ СИНТЕЗА АТФ
В

1861

г. Луи Пастер обнаружил, что клетки дрожжей ра­

стут и делятся быстрее, если имеют доступ к воздуху. Это

отчаянные

поиски э того загадочного

соединения, длив­

шиеся годы. Исследователи неожиданно заявляли , что

было первой д монстрадией того, что аэроб ный метабо­

открыли недостающее звено, но соеди нения оказывались

лизм более эффективен, чем анаэроб ный . Его наблюде­

либо не связаниым:и с транспортом электро нов , либо , как

ния теперь хорошо понятны , та1< как мы з 1-1 аем , что окис­

описано в обзоре истории биоэнергетики, <<Продуктами

ли.тел ыю е фосфорилирование значителъно эффективнее

высокоэнергетического воображения ~ .

для синтеза АТФ, чем гликолиз : электрон-транспо ртны е
системы производят около

30

молекул АТФ на каждую

01<ислеш-1 ую молекулу глюкозы, в то время как за счет

одного гликолиза можно получитъ

Jt:Ишь более чем через

100

2 молекулы

АТФ. Но

лет исследователи выяснили,

что 1<леткам позволяет производить э нергию так эффек­
тивно хемиосмотическое со пряже ние

-

использование

протонного градиента для си нтеза АТФ.

Использование силы
Так было вплоть до

1961 r., когда

Питер Митчелл пред­

полож ил, что <<высокоэнергетический интермедиат ~ , ко­

торый искали его коллеги,

-

это на самом деле электро ­

химический градиент протонов, формирующийся за счет
элеюрон-транспортной системы .

По его предположе­

нию, названному хемиосмотической гипотезой, энергию

градие1-1та Н+, образованного в ходе переноса электронов

Предполагаемые интермедиаты

по транспортной це пи , можно иаправить на синтез АТФ.

В 1950-х годах многие исследователи полагали, что окис­

Несколько доказателъств поддерживали существова­

лительное фосфорилироваиие, идущее в митохондриях,

ни е такого хемиосмотическоrо сопряжения. Во-первых,

производит АТФ с помощью механизма, сходного с тако­

митохо1-щрии действительно создают протонный гради­

вым гликолиза. В ходе гликолиза АТФ образуется, когда

ент на своей внутренней мембране. Но какое он имеет

Мо11 екула АДФ получает фосфатную группу напрямую от

значение? Если электрохимический градиент н + (также

( промежуточного

называемый протон -движу щей силой) необходим для

продукта). Такое субстрат ное фосфорилирование проис­

синтеза АТФ , как утве рждает хемиосмотическая гипо­

ходит на 7-й и 10-й стадиях гликолиза, где высокоэнер­

теза, тогда наруш еtrие этого градиента или самой мем­

гетические фосфатные группы

1,3-бисфосфоrлицерата

браны долж но останавливатъ производство энергии. И в

н фосфоенолпирувата, соответствсю-ю, переносятся на

самом деле, исследователи подтвердили это. Физическое

АДФ с образованием АТФ (см. вкладку

повреждение внутренней мембраны митохондрии оста­

высокоэиерrетического

интермедиата

13-1, с. 396- 397).

Предполагалось, что электрон -тра н спорпiая цепь мито­

навливает синтез АТФ. Аналогично, утрата протонного

хондрий также образует какие-то высокоэнергетические

градиента за счет химических разобщающих агентов,

Интермедиаты, которые затем перено ят сво и фосфатные

таких как 2,4-динитрифенол (ДНФ), тоже не позволяет

Продолжение 1ta с.

групны прямо на АДФ. Эта модель вдохновила многих на

внутренняя мембрана
митохо н дрии

428

внешняя мембрана
митохондрии

•

_L_
добавле ни е
разо б щающих
агент о в

rш

РИС.

14-17. Ра з обща ющие а ген ты -

переносчики н • , способные встраиваться во внутреннюю

мембрану м и тохондрии . Они делают мембрану проницаемой для протонов , что позволяет им течь
внутрь митохондрии без прохождения через АТФ - синтазу. Это « короткое замыкание» эффективно раз­
общает транспорт электронов и синтез АТФ .

Мол е кулярны е мех ани змы т ран с порта электронов и перенос а протонов

427


ХЕМИОСМОТИЧЕСКОЕ СОПРЯЖЕНИЕ ... (продолжение}
-

орие1-1тация белка пе ревер н ута в этой мембране, так что

ства переносят н+ чер ез внутре ннюю ме мбрану мито ­

ионы н+ п е реносятся внутрь вез икул; в клетке бакте рии

хондрии, формируя с исте м у транспорта для движе ния

протоны выкачиваются наружу. ) Когда очищенная из ми ­

протонов мимо АТФ-синтазы ( РИС.

тохондрий АТФ-синтаза встраивается в эти везикулы, с и ­

синтезировать АТФ. Эти нарушающи е градиент ве щ

14-17). В этом слу чае

они разоб щают транспорт электронов и синтез АТФ . В

сте м а катализирует с и1п з АТФ в ответ

ре зультате такого

протон -д вижу ­

11и е АТФ требует н аличия градиента протонов , поскольку

щая сила полно ст 1,ю исчезает и синтез АТФ ста новится

исследователи обнаружили, что , убирая бактериородоп­

н е возм ож е и .

син из системы и ли добавлня разоб щающи е агенты, они

короткого зам ыкания

Подобно е раз общение происход ит и в нрироде в н е­
которых

с п е ци аль ных

жировых

клетках,

наз ыва ем ы х

1-ia свет.

Образова-

подавляли синтез АТФ ( РИС.14-18 ) .
Хотя rи потеза МитLJ елла поначал у встрети ла заметное

клетками бурого жира. В них большая часп, эне ргии , по ­

со противле ние

лучеююй от окисления, рассе ивае тся в виде те п ла, а н е

эне ргетический инте рм еди ат, а не разбиратъся с ускол 1,­

-

биохимики н адеяли съ найти высоко­

прев ращается в АТФ . Внут р ею-1и е мембра !iы больших

зающей электро х имической силой

митохондрий этих клеток содержат специальный транс­

подтве рждения

портный белок, позволя ющий протонам двигаться по их

ния в произв одстве э н ергии кл еткой все- таки н ако пил и сь ,

важности

-

эксгrерименталъные

хемиосмотического

элект ро х имич ескому градиенту, обходя АТФ-ею-пазу. В

и их н ельзя было игнорировать. В

р езул ьтате клетrш быстро окисляют свои запасы жи­

LLИЛ Нобелевскую премию .

1978 г.

со пря же­

Митчелл полу­

ров и выделяют больше тепла, LJe м синтез ируют АТФ.
Ткани , содержащие бурый жир, служат биологически­
ми грелка ми , помогая животным выход ить из спячки и

за щищая чувствительные области тела новорожден ных
детей (таки е как зад няя пове рхно сть шеи) от холода.

Искусственное производство АТФ
Если !iаруш ение про то нного град и е нта н а мито хо нд ри­

альной мемб ране останавливает синтез АТФ, тогда соз­
дание искусстве н11ого гради е нта лротонов должно ст и ­

мулироватъ образование АТФ. Им енно это и проис хо­
дит в действителъности. Когда градие нт н + усил ивается
искусственно за счет повышен ия рН с цитоплаз матиче­

АТФ НЕ СИНТЕЗИРУЕТСЯ

ской сто роны митоходриаль liОЙ м емб р а !iы , АТФ син­

АТФ НЕ СИНТЕЗИРУЕТСЯ

разобщающий

тезир уется даже при отсутствии субстрата, пригод ного
дл я окисления.

Каким образом протонный градиент позволяет син­
тез иров атъ АТФ?

В

1974 r.

Вот где

появляется

АТФ-синтаза.

Ефраим Раке р

кениус (Wa l theг

(Ef1·aiin Rack e г) и Уолте р Што ­
Stoeckenius) показал и , что си нтез АТФ

будет идти при ~1 аличии АТФ -синтаз ы и протонного
градиента. Они понял и , что могут создать полносп, ю ис­

Т<усственную систему производства э нергии за счет объ­

едине ния АТФ-синтазы из митохондрий се рдца быка с
белком из п у рпурной м е мбраны прокариот Halobacte1·ium
halobium. Как обсуждалось в гл. 11, цитоплазматическая

СИНТЕЗ АТФ

АТФ НЕ СИНТЕЗИРУЕТСЯ

мембрана эт их а рхей содержит много бактериородопси­
на

-

белка, п е рекачивающе 1·0 н+ из клетки в ответ н а

солнеч ный свет ( см. ри с.

11-28).

Име нно этот м емб ран­

ный белок образует протонны й градие liт при облучеliии
светом.

РИС . 14-18. Эксперименты с бактериородопсином и АТФ - синтазой
из митохондрий сердечной мышцы коровы стали веским

apry·

ментом в пользу роли протонного градиента в синтезе АТФ. Когда
бактериородопсин добавляют в искусственную везикулу, белок созда·

Раке р и Штокени ус показали, что встроенный в и с­

ет протонный градиент в ответ на облучение светом . В искусственных

кусственные липи д liые везикулы бактериородопсин в

везикулах , содержащих как бактериородопсин , так и АТФ -си нтазу, этот

присутствии света пере качивает н + внутрь везикул, фор­

градиент протонов работает для синтеза АТФ . Ра зобщающие агенты , не

мируя прото~1 нь11~t град иент. (По о пределенным причин ам

повзоляющие сформировать градиент, препятствуют синтезу АТФ .

428

ГЛАВА 14. Производство энергии в митохондриях и хлоропластах


Наоборот,

слож но

образовать

в ы сокоэнергетическую

связь в НАД-Н, поэтому его лартнер , НАД+,

необходи­

rro

+ ½0 2 -+

мости является слабым акцептором электроно в .
Способность любой редокс-пары п ереносить элек­
троны можно

мощью , и почти вся энергия выделится в виде тепла. Вме ­

сто этого энергетически выгодная реакция 2н +

и з м ерить экс п ериментал 1,но. ДостатоLIНО

лишь соорудить электрическую цеп~,, соед иняющую

1:1

+

2 е-

+

Н 2 0 происходит за много мале ньких стадий, по­

зволяя запасти почти половину всей выделяющейся энер­
гии, а н е потерять ее в виде тепла, рассеянного в окружа­

ющей среде .

(эквимолярные) растворы редокс- пары с другой редокс­
парой, выбранной в качестве ста н дарта для срав н е ния ,
и мы с може м измерить н апряже ни е между ними ( см.

ВКЛАДКУ 14-1 , с.
ется

430).

Эта разница потенциалов называ­

редокс-потенциалом;

по

определению,

электроны

Металлы, связанные с белками, формируют
универсальные переносчики электронов

В каждом из трех дых атель ных ферментативных ком­

будут самопроизвольно двигаться от редокс-пары, такой

плексов

как НАД-Н/НАД +, с низким редокс- поте нци алом (низ­

атомам и металлов, прочно связанных с белками: от од­

ким сродством к электронам ) к редокс- гrаре, такой как

ного иона металла к следующему, с большим сродством

О2/Н 2 0, с высоким редокс-потенциалом (высоким срод­

ством к электронам). Таким образом, НАД-Н

-

хорошая

электроны

перемещаются

в

основном

между

к электронам . В противоположность э тому, между раз­
ными

дыхательными

комплексами

элект роны

п е ре ­

молекула для отдаlrи электроно в в дыхател ьную цепь, в то

носятся молекулами, диффундирующими в липидном

Время, как

бислое, подбир аю щими электро 1-1ы у одного комплекса

0 2 хорошо

подходит на род1, <~ стою1,> электро­

нов в конце пути. Как объясняется на вкладке

раз ­

и доставляющими их к другому в строгом nорядке. Как

ница в редокс-поте rщиале ЛЕ~ является прямым методом

в дыхательной, так и в фотосинт етической электрон­

нзмерения изменения свободной энергии (ЛG ) для п ере­

транспортных

цепях

носа электронов от одной молекулы на другую. На самом

служит хин он

(quinone),

деле, ЛЕ~ равно ЛG , ум ножен ной на отрицател1,ное число,

лекула , растворимая в л ипидном: бислое; в митохондри­
алы-юй дыхательной цепи хинон называют убихииоиом

14-1,

0

0

являющееся константой.

одним

(LtЬiqu i non e ) . Хино 1-rы

из

таких

п е реносчиков

небольшая гидрофобная мо­

единственны е переносчики

-

эле ктроиов в электрон-транспорных цепя х, которые мо­

Переносы электронов высвобождают
большие количества энергии

гут работать , не будучи связаны с белком.
Убихинон

Как только что описывалось, пары веществ, имеющие наи­

больший отрицательный редокс-потенциал (ЛЕ~), имеют

ро rеназного

забирает

комплекса

электрон
и

Ьс 1-комплексу (см. рис.

от

доставляет

14-9).

НАД · Н-деrид ­

его

к

цитохром­

Убихинон может полу­

также самое слабое сродство к электронам и, соответ­

чит~, или отдать один или два элект рона и присо еди нить

ственно, лучше всех способны отдавать электроны. На­

один протон из среды на каждый п е р еносимый элект рон

против , пары с наиболее положительным редо.кс-потенци­

( РИС.14-19 ) . Редокс-потенциал убихинона

алом обладают самым сильным сродством к электронам и,

мещает е го прим е рно на четв ерть пу ти дальше по ц е пи

(+30 мВ) , по­

соответственно, лучше всех лриним ают электроны . Рас­
твор

1:1

НАД-Ни НАД+ имеет редокс-потенциал

- 320 мВ,

nо1<аз ывая, что НАД-Н очень хорошо отдает электроны ;
смесъ

Н20 и

½ 0 2 дает редокс-потенциал +820 мВ,
0 2 ОLJень хорошо ггринимает элект роны.
Разница в редокс-потеициалах между этими двумя па­
рами: составляет 1,14 Вольт (1140 мВ); это означает, что

1:1

Показывая, LПО

0

,., С Н з

о-сн~

о

nере нос каждого электрона в стандартных условиях неве ­
0
роятно выгоден: ЛG = - 26,2 ккал/моЛ1, на электрон или

<каJ1/молъ; см. рис. 13-7), мы увидим, LПО при окислении
одной молекулы НАД·Н выделяется более чем достаточно
энергии, чтобы синтезировать несколько молекул АТФ из

АД Ф и неорганического фосфора.

)Кивые системы, коне<шо, могли приобрести ферм е нты,
<оторы е могли бы проводитъ реакцию переноса электронов

о·г НАД-Н прямо на 0 2, с образоваr-1 ием воды в ходе реакции

+ 2е- + ½0 2 -+

о кисл е н ный
убихинон

РИС.

14-19.

восстано вл е нн ый
убихино н

Хиноны переносят электроны по липидному бислою.

Хинон в митохондриальной эл ектрон-транспортной це п и называют уби ­

1

2Н+

_l н -о

гид рофобный
у гл еводо род н ы й х вост

изменение свободной эн ергии с энергий, необходимой для

1

+ н•

о

- 52,4 кДж/мол 1, для переноса двух электронов на каждую
"1олекулу НАД·Н (см. вкладку 14-1). Если мы сравним это
образования фосфоангидридной связи в АТФ (ЛG 0 = +7,3

+ н•

хино н . О н п рисоединяет один п ротон из водной среды на каждый эл ек­
трон, и всего может нести два эл ектро н а как составл яю щие части ато­

мов водорода (желтый). Когда восстановлен ны й убихино н отдает свои
эл ектро ны сл едую щему пере н осч ику в цепи, прото н ы высвобождаются .

Н2О.

Дл ин ны й гидрофоб ны й хвост, удерживаю щий уб и хино н в мембра н е , со­

Но и з-за такого огромного падения количества с во­

бодной энергии эта реакция пойдет почти со взрывной

стоит из

6-1 О пятиуглеродн ых изо п ре н о в ых субъединиц,

в зависимости

от ор ганизма.

Молекулярные механ измы транспорта электронов и перено са протонов

429


КАК ИЗМЕРЯЮТ РЕДОКС-ПОТЕНЦИАЛЫ
Один стакан (слева) содержит раствор А в виде эквимолярной смеси восстанов ­

во льт м е тр

ленной (А,осс,оношннын l и окисленной (Ао,нспоннын ! форм редокс-пары . Другой стакан
содержит водородный электрод сравнения (2Н + + 2е - ~ Н 2 ), редокс- потенциал

lu
HI Г"'"О'
мосm, lu
11-1 r

которого принят за ноль международным соглашением . (Соляной мостик со ­
держит концентрированный раствор KCI, в котором ионы к • и с1 - перемещаются
между стаканчиками для нейтрализации зарядов, когда электроны перетекают

между стаканчиками.) Металлический провод (красный) работает как путь для

электронов без сопротивления , а вольтметр и змеряет редокс - потенциал веще­

ства А. Если электроны текут ОТ А,осс,оно'"•"""" к Н ♦, как показано здесь, то говорят,
что редокс-пара, образуемая веществом А, имеет отрицательный редокс-потен­

циал . Если же они вместо этого текут от Н 2 к А 0 '""''""""' говорят, что эта пара имеет

1 мн +

Авосстановленный
И Аокисленный

и

1 атм ос ф ера

положительный редокс- потенциал .

газооб р азно го Н 2

в эк вим о лярн о м
со о т н о ш е нии

.......

ПримерwОВР

11О'18НЦ11СU1 А1о
НАД+ + н •

НАД·Н
По договоренности редокс-потенциал для редокс-пары

записывают как Е. Поскольку биологические реакции
протекают при рН 7, биологи определяют стандарт­

ное состояние кок А, 0 ,"'0 , 0 ,.,. • • • =А0'""''"""" и н• = 10- М
7

и

используют его для

определения

стандартного

Восстановленный
убихинон

окисленный

Восстановленный

окисленный

н,о

докс-потенциала ЛЕ~.

Л Е~ = Л Е~ (акцептора) - Л Е~ (донора)
Л Е~

=+30 -

(-320)

убихинон

2е­

-320мВ

+ 2н · +2е -

+ЗОмВ

цитохром с + е-

+230мВ

½02+ 2н· + 2е-

+820мВ

цитохром с

ре­

РАСЧЕТ ЛG 0 ИЗ РЕДОКС-ПОТЕНЦИАЛОВ

+

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ
Как объяснялось в гл . 3 (см . с . 94), настоящее з начение изме ­

нения свободной энергии, Л G, з ависит от концентрации реа­

=+350

гентов и, в общем случае, отличается от стандартного измене­

ния свободной энергии, Л G • Стандартные редокс - потенциалы
0

I ----

правильны для растворов редокс - пары 1: 1. Например, для рас ­

твора НАД·Н и Ндд• 1: 1 стандартный редокс-потенциал со ­

ставляет -320 мВ . Но в случае, когда имеется избыток НАД·Н

• о •
о ~о
• о •
• о

••
• о •
о.а
• о о
о

С мес ь 1:1
НАД · Н и НАД+

С мес ь

по сравнению с НАД♦, перенос э лектронов на акцепторы элек­

тронов становится еще более выгодным. Это отражается в бо­
лее отрицательном редокс-поте нциале и более отрицательном
Л G для переноса электронов .

1:1

окис л ен н о г о
и в осс т а н ов л е нного

убихи н о н а
0

Л G = -л(О, 023) ЛЕ~ где л - число электронов, переносимых
в ходе изменения редокс- потенциала величиной Л Е~ милли­
вольт (мВ) .
Пример: перенос электрона от НАД·Н на убихинон имеет выгод­

ное Л G

ЛG0

0

в - 8,0 ккал/моль, вычисленное таким образом :

=- n(О,023) Л Е~ =-

1 х (0,023) х 350

=- 8,0 ккал/моль.

Такие же расчеты показывают, что перенос электрона от убихи ­

нона на кислород еще более выгоден с Л G
Значение Л G

0

0

= - 18,2 ккал/ моль .

для переноса одного электрона от НАД·Н на кис­

лород - это сумма этих двух значений, -26,2 ккал/моль .

и збыток НАД - Н

'

избыток НАД+

стандартная

,-

смесь

1 :1

,...

'

•••
• •

о
• о
• о о•
•о• • о

о о о
о о . о

с ил ь н ее отд а ч а

ста ндартн ы й

сл абее отдача

эл ектр он о в( бол ее

р е докс- п оте н ц и а л

• о ••
• • о

~

отрицательны й Е' )

•
-320

мВ

•оо о о

.J
эл ект р о но в ( б ол ее

пол ожительны й Е')


НАД·Н

ВОПРОС

j)

н·

i::;

j 25

убихинон

-.....

520

s;;
(l)

~ 15

ко м п лекс

о

100

:!

цитохромов

200

о;

~

300

а.

~ 10

400

(Т)

цито хр ом ­

о;

несколько различных причин , почему это необходимо .

~

:s:

:I:

один или больше гемов, атом железа в кото рых меняет

с:

свою степень окисления с

(l)
о
1

u

"

о

ai:

500

комплекс

5

...

а.

оксидазный

(\]

§

реноса эл ектронов , должны быть связаны с бел ками? Предложите

:I:

:I:

\О
о

входят в состав гема или железо-серных центров, Почему

эти функциональные группы , проводящие химические реакции пе­

in
-!

- 100

а.

i::;

8

- 200

к омплекс

!

rl' за , ис п ользуемые для связы ва н ия электронов при переносе ,

- 300

НАД· Н -дегидроге н азный

~

14-6

А Н а многих стадиях электрон-транспо рной цепи атом ы жел е­

-400

u

на

Fe2+,

когда п рисоединя ­

ет электро н . Как можно ож и дать , п отен циал различных
цитохромов возрастает по ходу митохондриальной элек ­
трон- тр анспортной цепи в сторону кисло р ода. Структу ра

цитохрома с, неболь шого белка, пере нося щего электроны

600

1D

Fe3•

между цитохром-Ьс 1 -комплексом и цитох ромоксидазным

700

комплексом, п оказана на РИС.

800

составляет

14-21 ; его

редокс-поте нциал

+230 мВ .

В самом конце дыхательн ой цепи, непосредственно

Н 2О

перед кислородом, п е реносчики электр онов находятся в

цитохромоксидазном комплексе.

направление тока электронов

Здесь переносчиками

служат либо атомы железа в геме, либо атомы меди, при­
РИС. 14-20. Редокс - потенциал возрастает по ходу электрон ­

крепленные к комплексу специальным образом так, что у

транспортной це пи. Сильное увелич е ние редо кс- потенциала проис ­

них появляется высокий редокс -п оте нци ал .

ходит при прохождении каждого из трех дыхательны х ферментативных

ко м пл ексов , что требуется и м для п е рекач ки протонов. Для того чтобы
п е рев ести значения свободной э нергии в кДж/м оль , сч итайте , что
ло калория р а вняетс я примерно

1 ки­

4,2 кДж .

от НАД·Н в смысле уровня потер ь эне р гии ( РИС. 14-20).

Убихинон также может получ ать электроны н апрямую
от ФАД ·Н 2 , об р азованного в цикле Кребса или пр и окис ­
зrении жирных кислот. Из - за того что эти элект р оны не

nопадают на НАД·Н-дегидрогеназу

-

один из п ротон­

ных насосов в электрон-транспорной цепи, они позво­
.llяют перекачивать меньше протонов, чем два электр о ­
на, полученные от НАД· Н.

О сталь иы е

переносчики электронов

·гранспо рн ой цепи

-

в электр он­

это или малые молекулы, или ме­

та11л-содержащие группы, прикрепленные к белкам .

для п родвижения от НАД·Н до убихинона, например,
эле1<тро ны

проходят

через

НАД· Н -дегидр оге назный

l<омплекс между флавиновой группой (см. рис.

13- 12,

rде показана ее структу ра) , присоедине иной к одному

Из белков, и набо ром железо-серных центров

(iron-sul fu г ce nte гs) с увеличивающимся редокс-потенциалом.
Последний железо-сер ный центр дегидрогеназы отдает
ЭJrектро ны уб и хинону.

Железо-серн:ые центры обладают с равнитель но низ ­

ким сродством к электронам и, соответственно, подходят
дJiя работы на ранних стадиях электрон-транспортной

РИС.

14-21.

Цитохром с

-

п ереносчи к эле ктронов в электрон ­

Це гrи. Позже, на п ути от убихинона к кислороду, в качестве
l1ереносчиков электронов обычно используются атомы

т ранспортно й цепи. Этот небол ьшой бел ок состоит всего из чуть

Jl<елеза в гемах, связанных с ц итохромными белками, как
n Цитохром-Ьс 1 и цитохромоксидаз ном комплексах. Ци­
tох.ромы ( cytochroms) составляют семейство окраше нных

тренней мембраны митохондрии за счет электростатичес ких взаимо­

белков (от греч. chroma - цвет); каждый из них содержит

более чем

100

аминокислот и удержи вается на вне ш ней стороне вну­

действий (см . рис .

14-9). Атом

жел еза (оранжевый) в связанном геме

(синий) может переносить один электрон . Структура гема гемоглобина ,
обратимо связываю щего

02, а не эл ектрон ,

показана на рис .

4-33.

Молекул яр ные механизм ы тр анс порта эл е ктронов и п ере нос а протонов

431


Цитохромоксидаза катализирует

н ого акцептора эле ктрон ов , отда нных НАД Н в 11 а<1а;1

восстановление моле кулярного кислорода

электрон - тра11спортной цепи .

Цитохромоксидаза

его оче нь высокого с родства к электро н ам. Кю< только

Ки сл ород 1юлезс 11 в ка ч естве стока эле ктронов и з-за

(cytochrom oxidase) -

белковый ком­

п лекс, который ттолу<rает эле ктроны от 11ито хрома с, окис ­

связ ывает один элект рон ,

ляя е го (отсюда его н азвание). Потом он отдает эле ктроны

дикал

кислороду. Четыре эле ктрона от моле кул ы цитохрома с и

жад 1юст ью забе рет себе е ще три эле ктрон а, где бы

четыре протона и з водного ок руже ния добавляются

ни н а ш ел

лекуле

02 в

ходе реакции 4Н + +4е-

тех протонов ,

которые

+ 02 -

1<мо ­

2Н 2 0. Кром е

р еагируют с кислородом ,

чет ыр е

0 2. Этот

-

011

02

образует псрокс нд ны й ра­

рад и1<аJ1 опасн о реакцион11ос 1юсобен и с

011

их

ос бснность, сп особная вызват ь се рьез н ое по ­

врежде ние ДН К, бел ко в и ли пи д ны х мембран. Одна из
ф ующий ци тохромоксидазы

-

п лотно де ржап, мол ек улу

других протона п ерекачиваются че рез мембрану в ходе

кисло рода до того , как к н е й 11ри соеди нятся в се ч тыр е

п ереноса эле ктроиов , еще увели чиш~я электрохими<rеский

эле ктрона, необходимые дJ1я превраще ния ее в две моле­

протонный ерадие нт.

кулы Н 2 0 . Это предотвращает случайны е атаки на клеточ­

Разу меется , д;1я того, чтобы п ерекачивание протонов

ны е макромолекул ы п е рокс и д ных радикалов (наноси м ый

происходило, оно долж но быть каким-то образом со пря­

лри таких атаках у рон , возмож но , является одной и з при­

же но с эн е ргетическ и выгодными реаю.tиями. В слу<1 ае

чин стар е ния ч ело века ).

цитохромо ксидаз ы э н е ргия по ступает от переноса <rеты ­

Эволю ция ци тохромоксидаз ы бы ла крайн е важ на для

рех электро1юв н а м олекулу кислорода, связа нн ую с бел­

образова ния клеток, слособных и с пользовать 1<исло род в

ком; п е реносы электронов дают эн ергию, 1-tеобходимую

кач естве а 1<це тттора эл е ктронов, и сей ч ас этот белок, как

для аллостеричес ких из ме н ений в конформ ации бел ка,

подсчита но, ответственен за превращение

пе р еме щающеео протоны наружу и з митохондриалыюго

глощае мого к и сло рода у людей. Этот белков ый комплекс

90% всего

п о­

матрикса. В своем юпивном цен тре, еде связ ыв ается ки с ­

крайн е важен для все й аэ роб ной жизии. Яды цию-Lид и

лород, цитохр омокс и даза содержит комплекс ато ма желе­

аз и д крайн е токс ичны потому, что они кр епко связ ыв а­

за в составе гемма, пом ещенного вплотную к связа нному

ются с кл ето<1ными цитох ромокситщзными комnлексами,

атому меди ( РИС. 14-22). Именно здесъ расходу ется почти

останавливая тра1-1спорт эле 1<тронов и з н а чительно сокра­

вес ь кислород, который мы вдыхаем, в кач естве фин аль -

щая ско рость об разования АТФ.

эл ектро н ы
из цитохрома

Cu

М АТ Р И КС

гем а 3

(А)

(Б)

РИС.

14-22. Цитохромоксидаза - точно отрегулированная белковая машина . Этот белок - ди­
мер , образованный из мономеров с 13 различными белковыми субъединицами. Три окрашенных субъ ­
единицы , образующие функциональную основу комплекса, закодированы в митохондриальном гено ­
ме. П ри перемещении электронов через белок на пути к связыванию ими молекул кислорода они дают
возможность белку перекачать протоны через мембрану. (А) По каза н весь белок , расположенный во
внутренней мембране митохондрии . (Б) Переносчики электронов расположе ны в субъединицах
как показано на рисунке .

432

ГЛАВА 14. Прои з водство эне ргии в мито х ондрия х и хлоропла ста х

I и 11,


Механизм перекачки протонов
можно изучать на атомарном уровне

н• высвобождение

Детальный м ехани з м сопряжени я эл ектро н ного транс­

прото н а

порта и п е рекачки прото нов р азл ич ается между все ми тр е ­

ВОЗРАСТАНИЕ

м я р азл и чны м и ды хател ьны ми ф ерм е нтат и в ным и к ом­

АФФИННОСТИ К н•

пле1<са ми. Налриме р , убих ин о н играет це ит ралы1 ую рол ь
в пе р ка чивани и прото н ов Lrepeз ци тох ро м - Ьс 1 - комплекс,

(11

тюс как хинон забирает протон из вод ной среды в месте с

]"

КОНФОРМАЦИЯ А

эле ктронами , котор ые он п ереносит, и вы свобождает их

s

(вы сокая аффинность к н•)

одновременно с отщеп ле нием электроно в (см. ри с.

ffi

14-19).

Поскольку убихинон может свободн о п е рем ещаться в л и ­
пид ном би сл ое ,

or-r может

принять эле ктроны около вну ­

тренней п овер хности ме мбраны и отдат ь их цитох ром-Ьс 1 -

комплексу о коло в н ешне й сторон ы . Таким способом н а
каждый пе рен осим ы й электрон убихинон п е рен осит через
мем б рану один протон . Однако в цитох ром - Ьс 1 - компле ксе

s

ВНЕШНЯЯ
СТОРОНА

~
о
-0:i:

ПАДЕНИЕ

АФФИННОСТИ К н•

~
о::

~

Q.
Q)

:i:
(')

на каждый пе р ено симый электрон пе р е к ачивается дв а

протона, и есть убедительны е до казательства того , что су­

ществует так называемый Q-ци1щ в ходе которого уби хи­

связывание с прото н ом

нон сложным, но строго определенным способом рецир ­
кулирует п о бел ковому комп лесу, что делает возможным
этот п ер е но с двух протонов на оди fr электрон .

Аллостериl1еские

из мене ния

в

коифо р м,щии

бел­

КОНФОРМАЦИЯ Б

(высокая аффинность к н•)

ка также могут перекачивать протоны . Как у НАД ·Н ­
дегидрогеназ ы , так и у цитохромокси даз н о го ко мплекса
тран спо рт электронов вызывает последовательные алло ­

РИС.

стерические прев ращения бел ка, которы е вы зывают пере-

за счет конформационных изменений в белке-насосе, вызванных

1<ачку протонов че рез внут реннюю мемб рану митох о н ­

энергетически выгодной реакцией. Этот м еха н из м для перекач­

14-23.

Перекачивание протонов может быть реализовано

дрии. В целом механизм такого типа п ереноса протонов

к и н• тран с мембра нным бел ком , как с читается , и с пользуется НАД-Н ­

rюказан н а РИС. 14-23.

де гидроге н азо й и цитох ро м о кс идаз ой , а та кже многими други ми про­

то нным и н ас оса ми . Бело к осуществля ет цикл из трех конформ а ционны х
состояний : А , Б и В . Как по каза но и х отно с ительным расположе нием по

дыхание потрясающе эффективно

верти кали , эти бел ковые ко нформации о бл ада ют р а злично й э н е рги ­

Изм енения свободной энергии при сжигании жиров и угле­
водов на пря мую до СO 2 и Н 2 O мож но сра внитr, с п ол ной
величиной прои зведенной и зап асе нной эн ер гии в виде

е й . В конф о рм а циях А и Б бело к обладает вы со ким сродством к н +, что
позволя ет е му с вязать протон внутри от м е м б раны . В конформ а ции В

с р одство к н • ни зкое, что вы з ывает высвобождени е протон а с н а ружи

Фосфатны х связей в АТФ в ходе соответствующего биоло­

от м е м б р а ны . П е реход и з конф о рма ции Б в к онформ а цию В , кото р ы й

l'Ического окисл ения . В результате можно видеть, что эф­

отще пля ет прото н , э н е ргетич еск и н е выгоде н и прои сходит только за

Фе~,тивность, с которой энергия окисления превращается
13 энергню связи в АТФ , часто превышает 40%. Это зн ачи­

сч ет алл осте рич еско й св я з и с какой-то другой , э н е ргетич еск и выгодн ой

реак ци ей , протека ющей в другой ч асти бел ка ( синяя стр елка ) . Для ци­

тельно в ыше, LJeм эффективность большинства неби ол оги­

тохр омо кс идаз ы и НАД- Н-де гидроге н аз ы этой реа кци ей явля етс я п е ре ­

Ltеских устройств по п рев раще нию э не ргии. Есл и бы кл ет­
ки работал и все го л и шь с эффеюив н остью бенз иново го

н ос эл ектр о н а . Два других ко нформ а ци онны х и з м е н е ния , А

дв итателя (10- 20%), оргаииз м у бы пришлось не насытно
nотреблять пищу, чтоб ы подде рживать собстве нное суще­
ствовани е. Кром е того, из-за высвобождения н езаnасенной

э нерги_и в виде тепла крупным организмам , включая чело­
Вен:а, понадобил ись бы более эффективные, чем име ющие­
ся се йчас, меха низ мы его отдачи в окружающую среду.
Студе нты иногда удивляются, почему химическ ие

~аимоде 1'kтвия в клетке идут такими сложными путями.
1

11

<и сление сахаров до С О 2 и Н 2 O вед ь наверняка можно

Р 0 вести

быстрее, исключив цикл лимонной кислоты и
многи е стад ии дыхательной цепи. Это сделало бы про цесс
дьrхання более простым для вы.училания студентами , н о
стало бы катастрофой для клетки. При окисле н ии выде­
Jtя ется огромны е колиlrества свободной энергии, которую

.... Б и Б .... В ,

ведут к состояниям с бол ее ни зкой э н е ргие й и про и сходя т са мопрои з­
вольн о. П осколь ку в ходе сумм а рного цикл а А

..... Б .... В .... А выдел яет­

с я с вободн ая э нерг и я , протоны п е рекачив а ютс я и з м атр и кса н а ружу, в

м еж ме мб ра нное про стран ство . У других протонны х н ас осов , таки х как

Са 2 •- насос в мышечных клетках, э нергия , необходимая для перехода
Б

....

В , получает ся з а счет гидроли з а АТФ (см . р ис .

о родо псина и сточн ик это й э н е ргии

ВОПРОС

-

12-15). У

солнечны й с вет ( с м . ри с .

бакте ри ­

11-28).

14-7

А Два разных переносчи ка эле ктронов , убихинон и цитохром с ,

rl' переносят эле ктроны между тремя белковыми комплексами

8

эле ктрон -транспортной цепи . Мог бы один и тот же диффун ­

дирующий пер е носч ик и с пользов аться для обеи х стадий? Объя с ни­
те ва ш отв ет.

Молекулярные механизмы транспорта электронов и переноса протонов

433


мож 1-ю ис п ол ьзовать эффект ив но тол ы<О
п ор ци я ми. Б иоло п1 ч сск и с ок и слител ьны

н еболь ши м и

используют элсктро 11 ы и з во1 1ы и э 11 сргию сот , ечн > го све­

п ути вкл юч ают

та, ч тоб ы п реврат и ть атмосфе р11ы й СО 2 в о р rа 11 ическис

м н ого и11 те р мел и атов, и каждый ли ш ь с1 1 е 1· ка от1 1ич ается

ве щества . В ходе рас 1нсш1 е 11 ия вою,1 0 11 и в ы свобождают в

от своего пред ш ественни ка. Та ки м об разом, вьщ J1 я юща­

атмосфе ру бол 1, 111 ис количества 1·азооб раз 1 юrо к исло рода .

яся эне ргия раздел я ется н а небол ьшие п ор 11 ии , кото р 1,1 е

Этот кисло род, в свою очеред ь , требуется для клето ч ноео

мож н о эффекти вно превра ти т ь в в ы со коэ н е ргет ич еск и е

дыха н ия

с вязи в полезны х молеку11 ах, в роде АТФ и Н АД- Н , с по­

1· им бакте ри ям . Так им об разом, актив 11 ост 1, /(l)ев н их фото­

мощью сопр яже нны х реак ц ий ( см. ри с.

-

н е т ол1,ко ж и воп 1ы м , но и расте ния м, и м но-

с ин тези рую щи х бакте ри й, н а 1 юл1 1и в ши х атмосферу кис­

13- 1).

Уз н ав, каким об разом хем и ос м отичсское сопряже 11и е

ло родом, обес п е чи ла воз м ож 11 ость п оя вле ни я ж и з н е нны х

и спол ьзуется для про и зводства АТФ в митохо нд ри ях, мы

фо рм , и с п ол ьзу ющи х аэ роб ный м таболизм для си н теза

р ассмот ри м, как о н о п о м о гает и с пол ьзовап, э н е р гию света

собспзенной АТФ ( РИС . 14-24) .
У расте ии й фо тоси н тез про и сход и т в с пе циальн ых

дл я производст ва АТФ в хлоро п ластах.

в н ут ри клето чны х о рга н еллах

plasts), содержа щи х

ХЛОРОПЛАСТЫ И ФОТОСИНТЕЗ

-

хлоропластах ( c l1lo гo­

улавл и ва ющие свет лиrме 1-пы , таки е

к ак зелены й ли гме н т хло роф и лл. В се зеле н ые ч асти р асте-

1-1 11я соде ржат хл оро пласты ,

Практиt1 ес1, и все орга 1-1ичес кое ве щество, необходимое се­

110 для

боль ши нст ва расте ни й

л истья я вляются ос 1-юв ным место м ф отоси нтеза. В хло р о­

год ня1ш-1 им живы м клет кам, с интези руется в ходе фото ­

п ластах идет фотос ин тез д н ем. В ходе это го про цесса об ра­

синтеза (pl10tosy n tЬ e

набо ра фотох имич ес ки х реш<­

зу ются АТФ и Н АД Ф -Н, которые, в с в ою о ч е ред ,,, и с п ол ь ­

ций , в резул ьтате которых об разу ются органич еские моле­

зуются для прев ра ще ни я С О 2 в сахара в н утри х;юро пла­

is) -

кулы и з атмосфе рно го оксида у 1·ле рода ( С 0 2 ) . Расте 1-1ия,

ста. Поэтому мы н ач инае м н а ше обсуждени е фотоси нтеза

водо росл и и

с о .пи са ния стр укту ры с п ециал из ир ован н ой о р га н елл ы .

большинст во э вол юционн о

продв ин утых

фотос интез иру ющих бакте ри й , так и х ка к ци а нобакте рии ,
Хлоропласты напоминают митохондрии,

но обладают дополнительным компартментом
Хлоро п ласты уt1аству ют в прев раще нии э нерги и за счет про­
то нн о го гради е н та во многом так же, как и митохонд рии .

Хотя хлоро пласты крупн ее (РИС . 14-25, А) , о ни о р1·а 1-1:изова~-rы
н а ос н ове тех же пр и нципо в, что и ми тохо 1-щрии . У хло ро пла­

стов хо рош о про ницаема.я в нешня я мемб ран а и з на'-!У1тель н о
меи ее про 1-LИцаемая в нутре ,шяя мем бран а, в котору ю встро­

е ны м емб ранны е тра~-1 с порт ны е белки. Эти м ем б раны вместе
с узким межмембра ш-,ым простра~-1.ством , их разделя ющи м ,

образуют оболоtшу хлоро пласта (рис.

14-25, Б) . В нутре нняя

м ембра на окружает обширное простра нство, н аз ываемое
стромой (st го п1 а) , сходное с м итохо нд риаль ным м атрш<сом

и содержащее мн огие метабол ич еск ие ферменты.
(А)

v-м не м е нее между opra.11 и за ци ямги митохо нд ри й и хло­

(В)

рош~астов есть сущест венн ое отлич ие. Внутре нняя м емб ра­

Микроорганизмы, использующие оксигенный фото­

н а хло р о пл асто в нс соде рж и т эле кт ро н -тра нспорн ой 1{е ПИ ­

синтез, изменили атмосферу Земли . (А) «Живые » строматолиты из

В место это го светоулавливающие системы , электрон-т ран с­

РИС.

14-24.

залива в Западной Австралии . Эти структуры образуются в особых ус­

п ортн ы е це пи и АТФ -синтаза, закр нлены в мембраие rпuла­

ловия х большими колониями цианобактерий , проводящих оксиге нный

коидов (tl1ylakoid 111 е111Ьгал е), третьей мем бра н е, об разую щей

фотосинте з и образую щих под собо й последовательные слои осадков .
(Б) П оперечный сре з современного строматолита , показывающий его
слоистую структуру. (В) Поперечный с рез о каменев ш его строматоли ­

ВОПРОС

та в породе возрастом

А У хлоропластов имеется третий внутренний компартмент -

3,5 млрд

л ет. Обратите внимание на слои стую

структуру, сходную с та ковой на (Б). Ископаем ы е строматолиты , веро­

ятно , образованы фотосинтетическими бактериями , очень похож ими на

14-8

rl' тилакоидное

8

пространство, окруженное мембраной тила -

коидов . Эта мембрана включает в себя фотосистемы , ре ­

современны х цианобактерий [по да нным моле кул ярной биолог ии , циа­

акционные центры, электрон-транспорную цепь и АТФ - синтазу.

нобактерии появились не ранее чем

В противоположность им , митохондрии используют свою внутрен­

2,7-2,8 млрд лет

назад . В е роятно ,

в этот же период появился и о ксигенн ы й фотосинтез .

-

Прим . ред.].

Жизнедеятельность таки х бакте рий как эти , в ходе которой выделяет ­

ся газообразный

0 2 как побочный продукт фотосинтеза , дол жна была
медленно изменять атмосф е ру З е мли . (А - предоставлено Sally Birch с
разрешения Oxford Sc ieпtific Films; Б и В - с разрешения S.M. Awramik,
Uп iversity of Califorп i a/ Biologi c al Photo Service.)

434

нюю мембрану для транс порта электронов и синтеза АТФ . В обе­
их органелл ах протоны выкачиваются из наибольшего внутреннего

компартмента (матрикс у митохондрий , строма у хлоропластов). ти ­
лакоидное пространство полностью отделено от остальной клетки .

П очему эта организация позволяет получить больший протоннь~й
градиент, чем тот, что возникает в митохондрия х?

ГЛАВА 14. Производство энергии в митохондриях и хлоропластах


клеточная стенка

вакуол ь

5

мкм

0,5

РИС.

14-25.

мкм

Фотосинтез происходит в хлоропластах.

На электронны х микрофотографиях п оказано строение
хлоро пл астов . (А) Клетка л иста пшени цы, в которой узкое
кольцо цитоплазмы , содержа щее ядро , хлоропласты и ми­

тохондрии , окружает большую вакуоль . ( Б ) Небольшой уча­
сток одного хлоропласта ; видны мембраны хлоропласта ,
гранулы крахмала и капли липидов (жиров) , накопившиеся

в стреме в ходе идуще го там биосинтеза . (В) В ид на две
граны

1 мкм

(grana)

при большом увеличении; грана

название стопки тилакоидов . (С разрешения К .

(granum) Plaskitt)

н або р у п лоще нны х дископодоб1-1.ых струкrур, ~rазьmаемых
тилакоидами

(tl1ylakoid) (см. рис. 14-25, В). Они располое­
нь113 стопках, а пространство вн утри каждою тил акоида, как
считается, соединено с таковым других тилако идов, таким

ХЛОРОПЛАСТ

образом созда вая непрерывный третий в1-1 утр 1-11-1ий ком -

ГРАНА
лист

РИС. 14-26. В хлоропласте имеется третий внутренний компарт­
Мент. У этой фотосинтезирующей органеллы есть три отдельных мем ­

браны (внешняя мембрана, внутренняя мембрана и мембрана тилакои­
дов), которые разделяют три внутренних ком партмента (межмембранное
nространство, стрему и пространство внутри тилакоидов). Мембрана

Тилакоидов содержит все системы производства энергии хлоропласта,
включая улавливающий свет хлорофилл . На электронных микрофотогра ­

Фиях эта мембрана выглядит разделенной на отдельные части , включа­
ющие отдельные уплощенные везикулы (см. рис . 14-25, В) , но они , веро­
ятно , соединены вместе в каждом хлоропласте в одну, сильно складча ­

тую мембрану. Как показано на рисунке, отдельные тилакоиды связаны
между собой и обычно соединены в граны .

внешняя

мембрана
межмембранное
прост р анство

Хлоропла сты и фото синте з

435


н ей мсмбраю,1 митохондрий. Электрон, который хло­

2мкм~

рофил ; 1 отдает в электро н -транспор ную ц е пь, замеща­

ется электро ном, получе нным из воды. Это перетасо­
вывание электронов расщепляет молекулу воды (Н 2 O)

с образова н ием

02

в качестве побочного продукта. В

ходе транспорта электро нов н + пе рекас1иваются сrерез

мембра ну тилакоида, и образующийся электрохими­
trеский протонный L·радиент дает возможность си нте­

зи ровать АТФ в строме. В каLLестве финалыюй стадии
этой серии р еак ций высокоэнергетические электроны

передаются (вм есте с н+) н а НАДФ+, превращая его в
НАДФ · Н ( РИС. 14-28).

м е м б ра н а тилакоидов

Во второй, н е завися щей от света, стадии фотосинтеза

2.

РИС.

АТФ и НАДФ-Н , образованные в ходе фотосинтети­

ХЛОРОПЛАСТ

МИТОХОНДРИЯ

ческих реак ций п ере носа электро нов , служат, соот­

14-27. По сравнению с митохондриями хлоропласты крупнее

ветственно, источником э н е ргии и восстановителем в

и обладают дополнительным компартментом. Хл о ро пл аст включа­

синтезе сахаров из СО 2 (см. рис .

ет, в до п олнение к в не ш ней и в н утре нн ей мембранам, мембрану тила ­

фиксации углерода, также называемые <1темновыми

14-28).

Эти реакции

ко идов, отграничи в а ющую в нут ре н нее прост ра н ство тил ако идов . М ем­

реакц иями >>, наt1иншотся в строме хлоропласта и про ­

б ра н а тилако идов вкл юч ает ул авливаю щие с в ет систем ы , электрон ­

должа ются в цитозол е клетки растения. В их ходе об­

транс п о ртн ые це п и и АТФ -синтазу. В п роти во п оложность в н утрен н ей

разуется сахароза и многи е другие органические моле­

мембра н е хлоро пл астов, вн ут рен н я я мемб рана ми тохондрии сл ожена в

кулы в листьях растений . Сахароза экспортируется в

крист ы дл я увеличения пл ощади ее п ове рх н ости . Как мы обсудим позже

д ругие ткани в 1<а ч естве и сточ ника как органических

в данной гл аве , обе о рга н елл ы соде ржат свой собстве нны й ге н ом и си ­

молекул, так и э н ергии для роста.

Образовани е АТФ, НАДФ·Н и

стему си нтеза белка. Соответственно, в строме , как и в мат ри ксе мито­
хо ндр и й , содержится спе ци ф и ч н ы й дл я органелл ы н абор рибосом , РН К

02

(требующее энер­

гию сол н ечного света напрямую) и превращеиие СО 2 в
углеводы (требующее энергию света только косвенно)

и ДН К ( красный) .

-

разделенны е процессы, н есмотря на сложные механизмы

партмент, отделенный от стромы мембраной тилакоидов
(РИС.

14-26) . Структурные сходства и отличия митохондрий
и хлоропластов изображены на РИС. 14-27.

обратных связей м ежду этими двумя наборами реакций.
Несколько

ферментов

хлоропласта,

н еобходимых для

фиксации углерода , наприме р, инактивируются в темноте
и, напротив , акт ивируются стимулируемыми светом про­

Хлоропласты улавливают энергию солнечного света

цессами транспорта элект ронов.

и используют ее для фиксации углерода
Как мы видели в гл.

обобщающее

3,

итоl'овый

суммарное уравнение реак ции ,

резул ьтат фотосинтеза,

может

быть записано так:
э не ргия света

+ СO 2 + Н 2 O - сахара+ 0 2 + тепловая

- Е-- реакции

энергия.

+

фиксации
угл е рода

-CQ•Qф:f-- в строме

Хотя уравн ени е довольно про стое, реакции, позволя­

ющие прои зойти это м у процессу, достаточно сложны. Все
реакции , составляющие фотосинтез у растений, прои хо­

дят в две стадии (см. ри с .

1.

3-8):

На первой стадии, зависящей от света, энергия сол­
н е чного

света улавливается

и

н енадол го

ХЛОР О ПЛАСТ

за пасается

в высокоэ нергет ич еск их связях АТФ и активирован ­
ных молекул-переносt1иков НАДФ·Н . Эти прои зво­

СТАДИЯ

1

( СВ ЕТО В ЫЕ РЕАКЦИИ)

СТАДИЯ 2
(ТЕ МНОВЫЕ Р ЕАКЦИИ )

ФОТОСИНТЕЗ

дя щие энергию фотосинтетичес1СUе реакции переноса

электрона (photosyлtl1 et i c e l ectroп-tгan sfeг гeaction s ) ,
также наз ыва ем ые « светов ыми р еакциями i.> , происхо­

РИС.

дят целиком на мембране ти лакоидов в хлоропласте .

В ходе фотосинтетических окисл ительно-восстановител ьных реакций ,

Энергия, получ е нная от солнечного света, возбужда­
ет элект рон в зеле ном пигменте хлорофилле ( c hloгo­

в результате котор ых образуются АТФ и НАДФ · Н (стадия

phyll ), заставляя

ется) для си нтеза сахаров и других разнообразных органических молекул

его двигаться по элсктрон-тран с пор­

14-28. Обе стадии фотосинтеза связаны с хлоропластом ,
1), окисляется

вода и выделяется кислород. Диоксид углерода поглощается (ф иксиру·

ной це пи в мембране тилакоида прим ерно так же, как

на стадии фиксации углерода (стадия 2). Стадия 2 начинается в строме

электро ны дв игаются по дыхателыюй цепи внутрен-

хлоропласта (как показано на рисунке) и продолжается в цитозол е.

436

ГЛАВА 14. Производство энергии в митохондриях и хлоропласта х


Солнечный свет поглощают молекулы хлорофилла

Возбужденные молекулы хлорофилла

Видимый свет - это форма электромагнит 1-1 ого излучения,

направляют энергию в реакционный центр

составленного из множества различных длин волн, от фи ­

нм) до дал ьнего крас 1-1 о rо

Изолированная молекула хлорофилла н е способна пре­

нм). Но когда мы рассматриваем события на у ров не

вратитъ свет, который она поглощает, в полез н у ю для жи­

ол товоrо (с длиной вол ны

(700

400

одной молекулы , такие как поглощение света хло рофил­

вых организмов форму э не ргии . О1-1а может выпол н и ть

лом, нам придется представить себе свет так, как будто

эту задачу, только будучи заключенной в м ембрану и в

он составлен и з дисr<ретных лорций эн е р1·ии , и азы ваемых

ассо циации с подходя щими белками. В м е мбран е тила­

фотонами. Цв т света олределяется эн е ргией фотонов:

коидов растений и в мемб р ане фотос интетических бак­

чем боль ше длина волны, тем меньше энергия. Соответ­

терий светопоглощающие молекулы хлорофилла заклю­

ственно , фотоны крас ного света им еют меньшую энергию ,

чены в большой белковый комплекс, называемый фото­

чем фотоны зеленого.

системо й

Когда сол нечный свет поглощается молекулой хло ­

(photosystem) . Каждая фотосистема состоит из
complex), поглощающего

антенн ого комплекса (анtенна

рофилла, электроны в моле куле взаимодействуют с фото­

световую э н е ргию , и реакциоюю rо центра (ге асtiоп сен­

нами света и поднимаются на более высокий энер гетиче­

tег), осуществляющего 11 р е вращени е световой э не ргии

ский уровень. Электроны в огромной сети чередующихся

в химическую. Светопоглощающая ч.астъ фотосистем ы

одинарных и двойных связей в молекуле хлорофилла

включает в себя сотни молекул хлорофилла, улавлива­

( РИС. 14-29) погло щают красный свет с ильн ее всего, и з - за

ющих э не ргию света за счет возбуждения элект ронов

ч его хлорофилл дл я нас выгляд ит зеле ным.

( увеличения их энергии). Эти хлорофиллы выстроены

так, что энергия возбужденных электронов может пере­
даваться от одной молекулы к другой, пока в итоге н е по­

СН 2

падет на две молекулы хлорофилла, называемых особой

11

сн

СН 3

н

парой

(special pair)

( РИС. 14-30). Две молекулы хлоро­

филла рас положены в р еакционном центре

-

белковом

комплексе, прикрепленном в мембране вплотную к све­
тоулавлив ающе му комплексу. Там э н ергия используется
н

для возбуждения одного элект рона в специалъной паре

н

молекул хлорофилла.

СН 3

молекула Ас
ми

н - с -- с
1

С =О

~

л екул а А

О

1

о
1

комплекс

СН 3

антенны

Входе
переноса
зnектронов

хло роф ил ла

п а р а мол екул

образуется
молекула Б,

в комплексе

хл орофилла в

несущая

а нте нны

фотохи ми ческо м

мол ек ул ы

с п е ц иа льн ая

ВЫСОКО·
энерrети­

р еак ц и о нн о м

гидрофоб н ы й

~еские

ц ентре

хв о ст

зnектроны

РИС.
РИС.

14-29.

Хлорофилл

-

зеленый пигмент,

14-30.

Фотосистема включает в себя реакционный центр и

антенну. Анте нн а собирает э н ергию эл ект ронов, возбужден ны х с в етом,

поглощающий энергию фотонов света. Атом

и п ередает ее (передача энергии изображе н а красными п ункти р н ы ми

ма г ния (оранжевый) связан в центре порфири­

стрелками) на эл ектро н-транс п ортн у ю це п ь в мембране тилакоида ч е­

ново го кольца, структур н о анал огичного кол ь цу,

рез хи н он

связыва ю щему железо в геме. Свет погл о щается

п игме н тов ( н е показаны) , которые помогают ул авл ивать свет с други ­

(Q). Кроме

хло рофилл а а н тенна состоит из до п олн ител ьных

электронами, входящими в состав сети связей,

ми длинами волн . Б елок в р еак цио нн ом центре (оранжевый) собирает

показа н ны х синим, в то время как гидрофоб ны й

н изкоэ н ергети ч еские электро ны , требуемые для возвра щения системы

хвост (зеленый) помогает закрепить хлорофилл в

в исходное н евозб ужде нн ое состоя н ие ( п ередач а эл ектро н ов п оказана

мембране ти л акоида.

красными точками), что мы ув идим на р ис .

14-31.

Хлоропласты и фотосинте з

437


возбужденная мол е кула

разделение зарядов

хлорофилла с
а к цеп тор

донор

о кисленный

вы с о ко э нергетическим

низкоэнергети - высокоэнерге -

хлорофилл

эл е ктроном

восстановленный

акцеп тор

осстановленны й

эл iтронов

а кцептор

\

акцептор

Высоко­

-

энергетический
электрон

ВОЗБУЖДЕНИЕ

ПЕРЕНОС

ПЕРЕНОС

ЭЛЕКТРОНА В

ЭЛЕКТРОНА

ЭЛЕКТРОНА

ХЛОРОФИЛЛЕ
РЕАКЦИОННОГО ЦЕНТРА

низко­

энергетический

хлорофилл

электрон

реакционного центра

в хлорофилле

(специальная пара)
в невозбужденном
состоянии

(А)

.::"

низкоэнергетический

высокоэнергетический

электрон

электрон

fj

1

___L
ПОЛУЧЕНИЕ

ЭЛЕКТРОНА

1

)

ПЕРЕДАЧА

ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО

из воды

ЭЛЕКТРОНА НА

ЭЛЕКТРОН-ТРАНСПОРТНУЮ ЦЕПЬ

(Б)

РИС.

14-31. Э н ергия

света собирается молекулами хлорофилла в реакционном центре. (А) Две

специальные спаренные молекулы хлорофилла ( синие) прочно удерживаются в пигмент-бел ковом ком ­

пл е ксе и рас положены так , что доступны и бело к, собирающий ни зкоэ нергетическ ие электроны (оранже ­
вый) , и акцептор высокоэнергетичес ки х электронов ( зеленый) (см. ри с .

14-30). После возбуждения све ­

том электрон (красный) в специальной п аре быстро передается на акцептор электронов в реа к ционном
центре , стабилизируя его в высокоэнергетичес ком состоянии. Положительно заряженный окисленный
хлорофилл затем быстро притягивает низ коэ н е ргетический электрон от донора электронов , та к им обра ­
зом возвращаясь в невозбужденное состояние . Эти реакции , прои з водящие ра здел е ние за рядов между

донором и акцептором электронов , протекают менее , чем за 10·5 с. (Б) На последней стади и процесса,
идущей за этапами , показанными на (А) , вес ь реа кционный центр воз вращается в исходное состояние с
помощью получения нового низкоэнергетического эле ктрона (в данном случае, из воды) и п е редачи вы­

сокоэнергетичес кого электрона на электрон-транс портную це пь . Таким образом , в сумм а рном процессе
поглощаются низкоэнергетические эл ектроны , получ е нные и з воды , и производятся вы сокоэ н е ргетич е­

ски е эл е ктроны . Все это происходит у растени й н а мембра не тил ак оидов .

Реакц ио н11ы й центр

-

это тран смембра нн ый ком ­

плекс бею,ов и о р ганич еских п игме нтов, рас п оложе нн ый

свой в ы сокоэне р гети ч еск и й электрон в таку ю с р еду, где

о н ста н овится зн ачительн о более устойчивы м.

в самом це нт р е фотос и стем ы. Считается, ч то о н воз н ик

Ко 1·,дс1 молекула хлорофилла в реакци о ,-,н о м 11ен тре

более т рех миллиа рдов лет н азад у пр и митивны х фото­

те ряет электр о н , о ~, а становится п оложител ьн о за ряже 11 -

и

11 ой; затем она б ы стро при об ретает электрон от с межн ого

функ ц ио н.альны е исследован ия раск рыл и меха ни зм его

си нтез ирую щих бакте рий . Детальные структурные

до но ра электро ,юв , возв ра щаясь в свое н евозбужденн ое

работы 1-1 а атомарн ом у ров н е ( с м . ВИДЕО 14.б). Реакци ­

и 1-1 еза ряжен ное состоя ни е ( РИС.

14-31, А) . В дал ,,н ейш ем ,

о нный цент р функци о ни рует как н еизбежная ловушка

в ходе более м едленн ых реакций, доно р элект рон ов за ­

для возбужденны х электр он ов, п отому что особая па ра

м е щает свой н едостаю щи й электро н за с ч ет элект ро на,

хло роф иллов настрое н а так, ч тоб ы отдавать высокоэ не р ­

п олу че нного от воды. В ы сокоэ н ергетическ и й электро н ,

гети ческ и е элект ро ны точн о ор иенти р ова няой соседней

об разовавший ся в возбужде нной молекуле хло рофи лла,

молекуле в том же самом белковом ко мплексе . За счет

зате м пер е н ос ится на электрон-тран с по рт ную це п ь. После

бы строго п е р емеще ния возбужде нн ого элект р о 1-1 а от хло­

п ерен оса р еакцио ниы й це н тр готов к получ е нию следую­

рофилло в - п ро цесса, наз ы ваемого разделеиие.м заря­
дов (chai·ge se pa гati o n) , - реакцион ны й центр п ереноси т

солне чным светом (ри с.

438

щего высокоэ 1·1 ер rет и ческо го электро н а, возбужден1-1оrо

ГЛАВА 14. Производство энергии в митохондриях и хлоропластах

14-31, Б ) .


Энергия света нужна для синтеза как АТФ,

ВОПРОС

таки НАДФ · Н

А Как НАДФ· Н , так и схожая с ним моле кула-переносчи к НАД· Н

14-9

rl' являются сильным донорами электронов . Почему раститель-

8

В митохон дриях эле ктрон -тра н сп орт ная це пь работает

ные клетки приспособились полагаться на НАДФ· Н , а не на

НАД · Н в к аче ств е восстановителя в фото с инте зе?

и с клюL1ительно для того, чтобы про из вод ить АТФ . Но в
хло рол ластах и у свобод 1-юживу щих фотос интез н1 у ющи х

о р 1·аниз м о в, таки х как цианобакте р 11и , т ранспорт эле ктро ­
нов им еет е ще одну функцию: он п оз воляет синтезировать

активированн ую

ри с.

тез

3-34).

молекулу - перенос чи к

Н АД Ф.Н

(см.

ходу этого пути формируе т ся протонный градие нт, з а CLreт

НАДФ·Н необх од има, потому что фотосин­

тшrороrо син тезируется АТФ .

это , в ко 11ечиом сч ете, б иос ин тетич еский процесс .

В общи х чертах процесс идет следующим образ ом:

Для построения органических молекул из СО 2 клетке

пе рв ы й фотон св ета по оющается одной фото си стемой

-

требу ются знаLrител ьные траты эн е ргии в ви де АТФ и

(которая, как это ни п арадоксалы-ю, называется фото­

очень много восста новител ьны х э квивале нто в в форме

с и стемо 11

НАДФ·Н. Чтобы синтез нро вап, НАДФ · Н и з НАДФ +,

этот фотон и спользуется для об разова ния высокоэн ерге ­

II

по историч еским лричина м). Как мы з н аем ,

клетка и спол ьзует э нергию , получе нную из с о л не ч1-ю~-о

ти ч еского

св ета, пр евращая низкоэ 1-1ергетические эле ктроны и з в од ы

портную цепь ( см. рис .

в высокоэнергетические электроны НАДФ · Н.

электрон- транспортной цепи электрон выз ывает перекаLJ.­

электрона,

п е редающе го ся

14-31).

в

э л ектро н - тр а нс ­

По ходу п е ре ме ще ния по

Для об разования как АТФ , так и НАДФ · Н клетки

ку протонов в мембра не тилакоида и создает протонный

растений и цианобактерий используют два фотона све­

гради е нт так ж е , как это проис ходит п ри оки сл ительном

та: АТФ образуется после п о глощеиия пер вого фото на,

фосфорилирова нии . АТФ- ею-паза в мембране тилакоида

НАДФ · Н

зате м н с пользует прото н ный град и ен т для синтеза АТФ

-

второго . Фотоны поглощаются двумя различ ­

ным и фотосисте м ами ,

работающими

п оследовател ьн о .

на м е мбране со сторон ы стромы ( РИС . 14-32) .

Вместе эти фотосистемы сообщают электрону достаточ ­

В то же время электрон-транспортная цепь доставля ет

ное количество эн ергии, чтобы образовать НАД Ф.Н. По

электрон , произ в еден ный фотоси сте мой

11,

ко вто р о й фо -

водора сщепляющий
фермент

синтез АТФ
ПРОСТРАНСТВО ТИЛАКОИДА

!

за счет

н•

дви жения
протонов по и х

электро х ими ­
ческому
потенциалу

н•

к омпл екс

СТРОМА

фотосистема

Комплекс

11

цитохром

РИС .

14-32 . В

фотосистема

b6 -f

1

ферредоксин­

АТФ-синтаэа

НАДФ-редуктаза

ходе фотосинтеза электроны перемещаются по электрон-транспортной цепи в

мембране тилакоидов. Эн е рги я с вета п огл о щается а нте нными компл екса ми в каждо й и з двух в стр о­
е нны х в м емб рану фотос и стем и п е редается н а с п е ци альную п а ру м ол екул хл о р офилл а в р еакцион ­
н о м це нтре . Как п оказа н о н а ри с .

14-30, за с ч ет это го

в с п е ци альн ой п а ре появл яетс я в оз бужде нны й ,

вы сокоэ н е ргети ч еск и й эл ектрон , кото ры й п ере н ос ится н а эл ектро н- т ра н с п о ртную це пь в м е м б р ан е
т илако ида . П одви ж ны е п ере н ос чи к и эл ектр о н ов в эл ектрон-тра нспортной цепи хл оропл аста

-

это

пл астох ин о н

(Q, оче нь н а п о мин ает уби х ин о н в ми тохо ндрия х), пл астоци а нин (рС , м ал е нь кий, с оде ржа­
(Fd, м ал е нь к и й бел ок , соде ржа щий железо - се рный це нтр) . Компл екс
b6-f н а по м ин ает ком пл екс ци тох ро м Ьс 1 митох ондри й , и явля етс я един стве нным м естом

щи й медь бел ок ) и ф ер редокс ин
цитохро м

акти вного п е р екач ива н ия н• в эл ект ро н -тра н с п о ртн ой це пи хло ро пл аста . Пр ото ны , об р азующиеся
п р и рас ще пл ении в оды ф отос и стемой 11 , и прото н ы , расходуем ы е при об раз о ва нии НАДФ · Н бел ко м

ферредокси н - НАДФ- редуктазой ( ФНР) , п оследн им бел ком эл ект рон - тра н с п о ртно й це пи , тоже вн ос ят
с вой в клад в образо в а ни е эл ектрох имич еско го гр адие н та п рото н о в . Как п оказа н о , п рото нны й градие нт
и с п ользуетс я п р и работе АТФ -с интазы, ра сположе нно й в то й же ме м б ра н е , для синтеза АТФ . О бзо р
реак ци й ф отос и н теза да н н а ВИДЕО

14.7.

Хлоропласты и фотосинтез

439


фотосистема

1

энергия используется для синтеза

В и СШ·~Ф=•

- 1200
- 1000

ферредоксин ­
НАДФ-редуктаза

- 800

фотосистема

рредоксин /

11

- 600

образование

--400

градиента, требуемого

электрохимического

для синтеза АТФ

ro

!

-!._200
@
s

~

:х:

разделение
зарядов

Н

за счет

-'!
ф

llllllliilll. . .

света

н+

о

5
~ 200
g

раэдеnение

с:

\

зарядов за
счет света

~ 40О г------

f

комплекс

цитохром b6 -f

·~

пластохинон

600
водорасщепл

800

ющий ферме

1000
1200

направление тока электронов

РИС.

14-33. Сопряжение фотосистем I и 11 возбуждает электроны до уровня,

необходимого для

синтеза НАДФ,Н . Редокс -потенци ал каждой молекулы показан ее расположением вдоль вертикальной
оси . Фотосистема

II передает электроны от ее возбужденной специальной пары моле кул хлорофилла с

помощью эл ектрон-транспортной цепи, ведущей к фотосистеме

1. Суммарный

поток электронов через

две фотосистемы, связанных последовательно , идет от воды к НАДФ ' с образованием НАДФ·Н и АТФ .
АТФ синтезируется АТФ-синтазой (не показана здесь) , использующей эле ктрохимический градиент
протонов, образующийся в ходе тра н с п орта электронов.

группа атомов марганца

в водорасщепляющем

антенный

ферменте

специальная

с п ециальная

пара

пара
метрии

обмениваемый
хино н

РИС .

14-34.

Известна полная трехмерная структура фотосистем

тура фотосистемы

1, которая

состоит примерно из

20

I

и

11.

Слева показана струк ­

белков и более чем сотни молекул хлорофил ­

ла . Справа

- схема структуры фотосистемы 11 . Впервые публикуется в русском издании. (Источник :
http://commons.wikimedia .org/wiki/ File:Photosystem_l.jpg. По данным Protein Data Bank (PDB 2001 ).)

440

ГЛАВА 14. Прои з водство энергии в митохондриях и хлоропластах


тосистеме , наз ываемой фотосистемой

1.

Там электрон за­

использование

nол няет положитель но за ряж е 1-1ную iдырку ,> , оставшуюся

в реа.1 ци о нном центре ф отос и стемы

I

для синтеза е

посл

погло ще ния

I

н ачинает уже

- 1200

с более высокого эн е ргетическоrо у ровн я, она с пособ н а
очень сил ьно под 1-1ят1, электрон до уровня э нер гии, необ­

- 1000

второго фото1-1 а. Пос кольку фотос и стема

ходимой дл я с интеза НАДФ-Н и з НАдФ+ ( см . ри с.

14-32).

-800

Ре;\оr<с- поте нциа.п ы компонентов электрон -транс портной

iij'

це пи показаны на РИС .

.!.-600

14-33.

В су ммарном процессе элект рон , отобранный у моле­
кулы хло рофилла в реакционном це нтр е фото с истемы

11,

проходит в есь п у ть через электрон-тран с портную цепь в

мембране тилакоида до того момента, как он будет потра­
че н при синтезе НАДФ · Н . Этот первичный электрон дол­

же н быть замещен, чтобы вернуть систему в ее ~, евозбуж­

с:

ro

:§--400
:1:

~с: -200
"'

о

~

Реакционный центр фотосистемы

II

образуется электро-

400

вклю­

600

чает в себя фе рмент, расщепля ющий воду, который дер­

за счет

н + /химический градиент,

о

\

200

многих фотос интез ирующих бактерий является вода (см.

Разделение
зарядов

а.

э нергетического донора элект ронов , которым у расте ний и

14-31, Б).

алас,о,,,~рредо,с,,

(J

денное состояние . На замен у эле ктрон посту пает от низко ­

ри с .

фотосистема 1

световой энергии только

t

света

за счет которого

образуется АТФ

комплекс

цитохром

b6 -f

aoo ~-----------------__J

ж ит атомы кислорода д в ух молек ул воды с вя заш,ыми с

кл астером атомов марга ,ща в белке ( РИС. 14-34; см. также
рис.

14-32). Этот фермент отщепляет по одному электрону

РИС.

14-35. Хлоропласты

могут синтезировать АТФ также с помо­

от воды, чтобы заполнить пустоты, появивши еся в мол еку­

щью циклического фосфорилирования. Этот путь позволяет си нте­

Jiах хлорофилла в р еак ционном центр е после попада ния на

зировать АТФ без образования НАДФ ·Н или

них света. Когда четыре электрона отнимаются от двух мо­

вается , клетка предпочитает использовать эту ци кли че скую схему.

лекул вод ы (ч то требует четырех фотонов) ,

0 2• Когда

НАДФ - Н накапли­

0 2 высвобож­

дается. Именно благодаря этому процессу, проте кающему

При фиксации углерода используются АТФ и НАДФ·Н

миллиард ы лет, в атмосфере Земли появился кислород.

для превращения СO 2 в сахара

Хлоропласты могут регулировать

В ходе световых реакций фотосинтеза образуются АТФ и

свою продукцию АТФ

В до полнение к проведению уже обрисованных фотосин­

НАДФ - Н в строме хлоропластов. Но внутренняя мембра­
на хлоропласта непроницаема для обоих этих веществ, а

тетических процессо в хлоропласты также мо гут прои з ­

значит, они не могут напрямую экспортироваться в цито ­

водить АТФ без синтеза НАДФ·Н. Для образования этой

золь. Для предоставления восстановителей и энергии все й

допол нителы-ю й АТФ хлоропласты могут переводить

оста.пьной J(Летке АТФ и НАДФ-Н вместо этого использу­

Фотосисте му I в цикли ч еский режим, так что о н а будет

ются в строме самого хлоропласта для образования саха­

nроизводить АТФ вместо НАДФ - Н. В этом процессе,

ров, которые можно н апрямую экспо ртировать. Образова­

называемом циклическим фосфорили ровани ем

ние сахаров , происходящее в ходе темновых реакций фото­

(cyclic

Photoph ospl10гy l a tion) , высокоэиергетические элект ро­
ньr, образованные при активации светом фотосисте мы

с интеза, называется фиксацией углерода ( са гЬоn fixatioп ).
Центральная

1,

b6 -f комплекс, вместо
цитохром b6 -f комnлекса элек­

реакция

фотосинтетич еской

фикса­

ll е реносятся обратно на цито х ром

ции углерода, в которой не органичес кий атом углерода

rte peнoca на НАДФ+ . От

(и з СО 2 ) превращается в органически й, изображена на

троны с низкой эне ргией п е ре носятся обратно иа фото ­
систему

1 ( РИС . 14-35) .

В итоге кроме прев ращен ия эн ергии света в тепло,
11 Ротоны

РИС.

14-36. СО 2 из атм осфе ры реагирует с пятиугл ерод н ым

производным

сахара рибулозо-1,5-бифосфат (ribu lo е
и водой до образования двух молекул ы

1,5-bisphosphate)

перекачиваются ци тох ром b6 -f комплексом че­
Рез мемб ра~1у тилако ида во время прохождения через него

треху 1·л еродного вещества 3-фосфоглице рата. Эта реак­

эле1<тронов . Этот цикл увел ичивает электрохимический
11 Ротонный градиент, необходимый для синтеза АТФ.

тали зируется в строме хл оропласта бол ьшим ферме нтом,
называем ым рибулозобисфосфат-карбо-ксuлазой ( гi bu lose
Ьi s phosphate caтboxylase) (также называемой рубилозо ­

Кз1етки могут регулировать соотношение циклич есJ<ого

ция фиксации углерода, как было открыто в

1948 r.,

ка­

Фосфорил ирования (включающего только фотос истему 1)

бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа, или Рубиско, RuЬis­

И стандарпюй, нециклич еской, формы фосфорилирова­
Ння (в r(Лю чающей фотосистемы I и II) в зависимости от
н х относительных потребностей в восстановителях (в

co).

Поскольку этот фе рмент работает поразительно нето­

ропливо по сравнению с большинством других ферментов
(обрабатывая около трех молекул субстрата в секунду, в

Форме НАДФ-Н) и высокоэнергетичесI<их фосфатн ых

с равне нии с

связях (в форме АТФ).

мента), растению требуется очень большое число молекул

1000

молекул в секунду для типичного фер­

Хлороплосты и фотосинтез

441


С Н20
1
н - с - он
С Н 20

1
с - он

1

с

о

С Н 2 0 Р.

о

О+С = О
1
н - с-он

1

-о

1
н - с-он

С =О
н - с - он

СН 2 0
у глерода

РИС .

14-36.

рибулозо-1 , 5бисфосфат

+
соо-

1
н - с - он
1

1
СН 2 0

1

диоксид

-<
+ Н20

1

1
с оо-

СН 2 0 Р.

интермедиат

две молекулы

3-фосфоглицерата

Il 20

происходил, он долже1-1 бьпъ сог~ряжен с ка.кой-то з нерrет,,гч

-

ски выгодной реакци ей . Р акция , в которой СО 2 связ ывается

с Рубиско, н а самом деле выгощ1 а э н ергетич ески, 1 ю только
из-за г~ остоя1-1ноrо притока э н ргет~гчески бо 1,пого вещества
рибулозо-1 ,5-бисфосфата , к которой присоеди ня ется каждая
мол екула СО 2 (см. рис.

14-36). Э нергия

и восстан овите.пи , н е­

обходимы е для с1rож1-юго м етаболич еского п ути восста1-1овл е1-1ия этого ве щества, н аставляются АТФ и I-IАДФ·Н, образо­
ва1-1ными в ходе световых реа1щи й фотосинтеза.

Последователы-юсть

Фиксация угл е рода включает обра з ов ани е ков ал е н т ­

ной свя з и , присоединяющей дио ксид углерода к рибулозо-1 , 5 -

реагируют с образован и ем у1-ле в01щ в ходе фотосю1теза,

долж на быть э н ергетически невыгодной . Чтобы этот процесс

реакций,

позволяющая клетке

встроить С О 2 в сахара, образует цикл, кото рый начи нается

бисфосфату. Реакция катализируется в строме хлоропласта обильно

и заканчи вается на рибулозо - 1,5 -бисфосфате ( РИС . 14-37).

представленным ферментом рибулозобисфосфаткарбоксилазой. Как

На каждые три молекулы СО 2 , вступаю ш.ие в цикл , обра­
зуется од на молекула глии,ералъдегид-3-фосфата (glyceг­
aldel1yde 3-phosphate) - трехутлеродного сахара, являю ­

показано , продукты

-

две молекулы 3-фосфоглицерата .

щ егося итоговым пр одуктом , а расходуются три мол е кулы

ферме1-1та. Рибулозобисфосфаткарбоксилаза часто состав­

АТ Ф и две молекулы НАДФ·Н . Глицералъдегид-3-фосфат

ляет больше

затем служ и т сырьем для си нтеза многих д р угих сахаров

50% всех

белков в хлоропласте, и у г~ оми 1-1ает­

ся как самый распростране1-1ный белок на Земле.
Когда углеводы расщепляются и окисляются до СО 2 и

Н 2 0 в клетках, выделяется м 1-1ого свободной э нергии . Оче­

вид н о, что суммарная обратная реакция , в которой СО 2 и
3

(ca1·bon-

(или цикл Ка111,вина) был изучен в 1940-х и

1950 -х юдах в ходе одного из первых успешиых прим е не­

ний радиоизотоп1-1ых меток в биохимии.

Сахара , образовавшиеся в цикле фиксации углерода,

молекулы

~

и ор ганич еских моле кул. Цu1<л фu1<.сации углерода

fixation cycle)

могут запасаться в виде крахмала

1С

или потребляться для производства АТФ
Глицерwrьдегид-3-фосфат, об разовав шийся
6

ции

молекул

3 -фосфоглицерат ЗС

углерода

в

хло р о пласте ,

и с п ольз уется

при фикса­
нескольки­

ми раз ными с пособами в зависимости от нужд растения.

В п е риод избыточной фотосинтетической активности
глицеральдегид-3-фосфат

запасается

rде в основном превращается в 1<.рахмал

в

хлороп ластах,

(sta1·ch)

в стрем е

( РИС. 14-38) . Как гликоген в живот ны х клетках, крахмал

-

это длин н ый полимер глюкозы , служа щи й запасом у гле ­

водов. Крахмал х ранится в виде боль ши х зерен в стром е
хлоро п ластов (см. рис.

14-25,

Б ) и ночью рас щеп ляется на

сахара, чтоб ы п одде рживать м етаболически е н ужды рас­
те ни я. Крахмал является важной Lrастыо рациона всех жи ­
вот ны х, питаю щи хся растениями .

Но хло ро.1 1Ласт
три заф и ксиро ван­
ные молекулы СО 2

дают 1 молекулу

это н е только хранилище з ал асов. За­

хло р о н ластах , г~ е р е ме щается наружу в I(и тоз оль. Часп, его

1 "м.;.;о.а..;л...
е_.
к .,;.л_а...__-,--, н - g =о

гл и церальдегид-

3-фосфата
суммарно за 9
молекул АТФ и
6 молекул НАДФ·Н

-

м ет н ая ч асть глицеральде ,-ид- 3 -фосфата, образова н но го в

Н - -ОН О
1
11
С Н -0 - Р- о2
1

САХАРА, ЖИРНЫЕ

0-

КИСЛОТЫ ,

вступает в путь гликолиза (см. рис.

13-5),

где превра щает­

ся в пируват; з атем пируват входит в ц икл лимо 1ш ой кис ­
лоты в растительных митохо 1 щриях и идет н а произ вод­

ство АТФ за с ч ет ОI<исл ителъно,-о фосфорилирования ( см .
р ис.

14-38). Это та АТФ ,

которую растение использует ;щя

АМИНОКИСЛОТЫ

РИС .

14-37.

В ходе цикл а фиксации углерода образуются орга­

нически е мол е кулы и з СО 2 и Н 2 О . Цикл начинается с реакции, пока­

занной на рис .

14-36, и образует глицеральдегид-3-фосфат. Число ато­

мов углерода в каждой из молекул показано в белом прямоугольнике .

Между глицеральдегид-3 - фосфатом и рибулозо-5 -фосфатом есть мно­
жество промежуточны х соединений, но они были опущены для ясности.
Вхождение воды в цикл также не показано .

442

ВОПРОС

14-10

А А . Как выживают клетки в корнях растений , если они не со·

rl' держат хлоропластов и не попадают на свет?

8

Б . В противоположность митохондриям , у хлоропластов нет

транспортера , позволяющего им экспортировать АТФ в цитозоль .

Как же клетки растений получают АТФ, которая им нужна для про·
веде ния энергозатратных метаболически х реакций в цитозоле?

ГЛАВА 14. П р о изв одств о э н ерги и в м итох ондр иях и хло ро п ластах


ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХЛОРОПЛАСТОВ

И МИТОХОНДРИЙ
На сегодняшний день общепринято считать, что хлоро1 щасты

окисли­
тельное

саха р а -

фосфори­
лирование

х л ор оп ласт

)!\

и

митохондрии ,

вероятнее

всего ,

прои зо шли

от

бактерий, проглоч е н 1-1 ых пред1<овыми эукариотич ескими
клетками более милли арда лет назад (см. рис.

1-19 и 1-2 1).

Как 1 1 апом и1-1 ан и е об этом эволюционном прош ло м, обе ор­
t-анеллы имеют собственный ге ном, а также собственн 1,1 й
биоси1-пети:ч есю1й аппарат для образова н ия РНК и белков

мит охон дрия

орган еллы. С п особ, которым митохондрии и хлоропласт ы
размножаются

метаболиты

щих структур,

РИС. 14-38. В растениях хлоропласты и митохондрии сотруднича­
ют, чтобы снабжать клетку метаболитами и АТФ. Вн утре н н я я мем ­

брана хлоропласта непрони цаема для АТФ и НАДФ·Н , образующихся в
ходе с вето в ых реак ций фотос интеза. Эти мол екулы на пра вля ются в цикл

Фиксации углерода, где они используются для создан ия сахаров . Обра­
зовавшиеся саха ра запасаются в н утри хлоро пласта в виде крах м ала или
в ыделя ются наружу в клетку расте н ия . Там они могут вступ ить на путь

производства эне р гии , ока нч ивающийся синтезом АТФ , в митохо ндрии .

Мембраны митохондрии проницаемы для АТФ , как показано на рисун ке.

-

за счет роста и деления уже существ у ю­
дает д оп олнительные подтв е рждения их

бактериального происхожде ния ( РИС. 14-39).
Рост и лролиферация митохондрий и хлоропластов

осложн е ны тем , что составл яющи е их белки за.кодирова­
ны двумя разл ичными ген етич ес кими системами

-

одной

в органелле и другой в клеточном ядре . В митохондрии

большая часп, изначальных бактериальных генов пе ре­
местилась в я д ро

клетки ,

оставив только

относительно

небол ьшую ч асть генов внутри самой органеллы. Мито­
хо 1-1дрии жнвотных,

на самом деле, содержат уникально

простую ге н етическую систему: ч еловеч еск ий митохон­

дриаJ11, ный 1·еном , к прим е ру, включает все го лишь

16 569

общего метаболизма, она образуется в митохондриях так

пар 1-1 уклеотидов ДНК и

)!(е, как в животных клетках и у других н ефотосинтези ру­

тохондриальных белков

rощих орга1 1 и з мов .

ляют митохондриальную РНК-полимеразу и рибосомал ь­

Глицеральдегид-3- фосфат, выводимый из хлороп ла­

37 генов . Подавляющая LJастъ ми­
- в том rисл е те, которы е состав­

ны е белки , а также все ферм енты цикла Кребса

-

синте­

стов, пре вращается во многи е другие метаболиты, вклю­

з ируются с ядерных генов, и эти белки, соответстве нно ,

Ltая д нсаха рид сахарозу. Сахароза

11олжны попасть в митохо 1-1 дрию и з цитозоля, где они об­

-

это основная транс­

портная форма сахаров, которой обмениваются расти­

разу ются (см . гл.

15).

·гель ны е клетки . Так же как глюкоза пере носится в крови

Как и мнтохондрии, хлоропласты содержат многи е

)Кивоп-1ых, сахароза эксгюртируется из листьев ч ерез со­

собственные t'е ны, а также собств е нные системы трап с­

судисты е пучки для обеспечения у 1·леводам и в сего осталь­

криn ции и трансляции для сюпсза белков с эт их 1·е нов.

ного расте ния .

Хлороnластные геномы з начителъно больше митохо1-1-

ДЕЛЕНИЕ
м и то х ондр иа л ь н а я

ДНК

~~
(А )
СЛИЯНИЕ

Рис. 14-39. Митохондрия делится как бактерия . (А) Можно наблюдать деление и слияние
митохондрий. Процесс деления в целом схож с делением бактерий. ( Б) Электронная микро­

Фотография делящейся митохондрии в клетке печени . ( Б - с разрешения Daniel S. Friend).

1 мкм

Происхождение хлоропластов и митохондрий

443


дриальных: у высших расте1-1ий, иапример , хлоропласт­

рые и з этих кл еток могли бы исполъзо вать органические

ные ге 11 омы включают около

кислоты, не участвующие в брожении, которые окружа­

120

генов в

120

ООО парах

нуклеотидов. Эти гены поразительно по хожи 1-1 а ~-ены у

ющие клспш выделили как побочные 11родукты, в кач е­

цианобактерий

стве источников эл ктронов , н еобход имых для системы.

-

фотосинтезирующих бактерий, от ко ­

торых, как считается, и произошли хлоро п ласты. Те м нс

Ряд современных бактерий растет на муравьи11ой кисло ­

менее многие белки хлоропластов сейчас закодированы

те, например, используя небольшие количества энерt" ИИ
окисления-восстановления ,

ядерными генами и долж ны поступат1, и з цитозоля.

Те же методы, которые позволили нам проанализи­
ровать геномы митохондрий и хлоропластов, дали нам

получаемой

при

переносе

элект ронов от муравьиной кислоты на фумарат для п е ре ­
качивания прото1-юв.

В конце ко~щов у части бактерий могла сформиро­

возможность идентифицироват 1, многие микроорганиз­

мы и изучать их молекулярную биологию. Некоторые из

ваться

этих организмов преуспевают в самых неблагоприятных

система, которая настолько эффективна, что о ни полу­

местообитаниях на планете: серных горячих источниках

чали бы больше энергии от окисления-восстановле ния ,

п е рекачив ающая лротоны эле ктрон - транспортная

или гидротермальных выходах глубоко на дне океана. В
этих на п ервый взгляд странных современных микробах
мы можем легко найти кmоч к истории жизни

-

с помо ­

работа ю щая
за счет АТФ

при м итивная

щыо многих молекул, и з которых они образованы. Как

бактер и я

протон н ая п ом п а

отпечатки пальцев, оставленные на месте преступле ния,
эти молекулы дают хорошие подсказки для отслеживания

истории древних событий, для обсуждеаия 1троисхожде­
ния АТФ-генерирующих систем, которые находятся в со­
временных митохондриях и хлоропластах. Мы завер шаем

главу обсуждением эволю ции энергодобывающих систем,
детально разоб ранных в данной главе.

СТАДИЯ

1

Окислительное фосфорилирование

н•

могло давать древним бактериям

электрон-транспортный

белок, перекачива ю щий

эволюционные преимущества

п р отоны

Как мы упоминали ранее, первые живые организма на
Земле

-

и прокариоты, и примитивные эукариоты

-

мог­

ли потреблять rеохимически образовывавшиеся органи­
ческие молекулы и синтезировать АТФ с помощью броже­
ния. Поскольку кислорода еще ие было в атмосфере, эти

реакции анаэробного брожения должны были вызывать
накопление в окружающей среде органических кислот, та­

rшх как молочная или муравьиная (см. рис.

13-4,

СТАДИ Я

2

СТАДИЯ

3

А).

Выделение органических кислот должно было по1-~изить рН среды, из-за чего преимущество получили бы

клетки с мембранными белками. Такие белки способны вы­
качивать протоны. из цитозоля, помогая клетке избежать
избыточного закисления (стадия

1

на РИС. 14-40). Oдtra

из помп могла бы использовать энергию гидролиза АТФ

для выброса протонов из клетки; такие белковые насосы и
должны были стать предшественниками АТФ-синтетазы.
Как толы<о снабжение геохимически образовывав ­
шейся органикой на Земле начало ослабевать , пр еиму­

щество, видимо , получили организмы, способные выка­
чивать протоны без затрат АТФ: они могли эко 1-юмить

РИС .

н ебольшие количества АТФ, которую получали в ходе
брожения на основе истощающихся пищевых ресурсов ,

пос тади й но. П ервая стадия могла включать эволюцию АТФазы , выка·

для поддержания остальных важных функций. Давление

ла включать эволюцию другой АТФазы , работающей за счет электрон·

отбора в форме, например, нехватки пищи могло приве­

транспортной цепи; третья стадия тогда должна была быть объедине·

14-40. Окислительное фосфорилирование мо гло воз ни к нуть

чивавшей протоны из клетки за счет гидролиза АТФ; вторая стадия мог ·

сти к развитию переносящих электроны белков; такие

нием этих двух систем и появлением АТФ-синтазы , использующей про ·

белки позволяют клеткам использовать движение элек­

тоны, перекачиваемые электрон-транспортной цепью , для синтеза АТФ.

тронов между молекулами с разным редокс-потенциалом

Бактерия , приобретшая последнюю систему, обладала бы селективным

в качестве источника энергии для

п ерекачивания

тонов ч ерез мембрану (стадия

рис.

444

2 на

про ­

14-40). Некото -

преимуществом над бактериями только с одной системой или вообще
без них .

ГЛАВА 14. Прои з в одство э н е ргии в м и то хондри ях и хло р о пл а ста х


чем б ыло 1-1 еобход имо для п оддержа ни я внутреклеточ 1-ю ­
фотосистема

rо рН. Эти клетк и с большой ве роя тностью формировали
з н ачительный nротонный электро хим и сr ск ий градие1-п,

бы тею ш обрат н о в кл етку ч е рез АТФ -завис имы е по м пы,
пракrич ес 1<и з.:1ставляя их работат ь в обрапюм направл
нии и с интезировать АТФ ( стадия

3

н а ри с.

14-40).

НАДФ-редуктаза

-400

который могли и с п ользовать для синтеза АТФ. Прото н ы

iD
~

-

с

По­

tt1

сколь1<у таким клеткам требуется значител ьн о ме ньше

s:

раэдеnение

~ - 300

зарядов

~

и стоща ющихся ресу рсов пригод ны х для б роже1-1ия лита­

за счет

о
с

света

t)

тельн ы х в е ществ , о ни могли р аз множаться интенс ивн ее,

"g

обгоняя сво и х соседей.

а. _200

Фотосинтетические бактерии
еще более нетребовательны к среде

+ 2н •

Важн ей шим эвол юционным прорывом в эн е ргетичес ком

направление тока электронов

метаболи з ме почти наве рняка стало появле ни е фотохи ­
мич ес ких р еа кционных ц е нтров, которы е м огл и и сло л ь ­

РИС.

зо вать э н е ргию солнечного света для синтеза таких моле ­

зуют в качестве донора электронов сероводород

кул, ка1< НАД - Н. С читается, что их развитие прои зо шло

Эле ктрон ы проще получить из

рано в процессе эволюции
назад

-

-

более трех миллиардов J1 ет

14-41 . Для

фотосинтеза зеленые серные бактерии исполь­

редокс-потенциал (см . рис .

у предков зелеиы х се рны х бактерий . Современ ­

(H 2S),

а не воду.

H2S, чем из Н 2 0 : у H2S значительно выше
14-33), по этому нужна только одна фото­

система, чтобы образовать НАДФ - Н , а как побочный продукт образует­

ны е зеленые сер ны е бактерии используют э н е ргию света

ся атомарная сера вместо

бактерий

для пер е но са ат омов водорода (в виде эле ктрон а и пр о­

напоминает фотосистему

что в них

тона) от

всех используется серия железо-серны х центров в ка честве акцепторов

I-l 2S на НАД Ф-Н , таки м об разом

ф ормируя силъ­

0 2. Фотосистема зеленых серных
I растений и цианоба ктерий в том ,

ные восстановители , необходимы е для фиксации угле р о­

электро нов , которые в конце отдают свои высо коэнергетичес кие элек­

да ( РИС.14-41 ) .

троны ферредоксину

Следую щей э волюциоиной стадией б ы ло появле­

ни е ци анобактерий ( с м. рис .

14-24) -

(Fd). Бактерия такого ти па ChloroЬium tepidum

от ­

лично себя чувствует при высокой температуре и низкой интенсивности

ор га низмов , спо-

света в горячих источниках .

20
У РОВЕНЬ

КИСЛОРОДА
В АТМОСФЕРЕ

(%)

начало быстрого

"'"""\о,

10

ВРЕМЯ

(МИЛЛИАРДЫЛЕТ)
4 ,6

1

J

1

образование
океанов и

1

континентов

образование
Земли

3,6

1

:.,l:.·1 :~~'"""'"'

}

живая

с расщеплением воды

возникновение
эукариотической

клетка

и выделением

отосинтезирующеи

02

•

0,6

1

t

современность
первые
позвоночные

клетки

фотосинтезирующая

аэробное дыхание

первые многоклеточные

становится широко

растения и животные

клетка

распространенным

первая

РИС .

1,6

2,6

14-42. Жизнь на Земле развивалась в течение миллиардов лет. С появлением

основанного

на мембране фотосинтеза более трех миллиардов лет назад организмы перестали зависеть от уже об­
разованной органики . Теперь они могли сами дел ать свои органические молекулы из газообразного
С0 2 . Задержка на более чем миллиард лет между появлением бактерий , расщеплявши х воду и выде­
лявши х кислород, и накоплением больших к оличеств

0 2 в атмосфере,

как считается , связана с реакци ­

ей между кислородом и ионом железа (11) (Fe 2' ) , растворен ным в раннем океане в больших количествах .
Только по сле того , как все железо было использовано , кислород начал накапливаться в атмосфере .
В ответ на рост содержа н ия кислорода в атмосфере возникли нефотосинтезирующие использующие
кисл ород организмы , и концентрация его в атмосфере в итоге уравновесилась .

Происхождение хлоропластов и митохондрий

445


соб ны х к испол1,зова11ию IЗОды в качеств

источника

ж ивы х органи з мов наш ей 11ла11 ет ы
11,0 эу кариот

-

от бакте рий и

ap-

возник в ана э роб11ой с реде в услооинх

эле ктроно1З для фотосинтез а. Это поолекло эволю цию

xe i,i

водорасще пляющих фе рм е н то в и доба вл ени е вто рой

в ы сокой тем п е рату ры l сам фа кт су щ ество вания таких

-

фотосистемы , работа юще й в п а р е с п е рвой , LJТобы за­

кл еток, ко н е чно , н е позволяет делать ни каки х н р едлоло ­

по л нить оrром1-1ый инте рв ал р едо 1<с- пот е 1-1ци ала между

же ний об условиях су щест вования общих предков сов р е­

I-1 2O и

м е н 1-1ы х ореани з моо .

НАДФ-Н ( с м . рис.

14-33). Биологические

п ослед ­

ств ия этого эволюционного шага были далеко иду щими .

-

Прим.. ред. ] .

Оди н и з ж ивых орr:ани змоо , существую щих в подоб­

Впе рвые воз1-1и кли организмы с ми1-1имал ъными х ими ­

ных усло виях

ч ес кими ограниче ниями 11 а вы бо р с р еды обитания. Э ти

Впервы е она была обнаружена в океа11е н а глубине около

-

архебакте рия

Methanococcus jannaschii.

эв о л юцио 1-1 и ров ат ь

полутора ,шлометроо вблизи выхода геоте рмальн ых вод.

в направле ниях , невозмож ных для более р а 1-1них фото ­

Позже б ыло уста~ювле 1-ю , что так как в с реде обитаr1ия

синтетических бактерий, которым требовались

эт и х микроорганиз мов пол , ю стыо отсутствует свет и ,-азо­

к летк и

моел и

органические

р ас пространяться

n

кислоты

и

к а ч естве

и с точ1-1ика

H2S или
элект ро ­

образный кислород, о ни и спол ьзу ют ,-, еорганич ески е суб ­

ноn . Как следствие, 1-rаr<0пились большие количества

страты

биогенной органики, котору ю можно было подв ергать

ры е в виде пуз ырьков газа под ним аются вверх от горячих

-

водоро/\

I-1 2,

у гл ек и сл ы й ,-аз СO 2 и азот

N2,

кото ­

брожению. Кроме того, ки сл ород начал 13 больших коли­

источников . Способ существования этих организмов по ­

LJествах поступать в ат мосф еру ( РИС. 14-42 ).

могает уч е ным строить пред положения о том, какую роль

Доступность ки слорода сделала возмож1 1 ым разnитие

п е р е нос эле ктронов и грал в проц ессах прои з водства эн е р­

бактерий с аэробным метаболиз мом для синтеза АТФ . Как

гии

объяс ,-rnлось выше, такие органи з мы могли добывать мно­

обитавших в усл овиях вы со кой температуры и неограни­

и синтеза органических вещестn для

н е рвы х клеток,

го э не ргии , выдел явше йся при расще пле нии углеводов и

ченного количества н ео рганич еских субстратов , н еобхо­

других во сс таr-ювленных молекул .

димых для си н тетич ес ких р еакций .

С

накопле ние м

дуктов

про ­

В качестве источника азота для си нтеза важных б ио ­

фотосинтез ирующи е

л огич еских мо ле кул, таких, 1-1апример, как аминокисло­

органических

фотосинтеза

не которые

бактерии, включая предков Е.

coli,

веществ

как

потеряли свою сло­

т ы,

Methanococcus

испол ,,зует молекуляр 1-1ый азот

N2.

собность выживать за счет эн ергии света и начал и по ­

В ходе процесса, иаз ываемоrо азотфиксация ( пi tl'ogeл

лагат ься только на дыхание . Митохондрии, возмож но ,

fixation), микроорга н и з м проводит восстановление моле­
кулы азота N2 до молекулы а ммиака NH 3 путе м при со­
ед ин е ния J<н ей водо рода . Для осуществления это го пре­

во з никли , когда примитиnная эукариотическая клетка

проглотила такую зависящую от дыхания бактерию. А
п отомок

вра~цения нужно затратитъ бол ,,шое колич ество э нер гии ,

этого р анне го анаэробного эука риота пооютил е ще и

со пост ав имо е с э н е ргией, которая и с по л ьзуется для фик­

фотосинтез иру ющую бактерию, ставшую пр едшествен­

сацин углерода, когда из неорга ниtrеских молекул СО 2

ником хлоропластов . По сле приобрете ния эуI<а риотами

в клетке образуются углевод ы . Б6ль шая часть э н е ргии

ра с т е ния

появилис ь

н еск о л ъко

по з ж е,

когда

бактериальных симбионтов, ставших митохондриями и
хлоропластами , они с могли в с тупить ,-,а пораз ит ел ьный

путь эв олюции , в итоге прив ед ший к сложным много­
клеточным орга 1-1и з мам.

ПРОИЗВОД ­

Образ жизни бактерии

СТВО
ЭНЕРГИИ
И ОБРАЗОВА­

Methanococcus

свидетельствует о древности происхождения

НИЕ

процесса хемиосмотического сопряжения

МЕТАНА

В наши д ни е ще существуют области зем,-юrо нrара, усло­
вия в которых оч е нь 1-, а пом и нают усл овия существования
клеток н а сам ы х ранни х эта пах ра зв ития жи зни

3,5- 3,8 млрд лет назад .

-

около

Найти их мож ,-ю, есл и оп устить ся

н а самое д но океана в зо н ы выхода геоте рмал ы, ы х

во11,.

ПЕР Е НОС ЭЛЕКТРОНОВ
ОТ Н 2 НАСО 2
НАЧИНАЕТСЯ
В ЦИТОПЛАЗМЕ

ОКОНЧАНИЕ
ВОССТАНОВЛЕНИЯ
СО 2 И ПЕРЕКАЧКА

ПРОТОНОВ НА М Е МБРАН Е

Они образуются в тех участках д 1-ш Мирового океа на, где
р ас п лавле н иая магма выходит на пов е рхно ст ь ч е р ез р аз­

РИС. 14-43.

рывы зе м r-юй коры. И де йствительно, совр еменны е орга-

пряжение для получения энергии . Дл я этой глубоководной а рхеи

Methanococcus

использует хемиосмсотическое со ·

1-шзм ы , которы е, как пр ед полага ют, наиболее родстве нны

газооб разн ы й водород ( Н 2 ) служи т восстановител ем п ри п роиз в одстве

п е рвым клеткам, да в ш им н ачало все му многообраз ию

э н е р гии. П е рви ч н ые стадии восстановл ения п роисходят в ходе фер ·

живого на н а ш е й пл ан ете, живут в услов иях высокой

ментативн ы х реак ций в цито плазме. Н а последни х же стадиях восста·

тем п е ратуры (порядка

новл е н и я ос уществл яется транспорт эл ект рон ов на мембране, за счет

75- 95

• с, близко к тем п ерату ре

кип е ния воды) . Сущест вов а ни е таких клеток, способных

которого возникает градиент п ротонов для синтеза АТФ , с образовани ·

в. ыживать и ус п е шно раз ююжаться в крайне неблагопри ­

ем мета н а как п обоч н о го п родукта . Зеленые круги обоз н ачают специ·

ятных дл я ж из ни условиях геоте рм ал ьных источ1-1иков ,

альн ые коферменты, с которыми связаны промежуточ ны е соединения

дает н ам основа ни е пред полагать, что общий пр едок всех

метабол и ч еских п утей.

446

ГЛАВА 14. Производство энергии в митохондриях и хлоропластах


зует энергию проходнщеrо через него пото1ш ионов н+,

для э тих двух 11р оцессов кл етка 1 юлучает в ходе п е реноса

моле кулы водорода Н 2 на мол екулу углекис­

электрона

лого газа СО 2 , со провождающегося выделе ни ем бол ьши х

устре млнющихся обратно в матрикс митохондрии.
Градиент протонов также об е спе•швает энергией актив­

•

коли ч еств метана (СН 4 ) в качеств е побоч1-юго продукта

(1-1 азва ни е

Meth,anococcus,

ный транспорт метаболитов как изнутри, так и вн утрь ми­

как неслож llо догадат 1,ся, бак­

терии п олу чи ли име111-10 за их с п особност ь синтези роват1,

тохондрии.

В процессе фотосинтеза, идущем в хлоропластах растений

•

природ ный газ; РИС . 14-43 ). П е редача эле ктронов на мо ­

ил и у фотосинтети•1еских бактерий, электроны, обладаю­

лекулу СО 2 ч астично пр о и сходит 11а бактериалъной м е м­

щие высо1шй энергией, образуютсн при поглощении света

б ра н е и за вершается идущим н а ней процессом перекачи­

моле1,улой хлорофилла. Энергия солн е •шоrо света погло­

вания пр отонов (Н +

В 1<о н е чном и.тоге , воз никающий

щается с помощью специальных белковых комплексов,

11 рото нный 1··радие н т за пу скает си н тез АТФ встрое 1-111 ь1 ми

называемых фотосистемами , которые в клетках растений

в мембрану молекулами АТФ-синтазы .

располагаются в тилакоидах на мембранах хлоропластов .

Существовани е

).

хемиосмотическо 1·0 со пряжения

таких примитивнъ1х орга н из мов, как

у

Перенос

•

электронов

с

молеl\улы

воды

на

молекулы

по ­

НАДФ + в связанных с фотосисте мами эле ктрон-транс­

н ако пл е ния

портных цепях сопровождается образованием восста­

э не р г ии в гр адие нте протонов , возникающем н а мембра­

новленных соединений НАДФ·Н. Как побочный продукт

з вол я ет

на м

пр ед п олагать,

что

Methanococcus,

меха ни зм

не в р езультате происходя щи х на ней процессо в элек­

происходящих на мембране процессов образуется моле­

тронного транспорта, действител ьно очень древний. Та­

кулярный 1шслород.

ким об разом, хемиосмот ич ское со пряжение может рас­

В резул ьтате работы электрон-транспортных цепей на

•

сматриваться как основополагающий про ц есс, котор ы м

тилакоидах мембран хлоропластов возникает электрохи­

эволюция обеспечила все формы ж ивых организмов , су­

мичес1,ий протошtы:й градиент. Как и в митохондриях, он

ществу ющих н а Земле .

используется встроенным в мембрану ферментом АТФ­
си11тазой для производства молекул АТФ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

•

•

молекулы

ществления реа1щий цикла фиксации углерода, которые
происходят

бранного механизма хемиосмотичес1юrо сопряжения .

приводят к образованию орrани,1еских соединений (уrде-

В клешах животных синтез основной части АТФ происхо­

•

в

строме

хлоропластов

и

в

конечном

итоге

водов) и з неорrаничес1шх (модекул СО 2 и Н 2 0) .
Синтезированные углеводы транспортируются в цитозозrь

ной в результате окисленин углеводов и жирных 1шс;ют.

клетки, где они метаболизируются, обеспечивая клетку

Митохондрии имеют две мембраны

органическим углеродом, а такж е молекулами АТФ и вое-

-

внутреннюю и внеш­

-

компартмент, в котором соде ржится бозrьшое

становительными э1шивалентами.

•

С•штается, что митохондрии и хлоропласты произошли

1юличество ферментов цикла Кребса. В резул ьтате рабо­

от бактерий, посредством эндоцитоза захвачеm1ых при­

ты этих ферментов, принимающих у•1астие в окислении

митивными эукариотическими клетками . Эти органои ды

ацетил-КоА, в митохондрии накапливается много молекул

сохранили свой собственный геном и разм11ожаются деле­

НАД · Н и ФАД·Н 2 •

нием, как и клеп,и бактерий.

На внутр енней митохондриальной мембраве восстанов­

•

Механизмы хемиосмотического сопряжения широко ис­

ленные мол е кулы НАД·Н и ФАД·Н 2 отдают свои электро­

пользуются

ны, обладающие большим запасом энергии. Эти электроны

Некоторые современные микрооргани змы, живущие в ус ­

с помощью сп е циальных перенос•mков транспортируются

ловиях, напоминающих те, которые, как считается, суще­

по д ыхатеJ~ьной цепи переноса электронов, в конечном

ствовали на ранней Земле, та~,же используют энергию хе­

итоге участвуя в энергетически выгодной реа1щии восста­

миосмотическоrо сопряженин для синтеза молекул АТФ.

новления моле1,улнрного кислорода

клетками

и

имеют древнее

происхож де 1ше.

(0 2 ) •

Б6льшан часть энергии, выделяющейсн при движении
эле ктронов по электрон-транспортной це пи (ЭТЦ), ис­

пот,зуется дш1 пере1шчки протонов н+ из матрикса ми­

тохондрий в межмембранное пространство, что способ­
ствует возшmновению трансмембранноrо протонного (Н+ )

•

фотосинтеза

клеп,ах многих бактерий, осуществля ется за счет мем­

матрикс

•

процессе

Синтез АТФ, идущий в митохондриях , хлоропластах и

нюю. Внутренняя мембрана окружает митохондриальный

•

в

НАДФ·Н и АТФ используются в хлоропластах для осу­

дит в митохондриях с использованием э нергии, полу•1ен­

•

Образова•mые

•

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

антеннwi:1 коммекс

окмсnит11111но-1ос-

АТФ-смнтета1а

СМНО1МТ81111Нса

uneao-cepнwi:i Ц1Н1р

peCIIЩl(J

ХtммОСМОТН'ltСIСое
соnр•женне
хинон

1·радиента. Перекачивание протонов осуществляют сп е ци­

матрикс

ММТОхондриll

ОКМСRИТ8111tНО8 фос:формnирО1анме

хnорофим

алы1ые дыхательные ферм е нты, встрое1шые в митохон­

дриат,ную мембрану.

OICМCIINr8lllltl0-IOC•

реакцмоннwi:1 центр

ЦИICIIИ'l8CIC08 фос:•
формпироаание

Электрохимический

градиент протонов

на

вн утре нней

м е мбране в коне•шом итоге используется дл н синтеза
АТФ, 1юто1>ый осуществляет АТФ-синтаза

-

специаль­

ный беJю1,, расположенный на внутренней мембране ми­
тохондрии. Для осуществления своей ф у ющии он исполь-

СТОНО8ИТ8111tНОJI

napa (редоксnapa)
OICИCAИТUlttlo-lOC-

строма

фиксаЦИJ Уl'МРОАО
фиксаци• аsота

СМНО1МТ8111tНWЙ

фотосинтеs

nотенцим

фотосистема

хnоромаст

цитохром

цитохромоксидаю
мектрон-транс-

nopn4a1 цen1t

О сновные положения

447


ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

ВОПРОС

ВОПРОС

В следующем утверждении выберите верное из указанных поня­

14-11

14-14

Какие из следующих утверждений верны? Аргументируйте свою

тий, выделенных курсивом. Свой выбор объясните .

точку зрения .

« В бескислородных условиях все участники митохондриальной

А. После того как молекула хлорофилла в реакционном центре

электрон-транспортной цепи накапливаются в восстановленной/

первой фотосистемы (фотосистемы

окисленной форме . Как только в среде появятся молекулы кисло­

11) отдаст один электрон под

воздействием света, она становится положительно заряженной ,

рода, электронные переносчики цитохромоксидазы перейдут в

а ее сродство к электронам увеличивается настолько , что начи­

восстановленную/окисленную форму до/после того , как это про­

нает превосходить таковое даже у молекулы кислорода .

изойдет в НАД· Н-дегидрогеназе».

Б. Фотосинтез

-

это инициируемый светом процесс переноса

электрона от молекулы хлорофилла к другой молекуле , чье срод­

ВОПРОС

ство к электронам гораздо ниже.

Представьте, что превращение окисленной формы убихинона в

14-15

В . Для образования одной молекулы кислорода из двух моле­

восстановленную, которое осуществляет НАД·Н-дегидрогеназа,

кул воды требуется поглощение

поэтому ферменты,

происходит на обращенной в матрикс митохондрии стороне вну­

осуществляющие фотолиз воды, должны надежно связывать

тренней мембраны, а последующее его окисление цитохромом

образующиеся в ходе реакции промежуточные вещества. Это

Ьс 1

необходимо для того , чтобы предотвратить утечку частично вос­

бранным пространством (см. рис.

становленных и потому очень опасных пероксидных радикалов

к каким последствиям может привести подобная перестройка в

из сферы реакции .

механизме создания протонного градиента на мембране.

ВОПРОС

ВОПРОС

4 фотонов,

14-12

-

на противоположной стороне, контактирующей с межмем­

14-9 и 14-19). Предположите ,

14-16

Какие из следующих утверждений верны? Аргументируйте свою

При подаче напряжения на две платиновые проволочки (элек­

точку зрения.

трода), погруженные в воду, молекулы Н 2 0 начнут разлагаться

А. Во многих, но не во всех реакциях переноса электронов при­

на газообразный кислород 0 2 и водород Н 2 • На отрицательно за­

нимают участие ионы металлов.

ряженном электроде (катоде) отдаются электроны и выделяется

Б. В результате работы электрон-транспортной цепи на мембра­

газ Н 2 • На положительно заряженном (аноде), наоборот, элек­

не митохондрии возникает электрический потенциал , который

троны отнимаются и выделяется

создается за счет движения электронов из межмембранного

воды в клетках бактерий и растений мы наблюдаем образование

пространства в митохондриальный матрикс .

кислорода , но не наблюдаем образования водорода?

0 2.

Почему тогда при фотолизе

В. Электрохимический градиент на митохондриальной мембра­
не складывается из двух составляющих - разницы рН и электри­

ВОПРОС

ческого потенциала.

В ходе интересного эксперимента , проведенного в 1960-х го­

14-17

Г. Убихинон и цитохром с служат электронными переносчиками,

дах, хлоропласты погружали в кислый раствор с рН

способными к диффузионному перемещению.

и пространство тилакоидов приобретали выраженную кислую

Д . Наличие у растений хлоропластов позволяет им обходиться

реакцию ( РИС. В14-17 ). После этого их помещали в щелочной

без митохондрий.

раствор (рН

Е. Хлорофилл и гем имеют очень похожую химическую структуру:

стро увеличивался до

оба соединения содержат значительную по размерам систему

нял свое

4;

8). Оказалось, что в то время , как рН стромы бы­
8, рН тилакоидов некоторое время сохра·
прежнее значение (4). При этом наблюдалась вспышка

сопряженных двойных связей, которая и позволяет им погло­
щать свет видимой части спектра .
Ж. В процессе фотосинтеза хлорофилл играет такую же роль, как
и гем в митохондриальной электронтранспортной цепи.

3. Большая часть сухой биомассы растений образуется из ми­
неральных веществ, которые с помощью корневой системы по­
глощаются из почвы.

ВОПРОС

14-13

При движении одного протона по градиенту электрического по­

тенциала высвобождается

4,6

ккал/моль свободной энергии .

Какому количеству протонов необходимо пройти через внутрен­
нюю мембрану митохондрии для синтеза

1 молекулы

АТФ, если

рН4

величина ЛG реакции синтеза АТФ в условиях, характерных для
содержимого клетки, находится в пределах

11 - 13

3,

с.

94-100).

Объясните, почему для сво­

бодной энергии Гиббса указан диапазон значений, которые она
может принимать, а не конкретное число . В каких условиях будет
достигаться минимальное значение этой величины?

448

рН4

рНВ

l_ _J l___J

ккал/моль?

(Изменение свободной энергии Гиббса ЛG в процессе фотосин­
теза обсуждалось в гл .

строма

РИС. В14 - 17

ГЛАВА 14. Производство энергии в митохондриях и хлоропластах

ВЫДЕРЖАТЬ

ИЗМЕНИТЬ

ХЛОРОПЛАСТ

ОКРУЖАЮЩИЙ рН

НЕСКОЛЬКО
ЧАСОВ

И ДОБАВИТЬ АДФ И Р 1


АТФ-синтети ческой активности , и разница в концентрации про­

Этот фермент содержит молекулы ФАД в связанной форме и

тонов между тилакоидом и стремой постепенно исчезала.

осуществляет следующие химические превращения:

А . Объясните, почему подобные условия эксперимента способ­

сукцинат

ствовали такому высокому уровню продукции АТФ .

Б. Как вы думаете , является ли свет необходимым условием
успешного протекания эксперимента?

В . Что бы произошло, если сначала хлоропласты помещали в
раствор с щелочной средой (рН

8), а затем с кислой (рН 4)?

+ ФАД = фумарат + ФАД·Н 2 и
+ 2н + + 2е- .

ФАД·Н 2 = ФАД

Однако окислительно-восстановительный потенциал ФАД·Н 2 со­
ставляет всего
и рис .

- 220 мВ . Используя данные вкладки 14-1 (с. 430)
14-20, предложите правдоподобный механизм , объясняю ­

Г. Свидетельствует ли описанный эксперимент в пользу хемиос­

щий , как электроны, образовавшиеся в ходе реакций этого фер­

мотической модели синтеза АТФ или против нее?

ментативного комплекса, могут подаваться в электрон -транс­

Свои ответы объясните .

портную цепь . Нарисуйте схему, иллюстрирующую предложен­
ный вами механизм .

ВОПРОС 14-18

Представьте, что в качестве вашего первого эксперимента в

ВОПРОС

лаборатории ваш руководитель ставит перед вами следующую

Некоторые бактерии в ходе эволюции выработали специальные

задачу: встроить светочувствительный белок бактериородоп­

приспособления для жизни в условиях высокого рН (порядка 1О).

син

-

светочувствительную протонную помпу из цитоплаз­

14-20

Как вам кажется, могут эти бактерии использовать энергию , за­

матической мембраны фотосинтетических бактерий , и АТФ­

пасенную в градиенте протонов на их плазматической мембра­

синтазу из митохондрий сердца быка, в мембранные везикулы

не, для синтеза молекул АТФ? (Подсказка : все клетки должны

(как показано на РИС. В14- 18 ) , после чего добавить в реакцион­

поддерживать рН их цитоплазмы близким к нейтральному. )

ную среду АДФ и неорганический фосфат и осветить получен­
ную вами суспензию везикул .

ВОПРОС
очищенная

А ТФ-синтаэа

очищенный
бактериородопсин

14-21

На РИС. В14-21 обобщенно представлена вся система , использу­
емая в митохондриях и хлоропластах для превращений различных
форм энергии друг в друга . Верны ли следующие утверждения :

+

МИТОХОНДРИЯ

ДОБАВИТЬ ФОСФОЛИПИДЫ
И УБРАТЬ ДЕТЕРГЕНТ

(А)

Рис. в14.1s

А. Какие процессы вы будете наблюдать?
Б. Что произойдет, если окажется, что не все детергенты были

продукты

ХЛОРОПЛАСТ

Удалены, вследствие чего через поврежденные мембраны вези­
кул будет идти поток ионов в обе стороны?

В . За обедом вы рассказали о своих новых экспериментах дру­

гу, Ему показалась сомнительной обоснованность предположе­
ния о том , что в подобных экспериментах можно использовать

Ферменты неродственных, так сильно непохожих друг на друга
Организмов . « Зачем кому-то смешивать ванильный пудинг с тор­
мозной жидкостью? »

Попробуйте защитить предположение, на котором основаны
ваши эксперименты , от критики друга.

молекулы

ВОПРОС 14-19

ФАД,Н 2 образуется в цикле Кребса с помощью ферментативного
Комплекса - сукцинатдегидрогеназы , встроенного в мембрану.

(Б)

продукты

РИС. В14-21

Вопросы в конце главы

449


А. Продукты синтетических процессов хлоропластов являются

ВОПРОС

субстратами для синтезов , идущих в митохондриях .

Представьте , что у вас есть растворы перечисленных ниже ве ­

Б. Фотоактивация электронов делает возможным электронный

ществ. Исходя из того , что электрон следует по пути , обозначен­

14-23

транспорт в хлоропластах , начинающийся на молекулах воды Н 2 0

ному на рис .

и заканчивающийся на углеводах , который по направлению про­

экспериментах можно в конечном счете ожидать перенос элек­

14-9, предположите ,

в каких из проведенных вами

тивоположен переносу электронов , идущему в митохондриях.

трона на цитохром с? Объясните , почему перенос электронов не

В . Цикл трикарбоновых кислот - процесс , обратный нормально­

будет наблюдаться в остальных экспериментах .

му циклу фиксации углерода .

А . Восстановленный убихинон и окисленный цитохром с .
Б . Окисленный убихинон и окисленный цитохром с.

ВОПРОС

14-22

В . Восстановленный убихинон и восстановленный цитохром с .

В престижный научный журнал на рассмотрение поступила руко­

Г. Окисленный убихинон и восстановленный цитохром с .

пись статьи , посвященной интересной работе небольшой группы

Д. Восстановленный убихинон , окисленный цитохром с и цитох­

ученых. В ней описывается эксперимент, в ходе которого ученым

ром Ьс 1 -комплекс.

удалось выделить индивидуальную молекулу АТФ-синтазы, по­

Е . Окисленный убихинон , окисленный цитохром с и цитохром

сле чего с помощью внешней силы они заставляли ее головку

Ьс 1 -комплекс .

вращаться . Авторы показали, что при таком механическом воз­

Ж. Восстановленный убихинон, восстановленный цитохром с и

действии на головку АТФ-синтазы АТФ образуется и в отсутствие

цитохром Ьс 1 -комплекс .

протонного градиента. О каких особенностях функционирования

3. Окисленный убихинон,
ром Ьс 1 -комплекс .

АТФ-синтазы это может свидетельствовать? Как вы считаете, ка­
кое решение должна вынести редколлегия престижного научно­

го журнала в отношении этой статьи?

450

ГЛАВА 14. Производство энергии в митохондриях и хлоропластах

восстановленный цитохром с и цитох­


-

•••••
•

(

МЕМБРАННЫЕ ОРГАНЕЛЛЫ

ства молекул через них можно контролировать. В дан ной

главе мы разберем стратегию компартментализации и н е­

СОРТИРОВКА БЕЛКОВ

которы е ее следствия.

В пе рвом разделе мы опишем главны е ком11артмен ­

ВЕЗИКУЛЯРНЫЙ ТРАНСПОРТ

ты, или .ме,ибраииые оргаиеллы (membгaпe-eпc l osecl oгgaп­

СЕКРЕТОРНЫЙ ПУТЬ

eJles),

эукариотич еской клетки и кратко разбе рем их ос­

новные функции. Во втором разделе мы рассмотрим, как

ЭНДОЦИТОЗНЫЙ ПУТЬ

создается и поддерживается определенный состав белков
в разных компартментах. Каждый компартмент содержит

В каждый момент времени в типичной эукариотической

уникалыrый набор белков, которые и зб ирательно транс­

клетке лротекают тысячи химических реакций, многие

портируются в н его из цитозоля, где они синтезируются.

Из которых н есовместимы. Например , в ходе одной це пи

Этот процесс транспорта, наз ываемый сортuщ белков

Реа1щий глюкоза образуется, а в ходе другой

расщепля­

(ргоtе iл so гtiпg) , зависит от сипr алов, соде ржащихся в

ется; одни ферменты образуют пептидн ые связи, а дру­

аминокислотной последователь ности белков. Из третьего

гие гидролизуют и х и т. д . Если клетку такого органа, как

раздела мы узнаем, как разные ком11артменты эуI<ариоти­

печень, разрушить, а полученные компоненты смешат~,

'Iеской Т<летки обмениваются д руг с другом небольшими

-

в nробирке , то воз никнет химический хаос: клеточные

мембранными пузыр ьками, или везu1сулалtu

Ферменты и другие белки быстро деградируют под дей­

отделяются от мембраны одного Т<омпартмента, двигаются

ствием протеолитичес1шх ферментов этой клет1<и. Чтобы
Ктtетка могла нормально работать, раз ные внутриклеточ­

ч ерез цитозоль к д ругому и сливаются с ним. Этот процесс

Ньrе процессы должны протекать одновременно , но при

В последних двух разделах будет показано, как в ходе ве­

этом раздельно.

зикулярного транспорта белки выделяются из клетки пу­
тем экзоцuтоза (exocytosis) и попадают в нее путем эндо ­

В ходе эволюции клетки выработали несколько стра­
тегий для раздельного и организованного проведения

(vesicles). Они

называется везикуллр1-tый траиспорт (vesicL1 l.a г tгал sро гt).

цитоза

(endocytosis) .

ХИм.ических реакций. Одну из них используют и прока­
Риоты, и эу1<ариоты: разные ферменты, катализирующие
0
nределен:ную последовательность реак ций , объединяют­
ся в крупные, многокомпонентные комплексы. Такие ком­
l1лексы используются, например, для синтеза ДНК, РНК и

В то время как прокариотическая клетка обыч~rо состо ­

ск11х клеток: разные метаболические процессы и необхо­

эукариотическая клетка лродуманно разделе на внутрен­

бедков. Вторая стратегия наиболее развита у эукариотиче­

димые для их протекания белки находятся в разных отгра­
liИченн:ых мембранами компартментах клетки. Как было
011
исано в гл . 11 и 12, клеточные м емб раны - это барьеры
с Избирательной проницаемостью , и транспорт большин-

МЕМБРАННЫЕ ОРГАНЕЛЛЫ

ит нз одного компартмента, окруженного плаз малеммой,

ними мембранами. Мембраны окружают замкнутые ком­
партм енты, в которых наборы ферм е нтов могут действо­
вать, не м е шая протеканию р еак ций в других компар ­

тментах. При изучении срезов животной или раститель -


шероховатая

шинствс клеток гладкая ЭПС слабо развита, а в некото ­

энд оплазматическая
ядро

сеть

рых типах клеток,

лизосомы

напротив , очень сильно р азвита для

выпол1 1 ния особых фу 11 кций, наприм е р в клетках 11 ад­
поче чник ов,

с инт езирующих сте р оил ны е

1·ормо ны ,

или

в кл тках п е че ни , где прои сход и т обезвреж иоа ни е мно­
ги х токсич~1ых органических

веществ,

в том

чиСJ1е эт и ­

лового с пирта. Во многих клетках о нутри гладкой Э П С
де понируютс я

ионы

кальция ,

удаляемые

из

цито золя.

Высвобожде ни е Са 2 + из ЭПС и его обратное за 1<а•1иоани е
внутрь Э ПС

-

один из эта пов быстро 1:о ответа клеток н а

многи е внеклеточны сигналы (см. гл.

Аппарат Гольджи

(Golgi

12

и

16).

appaгatLts), обычно находя-

1.цийся рядом с яд ром , получает б лки и липиды из Э ПС ,
модифицирует и х, а затем рас пр едел я ет между д р угими

адресатами в клетке. В н ебольших пузыр 1, ках , содержащих
пище варительн ые фе рм енты,

5 м км
РИС.

15-1.

-

лизосо.мах

(lysosomes) -

п е р ева риваются вышедшие из строя органеллы, а также

В эукариотических клетках внутренние мембраны соз­

макромолекулы и более крупные частицы, захваченные

дают замкнутые компартменты и органеллы, в которых раздельно

клеткой при э ~щоцитозе. На пути в лизосомы захва •tен­

протекают разные метаболические процессы. Н а этой эл ектр о нн ой

ный клеткой путе м э ндоцитоза материал должен сна•1ала

микрофотографии участка п ечено ч ной клетки видны мно гие мембран­

пройти через ряд компартментов, 11азываемых э11досо.ма­

ные органеллы . Мел кие черные гранулы между мембранными компар­

.ми

тме нтами

-

это скопле н ия гликоге н а и ферментов, ко нтролирующих

его синтез и распад . (С разрешения

(endosomes),

где прои сходит сортировка погло ще нны х

макромолекул. В ходе со ртировки некото рые из них воз­

вращаются н а 1-1 аруж 1-rую мембрану. Пероксисомы

Daniel S. Friend.)

somes) -

(peroxi-

это мелкие одномембра1-11-1ы е органеллы. Они со-

ной клетки с помощью элект ронного микроскопа видны

многочи сленные м елк и е мембрашtые трубочки, пузырь­

ки, цисте рны , •тасто расположе нны е без особого види­
мого порядка ( РИС. 15-1 ) . Вс е эти структуры

-

разные

мембранные органеллы . Каждая содержит уникальный

набор больших и малых молекул и выполняет особые
функции. В данном разделе мы рассмотрим эт и функции

и обсудим, как мембранные органеллы могли возникнуть
в ходе эволю ции.

Эукариотические клетки содержат

митохондрия

одинаковый набор мембранных органелл
эндо плазматическая

Главные мембранные органеллы животной клетки пока­
заны на РИС .
в ТАБЛ.

сет ь с с ид я щ и м и

15-2, а их основные фу нкции перечислены

15-1 . Эти органеллы н аходятся в цито золе, окру­

женном п лазмалеммой. Яд ро

-

,,__._~_,__

обычно самая заметная

на мембра н е
рибосомами
ядр о

пл аз м але мм а

органелла эукариотич еской клетки. Оно окружено двой­

ной мемб ра 1-юй, которая называется ядерной оболочкой,

~==•~ ~t-.~•--==~~~ ~:f\:-- свободн ые

а е го внутренне соде ржимое сообщается с цитозолем ч е­

рибосо м ы

рез ядерные поры, про1-шз ывающи е эту оболочку. Наруж­
ная мембрана ядра п е реходит в мембрану эндоплаз мати­
ческой сети (ЭПС) , с истем ы сооб щающихся мембран­

РИС.

ных ци сте рн и трубоч ек, которые •tасто распределе ны

ной набор органелл , имеющихся в большинстве клеток животных ,

по 66т,шей части объема клетки. Э ПС

Ядро , эндоплазматическая сеть (ЭПС) , аппарат Гольджи , лизосомы ,

-

главное место

14---- -15-2.

15

мкм ----

Клетка эпителия тонкого кишечника содержит основ ·

синтеза клеточных м ембран. К цитозол ы-юй поверхности

эндосом ы и п ероксисомы

мембран больших участков ЭПС присоедине ны рибосо ­

от цитозоля ( п оказан серым) как минимум одной избирательно прони­

мы ; эта часть ЭПС называется шероховатой эле (гoL1gh

цаемой мембраной . П оказа н ы также р и босом ы , хотя они не окружены

-

отдел ьные компартменты, отграни ч енные

Рибосомы на шероховатой ЭПС

мембраной и сл ишком малы для наблюдения в световой микроскоп, так

акт ивно синтезируют белки, по11адаrо щие в просвет ЭПС

что н е соответствуют исходному определению органеллы. Н екоторые

или в ее м емб рану. На пове рхности zлад1сой эле (sinoo th
e пdoplas inic reticL1 IL1in) рибосомы отсутствуют. В 60111,-

стороне мембраны ЭПС .

endoplasmic reticu lum).

452

рибосомы свободно плавают в цитозоле , другие сидят на цитозольной

ГЛАВА 15. Внутри клеточные компартменты и внутри клеточны й транспорт


ТАБЛИЦА 15-1 . Основные функции мембранных компартментов эукариотической клетки
Компа ртмент

Основная функция

Цитозол ь

М есто осущест вл ени я мн о гих метабол и ческих процессов (см. гл .

Я дро

Соде ржит осно вную ч асть ге н о м а ( с м . гл.

Эндоплазматическая сеть (Э ПС )

Си нтез ббльш ей части л и п идо в ( с м. гл .

3 и 13), с инте за бел ков ( с м .

5); место си нтеза ДН К и РН К (см .

гл .

гл .

7)

6 и 7)

11 ); синтез бел ков для тр а нс п о рта во многи е орган еллы

и к н а ружно й ме мб ра н е (насто ящая гл а ва )

Аппарат Гольджи

М оди фикаци я , сорти ро в ка и упа ков ка бел ков и липидов для последующей се к ре ции и напра вления
в други е о р ган еллы (насто ящая гл ава)

Л изосомы

В н утр иклеточное п и щева ре ни е (н астоящая глава )

Эндосомы

Сорти ров ка ве ществ , поглощенны х путем э ндоцитоза (настоящая гл ава)

Митохондрии

С и нтез АТФ пр и окислительно м фосфорил и рован и и ( см. гл.

Хлоропласты ( в растительных клетках)

Синтез АТФ и фи кса ци я углерода путе м фотосинтеза (с м . гл .

Пероксисом ы

О к и сл е ние токс ичны х мол екул

14)
14)

держат ферменты, используемые для множеств а 01<исли­

О составе и функциях органелл можно многое уз­

тельных реакций , в ходе которых рас ще пляются липиды

н ать , отделив их от других структур клетки. В большин­

н обезвреживаются ядовитые вещества. Митохондрии и

стве своем органеллы сли шком малы, чтобы изол иро­

(в раститель ных клетках) хло ропласты окружены двумя

вать их вручную. Но можно ра зделить разные органел­

мембранами. В митохоидриях происходит окислительное

лы с помощью ди ффе р енциального це нтрифугирования

Фосфорилирование, а в хлоропластах - фотосинтез (см.
14). И в митохондриях, и в хлоропластах есть специ­

(см . вкладку

гл.

разе ц одного типа органелл, можно иде нтифицировать

ализированные мембраны, на которых происходит синтез

их белки. Во многих случаях инкубируют сами орга­

АТФ.

4-4,

с.

160- 161). Полу чив

очищенный об­

н еллы в таких условиях, которые по звол яют изу чать их

м~юги е мембранные органеллы, в том числе ЭПС, ап­

р аботу. Наприм ер , изолированные митохондрии могут

парат Гольджи, митохондрии и хло ропл асты, удерживают­

синтезировать АТФ, окисляя пируват до углекислого

ся на своих местах за счет прикрепления к цитоскелету, в

rаза и во д ы , если им предоставлять в нормальных 1<оли­

первую очередь к микротрубочкам. Нити цитоскелета слу­

ч ествах АДФ и кисло род.

жат рет,сами, по которым двигаются органеллы и везику­
ль1 от одной органеллы к другой. Их перем.ещатот моторные

бе1uщ, использующие для продвижения органелл по нитям
цитоскелета энергию гидролиза АТФ (см . гл.

17).

В сумме мембранные органеллы занимают почти по­
Jlовину объема эукариотической клетки (ТАБЛ . 15-2) и
имеют огромную площадь поверхности м ембран. Напри­

Мембранные органеллы возникли
в ходе эволюции разными путями

Чтобы понять взаимоотношения между разными ком­
партм еит а ми современной эу кариотическо й клетки, по­

лезно представить себе, как оии могли возникнуть в ходе

мер, в типичной кл етке млекопитающего общая площадь
повер хности м ембран ЭПС в 20- 30 раз превышает пло­
Щадъ плаз малеммы . По площади и по массе п лазмале мма
составля ет лишь небольшой процент мемб ран типичной

эволюции . Вероятно, разны е компартменты появились

эу~,ариотической клетки.

ладали лишь одной наружной мемб раной

и а раз ных стадиях эвол юции . Предшестве нники пер­

вых эу кариотич еск и х клеток, возможно, были простыми

микроорганизмами, которые иаломинал и бактерий и об­

-

плазмале м ­

мой. Плазмалем ма у таких организмов должна была, как
и у большинства современных бактерий, осуществлятъ

ТАБЛИЦА 15-2. Относительный объем основных

Мембранных органелл в клетке печени (гепатоците)

Внутриклеточный
компартмент

Процент об общего

Примерное число

объема клетки

на клетку

Цитозоль

54

Митохондрии

22
Эндоплазматическая сеть 12
Ядро

6

Аппарат Гольджи

3

Перокс исомы
Л изосом ы
Эндосом ы

все функции, для которых необходимы мембраны , в том
LJИсле с интез АТФ и с интез л ипидов . Бактерии могут до­

вольствоваться таким положением дел благодаря своим
малым размерам и , следовател ьно, большой относитель­
ной площади поверхности . Площадь их плазмалеммы по

1700

отношению к объему клетки достаточно велика, чтобы
обеспечивать все жизненные потреб 1юсти, связанные с
фуи1<ционированием мембран. Однако у современных
эука риот объем клеток в

1
400
300
200

1000- 10

ООО раз больше, ч ем

у типичной бактерии вроде кишечной палочки. У таких
крупных

клеток

относительная

площадь

поверхности

невелика, и, по - видимому, они не могут выжить без вну­

тренних ме мбран, имея л ишь одну ллаз малемму. Поэто­
му, в е роятно , типич 1ю е для эу кариотиLJ еск их клеток уве-

Мембранные органеллы

453


наружная

внутренняя

ядерная

ВОПРОС

ядерная

мембрана ядро

мембрана

15-1

А Как показано на рис . 15-3, наруж ный и внутренний липидные

rl' бислои ядерной оболочки непосредственно переходят друг

8

в друга, огибая ядерные поры. Так как мембраны - это дву­

мерные жидкости, это должно приводить к свободной диффузии

-

мембранных белков между двумя ядерными мембранами. Но на са­
мом деле две ядерные мембраны имеют разный состав белков, что
связано с различиями их функций . Как вы думаете , какими способа­
ми может достигаться это различие?

Митохон дрии и хлоропласты, как сч итают у чен ые,

рибосомы

тическая

на наружной

возникли д ру гим путем. От всех оста.,1ы-1ых органелл они

сеть

отличаются тем, что имеют собственный м аленький геном

мембране

и умеют с интез ировать ч асть сво и х бел ков ( см. гл.

древняя

древняя

прокариотическая

эукариотическая

клетка

клетка

сте п е н ь сходства н екоторых и х белков с бактери а.,1ьными
указ ы ва ют на то,

РИС .

15-3.

14).

Сходство их rеномов с таков ыми у бакте рий и высокая

Ядерные мембраны и ЭПС могли возникнуть в ходе

что митохондрии и хлоропласт ы

про­

изошли от бакте рий , которых проглотили примити вные

эволюции путем впячивания наружной мембраны. У бактерий

эукариотическ и е

единственная молекула ДН К обычно прикре плена к наруж ной мембра­

симбиоз ( РИС . 15-4). Как и можно ожидап, от такого спосо­

не. Возмож но, у очень древних бактерий участок наружной мембраны

ба возниюювения, митохондрии и хло роп ласты не вовле­

вместе с прикрепленной ДНК образовал впячивание , а затем двуслой­

ч ены в интенсивный везикулярный транспорт, с помощ1,ю

клетки

и

с

которыми

они

вступили

в

ную оболочку из мембраны , п олностью окружившую ДН К. Эта оболочка ,

которого остальные мембранные о р га н еллы обм енивают­

вероятно , в дальнейшем полностью отделилась от наружной мембраны ,

ся в е щ ествам и друг с д р у гом и с внеклето чной с р едой.

образовав ядерный ко мпартмент, окруженный двойной мембраной .

Кратко расс мотрев ос 1-юв~11,rе м емб ранны е органеллы

Ядерная оболочка пронизана каналами , которые называются ядерными

эукариот иl1ес кой клетки , мы п е р ейдем к вопросу о том,

порами; через них ядро непосредственно сообщается с цитозолем . Из

как каждая из них приобретает свой собственный уни ­

других участков той же мембраны сформировалась ЭПС, и часть рибо ­

калъный набор белков.

сом стали работать на ее поверх ности . Эта гипотетическая схема объ ­

клетка на ранней

ясняет, почему пространство между внутренней и наружной ядерной

стадии эволюции

древняя

мембранами сообщается с просветом ЭПС .

эукариот после

эукариотическая

приобретения

клетка

митохондрий

личе ни е размеров н е м огло прои зойт и в ходе э волю ции

без появле ния внутре нних м емб ра в.

-

Считается, что мембранные орган еллы возникали в
ходе эволю ции как минимум д вумя раз ными путя ми. Ядер­

ные мембраны и мембраны Э П С, аппарата Гольджи, л и ­
зосо м и э 1-1 досо м могли возникнуть п уте м впячивания н а­

ружной мембраны ( РИС. 15-3) . Эти мемб раны и органеллы,
которые в ни х заключены, объединяются п од об щим наз ва­

~ клеточная

нием эндомембра~-тая систе.ма 1<летки (eпdom embraп e sy ·
tem). Ка к будет о пи са но ни же, м ежду внутрениим соде ржи­

аэро

мым этих органелл (за и скл ючени ем ядра) и между ними и

бактерия

б ная

мембрана

мембрана вакуоли

митохондрии

эукариотической

клетки*

наружной средой происходит интенсивный обмен м елкими
пузырьками, котор ы е отпосп<овыва~отся от одной ор 1·ан ел­

РИС.

лы и сл иваются с д руто й . В соотв етствии с это й r· ипотезой

проглоченных более крупной эукариотической клеткой. Хлоропла ·

эвол юционного прои схождения эндом ембраиной си стемы

сты , вероятно, возникли позже сходным путем , когда эукариотическая

15-4.

Считается, что митохондрии произошли от прокариот,

внутре иняя среда этих органелл , как будет показано ниже,

клетка проглотила фотосинтезирующую бактерию . Эта теория объясня­

трактуется клеткой во многих отношениях как 1внекле­

ет, поч е му митохондрии и хлоропласты окружены двумя мембранами ,

точ1-1Э>1 >>. Гипотетическая схем а, показанная

имеют собственный геном и не участвуют в везикулярном транспорте ,

1-ia

ри с.

15-3,

объясняет та~оке, почем у ядро окружено двумя мембра~-1 а­

как большинство други х внутриклеточных компартментов.

ми . Хотя впячивания мембраны у сов реме вны х бактерий
встр чаются р едко, они все же при сутст в у ют у н екоторы х

* И митохондрии, и хлоропласты произошли от грамотрицательных бак·

фотосинтезирую щи х бактерий. У эти х бактерий интерна­

терий , у которы х клетки окружены двумя мембранами; обе их мембраны

лизуются и формируют внутриклеточные пуз ыры<И уlrаст­

имеют бактериальное происхождение , а из пищеварительной вакуоли

ки мембраны , соде ржа 1цие фотос интетический аппарат.

они в ходе эволюции « сбежали » в цитозоль.

454

ГЛАВА 15. Внутриклеточные компартменты и внутриклеточный транспорт

-

Прим. перев .


СОРТИРОВКА БЕЛКОВ

G)

ТРАНСПОРТ

l

Так как эукариотическая клетка размножается путем деле­
ния надвое , в пром ежутке между деления ми она должна уд­

ЧЕРЕЗ

ЯДЕРНЫЕ

воить LIHCJIO мемб ранных органелл и кол:ичество м ембраи.

ПОРЫ

Клетка не может создавать органеллы заново: для этого не­
обходима информация и вещества, содержащиеся в самих
органеллах. Поэтому большинство о рганелл формируются
из таких же пр едсуществующих оргаиелл, которые растут и

делятся. По мере роста клетки мембранные органеллы уве­

0

J1ичив аются в размерах путем включения новых молекул,

ТРАНСПОРТ

з атем делятся, а при делении клет ки рас пределяются между

ЧЕРЕЗ

дочерними клетками. Для роста органелл необходим синтез

син тези­

новы х липидов, чтобы могла увеличиваться площадь мем­

бран, а также источник подходящих беm<ов - как мембран­

~

ных , так и растворимых, находящихся внутри органелл. Но

пероксисома

даже в неделящихся клетках постоянно образуются новые

белки. Эти вновь синтезированные молекулы должны на­
правлеюю распределяться по нужным органеллам

которые для последующей секреции, а некоторые

-

/
_..-, -

митохондрия

:

в цитозоле

•

)

эпс

не­

®

для

ВЕЗИКУЛЯРНЫЙ

замены деградировавших белков органеллы. Таким обра­

ТРАНСПОРТ

зом, чтобы расти, делиться и правильно функцио1-1ировать,
1

МЕМБРАНЫ

рованные

<летка должна уметь направлять вновъ синтезированные

белки в соответствующие органеллы.

В некоторые органеллы, в том числе в митохондрии,
хлоропласты и внутрь ядра, белки поступают непосред­
ственно из цитозоля. В другие (в аппарат Гольджи , лизо ­

РИС.

со мьr и эндосо мы , а также на ядерную мембрану) белки

щью трех разных механизмов. Для в сех н их требуются затраты э н е р ­

И ли пиды попадают, сначала пройдя через Э ПС, на ме м­

бранах которой и синтезируется большая часть белков и
липидов . В ЭПС белки попадают из цитозоля; некоторые
там и остаются, но большинство транспортируется в пу ­
зьrрьках к аппарату Гольджи, а затем в другие органеллы
или на плазмалемму.

В этом разделе мы рассмотрим механизмы, с помощью

15-5.

Мембранные органеллы импортируют белки с помо­

г ии. Бел ок остается с в ер нуты м в о в рем я тра н с порта п о меха н измам

3,

н о об ыч но разве рн ут п ри исп ользо вании меха ни зма

1и

2.

органеллу. Разные сигнальные последовательности на ­

правляют белки в ядро, митохондрии, хлоропласты ( у
растений ), пероксисомы и ЭПС.

которых белки попадают в мембранные органеллы из ци­
тозоля. Белl(И, синтез ирующиеся в цитозоле, направляют­
ся. в определенные компартменты !(Летки в соответствии

можно протащить белок сквозь мембрану, в норме непро­

со сnецифи<1ескими адресными метками. Эти метки со­
держатся в аминокислотной последовательности белков.

выполняется раз ными путями для раз ных органелл.

Имея специфическую метку, белок попадает в соответ­

Когда мембранные органеллы импортируют белки из
цитозоля или из других оргаиелл, возникает проблема: как
ницаемую для гидрофильных макромолеl(ул? Задача эта

1.

ствующую органеллу.

В ядро бетш попадают из цитозоля через ядерные
поры, пронизывающие обе ядерные мембраны. Поры
работают как селеl(тивные ворота, через которые ак­

Белки импортируются в органеллы тремя способами

тивно и избирательно транспортируются маl(ромоле­

Синтез почти всех белков в клетке начинается на рибосо­

руют через них ( механизм

мах в цитозоле. Исключение составляют некоторые бел­
l< и митохондрий и хлоропластов, которые синтезируются
на рибосомах внутри этих органелл. Однако большин­
ство бел1<0в хлоропластов
и митохондрий синтезирует.

кулы; но более мелкие молекулы свободно диффунди­

2.

1 на РИС. 15-5).

В ЭПС, митохондрии и хлоропласты белки из цито­
золя попадают, проходя через мембрану органеллы с

помощью белковых траисло-каторов (pгotein tгaпsl o ­

cators), расположенных в мембране . В отличие от пре­

е

Ся. 13 цитозоле и затем импортируется в эти органеллы.
Удьба многих белковых молекул, синтез иру емых в ци­

дыдущего слуqая при этом механизме белl(И обычно

золе, зави сит от их аминокислотных последовательно -

брану (механизм 2 на рис. 15-5). У бактерий похожи е
белковые транслокаторы расположены на наружной
мембран е, они используются для экспорта веществ

то

должны развернуться, чтобы проползти сквозь м ем­

сте"

и , которые могут соде ржать <, сорти рово чный с игн ал >>,

~аn:равляющий белок в органеллу, где он исп ользуется .
елкн , не имеющие таких сигнальных nоследовательно еи, остаются в цитозоле; белки с сигнальиои" последо-

с·г - "

вательностью попадают из цитозоля в соответствующую

и з цитозоля.

3.

Из ЭПС в аппарат Гольджи и между остальными ком­
партм ентам и эндомембранной с и стемы белки пере-

Сортировка белков

455


мещаются

в

помощыо механизма,

щегося от двух лредыду щи х.

в кор1-1е отличаю ­

ти белки п ерен осятся

внутри mpaucnoprm-tыx везикул (tгал рогt

белок ЭПС

цитозольные белки

(нет сигнальной

с удаленно й с игнальной

последовательности)

v icles), ко ­

последовательно стью
сигнальная

торые нагружаются белками , захватывая их и з просве­

последовательность

для эпс

та комлартмента при от п очков ы вании от его п оверх ­

присоединяется

ност и . В ез и кулы перен осят белки в проев т д ругого

к цитозольному:

ко мпартмента, в ы свобождая груз при сл иянии с его

бел ку

мембра 1-1 ой (м ехан и з м

3 на

ри с.

-

15-5). При это м м ем­

б ранные белки и липид ы тоже п ере носятся из пе рвого
комлартмента во второй.

Сигнальные последовательности

направляют белки в нужный компартмент
Типичный ~ сортировочн ый с игнал >,) предста вляет собой

белок ,

сигнальная

предназначенный

последовательность

цитозольный белок
с сигнальной

для эпс

для эпс

последовательностью

для эпс

1-~ е лр е рывный отрезок а минокислот ной п осле,т~:овательно­

сти белка, обычно ВКJIJОL!ающий от

15 до 60

Эта сигнальная последовательность

аминокислот.

(А)

В НОРМЕ

(Б)

ПРИ ИЗМЕНЕНИИ

СИГНАЛЬНОЙ

(signal sequence) ча­

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

сто (хотя и не всегда) удаляется и з функционирующего

белка после того, как он попал в нужный комл артмен т.

РИС.

Некоторы е и з сигнальных последовател ьно стей, служа­

нужную органеллу. (А) Бел ки, предназ наченные для ЭПС , имеют на

15-6.

Сигнальная последовательность направляет белок в

щих для отправки беJН<ОВ в разны е пункты назначения в

N-конце сигнальную последовательность , направляющую их в эту орга­

кле тке, прив едены в ТАБЛ.

неллу ; у белков , остающи хс я в цитоэоле , та ка я по следовательность от­

15-3.

Полож ительно за ряжен ны е ам инокислоты выделен ы
красным , от р ицательно заряженны е

-

сутствует. (Б) С помощью метода рекомбинантны х ДН К можно изменить

с иним. Протяжен­

локализацию белков в клетке . Если сигнальную последовательност ь

ная группа гидрофобных аминокислот показа на зеленым .

удалить из белка, предназначенного для ЭПС , и ввести ее в состав цито ­

NH/ -

N- конец белка, соо-

-

С-конец. Сигн ал удержа­

эольно го бел ка, то белки попадают в неправильные ком партменты . Эти

ния в ЭПС обыч но обоз начается однобуквенным и назва-

опыты показывают, что сигнальная посл едовательность для ЭПС необ­

1-шями аминокислот, наприме р

ходима и достаточна для направления в нее белков .

KDEL.

Наличия сигналь ной последователь1-1ости необходимо
и достаточн о для направления белка в конкретную о рга­
неллу. Это было п оказано в опытах, где п оследователь­

з ывается присутствие в одинаковых у частках белка гидро­

ность либо удаляли, либо л е ре 1-юсию1 из одно го белка в

фобных или заряже н1-1ых аминокислот, чем конкретная

д ругой с п омо щью методов генной инже нерии ( см. гл.

а минокислоп 1ая по следовател ыю сть .

10).

Наприме р , удалени е с игналь ной последовательност и и з

белка ЭПС превращает е го в цитозольный белок, а пере­
нос с игнальной п оследовательности для ЭПС в 1-1 ачало

Белки попадают в ядро через ядерные поры

цитозоль ного белка направля ет его в ЭПС ( РИС. 15-6).

Ядерная оболо ч ка окружает яде р1-1ую ДНК и отграничи­

Сигнал ьны е последователь ности , определяю1цие одю-1 и

вает ядер н ый компартмент. О1-1а образована двумя кон­

тот же пункт наз на ч е ния, могут силъно р азл ичаться , хотя

центри ческими мембранами . Внутренняя м е мбрана ядра

и выполняют одну и ту же фу нкци ю: более важны м ока -

соде ржит белки, служа щие сайтами при к репления х ро­

мосом ( см. гл.
ТАБЛИЦА

15-3.

Некоторые типичные сигнальные

последовательности

Функция сигнала

Сигнальная последовательность

Импорт в ЭПС

NHз' -Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser- Leu- Leu - Leu - Val -

Gly-lle-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-GlnLeu-Thr- Lys-Cys-Glu-Val-Phe-GlnYдepжaниe

в митохондрии

и обеспечивают заяко ривание ядерной

филаментов , образую щей в н ут ре ннюю выстилку яде р1-1ОЙ
оболо чки и отвеча ющей за ее структу рн ую целостность
(см. гJ1 .

17). Состаn

1-1 аружной мебраны ядра сходен с тако­

вым мембраны Э П С, с которой она образует еди ное целое
( РИС. 15· 7).

Ядерная оболочка у всех эукариотическ и х клеток про­

NH з' - Met-Leu -Ser-Leu- Arg - Gln-Ser-lle- Arg -Phe-

ядра. Транспо рт че рез п оры происход ит в обоих нанрав­

Phe- Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser Arg-Tyr-Leu-Leu-

ле ния х: в новь си нтезированные белк и , пред назначеюrr,, е

ют во рота, ч ер ез которые м олекул ы движутся в ядро и из

-Pro-Pro- Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-

Имnopт

-Ser- Lys-Leu-

456

5)

тес1ю пе р с плете ш-юй сети из промежутоl11-1 ы х

r-rизана ядерными порами (лt1 с] еа 1· рогеs ) . Они формиру­

Имnopт в ядро

в пероксисомы

-

-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-

в просвете ЭПС
Импорт

ла.мш-tы

для я д ра, входят в не го из цитозол я ( ВИДЕО 15.1 ); молеку ­

л ы РНК, с интез ированные в ядре, и субъединицы рибо ­
сом, которые соб ираются в ядры ш ке, в ы ходят в цитозол ь.
Молекулы мРНК, процессинг которых не зако н-ч ен, не
выходят и з ядра. Это позволяет пред полагать, что транс-

ГЛАВА 15. Внутриклеточные компартменты и внутриклеточный транспорт


ядерная оболочка

п о р т ч е р ез яде рны е п о ры

м е мбрана

п ослед н ий этап << Ко нтр оля ка ­

7).
- к ру пные, сложн ы е структуры, состо­
и з 30 раз ны х бел ко в ( РИС. 15-8) . Каждая

Ядер ны е п о ры

ядра

ящи е приме рн о

внутренняя

мембрана
ядра

-

ч ества,> в силтезе и про цесс инге мР НК ( см. гл .

н а руж ная

п о р а соде рж ит вод ны й ка нал, чер ез кото ры й м ал ые р ас­
мембра н а ЭПС

т во р им ы е в воде молекулы свободн о и и еизб ирател 1, н о
п е ре м е щаются между яд ром и цитозолем. Мн огие белки ,
в ы с т илаю щие яде р ну ю п ор у, и ме ют пр отяженны е н еу п о­

рядоче нные участки ; они об разу ют сп утанные клубк и , н а­
поми на ющи е заросл и бур ы х водоросле й н а дн е океа н а.
Эта н еу поря доченная сеть заполняет цен т р кан ала; пре­
п я т ствуя пр охожде ни ю кр у пных молекул, она п озволя ет
пр оскакивать мелким м олекула м.

Б олее кру пн ые моле кулы (та кие как РНК и бел ки) и
ма кр о м олекулярны е ком плекс ы дОЛ)IШ Ы и меть пр авил ,,­

ную с игнал ьн у ю последовательност ,,, чтобы пройти че рез
ядерную лору. Сигнальная п оследо вател ьн ость, на прав­

ляющая белки из цитозоля в ядро, называется сиг11шюм
ядерной ло1{.ализации (пu сl еа г localization signal). Об ычн о

пер и нуклеарное

о н состоит из од ного и ли двух короших участков бе1ша,

п р о ст р а н ство
ядер н ая

соде ржащ их нес коль ко п олож ит ельно за ряже нны х ос тат­

п ора

ков лизи н а и л и аргин ина ( см. табл.

15-3).

РИС. 15-7. Наружная мембрана ядра составляет единое целое с
ЭПС. Двойная мембрана ядерной оболочки пронизана ядерными пора ­

1юго траиспорта

ми . Р ибосомы , котор ы е в н орм е связан ы с цитозольной п ове рх н остью

ся с с игн ало м яде рн ой локал и зации вно в ,, с ин тез ир ован ­

м е мбраны Э П С и н а ружной ядерной мембра ны , не по казаны .

ны х белков, направляя их в яд ро. Эти ре це п тор ы способ-

Цитозоль ные белки, наз ы ваемые рецепторами ядер -

(nu.clea1· tra п s poгt

РИС.
цитоэольн а я

15-8.

гесер tо гs ) , связ ывают­

Поровый комплекс ядерной поры об ­

разует ворота, через которые молекулы движутся

ф иб р и лла

в ядро и из ядра. ( А) Изображение небольшого уча ст ка ядерной оболоч ки , на котором показаны два паро­
вых ком пл екса . Кажды й ком плекс состоит из бол ьшо­
нару ж ная

?бранаядра

го числа отдел ьных белковых субъеди н и ц. От каждой
стороны ком пле кса отходят бел ковые фибриллы ; на
в нутрен н ей стороне яде рной оболоч ки он и сходятся ,
формируя ко рз ин о п одоб ную структуру. П ространство

цитозол ь

] ядерная

оболочка

между фибриллами достаточно велико, чтобы они н е
п ерекрывали доступ к поре . ( Б ) Электро н ная микро­
фотографи я участка ядерной оболочки, показа н вид

сбоку двух п а ровых компле ксов (квадратные скобки) .
ЯДРО
ен н яя

мембра н а яд ра

ядерная фиб р ил л а

50

(А }

( В ) Эле ктрон ная ми к рофотография , показ ы вающая
вид паровых ком пл ексов све рху ; мембраны был и об ­
работаны дете ргентом . ( Б

Franke; В -

нм

с разрешения

- с разре ш ения Werner W.
Ron Milligan.)

цитоэол ь

... ··.-..

.

яд р о

"'
(Б)

,,

ядерные поры ---------(В )

L__J
0,1 мкм

О , 1 мкм

Сортировка белков

457


сигнал ядер н ой
л ока ли зации

белок , пр едназна ч е н ный

ВОПРОС

для яд р а

А П оч ему эукариотическим клеткам требуется ядро в качестве

rl' отдел ьного ком п артме нта , в то время как п рокариотические

р е ц е п тор
дер н о го транспорта

ц

15-2

цитозоль н ые

8

клетки п рекрасно без него обходятся?

ф и бр иллы

~ерной порь1

Белки развертываются
для попадания в митохондрии и хлоропласты

И митохондрии, и хлоропласты от<ружены наруж н ой и

в нут ренней мемб ранами, и обе эти орга неллы спе ци али­
з ирутотся на синтезе АТФ. Хлоропласты кроме того содер ­

жат третью мембранную систему, тилакоидн ые мембраны
( см. гл.

14). Хотя обе органеллы имеют собственны е ген а­

мы и синтезируют н екоторые из своих белков, болъши и­
ство митохондриаш,ных и хло ропластных белков коди­

ЯДРО

руются ге1-~ами ядра и импорти руются из цитозоля. Эти

бел ки обычно имеют с игнал r,ную последовательиость на
N-конце, которая. нужн а для попада ния в конкрет н ую ор­

га неллу. Белr<и , предназн аче нны е для обеих о р~:аи елл, пе-

РИС.

15-9.

Си гнал ядер н ой

Белки, предназначенные для ядра , активно транс­

Бело к , п редн аз н ач ен ны й
л ока л иза ц и и
для им по рта в яд рN
(груз)

портируются через ядерные поры. Ядерн ы е бел ки , с вязав ш ис ь с
реце птором, актив н о транспорти руютс я в ядро . Дл я яс н ости корзи н ­

РЕЦЕПТОР

чатая структура из ф ибр и лл на внутр енней стороне ядерной обол оч ки
(см. ри с.

15-8) не

ГИДРОЛ И З ГТФ

п оказа н а . Сходный тип бел ков-реце пторов от ве ч ает

за экс п орт из ядр а молекул м РН К (см. р ис .

7-20);

р

ТРАНСПОРТА

.

~ (1 СВЯЗЫВАЕТ
~
~ ---...::: ГРУЗ
'

обе груп п ы рецепто ­

ров имеют п охожую структуру. Одн а из пор п оказа н а в р азрезе; н а этом

~

р исун ке в идн о, что неу п орядоч е н ные уч астки бел ко в , за п ол няющие

4

РЕЦЕПТОР БЕЗ

центральн ый канал, об разуют густую сеть , п репятствующую свободной

ГРУЗА
ВОЗВРАЩАЕТСЯ

диффузии крупн ы х мак ромол екул в ядро и из ядра.

ны направлять вновь синтезированны е белки к ядерным

ЯДЕРНОГО

цитозоль

Г

Пор овый
комплекс

Rа n- ГДФ

яде рно й

отдел яется

обол очки

в цитозоль

порам , вза имодействуя с щупалъцевидны ми фибри лла­
ми, которые тянутся от края поры ( РИС. 15-9) . Рецепторы
ядерного

транспо рт а

прикреп ляются

ЯДРО

2

к повторяющимся

РЕЦЕПТОР
ТРАНСПОРТИРУЕТ

последовательностям аминокислот в сети белков яде рной

~

поры , подтягиваясь от одной такой последовательно сти

ГРУЗ В ЯДРО

6

к дру~:ой и протаскивая связанный с ними белок в ядро.
Вы свободи в белок внутри ядра, рецептор ядерного транс­
порта возвращается чер ез я де рную пору

повторного использова ния ( см . рис.

3

в цитозол ь для

15-9). Как л юбой про­

~

с тра н с п орт ны м

БЕЛОК-ГРУЗ
ВЫСВОБОЖДА-

ре це пто ром, груз
отд еляется

цесс, повышающий упорядочен ность , транспорт белков в
ядро требует затрат эне ргии. В данном случае истоLJНиком
энергии служит гидролиз ГТФ , который обеспечивает

РИС.

направленность ядерного транспорта (РИС. 15-10) . Белки

гидролиза ГТФ. Р ецептор ядер н ого транспорта загружается в цитозо·

ядерных пор у правляют этими каналам и , с удивителъной

л е, связывая свой бел ок - груз, и входит в ядро. Там о н взаимодействует

скоростью п е р качивая че рез них молекулы в обоих на­

с небол ьшим белком

правления х.

Rап - ГТФ соединяется с рецептором ядерного транспорта , вызывая вы·

Белки прох одят ч е рез яде рные поры в полно стыо

ЕТСЯ В ЯДРЕ

15-1 О.

Ядерный транспорт осуществляется за счет энергии

Ran,

который связан с молекулой ГТФ . Комплекс

с вобождение груза. Освободившись от груза в ядре , ре цептор ядерно ·

свернутом состоянии, а субъединицы рибосом про ходят

го т ра н спорта

че рез них в собранном виде. Эт им м ехан изм транспор­

через п ору обратно в цитозоль . Здесь е ще один белок (не п оказан) за·

-

все еще в комплексе с R ап-ГТФ

-

транспортируется

та че р ез ядерные поры отличается от других механизмов

пускает гидролиз ГТФ , связанного с

транспорта белков в органеллы. Как мы сейчас увидим,

то ра ядерного транспорта , и освободив ш ийся реце п тор может связать

Ran . Rаn - ГДФ отдел яется от ре цеп­

при попадании в такие органеллы, как митохондрии, хло­

следующую молекулу белка, предназначенного для ядра. Сходный цикл

роп ласт ы или Э ПС , белки должны развернут 1,ся, чтобы

осуществляется при транспорте мРН К и других крупных молекул из

пройти ч ерез мембрану.

ядра в цитозоль .

458

ГЛАВА 15. Внутриклеточные компартменты и внутриклеточный транспорт


наруж ная мембрана

сигнальная

участок к онтакта

внутренняя

м е мбран

мембрана

последовател ьность

ФУЗ И Я

~ - ~~:. _-- --

белок- белок- ~
nредшест- ре цептор
венни к

бел ковыи
тра н слокато р

цитозоль

ют липид н ые молекул ы из од ной мемб ран ы и п е ре н ося т

в дру гую. Благода ря с п е цифичн ости эти х бел ков разные
клето чны е мембраны могут сохранять ха ракте рны й дл я
н и х л ип ид 1-r ый состав.

Белки попадают в эндоплазматическую сеть
МАТРИКС

\

МИТОХОНДРИИ

&Тзрелый
&
"/'

белок

в процессе синтеза

Эндоплазматическая сеть ( ЭПС) ( e пd o p l as mi c гet i c ulum,

н аиболее к ру пная мембра нная система в эукари о ­

ER) -

ти ч еской клетке ( РИС . 15-12, А) . В отл ичи е от о рганелл, об­

суждав шихся ранее, в Э П С поступа ют бел ки, пред н азна­
ченны е как для само й Э П С, так и для д рути х о рга нелл. Все

отще п ленная

белк и , предназн ачею-1ы е для а~ша рата Гольдж и , ли зосом ,

си г н альная

эндосом и на ружной мембраны клетк и , с н ачала п о падают

п осл ед овател ьност ь

РИС. 15-11 . Белки импортируются в митохондрию в развернутом

из ц итозоJIЯ в Э П С . Оказавш ись вн утри Э П С ил и встро­

состоянии . Си г нальная п осл едовательност ь бел ка , служащая дл я на ­

и вши с ь в ее мем бра н у, отдел ьны е м олекулы белка уже н е
ве рнутся обратно в цитозол ь. Они будут л ерепра вля тъся в

правл ения в ми тохондрию , распоз нается рецептором на наружной мем ­

составе тр а нс п ортн ых везикул от о р га н еллы к о р ган елле и

бране митохондрии. За счет латерал ьной диффузии комплекс белка с

в некото рых слу ч аях от о р га н еллы

Рецептором достигает участка, где обе мембраны контактируют друг с

в н еклето чн у ю с р еду.

или во

Из ци тозоля в Э П С пе рен осятся белк и двух т ипов:

другом . Здесь белок переносится через обе мембраны сразу с помощью
трансл окатора ( ВИДЕО 15.2). Сигнал ьная последовател ьность отреза­

1< п лазмалемме

(1)

водораст воримые белки цел ико м пересекают м ембра­

ется спе циальной пептидазой внутри органелл ы . Бел ки им портируются

ну Э П С и вы свобождаются в просвет Э П С;

в хлоропласты с помощью похожего механизма . Бел ки-шапероны , по­

трансмемб ранные белки только ч асти чн о тран сло ци ру­

(2)

будущ ие

могающие транспорти руемому бел ку проходить через мембрану и п ра­

ются че рез мембран у Э П С и остаются встроен н ы ми в н ее .

вильно сворачиваться после заверш ения транслокации , не показаны .

Водораство римые белки предназнач е ны либо для секре-

реносятся одн овремен но ч е рез обе мембра ны
и внутрешпою

-

-

на ружную

в особых участках, где обе м емб раны кон ­

та~пируют д руг с д ругом . Каждый белок в ходе трансп о р ­
та развораt~и вается, а его сигнальн ая последовательность
после заве рше н ия тра нслока ц ии удаляется ( РИС . 15-11 ) .

Белки -шапе роны (см. гл. 4) в н утри ор 1-ан лл п омогают
п ротаскиват ь белок сквозь мемб ра ны и сп особствуют его
Правильному сво ра чиван ию п осле того, как о н попадает

внутрь. Для п оследу ющего тра 1-1спо рта в определе нны й
Y'-.lacтor< орган елл ы (налри мер, н а н аружную или в ~1утре н ­
Нюю мемб ра ну и ли н а тилакоидную мемб рану хло роп ла­

ста) обы чно ~1 ужна дополнителъиая сигнальная последо­
вательн ост ь в белке, кото рая ч асто ста новится доступ н ой
дJщ о rюзнания л ишъ п осле того, как удаляется пе рвая

сигнальная последовательность, обес печив ш ая трансп о рт
13 Ор еанеллу. Н ап рим е р , включ е н ие т ран смемб ран ны х бел ­
ков в состав в нутре нней м мб раны контроли руется с иг­
н ат,ны ми гюследователт,н остями, кото ры е t1 а чиаают и
3
а1<анч ивают процесс пе реноса ч е рез мембра 1fу (ниже мы
0

n и щем этот про цесс на примере трансмемб ран ных бел­
ков, в ключаем ы х в состав мембраны Э П С ) .
для роста и поддержания работосп особности мито.
х

о ндрий и хло ро п ластов требуется не только им п о рт н о-

вь~ х белков, 1-ю и включе 1-1и е нов ы х ли пи дов в мембраны

эти х органелл. Ве роятно, большин ство фосфоли пидов по­
сту пает в ни х из ЭП С, где в основ 1-юм и осуществля ется их
синтез в ю1 еп<е. Молекулы фосфоли пидов транспорти ру­
~отся в эти ор га~-1 елл ы пооди н очке с п омощью водо раство­
Р кмых липид-связы вающих белков, котор ые вы хватыва-

РИС.

15-12.

Эндоплазматическая сеть

-

самая протяженная

мембранная сеть внутри эукариотическо й клетки . (А) Флуорес ­
центная ми к рофотография ж ивой растительной клетки . Видно , ч то
ЭПС

-

слож ная сеть мембра н ны х трубоч е к. Клетка генетичес ки моди­

фицирована и содержит флуоресцентный белок в ЭП С ; по ка зана толь ­
ко част ь ЭПС клетки . (Б) Электронная ми к рофотография шероховатой

ЭПС в клетке поджелудо ч ной железы собаки , се к ретирующей мно го
пи щеварительны х ферментов . Ци тозоль з аполнен тесно сбли женны­

ми ц истернами Э ПС , поверх н ость котор ы х уса жена рибосомами . Вн и­
зу слева видна часть ядра , о к руже н ная яде рно й оболочкой . Обратите

внимани е, чт о наруж ная мембрана ядра , являюща яся продол же нием
Э П С , тоже покрыта рибосомами . Для того , чтобы увидеть Э П С в дви ­
жении , см . ВИДЕО 15 . З . (А

решения

-

с разрешения

Jim Haseloff; Б -

с ра з ­

Lelio Orci .)

Сортировка белков

459


ВОПРОС

мРН К , кодирующая цитозольный
белок , остается в цитозоле

полисома , п лавающая

\

15-3

А Объясните , почему молекула мРНК остается прикрепленной

rl' к мембране ЭПС, в то время как отдельные рибосомы, транс-

в цитозол е

8

лирующие ее, отделяются и пополняют цитозол ьный пул ри­

босом после каждого раунда трансляции .

прикре п ле ны

к цитозол ьной сто роне мембраны

ЭПС

(и наружной ядерной мембра1-1ы) и синтез ируют белки .
которые переносятся в ЭПС. Свободиые рибосолtы (fгее

ribo omes)

не прикрепл ены ни к какой rv1ембране и син­

тезируют все остальные белки, закод ированны е в ядер­

ной ДНК Сидячие и свободны е рибосомы структурно и
функционально идентичны: они отличаются только тем,

какой белок синтез ируется на ни х в данный мом е нт. Когда
на рибосоме си1пезируется белок с си гнал ьной последо­
вательностыо для Э ПС, с итнал 1,ная последовател ьность

1-1 аправляет рибосо му к мембране ЭПС. Во время траисля­
ции молекулы мРНК к ней прикре п ляется множество ри ­
м РНК , кодирующ ая бело к,

босом, формируя полисому (polyгibosome) (см. гл.

предн аз н аче нны й дл я ЭПС ,
с вя зы вается с м е м б рано й

ПРОСВЕТ ЭПС

в месте с ри босомо й

7). Если

молекула мРНК кодирует белок, соде ржащий сигнальную
последовательность для Э ПС, лоли сома приковыв ается к

мембране ЭПС растущими полипе 1пид ными цепям и , про­
низ ыва ющими мембрану ( РИС.15-13).

М емб рана Э П С

РИС.

15-13. Общий пул рибосом используется для синтеза белков

цитозоля и белков , направляемых в мембранные органеллы, в том

Растворимые белки попадают в полость ЭПС

числе в ЭПС. Р ибосомы, синтези рующи е цитозол ьные бел ки, остаются

Белок с сигн альной посл едователы-юстыо для ЭПС н а прав·

свободными. С игнал ьная последовательность бел ков ЭПС (красная) на

ляется к ее мембране при помощи ка.к минимум двух других

растущем конце п ол ипептидной цеп и направляет рибосомы к мембра­

белков:

не Э ПС. М ножество рибосом связ ы вается с каждой мол екул ой м РН К,
формируя п олисом у. П о окончании каждого раунда синтеза белка субъ­

paгticle, SRP) и (2) рецептора SRP (SRP гесесрtог), на·
ходя щегося в мембране Э П С, который опоз1-1ает SRP. Свя·

единицы рибосомы разделяются и в ключаются в общий пул в цитозоле.

з ыва~ше

(1) ситал-распозиающей частицы (s i g11a.l - гecog11i ­

ton

SRP с сигн альной

последовательностью тормозит

ции (путем выделения через поверхиость клетки), либо
SRP

для попадания в просвет других органелл. Тран смемб ран-

11ы е белки могут остаться в мембране ЭПС, попасть в мем­
брану другой органеллы ил и войти в состав плазмалеммы.
Все эт и белки и сходно направляются в ЭПС благодаря

отдел яется и может

использоват ь с я повтор н о

мРНК

~

р и босо м а

З'

наличию сиzналыюй последователыюсти для ЭПС (ER sig-

nal sequ e п ce) -

у частка из вос 1,м и и л и более rидрофоб1-1ых

ам и1-1оки слот (см. табл.

15-3,

с.

456),

которая важна также

для процесса п ереноса белка ч ерез мембрану.

В отличие от белков, попадающих в ядро, митохо н ­
дрии, хло роп ласты и nероксисомы , большин ство белков

с иг на л ь н а я

п оследова­
тел ь н ость

для эпс

начинают перемещаться сквозь мембрану ЭПС е ще до

в растущей

того , как заканчивается с интез полипептидной цепи. Для

поли пептид­

этого требуется, чтобы рибосома, с и1-1тези рую щая белок,

рецептор

SRP

транс-

на мембране Э П С локационный
ка н ал

ной це пи

лрикрепи ласъ к мембране ЭПС. Сидящие на мембране

РИС .

рибосомы покрывают поверхностr, ЭПС, создавая участ­

правляют рибосому к мембране ЭПС .

15-14.

Сигнальная последовательность для ЭПС и

SRP

SRP

н а·

связывается с «в ысунув ·

ки, называемые шероховатой эндоплазматической сетью

шейся » из рибосомы сигнальной последовательностью для ЭПС и ри·

(гoL1gl1 e пdop l a

босомой, затормаживая синтез белка . Комплекс SR Р -рибосома свяэы·

mic

гet icLLI. Llm) из-за характерного вида их

гранулярной поверхности при рассмотре нии с помощ1,ю

вается с рецептором

элект ронно го микроскопа (рис.

садится на тра н слокационый канал в мембране ЭПС . Наконец, трансло·

15-12, Б).

Таким образом, в цитозоле есть д ве разные поп уля ции

рибосом . Сидячие рибосолtы (membr·aлc-boLшd гiboso m es )

460

SRP на мембране ЭП С. SRP отделяется, рибосома

кационный канал вставляет полипептидную цепь в мембрану и начинает
перетаскивать ее сквозь ли п идн ый бислой .

ГЛАВА 15. Внут риклеточные компартменты и внутриклеточны й транспорт


сигнальная

с в язанным с ка н алом, л ака остальиая ч асть п оли п ептид­

последовательность

ной цепи в виде боль шой петли протя г ива ется через м е м ­
полипептидная цепь ,

б ра 1-1 у. На определе нном этапе тра н слока ции сигналън ая

выходящая из рибосомы

_
-

J

последователы-юсп, отрезается специал 1,ной п ептидазой,

закрытый

транслокационны й

отщепленный

канал

сигнальный п е п тид

п ляется. После того как С-кон ец белка прошел через м е м ­
цитозоль

1

ПРОСВЕТ ЭПС

пептидаза ~&;
-конец

сигнально го п ептида

кана л

н аходящейся в просвете Э П С. Затем сигналь ный л ептид

отделяется от тра н слокационного канала и быстро расще­

С -ко н ец

б рану, белок высвобождается в просвет Э П С ( РИС. 15-15).
Старт- и стоп-сигналы определяют расположение

трансмембранных белков в липидном бислое
Н е все белки , п о п адающие в ЭПС, высвобождаются в ее
просвет. Некоторые остаются в составе мембраны Э П С

зрелый раство р имый
бел ок в п росвете ЭПС

в каlrестве тра 1-rсмемб ранных бел ков . Процесс транслока­
ции для таких белков более сложе н , чем для раство ри ­
мых , так как некоторые части белка долж 1-1ы быть пере н е­

РИС . 15-15. Растворимые белки пересекают мембрану ЭПС и по­

се иы LJ epeз бислой, а дру ги е долж ны остаться заякоре н ­

падают в ее просвет . Транслокационный канал связывает сигнальную

ными в мембране .

последовательность и активно переносит остальную часть поли пептид­

В простейшем cлyLJae, когда трансмембранный белок

ной цепи через липидный бислой в виде петли. Н а некоторой стадии

пересекает мембрану один раз , N-концевая си гнальная по­

транслокации сигнальный пептид отрезается от растущего белка с по­

следователыюсть за пускает транслокацию, как и в случ ае

мощью особой пептидазы . Отрезанная сигнальная п оследовательность

растворимого белка . Но процесс перен оса остаиавливает

выбрасывается из канала в липидный бислой , где быстро расщепляет­

допол нительная последовательность гидрофобных ами­

ся. Транслоцированный белок высвобождается , превращаясь в раство­

нокислот

римый белок просвета Э П С . П осле высвобождения белка пора транс ­

иостъ

- остаиавливающая перенос последователъ­
(stop-t ran fег seque п ce ) , находящаяся даль ше от

локационного канал закрывается . Для простоты сидячая рибосома на

N-конца полипептидной цепи ( РИС. 15-16). Кю< обсужда­

этом и следующих двух рисунках не показана.

лось в ел.

11, после включения

в мембрану трансмембран­

ны й белок не меняет своей ориентации; в частности , она
си нтез белка рибосомой; с интез
пор, пока

SRP

~re возобновляется до тех
SRP на мембрю-, е

гид рофоб ны й сигнал

не свяжется с рецептором

остан о вки п ереноса

ЭПс. После этого SRP отделяется, синтез белка возобнов­

гид рофоб н ая сигнал ьная
п о сл едовател ьность для ЭПС

л:яется и длится до тех пор, пока весь белок не пройдет в
полость Э П С через специальный транслокациоиный канал

в мембране ЭПС ( РИС.15 - 14). Таким образом,
то р

SRP

SRP и

рецеп­

действуют как молекуля рные свахи: соеди н яют

Узами рнбосому, которая синтези рует белок, содержа1дий
сигн альную последовательность для ЭПС, и свобод ны й
транслокационны й канал на мемб ра н е ЭПС.

Кроме нап равле ния белков в Э П С, сигналь ные п о­
следователъности , которые у растворимых белков П ОLJ­
ти всегда находятся н а N-конце , служат дшr открыва1-1ия

ПРОСВЕТ
эпс

транслокационного канала. Сиг н альный пептид остается

ВОПРОС 15-4
зрелый тра н сме м ранн ы й
бело к в мембране Э П С

. . . А. Предскажите ориентацию в мембране белка, которы й син­
.,,, тезирован на ЭПС с неотщепляемой, внутренней сигнальной

8

последовательностью (показанной красным на рис . 15-17),

но не содержит сигнал а останов ки пере н оса.

Б . Аналогично, предскажите мембранную ориентацию белка , в ко­

тором есть N - ко н цевая отщепляемая сигнальная последователь­
ность , за ней - сигнал остановки переноса , а за ним - сигнал на­
чала переноса.

В. Какое расположение сигнальных последовательностей требует­
ся для получения мембранного белка с нечетным числом трансмем­

бранных участков?

РИС.

15-16.

В состав мембраны ЭПС может включаться однократ­

но пересекающий ее белок. N -концевая сигнальная последователь­
ность (красная) инициирует перенос, как на рис .

15-15. В

дополнение

к ней белок- содержит вторую гидрофобн у ю последовательность, оста­
навливающую перенос (оранжевая) . Когда она входит в транслокацион­
ный канал, канал высвобождает белок вбок, внутрь липидного бислоя .
N - концевая сигнальная последователь н ость удаляется, а белок оста­
ется заякоренным в липидном бислое ( ВИДЕО

15.4). Синтез

белка на

цитозольной сторо н е продолжается до завер ш ения трансляции .

С ортиров ка бел ков

461


сохраняется при отделении мембранных пузырьков и их

липе п тида и так далее . Белок многократно продевается

последую щем слиянии с другой мембраной.
У некоторых трансмембранных белков сиrиалом

сквозь мембра н у по мере си11теза с 11омощ1,ю механиз ма,

начала переноса служит не N-концевая, а в1-1утренняя

сигнальная

последовательность.

Этот cuzuaл

старта

переиоса (start-tгansfeг seq нe nce ) никогда не удаляется

напоминающего работу швейной машины .
Рассмотрев , как белки п опадают в просвет ЭПС или в
состав ее мембраны , разберем теп е р 1,, как о н и 11 ереносятся
дальше путем везикуляр н ого тра н спорта.

из состава поли пептида. Такое строение хар актер ~ю для

т рансмембранных белков, чья полипептидная цепь не­

сколько раз пересекает липидный бислой. Считается,

ВЕЗИКУЛЯРНЫЙ ТРАНСПОРТ

•по в этих случаях гидрофобные сиr1-1аль н ые последова­
тельности работают парами: в1-1 утренний сигнал старта

Попадание в ЭПС

переноса инициирует транслокацию, которая продолжа­

к другим rrунктам назначения, среди которых

ется до следующего стоп -сигнала. Затем обе сигнальные

Гольджи (АГ). Транспорт из ЭПС в АГ и из АГ в другие

-

обьrч1-rо только первый шаг на пути

-

аппарат

гидрофобные последовательности высвобождаются из

компартменты эндомембранной системы клетки проис ­

канала транслокатора в липидный б ислой, кото рый он и

ходит

п ронизывают в виде а-спиралей ( РИС .

транспортных везикул (tгaпsport

15-17). В сложных

за

счет

постоянного

отпо ч ковывания

vesicles).

и

слияния

Пузырьки на­

многок ратно пересекающих мемб рану белках , у которых

правляются от ЭПС до плазмалеммы, от плазмалеммы до

много гидрофобных а-спиралей пересекает липидный

лизосом и, таким образом, обеспечивается связ1, между

бислой, в игр у вступают дополнительные пар ы старт­

внутренней средой клетки и ее окружением. По ме ре про­

и

зап ускает

движения белков и липидов по этому пути многие из них

транслокацию очеред ного участка полип ептидной цепи,

претерпевают различные химические модификации, на­

другая останавливает ее и вызывает высвобождение по-

пример добавление боковых углеводных цепочек (как к

стоп - сигналов:

одна

п оследователыюсть

белкам, так и к липидам), а в случае полипептидов также

образование дисульфидных

гидрофобный сигнал

/.

Z

о станов к и переноса

гидрофобный сигнал
начала переноса

N-конец

стабилизирующих

В данном разделе мы рассмотрим, как белки и мем­

N-конец

~

связей,

структуру белка.

N-конец

браны курсируют в составе пузырьков между внутрикле­
точными компа ртментами, п озволяют клетке п оглощать

пищу и секретировать вещества. Мы также разберемся,
как транспортные везикулы узнают путь к правильному

пункту назначения

-

будь это ЭПС, АГ, другая мембран­

ная органелла или плазмалемма.

Транспортные везикулы переносят растворимые

белки и мембраны между компартментами
Везикулярный

транспорт

(vesicular

t ranspoгt)

между

мембранными компартментами эндомембранной систе­

мы клетки высоко упорядочен. Главный путь, ведущий
из клетки наружу, или секреторный путь (secretory patl1зрелый трансмембранный

бело к в мембране ЭПС

way),

начинается с синтеза белка на мембране ЭПР и его

попадания в ЭПР, а затем пролегает через АГ к клеточной
поверхн ости; боковое ответвление этого мар ш рута ведет

включения в мембрану ЭПС есть внутренняя сигнальная последо­

из АГ в эндосомы и через них - в лизосомы ( РИС. 15-18).
Главный путь, ведущий внутрь клетки, или эидоцuтозиый

РИС .

15-17.

У дважды пронизывающего мембрану белка для

вательность, инициирующая начало переноса. Внутрення я си гналь­

путь

ная п осл едов ате льность для ЭПС (красная) служит с игн алом нач ала пе ­

вар ивание внеклеточных молекул. По нему вещества дви­

рен оса, з апуская тран сло кацию полипептидно й цепи . Ка к и N -конце вую

жутся от плазмалеммы через эндосомы в лизосомы .

(endocytic pathway),

отвечает за поглощение и пере­

сигн альную по следовательность для ЭПС , внутреннюю с игнальную по ­

Для правильной работы системы везикулярного транс­

SRP, что приводит к связыванию ри босо ­

порта каждый пузырек, отделяющийся от компартмента,

следовательность распоз нает

мы с м ембрано й ЭПС ( н е по казано) . Ко гда сигнал о станов ки п е ре носа

должен захватывать с собой только белки, направляющи­

(оранжевый) входи т в тр а нсло кационны й ка н ал , канал высвобождает

еся в его пункт назначе н ия, и должен сливаться только с

обе с игн альны е по следовательности в плоскость липидного б ислоя . Ни

мемб раной этого пункта назначения. Например, везикульr,

одн а и з сигнальных посл едовательносте й не вырезаетс я , и полипептид ­

переносящие груз от АГ к ллазмалемме, не должны пере·

ная це поч ка зая кориваетс я в мембран е, дважды пересек ая ее . Бел ки,

иосить белки, специфичные для АГ, и должны сливаться

пересека ющие мембра ну бол ьше е ч исло раз , соде ржат дополнитель ­

только с плазмалеммой, а не с мембранами других орга­

ны е пары с игн альн ых п о сл едо вател ьностей, и для каждо й пары процесс

нелл. Каждая органелла должна сохранять собственнуто

повто ря ется .

идентичность (свойственный ей состав белков и липидов),

462 rnABA

15. Внутриклеточные компартменты и внутриклеточный транспорт


плазмалемма

ядерная оболочка

А эндоплазма­
тическая

лизосома
поздняя

~~
эндосома
о

сеть

о

о

С)

С2 ~

Q

Везикулы отделяются от одной мембраны и сливают­

есть полость , или про свет, топологически эквивал ентная внеклеточной

среде (см . рис .

-О

11-1 9). Внеклеточная

среда и каждый из мембранны х

компартментов (обозначены серым) сооб щаются друг с другом благо­
даря транспорту в езикул. П о секреторному пути (красные стрелки) бел ­
к и двигаются наружу

о

-

от ЭПС в АГ и к наруж ной мембране или (через

ранние и поздние эндосомы) в ли зосом ы . В э ндоцитозн ом пути (зеле­
транс портны е

ные стрелки) молекулы попадают из внеклеточной среды в везикулы ,

везикулы

отделяющиеся от пл азмалеммы, и доставляются в ра нн ие эндосомы, а

о'-~--."""
аппарат Гольджи

15-18.

ки между клеточными компартментами. У каждо го ком партмента

О" " О ~я
эндосома
О

РИС .

ся с другой, перенося компоненты мембран и растворимые бел­

затем ( ч ерез по здние эндо сомы) в ли зосом ы .

цитозоль

/

ВНЕКЛЕТОЧНАЯ
СРЕДА

несмотря на участие в постоянном обмене компонентами

Отпочковывание везикул вызывается

мембра 1-1 с другими органеллами. Все эти события рас поз ­

образованием белковой оболочки

навания зависят от белJ<ов, находящихся в мембранах вези­

Везикулы, отделяющиеся от мембраны, обычно имеют

кул. Как мы увидим далее, различны е типы тран спортных

на цитозолъной поверхности характерную белковую обо­

в езикул снуют между раз ными органеллами, и каждый из

ЛОLJКУ и потому назы в аются окаймленными везю,улами

них пе реносит определенный набор веществ.

(coated vesicles ).

После отделения от материнской орга-

L__J
0,1 мкм

Рис. 15-19. Клатриновые молекулы образуют сетчатую корзину, помогающую мем­
бране сформировать пузырьки. (А) Электронные микрофотографии, показывающие после­
довательность событий при формировании окаймленного клатрином пузырька из окаймлен­

Ной клатрином ямки. По казанные на фото клатриновые ям ки и пузырьки крупнее, чем обычно ,

Образуются из плазмалеммы ооцита курицы . Они участвуют в поглощении частиц, состоящих
из липидов и белков и образующих желток яйцеклетки. (Б) Электронная ми крофотография

(СЭМ) многочисленных окаймле нных клатри ном ямок и пузырьков на внутренней поверхности
n11азмалеммы культивируемой клетки кожи. (А - с разрешения М.М . Реrгу и А.В. Gilbert, J.Ce/1
Sci.,39: 257- 272, 1979. С разрешения The Company of Biologists Ltd. Б - из J. Heuser, J.Ce/1 Biol.
84: 560- 583, 1980. С разрешения Rockefeller University Press.)

Везикулярный транспорт

463


о,аймле, , ~
, ~, ~ ➔
~,
"'''""'

~..,,:;;:,

""1Е'

-

ФОРМИРОВАН И
ВЕЗИКУЛЫ

----r

ы

'z:Z,

адаптин

оголенная
транспортная везикула

цитозоль
ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО
молекулы груза

РИС .

15-20.

Окаймленные клатрином пузырьки переносят молекулы груза избирательно.

Рецепторы груза , связавшие моле кулы груза, со единяются с моле кулами адаптинов, которые з а­
тем при к репляют моле кулы клатрина к цитозольной поверх ности от почковывающегося пуз ырь к а

(см . ВИДЕО

15.5 ).

Белки -динамины собираютс я вокруг шей к и поч кующи хся пузырьков . После

сборки молекулы динаминов гидролизуют связанный с ними ГТФ и с помощью други х бел ков (не
по казаны) отделяют пузыре к . После отделения белки оболоч к и удаляются , и оголенная везикула
мо жет слиться с мембраной-мишенью . Белки оболоч к и други х типов окаймленны х пузырь ков фун к ­
ционально с ходны.

t1.еллы везикул ы сбрасывают свою <<шубу ,>, ч то позволяет

мина rощу ю ко рзину, на ци тозолыюй стор о не мембр а ны.

их мемб ране н е п ос редственн о взаи модейст воват ь с той

И ме нн о с лро цесса и х сбо рк и и а ч и1-1ается фо р мир ование

мембраной, с кото рой 01-1и сольются. Клетки образуют не­
те рн ой белковой оболо lr кой. Эта оболочка выл олняет ка к

пузырь ка из у lrаст ка ме мб раны ( РИС . 15-19) . Мал ы й ГТФ ­
связыва ющий бело к дuнамuи (d ynamin) образует r<ольцо
вок руг ~ горлышка>> каждой 1'лубо кой о каймле нн ой ямки .

м инимум две функ ци и : она помогает мембране от поч ко­

Вм есте с д руг ими бел ка ми , присоединяющими ся к го р ­

скол ь ко т ип ов окаймле н~-rы х вези кул, к аждый

-

с хар ак­

л ышку п уз ырька, дин а ми н пе р еж им ает го рл ыш ко , отде­

ват ь ся и п омогает пузыр ьку захватить м олекулы груза.

Наиболее изуче ны пуз ырьки, чья оболочка состои т в
ос~-rов н ом из белка клатрина

с обо­

участвуют и вез и кул ы с д ру ги м составом белковой обо ­

лочкой из клатрина отделяются от АГ на одн о м из эта пов

ло ч ки . Но ка к тр ан с п о ртиая везикула за п ол н яется н еоб­

сек р ето рного

п ути

и от

(clatl1rin). П узырьки

ляя п уз ы рек от ме м б ра ны . В везикул ярн ом т ран сп орте

п лазмале м м ы

-

на

ход им ы м 1'рузо м ? М еха 1-1и зм это 1'0 про цесса лу,rш е все го

н а lr ально м

эта пе э н до цитозного пути. Н а11риме р , на пл аз м але м ме

изу ч е н для одеты х клат рин ом везикул.

Сам ю1 атрин не играет рол.и в захвате сл е ци ф ичн ы х

кажд ы й пузы ре к воз1нr кает с на ч ала в виде одетой клат ри ­

молекул груза. Это

ном ям ки. М олекулы клат рина собираются в сеть, на п о-

ТАБЛИЦА

15-4.

-

функция вто рого класса белков обо-

Некоторые типы окаймленных везикул

Тип окаймленных

Белки оболочки

Происхождение

Пункт назначении

везикул

464

Одетые клатрином

Клатрин

+адаптин-1

Аппарат Гольджи

Лизосомы (через эндосомы)

Одетые клатрином

Клатрин

+адаптин - 2

Плазмалемма

Эндосомы

Одетые СОР - белками

СОР-белки

эпс

Аппарат Гольджи

Цистерны Гольджи

Цистерны Гольджи

Аппарат Гольджи

эпс

ГЛАВА 15. Внутриклеточные компартменты и внутриклеточный транспорт


лачки везикулы, адаптииов

(adaptons).

Во-пер вых, они

зак репляют клатрииовую << ш убу >> на мембране везикулы .

Во -вторых, они помогают отобрать молекулы груза для
транспорта. Мол екулы, подлежа щи е отправке в пузыр ек,
несут специальные сигналы транспорта, которые опоз н а­

ются ре цепторами груза на мембране органеллы. Адапти1-1ы помогают захват ывать специфичные молекулы груза,
соединяясь с нагруженными рецепторами груза . Таким

способом набор молекул груза, связавшихся со специфич­
ными рецепторами , избирательно попада тв полость каж­
дого вновь формирующегося окаймленного клатрином пу­

цитозоль

зырька ( РИС. 15-20) . Существуют разные типы адаптинов:

мембрана-мишень

рецепторы груза на плазмалемме связывают иные адапти­

ны, чем рецеnторы груза на АГ. Это связано с разл ичием
груза, поступающего в в ез икулы из двух этих источников.

Другой тип окаймленных пузырьков
окаймленные СОР-белками

от аuгл .

coat p.rotein -

- везикулы,
(COP-coated vesicles) (СОР,

белок оболочки) . Они обеспечива­

РИС.

15-21.

Белки

Rab

и

SNARE

обеспечивают стыковку транс­

портной везикулы с мембраной-мишенью. Нитевидный белок на
мембране связывается с RаЬ-бел ком на поверх ности везикулы . Это
взаимодействие позволяет транспортной везикуле состыковаться с

ют транспорт между ЭПР и АГ и между разны ми частями

мембраной-мишенью. Затем

АГ (ТАБЛ. 15-4).

плементарным

v-SNARE на везикуле связывается с ком­
t-SNARE на мембране-мишени . Хотя Rab и соответству ­

ющий ему связывающий белок обеспечивают начальный этап взаимно ­
го распознавания везикулы и мембраны-мишени , спаривание компле­

Слияние пузырьков зависит
от связывающих белков и

ментарных

SNARE

SNARE

также помогает убедиться, что везикула достигла

именно своей мембраны-мишени .

После того как транспортная везикула отделяется от
мембраны , ои а должна найти путь к правильному пун­
кту назнач ения и высвободить там свое содержимое . В

Когда транспортная везикула распознает мембрану­

большинстве случаев везикулы активно транспо ртиру­

мишень и стыкуется с ней, происходит слияние везику­

ются моторными белками, движущимися вдоль элемен­

лы с мембра~-rой и высвобождение груза. При слиянии

тов цитоскелета (см. гл.

не только содержимое пузырька попадает внутрь соот­

17).

Когда транспортная вези­

кула достигает мишени, она должна опознать органел­

ветствующей органеллы, но и мембрана пузырька до­

лу и состыковаться с ней. Только после этого мембрана

бавляется к мембране органеллы. Слияние мембран не

везикул ы может слиться с мембраной органеллы, а ее

всегда происходит сразу же после стыковки; иногда для

груз

этого требуются специаль ные мол екулярные сигналы.

nорт

-

попасть внутрь. Поскольку везикулярный транс­
что

Для стыковки н еобх одимо только, чтобы две мембраны

каждый тип транспорт ны х вез икул клетки несет на сво­

впечатляюще

специфичен,

пред п олагается,

оказались достаточно близко, и выступающие из двух

ей поверхности молекулярные маркеры, позволяющие

липидных бислоев белки могли взаимодействовать. Но

идентифицировать везикулу в за висимости от ее проис­

для слияния требуется гораздо более тесное сближе­
ние: две мембраны должны приблизиться друг к другу

хождения и 1·руза. Эти маркеры долж1-1 ы распоз наваться
комплементарными им рецепторами соответствующей

на

Мембраны-мишени (в том числ е плазмалеммы). Процесс
11 дентификации зависит от белков семейства Rab (Rab
Proteins). RаЬ-белки на поверхности везикулы опозна­
ются связывающими белка.ми ( tethe1·ing proteiлs) на цито ­
зольной стороне м мбрааы-мишени. Каждая органелла и

столь тесного сближения с гидрофильной поверхности
тически

l<аждый тип транспортных везикул несет ~, а поверхности
Уникальную комбинацию RаЬ-белков, которая служит
Моле1<улярным кодом для и дентификации типа мембран.

альный

Эта !<одавая система из RаЬ-белков и связывающих бел­

ков помогает достичь того, что транспортная везикула
СJtи:вается только с нужной мембраной . Дополнительное

Распознавание обеспечивается сходными трансмембран1-tьrми белками семейства SNARE. Когда связывающие

бещщ ловят везикулу, тесно обхватывая ее RаЬ-белки,
беm<и SNARE на везикуле (v-SNARE) взаимодейству­
tот с комплементарными SNARE на ме мбране-мишени
(t-SNARE) , обеспечивая стыковку пуз ырька и удержи13ая его на месте (РИС. 15-21 ).

1,5

нм , чтобы их липиды могли перемешаться . Для

мемб ран нужно вытеслить воду. Этот процесс энерге­
сильно

н ев ыгоден,

поэтому

он

пр е пятствует

случайному слиянию мембран. Все процессы слияния

мембран в клетках катали зи руются особыми белками.
Они собираются в участке слияния, формируя специ­
~ком плекс слияния,>

высокий энергетический

ВОПРОС

и

позволяя

барьер.

преодолеть

Центральную роль

15-5

А В пробирке при добавлении к фрагментам плазмалеммы

rl' эукариотической

8

клетки адаптинов, клатрина и комплекса

динамина-ГТФ можно наблюдать образование одетых кла­

трином окаймленных пузырьков . Что будет происходить, если уда­
лить из пробирки: (А) адаптины, (Б) клатрин и (В) динамин? (Г) А что
произойдет в пробирке, если к смеси белков добавить фрагменты
наружной мембраны прокариотической клетки?

Везикулярный транспорт

465


помогают стабилизировап, структу ру тех белков , кото­
ры е могут столк нуп,ся с нзм н ниями рН и действием
пищева рител ьны х ферментов вне клетки

,-SNARE

. . . . .:Q;
._
() '-- -

ч') С
t-SNARE

-

-

r:11=

мембрана-мишень

РИС.

~

после секре ­

д и сульфи дные мостики 11 е об разуются из-за восстанови­
т ел ьны х услов и й.

,. )

-

-

ции или включения в состав п лаз малеммы. В ци то з оле

-

М 11 оп1 е белк и , п о п адаю щ ие в 11р освет Э П С или 11 а

'

- •A
11ti

ее мембрану, пр вращаются в гликопротеиды путем ко­
вале11пюго при соеди 11 е 1-1ия коротких олигосахаридных

Белки

боков ы х це 11 ей. Этот процесс гликозшtuр оваиия

(gly-

SNARE играют главную роль в слиянии мем ­
бран . Спаривание v-SNARE и t-SNARE приводят к тесному соприкосно­
вению двух липидных бислоев . Сила скручивания SNARE выдав ливает

ты , гrрису тствую щи

все молекулы воды, застревающие между мембранами, что п озволяет

Оttе нь н е многи е белки в цитозоле rликоз и л иров ат-rы , да

15-22.

осуществляют гликозилирующие фе рм е н ­

cosy lation)

в просвете ЭПР, но н е в цитозоле.

и х липидам слиться , образовав сп л ошной бислой. Видимо, в клетке со

и присоед ин е н к ним только один остаток саха ра. Ол и ­

SNARE взаимодействуют другие белки , инициирующие слияние . Допол­
нительные белки помогают SNARE разделиться , после чего они могут

го с аха риды, прикре п ле н1-rы е к белкам, в зав исимости от
ко 1-LI(ретного типа белка в ьrпол 1н11от р аз ные фу нкци и.
Они могут защищать белки от дегр ада ции , уде ржи­

использоваться повторно .

вая их в Э П С, пока те не све рн утся правиль но ; могут

способство вать попаданию белка в н ужную органеллу,
в проц ессе слияния играют т е же самые стыковочные

выполняя ро ль сиг нала транспорта для у п аков ки в под­

S N АRЕ-бе11ки . После с паривания

ходящие тр а нспортны е в езикул ы. После доставк и белка

v-SNARE

и

t-SNARE

закручиваются друг вокруг друга, действуя как ворота,

на

п одтягивающие др у г к другу две м е мбраны ( РИС. 15-22).

стыо rликокал икса

пов е рхно сть

клетки

(с м .

олигосахариды

рис.

11 -35)

ста но вя т ся

ч а­

и могут у частвовать

во взаимном р ас по з нав а нии клеток.

В ЭПС для созда ния боковой олигосахаридной цепи

СЕКРЕТОРНЫЙ ПУТЬ

отдельные остатки саха ров н е добавляются к белку ло
очереди. Вместо этого гото вы й р азвет вле ю-1ы й олигоса­

В езикулярный транспорт н е ограниt.rе н внутренней с ре­

харид, содержащий

дой клетки. С его помощью в е ществ а доставляются к

как ед ино е целое ко все м белкам, имеющим подходящий

14 остатков

саха ров , при к р е пляется

наружной м е мбране и от н ее . Вновь си нтез иров а нные

сайт 1·ликоз ил иров а ния . Сначала олигосаха риды при­

белки, липиды и углеводы доставляются через ЭПС и

крепляются к особому лиnиду мембраны Э ПС

а ппарат Гол ьджи к клеточной пове рхно сти, где содержа­
щи е и х транспортные везикулы сливаются с пла змалем­

холу (dolichol) . Затем он при к репляется к аминогруппе
боковой ц епи остатка аспарагина, сразу по сле того, как

мой . Этот проц есс называется экзо цитоз

( exocytos is).

этот остато к появляется в про свете ЭПС при транслока­

Каждая молекула, двигающаяся в этом напр авле иии,

ции ( РИС. 15-23 ) . Добавлеии е пр о исходит в один этап и

-

доли­

проходит через определенную последовательность мем­

катализируется ф е рм ен то м олигосахаридпротеинтранс­

бра1-шых комлартментов, а по ходу часто х имич ески мо­

феразой. Ф ерме нт находится в мембране ЭПС, причем

дифицируется.

его актив ный центр обращен в про свет ЭПС ( это объяс­

В дан 1-t0м разделе мы про следи м за д вижение м бел­
ков из клетки

-

за тем, как из ЭПС, где они с интезиру­

ня ет то, почем у цитозол ьные белки не гл икоз илируются
таким способом ) . Про стая по следовател ьность и з тр х

ю тся и м од ифицируются , они по ступ ают в аппарат Гол 1, ­

ами ноки слот, одна из которых

дж и, там до пол нителыю моди фицируются и сортируют­

то,

ся, а зате м движутся к гrлазмалемме. При переме ще нии

саха риды . Олигосаха ридные боковые цепи , при соед и ­

белка из одиого компартмента в дру гой осуществляется

1( каким

-

аспар агин, определяет

ас п а раги~1 ам в бе;1 ке при соединятся олиго­

н е нны е к NН 2 - гр у пгrе рад икала ас п а р а гина , наз ываются

контроль того , све рнулся ли он прави ль но и образовал ли

N - свя за нными ; этот тип связи чаще всего встречается в

нормалы1ый комплекс со своим и па ртн ерами . Из клетки

rликопротеидах.

выделяются только правильно собраш-rы е белки , а все
остал 1,1-rые (часто составляющи е бол ьшин ство ) раз ру ш а­

саха ров

ются внутриклеточ но .

модификаций, прои сход ящи х до того , как з р ел ы й гли-

Доба вл е ни е в Э П С олигосахарида и з

-

только п е рвый

эта п

14

остатков

в се рии дальн е йши х

Большинство белков
ковалентно модифицируются в ЭПС

ВОПРОС

Большинство белков, попадающих в Э ПС , хи мическ и

А Ч ем может быть выгодным добавление к белку в ЭПС пред­
варительно собранного блока из 14 остатков сахаров вместо

модифицируются в ней. Между парами боковых р адика­
лов остатков цистеина формируются д исуль фи д ные мо­

стики ( см . ри с.

4-26); эту реакци ю катализирует фе рме нт,

н аходящийся в просвете ЭПС. Дисульфидные мостики

466

rl'

8

15-6

последовательного построения олигосахаридной цепочки на

поверхности белка шаг за шагом , путем последовательного добав­
ления сахаров отдельными ф ерментами?

ГЛАВА 15. Внутриклеточные комnартменты и внутриклеточный транспорт


= глюкоза

•=

четырех аминокислот, называемой сuгиал удержаиuя

манноэа

в ЭПС (ER гetention s igпa l ) ( с м. табл. 15-3). Этот сиг­
нал опознается м е мбранным р е цептором на м е мбранах

•

ЭПС и АГ. Одн ако большинство белков, попавших в

= N-ацетилглюкоэамин

[!\sn] = остаток

ЭПС, 1tр ед н аз нач е1-1ы для д ру ги х компартм еитов. Они

аспарагина

у паковыв а ются в транспортные везикулы, отделяющи­

-

еся от ЭПС и сливаю щи еся с АГ. Выход белков и з ЭПС

с трого избирателен. Н еправильно свернувшиеся бел­
ки, а также димерные и мулътимерные белки, неве рно
собравшиеся и з субъединиц, активно уде рживаются в
ЭПС путе м связывания с белками-шапероиами

(cl1ape-

l"On pгot e i n s ), находящимися в н ей . В заи мод ействие с

шап е ронами уде ржив ает белок в ЭПС до тех пор, пока
он 1-1 е све рн ется пр ав илъно ; есл и это го н е прои зойде т,

белок ра з рушается ( РИС. 15-24). Например, молекулы
антител состоят и з четырех полипептидных ц епей ( см.

рис .

4-29 ) ; они соб ираю тся в ц елое антитело внутри

ЭПС . Частично соб ранные антитела удерживаются в
ЭПС до тех пор , пока не объединятся вс е четыр е тто ­
ли пе птидны е цепи. Любая молекула а нтитела, которая
не собралась пол ностью прави ль но , в конечном итоге
де гради р ует. Таки м с по собом ЭПС контрол иру ет каче­
n олиn е n т идн ая ц е п ь

ство белков, направляем ых в АГ.
Иногда, однако, этот механизм контроля качества

оказывается пагуб~1ым для организма. Например, наибо­
лее часто встречающаяся мута ция , выз ывающая рас про­

страненное наследстве нное заболевание муковисцидоз
ол игосах ар и д nротеин­

т р а н сф ераэа

(при н ем наблюда ются тяжел ые поражен ия дыхательной
систем ы) , приводит к образованию транспортного бел­
ка наружной мембраны, н емного н еоб ычно све рн уто го .
Н есмот ря на то что мутантный белок может нормально

РИС. 15-23. Многие белки гликозилируются в ЭПС. В процессе

функционировать как хлориый канал, если он достига­

транслокации пол ипептидной цеп и в ЭПС она гликозили руется пу­
тем присоединения олигосахаридных боковых цепей к определен ным
остаткам аспарагинов полипептида . Каждая олигосахаридная цеп ь пе­

ет плазмалеммы, у больных он удерживается в ЭПР, LJTO

Реносится на аспарагин как единое целое с липида долихола; этот пе­
ренос катал изируется ферментом олигосахаридпротеинтрансферазой

ет важный белок, а потому, что клетка уничтожает этот

(не показан). Гликозилируемые аспарагины всегда входят в состав три­

привод ит к

тяжелым

по следств иям .

Раз рушител ьная

болезнь возникает н е потому, что мутация инактивиру­
белок до того, как он начал функционировать.

пептидной последовател ьности аспарагин -Х-серин или аспарагин-Х­
треонин (где Х - любая аминокислота) .
э пс

-

l<оп ротеид покин ет клетку. Несмотря н а и з нач ал ьное
сходство, N-связанные олигосахариды н а з р елых глико-

11Р0теидах в сьма разиообраз !iы. Все это разнооб разие
вознит<ает из-за р азличных модификаций ст руктуры ис­
ход ного ол игосахарида- предш ественника, локаза н1-1 ой
на Рис. 15-23 . Такой процессииz олигосахаридов начин а­
ет

н е в ерн о

п р авиль но

све р н увшийся

с вер н утый

бело к

белок
от п о ч к овы ва ющ а я ся

ся в Э ПС и продолжается в аппарате Гольджи.

При транспорте из ЭПС

Контролируется качество белков

tlекоторые бел ки, синтезированные н а м ембранах
Пс , остаются и функцио!iируют там. Они уде ржива ­

ются в ЭПС (и возвращаются в нее после попада ния
в АГ) благодаря С-концеоой последо вательности и з

тра н с портна я везикул а

РИС .

15-24. Шапероны

не дают неправильно свернувшимся бел ­

кам или частично собранным белковым комплексам покидать

ЭПС. Не п равильно свернутые белки связываются с белками- ш а п еро•
н ами в просвете Э ПС и удерживаются в нем ; правильно свер н увшиеся

белки направляются в тран спортных везикулах в а ппарат Гольджи . Если
белку так и не удается правил ьно свернуться, он возвращается обратно
в цитозол ь и разруш ается там.

Секреторный путь

467


Размеры ЭПС контролируются количеством

и н сули1-1а. При этом прои з водящи е инсулин кл етки под­

проходящих через нее белков

желудочной желез ы получают сигналы, заставляющие их

производит ,, все больше и больше инсулина . В резут,тате

Хотя шап е роны помогают б лкам правию,но сво рачивать­

их ЭПС достигает н а ибольшего развития, после ч.его 1щл1,­

ся и удерживают в ЭПС те из них, что не сумели этого сде­

н ей ш ее ее увел ич ение ста ,ювится фи з иологически не­

лать, при актив н ом с интезе белка эта система может испы ­

возмож ны м. Тогда 11р ограмма

тывать п е регрузки . Когда скорость си ,пеза белков прев ы ­

клеточной гибе;1и. К н ес ч астью, ч ем боль ш е инсулин-про­

шает с11 особ 1юсть ЭПС ко ,пролировать их сворачивание,

дуцирующих клеток гибнет, т м бол ьш ая н агрузка по е го

UPR

за п ускает программ у

не правильно свернутые белки на чи нают накапливаться

пр оизводству

в сети. Эти аберрантные белки служат для клетки си ,- на­

п ерегрузку их

лом того, что необходимо увели•rи1ъ размеры ЭПС. Сиг­

те из-за ускоряющейся гибели инсули н- проду цирующих

нал воспринимают с п ециальные рецепто ры на мембране

клеток болез н,, прогресси рует.

падает

1-1а оставшиеся клетки, увел ичивая

ПС и вероятность их гибели. В резул ,,та­

ЭПС, которые, в свою очередь, за п ускают об шир ную про­
грамму транскри11 1.(1'LИ

UPR

- ответ на несвертывание белков,
p1·otei11 respoпse ) . UPR побуждает кл етку

(uпfo l d ed

увеличит ь объем Э П С, вклю•rая все ее молекуля рные ин ­

В аппарате Гольджи происходит
дальнейшая модификация и сортировка белков

струменты, необходимые для восстановления правиль но­

Аппарат Гольджи (АГ) обы чно расположе н недалеко от

го сворач ивания и процессинга белков ( РИС . 15-25) .

ядра, а в живоп-Lых кле тках

-

рядом с це нтросомой , не­

к

боль ш ой струюурой в це нтре клетки. АГ состоит из груп­

нуждам клетки, позвол яя сети справип,ся с правильным

пы уплощеюшх мембранных п олостей (цистер11) , кото­

Программа

приспосабливает размер ЭПС

UPR

сворачиванием идущего •1ерез н ее потока белков. Однако

рые уложены, как сто пка тарелок. В каждой стопке от

в некото рых случаях даже увеличен н ая ЭПС может быть

20

3 до

цистерн ( РИС . 15-26). Число стопок в клетке силь но ва­

пере гружена. Если нормальный баланс не удается вос­

р1,и ру ет в зависимо сти от типа клетки: в н екото ры х клет­

становить и в клетке продолжают н акапливаться непра­

ках пр исутствует одна большая стопка, а в других

вилы-ю свер~rутые белки, программа

мале~1 ьких.

UPR

может вызвать

самоу ничтожение клетки путем апо пт оза. Такая ситуация

-

сотни

Каждая стопка АГ имеет две ч.етко различимые сто­

типа , когда ткани

роны: вход, или цис-сто рону, ближе к ЭПС и выход, или

тела постеп е нно те ряют •1увствителы-юсть к воздействию

mраис-сторо ну, ближе к плазмалемм е. Крайняя цистерна

возникает, налример, при д иабете

II

каждой стороны соединена с сетью мембранных трубочек
и везикул (см. рис.

15-26,

А). Растворимые белки и мем­

браны попадают в сет:ь цис-Голъд:ж:и (cis Go lgi п etwork) в
составе транспортных везикул, отделяющихся от ЭПС.
Белки последовательно проходят через цистерны в со­
ставе транспортных везикул, отделяющихся от одной ци­

стерны и сл ивающихся со следующей. Выход белков сети

траис-Голъджи (tгап s

ктиви-

--

11111,V1111'' рованные
~

регулятор

Golgi л etwo гk)

происходит в составе

транспорт ны х везикул, налравляющих ся к пов ерх н ости

клетки или к другому ком партмен ту (см . рис.

рецепторы

15-18).

•rи­

тается, что и цис-сеть, и траис-сеть Гольджи играют важ­

111111'

ную роль в со ртировке белков. Белки, поступающ ие в цис­

т ранскрипции

сеть Гольджи, могут либо пе реме щаться в сто пку цистерн,
цитозоль

либо возвращаться в ЭПС , есл и о ни имеют сигнал удер­
жания в ЭПС. Белки, выходящие из сети траис- Iолъджи,
направляются в процессе сортировки в лизосомы или к

поверхности кл ет ки. Позд нее мы рассмотрим н екото ры е

8

ген

шаперона

при меры сортировки белков в сети транс-Гольджи, а из
ЯДРО

♦
мРНК шаперона

РИС .

15-25.

Неправильно свернутые белки в просвете ЭПС запу­

раздела ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ (с.

47 1- 472)

уз t~аем некоторr,1е

методы, п озволяющие следить за белками по мере их про­
движе ния по секреторному пути.

Многие олиrосахаридные группы , присоединен ные к

белкам в ЭПС, претер п евают в АГ дальней ши е модифи·

скают синтез шаперонов и увеличение размеров ЭПС. Неправиль ­

кации. На пример , на некоторых белках создаются слож·

но свернутые белки связываются с рецепторами , которые стимулиру­

ны е олиrосахаридны

ют образование бел ка-регулятора транскрипции. Бело к переносится в

го процесса, в ходе которого разные ф ерменты в строго

ядро , где он активирует ге ны , кодирующие шапероны и други е компо­

определен ной последовательности добавляют и удаляют

ненты ЭПС . Бл а годаря этому обеспечивается правильное свертывание

разные остатки сахаров по мере того, как белок переме­

цели путем высоко упорядоченно­

и процесси нг белков в нужном объеме . Та кая система регуляции носит

щается по цистернам АГ. М ежду положением в цеп и реа1<·

название « ответ на не с в ерт ывание белков ».

ций процессинга той р еакции, которую ускоряет ферм ент,

468

ГЛАВА 15. Внутриклеточные компартменты и внутриклеточный транспорт


а пп а р ат Гольджи

::гмsдж,[

т р анс п о рт н ая

цистерна

цис- Гол ьджи
меди а л ь н ая
цистер н а
транс­

сеть цистерна

[

транс- Гол ьджи

(А )

РИС. 15-26. Аппарат Гольджи состоит из стопок уплощенных, окруженных
мембраной полостей. (А ) Реко нструкция трехмерной структуры стопки цистерн
аппарата Гольджи , вы полнен ная по электронной микрофотографии АГ секретор­

ной клетки животного. Чтобы понять, как создаются такие трехмерн ые модели,
посмотрите ВИДЕО

15.6. ( Б ) Электронная микрофотография стоп ки цистерн А Г

Растител ьной клетки , где АГ особенно хорош о разл ичим . Ор иента ция АГ така я же,
как на рис. А . (В) АГ культивируемого фибробласта, окраше н ный специфич н о свя­
зывающими белки АГ флуоресцентными антителами. (А

из А. Rambourg, У. Cleymont, Eur. J. Се//. Biol. 51:

- с разрешения Elsevier

189- 200 , 1990; Б - сразрешени я

George Palade; В - с разре шен ия John Henley и Mark McNiven.)
20
н его локал иза цией в АГ существует ч еткая корреляция.

Ферменты, действующие на первых эта пах, находятся в

В до пол1-1 е ние

м км

к конститутивному экз оцитоз ному

пути , который постоянно дейс тву ет во всех эука риоти­

цисте рнах, ближайших к цис-пове рхности, адействую1ци е

tr еск их клетках, в

поздн ее

кр е ции , су ществ ует регулируемый Э1(.Зоцитозиый путь

-

ближе к транс- поверхности .

клетках, специализирующихся

на се­

(гeg u l ated

Секреторные белки высвобождаются из клетки
путем экзоцитоза

Во всех эукариотических клетках движется постоянный
Поток везикул, отпочковьшающихся от тра1-1с-Гольджи и
СJ~ивающих ся с плазмалеммой. Этот 1(.Оиститутивиый
экзоцитозиый путъ (constitutive exocytosis pathway) дей­
ствует постоянно и доставляет виовь синтезированные

ли пиды и белки к плазматической мембране ( ВИДЕО 15.7) .

Именно он обеспечивает увеличение площади плазмалем­

мы при рост клетки п еред делением. Тот же конститу­
тивный путь доставляет к пове рхности н екоторы е белки.
к_оторые будут выделены наружу путем секреции (secгe­

tion). Некоторые из выделяемых белков прикрепляются
< пов ерхности клетки и становятся периферическими

1

белками плазмалеммы; други е входят в состав внеклеточ­
ного матрикса; третьи диффуиди руют во внеклеточную
)J<идт<ость, обеспечивая питание или служа сигнальными
веществами для остальных клеток. Поскольку вступление

На этот путь не требует наличия специфичных сигнальных
nосJiедовательност й (как, например, для направления в
лизосомы или обратно в ЭПС), его иногда называют путъ
по Умолчанию (default pathway).

exocytosis pathway). Спе11иализирова1шые сеcells) образуют большие ко­
личества определенных продуктов - гормонов, мукуса,
пищ варительных ф е рментов и т. п. - которые за пасают­
ся в се 1< р еторных вези кулах ( sесгеtо гу vesicles) для по ­
1(.реторные 1(.Jlem1(.u ( sес геtо гу

следу ющей секреции. Эти везикулы отпочковываются от
сети траис-Гольджи и ска пливают ся под плазмалеммой.

Затем они ждут внеклеточного сигнала, nод действием
которого сливаются с пла змалеммой и выделяют свое

содержимое во вне uнною среду ( РИС . 15-27). Наприм е р ,
увеличение концентрации глюкозы в

крови сигнализи­

рует клеткам поджелудо чной железы о том, что ~,ужно
секретировать гормои инсулин ( РИС .

15-28).

Б елки, пр едназ н а ч е ш1ы е для ре гулиру емой секре­
ции, со ртируются и упаковываются в сети транс-Голджи.

Белки, двигающиеся по этому пути , имеют специалыrые
свойства пове рхности , заставл яющи е их агреrироваться

при низком рН и высокой концентрации ионов кальция,
характерных для сети тран с- Гольджи . Эти агр ег ирован­

ные белки упако вываются в секреторные в езикул ы , ко­
торые отделяются от сети и ждут сигнала, вызывающего

их слияние с плазмале ммой. Б елк и , выделяемые путем
конститутивной секреции, не агрегируются и достав­
ляются транспорт1-1ыми в езикулами к плаз мал ем м е ав-

Секреторный путь

469


вновь

РИС .

синтезированные

вновь синтезированные

В секреторных клетках от сети транс-Гольджи на­
конститутивный

-

и регулируемый. Мн огие растворимые белки выделяются из клетки ,

растворимые белки
для конститутивной

проходя конститутивный экзоцитозный путь, функционирующий во всех

/ ;КОНСТИТУТИВНАЯ

секреции

-.; 1\\ \ / СЕКРЕЦИЯ
- \ нерегулируемое
\
слияние

мембран

плазмалемма

анс-Гольджи

/

.-

(гормон или
нейромедиатор)

15.8). Этот

путь также обеспечивает постоянную до­

циализированные секреторные клетки имеют второй , регулируемый эк­

зоцитозн ый путь . Определенные белки в транс-Гольджи упаковываются
секретируются под действием внеклеточного сигнала. Как скопления

секретируемых белков попадают в специальные секреторные пузыр ьки ,
неизвестно. В мембранах секреторных пузырьков есть особые белки ;

передача

вероятно , какие-то из них действуют как рецепторы скоп лений секре­

сигнала

ИРУЕМАЯ

\

=~-

РЕЦИЯ

ре

.,

клетках ( ВИДЕО

ставку к плазмалемме вновь синтезированны х белков и липидов . Спе ­

в секреторные пузырьки , где они накапливаются и за п асаются, а затем

сигнал

аппарат Гольджи

15-27.

чинаются два отдельных экэоцитоэных пути

липиды плазмалеммы

торных белков, связывая и х в сети транс - Гольджи .

1

~ия

секреторная
везикула,

запасающая

томатически. Одна из ф ункций и зб ир ательной агрега­

секретируемые

ции

белки

-

увеличе ни е ко нцентр а ции сек рето рных белков;

внутри везикул она гораздо выше, ч ем

n

про свете АГ.

Повыш е ни е концентрации может б ыть двухсот кр ат­
ным, что позволяет секреторным клет кам быстро выде­
'

ВОПРОС

лять большое количество белка по сле зап уска секр еции

15-7

А Как вы думаете, что должно случиться с клетками, выделяю­

rl' щими

большое количество белков по регулируемому пути ,

( см. рис.

15-28).

Когда сек р ето рная или тран с п о ртная везикула ели·

если ионные условия (рН и концентрация ионов кальция) вну­

вается с п лазмалеммо й и высвобождает с во е содержи­

три их ЭПС изменятся и станут такими же , как в сети транс-Гольджи?

м ое путе м экзоцитоза, ее м е мбр а на становится частью

8

п лаз м але ммы. Это сильно у в еличив ает площад ь п лаз­
малеммы, но да нный эффект в р еменный: компоненты

наружной мембраны удаляются с д руги х ее участко в
п утем э ндо цитоза п о чти столь же бы ст ро , как и добав­
ляются при экзо цито зе. При этом и липиды , и белки
ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО

мембраны в езикул возв раща ются в а пп ар ат Гол ьджи ,
где мо 1'у т и с по льзоваться пов то рно .

секреторные везикулы ,
содержащие инсулин

ЭНДОЦИТОЗНЫЙ ПУТЬ
Кл етки эука риот путем эн д01(итоза постоя нно погло щают
воду с ра створ е нными в н ей крупными и м елкими молеку­

лами . С пеци ал и зирова нны е клетки м1-~огоклеточных жи­
вотных мо 1'ут также заглатывать крупны е ч.аст ицы, в том

числе и др у гие клетки. По гло щаем ы й материал по с те пен ­
но окружается у ч астко м плаз малеммы, который впячи ­
вается внутрь, а за тем отделя ется от пов ерх но сти клетки,

образуя э11доцитозиый пузырек ( e пdocyti c
L___J

0,2
РИС.

15-28. Секреторные пузырьки содержат и

мкм

выделяют концен ­

трированные агрегаты белков . На электронной микрофотографии

vesicle).

В конце

ко нцов погJющенны~i мате ри ал доставляет ся в л изосомъ1
и п е ре ва ривается в них . Продукты пище в ар ения пе р ен о­

сятся ч е рез м ембран у л и зосо м в цитозоль, где могут ис ­
пользо в ап,ся клеткой.

видно выделение инсулина во внеклеточное пространство из секретор ­

На основе разл ичий размеров образующихся э ндо­

ной везикулы панкреатичес кой р-клетки. Инсулин запасается в сильно

цитоз ных пузырьков выделяют два основных типа эндо­

концентрированном виде в каждой секреторной везикуле и выделяется

цитоза

только при действии на клетку определенного сигнала

точное лить

- повышенной
концентрации глюкозы в крови . (С разрешения Lelio Orci, из: L. Orci, J.D.
Vassali, F. Perrelet, Sci. Amer. 259: 85-94, 1988. С разрешения Scientific
American .)

470

(endocyto is).

(д и аметром

При пииоцитозе

(pinocyto is,

~юте·

1> ) поглощается раст вор и образу ются мелкие
менъше 150 нм) пузырьк и . При фаzоцuтозе

(pЬ agocy tosi s,

<< клето чное пожи рани е ~> ) заглатываются
кру пные частицы (микроорга низ мы , остатки п о еиб ши х

rЛАВА 15. Внутриклеточные компартменты и внутриклеточный транспорт


клеток) и об разуются кру п11ы е п уз ы р ьки

- фагосолtы
(phagosom s); и х д и ам ет р об ычн о п ре вы ш ает 250 н м . В то

Специализированные клетки-фагоциты
поглощают крупные частицы

в р емя как пин оцитоз свой ств е н е н в се м эу кар и отич ески м
кл т к а м , к р у п 11ы е ч аст ицы заглат ы ва ют в ос нов н о м спе­

циал и з ир ова нны е кл етки

-

На и боле

за м ет н ая фо рм а э 1-1 до ци тоз а

(p hagocytosis) -

фагоци ты .

В 1юсл ед н ем разделе данн ой ~·лавы мы разберем эн ­

фагоцито з

-

был в п е р в ы е о п иса н б ол ее ста лет иа ­

зад . Для многи х п роти стов фа гоцитоз сл у жит с п особо м

до цито з 1t ый путь , веду щий о т пла з м ал е м мы в л из о с омы .

п ит а ния :

На ч нем с расс м отрения захвата кру п 11ых ч астиц п утем

пищу (наприм ер , бактери й ) , з акл ю ч ая ее в ме мб р а 11 -

фа гоцитоза .

1-1ы е п уз ырьки

э ти

од нокл е точ н ы е

-

эу карио т ы

фа го сомы ( ВИДЕО

п огл ощ ают

15.9) . З атем фагосо-

ОТСЛЕЖИВАНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ БЕЛКОВ
И ТРАНСПОРТА ВЕЗИКУЛ
меченый

За предш ествующие годы биологи раз работали разнообраз­

изолированная

радиоактивной

ны е методики, поз воляющие распутывать пути и механизмы

+ oprnб

м еткой белок

сортировки бел ков и их транспорта в клетки , из клеток и в

& +~

раз ны е органеллы. Как нам уже известно , перенос сигналь­

ной п оследовательности для ЭПС на цитозольный белок

сигнальная

позволил ученым показать, что име1r1ю этот сигналып,1 й

последовательность

1

пептид напра вляет белок в специфичный внутрюu1еточный
компартме нт

-

в данном случ ае в Э П С (см. рис.

Таt<и е опыты с обменом сиrнат,ными пептидами

ИМПОРТ В ОРГАНЕЛЛУ

15-6). Но

-

неедин­

&

ствен:ный сп особ, поз воляющий проследить путь белков в
юrетке. Биохимические, генетические, молекулярно-биоло­

+

~ белок, транслоцированный
в изолированную органеллу

"!!:::!)

/

е11чес ки е м етоды , а также методы м:икроскопии поз воляют

следить за тем, как белки перем ещаются из одного клетоL1Н0t·о комп артмента в другой. Некоторые из этих методов по­
могают н аблюдать за п ереме щением белков и транспортных

везикул в реальном времени внутри живых клеток.

✓ аро,е,.,

'\_

.:•@
~
;~·.••
QIJ ,.
•

В пробирке
Белок, име ю щий сигнальную посJ1 едо вательностъ, можно
рат ко 1-1 кретной орган еллы . З атем мож но исследов ать эту
см есь, чтобы узнать, попал ли белок внутрь изучаемой ор­

меченый бело к

~·анел лы. Б елок обычно 1 юлу ч ают in vitl'Oс лом ощыо транс­
JLЯции в бесклеточной си стем очище нной мРНК, коди ру ­
юще й дат-1 ый поли пептид . Добавляя рад иоактивны е ам и­
l!оки слот ы , можно ввести в белок м етку, бл агодаря ч е м у
его ле гч е выявлять и выделятъ. Мече ный белок инкубиру10т вместе с и зуL1аемой органеллой, а за е го трансл окацией
сз~едят с помощью одного из многи х методов ( РИС. 15-29).

соосаждается

Спросите у дрожжей
l1еремещени е белков с помощью тра нспортны х везикул
Между раз ными клеточными компа ртме н тами активно и з ­
У чают генетичес кими методам и . И сследова ни м ута нтны х
дрожжевых клеток, у кото рых при высокой темп е ратуре
1
tapyu1eнa секреция, позвол ило иде н тифицироватъ более
Продол:нсение на с.

472

•

,.

+

~
/

поместить в проби рку, содержа щую очищенный препа­

.. .

#

•

)~

протеаза

с ор ган еллой

+ протеаза
(А)

РИС.

(Б)

+

детергент

15-29. Попал ли белок, несущий данную сигнальную последо­

вательность, в изолированную органеллу, с которой его смешали

в пробирке, можно узнать с помощью нескольких методов. (А) Ме­
чены й бело к с сигнальной посл едовател ь ностью или бе з н ее ин кубиру­
ют с органеллами , зате м см есь це н трифугируют. Только м еч е ные бел ки ,
соде ржа щие сигнальную посл едовательность , попадают в органеллы и ,

сл едов ательно , в ту же фракцию при це нтрифугирован и и . (Б ) М ече ны е

бел к и инкуб ируют с орга н еллой, а зате м в см ес ь доба вл11ют протеазу.
Бел к и , прон и кш ие внутрь орга н елл , будут и зб ирательно за щищены от
действиR протеаз ы . Добавле ни е дете рге нта, разрушающе го м е м б рану

орга нел л , с ним ает защиту, и эти бел ки также р ас щепл11ютс11.

Эндоцитозный путь

471


ОТСЛЕЖИВАНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ БЕЛКОВ ... (продолжение)
белки широко и с пользуют для изуче ния ло кали зации и

аппарат се к реторны е

эпс

Гольджи

пе редвиж иия белков в клетках ( РИС . 15-31 ).

вез и кул ы

На пр им р , слитые с

GFP

белки, перем щающиеся в

ядро и из ядра , можно использ овать для изуч ения эта пов

ядерного транспорта. Слитые с

GFP

белки плаз малемм ы

можно использовать для изуч е ния кинетиI<и их движения

бело к,
преднаэна -

нормальная

ченны й

клетка

мутант А
с нарушенной
се крецией

для

мутант Б
с нарушенной
секрецией

белок

белок

бело к

секретируется

накапливается

накапливается

вЭПС

в а ппар ате

се креции

п о секрето рному п ути. Сила и красота этого метода про ­

демо нстрированы на видео

15.1 , 15.7, 15.8 и 15.11.

Гольджи

РИС.

15-30. Для

изучения секреции белков у дрожжей используют

температуро-чувствительных мутантов. Мутации ге нов , участвующи х

в раз ных стадиях тран с порта бел ка, приводят к е го на копл е нию в ЭПС , АГ
ил и тран с портных вези кул ах. Н а прим ер, мута ция А , бло кирующая тра нс ­

порт и з ЭПС в АГ, вы з овет накопл е ни е бел ков в ЭПС . Мута ция Б , бло киру­
ющая вы ход бел ков из АГ, вызо вет на копл е ни е бел ков внутри АГ.

25

генов, вовлеченных в экзоцитоз. Многие из мутант­

ных rei-roв кодируют температуро- ч увствительные белки,
участвующие в транспорте и сек реции. Эти мутан тные

белки могут нормально работать при
носе клеток в среду с температу рой

25 ° С, но при п ере­
35 ° С они инактиви­

руются . В результате при повышении температуры куль ­

туралытой среды белки, предназн аченные для сек реции,
накапливаются в ЭПС, АГ или транспортных вез икулах
( РИС. 15-30).

РИС.

15-31.

Слияние с

GFP

позволяет проследить за перемеще­

нием белка в клетках. В да нном экс перименте

GFP сл ит с белк ом в и­

рус но й оболоч к и и экс пр е сс ируетс я в культи вируе мы х кл ет ках. В инф и­

в кино

цированных клетках в и рус ны й бел ок дв и жетс я п о секреторному пути из

Ве роятно , наибол ее з релищный метод слежен ия за белком
в пр оцессе его движеиия по клетке

-

это ис пользовани е

ЭПС к клето чной поверхности , где с обираются вирусны е ч астицы . Б ело к

в ирус но й обол о ч к и , ис пользуе мы й в дан н ом опыте, в результате мута­

для мечения полипептидов зелено го флуоресцент ного

ции эксп о ртируется и з ЭПС толь ко при н изк о й темпе ратур е. (А) Пр и вы ­

белка,

со ко й тем п е ратуре слит ы й с

GFP

(от англ.

методы генной

green fluoгescent protein). Используя
и нженерии, описан ные в гл . 10, этот ма­

ленький белок можно слить с другим клеточным бел ком.
Как оказалось, к счастью для уче ных присоеди нение

тем п е ратуры слиты й с
да из ЭП Р. ( В) Сл и т ый

GFP бел о к мет ит ЭПС . ( Б ) При понижени и
GFP бел о к б ы стро н ака пливается в точ ках вы хо ­
с GFP бело к затем движется к а пп арату Гольдж и .

GFP

(Г) На кон е ц , м е ч е ны й бело к дост и га ет плаэ м ал е ммы , которая по каз ана

к больши н ству изученных бел ков не мешает их нормаль­

эдес ь при больше м увел и ч ении . Св е ч е ни е между двум я белы м и стрел ­

ной работе или транспорту. За перемещением меченого с
помощью GFP белка в живой клетке можно наблюдать ,

л а , п е ренеся бело к в ирус но й оболоч ки на плаэмал е м м у. ( А-Г

ис пол ьзуя флуоресцентный микроскоп. Слитые с

решен и я

мы

сливаются

с л и зосо мами ,

и там

GFP

пищ е вы е частицы

ка ми

-

м есто , где с пл аэмал е мм ой слил ась одн а тра н с портная в ез и ку ­

-

с р аз ­

Jennifer Lipincott-Schwartz.)

эт ого они поглощают с я всасывающими клетками

вы ­

п е р евариваются . У многокл еточных организмов лишь

ст илк и кишки [ у большинства гру пп животных клетки

н е которы е

способн ы эффективно п оглощать

вы с тилки кишечника или е 1·0 желез за 1·л атывают круп ­

крупные частицы. Н а приме р, в киш еч нике животных

клетки

ны е ча ст ицы пищи и осуществляют внутрикле точно е

крупные куски расщ е пляются на отдельные мол е кулы

пищ е вар ение.

сек р етиров а ниыми в просве т кишечника фе рм е нтами

-

Прим . п ерев . ] .

Од нако фагоцито з важен для большинства живот­

[ крупные час тицы п ищи << рас ще пляются >> на молекулы

ных по другим п ричи~-1 ам , н е связанным с питани ем.

благодаря раство р ению; пищева рительные ферм е нты

Клетк и - фа гоци т ы

расщеп л яют молекулы.

крофаги

472

-

Прим . перев. ] , и лишь посл е

(ph agocytic ce\1 s) - в том числ е дtа·
(macrop hages), присутст ву ющие во многих

ГЛАВА 15. Внутриклеточные компартменты и внутриклеточный транспорт


тканях , и 11е которы е други е бел ы е клетки крови

з а­

-

щищают нас от инфе к!lиЙ , п е р е варивая вн е дрившиеся

Жидкости и растворенные в них макромолекулы
поглощаются путем пиноцитоза

микроорганизмы . Чтобы макрофаr· или другой фагоцит
проглотил частицу, сначала она д олжна с вязаться с по­

Эукариотические клетки постоянно поглощают порции

верхностью клетки и активировать один и з м1-~огочис ­

своей плазмат11ч еской мембраны в м есте с небольшими

лен 11ы х типов е е пов е рхностных рец е пторов. Некоторые

количествами внеклеточ ной жидкости. При этом образу­

из этих р е цепторов опознают антитела

белки, кото­

ются пиноцитозные везикулы, позднее возвращающиеся

рые з ащищают нас от инфекций , связываясь с по верх­

к пове рхности клетки. Скорость иитернализации плазма­

Rостыо микрооргани з мов. При связывании бактер ии ,

леммы при пиноцитозе

обле п ле 1-шой антителами, с рецепторами фагоцит вытя­

мости от типа клетки, но обычно она уд ивительно велика.

-

гивает листовидные выросты, одетые плазмалеммой

-

(pinocyto is)

варьирует в зависи­

Например, макрофаг за час поглощает объем жидкости,

псевдоподии (pseudopodia). О1-1и окружают бактерию
( РИС. 15-32, А) и соединяются своими концами, об р а­

равный 25% его собственного объема. Это означает, что на
образование пиноцитозных везикул уходит каждую мину­

зуя фаrосому. Затем фаrосома сливается с лизосомой,

ту около

и микроб переваривается. Некоторые болезнетворные

Скорость эндоцитоза у фибробластов несколько ниже, а

бактерии выработали в ходе эволюции уловки , позволя­

1-1 екоторые питающиеся путем фагоцитоза амебы погло­

ющие им избеrат1, этой систем ы защиты . Например ,

3% плазмалеммы, т. е. 100% примерно за полчаса.

My-

ща~от собственную п лазмалемму даже быстрее. Поскольку

cobactenum tubeгculosis, возбудитель туберкулеза, может

в процессе пиноцитоза общая площадь пов ерхности и объ­

rюдавлять слияние мембран фагосомы и лизосомы . По­

ем клетки не меняются , з и ачит, в ходе экзоцитоза к плаз­

глощенная бактерия не погибает и размножается внутри

малемме добавляется путем слияния с ней везикул столь­

макрофага. Как ей удается достить такого результата, до

ко же мембраны, сколько поглощается при эндоцитозе .
Пиноцитоз обычно происходит путем образования

сих пор неизвестно.

Фагоциты также играют вюю-rую роль в удалении по­

окаймленных клатрином ямок и везикул, рассмотрен­

врежденных клеток, мертвых клеток и их остатков. На­

ных выше (см. рис.

пример, в организме человека макрофаги ежедневно по­

плазмалеммы они быстро сбрасывают свою клатриновую

глощают более

шубу и слива~отся с эндосомой. Внеклеточная жидкость
при впячивании мембраны поп адает в окаймленную ямку,

крови

-

10 11

вышедших из строя красных клеток

эритроцитов (рис.

15-32, Б).

15-19 и 15-20).

После их отделения от

а затем в окаймленную везикулу. Таким образом, раство­
ренные во внеклеточной жидкости вещества попадают
внутрь клетки и доставляются в эндосомы. Это поглоще­

ние жидкости обычно уравновешивается ее поте рями при
п се вд о п од ии

экзо цито зе .

Рецептор-опосредованный эндоцитоз - особый
способ поглощения веществ животными клетками
Только что рассмотренный нами пиноцитоз н еизбира­
телен. Эндоцитозные пузырьки просто захватывают все
молекулы, присутствующие во внеклеточной жидкости, и

доставляют их в клетку. Однако у большинства животных
эндо ци тоз с помощью окаймленных клатрином везикул

обеспечивает также эффективный путь избирательного
поглощения из внеклеточной жидкости

определенных

макромолекул. Макромолекулы связываются с соответ­
ствующими р ец епто рами на пов е р хности клеток и пост у­
пают в клетку в виде комплексов с ре цепто р ами внутри

клатриновых везикул. В ходе этого процесса, называемого

фагоцит - белая ~
клетка крови

мкм

Рис. 15-32. Клетки-фагоциты поглощают другие клетки. (А)
Электронная микрофотография фагоцита крови (нейтрофила), загла­

ть,вающего делящуюся бактерию. ( Б) Сканирующая электронная ми­
крофотография макрофага, заглатывающего пару эритроцитов. Фор­
ма эритроцитов изменилась, так как их сдавливает макрофаг. Красные
стрелки показывают на края тонких выростов клетки - псевдоподий ~оторые выпускает фагоцит, окружая ими жертву. (А - с разрешения
orothy Е . Bainton ; Б - с разрешен ия Jean Paul Revel.)

рецептор- опосредованный эндоцитоз

endocytosis),

( гece pto.г-шediated

эффективность поглощения определенных

макромолекул может тысячекратно повышаться по срав­

нению с обычным пиноцитозом. Благодаря этому дости­
гается

концентрирование макромолекул, и даже при их

низком содержании во внеклеточной жидкости клетка

может поглощать их в больших количествах, не поглощая
ттропорционально большие объемы жидкости. Важный
пример рецептор-опосредованного эндо цитоза

-

погло­

щение животными клетками холестерина, необходимого
для создания новых мембран.

Эндоцитоэный путь

473


Холестери11

полностыо гидрофобен, и r~оэто му он

у ров ень холесте ри 11 а в крови, то для ни х ловыш е ~, а вер о­

п е ре нос ится кровью в комплексе с особыми белками в

ятно сть ранн ей смерт и от се рде чн о-сосуд и ст ы х н ару ше­

в иде ч аст иц, н аз ы ваем ы х липопротеиды 11из1,ои плотио­

ний , в частности и з-за за 1<улорки холестер ин ов ыми бляш­

сти (Л ПНП) . Л ПНП связ ываются с рецепторами н а гю ­

ками арте рий , с на бжаю щи х 1<ровью сердце.

ве рх но ст и клеток , а затем комплекс ре цептор -ЛПНП по 1·лощается

путе м

р е це птор -о посредова нного

Р еце r~тор-огюсредо ван ный

э 1 1до цитоз

и с п ол 1,зуется

э ндо цито за

таюке дл я поглощения многих друтих важных в е ществ, на­

и доставля ется в эндосому. Среда внутри эн досом более

r~риме р витамина В 1 2 и железа, которы е 1<л етк и н е могут nо ­

кислая, чем в цитозоле или внеклеточной жидкости . В

пющать с помощью м еханиз мов м ембра1шого транспорта,

этой зак исленной среде ЛПНП отделяются от ре це пторов.

описа1-1ных в гл.

Рецепторы вновь попадают в транспортны е везикулы и

приме р , для синтеза гемоглоб ина

возвращаются на плазма.лем му для повторного и с пользо­

цитов ; они

ва1-1ия, а ЛПНП внутри везикул доставляются в лизосомы .

цитов в комплексе с белками. Многие реценторы клеточ­

12.

Витамин В 12 и железо требуются, н а­

-

главного белка эритро­

посту пают в клетки - пр ед ш ественники э рит ро ­

В лизосомах ЛПНП рас ще пляются г идрол итич еск ими

ной поверхности, связ ыв ающи е сиrналы ,ы е внеклето•1ные

фе рме 1-1тами . Холестери1-1 высвобождается

посту пает

ве ществ а, таюке могут поглощаться п уте м э ндоцитоза; н е­

в цитозоль, ,·де используется для синтеза новых порций

которые впо следствИ"И возвр ащаются н а п лазмале мму для

и

мембра н . Поглощение рецепторов ЛПНП и их воз враще­

повторного и с пол ьзов а ния , а другие разру ш аются в л и зо­

ние на плазмале мму происходит постоянно , вне зависимо ­

сом ах. К сожалению, рецептор-опос редованный эндо цнтоз

сти от того , иагружены л и о~,и ЛПНП ( РИС.

Путь

гюглощения

15-33).

холестерина наруше н

научились ис пользовать многие вирусы:

у л юде й ,

унаследовавших дефектный ген белка-рецептора ЛПНП.

н априм ер , этим

луте м попадают в клетки вирус гриппа и вирус иммуноде­

фицита •rеловека (возбудитель СПИДа).

В некоторых случаях ре цепторы при это м отсутствуют; в

других случаях они есть, но н е работают. В обоих слу чаях,
поскольку клетки не могу т поглощать ЛПНП, х олесте рин
н ака пл ивается в крови; в р езультате возникает пр едраспо ­

ложенность к разв итию ате роскле роз а. Если такие люди

не приним ают особые лекарства (статины), сиижающие

Поглощенные при эндоцитозе макромолекулы
сортируются в эндосомах

Поскольку внеклеточный материал, поглощаем ый при пи­

ноцитозе, быстро пе ремещается в эндосому ( endosome), ее
можно визуализировать, добавляя в среду в качестве мар­
кера эле ктронноплотно е ве щество , а зате м поме щая срезы

~~

о.
,

одета я

клатрином

РА
ТОРОВ
МУ

1т:\

да удается выявить две гр у ппы э ,щосом. В е щес тво -маркер

сна чала попадает в

paimue

эидосомы

(ea rly

eпdosomes) ,

расгrоложеины е не пос редствеино под плазма.леммой. Че­
рез 5- 15 мин оно оказывается в поздии:х: эидосолшх (late eл ­
dosoines), располагающихся ближе к ядру ( см . ри с. 15-18).

'JE,/ - - .

вез и кула

СЛИЯНИЕ С

Э

клетки под электронный микроскоп. Визуализированный
таким способом э ндосо м11ый компартм ент представляет
собой сложн у ю сеть взаимосвязанных мембранных трубо ­
ч ек и более крупны х пузырьков . С помощью того же м ето­

Сливаясь друг с другом или с пр дсуществу ю1цими позд­

ОСОМОЙ

ними эндосома ми, ранни е э ндосомы посте r~ ен но соз рева­

ют, r~ревращаясь в поздние э н досо мы ( ВИДЕО 15.11 ) . Вн у­
три эндосо миоrо компартмента подде ржив ается кислая

с реда (рН
л изос о ма

5- 6)

с помощью н+ -АТФазы (протонной пом­

пы), встроенной в мембрану эн досом и п е рекачивающей

ги др оли тиче с к и е

ферме нты

r~ротоны в 11ро свет э н досом и з цито золя .

Эндосомtrый ком11артмент действует как главная со­
РИС.

15-33. ЛПНП

поступают в клетки путем рецептор - опосредо­

ртировочная станция на веду щем внутрь клетки э 1що ци ­

ванного эндоцитоза . ЛПНП связываются с ре цепторами н а п о верх н о­

тоз1юм пути (как сет ь транс- Голr,джи

ст и клетки и п оступают в н ее вн утри окайм л е нны х клатрином вез и кул.

ружу секрето р~юм пути) . Ки слая среда эндосомы играет

-

,ш ведущем на­

В езикул ы тер я ют обол очку и сливаются с э ндосомами . В кислой сре­

критич ес ки в аж н ую ро л ь в пр о ц ессе со рт ировки , заста в ­

де внутри эндосом ЛПНП отделяются от р ецепто ров. Рецепторы Л П НП

ляя мr-rогие ре целторы отделить свой груз. Судъба рецеп­

возвра щаются на плазмалемму в транспортных пузыр ь ках и могут ис­

торов, попавши х в эн досому, зависит от их типа:

пользоваться по вто р но, то гда как ЛПНП доставл я ются в ли зосомы , где

шин ство возвращается туда , откуда пришли

расще пл яются , высвобожда я свободн ы й хол есте р ин ( ВИДЕО

(1)

бол 1,­

-

на 11 лазма­

(2)
(3)

некоторы е

15.10).

лемму (как, наприм е р , рецепторы Л ПНП) ;

Дл я ясности п оказа н тол ько оди н рецептор ЛПНП , поступ аю щий внутрь

попадают в лизосомы , где разрушаются; и

клетки и возвращающийся на ее пове рхность. Независимо от того, на­

п е ремещаются на дру гой доме н плазмалемм ы , п еренося

гружен ли он ЛПН П , кажды й рецептор в среднем дел ает оди н оборот за

при этом молекулы ,·руза ск возь кл етку из одной частrr

н е которы е

1О мин , успевая сдел ать несколько сотен оборотов за двадцати ч асовой

внеклеточной среды в др угую в ходе проц есса, называемо­

п ериод своего существования.

rо тра11сцитоз ( t гaл scytosis) ( РИС. 15-34).

474

ГЛАВА 15. Внутрикл еточны е компартменты и внутриклеточный тран с порт


плазмалемма апикального

ВОПРОС

15-8

А Железо (Fe) в малых количествах необходимо всем клеткам.

конца клет ки

rl' Оно используется для синтеза гемма, входящего в состав ак-

Ь

ранняя эндосома ~

/ . . ~ ... о

транспортная
везикула

/

/

)

---0

8

тивного центра многих ферментов (например , ферментов элек­

трон-транспортной цепи) . Железо входит также в состав гемоглобина

-

главного белка эритроцитов . Клетки поглощают железо с помощью

рецептор-опосредованного эндоцитоза . Для поглощения железа ис ­

плотный

пользуются растровимый белок трансферрин , циркулирующий в кро­

конта~

вотоке , и трансферриновый рецептор

трансмембранный белок . Как

и рецептор ЛПНП (см . рис .

простоянно поглощается при

/

15-33), он

эндоцитозе и возвращается на плазмалемму. Ионы

~ лизосома
ядро

Fe связываются

с

трансферрином при нейтральном , но не при кислом значении рН . При
нейтральном рН трансферрин связывается с рецептором , только если
он « нагружен » железом ,: а при кислом рН

-

даже в отсутствие иона

железа . Исходя из этих данных , опишите , как же поглощается железо,
базолатераль­

и обсудите преимущества этой слож ной системы .

ная ст орона
клетки

Ка к и дру ги е о рга н елл ы , л изосомы н е толь ко со­

держат у ни кал ы-1 ый н або р ферментов, н о и и меют у ~1и ­

РИС. 15-34. Судьба белков-рецепторов, отвечающих за эндоци­

каль ~1 ъrй состав мемб ра ны . М е м бра ~, а лизосом содерж и т
белки-т ранс портеры, доставляю щи е ко н еLJНЬJе продукты

тоз, зависит от типа рецептора. Показаны три пути из эндосомного

рас ще пле н ия макромолекул (а м и н окислоты , саха ра и ну­

компартмента эпител иальной клетки . Неспецифически й путь ведет из

клеотиды ) в ц ктозоль . Зате м клет ка может выделить и х

Ранней эндосомы в лизосому, где рецепторы разрушаются . Возвращае­

в межклеточ н ую жидкость или и с п олъзовать сама. М ем­

мые рецепторы движутся либо обратно к тому же участку плазматической

бран а лизосом содержит также н +-АТФ азу (пр отон н ую

мембраны , откуда они пришли (рециклирование) , либо к другому участ­

пом пу ) . Она, как и протонная по мпа в мембране эн до ­

ку nлазмалеммы (трансцитоз) . Если лиганд не отделится от рецептора в

сом, закачи вает в н у тр ь лизосом прото н ы , поддержи вая в

кислой среде эндосомы , он последует по тому же пути , что и рецептор; в

них низ кий рН ( РИС. 15-35) . Бол ылин ств о белков лизо­

противном случае он попадет в лизосому и будет переварен .

сомалы-юй мембраны си ль но глю<озилированы ; саха ра,
л окры вающие б6лъ шую часть пове р хн ости белков, об ра­
щенн ой в просвет лизосомы , защи щают белки от пе р ева­

Бел ки-л и ганды, не отсоед и1-1 ив ш иеся от рецеп тора,
Разделяют е го судьбу. Те, LJТO отделились от рецепто ра,

ри ва ни я лизосомалън ыми пр отеазами .

осужден ы н а расщеп ление в лизосомах вместе с боль ш ей
частью соде ржимого п росвета эндосом ы . Поздние эндосо­
мы сод ржат н екоторые л изосо м алы-1 ые ферменты, так что
п е ревари вание белков и д руг их ма кромолекул начин ается

0,2-0,5

мкм

У>ке в эн досомах и продолжается параллел ьно с созрева­
I·rи е м э r-щосо м и и х превращени ем в лизосом ъr .

Лизосомы - основные органеллы,

нуклеазы

осуществляющие внутриклеточное пищеварение

протеазы
гликозидазы

М.~-юrие молекулы и более крупны е ч астиц ы, по глоще н­

липазы

ны е rоr еткой, заканчивают свой путь в лизосомах - ме ш 1<ах из мембра ны с гидрол итическими фе рментами внутри,
кото рые осуществляют контроли руемое переваривание

фосфат азы
сульфатазы
фосфолипазы

13 1 1

• е 1<леточ 11о го матери ала и изнош еи.ных орган елл. Лиза­

сомы содержат около 40 типов гид роли тических фермен­
тов, в том ч и сле ферменты, с п особ ны е рас ще плять белки,
11
· Ую1еинов ы е ки слоты, олигосахар иды и фосфоли пиды.

А1<тиDr-юстъ всех этих ферментов максимальна в кислой

ер

еде ( рН -5), кото рая поддерживается в лизосомах. М ем-

6Рана лизосом об ычно отго раживает эти раз ру шителы-1ые
Ферменты от цитозоля (рН которого - около 7,2); н о то,
Что Ферменты активируются в кислой среде, защи щает ци­
тозоль от повреждения даже в том случае, ко гда какое-то
l<од11чество л изосома.тrы-1ы х ферм ентов п опадает в него.

РИС.

15-35.

Внутри лизосомы содержатся гидролитические фер­

менты, а в ее мембране

- протонная помпа. Кислые гидрола з ы -

гидролитические ферменты , активные в к ислой среде. В полости ли зо­

сом кислотны й рН поддержив ается з а счет протонной АТФазы , за качи ­
в а юще й протоны внутрь лизосомы .

Эндоцитозный путь

475


Пищеварител ьные ферменты и мембраиные белки

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

лизосом синтезируютсн на мембране ЭПС и транспор­
тиру ются через АГ и сеть mраис- Гольджи. В ЭПС и сети

•

Эукариотические клетки содержат множество мембранных

цис-Гольджи эти белки метятся спе циальным фосфори­

орrаt1елл

лированн ым остатком сахара (маннозо-6-фосфат, м-6-Ф),

Го;rьджи (АГ), лизосомы, эндосом ы , митохондрии, хлоро­

и по этой метке в сети транс- Гольджи их может опознать

подходящий рецептор

-

рецептор м-6-Ф. Метка позво­

-

ядро, эндоплазмати•1ескую сеть (ЭПС), аrшарат

пласты (в растительных клетках) и п е роксисомы.

•

Большинство белков органелл синтезируется в цитозоле, а

ляет отсортиро вать ф е рм енты лизосом и упаковать и х в

затем доставляется в те органеллы, где они работают. Сор­

транспортные

л и зос омам

тировочные сигналы в аминокислотной последовательно­

Раз ные вещества поп адают в лизосом ы различны ми

ботающие в цитозоле, не имеют таких сигналов и поэтому

в ез икул ы,

направ л яющиеся

через поздние эндосомы (см.рис.

к

сти направляют белки в правильные орган еллы; бел1(и, ра·

15-18).

путями, в зави симости от их истоlrника. Как нам уже из­
вестно, крупные виеюrеточные частицы попадают в фа~·о­

остаются там, где образовались.

•

жидкость с содержащим ися в н ей макромолекулами

-

через ядерные поры, пронизывающие двумебранную обо­

в

лочку ядра. Белки попадают в ядро в свернутом состояtmи.

мелкие эндо цито зн ые везикулы, соде рж имо е которых по­

падает в лизосомы через эндосом ы. Но у клетки есть е ще

Ядерные белки имеют сигнал ядерной локализации, благода­
ря которому происходит их активный транспорт внутрь ядра

сомы, которые сл иваются с л и зосомами, а внеклеточная

•

Большинство белков митохондрий и хлоропластов синтези·

один путь поставки веществ в лизосом ы . В ходе процесса ,

руются в цито золе и активно транспорти руются в орга11ел·

называемого аутофагuя

лы с помощью белковых транслокаторов в их мембранах.

(au.tophagy),

попадают в лизосо­

мы и разрушаются в них отслужившие части самой клет­

Белки должны быть развернуты, чтобы проползти через

ки. На прим ер, на электронных микрофотографиях клеток

трансло1(атор в мембране митохондрии или хлоропласта.

пеlr ени ч асто можно видеть лизосо мы,

перева риваю щие

•

ЭПС

-

это фабрика клеточных мембран; в ней создается

митохондрии и другие о р ганеллы. Этот процесс на чинает­

большинство липидов клетки и многие из ее бетщв. Белю,~

ся с заключения органеллы в двойную мембрану. При этом

синтезируются в рибосомах, сидящих на цитозолыюй сто­

возникает аутофагосоjна

(autophagosoine), которая

сливается с лизосомой ( РИС.

затем

15-36) . С помощью каких ме­

рон е мембраны шероховатой ЭПС.

•

Рибосомы направляются из цитозоля на мембрану ЭПС,

ток клетка отмечает органеллы, подлежащие уничтоже­

если они синтезируют бело1(, содержащий сигнальную по·

нию, н еизвестно.

следователъность для ЭПС. Эта последовательность опоз­
нается сигнал-распознающей частицей

(SRP)

в цитозоле.

Связывание комплекса рибосома-SRР с рецептором

SRP

на мембране ЭПС запускает процесс транслокации, в ходе
которого растущий полипептид проталкивается внутрь

ЭПС сквозь трансло1шционный канал в ее мембране.

•

ФАГОЦИТОЗ

Растворимые белки, предназначенные для се1(реции или

работающие внутри органелл, целиком проходят через

- фагосома

мембрану ЭПС в просвет. Трансмембанные белки ЭПС
или других клеточных мембран остаются заяко ренными в

липидном бислое ЭПС одной или несколькими пронизыва·

ющими мембрану а-спиралями.

•

В просвете ЭПС белки сворачиваются, образуют комплек­
сы с другими белками, формируют дисульфидные связи и

оцитоз поздняя

покрываются олигосахаридными цепями.

эндосома

•

На выходе из ЭПС осуществляется важ11ый этап контроля

J(ачества белков. Неправильно свернутые белки или белки,

~

- --

аутофагосома

не образовавшие комплексов с правильными партнерами,

удерживаются в ЭПС белками-шаперонами и впослед·

АУТОФАГИЯ

ствии ра зрушаются.

•

Накопление в ЭПС неправильно свернутых бел1шв за·
пускает клеточный ответ, приводящий к увеличению раз·

меров ЭПС и ее способности контролировать правилыrое
РИС.

15-36.

свертывание белков.

Вещества, подлежащие перевариванию, попадают в

лизосомы разными путями. Каждый путь заканчивается внутрикле­

•

Транспорт белков из ЭПС в АГ и из АГ к другим пунктам
назначения происходит внутри транспортных везикул,

точным перевариванием веществ , получаемых из разных источников .

Отслужившие органеллы окружаются двойной мембраной , образующей

Они постоянно отделяются от одних мембран и сливаютсn

аутофагосому. Эти органеллы могут сливаться с лизосомами (или позд­

с другими в ходе везикулярного транспорта.

ними эндосомами), содержащими гидролитичес кие ферменты , перева­

•

Почкующиеся транспортные везикулы имеют на своей u.и·

ривающие их содержимое . От « классических » лизосом они отличаются

тозолыюй поверхности характерную белковую оболочКУ·

только тем, что в ни х перевариваются вещества из другого источника .

Сборка этой оболоч.ки необходима для образования и от·

476

ГЛАВА 15. Внутриклеточные компартменты и внутриклеточный транспорт


•

•

•

деле11ю1 пуз ырька. Белки обол очки помогают вкл ючить

В . Все транспортные везикулы клетки должны иметь на своей

р еце пторы со связанными молек ула ми груза в состав фор­

мембране белки

мирующегося пу з ырька.

Г. Транспортные вези кул ы высвобождают белки и липиды на по­

v-SNARE.

О1саймленные пузыр1,ки вскоре после отделе ния теряют

верхности клетки .

свою белковую оболочку, что позволяет им состыковаться

Д. Если блокировать перемещение будущих лизосомальных

и слиться с определенной мембраной-мишенью. Стыковка

белков из сети транс-Гольджи в поздние эндосомы, то лизосо­

и слияние опосреду ются белками мембраны пузырька и

мальные белки будут выделены из клетки путем конститутивного

мембраны-мишени, в том числе RаЬ -белками и

экзоцитоза, по каза нного на рис.

SNARE.

15-27.

В аппарат Гольджи вновь синтезированные белки попа­

Е. Лизосомы переваривают только те вещества, которые клетка

дают из ЭПС. В АГ модифицируются олигосахаридные

поглотила при эндоцитозе .

цепи белков и происходит их сортировка. От сети транс­

Ж. N -связанные олигосахаридные цепи есть на гликопротеидах ,

Гольджи белки направляются к плазма.,1емме , в лизосомы

которые находятся на наружной поверхности клетки , а также

и л и в секреторные везикулы.

на гликопротеидах , направленных внутрь просвета ЭПС , сети

Во всех эукариотических клетках транспортные везику­

транс-Гольджи и митохондрий.

лы постоянно отделяются от сети траис-Гольджи и сли­

•

•

•

ваются с наружной мембраной . Этот процесс 11азывается

ВОПРОС

1сонститутивным экзощпозом. При этом в состав ш1азма­

Некоторые белки перемещаются взад-вперед между ядром и

леммы попадают белки и липиды, а также высвобождается

цитозолем . Для выхода из ядра им необходим сигнал экспорта.

содержимое везикул в ходе секреции.

Как вы думаете, каким образом они попадают внутрь ядра?

15-1 О

Специализированные секреторные клетки тоже имеют
регулируемый экзоцитозный путь . Движущиеся по этому

ВОПРОС

пути вещества сначала запасаются в секреторных везику­

Вирус грип па окружен мембраной , содержащей белки слия ­

15-11

лах, а затем выдел яются в ходе секреции при получении

ния, которые активируются при низком рН. После активации

клеткой соответствующего сигнала.

эти белки вызывают слияние вирусной мембраны с клеточной.

Кл етки поглощают растворенные вещества , а иногда и бо­

Старый народный способ лечения простуды рекомендует про­

лее 1сруш1ы е частицы, в ходе эндоцитоза. При этом участ-

вести ночь в коню шне. Как ни странно , этот совет имеет раци­

1си плазмалсммы впячиваются и отделяются, формируя

ональную основу. В воздухе коню шни повышено содержание

эндоцитозные пузырыси.

аммиака

Большая часть веществ, поглощаемых при эндоцитозе, до­

Нарисуйте подробную схему проникновения вируса гриппа в

ставляется в эндосомы, а оттуда

-

в лизосомы, где расще­

(NH 3 ),

производимого бактериями из конской мочи.

клетку и объясните , как аммиак может защитить клетку от ви­

пляется гидролитическими ферментами. Однако при этом

русной ин фекции . (Подсказка : аммиак нейтрализует кислоты в

многие 1сомпоненты мембраны э ндоцитозных пузырысов

ходе реакции NH 3 + н • -> NH; .)

ре11иклиз уются, попадая в составе транспортных везикул

на наружную мембрану для повторного использования.

....~·
~...
...
,.

~nocnuo~

~С111'8М­

15-12

Рассмотрим

v-SNARE,

направляющие транспортные везикулы

от сети транс-Гольджи к наружной мембране . Эти белки , как

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

QТНТЖI:

ВОПРОС

"roцtn'OI
ЦИТОIОЛII

IU8pOXOICIТCII ЭПС
~чtаса

С8111(ЭПС)

и остальные

v-SNARE

относятся к мембранным белкам , кото­

рые включаются в состав мембраны ЭПС во время их биосин­
теза , а затем перемещаются в составе транспортных везикул

к пункту назначения. Таким образом , транспортные вези кулы ,

отделяющиеся от ЭПС, должны содержать как минимум два

81fАОСОМС1

типа

IQOIUn'Oa

Гольджи, и те , что обеспечивают переход к сети транс-Гольджи ,

lltДOЦltlOI

где происходит упаковка веществ в разные транспортные вези­

..-.рма1 а6оnочка

к улы , направляющиеся к плазмалемме . (А) Почему это может

11Д8р1К111

nopa

куnа

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ
ВОПРОС 15-9

Выберите верные утверждения. Неверные утверждения ис­

правьте, указав правильный ответ.
~- Рибосомы - структуры цитоплазмы клетки; во время синтеза
Бел ка они связываются молекулами мРНК в полисомы .
А . Аминокислотная последовательность Leu-His-Arg-Leu-Aspla-Gln-Ser-Lys-Leu-Ser-Ser - сигнальная последовательность,
Направляющая белки в ЭПС .

v-SNARE -

те , что направляют везикулу к цистернам цис­

представлять проблему? (Б) Как вы думаете , какими способами
клетка может решать эту проблему?
ВОПРОС

15-13

У некоего мутанта дрозофилы наблюдается паралич при повы­
шенной температуре . Мутация влияет на структуру динамина

-

мутантный динамин при высокой температуре не активен . (И
на самом деле функция динамина была открыта при изучении
мутантов плодово й мушки . ) Полный паралич при высокой тем­
пературе может возникать из-за того, что между нервными и

мышечными клетками нарушена синаптическая передача (см .

гл.

12). Выдвиньте предположение, почему для передачи сигнала

в синапсе нужен динамин . На основе своей гипотезы предполо -

Вопросы в конце главы

477


жите , что вы увидите на электронной микрофотографии синапса

мутантной мухи при высокой температуре .

Этот белок отвечает за избирательную кратковременную невос ­
приимчивос ть и потерю памяти , ко гда слуховая система полу ­

чает информацию типа « Пожалуйста , вынеси мусор! » . Гипотеза
ВОПРОС

доктора состоит в том, что форгеттин содержит гидрофобную

15-14

Исправьте ошибки в следующем отрывке: « Поскольку сигналы

сигнальную последовательность для ЭПС на своем С-конце, ко­

ядерной локализации не отрезаются протеазами после импорта

торая опознается

белков в ядро , они могут использоваться для импорта ядерных

с помощью механизма , показанного на рис .

белков обратно после митоза , во время которого белки ядра и

сказывает, что белок секретируется из эпифиза в кровоток, по­

цитозоля перемешиваются. Этим они отличаются от сигнальных

этому он и оказывает свой разрушительный системный эффект.

SRP и

вызывает перенос через мембрану ЭПС

15-14.

Она пред­

последовательностей для ЭПС , которые отрезаются пептида­

Вы

зами сигнального пептида, как только попадают в просвет ЭПС.

на дальнейшие исследования форгеттина. Раскритикуйте ее ре­

-

член комиссии, решающей, следует ли выделить ей грант

Поэтому сигнальные последовательности для ЭПС не могут по ­

зультаты . Помните , что рецензии на заявки грантополучателей

вторно использоваться после митоза, во время которого пере­

должны быть вежливыми и конструктивными .

мешиваются с цитозольными и белки ЭПС ; белки ЭПС разруша ­
ВОПРОС

ются и синтезируются заново » .

15-20

Продолжив на один этап эволюционную схему на рис.
ВОПРОС

15-3, пред­

положите, как мог возникнуть в ходе эволюции аппарат Гольджи .

15-15

Предположим , что белок содержит на N-конце сигнальную по­

Нарисуйте схему для иллюстрации вашей гипотезы . Что еще

следовательность для ЭПС, а в середине цепи

должна была приобрести клетка в ходе эволюции , чтобы аппарат

-

сигнал ядерной

локализации. Какова будет судьба этого белка? Ответ поясните .

Гольджи мог функционировать?

ВОПРОС

ВОПРОС

15-16

Укажите сходства и различия транспорта белков в ядро и в ЭПС.

15-21

Если мембранные белки интегрируются в мембрану ЭПС с по­

Укажите как минимум два главных отличия в механизмах этих

мощью транслокационного канала, который сам состоит из мем­

процессов. Объясните , почему, по вашему мнению , механизмы

бранных белков, как тогда первый белковый транслокационный

транспорта в ЭПС не могут быть использованы для импорта в

канал попал на мембрану ЭПС?

ядро и наоборот.
ВОПРОС

15-17

ВОПРОС

15-22

На рис .

815-22

схематично показана электронная микрофото­

Во время митоза ядерная оболочка распадается и ядерные бел­

графия, изображенная на третьей части рис .

ки полностью перемешиваются с цитозольными . Согласуется ли

названия структур, помеченных на схеме буквами.

это со схемой эволюции клетки, показанной на рис .
ВОПРОС

15-3?

15-18

Белок, ингибирующий некоторые протеолитические ферменты
(протеазы), в норме секретируется в кровь клетками печени .

Этот белок-ингибитор , антитрипсин , отсутствует в кровотоке у
пациентов с мутацией , приводящей к замене одной аминокис ­

лоты в этом белке . Дефицит антитрипсина вызывает массу се­
рьезных нарушений, особенно в легочной ткани, из-за неконтро­
лируемой активности протеаз . Почему данная мутация может

вызвать заболевание? Постарайтесь предложить несколько воз­
можных причин и способы выяснения того, какая из них имеет
место в реальности .

ВОПРОС

15-19

Доктор Сногсшибайт гордится своим открытием форгеттина

-

белка, преимущественно производимого эпифизом подростков .

478

РИС. В15-22

ГЛАВА 15. Внутриклеточные компартменты и внутриклеточный транспорт

15-19, А.

Укажите


-

·,#

.
i

.
--li~

;·'\,{1

.... -..~

~ ~~ ... ~;

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ МЕЖКЛЕТОЧНОЙ

постоянно взаимоде йствуют д руг с д ругом. Межклеточ­

СИГНАЛИЗАЦИИ

ны е вза имод е йствия позволяют расте ниям р еа гировап, на

РЕЦЕПТОРЫ, СОПРЯЖЕННЫЕ

клы их роста, цвете ния и п лодоношения. В заи модейст вия

фотопериод и и зм е н ения те мпературы , регул ирующи е ци ­
клеток т акже по зв оляют р асте 1-1иям коо рдинировать про­

С G-БЕЛКАМИ

цесс ы , и дущи е в корнях, стеблях и листьях .

РЕЦЕПТОРЫ С ФЕРМЕНТАТИВНОЙ
Активностью

В этой главе мы рассмотрим н екоторые из наиболее

важных способов обмена сигн алами между кл етками; мы
разберем, как клетки посылают сигналы и как они инте р­
претируют п олуче нные си пrа.11ы . Хотя в осно в н ом ivlЫ со­

Отдельные клетки , как

м н огоклеточн ы е о рга н измы,

с редотоlrимся н а восприятии с игн а.1юв и их инте рпретации

дОJJжны чувствовать изменения с реды и отвечать на 11их.

животными клетками, мы также сделаем краткий обзо р

Свободноживущая клетка - даже п ростейшая бактерия -

известных да ш-1ых о межклеточ ны х взаимодействиях у

должна находит~, пищу, отл ичап, свет от темнот ы, избе гат1,

растений. Начн ем обсуждение с обзора общих принципов

Хищников и воздействия ядов . А если у таких клеток есть

м ежкл еточной сигн ализа ции, а затем разбе рем две системы

1<а1<ая-нибудь форма <<об щест ве 1ню й жиз ни ~., он и должны

и з числа н аиболее важнь1 х, с п омо щью кото рых живот ные

еще и у м еть взаимодействовать с дРУ L"ИМИ клетками. На­

клетк и восприн и мают и инте рпр ет ируют с игналы .

11

пример, коеда клетка д рожжей еотова к спар иван ию, она

Вьщсляет н ебол ьшой белок, наз ываем ый фактором спа­
Рива ни я (а-фактор). Кл етки д рожжей лротивополож н о­
rо << пола~.> (типа сн ар и вания) ч увствуют этот химический
rtрнз ыв к с п а риванию и отвечают 11 а н его - прекращают
1
·юдготовку 1, деле нию и тянутся к источнику си п-1ал а

(РИС.16- 1 ) .

В многоклеточ н ом ор 1"ани зме дело обстоит намно­
l'о слож н ее. Чтобы скоордини ро вать поведение, клетки

дотк н ы и нте рпр тировать множество сип-1 алов, полу ~ае­
Мых от д руг 11х кл еток. Наприм е р , в ходе разв ития эмб ри ­
о н а животного клетки обмениваются сне налами, чтобы
определит~, направление сп еци ализа ции каждой и з 11и х в
зави с имости от положе ни я в теле животного, а также опре­
делить, какие и з ни х долж ны делит ься, просто выживать

¼.11и умерет 1,. В более поздний п ериод множество сигналов
J·tуж:ны для коор;tи 1-1 а ци и роста, повсед 1-1 ев ны х физиоло­
r11чес1, и х фу нкциi1 и п оведения. Клетки растений также

(Б)

(А)

РИС.

16-1 .

Клет ки дроJКJКей отвечают на фактор спаривания .

Клетки почкующи хся дрожжей

Saccharomyces cerevisiae

имеют сфе­

ричес кую форму (А) , но при воздействии фактора спаривания , про­
дуцируемого соседними дрожже выми клетками, они образуют вырост,

направленный к источни ку фактора спаривания (Б) . Такие клетки , из­
менившие форму в ответ на воздействие фактора с п аривания, стали
называть « шмуз ы » (от англ.

shmoos)

из-за сходства с вымышленными

существами с похожей формой тела, изображенными в

1940 г.

на кл ас­

сическом рисун ке американского ка ри катуриста Аль Каппа. (С р аз ре­
ш е ния

Michael Snyder.)


ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ МЕЖКЛЕТОЧНОЙ

(А ) ЭНДОКРИННАЯ
СИГНАЛИЗАЦИЯ

СИГНАЛИЗАЦИИ

(Б) ПАРАКРИННАЯ
СИГНАЛИЗАЦИЯ

эндокринная
ре цептор

клетка

клетка­
передатчик

Информация может передаваться в раз ны х формах, и ком­
муникация

часто

в ю1ючает превращение

сигналов,

пер е ­

носящих информ ацию из одной формы о другую. Напри­

мер, когда друr звонит вам по мобильному телефону, ваш
мобил.ь. ный телефон прев ращает радиосигналы, п ередавае­
мые по воздуху, в звуковые волны, воспринимаемые вашим

ухом. Процесс этого превраще ния называется передачей

сигнала, или трансдукцией

(signal transduction) ( РИС. 16-2).

( В) НЕРВНАЯ ПЕРЕДАЧА
СИГНАЛА

Сигналы, которыми обмениваются живые клетки,
проще сообщений, обычно передаваемых людьми. В ходе

(Г) КОНТАКТНАЯ
СИГНАЛИЗАЦИЯ
кл ет ка­

клет ка­

перед атч ик

миш ень

титrичJ-юго межклеточного взаимодейст вия 1Ulеm1са-пере­

датчик

(signaling cell ) выделяет определенные ситш~ыtые
(sigoal mo l.ecules), а юtетка-мишеиъ (ta,·get cell)

моле1сулы

распознает их присутствие. Как и при общении людей,

т ело
клет к и

мишень

нейромедиатор

большинство клеток живоп-rых и п ередают, и восприни­

мают сигналы, так что одна и та же клетка может быть в
зависимости от с итуации и клеткой-передатчиком , и клет­

r<ой-мишенью. У кл ето к-мишен ей есть белки-рецепторы,
распоз нающие сигнальные молекулы и обеспечивающие
спет(Ифический ответ на них. Передача сигнала проис­

ходит, когда белок-рецептор на клетке-мишени пол у чает
входящий внеклето,шый сиг н ал и превращает его во вну­
триклеточиый сигнал,

и з меняющий поведе ние клетки.

Б6льшая часть этой главы посвящена ре цепции и п е реда­

че сигнала

-

событиям, которые имеют в виду клеточные

биологи, говоря о меж1,леточной сигнализаци и . Однако

РИС.

сигнальная молекула

на клеточной мембране

Клетки животных могут передавать сигналы разными

16-3.

способами . (А ) Го р мо н ы образуются в эндокрин ных жел езах , выделяют­
ся в кровоток и распространяются п о всему телу. (Б) П арак р инн ы е сиг­
н аль н ые ве щества в ыделя ются клетками в окружающую их межклеточную

ж идкость и действуют л о кально. ( В ) Н е рвн ые сигнал ы п ередаются по ак­
со н ам к удаленным клеткам-ми ш е н ям . (Г) П ри ко нтактной сигнализации
мол екул ы клеточной по верхн ости связ ы ваются с белком-реце п тором н а
соседн ей клетке. М но гие сходн ые ти п ы си гн альных мол екул ис п ол ьзуют­
ся и для э ндокрин н ой , и для паракри н ной, и для н ервной сигнализации.

В аж н ей ш ие разл ичия между этими способами

-

скорость и избиратель ­

ность, с которой сигн ал п ередается ми ш еням .

сначала мы кратко рассмотрим разные типы сигналов, ко­

торыми обмениваются клетки.
лот и даже раствореюrыми газами. Но клетки используют

ли шь ~1есколько основных слособов n ереда,rи сигналов.

Сигналы могут действовать на малом

Наибол ее << публичный~ способ передачи сигнала умно­

или большом расстоянии

гоклеточных

Для обмена сю'налами клетки миоrоклеточного организ ма

-

это его широкове щател r,ное распространение

по всему орrю-rизму путем секреции сигналы-юго вещества в

использу ют сотни разных видов молекул. Сигнальные мо­

кровяное русло [гормоны есть у всех животных, в том чис­

лекулы могут бъп ,, белками, пептидами , аминокислотами,

ле и у лишенных кровяного русла (например , у гидры ит1

нукл еотидами, стероидами,

прои з водными жирных

кис-

н ематод).

-

При.м. перев. ] (у животных) или флоэмный сок

(у растений). Сигнальные молекулы, ислользуемые таким

способом, называются гормонами, а клетки животных, вы­

вн еклеточн ый си гн ал

деляющие гормоны, ~, азъrваются эидо1Сриmtы.ми 1Ulem1caмu

(ВХОДЯЩИЙ ,
мол екул а А )

(endocгiлe
вн утр и ­

клеточны й

cells)

( РИС. 16-3, А). Например, часть клеток под­

желудочной железы работают как э ндокринная железа. Он11
вырабатывюот гормон инсулин, реt"улирутощий поглощение
глюкозы тшетками всего тела (и ряд ругих гормонов).

Несколько менее << широковещательный ~ с пособ - это

паракрuтtая сишализация (paгacrine si gпaling). В этом
случае си гн ал ьные молекулы не попада ют в кровоток, а

диффундируют на короткое расстоя,-,ие че рез межкл ето ч ­
(Б)

(А )

ную жидкость, оставаясь по соседству с выделившей их
клеткой. Таким образом, они служат медиаторами мест·

РИС.

16-2. Трансдукция

сигнала

-

процесс, в ходе которого один

•юго действия

(local rnediato1·s), влияя

на соседние клетrо,r

тип сигнала превращается в другой. ( А ) П рин им ая сооб щение, со­

(рис.

тов ы й тел ефо н п р ев ра щает радиосигнал в звуковой сигнал , а переда ­

ны е молекулы, р е гулирующи е вослаление в месте проr-1ик ­

вая

-

наоборот. (Б) Клетка-ми ш ен ь превращает внеклеточный сигнал

(мол екул у А) во внутриклеточ ный (мол екулу Б) .

480

fЛАВА 16. Межклеточные в з аимодействия

16-3,

Б). Таким способом действуют многие сипrаль­

нов е ния инфекции

или ко~пролирующие раз множение

клеток при заживлении ран. В н екоторых случаях клетки


белок­

реагируют на м ~иатор м стного действия , который сами

ж

и образуют; этот ва риант паракришюй ре гуляции на ­

з ывается аутокриипой сишализациеи (autocгiп e sigпal iлg).
ственное выживание или ра з множ е ни е.

-

третий с п особ межкл е­

точ н ой сигнализации. Как и э ндокринные клетки, н ервные

• •
•

п о принцип у «всем-всем-всем! >> . Вместо этого он быстро
и избирательно доставляется к 1<онкретным клеткам- ми ­
нов. Как описано в гл.

12, аксоны

отросткам нейро­

нервн а я клетка ,

неспециализированные

нейронов оканчиваются

СПЕЦИАКЛЕТОК

•

•

расстоя н ия . Одиако в таком случае сиг н ал не передается

-

Notch

ЛИЗАЦИЯ

клеши (нейроны) могут передавать сигналы на боль ш ие

шеням по их лич ным линиям связи

р е цептор

бело к-ингибитор

Delta

Таким путем ра r<овые клетки иногда обеспечивают соб­
Н е рв н ая переда ч а сигнала

м е мбранный

эпи т ели а льные клет к и

ра з вившаяся из

э пителиально й

на клетках-мишенях , которые могут находип,ся далеко

-

си1iаnсы

(synapses)

(рис.

16-3,

в нервные
подавлено

В).

Налример, длииа аксонов, тянущихся от спинного мозга

РИС.

к больш ому п альцу ноги, может превышать

ровку нервных клеток у плодовой мушки

1 м. Возбуж­

даясь при п олуttении сигн ала из окружающ ей сред ы и ли

клет к и , пр е вра ­
щение к оторы х

от тела нейрона, образуя сnе1 1 иа.11изированные межкле­
точные контакты

эпители а льны е

16-4.

Контактная сигнализация контролирует дифференци­

Drosophila. Нервная систе ма

мухи развивается в ходе эмбриогенеза из пл аста э пителиальных клеток.

от другой нервной клетки, н ейрон п осылает электриче­

Н екоторы е клетки этого пласта превращаются в ней ро ны , в то в рем я как

ские импульсы, мчащиеся по аксо ну со скоростью до

их соседи остаю тся э пители ал ь н ы ми и подце рж ива ют цел остност ь п ласта.

100

м/с. Достн1·ая окончания аксона, эти электрические сиг­

С игн ал ы , контролирующие этот процесс, передаются при п рямых межкле­

налы превращаются в химические: под действием каждо­

точных контактах: кажды й будущи й не йрон пе редает окружающим клеткам

го импульса из нервного окончания выделяется порция

с игнал , пода вляю щий их превра щение в ней рон ы. Как сигнальная молеку­

внею1еточного сигнального

ла

вещества,

н ейромедиатора

(neurotransmitte r'). Нейромедиатор диффундирует через

Delta,

так и ее ре цептор

Notch относятся

к транс м ембра нным бел кам.

Такой же м еханизм , опосредуе мы й оч е нь схожи ми м оле кула ми , контрол и­

нм) силаптическую щель между мембраной

рует и у поз воночных, и у беспозвон очных точную ка ртину распредел е ния

нервного окон чания и мембраной клетки- мише н и, дости­

с п ециал изирова нных клеточны х типов и в други х тканях" У мутантных мух с

гая рецепторов на ее поверхности менее чем за

н а руше н иями это го м ехани зма некотор ые типы кл ето к (н а приме р , ней ро­

Узкую(<

100

1 мс.

Четвертый способ межклеточной коммуникации

-

ны ) об разуются в сил ьном и зб ытке в уще рб други м типам кл ето к.

liаиболее интимный и действующий на самом коротком
Расстоянии. Он не требует секреции сигнальных молекул.

Вместо этого клетки вступают в п рямой физический кон­

такт, при котором взаимодействуют сишалъные молекулы,

закрепленные на плазмалемме клетки-передатчика, и бел1<и-рецепторы на мембране клетки - мишени (рис. 16-3, Г).

Каждая клетка отвечает на определенный
набор сигналов в зависимости
от своего состояния и предыстории

Например, в ходе эмбрионального развития с помощью

На тилиtrну~о клетку многоклеточного орга,шзма в ее есте ­

такой 1<.оитаюrтой ситализа-ции соседние изиачалъно сход1·rые клетки приоб ретают различия, становяс ,, дифференци­
рова нными клеткамя разных тилов ( РИС . 16-4).
Чтобы п онять особенн ости разных типов межкле­
точн ой сигнализации, представьте себе, что вы пытаетесь

ственной среде воздействуют сотни сигнальных веществ .

Разрекламировать интересную лекцию, концерт или фут­

одн и и реагируя на другие в зависимости от своих фу н к ц ий.

ще ,1ием об этом событии по радио. Локальиый nаракрин­

висит в первую очеред ,, от наличия у нее рецептора , или

Ньtй сигнал эквивалентен расклеиванию объявлений на

белка-рецептора, воспринимающего данный сип, ал. Без

Нескольких выбра н ных досках объявлений. Нервный с.иr:­

подходящего рецептора клетка будет глуха к сигнализации

больный матч. Эндокр и ,-шая сигнализация сходна с оnове­

нал - передаваем ы й 1-1а далекое расстоя н ие, но и ндивиду­
адьнъr й - сходен с телефо н ным звон ком или сообщен ием
110 электронной п очте. Наконец, контактная сигнализация
сходна со старым добрым общением тет-а-тет. В случае ау­
токри 111-юrо сигнала вы должны сделать за пись в своем еже­

д1 , евнике, чтобы напомнить себе о предстоящем событии.
В табл. 16-1 приведен ряд п рим е ров гормонов , мест­
нь~х медиаторов, нейромедиаторов и молекул клеточной

~о~ерхности , отвечающих за контактную сигнализацию.
еиствие некоторых из них обсуждается в следующих

Разделах этой ~·лавы .

Эти вещества могут быть растворены в межклеточной жид­
кости, заключены в межклетоt~ный матри:кс или связаны с

поверх ,-юстью соседних клеток. Каждая клеша должн а из­

бирательно отвечать на комбинациv~ сигналов, игнорируя
Будет JLИ клетка отвечать н а сигнальное вещество, за­

и и е ста нет на нее отвечать. Синтезируя только огра ничен­

н ,,, й н абор рецепто ров из тысяч возможных, клетки ограни­
чивают число сигналов, способных повлиять на них.
ВОПРОС

16- 1

А Чтобы де й ствовать локально , паракринные си гнальные вe­

rl' щества не должны распространяться на слишком большое

8

расстояние от центров их производства . Предложите разные

с пособы , с помощью которых может достигаться этот рез ультат.
Обо с нуйте эффе ктивность каждого способа .

Общие принципы межклеточной сигнализации

481


ТАБЛИЦА

16-1.

Некоторые примеры сигнальных молекул

Сигнальная молекула

М есто синтеза

Хи м ическая п ри рода

Н екоторые эффекты

Надпочечники

Производное амино кислоты тирози н а

Повышение кровя н ого давл ени я и уровня

Гормоны
Адреналин

метаболизма, увеличен ие ч астоты сердечных

сокращений
Кортизол

Стероид (производное холестерина)

Надпочечни ки

Изменение обмена бел ков , углеводов и ж иров
в большинстве тканей

Стероид (производное холестерина)

Яични ки

Эстрадиол

Развитие и поддержание женских вторичны х
половых призна ков

а- Клетки поджелудочной

Глюкагон

Пептид

Усиление синтеза глю козы, расщепление гликог ена

железы

и жиров (например , в печени и жировой тка ни) +'"'

~-Клетки поджелу-

Инсулин

Бело к

Усиление поглощения глюкозы, синтеза бел ков

Стероид (производное холестерина)

Развитие и поддержание мужских вторичных

дачной железы

и л ипидов (например , в клетках печени)

Семенники

Тестостерон

половых признаков

Тироксин

Щитовидная железа

Производное аминокислоты тирозина

Усиление метаболизма многих типов клеток

Различные клетки

Белок

Стимуляция деления клеток эпидермиса

Местные м едиаторы

Фактор роста
эпидермиса

(EGF)

Тромбоцитарный фактор
роста

(PDGF)

Фактор роста
нервов

(NGF)

Трансформирующий

и многих других типов клето к

Различные клетки ,

Белок

Стимуляция деления многих типов клеток

Бел ок

Обеспечение выживания некоторых классов

Белок

Подавление клеточного деления и стимуляция

тромбоциты
Различные иннерви-

нейронов ; усиление роста их аксонов

рованные ткани

Многие типы клеток

образования внеклеточного матри кса

фактор роста-бета

(TGF-~)
Гистамин

Производное аминокислоты

Тучные клетки

Оксид азота

(NO)

Растворенный газ

Нервные клетки ; клетки

Расширение и повышение п роницаемости крове ­
носных сосудов (часть ответа на воспаление)

гистидина

Расслабление гладких мышц и регуляция

эндотелия, выстилающие

активности нервных клеток

кровеносные сосуды

Нейромедиатор ы
Ацетилхолин

Нервные окончания

Производное холина

Возбуждающий нейромедиатор во многих

Гамма-аминомасляная

Нервные окончания

П роизводное аминокислоты

Тормозный нейромедиатор в ЦНС

нервно-мышечных синапсах и в ЦНС

(глутаминовой кисл оты)

кислота (ГАМК)

Си гн ал ь ны е молекулы кл еточной п оверхности

Delta

Дифференцирующиеся

Трансмембранный белок

Подавление дифференцировки окружающих клеток

нейроны; многие другие

в том же направлении , что и клетка , передающая

клетки зародыша

сигнал

Конечно, небольшое число внеклеточных сигнальных

передачи сигналов и набо р эффекто рных белков, на кото­

веществ может влиять на поведение клеток-мишеней оче ю,

рые она влияет, различаются в раз 11ых типах с пециал изиро·

по-разному. Они могут вызывать изменение формы клетки,

ванных клеток; поэтому р азличные клетки по-разному от·

ее движения, обмена веществ, экспрессии генов, а также

вечают на один и тот же сигнал . Например, при воздействии

влиять на какие-то сочетания этих процессов. Как мы уви­

на клетки сердечной мышцы иейромедиатора ацетш,холи·

дим, от мембранного рецептора сигнал обычно передается

иа (acetyJclю lin e) частота и сила сердечных сокращений

внутрь клетки-мишени при участии набора виутрu1<леточ1tъ1Х сuz1юлыtъ1Х молекул (intracellular signaliлg molecu1es).

уменьшаются . При воздействии ацетилхолина на слюю 1ую
железу секреция слюны, напротив, усиливается; при этом

Они действуют последовательно и, в конце концов, изменя­

рецепторы ацетилхолина у этих двух типов юrеток одина·

ют активность эффе1t111.ор1-tъ1Х белков ( effector

proteins), вли­

ковые. Связываясь с другим белком-рецептором, ацетил·

яющих на поведе ние клетки. Эта внутриклетоlтая система

холин вызывает сокраще н ие скелепrых мы ш ц (РИС. 16-5).

482

ГЛАВА 16. Межклеточные взаимодействия


(А)

клетка сердечной

(Б )

(В)

клетка слюнной железы

клетка скелетной
мышцы

мышцы

•
·-

белок-рецептор

СЕКРЕ~ИЯ
ацетилхолин

УМЕНЬШЕНИЕ ЧАСТОТЫ

И СИЛЫ СОКРА

ЕНИЙ

СОКРА~ЕНИЕ

(Г) ацетилхолин

РИС.

16-5.

Одна сигнальная молекула может вызывать ответы различных клеток-мишеней.

Разные типы клето к по-разному реагируют на нейромедиатор ацетилхолин. Ацетил холин связывается
со сходными бел ками - рецепторами н а кл етках сердечно й мышцы (А) и слюнной желез ы (Б) , но вызы­
вает разл и чны е ответы в каждом тип е клето к . Клетк и скелетных мышц (В) с интез ируют для вос приятия

того же сигн ала другой бело к -рецептор; этот рецептор ге нерирует внутриклеточ ные сигналы , отлич­
ны е от сигналов , передаваемы х рецепторами клето к серде чной мышцы . (Г) При та ком многогранном
де йствии а цетилхолин име ет ве с ьма простое х имиче ское строение .

Таким образом, сигнальная молекула не передает смысл со­
общения: он зависит от того, как получает и ИJ-перпретиру­

д руга.я направляет ее дифференцировку по определенн ому

ет сигнал клетка-мишень.

пути; еще какая- н ибудь может в ыз ывать ее деление. В от­

У типич ной клетки есть множество видов рецепторов

(десятки или сотни тысяч штук каждо 1·0 из них) . Такое раз­

бинация сигнальных веществ позволяет клетке выживать;

сутствие каких-либо сигналов большинство животн ых кле­
ток загrµоrраммированы на самоубийство ( РИС. 16-6)

нообразие рецепторов делает ю1етку чувствительной одно­
в ременно ко многим внеклеточяым сигналам и позволяет
сравнителыю небольшому числу сигнальных молекул, ис­
ПоJrьзуемых в рази ых сочетаииях, осу ществлять тонкий и
сложный контроль поведения клеток. Комбинации сиr­
на.rюв моt·ут вызывать эффекты, отличающиеся от суммы
ответов, кото рые вызывает каждый из сигналов по отдель­

ВЫЖИВАНИЕ

ности . Отчасти это происходит из-за то го, что внутрию1 е­
точн ые системы передачи сигнала, активируемые разными
веществами, могут взаимодействовать. Поэтому наличи е
одного сигнала может изменять ответ на другой. Одна ком-

РИС. 16-6. Животная клетка зависит от многочисленных внекле­
точных сигналов. Каждый тип клеток имеет свой набор бел ков-рецеп­
торов , что позволяет им отвечать на определенный набор сигнальных
Молекул , выделяемых другими клетками . Регулируя поведение клеток,
эти сигнальные молекулы действуют в определенных сочетаниях. Как
показано на рисунке , клетке требуются множественные сигналы ( голу­

бые стрелки) для выживания , дополнительные сигналы (красные стрел­

ки) для роста и деления , и еще одна группа сигналов (зеленые стрелки )
Мя дифференцировки . В отсутствие сигналов выживания большинство
l<Jleтoк кончают жизнь самоубийством путем апоптоза (см . гл. 18).

Е

@-

ГИБЕЛЬ

апоптоти-

"

ческая
клетка

Общие принципы межклеточной сигнализации

483


Клеточный ответ на сигнал

(А)

РЕЦЕПТОРЫ КЛЕТОЧНОЙ

может быть быстрым или медленным

ПОВЕРХНОСТИ
плаэмалемма

Время ответа клетки на внеклеточный сигнал может бып,

поверхности

0•1е1-1ь ра з 11ым в з ависимости от того, что должно произой ­

ти после получ ния сооб ще ния. Некоторые вн еклето •rные
сигнал ы действуют ст ремитель 1-10: ацет илхол ин вызывает
сокр ащен и е скелет ных мышц •-1 е р ез миллисекунды, а се­

крецию СJПОИЫ -

прим ерно в те ч ение ми~1 ут ы . Такой бы­

гидроф и льная

стрый ответ возможен благодаря тому, что в этих случаях

сигнальная молекула

сигнал воздействует на активность белков и других моле­
кул, уже

имеющихся

внутри

клетки - мишени

(Б)

и ждущих

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ РЕЦЕПТОРЫ

приJ<аза к действию .

маленькая гидрофобная

Некото ры е ответ11ые реак ции занимают больше вре­

/ сигнальная молекула

•

мени. Рост и делен и е клеток, запускаем,,, е соотв етствую­
щими си гн альными в еществам и , заним ают часы. Это свя­
зано с тем, что для ответа на таки е внеклето•шые сигналы

требуются из м енения в экс прессии генов и синтез новых
белков ( РИС . 16-7) . Ниже мы рассмотрим другие прим еры
быстрых и медленных ответов и вызывающих эти ответы
сигналь ных молекул .

ядро

Некоторые гормоны проходят

внутриклеточ н ый

сквозь наружную мембрану и связываются

р ецептор

с внутриклеточными рецепторами

РИС.

16-8. Внеклеточные сигнальн ы е вещества связываются либо

Существует два основных класса внеl(J)еточных сигналь­

с рецептор а ми клеточной п оверхности , либо с внутриклеточными

ных молекул

ферментами или рецепторами. (А) Большинство внеклеточны х сиг­

ший) класс

(extracellular sigпa! molecules).

Пе рвый (боль­

это молекулы, которые сли1Ш<ом велики или

нальных молекул крупные и гидрофильные, поэтому они не могут про­

слишком rидрофильны , чтобы проходить сквозь плазма­

ходить сквозь плазмалемму. Вместо этого они связываются с рецепто­

-

лем му клетот<-мишеней. Они полагаются при передаче сво­

рами на поверхности клетки , а те , в свою очередь , производят одну или

их сообщений на рецепторы поверх ности клеток-мишеней

несколько сигнальных молекул внутри клетки-мишени. (Б) Некоторые

( РИС. 16-8, А) . Второй (меньший) класс включает достаточ-

мелкие гидрофобные внеклеточные сигнальные молекулы, напротив,
диффундируют сквозь плазмалемму клетки-мишени и напрямую акти­

вируют ферменты либо связываются с внутриклеточными рецепторами

внутриклеточный
сигнальный путь

•
!

в цитозоле или ядре (как показано на рисун ке) .

но мелкие и гидрофобные молекулы , которые могут лег­
ко проскочить сквоз ,, плазмалемму. Внутри клетки такие

сигн аль ные молекулы обычно активируют ферменты или

•

.

ИЗМЕНЕНИЯ
РАБОТЫ
БЕЛКОВ

-

•

\

\

ДНК

РН

И З М ЕНЕ
В СИ НТЕЗЕ

•

.
.

свя з ываются с внутриклеточными белками-рецепторами,
регулирующими экслрессию генов (см. рис.

16-8, Б).

Одн а

из важных rрупл сигнальных молекулы, связывающихся с
внутриклеточными ре це пторами, - стероидные rормонЪI
(ste,·oid hoпnoпes), такие как 1<.орrпизол ( coгti so!), эстра ­
диол (estradio l) и т.ест.ост.ерои (testoste1·011e), и т.иреоидн.ые
гор.моиы (thyroid hоппоп еs) - н априме р rnupo·кcuu (thyrox-

iл e) (РИС. 16-9). Все эти гидрофобные молекулы проходят
ИЗМЕНЕНИЯ ПОВЕДЕНИЯ КЛЕТКИ

РИС.

16-7.

Вн е клеточны е сигналы могут действоват ь медл е нно

с квоз ,, ллазмалемму и связываются с белками-рецепторам И'
в цитозоле или в ядре. Рецепторы, находя щи еся и в цитозо­
ле и в ядре , относят к группе яде рны х ре цепторов , так как

или быстро . Некоторые типы клеточных ответов , например усиление

после связывания гормона все они действуют как регулято­

роста и деления , требуют изменения экспрессии генов и синтеза но ­

ры транскрипции внутри ядра (см. гл.

вых белков, поэтому происходят сравнительно медленно . Для других

гормон а реце пторы обычно находятся внутри юrетки в не­

ответов, например изменений подвижности , секреции и метаболизма ,

активном состоянии. После связывания гормона ре цептор

8).

При отсутствиИ'

включения экспрессии генов не требуется , поэтому они происходят бы­

претерпевает крупные изменения I<онформации. В резул 1,­

стрее (см. рис.

тате он активируется и может стимулировать или подавлять

484

16-5).

ГЛАВА 16. Ме ж клето чные в з аимодейств ия


ВОПРОС

•

16-2

кортизол

. . . Рассмотрите структуру хол естерина - небольшой гидро ­

п лаз м а л е мм а

rl' фобной молекулы со стероидными кольцами в основе , сход-

8

ную с тремя гормо нами , изображенными на р ис . 16-9, но

имею щую мен ьш е полярных гр упп , таки х ка к - ОН , = О и - с о о · . Если

бы холестерин в норме не входил в состав клеточных мембран, мог
бы он эффе ктивно работать как гормон при наличии подходящего

белок-рецептор активируется
яде рны й

внутри клеточного ре цептора?

бел ок- ре це п тор
СН 3

в результате изменения

конформации

,,....
.-...

1

СН-СН 3

1

СН 2

1

комплекс кортизола с активированным

СН2

рецептором перемещается в ядро

1

~

СН 2

х ол естер ин

1

СН-СН 3

ЯДРО

~

=:

а ктивирован ны й
ге н - м и ш е н ь

ДНК

но
комплекс кортизола с
активированным рецептором

транскриnцию с пе цифичны х ге н о в-мишеней ( РИС . 16-10) .

Каждый гормон связывается со своим белком-реце птором,

связывается с регуляторным

♦ ТРАНСКРИПЦИЯ
РНК

участком гена-мишени
и активирует транскрипцию

а каждый рецептор действует на определенный набор регу ­
ляторных участков ДНК ( см. гл.

8). Более того

один и тот

РИС.

16-1 О. Стероидный гормон кортизол активирует белок-регу­
- один из гормо н ов , в ыделяем ы х н ад­

же го рмон об ычно регулирует работу разных н аборов генов

лятор транскрипции. Кортизол

в различных типах клеток, вызывая в клетках-мишенях

п оч е чн иками в отв ет н а стресс . Он диффундирует сквоз ь пл азмалемму

Различные физи ологические ответы.

клеток-ми ш е н ей и связываетс я с белком-ре це п тором в цитозоле . За­

Ядер ные рецепто ры и активирующие и х гормоны
играют важн у ю роль в физиологи и человека (см.табл.

тем ком плекс гормо н -реце п тор про н икает в ядро ч е рез яде р ные пор ы.

16-1,

С вяз ыва н ие с кортизол ом а ктивирует бел ок-ре це птор , и о н п риобрета­

с. 482). Утрата этих систем сиг нализаци и может им еть дра­

ет с п особность взаимодействовать с о предел е н ными регуляторными

матически е последств и я. Они ви д ны на примере того, что

п осл едо вател ьн остя ми ДН К и акти в ировать или подавл ять ( н а рисун ке

П роисходит с индивидуумами, у которых отсутствуют ре­

не показано) транскри п цию соответствую щих генов-ми ш е н ей . Ре цеп ­

центоры к мужскому половому rо р моиу тестостеро н у. Те-

торы корти зол а и р яда стероидны х гормонов находя тся в цитозол е , н о
ре це пто р ы многи х други х сигнал ь н ых мол екул со сходными меха низ­

мом действия с в язаны с ДН К в ядре даже в отсутств ие гормо н а .
он

он

стостерон у людей управляет фо рми ровани е м н а руж иы х
п оловы х о рган ов и влияет на р азвитие голов ного мозга у
плода; в пер иод п олового соз р ева ния этот го рмо н за п уска­

о

тестостерон

,ор,-,ол н~о 1'.rн,-{:oo-

r r

NНз

тироксин

ет развитие мужских вторичных половы х приз и аков. Из­
р едка в стр ечаются люди, и мею щи е мужской ге н отип (т. е .

у ни х есть половые хромосомы Х и У) , но из - за мутаци и

утратившие рецепто р тестостерона. Поэто му, хотя тесто­
сте р он в и х организ м е пр о изводи тся, их клетк и не м о гут

реаги ровап, 1-1 а него . В результате такие люди разв иваются
как же нщи ны , так как эт от л уть р аз вития ттолов 1, 1 х при з на­

РИС. 16-9. Некоторые мелкие гидрофобные гормоны связывают­
ся с внутриклеточными рецепторами и действуют как регуляторы
Транскрипции. Хотя эти сигнальн ые моле кулы различаются по химиче­
ской структуре и фун кциям , все он и связы ваются с внутриклеточ н ыми

ко в и головного моз еа в ыби рается в отсутств и е мужских и
женских половых го р монов. Такая реве рсия пола демон­
стрирует р ешаю щую роль рецептор ов тестосте р о на в раз­

витии полов ы х пр из наков, а также то, что этот р ецептор

белками-рецепторами . Эти рецепторы не идентичны, но эволюционно

необходим н е единственному типу клеток для опосредова­

Родствен н ы : они принадлежат к суперсемейству яде рных рецепторов и
играют роль регуляторов транскри п ции . Места синтеза и фун кции не ­
которых та ких гормонов указаны в табл . 16- 1 ( с. 482)

ния одного э ффекта тестосте ро н а, но многим клето чным
тип ам для разви тия всего комплекса лри з н аков, отличаю­
щ их м ужч ин о т же нщин .

Об щие принципы межклеточно й сигнали з аци и

485


Некоторые растворенные газы проникают в клетку

Клетки э ндотелия

-

у п ло щенны е клетки, выстилаю­

через наружную мембрану и напрямую активируют

щи е и з нутри все кровеносные сосуды

внутриклеточные ферменты

вет на сигнал от н е рвных око11L1 аний . В свою очередь,

-

выделяют

вызывает расслабле ни е гладких мышц в сте н к
Стероидные и тиреоидные гормоны

внеклеточные

сигнал ьные

-

н е единственны е

молекулы,

ходить сквозь ллаз малемму.

способные

NO в от­
NO

сосуда и

его рас шир е ни е, так что кровоток через сосуд ус ил ив а тся

про­

( РИС. 16-11 ) . С влия ни ем

Н екоторы е растворен ные

NO

11 а крове1-юсные сосуды свя­

за но действие нитроглицери н а, который ис пользо вался в

газ ы могут прони кать сквозь м мбрану внутр~, клетки и

течение почти ста лет для лечения больных стенокард ие й

н апрямую р е гул ировать активность специфичных в н у­

от болей, вызываем ы х наруш е нием кровотока в серде'u-юй

-

триклеточных белков. Прямое действие позволяет таким

мышце. В орган и зме нитроглицерин превра~цается в

сигн алам

секу н д

которы й вызывает быстрое расслабле ние стенок крове~юс­

(лi ­

ных сосудов, уменьшая н аерузку на сердце и потребн ость

Этот газ легко диффунди рует из ~<леток,

мы шц в крови, богатой кислородом. Многие нервны е ю1ет­

изме нять пов еде ние

кле тки

в

тече ние

или ми нут. Таким п утем действует оксид азота

tric oxide, NO).

(NO)

где он произ вод ится, и проникает в соседние клетки.

ки та!Оf(е используют

NO

NO

NO,

для п ередачи сигналов 1<леткам­

синтезируется из амииокислоты аргини н а и играет ро л ь

мишеням. Например, высвобождаемый нервн ыми оконча­

медиатора местного действия во многих тканях. Этот газ

ниями в пе нисе, этот газ вызывает лока.,11, 1-юе рас ширение

действует лишь локально, поскол ьку он быстро прев раща ­

крове 11 ос 11ых сосудов, отвечающее за эре кцию.

NO связывается с
ферментом zуаиш~атциклазой (gu aпy l y l cyclase) и активиВнутри многих клеток-мишеней

ется в нитраты и нитриты (с пе риодом полужизни около

5-1 О с), реагируя с кислородом

РИС.

и водой вне клеток.

16-11. Оксид азота (NO) запускает расслабление гладких мышц стен-

ки кровеносных сосудов . (А) На рисунке показан нерв, контактирующий с кро­
веносным

сосудом.

кровеносного

(Б)

сосуда .

Последовательность

Ацетилхолин

событий,

высвобождается

ведущих

нервными

к

(А)
гладкомышечные клетки

базальная пластинка

расширению

окончаниями

в

стенке кровеносного сосуда . Затем он диффундирует чере з слой гладки х мышц
и

базальную пластинку (не показано)

и достигают ацетилхолиновых рецепто­

ров на поверхности зндотелиальн ых клеток , выстилающих сосуд . В результате он

стимулирует синтез и выделение
телиальны х клеток и

NO

клетками эндотелия.

прони кает в соседние

NO

вы ходит из эндо­

гладкомышечные клетк и ,

где

регули ­

рует активность специфичных белков , вы зывая расслабление мышечны х клеток .
(В) Один из белков, активируемых

NO, -

гуанилатциклаза ; после активации она ката­

лизирует синтез цГМФ из ГТФ . Обратите внимание , что
чен. Его не следует путать с закисью азота

NO при вдыха нии высокотокси ­
(N 2O), также известной как веселящий газ.

(Б)

NO

связывается

белком-мишенью

i
аргинин _1_,
-

=• --- ··•
NO

БЫСТРАЯ ДИФФУЗИЯ

NO

ЧЕРЕЗ

МЕМБРАНЫ

БЫСТРОЕ РАССЛАБЛЕНИЕ
ГЛАДКОМЫШЕЧНЫХ КЛЕТОК

.__ _ ___

клетка эндотелия

гладкомышечная клетка

(В)

активированная

гуанилатциклаза

NO.✓.

,..'"'''
цГМФ

486

ГЛАВА 16. Межклеточные взаимодействия


внеклето ч на я сигна л ьная мол екул а

рует его, стимулируя образование цu1<лuческого ГМФ, или

цГМФ

(cyclic GMP) и з нуклеот ида ПФ ( см . рис. 16-11,
- тоже неболь ш ая сиг нал ьная молекула,

В). Сам цfМФ

бел ок-рецептор

------....._

п лазма л емма

ПЕРВИЧНОЕ
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

пр едставляющая следующее з в е но в це пи внут рию 1 еточ­

ной передачи сигн ала, при водящей в конечном счете к

СИГНАЛА

ц итоз оль

клеточн ому ответу. Пр епарат Виа1·ра, используемый для

лечения импотенции, усиливает э рекцию. Оно блоки рует

ПЕРЕДАЧА

действие фермента, кото рый расщепляет цfМФ , и таким

СИГНАЛА

об разом продлевает действие

NO. цГМФ очень сходен

110 своей структуре и механ изму действ ия с циклическим

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

АМФ , гораздо более рас пространенным внутриклеточ­

И УМНОЖЕНИЕ

ным по средником, который мы р ассмотрим ниже .

Рецепторы клеточной поверхности
передают внеклеточные сигналы
через внутриклеточные сигнальные пути

мел кие
вн утр и клеточн ы е

В отличие от стероидных и тиреоидных гормонов и NO,

молекулы - п осредники

подавляющее больши нство сигнальных молекул слиш­

~

ком крупные или слишком гидро фил ы-~ые, по этому они

не проходят сквозь плаз м алемму клеток-МJ,Lш е 11 ей. Эти

~

!//
ИНТЕГРАЦИЯ

белки, пептиды или мелкие водорастворимы е молекулы
связ ываются с белками-рецепторами клеточной поверх ­
ности, пронизываю щими плазмалемму (см. рис.

16-8, А).

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ

•✓. 1
белок-ре цептор

в н ут р иклеточ ны е

си г н аль н ые моле!(Улы

!
ИЗМЕНЕНИЕ
МЕТАБОЛИЗМА

РИС .

16-13.

!

•

~

!

ИЗМЕНЕНИЕ
ФОРМЫ ИЛИ
подвижности
КЛЕТКИ

ИЗМЕНЕНИЕ
ЭКСПРЕССИИ
ГЕНОВ

Внутриклеточные сигнальные белки могут переда­

вать , ус иливать , интегрировать и распределять входящий сигнал .

Бел ок-ре цептор клеточной поверхности п реобразует внеклеточ ны й сиг­
нал во внутриклеточный , за п уская оди н или н есколько сигнальн ых п утей,
передающих сигнал внутрь клетки . Каждый п уть включает в н утриклеточ ­

ные си гнал ьные белки , котор ы е могут действовать одним из нескольких

х

ферме нт

• •
белок

способов, например интегрировать сигналы от разных сигн альн ых путей ,
эффектор н ые белки

регулятор

дующих разделах да нн ой главы мы рассмотрим образование и функции

Метабол ического цитоскелета транскрипции

мел ких молекул-посредников .

пути

~

~

ИЗМЕНЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЕ
МЕТА-

БОЛИЗМА

как п оказано н а рисунке . М ногие эта п ы пе редачи сигнала модулируются
друг ими молекулами или событиями в жизни клетки (не п оказа н о) . В сле ­

ФОРМЫ

или ПОДВИЖ-

~

ИЗМЕНЕНИЕ

ЭКСПРЕССИИ

Такие трансме мбра ннъrе рецеп то ры воспринимают сигнал
клет очные ответы

ГЕНОВ

ности
КЛЕТКИ

на внешней стороне м ембраны и п е реда.ют е го, преобразуя
в новую форму, внутрь клетки.

Белок-рецептор осуществляет первы й шаг в цепи
п ередачи сигнала:

он связ ывает

внеклеточную

сигналь­

РИС. 16-12. Многие внеклеточные сигнальные молекулы действу­

ную молекулу и образует в отв ет новые внутриклеточные

ют через рецепторы клеточной поверхности , изменяя поведение
IU!еток . Белок- рецептор активирует один или нескол ько внутриклеточ­
нь~х сигнал ьных путей. В каждом из них действует ряд внутриклеточ ных
сигнальн ых молекул , среди которых есть белки и мелкие молекулы-по­
средники (на рисунке показан оди н сигнальный путь) . Некоторые из этих
сигнальных молекул взаимодействуют с зффекторными белками , меняя

сигнальные молекуды (см. рис.

гой. Каждая из ни х активирует или об разует следующую

их активность и тем самым по- разному изменяя поведение клетки .

сигналь н ую молекулу, что продолжается до тех пор, пока в

16-2,

Б) . В дальнейшем

сигнальны й процесс внутри клетки обычно представляет

собой молекулярную эстафету, в ходе которой сообщени е
передается « вниз по течению~> от одной внутриклеточной

сигнальной молекулы (intгacellulai·

signal nюl ecнle )

Общие принципы меж клеточ н о й сигнали з аци и

к дру­

487


ВОПРОС

16-3

которая с1 юва отделяет фосфат ( РИС . 16-14, А) . Активность

А Как внутриклеточный белок может усиливать сигнал, переда­

rl' вая е го по сигнальному пути?

любого белка, регу11 ируемоrо путем фосфорилирова 11 ия,

u каждый

•

моме нт време ни завис ит от бала н са актив н ости

ки наз, которы

фо сфори л ир у ют

et·o, и

дефосфо ри ю1рую­

щи х фосфатаз.

действие н е всту пит ф е рмент, не и зме нится конфигурация

М11 ог и е из белков- переключателей, контроли руем ы х

цитоскелета или не прои зойдет включе ние либо в ыю1 юч е­

п утем фосфорилирова1-~ия, сами. являются протеи 1-1 кина­

ние гена. Этот конечны и результат называется хлеточпым

за ми. Часто он и составляют каскады фосфорилирова~tшt

ответом (гesponse

(p lюs pl10гy l atio 11

of tl1e cell)

( РИС . 16-12) .

Комп о н енты таких внутриклеточных сигнальных пу­
тей выпо л няют несколько важных ф ункций ( РИС.

1.

Они могут просто передавать

2.

3.

16-13).

ю1_цую протеиики назу в каскаде и т. д. При это м происхо­

сигнал далее и

дит пе р едача сил-1 ала по сигиа лыюму п ути, его усиле 11и е,

ра спро ст ранять е го по клетке.

р аспр еделени е и

Они могут усиливать

(amplify) с игнал, делая его мощ­

с игн ал 1,ных п утях действуют два главных типа протеи~1 -

(IeJay)

модулирование.

Во внутрикл еточных

нее, благодаря чему немногочисле нны е в1-1 еклеточ 11ы е

киназ . Наиболее распростра 11 е ны сер ин/треонин1,иназы

сигн ал ьные молекулы могут выз ывать с ильны11 кле­

( se гine/tгeon iлe k i пases ) , которые, как п оказ ывает их н а­

точный ответ.

зва ни е, фосфори лирует белки по серину или трео 1-1ину.

Они могут воспринимать сигнал от нес кольких внутри­

Второй тип

клеточ.н ых сигналь ных путей, тем самым u1-1mezpupyя

ры е фосфорилируют белки по ти розину.
Второй

(in tegгate) сигнал ы, а затем передавая си п-1 ал далее.

Они могут распределять

4.

1 1 е р вая протеи н ки наза, активи­

cascade):

рова~-1ная при фосфорилировании , фосфорилиру ет следу­

(d.istiibute) с игнал между

н е­

-

это тир ози нкиназы

rлавиый

(ty1·0

. iле

kinases),

кото­

класс белJ<ов- п ере ключателей, уL1а ­

ствутощи х во внутриклеточной п е р едаче с иг нала, составля­

скольк им и сиг нальными п утям и или эффекто рными

ют ПФ-связывающие белки (GTP-Ьiпding pюte iлs). Их

белкам и, вы з ывая разветвления потока передачи ии ­

пе реключе 1-~ие между акт ишrым и 1-1 еактивным состоя нием

формации и обеспечивая сложны е ответы,

зав исит от тоrо, связан ли с ними, соответственно, ГГФ или

Как часть процесса интеграции можно р ассматрив ать воз­

ГДФ (рис.

можность лtодуляции разны х этапов пе редачи сиги ала дру­

вании ГГФ, эти белки проявляют собственную ГГФаз 1-1 ую

гими факторами, так что в ответ на п ередаваемый си гнал

активность

клетка подст р аивается под условия, су ществу ющие в дан­

пщрол н зовать ГГФ . При гидрол изе связанного с н. нми ГГФ

ный момент в 1-1утри и с нар уж и.

до ГДФ они выключают сами себя. К одной из групп ГГФ­

16-14,
-

Б) . Будучи актив ирова~шыми при связы­

работают как ПФазы

(GTPa

е) , т. е. способнът

связывающих белков переюпочателей относятся крупны е

Некоторые внутриклеточные сигнальные белки
действуют как внутриклеточные переключатели

ВХОДЯ -

ЩИЙ

Многие ключевые внутриклеточные си гналь ны е белки
действуют как молекулярные переключател и

svvitcl1es): получеJrи е

(moleculal'

си гнала вызывает и х пере ключ е ние

из неактивного состоя 1-~ия в а 1<тивtюе. После акrивации

ВЫКЛЮЧЕНИЕ

ВХОДЯЩИЙ

ВЫКЛЮЧЕНИЕ

=~
АЛ '=~~.,~- еС:.ГНАЛ~:ываниеr
фосфатаза

эти белки м о 1уг <~ uключю-ь,> д ругие белки си п-~ального

r=:l!'!I
l8li.iill

гидрол из
гт ф

пути. Зате м они преб ывают в акти~з н ом состоя нии до тех
пор , пока какой-нибудь д ругой процесс вновь не в ызов ет
их выключение. Важность процесса выключе1-1. ия часто н е­
доо ценивается . Ко1·да с и:rнальн ы й путь восстанавливается

после передачи с игнала, чтоб ы под готов иться к пе редаче

следующего, кажд ы й акпrвирова rrный белок этого пути

(А)

должен б ыть п е реведе н в свое исход11ое н еактивн ое состо­

яние. Таким об разом, для каждого этапа актива ции сиг­

ВЫХОДЯЩИЙ

выходящий

СИГНАЛ

СИГНАЛ

СИ Г НАЛИ ЗАЦИЯ

(Б)

СИГНАЛИЗАЦИЯ

с помощью

спомощью

ФО С ФОРИЛИРО ВАНИ Я
Б Е ЛКА

ГТФ-СВЯ ЗЫВАЮЩЕГО
БЕЛ КА

rrального п ути должен существовать свой механиз м инак­

тивации . Оба они одинаково важны для пе редаLJИ с и гнала.

РИС.

Большинство белков, действую щи х как молекулярные

ют как молекулярные переключатели. (А) Некоторые внутрикле ·

п е р е ключатели ,

к

точн ые сигнальные белки активи руются при добавлении фосфатной

первому (большему из двух классов ) ошосятся белк и ,

группы и инактивируются при ее удалении . В ряде случаев фосфат ко­

от но сятся

к одному

и з двух

классов :

16-14.

Многие внутриклеточные сигнальные белки действу ·

кото рые активи р уются или ин аю ивируются при фосфо­

валентно связывает с белком фермент протеинкиназа , которая п ерено·

рил иров ании ,

сит терминальную фосфатную группу от АТФ на сигнальный белок ; впо·

в гл.

4 ( см.

-

рис.

х имической модификации , разоб ра нной

4-38). П ерекл ючение так и х

молекул в од­

следствии фосфат удаляется протеинфосфатазой . (Б) В других случаях

ном н а правле нии осуществляет п р отеи щшназа (pюte i11

ГТФ-связ ы вающий си г нальный белок при получении сигнала обменива·

kiпase ), которая наве ши вает фосфатную группу и а бе­

ет связанный с ним ГДФ на ГТФ. (В некотором смысле при этом тоже

лок - переключатель ; п ереключение в 11:ругом напра вле нии

происх одит добавл ение фосфата к белку. ) Бел ок активируется ; при ги·

осуществляет протеинфосфатаза (pгotein

дролизе связанного ГТФ до ГДФ бел ок ина ктивируется.

488

phospl1atase),

ГЛАВА 16. Межклеточны е в заимодей стви я


(А)

РЕЦЕПТОРЫ , СВЯЗАННЫЕ С ИОННЫМИ КАНАЛАМИ

• •• •

• ~ ИОНЫ

-

-

сигнальная молекула

J плазмалемма
•••

(Б)

РЕЦЕПТОРЫ , СОПРЯЖЕННЫЕ С G- БЕЛКАМИ
сигнальная молекула

(
G-белок

(В)

фермеа,

--

-активированный

активированный

G-белок

фермент

РЕЦЕПТОРЫ , СВЯЗАННЫЕ С ФЕРМЕНТАМИ
сигнальная

- - - сигнальная

молекула

в форме

молекула

L

димера

или

неактивный

активный

активированный фермент,

каталитический домен

каталитический домен

связанный с рецептором

РИС.

16-15.

Рецепторы клеточной поверхности делятся на три основных класса . (А) Рецепторы,

сопряженные с ионными каналами , при связыва нии внеклеточной сигнальной молекулы открываются

или закрываются (не показано). Эти каналы называют также медиатор-зависимыми ионными канала­
ми . (Б) Когда рецептор , сопряженный с G-белком, связывает внеклеточную сигнальную молекулу, акти­
вированный рецептор передает сигнал G-белку на внутреннюю сторону плазмалеммы . G-белок , в свою
очередь , включает или выключает фермент {или ионный канал; не показано) на той же мембране . Для
простоты G-белок изображен здесь в виде единственной молекулы ; как мы увидим далее , это комплекс
из трех белковых субъединиц . (В) Когда рецептор , сопряженный с ферментом , связывает внеклеточную

сигнальную молекулу, на внутренней стороне мембраны активируется фермент. Многие рецепторы, свя­
занны е с ферментами , имеют свою собственную ферментативную активность (на рисунке слева) . Другие
включают фермент, который связывается с активированным рецептором (на рисунке справа) .

трим ер1-[ы е ПФ-с вяз ывающие белки, также наз ываемы е

G-белк:и (G - pгotein ), которые передают сигналы от рецепто­

Ров, сопря:)lсе1тых с С-белками ( G-pгoteiп -coupl ed гecepto1·s,

GPCR), работу которых мы вскоре подробио обсудим.

моле кул, м еняющи х поведение клетки. Эти рецепторы де­
л ятся на три глав1-гы е гру ппы , различающие ся по м ехани з ­

му передачи сигнала .

каиала.ми

(1) Рецепторы, связа1тые с иою1,ыми
(ion-channel-coup1ed гесерtогs); при их возбужде­

нии возни-кает поток ионов Lie peз плаз мале мм у, что порож ­

Рецепторы клеточной поверхности

Представлены тремя главными классами

Все беJtки-рецспторы клеточной поверхности связывают
В!tе~(леточные сигнал ьные молекулы и передают их сигн ал,

вь~зывая образование одной ил и нескол 1,ких сигнальных

дает электрич еский ток и м еняет мембранный потенциал
( РИС. 16-15, А) .

(G-pгote in

(2) Рецепторы, сопряже1тые с С -белка.ми
coupled гесерtог , GPCR), а1<тивируют мембран­

ные тримерные ПФ -связывающие беюш (G- бел ки) , кото­
рые, в с вою очеред ь , а ктивируют фе рме нт или ионный ка­

нал в плазмалемме, инициируя кас кад последующих собы -

Общие принципы межклеточной сигнализации

489


ТАБЛИЦА

16-2. Чужеродные

вещества, действующие на рецепторы клеточной поверхности

Вещество

Сигнальная молекула

Действие на рецептор

Эффект

Валиум и барбитураты

гамма-аминомасляная

стимулирует ГАМК- а ктивируе мые р е цепторы ,

с едативное действи е;

кислота (ГАМК)
Ни котин

ацетил холин

сопряженные с ионным каналом

с ни ж ение тре вож ности

стимулирует а ктивируемые ацетил холином

суже ни е кровеносны х сосудов;

рецепторы , сопряженные с ионным каналом

эндорфины , энкефалины

Морфин , героин

стимулирует опиатные

повышение кровяного давл е ния

ан альгети ки (о каз ыва ют обез б оли ва ющее

GPCR

дей ств и е , вы з ыв а ют эй форию )

ацетилхолин

Кураре

блокирует а ктивируе мые ацетил холи н ом

бло када нервно - мышечной п е реда чи

рецепторы , сопря женные с ионным каналом

нервных импульсов , приводяща я
к п а раличу скел етны х мышц

Стр ихнин

глицин

блокирует активируемые глицином рецепторы ,
сопряженны е с ионным каналом .

бло када тормозны х синапсов в спинном
и головном моз ге , приводяща я
к с удорогам и м ы ш ечному спа з му

тий (рис.

каналы) . Эти реце пторы отвеtrатот за быструю п ередачу

16-15, Б) . (3) Рецепторы, связатtые с фермеюпом
(enzyme-coupled гесерtо гs ), либо обладают собственной

сигналов между синапсами в н е р в 1-юй системе. Они на­

ферментативн ой активностью, либо взаимосвязаны сфер­

прямую п р ев р ащают химичесr<ий с игнал в форме пор ­

ментами, находящимися внутри клетки (рис.

ц ии нейром едиатора , доставляемой к пов е рхности клет­

16-15, В).

Под

действием сигнала фермент активируется и запускает раз­

ки-миш е ни, в эле ктрический сигнал в ви де и з мен е ния

личные внутриклетоtr ные сигна.,11,ные пути. Число разн ы х

разности поте нциалов на наружной м е мбране кл етки­

типов рецепторов каждого из этих трех классов боль ш е, чем

мишени (см. р ис.

число внеклеточных сигна.,1ы-1ых молекул, которы е на них

то р а этот тип рец е пторов и зме н яет свою конформацию

действуют : для многих вне клетоtrных сигнал 1, н ых веществ

так,

имеется более одного тип а ре цепторов. Более того, 1-1 е кото­

ионный ка 1-1ал, пропускающий опр еделе н н ые ионы , на­

что

12-42).

в плаз мал ем м е

К+, Са ~ +,

При связывании нейром ед иа­
открыв ается

CJ- (см.

р ис

или

16-15, А и

за крыва етс я

рые сип1аль ~rые молекулы связываются с рецепторами н е­

пр име р

Na+,

скольких классов . Нап ример, ней ромедиатор ацетилхолин

Ио н ы

в соответствии со

при действии на клетки скелет 1-1 ых мыш ц действует через

rрадие и том движутся в кл етку или и з клетки, выз ывая

своим

ВИДЕО 16.1) .

электрох имичес ким

реце п тор, со п ряженный с ионным каналом, а на клетки сер ­

из ме не ни е мембраиноrо потенциал а прим ерно за ми л·

дечной мышцы

GPCR. Эти два типа рецепторов

лисеку н ду. Это из м ене ни е поте нциала может привести

1·енерируют р аз ные внутриклеточные сигналы и поэтому

к возникновению нерв ного им пульса, либо облегчит~,

поз воляют двум типам мышечных клеток по-разному р е ­

(ил и з атрущrить) возникновение нервных импульсов

-

через

агировать 1-1а ацетилхолин: сок ращение скелетных мыш ц

п од действием других н е йром едиато р ов.

усиливается, а tJастота и сила сокращений сердца уменьша­

дим 1-1 иже, отк р ывани е кальци е вых

ются (см. рис.

16-5, А,

В) .

Kar<

мы обсу­

каналов ок аз ывает

важ 1-1ы е д опол н ит ел ьны е э фф е кты, так как повышение

Множество раз ных рецепторов клеточной п оверхности.,

внут р иклеточной конце нтрации ионов кальция может

которые необходимы о р ганизму для передачи сигна.,юв,

з ам е тно изм е нять актив н ост 1, м~югих каль ц ий -з ависи ­

служат миш е н ями для м н огих ино р одных веществ , влияю­

мых белков в клетке. Работа ре цепторов , сопряженных

щих на нашу физиологию и ощущения , от героина и нико­

с ионным каналом, подроб н ее рассматривается в гл.

тина до тран квили заторов и перца чю1 и. Эти вещества либо

12.

В то время как ре цептор ы , со п ряже н н ые с иои ны м

имитируют действие естестве нного литанда н а рецептор,

ка н алом, ха р актерны для н ервной системы и других

занимая 1-юрма.,11,ный сайт связыва ни я лиганда, либо свя­

эл е ктриt1 ес ки возбудимых клеток (наприм е р , мьш 1 еч-

з ываются с реце птором в каком-либо ином сайте, блокируя

1-1 1,1 х),

1-юрмальнуто актиш-юст 1, рецептора или вызывая его сверх­

ис п ользуются

стимуляцито. Таким сп особом действуют многие лекарства

гокле точного органи зма. Б6лыuая част ь да нн ой 1·ла вы

GPCR и р е ц е пторы , со п ряженны е с фе рм е нтом ,
практич ес ки

всеми типами клеток м н о ­

и яды (ТАБЛ. 16-2) , и з нас1ительная LJасть фар мацевт ической

п освя щ ена э тим двум 1·· ру пп а м рец е пторов и проц есса м

пр омышленности зан ята по исками веществ, оказ ы вающих

п е р е1щчи сигналов, в которых о н и задейс твованы.

строго о пределенное воздействи е п ри связыван и и со специ­
фич н ым типом реце пторов r<л еточной поверхности .

Рецепторы, сопряженные с ионными каналами,

ВОПРОС

превращают химические сигналы в электрические

А Механизмы передачи сигнала , используемые яде рными ре ·

Из всех типов р е ц е пторов клетоt1ной п ов е рхност и н аи ­

более простым и прямым способом действуют ре це пто­
ры, сопряженные с ионными 1,аналами ( i o n -c l1 aпл eJ ­

co upled

490

гeceptors) (или мед иатор- з ависимы е

ионные

ГЛАВА 16. Межклеточные взаимодействия

16-4

rl' цепторами стероидов и рецепторами , сопряженными с ион·

8

ным каналом , относительно просты и состоят из не многих

компонентов . Могут ли они приводить к усилению и сходного сигна ·
ла и если могут, то к ак?


РЕЦЕПТОРЫ, СОПРЯЖЕННЫЕ

тозависимая прото1шая помпа ( см. ри с.

С G-БЕЛКАМИ

на поминают эука риотически е

Хотя они

бактериальные

фоторецепторы не со пряжены с С- белками, они связаны с

Рецепторы, сопряженные с G-белками (GPCR, C-pгo­

te in coupled

11-28).

CPCR, эти

другими с и стемами пер еда чи сигнала.

гecepto r·s), составляют крупнейшее семейство

рецепторов клеточ н ой пов ерхности. У человека и звестно

более семисот

CPCR. У мыши более тысячи CPCR отве­

чает только за одно обоняние. Рецепторы опосредуют от­

При стимуляции GPCR
активируют субъединицы G-белков

веты на огромное разнообразие внеклеточных си гналь ных

Когда внеклеточная сигиальиая молекула связывается с

молекул, вю1юч ая гормоны , медиаторы м естного действия

CPCR, прои сходит изме н е ние

и ней ром едиаторы. Сигнальные молекулы столь же разно­

тора, что позволяет ему акт ивировать G-белок , располо­

образны

110 своей ст руктуре, как и п о функциям: это могут

женный на в нутренн ей стороне плазмале ммы. Чтобы по­

быть белки, небольши е пептиды, производ ны е аминокис­

ня ть, как его актив ация ведет к п ер едаче си гн ала, мы долж ­

JJот или жирных кислот и т. д. И для каждой сигналъной

ны сначала рассмотреть устройство и работу С-белков.

молекулы существует свой рецептор или набор ре цепто ­
ров. Поскольку

CPCR вовлечеиы

конформации белка-рецеп ­

Существует несколько раз нови дностей С-белков: каж­

в столь раз н ообразные

дый и з них специфич е н для определею-юrо набора рецеп­

клеточные процессы, они представляют собой привлека­

торов и о пределе нного н або ра ферментов- мишеней ил и

тель ную мише нь для раз работки лекарств, испол ьзуем ых

ионных каналов в плаз м атической мембра н е. Однако все

при лечении разных болезней. Бол ее полов ины всех из­

С-белки имеют сходное строе ние и действуют похожим

вестных лекарств действуют на

образом . Они состоят из трех белковых субъединиц

CPCR.

Несмотря на раз нооб разие сиrналыrых молекул, свя ­

~ и у

-

-

а,

д ве и з которых прикр е плен ы к плазмалемме ко­

CPCR имеют сход н ую

роткими липидн ыми хвостами. В н еактивном состоя1-~и:и

стр укту р у. Каждый такой реце птор состоит и з еди нствен­

к а-субъединице пр икреплен ГДФ и С-белок н е действует

зыва ющихся с ними, все и зученны е

ной полипептидной цепи , которая семикратно пронизы ­

( РИС. 16-17, А). Когда внеклеточный лиганд связывается со

вает фосфолипидный бислой ( РИС. 16-16) . Это суперсе­

сво им р е це птором, видоизмененный р ецепто р актив ир ует

мейство бел~сов с семью траисмембра~-тымu участ1самu

С-белок, вызывая уменьш ение сродства а-субъединицы к

(scven-pass transrnembraлe гесерtо г pl'Oteins) включает и

ГДФ, который из-за этого обменивается н а молекулу ГГФ .

Родопси н, активируемый светом белок-фоторецептор глаз

Считается, что в не которых случаях эта активация при во­

Позво ночных, и ольфакторные (обонятельные ) рецепто­

дит к расп аду G -белка на субъединицы: а ктивированная

ры позвоно чных, и ре цепторы, участвующи е в ритуалах

а-субъединица, присоединившая ГГФ , отделяется от ~у­

спаривания у дрожжей (см. рис .

комплекса, который также активируется (ри с .

см ысле происхождение

16-1).

В эволю ционном

CPCR весъма древr-r ее: даже у бак­

16-17,

Б).

Независимо от то го, разделя ются ли две акт и ви рованные

терий имеются структур но сходные мембран н ые белки,

части С-белка

например бактериородоnсин, фуикционирующий как све-

они могут непосредствен но взаимодействовать с белка­

-

а-субъединица и ~у -комплекс,

-

обе

ми-мишенями в плазмалем м е, а те, в сво ю очередь, мо 1уr

пе редаватъ сип-1ал в остал 1, ны е части клетки . Че м долыu е

а-субъединица и ~у-комплекс остаются свя за нны ми с эти­

ми белками-мишенями, тем сильн ее и дл ительн ее будет
пе р едаваем ый сигнал.

Время, в течение которого а- и ~у- субъединицы оста­
ются включенными и способными передавать сигналы,
ограничивается тем, как ведет себя а-субъединица. Она

обладает собственной ГГФаз ной акrивностыо и в 1<0 1-ще
концов ги дролизует связанный с н ей ГГФ до ГДФ , что
возвращает весъ С-белок к исходн ой н еакт ивной конфор ­
мации ( РИС. 16-18) . Гидролиз ГГФ и инактивация проис­

ходят в течение секунд после того, как С-белок был акти-

РИс. 16-16. Все GPCR имеют сходное строение. Цитоплазматиче­
ская часть реце птора отвечает за связывание G -белка на внутренней
стороне мембраны; реце пторы , с вязывающие белковые сигнальные
Молекулы , обычно имеют крупный внеклеточный домен (светло-зеле­
нь~й) . Этот домен вместе с некоторыми трансмембранными участками
связывает белок-лиганд . Рецепторы , распознающие малые сигнальные
Молекулы , такие как адреналин или ацетилхолин , имеют небольшой
внеклеточный домен, и лиганд обычно связывается заметно глубже на­
РУжной плоскости мембраны в сайте , сформированном ами нокислота­
ми Нескольких трансмембранных участков (не показано).

ВОПРОС

16-5

А GPCR активирует G -белки , уменьшая силу связывания ГДФ с

rl' G -белком . Это приводит к быстрому отделению ГДФ и ее за-

8

мене на ГТФ , поскольку концентрация ГТФ в цитозоле гораз­

до выше . К каким последствиям приведет мутация а -субъединицы

G-белка , снижающая его сродство к ГДФ при неизменном сродстве
к ГТФ? Сравните результаты этой мутации с воздействием холер­
ного токсина .

Рецепторы, сопряженные с G-белками

491


неактивный G - бел о к

бело к- р е це п тор

а-

~-

ла, столъ же важны, как и механизм ы его пе р еда 1и (см.

у-

ри с.

доме н ы , и ли су бъед ин иц ы

16- 14,

Б). Механиз м~ 111ре р ыва 11 и я п ередаLJ И сип1 ала

предоставля ют столько же возмож н остей для

I еrуля ц ии

и стол ь ко же о п ас 11 остей 11 ару ше 11и й. Наприме р , холе ру

(А )

пла з м а л е мм а

вы з 1 ша т бакте ри я, размн ожаю щаяся в киш е чник

и об­

разу ющая белок 11 од н азва ни ем холериый токсии

(cl1ol-

r·a tox i11). Он

·~

пр о н икает в клетк и в ыстилки к иш е ч1-1и ка

и м одифицирует а-субъ единицу о пр еделен н о го G -белка

сигна льн а я
мол екул а

(наз ы вае м о го

G5 ,

1юскоm,ку о н стимулирует фе р ме нт

аде~1и лат циклазу, кото ры й мы вско ре обсуд и м ) . М од и ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ПРОСТРАНСТВО

( Б)
бел ок- м и ш е н ь

цитозоль

ВН Е КЛ Е ТОЧНО Е
ПРОСТРАН СТВО

и тозоль

f

активированный
~у-ко м плекс

акт ивир о в а н

ая

АКТИВАЦИЯ Б Е ЛКА- МИШ Е НИ

а-су бъединица

ПРИ СВЯЗЫВАНИИ

1

С а-СУБЪ ЕДИНИЦ ЕЙ

а ктивированные субъединицы G-бел ка

-

~у-ко м пл екс

а-субъ ед и ница

РИС.

16-17.

~

а ктивир о ва нны й

акт и в иров а нн а я

Активированный

GPCR

-1

ГИДРОЛИ З ГТФ а-СУ БЪ ЕДИНИЦ ЕЙ

j

а-СУБЪЕДИНИЦА ОБЪ Е ДИНЯ ЕТСЯ

ПРИВОДИТ К ЕЕ ИНАКТИВАЦИИ
И ОТД Е ЛЕНИЮ ОТ БЕЛКА- МИШ Е НИ

активирует G-белки, застав­

ляя а-субъединицу отделять ГДФ и присоединять ГТФ. (А ) В отсут­
ст в ие сигналь н ой мол екулы и ре цептор, и G - бело к неактив н ы. Хотя о н и

п оказаны н а рисунке ка к отдельн ые мол екулы пл азмал еммы , п о край ­
н ей ме ре в некото ры х сл уч аях о н и п остоя нн о св я зан ы др уг с другом .

ИНАКТИВИРОВАННАЯ

(Б ) С вязыва н ие в н еклеточ ной с игн альной мол екулы с р е це пто ром из ­
ме н яет е го конформацию , что приводит к изменению кон ф о р ма ции вза­

имодейств ующего с ним G -бел ка . И зме н ен и е а -субъеди ницы G -бел ка

С ~у- КОМПЛ Е КСОМ ,

ФОРМИРУЯ Н ЕАКТИВНЫЙ G - Б Е Л ОК

п озвол яет ей обменять ГДФ н а ГТФ . Этот обмен за пускает ко н фо р маци ­
онные изме н ения , активи рующие как а- субъединицу, та к и ~у- ком пл е кс ,
которые тепер ь способны взаимодействовать со своими бел ками-ми ­
ш ен я ми в пл азмалемме ( ВИДЕО

16.2). Ре це птор остаетс я актив ны м до

тех по р , по ка с н им связана в н е кл еточ н ая сигнальная мол е кул а , и та ким

неакти вны й

образом способен к атали з ировать активацию м н о ги х мол екул G-бел ка.

G-бел ок

Хотя изначаль н о п редп ол а галос ь , что актива ци я G -бел ка всегда вызы в а ­

ет физ ичес кое отделен и е а- субъединицы от ~у - ком пл екса (ка к показа н о

РИС.

на рисун ке) , на самом дел е в некоторы х сл учая х тримерный G - бел о к так

дролизе связанного с ней ГТФ. Когда активированная а- субъед ини ца

16-18. а-Субъединица G-белка выключает сама себя при ги·

меняет ф орму, ч то акт и в ирова нны е а -субъедин ица и ~у- ко м п л екс мо гут

связывается бе л ком - м иш енью , он а ктивирует (или в не которы х случ а ·

вза имодействовать с активирован н ыми белками - ми ш енями . Об ратит е

я х ина ктивирует, н е показа но) следующий бел о к в те чен и е вс е го вре ·

внимание , что и с а -, и с ~у - субъединицами G-бел ка ко вал ентно свя заны

мени , пока с ним контактирует а-субъединица. За н есколько се кунд

молекул ы л ипидов (черные) , помогающие эт им субъеди н ицам заяко р и ­

а - субъедини ца гидроли зует с вяза нны й ГТФ до ГДФ . П оте ря ГТФ при ·

в ат ься в плазмал емме .

водит к инактива ции а-субъединицы , ее отделению от бел ка-ми шени

вирова н . После этого н еакти в н 1,1 й G-белок L"Отов к реакти ­

и - есл и а -субъединица была отделена от ~у - комплекса (как показано
на рисунке) - к объединен и ю с ~у -ком пле ксом в неактивн ый G - белоК­

ва ции д ругим акти в ир о в а нн ы м р е r~еп тор о м .

Теперь G-белок вновь готов связаться с другим активированн ым рецеn·

Пе реклю ч ени е
пр и нцитr

G-белков

клето чной

де м онст рирует

с и1- н ал иза ции ,

при водя щи е

к

об щи й

тором (см . рис . 16-17, Б) . И активированная а-субъединица, и активи ·

у п о мина вш ейся

рованный ~у- компле кс могут взаимодействовать с белками-мишенями
в п л аз мал е мм е (см . та кже ВИДЕО 16.2).

ра н ее :

м еха 11 из мы ,

пр е р ыва ни ю

492

ГЛАВА 16. Межклеточные взаимодействия

с и 1- н а-


фи1<ация приво;tи т к тому, что белок больше н е способ н

ацетилхол ин

закрытый калиевый канал

гидролизовать связа ,шый с ним ГТФ . В резул ьтате изме-

1-1 е нн ая а -субъед иница постоя нн о сох ра ня ет активность,
не пре рывно передавая сигнал своим белкам-мишеням. В

(А)

клетках ки ш е чник а это выз ыва ет длитель ~1ый и инт е н ­

,;,. активи-

сив 1-1ый транспорт ионов хлора и воды в проев т киш1<и ,

,,~
1

что приводит к силь ней ш е й диа р ее и дегид р ата ции орга­

ни зма. Такое состоя ние часто привод ит к

м рти , если н е

лре1щрииять с рочны е м еры для возмеще~1ия п отерь вод ы
и ионов.

Сходная ситуа ция воз никает при коклю ш е

-

обыч­

(Б) ПРОСТРАНСТВО

ной респирато рной инфе кции , против кото ро й детям
сейчас, как прав ило , делают прививки . Бактерия-возбу­
дитель заселяет легк и е, rд
ко1и110ш11.ъш токсu1ю.м

акт ивирова нны й

ед иница

ру-компле кс

пл аз м а л е мма

ВН Е КЛ ЕТОЧНОЕ

:::'

рованная -;,
а-субъ -

j

открытый калиевый+ канал
ОТКРЫВАНИЕ

•~.

КАНАЛА

11
. :::

цитозоль

'

образует белок, н аз ывае мый

(pertL1ssis toxjn).

Этот белок изме­

няет а-субъединицу д ругого С-белка (называемого С;, по­

~ ИНАКТИВАЦИЯ

- !

СJ<ол ьку он uuгuбupyem (.iлhiblt) аденил ат циклазу ) . Одна­

G- Б ЕЛКА

ко в данном случае связ ывани е токси иа лишает С-белок

возможности действовать , блокируя его в н еактивном со­

закрытый калиевый канал

стоянии , когда он связан с ГДФ . Ингибирование С;, как и
активация С,, привод ит к ген р ации длитель н ого 1-1 еумест­

(В )

ного с нгн ала, кото ры й в данном случае стимулирует ка­

ш ель . И вызывающее диарею действ и е холер ного токсина,

неа кт и вны й

и про воцирую щий кашеЛJ, эффект коклюш1-юго токсина

G -бел ок

11 омогают

болезнетво рным бактериям п е редаваться от од­

ного хозяина к д ругому.

РИС.

16-19. Gl° белок напрямую связывает активацию рецептора

с открыванием калиевых каналов в плазмалемме сердечных мы­

Некоторые G-белки
напрямую регулируют ионные каналы

Белки-мишеии, опознаваем ы е субъедини цами С-бел­
ков, - это л ибо ф е рм енты, либо ионные каналы . У мле1<опитающих су ществует около 20 типов С-белков , каж­
дЫ~1 активируется определенным набором рецепторов

шечных клеток. ( А) С вяз ы ва н ие н ей ро меди атора а цет илхол и н а с GPCR
н а серде чн ой мы ш е ч ной клетке п риводит к акти ва ции G -бел ка Щ) ,
( Б ) А ктиви р о ванный ~у-компл екс откры вает калие в ый ка н ал в пл азма­

л емме мы ш ечной клет ки сердца, поз вол яя ионам кал ия в ыходить из
клетки , ч то п онижает ее возбудимост ь. ( В ) Инактива ция а-субъединицы

п ри гид рол изе с вя за нн о го с ней ГТФ воз в ра щает G-белок в н еакти вн ое
состояние, что позвол яет калиевым ка н ал ам закрыться.

lОJеточной пове рхности и в ызывает активацию опреде­
ленного набора белков-ми ш е н ей. Таким п уте м связьша­
ние вне1<леточной с игнал ьной молекулы с GPCR в едет к
изменениям актив ности специфичной совокупности воз­
можных белков- миш ен ей в п лазматической мембране ,
LJтo приводит к ответу, подходящему для данно го сигнала

И да нного типа клеток . С начала мы рассмотрим пример
nрямо й регуля цин ионных ка налов С- белком. Работа
сердечной мышцы у животных контролиру ется двумя
Разновидностямн нервов. Одни ускоряют ее, а другие

замедляют. Нервы , замедляю щи е сердц бие ни е, воздей­
ствуют на клетки серде'! но й мышцы с помощью а цети л­
Хол11 1-1 а, который связывается с CPCR на их п ове рхности.

Этот GPCR активирует С;. В данном случае ~у-J<омплекс

СJtУж ит его активным, передающим сигнал компонентом:
он связывается с внутриклеточной стороной калиевого

kан ала в плазмалемме сердечиой мышечной клетки , вы­
зь~вая его открывание ( РИС . 16-19, А) . Это позволяет ио­
нам калия выходить и з клетки , что п одавл я ет ее электри­
Чес.r<ую возбудимость (рис. 16-19, Б). Передача сигнала
Г!рекращается, и калиев ы е ка н ал ы вновь закрываются,
l<огда инактивируется а-субъед нница, рас щепляя свя­
занный с ней ГТФ и возвращая G -белок в н еактивное со­
стоя ни е (рис. 16-19, В) .

Некоторые G-белки активируют
связанные с мембраной ферменты
Когда С-белки взаимодействуют с ионными каналами , они
с разу меняют состошrи е и по ведени е клетки. Их взаимо­

действия с ферме нтам и им е ют более сложные последствия,

приводя к образованию дополнителъных внутриклеточных
си гнальных молекул. Среди наиболее рас пространенных
ферментов , служащих мишенями для С-белков,

иилатциююза (ade п y l y l

cyclase),

-

аде­

ферм ент, отвечающий за

образован ие небольш ой внутриклеточной сипталь ной мо­
лекул ы, чиюtического АМФ (cyclic АМР) , и фосфолипаза
С (p lюspholypase С), ферме нт, отвечающий за образова­
ние мал ых внутриклеточных сигн аль ных молекул u1юзи­

толтрифосфата (iлos ito l tгip.hosph ate) и диацилwицерола
(diacy lglyce1·ol). Эти д ва фермента аr<тиви руются разными
типами С-белков, поэтому клетки способны сопрягать об­
разова ние разных мал ы х внутри.клеточных сигнальных мо ­

лекул с разлиtшыми внеклеточными сип-~алами . Как было
описано ранее, та1<ое со пряже ние может быт ь либо стиму­

лирую щим , либо подавля ющим. Мы подробнее рассмотрим
здес ,, С-белки, которые ст имулируют активность ферм е.1-1-

Рецепторы, сопряже н ные с G -белкамн

493


активированный

активированный фермент

~у-комплекс

ВНЕКЛЕТОЧНОЕ

ПРОСТРАНСТВО

второй фермент, цАМФ-фосфодuэстераза

phosphodie

(cyclic

АМР

tега е ), быстро превращающий цАМФ в обыч­

ный АМФ ( РИС. 16-21 ). Один из п утей действия кофеи н а
как стим ули рую щего средства

-

п одавление действия

фосфодиэстеразы в н ервной с исте ме; в результате блоки­

,,

руется расщепление цАМФ , так что лодде рживается вы ­
сока.я концентрация этоl'о вторичного по сред ника.

цАМФ - фосфодиэсте раза В11утри клеток постоянно ак­

активированная

тивна. Поскольку она весьма быстро рас ще пля ет цАМФ ,

•••
••••
•••

а-субъединица

G -белка

концентра ц ия этого вторичного лосред ника может быстро

~/·1\"-..
РИС.

изменя1ъся в ответ н а внеl(леточные с игналы, десятикрат­

но повышаясь и ли понижаясь в тече 1-1 ие с читанных секу нд

(РИС.

МОЛ Е КУЛЫ ВТОРИЧНОГО ПОСРЕДНИКА

РАСПРОСТРАНЯЮТСЯ ПО КЛЕТКЕ И ДЕЙСТВУЮТ

нять сигJ-Lал по всей клетке, п е рем щаясь от места синтеза

НА ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ СИГНАЛЬНЫЕ БЕЛКИ

на мембране и взаимодействуя с белками. в цитозоле, ядре

16-20. Ферменты,

активируемые G-белками, катализируют

образование малых внутриклеточных сигнальных молекул. По­
скольку каждая молекула активированного фермента образует множе­
ство молекул вторичны х посредников , на данном этап е передачи с игнал

значительно усиливается . Сигн ал пер едается с помощью молекул вто­
ричного посредника , который связывается со с пецифичными сигналь­

ными бел ками и влияет на и х активность.

емые в эт их касI<адах, часто называют малыми посредни­
ками, или вторичными посредниками , ил и мессендже рами

m essengeгs,

и других органеллах.

Цию1ически й АМФ вы з ы вает б6льшую ч асть отве­
тов, активируя цАМФ-зависимую протею1киназу А, и ли
РКА (от аигл.

cyclic-AMP-dependent protein kina

or second messenge1:s)

(под @ервичными

посредниками ~ имеются в виду внеклеточные сигна1tьные

вещества). Когда актив ируются находящиеся на мембране

ет комплекс с друшм белком. Связывание с цАМФ вы­
з ы вает конформационные измене н.ия, в резул1,тате ч е го

О О О
11

11

<i")H:
N~

11

-о - Р - 0 - Р- О - Р - 0 -С~о
2
1

о-

1

о-

1

вторичные посредники образуются в больших количествах;
затем они быстро диффундируют от м еста свое~:о образова­

16-20).

Разные молекулы вторичных п оср едников , естествен­

но, вызывают раз ные ответ ы. Сперва мы рассмотрим по­
следствия увеличения

внутрикл еточной

концентрации

цАМФ. Мы просл едим один из главных ти пов сигнальных
путей, начинающихся с активации
воздействие

инозитолтрифосфата

CPCR. Затем обсудим
и

диацилглицерола,

других вторичн ы х посредников , участвующих в иных сиг­

N~

RR

о-

l8lliil

ферменты, например аденилатциклаза или фосфолипаза С,

ния, распространяя сигнал ( РИС .

е А) . В

норме этот ферме нт неактивен из-за того, что он образу­

высвобождается активная протеинкиназа А. Затем акти-

та. Малые внутриклеточные сигнальные молекулы, образу­

(small

16-22) . Циклический АМФ - водорастворима.я мо­

лекула, так что в н екото рых случ аях он может рас простра­

:т•

I

ОН ОН

::~/ v°-J<х5
N-"

О \ ,уO ч t,\ИК11ИЧ8СКИЙ
Р-O

ОН

АМФ

/

о-

иа.льн ых путях .

Сигнальный путь, запускаемый цАМФ,
может приводить к активации ферментов
и включению генов

Многие вн еклето чны е сигналы, действующие че рез

CPCR,
(ad-

влияют на активность фе рмента аденилатциклазы

enylyl cyclase) ,

что приводит к изменению внутриклеточ­

ной концентрации вторичного п осредни ка

ского АМФ

(cyclic

-

цикличе­

АМР) . Чаще всего аденилатциклазу

<< вкточает,> а-субъединица активированного С- белка, что

РИС. 16-21 . Аденилатциклаза синтезирует цАМФ , а фосфоди·
эстераза расщепляет его. Циклический АМФ (также называемый

прив одит к резкому и в н езапному повышению скорости

цАМФ) образуется из АТФ в ходе реакции циклизации , при которой из

синтеза цАМФ из АТФ, который всегда присутствует в

АТФ удаляются две фосфатные группы , а « свободный » конец остающей·

клетке. Этот С-белок наз ывается С" поскольку он стиму­

ся фосфатной группы соединяется с остатком сахара молекулы АТФ,

лирует циклазу. Для завершения передачи сигнала служит

В ходе реакции расщепления эта связь рвется, и образуется АМФ .

494

ГЛАВА 16. Межклеточные взаимодействия


начальный момент времени

через

20

с

на м 11 огих типах клеток . Посл едствия р азл ичаются в за­
висимости от клеточного тиnа, но все кл ето чны е ответы

готовят 1-1аш организм к активному действию. Наприм е р ,

-

+серо­

в клетках скелет ных мышц ад р е 1-1 ал и1-1 за пуска ет повыш е ­

тонин

ни е внутрикл еточной конце нтрации цАМФ, LIТO вызы­
вае т расщепление гликогена

-

полим ер ной за пасаемой

формы глюкозы . Это происходит благодаря активации
РКА, в р езультате которой одновреме1-111O активируется
фермент, ускоряющий распад гликогена ( РИС .
подавляется

активность

ферм е нта,

16-23) , и

осуществляющего

РИС . 16-22. Концентрация цАМФ быстро повышается в ответ на

е го с интез. Стимулируя распад гликоге на и подавляя его

внеклеточный сигнал. Н ервная клетка в культуре отвечает на связыва­

синтез, повыше нная конце нтрация цАМФ макси ми зи ­

ние нейромедиатора серото нина с

р ует количество глюкозы , доступной в качестве топлива,

GPCR, синтезируя цАМФ .

За внутри­

клеточной концентрацией цАМФ следи ли с помощью инъекций в клетку

Флуоресцентного белка , свечение которого изменяется при связывании
цАМФ . Голубой цвет говорит о низкой концентрации цАМФ, желтый со­
ответствует промежуточному уровню, а красный

-

активированная

адреналин

высокой ко нцентра­

ции. (А) В покоящейся клетке концентрация цАМФ составляет примерно

5 х 1о-в М . (Б) Через 20 с после добавления серотонина в культуральную
среду внутриклеточная концентрация цАМФ увеличилась более чем в 20

Раз до

>10-s Мв тех частях клетки,

тонина. (С разрешения

где сосредоточены рецепторы серо­

Roger Tsien.)

'Г'\цАМФ
/ 1 ''

активированная

ви.рованная РКА катализирует фосфорилирова ни е опре­

а-субъединица

деленных остатков тирозина некоторы х внутриклеточных

G-белка

...

а

белков, изменяя их актив ность. В разных типах клеток
Фосфорилированию доступен разный н абор белков; в ос­

•••••

новном именно и з-за этого цАМФ вызывает разные эф­

фекты в различных клетках-мишенях.

~-•------I

Многи е типы клетоLJных ответов осуществляются
nри участии цАМФ; н есколъко примеров приведе1-1 ы в

ТАБЛ . 16-3. Как видно и з таблицы, разные клетки - мише­

цАМФ

ни очень по-разному реагируют на вн еклето чны е сиг1-!алы, вызывающие повышение внутриклеточной кон­
це нтрации цАМФ. Наприм е р, когда мы исп у га ны и ли

взволнованы , надпочечники выделяют гормон aдpe1-tшtu1-t

активная

(adrenalin e), циркулирующий в крови и связывающийся
с группой рецепторов, 1-rазываемых адренергическими

Рецепторами

( адренорецепторами ),

присутствующим и

киназа

фосфорилаэы
неактивная

-:1

киназа

фосфорилазы

ТАБЛИЦА 16-3. Некоторые клеточные ответы ,
0 nосредуемые

/

---

активная

,::::

~ ~осфорилаза

--1.... ..l... .

а

~ликогена

L P.

цАМФ

Внеклеточная

Ткань-мишень

Основные эффекты

неактивная

сигнальная

фосфорилаза

Молекула •

Адреналин

!

гликогена

сердце

увеличение частоты и силы

РАСЩЕПЛЕНИЕ

сокращений сердца

Адреналин

скелетные

расщепление гликогена

РИС .

мышцы

Адреналин, АКТГ,

жировая ткань

расщепление жиров

надпочечники

секрециякортизола

• Хотя все перечисленные в таблице сигнальные молекулы -

это гормоны, не­

которые ответы на медиаторы местного действия и нейромедиаторы также
оnосредуются цАМФ.

16-23.

Адреналин стимулирует расщепление гликогена в

клетках скелетных мышц. Гормон активирует

ет сигнал G-белку

rлюкагон

Актг

ГЛИКОГЕНА

(G,),

GPCR, который

переда ­

активирующему аденилатциклазу, что вызыва­

ет резкое усиление синтеза цАМФ . цАМФ, в свою очередь, активирует
РКА, которая фосфорилирует и активирует фермент

рилазы . Киназа активирует фосфорилазу гликогена

-

-

киназу фосфо­

фермент, расще­

пляющий гликоген. Эта ответная реакция происходит быстро, посколь ку
она не требует изменений активности генов и синтеза новых белков.

Рецепторы, сопряженные с G-белками

495


ВОПРОС

активированная

адреналин

16-6

А Объя с н ите , п очему цАМ Ф должен быстро расщепляться в
клетке для быстрой передачи сигнала .

rl'

•

ром (см. рис.

,'-

ты или ч асы (см. ри с.

~цАМФ
...

активированная

е

а-субъед иница

16-7).

При медле11ных ответах РКА

обычно фосфорилирует тра н скрип ци о 1-1ны е факторы , ко­
торые

•••••

G-белка

В других случаях ответы н а цАМФ

16-23).

требуют изменения экс прессии генов , спо за нимает мину­

активируют

транскрипцию

о нределс 111-1ы х

генов.

Так, в эндокри нны х клетках гипоталамуса повьш1 е 1-п1е

внутрию1 еточ но1·0 содержа 11ия цАМФ стимулирует син­
тез

-

соматостатина

пептидного

гормона,

тормозящего

выделение р азличных гормонов д ругими клетками. По­

в ыше 1-1 ие концентрации цАМФ в некоторых н ей ронах го­
цито з оль

(С

\

ЯДРО

п ора

РКА

ющих за н екото рые формы обучения. На РИС . 16-24 пока­
зан типичный сиг н ал ьны й путь, ведущ ий от плазмалеммы

внутрь ядра и олосредуе мый цАМФ .
Теперь мы п ерейдем к рассмотрению д ругого сигиа:ль·
ного пути, запускаемого

я д ерная

акти вн ая

лов н о го мозга контролирует образование белков, отвеча­

активированный, фосфорили рова н ный

участии ферментов

и осуществляемого при

б раниоrо фермеита фосфолипазы С

(phos pl1olipase

С) и

лриводит к образованию втори чных посредников uuoзu·
ла

~ акти в ированны й ген-мише н ь
Д НК

~ ТРАН СКР ИПЦИ Я
Р НК

16-24.

GPCR

011 н а чинается с актива~ ~ии мем­

толтрифосфата (iлositol tгispl10sphate) и диацилглицеро­

т р а н скр и п ц и о нный фактор

РИС.

-

Повышение внутриклеточной концентрации цАМФ

( diacylglycei-ol).

Сигнальный путь с участием инозитольных
фосфолипидов приводит к повышению
внутриклеточной концентрации ионов кальция
Некоторые

GPCR

передают сиг нал ч ерез G-белки, акти·

может активировать транскрипцию . С вязывание с и гналь н ой моле­

вирующие вместо аде ни латциклазы мембра1-111ый фермент

кулы с ее

фосфолипазу С

GPCR

может приводить к активации аденилатциклазы и по­

вы ш ению внутр иклеточной кон цент рации цА М Ф. В цитозоле цА М Ф
активирует РКА , которая затем перемещается в sщро и фосфорилиру­

ет о п редел ен н ые бел ки

-

регулято р ы транскрипции. Будучи фосфо­

С). Прим е ры их действия

(phospholipase

прив еде ны в ТАБЛ .

16-4.

П осле активаци и фосфолипаза С п е р едает сигнал ,
расщепляя

ли пи 1.щую

молекулу,

входя щую

в

состав

рилированными, эти белки стимулируют транскрипцию совокупности

п лазмалемм ы . Эта молекула

-

гено в -мишеней ( ВИДЕО 16 . З ) . Такая разновидность сигнальных путей

липид

(фосфолилид , к ~ ,:олове ,>

(inositol phospl10lipid)

инозитольный фосфо­

от синтеза гормонов в эн­

которого 11рикре п ле11 сахар иноз итол). Он в неболь ши х

докринных клетках до образования белков, отвечаю щих за долговре­

количествах при сутствует во внутреннем (цитозольном)

контролирует многие процессы в клетках

-

менную память , в клетках головного мозга . Активированная Р КА может

также фосфорилировать различные белки в цитозоле (см . рис .

16-23) и

тем самым регулировать их активность .

ТАБЛИЦА

16-4.

Некоторые клеточные ответы

вызываются активацией фосфолипазы С
Сигнальная

при ттовышении мьrшесп-юй активности. Адреналин дей­
ствует также н а жировые клетки, вызывая распад тр иа ­

ци лrли ц еридов (запасаемая форма жиров) до ж ирных
кислот

-

топлива, н е поср едстве нно используемого для

синтеза АТФ ( см. гл.

13).

Эти жирные ки слот ы могут вы­

Вазоп ресси н

В некоторых слу'-lаях ответные реак ции на активацию

цАМФ -зави симого каскада протекают быстро. Например,
в клетках скелетных мышц расттад глико гена прои сходит

в тече~rие секунд после связыван ия адре~rалина с р е цепто -

496

ГЛАВА 16. Ме жкл еточны е в з аи модействия

Основные эффекты

печень

рас щепле н ие гл икогена

поджелудочная

секреция амилазы (пище-

(пептидный
гормон)

А цети лхолин

деляться из жировой ткани для и с пользова ния другим и
клетками, нуждающимися в э н ергии .

Ткань-мишень

мол ек ула

жел еза

варител ьного фермента)

Ацетилхол ин

гладкие мышцы

сокращение

Тромбин (протео-

тромбо циты

аггрегация тромбоцитов

л итический
фермент)


сигнальная

молекула

• "\ активированный
♦ GPCR

Диацилгл ицерол, образующийся наряду с

инозитольный

фосфолипид

активированная

1

фосфол паза С

г-1-----,

мещается и з цитозоля на плазмалемму. Этот белок наз ыва­

диа илглицерол

--· '/111\-::-

активированная

а-субъединица
G-белка

инозитол-1 4 5- р
' '

трисфосфат

(IP3 )

IP 3, помогает

мобилизовать и акт ивировать nротеинки1-1 азу, которая пере­

Р

активи-

]

Р

рованная

ется протеинкиназа С (РКС, от аигл. p1·ote iл kiлase С), по­
сколы<у для а~пивац~Lи он долже н также связать ионы каль ­

ция (см. рис.

16-25). Активированная

РКС фосфорилирует

различ~1ые внутриклеточные белки, набор которых зависит
от типа клетки. РКС действует по тому же принципу, LfТO и

РКА, хотя болыни}1ство белков-мишеней у них разные.

Р КС

• •

• • • Са 2+
•

_
открыты и
льциевый

Ионы кальция активируют

многие биологические процессы
Ионы ка.111,ция в роли внутриклеточного вторичного по­

эпс

с р ед ника с толь важны и широко распро стране ны , что нам

надо сделать отступление для обсуждения их функций в
целом. Скачки цитозольной кш-щентрации свободных ио­
нов кальция запу скаютсн многими стимулами, действую­

РИС . 16-25. Фосфолипаза С запускает два сигнальных пути. Когда

щими не только через

акт ивированная фосфолипаза С гидролизует мембранный инозитоль­

лы открываются при слиянии сп ерматозоида с яйцеклет­

ный фосфолипид, образуется два вторичных посредника . Инозитол-

кой , и происходящий в р езультате подъем содержания ио­

GPCR. Например, кальциевые кана­

1,4 ,5 -трисфосфат (I P3 ) распространяется в цитозоле , вызывает выход

нов кальция в цитоплазме запускает начало разв ития яйца

ионов кальция и Э П С, связываясь со специальными кальциевыми ка­

( РИС . 16-26) . В клетках скелетных мышц не рвный сигнал

налами на мембране Э П С и открывая и х . Резкий электрохимический

вызывает подъ ем цитозолыюй концентрации ионов каль­

градиент ионов кальция, существующий на этой мембране, заставляет

ция, что за пускает мышечное сокращение. А во многих се­

ионы кальция устремляться в цитозоль. Диа цилглицерол остается на

креторных клетках и в нейронах ионы кальция запускают

плазмалемме и вместе с ионами кальциями активирует фермент про­

секрецию. Ионы кальцин вызывают все эти ответы, связы­

теи н киназу С (РКС) , который мобилизуется из цитозоля на цитозольную

ваясь с различ ными кальций-зависимыми белками и регу­

сторону плазмалеммы. Затем Р КС фосфорилирует свои внутриклеточ­

ли руя их активность.

Концентрация ионов кальция в цитозоле покоящейся

ные белки-мишени, передавая сигнал дальше .

клетки необычайно низка (всего

10-7 М) по срав нению с

их концентрацией в межкл точной жидкости и ЭПС. Эту
СJюе плазмалеммы

( см.

ри с .

11-17). П оскольку

этот фос­

разницу концентраций поддерживают мембранные белки­

Фол.и пид участвует в передаче сиг н ала, н ачи нающийся

насосы, активно выкаLrивающие ионы кальция из цитозо­

с аI<тивации фосфолипазы С сигнальный п уть часто на­

ля в ЭПС или из клетки, ч ерез nлазмалемму. В результате

зывают фосфоинозитолыtъl.М путем

(inositol phospholipid
Pathway). Он есть практически во всех эукариотических

на мембране ЭПС и ттлазмалемме формируется резкий

1 <Летках

Когда под действием сигнала на любой из этих мембран

и регулирует акт ивность множества эффекто р­

электрохимич еский градиент ионов кальция ( см . гл .

12).

ных белков .

Фосфоинозитолы1ый путь работает следую щим обра­
зо м . Когда фосфолипаза С отрезает сахаро-фосфат~1ую го­

Jюву от и:нозитолыюго фосфолиnида, образуются две сиг­
нальные молекулы: 1,4,5-инозитолтрисфосфат
Фtг.л . .i пosito l

1,4,5-tr·i pJ10spl1ate)

(IP:1, от
(DAG,
сахар IP 3 -

и диацилглицерол

от а~1гл. diacy l gl yceгo l) . Фосфори лированный

nодорастворимое вещество, диффундирующее в цитозолъ,
а диацилгли церол - липид, остаю щий ся в мембране. Оба
э~·их вещества играют важ1-1ейшую роль в передач е сигна­
Jtа; мы рассмотрим и х по очереди.
Высвобождаемый в цитозоль IP3 быстро дости 1'ает

эnс; он связывается с кальциевыми каналами, располо­

Jf<енными на мембране ЭПС, и открывает их. Ионы каль­
Ци.я, за пасе ниы е в ЭПС, сквозь открытые каналы устрем­
J!JI.ются в 1.ситозоль ( РИС . 16-25), в1,тзывая б ы строе повыше1·f11е цитозолы-юй концентрации свободных ионов кальция,
1

< 0торая обычно лоддерживается на очень низком уровне.

11:оны кальция , в свою очередь, передают сип-,а.11 другим
6
eJII<aм (см. ниже).

начал ьный

через

10 с

ч ерез

20 с

через

40

с

момент времени

РИС.

16-26.

Оплодотворение яйцеклетки сперматозоидом вы ­

зывает увеличение цитозольной концентрации ионов кальция в

яйце. В это яйцо морской звезды до оплодотворения был введен Са 2 + ­
чувствительный флуоресцентный краситель. Когда сперматозоид про­
никает в яйцо, волна ионов кальция (красные), высвобождаемых из ЭПС,
распространяется по цитозолю яйца от места проникновения спермато­

зоида (стрелка) . Эта волна вызывает изменения п оверхности яйца, пре­
пятствующие проникновению других сперматозоидов , а также иниции­

рует эмбриональное развитие . Чтобы пронаблюдать распространение
этой волны, см. ВИДЕО

16.4. (С разрешения Stephen. А . Stricker.)

Рецепторы , сопряженные с G - белкамн

497


калъ ция Са М - 1<и 1-1 аз ы активируются, о ни 1юздействуют ~, а
д руг и е процессы в клетке, фосфорилнруя определе 1111ы е

бел ки. Наприм е р, в 1·олов н ом мозге мл е копита ющи х СаМ ­
ки н аз ы соде р жатся в си н а н сах и играют роль в н е которых

формах н ауче 11ия и п а мяти. Эти белки акт ивируются при

i

вс п лесках ко нце нтра11ии Са 2 + во время ней ронал ыюй ак­
тив~юсти . При и х отсутствии у м ута11 тных мышей н абл ю ­

2 нм

да ются выраже нны е н аруш е ния при за поминании р ас по ­

н оос

1

ложе ния пред м етов в пространстве.

со он
фер м ентативный

Внутриклеточные сигнальные каскады

участок белка ­
мишени

-

СаМ-киназы

могут достигать удивительной скорости ,

чувствительности и приспособляемости
Этапы ситалыtых каскадов (signal cascades), связан ных с
GPCR, можно долго описывать, но часто они сами занимают

(А )

Связывание кальция изменяет форму белка кальмо ­

всего нес колько секунд. Представьте себе, как вол нение мо­

дулина. (А) Кальмодулин имеет гантелевидную форму: два его гло­

жет заставить ваше серд це битьсн быстрее (когда адрен алин

булярных концевых участка соединены длинной гибкой а-спиралью.

стимулирует

Каждый

кон цевой участок имеет два Са 2 •-связывающих домена .

се рдцебиение), ил и насколько быстро запах пищи может

(Б) Уп рощен н ое изображение строения кал ьмодулина , показывающее

заставить вап1 рот увлажниться слю ною (при воздей ствии

РИС.

16-27.

GPCR сердеl1ных

МЬШJ е чю,~х клеток, ускоряя

конформационные изменения Са 2 •;кальмодулина при связывании с бел­

на запахов ые

ком-мишенью. В данной конформации а-спираль складывается п опол ам,

слюнны х желез, стимулирующих секре цию). Однако самыт'11

позволяя кальмодулину обхватить белок-мишень ( ВИДЕО

быстрый из всех ответов , опосредуемый

с разре ш ения Macmillan PuЫishers Ltd из YS. Babu et а /.,

за на яркий с вет: в ответ на яркую вс пъ11Ш<у света и аиболее

16.5). (А Nature 315: 37- 40,
1985; W.E. Меаdщ A.R . Means, and F.A. Quiocho, Science 257: 1251 - 1255,
1992, and M. lkura etal., Science 256: 632- 638, 1992. С разре ш ения AAAS.)

GPCR носа и GPCR ацетилхолина н а кл етках
GPCR, -

ответ гла­

бы стро реагирующие фоторе це 11 торю,1е клетки сетlrатки

(колбочки, отвечающие за ц ветовое з рение при высокой
осве ще нност и) выдают электричес кий ответ всего ч ерез

20

мс. Такая скорость достигается, н есмотря на необход и ­

мость пе р еда lrи сигнала lrepeз несколь ко эта пов внутрикле­
вре менно открываются кальц и евые каналы, ионы кал ъция

точн ого си л-rалы-юю каскада. Работа фоторе цепторов дает

устр емляются по электрохимическому градие~rту в цито­

нам крас и вый приме р широких возможностей сиг наль ных

золь, вызывая там изм е н ен и е активности кальций-за виси ­

каскадов. Такие каскады могут обесп е чиватъ поразительное

мых белков. Те же на сосы , котор ы е в норм е выкачивают

усиле ни е входя ще го сигнала, а таюке п озволяют клеткам

ионы юurьция из цитозоля, помогают за в е ршить п е редачу

распоз навать сип-талы,

сигнала при участии этих ионов.

сив ности . Колич ественные характеристики были н аи более

Эффекты, выз ыв аем ы е ионами кальция в цитоз оле, в

силь н о

разл ичающиеся

по

и~пе н ­

подробно изуч е ны для п алочек глаза, котор ые отвечают за

е м ионов кальция с разли чны ми кальций -за висимыми

ч ерно-белое зрение Щ)И слабом свете (РИС. 16-28). В этой
кл етке на свет реа гирует родопсии (rodopsin), со гrряжеш1ы.й

белками. Наиболее широко распростране нны й и обычный

с G-белком ре цептор света. Активироваиный светом родо11 -

из 1-1их

син акт ивирует G-белок траисдуции (tгan sdll cin) . Акт иви ­

основном непрямые

-

-

они опосредуются в за имодействи­

кальмодулин

(cal111oduJin),

при сутствующ ий в

цитозол е вс ех и зуч енны х эукариотич ес ких клеток, в том

рованная а-субъединица трансдуцина запускает внутрикле­

числе клеток растений , грибов и протистов . Когда ионы

точный сигналъный каскад, выз ывающий зак рыв а ни е кати­

прои сх од ит е го

о н1-1 ых каналов в п лазмалемме палоч ки. При этом ме няется

конформациотшое из м е 1-1 е 1-tие, что позволя ет ему связы­

мембранный потеициал r<Лепш , что из ме ня ет в ыделение

кальция связ ываются

с кальмодулином,

ватъся с различными белками-мише ннми , оборачиваяс1,

1-t е йром ед иатора; в конеLJНОМ и тщ·е воз никает 11 ервный и м·

вок руг ни х и из м е няя их а ,пив носп, ( РИС. 16-27). О собен­

п ул ьс, п ередающийся в мозг.

Са 2 +/

При п ер едаlJе по внутриклетоlшому сиr н ал ы-юм у пути

кальмодулин-зависимъrе протеин1шназы (СаМ-1шназы)

этот с ип-1ал м1югократ110 умножается ( РИС . 16-29) . Ког­

(Ca2+/ cal111odulin-dependel) t protein kiлases, CaM-kinases).

да освеще ,нюсть низкая, как в безлу н ную ноlfЬ, усилеm 1 е

Когда при связ ыва1-1ии компле кса кал ьмодулина и ионо в

чрез вычайно велнко. Всего десяток фото~юв, по1:ло щеюп,rх

н о важный класс белков-м ишеней кальмодул ина

-

всей сетчатr<ой, порождает рас поз н а ваемый мозго м ситнаJ!.
На я рком с вету, когда ми ллиард ы фотонов в секунду наво ­
ВОПРОС

16-7

А Как вы думаете, почему в п роцессе эвол юции в клетках воз­

rl' никли внутриклеточные депо ионов кальция , несмотря на до-

8

статочное его коли ч ество во внешней среде?

д r,яют каждый фотор цептор, происходит адаптация сит·

11а.т1ьноrо каскада: сте пень усиле ния сни жается более ч ем в
десять тысяч раз, так L!ТО каждая фоторецепторная клетr<а
н е переrружа тся и п о-прежнему может регистрировать
увелич е 1-t и е или уме ньш ени е и ~пенси вности света. Адалта·

498

ГЛАВА 16. М ежкл еточ н ы е вз аимодейств ия


•

одна молекула родопсина поглощает один фотон

ДИСКИ

-

светочувствительной

наружный

мембраны , содержащие

сегмент

родопсин

активируется

активи руется

500 молекул G-белка трансдуцина

500 молекул

цГМФ - фосфодиэстеразы

•

расщепляется 105 молекул цГМФ

закрывается

•

250 катионных

каналов

в течение одной секунды в клетку входит

на 106- 107 меньше ионов натрия , чем в покое

~
~

СИГНАЛ ПЕРЕДАЕТСЯ В ГОЛОВНОЙ МОЗГ

ядро

РИС.

16-29.

При передаче сигнала по индуцированному светом

сигнальному каскаду в клетках сетчатки световой сигнал много­

кратно усиливается. Когда палоч ки адаптированы к слабой освещен­
ности, в них происходит неимоверное усиление сигнала. В сигнальном

пути , ведущем от G-белка трансдуцина, используются ком поненты, от­
личные от описанных ранее . Каскад действует так : в отсутствие свето­
вого сигнала гуанилатциклазой постоянно синтезируется внутри клетки
вторичный посредник

синаптический

l

участок

циклический ГМФ (цГМФ) (см . рис .

16-11 , В).

рецептора, заставляя их оставаться открытыми . Активация родопсина

светом приводит к активации а- субъединиц трансдуцина. Они активи­

руют фермент цГМФ-фосфодиэстеразу, которая расщепляет цГМФ до

L__J

2

-

Затем цГМФ связывается с катионными каналами в плазмалемме фото­

мкм

ГМФ (так же как цАМФ-диэстераза расщепляет цАМФ; см . рис .

16-21 ).

Резкое падение внутриклеточной концентрации цГМФ вызывает от­

деление цГМФ от катионных каналов, и они закрываются . Красными
изменение в выдепени и

стрелками показаны этапы, на которых происходит усиление; толщина

неАромедиатора

стрелки примерно соответствует степени усиления .

Рис. 16-28. Палочки сетчатки чрезвычайно чувствительны к свету.
Изображение палочки. Улавливающая свет молекула родопсина располо­

)l(ена во множестве уплощенных пузырьков (дисков) мембраны внутри на­
РУJt<ного сегмента клетки. Нейромедиатор высвобождается на противопо­
ЛО)l(ном конце клетки, контролируя нервные импульсы нейронов сетчатки,
передающих сигнал следующим нервным клеткам , соединенным с голов­

ным мозгом. Когда на палочки воздействует свет, сигнал передается от мо­
лекул Родопсина в дисках через цитозоль наружного сегмента к каналам,
позволяющим положительно заряженным ионам проходить через плазма­
лемму наружного сегмента. Эти катионные каналы при воздействии света
закрь1ваются, вызывая изменение мембранного потенциала палочки. С по­

Мощью примерно тех же механизмов, что и в обычных нейронах, измене­
ние Мембранного потенциала влияет на скорость выделения нейромедиа-

~~ 8
С
синаптическом участке клетки. (С разрешения

el! Fine Structure. Philadelphia. Saunders, 1971 .)

.
Elsev1er из : T.L. Lentz,

ция обеспечивается отрицательной обратно связыо: интен­
сивный ответ фотореце11тора порождает виутриклеточный

сигнал (изменение концентрации ионов кальция ) , 11 одавля­
ющий чувствительность ферментов к механизму ус и ления.

Адаптация

(adaptation)

характерна и для сигналь ны х

путей, отвечающих н а химические стимулы ; в этих случа­
ях о на также позволяет клеткам со хранять чувствитель ­
ность 11ри силь ны х отклонениях инте нсивности сигнала

от базового у ровня. Д ругими словам и , адаптация позволя­
ет кл еткам р еагировать и на ш епот, и на кри к.

GPCR также

отвечают за вкус и обоняние. Вероятно,

э тот ме хани зм вослрият.ия с игналов воз ник на ранних эта­
пах эволюции эука ри от

и удовлетворял у ниве рсаль ную

nотр б ность клеток воспринимать и зменения среды и ре­
агировать на н их. Кон еч1ю ,

GPCR -

н е ед инстве нный вид

Рецепторы, сопряженные с G-белкамн

499


рецепторов ,

запуска ющих

каскады . Мы пере йд ем

в н утриклеточные

1< рассмотрению

сиг н алы11,1е

другого ос 11 ов н о­

rо класса ре цепторов кл еточной поверх ~юсти. Это реце п ­

Активированные рецепторные тирозинкиназы

мобилизуют комплекс внутриклеточных
сигнальных белков

торы , сопряженные с ферментами; они играют ключевую
роль в контроле ч. исла клеток, их диффере нцировки и ПО/l­

Чтобы выполнит~, работу л ередатчика сиг 11 ала, ре це пторы

виж 1-юсти у многокл еточ11ъ1х живоп , ых.

с ферментативной акп1вностъю должны запускать фе р­
ментатив11ую акт ивностr, внутриклеточ1-ю1·0 домена (или
вза имодейств у юще 1·0 с рсцелтором ф е рм е 11та), когда с их

РЕЦЕПТОРЫ С ФЕРМЕНТАТИВНОЙ

внекле точным доменом связывается вн е 11н1 яя сиг 11 ат,ная

молекула. В отличи е от семикрашо п е р есекающих мем­

АКТИВНОСТЬЮ
Как и

GPCR,

брану

рецепторы с ферментативной активно­

стыо , или рецепторы , сопряжеш1ы е с ферментами

coupled r

(enzyme

cepto гs), представляют собой трансмембра1-шые

белки с лиганд-связывающими доменами на наружной по­

GPCR,

у реце пторов с ферментативной активно­

стыо обычно естъ лишь оди,-1 трансмембранный участок,
вероятно, п ересекающий ли пи д~1ый бислой в виде един ­
ственной

а-спирали.

Поскольку единичная

а-спираль

п лохо приспособлена к п ередаче конформационных из­

верхности плазмалеммы. Од н ако они не взаимодействуют

менений ч ерез бислой, рецепторы с ферм ентативной ак­

с С -белками: вместо этого их цитоплазматические домены

тивностыо использу ют для п е р еда чи внеклеточноt·о сиг­

либо сами действуют как ферменты, либо образуют ком­

нала другую стратегию. Во мноt· их случаях связывание

плекс с д ругим беJщом , который действует как фермент.

сигнальной молекулы вызывает объед инение двух рецеп­

Рецепторы с ферме1-rтативной активностr,ю (РФА) (см.

торов в м ембра не

рис .

двумя внутриклеточ 1-1ыми участками соединившихся ре­

16-15,

В) были открыты благодаря их роли в ответах

-

образование димера. Контакт между

на внеклетоLJНЫе си гналън ы е бею<и (факторы роста), кото­

цепторов стимули рует их киназную активност ,,, и р е цеп­

рые р е 1·улируют рост, размножение, дифференцировку и

торы фосфорилируют друг друга . В случа

выжива ние клеток животных тканей (см. табл.

лирование пр оисходит по специфичным остаткам тироз и ­

16-1, с. 482).

Большинство этих сиг налыrы х белков служат медиаторами
местного действия и вы зьmают ответы в очень низ ких кон­

RTK фосфори­

на цито з от, ного хвоста рецепторов .

Фосфорилирование

тирозинов

запускает

сборку

центрациях (10-9- 10- 11 М). Вызываемые ими ответы обыч­

сложного

но медл енные, занимают вре мя порядка часов, вклюLrюот

цитозолыюм участке рецептора. Фосфорилированные ти­

много внутрию , етоLr ных этапов передачи сигнала и в итоге

розины служат са.йтам14 связывания для целого з веринца

внутриклеточного

с игналь11ого

внутриклеточных сигнальных белков

приводят к изме1-1е ниям экспрессии генов.

Однако эти же РФА способны вызывать непосред­

или даже

20

-

комплекса

возможно, для

на

10

разных молекул ( РИС. 16-30). Некоторые из

ственные быстрые п ерестройки цитоскелета, контролируя

ни х фосфорилируются и активируются при связывании с

изменения формы и подвижности клетки. Внеклеточны­

ре цептором и затем переда ют сигнал, а некоторые служат

ми сигналами для таких архитектур ных п ерестроек Lracтo

лишь адапторами (adaptoг

служат не растворенные сигнальные белки, а белки , гrри ­

гими сипrальными беJшами , тем самым участвуя в сборке

)-

связывают рецептор с дру­

крепле~rные к поверхностям, по которым << карабкается ,>

активного сигнального комплекса . У всех этих внутрикле­

кл етка. Нарушения роста, разм. , южения, дифференциров­

точных сигнальных б лков есть специализированный до­

ки, выживания и миграции клеток играют главную роль в

ме11 , с пособный распознавать с п ецифичные фосфорилиро­

раковом перерождении клеток, и ошибки в п ередаLrе cиr-

ванны етироз ины. Кат, мы п озднее у видим, сходные домены

1iaJIOB

через РФА имеют важнейш ее з н ачеиис в развитии

Наиболее обширный класс РФА

-

это те из 11их , у

которых цитоплазматический доме 11 фун!<ционирует как
тирозиновая

протеинкиназа,

позволят внутрикл еточным сигналь ным белкам опозна вать
фосфорилирова 11 ные липиды, образующиеся в мембране в

онкологических заболеваний.

фосфорилирующая

сп е ц­

ответ на некоторы е сигналы.

Пока су ществует белковый комплекс, собра1-11-1ый на
цитоз ольном хвосте

RTK,

он может лередават 1, сиrшu1Ь1

ифиLJеские остатки тирозина внутриклеточных бслков­

одноврем е нно по нескольким п утям, активируя и коорд и ­

мишеней . Такие рецепторы называются р еце пторны е ти­

нируя многочисл е ~1 ные биохимические из м енения, необхо­

розинкиназы, или

димые для зап уска слож 11ого ответа - например, клеточной
пролиферации. Для завершения ответа с тирозинов RTK

RTK (от шал. гесерtог tyгos ine kiлases) ;
мы подробнее разберем их ниже. Обратите внимание, что
все остальные проте инки 11 аз ы , которые до сих пор рассма ­

и Jtругих сигналъных белков, фосфорилированных в отве·r

тривались, в том числе РКА, РКС , СаМ -киназы , относят­

на вне ,шrий сигнал, фосфатные группы удаляет тирозино­

ся к сери н/трео нин -ки 11 азам.

вая протеинфосфатаза. В некоторых случаях

GPCR) инактивируются более
ВОПРОС

16-8

А Одна из важных черт любого внутриклеточного с игнального
пути - его способность выключаться . Рассмотрите путь , по 8 казанн ый на рис . 16-29. На каких его этапах может происхо ­

rl'

дить выключение и какие из этих эта пов наиболее в аж ны ?

500

ГЛАВА 16. Межклеточные взаимодействия

RTK

(как н

грубым способом: они пере­

м е щаются внутрь кл етки путем эндоцитоза и затем униL1то­
жаются , расщепляясь в лизосомах.

Разные

RTK

рекрутируют различны е наборы вну·

тр11кл еточ1-1ых сигнал ,,ных белков , вызывая раз ные эф­
фекты.

Однако

некоторы е

компоненты

с ип-,алы-~ог 0

пути, видимо, испол1,зу ются болъшинством RТК. Это,


сигнальная молекула в виде димера

L

-

ВНЕКЛЕТОЧНАЯ
СРЕДА

цитозоль

:::'

активированные

плазма­

тирозинкиназный -:.,

внутриклеточные

лемма

&.i81D,V сигнальные

домен

рованный

фосфорили ­

тирозин

неактивный

рованными

СТИМУЛЯЦИЯ КИНАЗНОЙ

RTK

белки

связываются с

тирозина ми

АКТИВНОСТИ

СИГНАЛ ПЕРЕДАЕТСЯ АКТИВИРОВАННЫМИ
СИГНАЛЬНЫМИ БЕЛКАМИ ВНУТРЬ КЛЕТКИ
РИС .

16-30.

Активация

RTK

стимулирует сборку внутриклеточного сигнального комплекса.

Обычно свя з ывани е си гнальной моле кулы с внекл еточным доменом

RTK

вызыва ет о бъединени е двух

молекул в димер . Сигнальная молекула , показанная на ри сунке, сама представляет собою димер и по ­
этому мож ет со единять две молекулы рецептора . В други х случая х связывание с игнальной моле кулы

вы з ывает изменение конформации моле кул рецептора и и х димеризацию. Формировани е дим е ра при ­
водит к сближе нию к ин аз ны х внутриклеточны х доменов каждого рецептора ; это запуск ает их к ин азную
а ктивность и позволя ет им фосфорилировать хвост со седн е го реце птора п о н есколь к им т и роз ин а м .

Каждый фосфор илир о ванны й тиро з ин служит с пецифичным са йтом с вязывания определенного вну­
триклеточно го с игнального бел ка, который затем помога ет переда вать с игнал внутрь кл ет ки . У эт и х
б ел ков имеется сп е ци альны й домен для взаимоде й ствия с ре це птором

наз ываемый SН2-домен ,

-

-

в да нном случае это уча сто к,

которы й опозн ает и с вя з ывает специфичный фосфорилирова нны й тир оз ин

на активированном р е це пторе или на другом внутри кл еточном сигнальном бел ке.

нап ример , фосфоли n аза С, действую щая так же, как фос­

неактив ной п ри связывании ГД Ф (см. р ис.

Фолиn аза С, активируемая CPCR и за п ускающая фосфо­

имодействие с активи рова нным сигнальным белком за­

инозитольный сигнальный п уть, рассмотренный ранее

ставляет

(см . рис. 16-25). Другой внутр иклеточный сигнальный

в актив н ое состоя н ие ( РИС.

белок, активи руемый почти всеми RTK, - малый ПФ­

Ras

связывающий белок

зуя свой ПФ до ГД Ф ( ВИДЕО 16.6) .

Ras.

Ras обме н ивать

16-14,

Б). Вза­

ГД Ф н а П Ф , что п ереводит

Ras

16-31 ) . Через некото р ое в ремя

сам переводит себя в н еактивное состояние, гидроли­

Большинство рецепторных тирозинкиназ
Ras

активируют мономерную ГТФазу

сигнальная молекула

Как мы уже знаем, актирован ные RTK мобилизуют мно­

неактивный
белок

жество типов в нутриклеточны х сигнальных белков и фо р ­

активированный

Ras

белок

Ras

ми руют крупные сигнальные комплексы. Одн о их глав­
!iь1х действу ющих ли ц в этих комплексах - Ras, малы й

ГТФ -связ ывающий белок, присоединенный с помо щью

[Ш

J111nидного хвоста к цитозольной стороне ллазмалеммы.

Ilра~<т11 чески все RTK активируют Ras, в том числе тром­
боцитарный фактор роста (PDCF), стимулирующий раз­

множе ние клеток при заживле ни и ран, и фактор роста не­
рвов (NCF), обеспе чивающи й выживание оп ределенных

Н ейронов в развивающейся не рвной системе.
Белок Ras относится к больш ому семейству малых

ГТФ-связывающих белков (их часто называют мономер-

1iЪtе ПФазы (nюn omeri c CTPases), чтобы подчер кнуть
l1x отличие от гримерных С-белков, рассмотре нных pa~Lee ). Ra напоминает а-субъединицу С-белка и сходным

образом работает как молекуляр ный переключатель. Ои

1iаходится в од н ой из двух четко различаю щихся ко н ­

формац ий - активной, когда с ним связывается ПФ, и

адапторный белок

РИС.

Rаs-активирующий белок

16-31. RTK активируют Ras. Адапторный белок пристыковыва ­

ется к определенному фосфотирозину на а ктивированном рецепторе

(другие сигнальные белки , связанные с рецептором и изображенные
на рис.

16-30,

не показаны) . Адапторный белок присоединяет Rаs­

а кт ивирующий белок , заставляющий

Ras

обменять связанный с ним

ГДФ на ГТФ . Теперь активированны й белок

Ras может запускать н е­
16-32. Об ­

с коль ко сигнальны х путей, один из которы х по казан на рис .

ратите внимание , что бело к

Ras содержит ковалентно присоединенную

липидную группу (черная) , зая коривающую его в плазмалемме.

Рецепторы с ферментативной активностью

501


ВОПРОС

плаэмалемма

16-9

А Как вы думаете , можно ли активировать GPCR или RTK , если

rl' воздействовать на клетку антителами к соответствующим беn-

8

"''

белок

кам-рецепторам? (Подсказка : см. вкладку 4-3 на с. 140-141,

чтобы вспомнить свойства молекул антител . )

активированный

Ras

или индуцировать дифференцировку. Конкретный р е­

зультат будет за ви сеть от того , какие е ще ге ны активны
в данной клетке , и какие е ще с ип-, ал ы она получает. О

том, как биологи ра з 1'адывают столь сложные сигнал ,,·
ны е пути, см. раздел ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ на с.
Важность

Ra

с пособами . Н а пример, есл и подавить

Ras

клетку ииактивирующих

клетка больше не

сможет отвечать

белок Х

504- 506.

можно продемо нстрировать раз ными

Ras антител ,

введе ни ем в

на некоторы е в 11 е кл еточны е сигналы,

,-, а которые она отвечает в норме . И наоборот, если ак­
тивность
ИЗМЕНЕНИЯ
ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ

ИЗМЕНЕНИЯ
АКТИВНОСТИ БЕЛКОВ

Ras

в н ек оторых типах клеток постоянно со­

храняется, клетки ведут себя так, как будто их постоя~r­
но бомбардируют стимулирующие пролиф е рацию в~,е ­
клетоLrные митоге ны (см . гл. 18). До того как Ras был
обнаружен в нормальных клетках, его мутантная форма

16-32. Ras активирует МАР-кинаэный сигнальный модуль.
Б елок Ras, процесс активации которого по каза н на рис . 16-31 , акти­

была открыта в раковых клетках ч елове ка . Мутация

вирует сигнальный модуль из трех передающи х сигнал протеинкиназ .

п е р ес тал выключаться, вы з ывая н е ко11тролируемое ра з­

Конечная киназа в этом модуле, МАР- ки на за, фосфорилирует раз­

множе ние клеток и разв ити е рака . Около

РИС .

вьн<JJJOLIИJJa ГТФазную активность

Ras,

так LJТO бело1<

30%

раковы х

личные сигнальные или эффекторные белки . Это могут быть другие
протеинкиназы или, что более важно , факторы транскрипции , кон­
тролирующие экспрессию генов . Происходящие в результате изме­

нения генной экспрессии и активности белков сложным образом ме­
няют клеточное поведение

-

например, стимулируют пролиферацию

или дифференцировку.

сигнал выживания

иноэитидный фосфолипид

F'
В активном состоянии

Ras за пускает

протеинкиназ­

~
'
~

ный каскад, в котором ряд серин/треониновых протеин ­

игры в домино ( РИС.

16-32). Эта система п е редачи с иг­

вированная

Рl-3-кинаэа

-

киназный сигнальный модуль

sigпa liп g

modul e),

(MAP-kinase

рованный

иноэитидный протеин-

активированный RTK фосфолипид кинаэа 1
активированная

нала, передающая его от п лазмалеммы в ядро, включа­

ет состоящий и з трех протеинкиназ модуль

fp

фосфорили­

киназ последовательно фосфорилируют и активируют
друг друга. Происходит нечто вроде внутриклеточ 1ю й

-

кинаэа 2

Akt

--=
с=
и=
г""'
ндп
~-

МАР­

ПЕРЕДАЕтся
ДАЛЬШЕ

названный так по имени конечной киназы в

этой цепи

-

митоген-акивируемой протеинкиназ ы, или

МАР-киназы (mitogeп -act ivated
пase ) . (Митогеиы

-

РИС.

16-33. RTK

могут активировать сигнальный путь с участием

protein kinase, MAP-ki -

Рl-3-кинаэы-Аkt. Внеклеточный сигнал выживания , такой как ИФР, ак­

внеклеточные сигнальные молеку­

тивирует RTK, которая мобилизует и активирует Рl -3-киназу. Затем Pl-3·

лы, стимулирующие клеточную пролиферацию.) В это м

киназа фосфорилирует мембранный инозитидный фосфолипид ; обра ·

пути

зую щийся фосфорилированный инозитидный фосфолипид связывает

МАР - кин аза фосфорилируется

и активируется

ферм е нтом, который, естеств ен но , ,-,азыва ется кииаз а

внутриклеточные сигнальные белки, имеющие специальный домен для

МАР-кииазы . А этот белок, в свою очередь, включа ется

его опознавания. Один из этих сигнальных белков Akt - протеинкиназа,

кииазой кииазы МАР -кииазы (которую активирует

Ras).

которая при перемещении на мембрану активируется за счет фосфори­

В конце МАР-киназ ного каскада МАР - киназа фосфо­

лирования двумя другими протеинкиназами (обозначены как протеин·

рил ирует разлюrные э фф екторны е белки, в том числе

киназы

определенные р егуля торы транскрипции, меняя их спо­

сайту, образованному фосфорилированным липидам . После активации

собностr, контролировать транскрипцию rе~юв. Итого­

Akt

1 и 2). Протеинкиназа 1 также

присоединяется к стыковочному

отделяется от мембраны и фосфорилирует по специфичным сери·

вые и зменения картины генной э кспр ессии могут сти ­

нам и треонинам различные белки , участвующие в дальнейшей пере ·

мулировать деление клетки, обес п е L1ивать ее выживани е

даче сигнала .

502

ГЛАВА

16. Межклеточные взаимодействия


сигнал вы ж ивания

клеточного самоубийства, назы вае мого ап оптозом ( см.

+

ина кт ивированный

активированнаяАk~

Bad

Bad
СВЯЗЫВАЕТ
БЕЛОК Bcl-2,

АКТИВНОГО

/:: ~

16-34).

'

активный

участием РI-3-кииазы и A lгt

ПОДАВЛЕНИЕ
АПОПТОЗА

patbvvay)

(Pl-3-kinase-Akt signaling

стимулирует увелич е ни е раз м еро в клеток. При

этом и е лрямым nутем активируется крупная серин/тр ео­

нюювая ки н аза

Bcl-2

Tor. To.r стимулирует рост клетки, активи­
16-35).

руя синтез белков и подавляя их деградацию (рис .

Bcl-2

КЛЕТОЧНУЮ

обеспечивает выживание клетки, подавляя

Кроме обеспеL1ения выживания, ситалы-~ый путь с

ЖДЕНИЕ

ПОДАВЛЯЮЩИЙ

Поэтому фосфорилирование этого белка при по­

Akt

смерть ( РИС.

Фос~~~или-< ~

РОВАНИЕ Bad,
ВЫСВОБО-

18).

его активность, которая иначе вызвала бы клеточную

~

Bad

гл.

мощи

Противораковое лекарство рапа мицин инактивирует То1· ,

СМЕРТЬ

преодолевая влияние РI-3-Аkt-сиrнального пути н а рост

РИС. 16-34. Активированная Akt обеспечивает выживание клетки.
Один из способов , позволяющих это сделать , - фосфорилирование и
инактивация белка

Bad. В

нефосфорилированном состоянии

и выживание клетки.

Bad запу­

скает апоптоз (форма клеточной смерти) , связывая и ингибируя белок

Bcl-2, который в норме пода вляет апоптоз. Когда Bad фосфорилирован
Akt, Bad отделяется от Bcl-2, который теперь может блокировать апоп­
тоз , обеспечивая выж ивание клетки.

011ухолей L!еловека содержат такую активирующую му­

тацию гена

Ras, а во

многих других опухолях, в которых

эти мутации отсутствуют, имеются мутации генов, ч 1,и
продукты участвуют в том же сигнальном пути , что и

Ras. Многие гены, кодирующие такие внутриклеточные
сигнальны е белки, первоначально были идентифициро­

ваны при << охоте>> за вызывающими рак оюсогеиами

cogenes) ( с м.

гл.

( on-

активированный

20) .

+
+

Рецепторные тирозинкиназы активируют Рl-3-киназу,

активированная Рl-3-кинаэа

образуя на плазматической мембране

+

липидные стыковочные сайты для белков

активированная

Многие внеклеточные сигнальные белки, контролирую­

+
+

действуют через RТК. В LJастности, это белки семейства
инсудиноподобных факторов роста (ИФР). Один из важ­

активированный Тог

нейших с игн ал ьных путей, активируемых RTK и обеспе­

I \

'Гивающих выживание и рост клеток, зависит от ферм ента

~осфоинозитид-3-киназы (РI-3-киназы) (phospl1oiлosit1de 3-kinase, PI-3 kiлase), который фосфорилирует ино­

белков - серин/треониновая протеинкиназа Alгt, также

Назьrваемая протешшиназой В , или РКВ (p1·otein kinase
16-33). Akt обеспечивает рост и выжи 13ание многих типов клеток, часто путем инактивации
СJ-tг нальных белков , которые она фосфорилирует. На-

В, РКВ) ( РИС.

11Рнмер, Akt фосфорилирует и инактивирует цитозоль1·1 ь1 й белок Bad. Активный Bad заставляет клетку локон­
'iнть с собой, не прямым с пособом активи руя программу

Akt

+

tцие выживание, рост и размножение клеток животных,

знтидные фосфолипиды п лазмалемм ы. Такие фосфори­
JLИрованные липиды становятся стыковочны ми сайтами
д.11я специфичных внутриклеточных сигналы1ых белков;
эти белки перемещаются из цитозоля на плазмалемму, где
активируют друг д руга.
Один из важнейших перемещаемых на мембрану

RTK

подавление

стимулирование

распада

синтеза

белков

белков

~- -~-----,
РОСТ КЛЕТКИ

РИС.

16-35. Akt стимулирует увеличение размеров клеток с уча­
Tor. Связывание фактора роста с RTK активирует сигнальный
путь с участием Рl-3 -к иназы -Аkt (см. ри с. 16-33). Затем Akt непрямым
с пособом активирует Tor (фосфорилируя и ингибируя белок , помо ­
гающий держать Tor выключенным; не по каза но) . Tor, будучи серин/
стием

треонин киназой, стимулирует синтез белков и подавляет их деграда ­
цию (фосфорилируя ключевые белки , участвующие в этих процессах;
не по каза но) . Противораковое ле карство рапамицин замедляет рост и

размножение клеток, ингибируя

Tor.

Бело к

Tor

получил свое наз вание

именно из -за того , что он служит мишенью для рапамицина .

Рецепторы с ферментативной активностью

503


РАСПУТЫВАНИЕ СИГНАЛЬНЬIХ ПУТЕЙ КЛЕТКИ
Внутриклеточный сигнальный путь никогда не удается
закартировать

в

р езультате

единиlшого

экспе рим еита .

Напротив, исследователи расшифровывают его шаг за

си г нальная
молекула

L

шагом, выясняя, как все звенья цепи соединяются вме­

сте и какой вклад каждое их них вносит в ответ клетки

ВНЕКЛЕТОЧНАЯ
С Р ЕДА

на внеклеточный сигнал (например, на гормон инсу­
цитозол ь

лин) . Процесс этот включает разделение более общего
вопроса,

например

как

клетка

отвечает

на

сигнал,

на

более частные вопросы, ответ на которые легче иайти .
Какой белок служит р ецептором инсулина? Какие вну­
триклеточные белки активируются в присутствии инсу­

лина? С какими активированными белками эти белки

мутантный

взаимодействуют? Как один белок активирует другой?

ре цептор А

ВЫВОД

:

Р -У1 связывает белок .Е

Здесь мы рассмотрим ряд опытов , позволяющих р ешить
такие го ловоломки.

с иг нальная

молекула

L

Выявление фосфорилирования
Одним из результатов воздействия на клетки внеклеточ­

В Н ЕКЛ ЕТОЧНАЯ
СР
А

ного сигнального вещества служит фосфорилирование

множества белков. Некоторые из них

-

это внутрикле­

точные сигнальные белки, отвечающие за передачу со­

общения; другие

-

эффе кторные белки, отвечающие за

клеточный ответ. Чтобы определить, какие молекулы
на аланин

активируются путем фосфорилирования, исследователи
мутантный

раз руш ают клетки, разделяют белки в зависимости от их
размеров на геле ( см. гл.

4,

вкладки

реце птор В

4.4- 4.6, с. 160- 166),

ВЫВОД

:

Р -УЗ связывает белок

Jt

затем используют антитела для выявления фосфорили ­

рованных белков .
Другой способ визуализации заново фосфорилиро ­

ванных белков основан на снабжении клеток радиоак­

РИС.

16-36.

Мутантные белки помога ют точно определить , где

происходит связ ывание внутриклеточно й сигнальной мол е кулы.

тив ным АТФ во время воздействия внеклетоL1ной сиг­

Как показано на рис.

нальной

молекулы пара

молекулы.

Протеи нкиназ ы,

активированные

сигналом, будут п ередавать радиоактивный фосфат от

16-30, при связывании внеклеточной сигнальной
RTK соединяются и взаимно фосфорилируют специфич ­

ные тирозины на цитоплазматических « хвостах». Эти фосфорилирован ­

меченой АТФ к их белковым субстратам. Затем клеточ­

ные тирозины присоединяют различные внутриклеточные сигнальные

ные белки также разделяют на геле, а радиоактивные

белки, которые активируются и передают сигнал дал ьше. Чтобы опре­

белки выявляют с помощью чувствительной к рентгенов ­

делить , какой из тирозинов связывается со специфичным внутрикле·

ским лучам пленки.

точным сигнал ьным белком, создают серию мутантных рецепторов. У
показанных на рисунке мутантов один из тирозинов (У1 или УЗ) был за·
мещен аланином . В резул ьтате мутантные рецепторы больше не связы·

Тесные взаимодействия

вались с одним из внутриклеточных сигнальных белков, показанных на

Когда активирова нные белки выявлены, можно опре­

рис .

делить, ка~ше белки взаимодействуют с ними. Чтобы
идентифицировать взаимодействующие белки, учен ы е

вет на сигн ал. Важно , чтобы клетка , содержащая мутантные рецепторы,

часто используют -коиммуиопреципитаци10

нальной молекулы .

noprecipitation).

(co-immu.-

16-30. При этом

можно определить , как изменяется клеточный от·

не имела своих собственных нормальных рецепторов для данной сиг·

В этой методике на специ фичный бе­

лок навешиваются антитела, удаляющие его из р аст во ­

ра на д но пробирки ( см. гл. 4, вкладку 4-3, с. 140- 141).
Если пойманный белок связьшается с д р угими белками,
они тоже будут перенесены на дно. Этим способом ис­
следователи вьтсняют, какие белки взаимодействуют

связываются друг с другом, можно выяснить, какие Lfа­

сти белков необходимы для взаимодействия. При этом

часто используются технологии р екомбинантных ДНК.

сигналь ны е веще­

чтобы сконструировать набор мутантных белков, 1<аж­

ства действуют на клетки. Если известно, что два белка

дый из которых слегка отличается от нормы. Например ,

друг с другом ,

504

когда

внеклеточные

ГЛАВА 16. М ежклето чн ы е в з а им одейств ия


чтобы опр едели ть, какой фосфори ли рованный тирозии

Ras.

на

ГДФ и поэтому не может активироваться. Поскольку она

RTK с вяз ыва

т определе нный вн утрикл еточный сиг­

Дефектная форма

Ras

слишком прочно связывает

н альный белок, используют се рию мута 1-пных реце пто­

по - пр еж н ему связ ывает своих партн е ров по сигнальному

ров , у каждого и з которых отсутствуют ра з ны е тирози­

пути, то создает на нем затор , н е по зв оляя нормальным

ны на цитоплазматическом дом е не ( РИС .

16-36 ). Таким

молекулам

Ras выпол нять свою работу (поэтому ее назы ­

образом определяют специфичные тирози ны , необходи­

вают <<доминанпюй~> ). Такие нечувствительные клетки

мые дл я связывания белков. Сход ны м способом можно

не размножаются при воздействии митогенов, что пока­

узнать , нужны ли эти тиро зи новы е сайт ы связывания

з ывает важность п е р едачи сигнала нормальным

дл я п е р ед ачи сигна ла от р е ц е птор а внутрь кл ет ки .

пролиферат ив1-юl'О ответа. Другой способ инактивиро­

Затор на сигнальном пути

Ras

для

вать белок в клетке

использовать малые интерфериру ­

ющи е РНК

Они вызывают деградацию мРНК,

(s.iRNA).

кодирующей белок, или блокируют трансляцию этой

В конечном счете мы хотим определить , насколько важен

мРНК (см . рис .

8-27)

I<онкретный белок для процесса передачи сигн ала. П ер ­
вый тест с использованием технологии рекомбинантных

ДНК

- введение в клетку гена, кодирующего постоянно

Кто за кем идет в пути

активную форму данного белка. Это позволяет опреде­

Для расшифровки большинства сигнальных путей по­

лить, дублирует ли он э ффект внеклеточного сигнала.

требовались десятилетия . Хотя инсулин впервые был

Например, форма Ras, участвующая в развитии рака у

выделен и з поджелудочной железы собаки в начале

ч ел овека, постоя1ню активна, поскольку она утрачивает

1920 -х годов, молекулярная цепочка взаимоде йствий,

способность гидролизовать ГТФ , связывание с которым

ведущая от с вязывания инсулина с его р е ц е птором как­

активирует ее. Эта постоянно активная форма заставля­

тивации транспортных белков, поглощающих глюкозу,

ет н е которые разновидности кл еток размнож аться даже

все еще не до конца известна. Один из мощных методов,

в отсутствие митоге нов, вы зывающих деление клеток, и

используе мых учен ыми для идентификации белков,

поэтому провоциру ет развитие рака ( РИС. 16-37).

участвующих в клеточной сигнализации,

-

скрииинг

Окончательно установить важность внутриклеточ­

большого числа подопытных животных. Обычно это оз ­

ного белка в сигнальном пути можно путем инактивации

начает, что десятки тысяч плодовых мушек или н ематод

этого белка или его гена и изучения изменений в пере­
даче сигнала. В случае
l<летку

Ras,

наприм ер, можно ввести в

~доминантно-н егативную >>

мутантную

форму

обрабатывают мутагеном, а затем ищут мутантов , у ко­
торых нарушена нормальная работа сигнального пути.
Мушек и че рвей используют потому, что они быстро
раз множаются, и в лаборатории можно содержать боль­
шо е qисло особей. При изучении множества мутантов
можно выявить гены, которые кодируют участвующие в

сигнальных путях белки
ВНЕКЛЕТОЧНАЯ

рецепторы, протеинкиназ ы,

Такой генетический скрининг помогает опред ел ить

СРЕДА

порядок, в котором действуют сигнальные белки в пути
п ередачи

цитозоль

сигнала .

Пр едпол ожим ,

что

генетический

скрининг выявил два новых белка, Х и У, в сигнальном
пути

конститутивно

мутантная

форма

Ras

(не может
гидролизовать

ГТФ)

Ras.

Выдвинем рабочую гипотезу, что р ецептор ак­

тивирует б елок Х, зате м он активирует

активная

ПОСТОЯННАЯ
ПЕРЕДАЧА
СИГНАЛА
по многим
ПУТЯМ В

ОТСУТСТВИЕ

ВНЕКЛЕТОЧНОЙ
СИГНАF\ЬНОЙ
МОЛЕКУЛЫ

Рис. 16-37. Конститутивно активная форма Ras передает сигнал
Aa)l(e в отсутствие внеклеточной сигнальной молекулы. Как показа­
но на рис . 16-31, нормальный белок Ras активируется в ответ на опре­
деленные внеклеточные сигналы. Сверхактивная мутантная форма Ras,
nоказанная на рисунке, утрачивает способность гидролизовать ГТФ.

~з-за этого она не может инактивироваться и в результате постоянно
(конститутивно) активирована.

-

р егуляторы т ран скрипции и т. д.

Ras,

а тот акти­

вирует белок У (см . РИС . 16-38, А) . Чтобы проверить эту
гипотезу, вводят неа1пивную мутантную форму Х или

У в клетку, а затем проверяют, можно ли спасти ее до­

бавлением конститутивно актив ной формы

Ras. Если
постоянно активный Ras преодолевает блок передаqи
сигнала, созданный мутантным белком, то это означает,
что Ras действует на более позд и ем этапе пути, чем этот
белок (рис. 16-38, Б). Если Ras действует в пути пере ­
дачи до мутантного б елка, постоянно активный Ra не
сможет

пер еда вать

сигнал,

преодолевая

созданное дефектным белком (рис.

пр е пятстви е,

16-38, В) . Такие био­

химические и ген етические методики , используемые со­

вместно, позволяют разобрат ься даже в самых сложных
внутрикл еточных сигнальных путях .

Продолжеиие

1-ta с. 506

Рецепторы с ферментативной активностью

505


РАСПУТЫВАНИЕ СИrНАЛЬНЬIХ ПУТЕЙ КЛЕТКИ (продолжение}
(А) ДЛЯ НОРМАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА НЕОБХОДИМ Ras И ДВА БЕЛКА - Х И У
сигнальная молекула

нормальный активный белок

-

цитозоль

активный

(Б)

RTK

Ras

-

активный нормальный
сигнальный белок Х

ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА

МУТАЦИЯ В БЕЛКЕ Х БЛОКИРУЕТ ПЕРЕДАЧУ СИГНАЛА ДО ЭТАПА ДЕЙСТВИЯ Ras
неактивный нормальный

Ras

цитозоль
неактивный
нормальный У
мутантный Х

ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА

конститутивно активный

Ras

НЕ ПРОИСХОДИТ

восстанавливает

передач

сигнала

-

цитозоль

-;,1{'
ПЕР

(В)

активный

нормальный У

ЧА СИГНАЛ/>i

МУТАЦИЯ В БЕЛКЕ У БЛОКИРУЕТ ПЕРЕДАЧУ СИГНАЛА ПОСЛЕ ЭТАПА ДЕЙСТВИЯ Ras
активный нормальный

Ras

-

цитозоль

-

*

активный нормальный Х

мутантный У

ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА
конститутивно активный

Ras

НЕ ПРОИСХОДИТ

не восстанавливает передачу сигнала

цитозоль

*

х

ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА

НЕ ПРОИСХОДИТ

РИС .

16-38. Генетический

анализ позволяет выявить порядок действия внутриклеточных сиг­

нальных белков в сигнальном пути. Сигнальный путь может быть инактивирован мутацией любого
из его компонентов . На рисунке показано, как гипотетический сигнальный путь

рван мутацией белка Х (Б) или белка У

(8).

Ras (А) может быть пре­
Ras к таким

Добавление конститутив но активной формы

клеткам может помочь установить, где именно в сигнальном пути действует мутантный белок . Добав­
ление конститутивно активного

Ras к клеткам с мутантным Х восстанавливает активность пути , вызывая
Ras может
«спасти » эти клетки , поскольку Ras действует в пути позже мутантного белка Х , устраивающего в нем
затор . Добавление конститутивно активного Ras к клеткам с мутантным белок У, напротив , не спасает
их, так как Ras действует до блокированного этапа (В).
передачу сигнала даже в отсутствие внеклеточной сигнальной молекулы (Б). Сверхактивный

506

ГЛАВА 16. Межклеточные взаимодействия


Некоторые реце пторы запускают
быстрый переход белков в ядро

развивающаяся
н ервная клетка

Не все рец п тор ы с ферментативной актиmюстыо запу­
скают сложные сиг нальные каскады, требующие для пере­

-

но са си гнала в ядро скоординирован ной последователь­

ной работы лроте инкиназ. Часть рецепторов использует

сигн аль н ый

более ттрямой путь для контроля генной экс пресси и.

бел ок

Некоторые 1-ормоны и многие медиаторы местного дей­
ствия, н аз ыва ем ы е цито Iсинами, связываются с рецептора­

ми, способными акти вировать транскрилцио1-1ные факто­

Delta

Notchp e цe n тop

Delta
отщепле н ный

ры, находящиеся в латентном, н еактивном состоя1-1ии возле

х вост

nлазмалеммы . При включении такие регулято рные белки,

мигрирует

называемые

в я др о

STAT (от aitvt. sigпal tгaпsduceгs алd activatOis
of traпsc ription - передатчики сигнала и активаторы тра нс­
крипции) прямым ходом направляются в ядро, где они

стимулируют транскрипцию определенных гено в. Прямой
сит налыrый rгуть запусI<ают, напри-м ер , иитерфероиы (iл­

Notch

ци тозол ь

::»

с

ядро

ТРАНСКРИПЦИЯ
NОТСН-ЗАВИСИМЫХ
ГЕНОВ

teiferons) - цитокины, образуемые зара.жен 1-1ыми клетками
И заставляющие другие клетки синтезировать белки, дела­
ющие их более устойчивыми к вирусной инфекции.
В отличие от

RTK,

сти мулирующих сложные сиг­

налыrы е каскады, р е цепторы цитокинов и гормоиов, в за-

РИС.

16-40.

Рецептор

Notch

сам служит регулятором транс крип ­

ции. Когда мембран н ый сигнальный бел ок
ре це птором

Notch н а

ли вш аяся часть ци тозольного хвоста
реце п тор ы

Delta связ ы вается

со своим

соседн ей клетке, ре цептор рас ще пл яется . Отде ­

Notch

мигрирует в ядро, где ак­

тивирует Nоtсh-зависимые гены. Один из результатов этого процесса

пролактина

п ередачи сигнала показан на рис .

имодействующие со

16-4.

STAT, не обладают собствеиной фер­

ментатив ной активиостью. Вм есто этого они связываются
с цитоплазматическими протеиикиназами

JAK,

которые

активируются, когда с рецептором взаимодействует гор­

JAK 1

JAK2

мон или цитокин . Посл е активации
и активируют

STAT,

JAK

фосфорилируют

которые мигрируют в ядро и стиму­

лируют транскрющию специфичных ге нов - мишеи ей. На­
ди м ер акт и вн о го

пример, гормон прола ктин , способствующий образованию

STAT5

молока в клетках молочных желез, действует через р е­

цепто р , взаимодействующий со специфичной парой JАК.

Эти

JAK

активируют определенный

STAT,

который затем

включает транскрипцию генов, кодирующих белки моло­
ка ( РИС. 16-39).

~ другие белки-регуляторы

•J bl.JWтранскрипции
ДНК

Рецепторы разн ых ци токинов и гормонов вызывают
разл ичны е клеточные ответы, активируя раз ны е SТАТ.

Эту передачу сигнала, как и любой путь, вкюочающийся
при фосфорилировании, пре рывают протеи нфосфатаз ы,
удаля ющи е фосфатные ,·руппы с актив ированных сиг­

н аль ных белков .
Еще более прямой сигнальный путь начинается с бел­

Рис. 16-39. Гормон пролактин стимулирует образование молока,

ка-рецептора

активируя сигнальный путь JAK-STAT. При связывании пролактина с

н ервных клеток у дрозофилы (см. рис.

его рецептором , обладающим ферментативной активностью, взаимо­
действующие с ним тирозинкиназы (в данном случае JAK1 и JAK2) фос­

сам рецептор действует на белок-регулятор транскрип­

Форилируют и активируют друг друга . Затем активированные JAK фос­
Форилируют рецептор. Потом белки-регуляторы транскрипции STAT (в

к поверх1юсти соседней клетки,

расщепле нии отделяется цитозольный хвост р е ц е птора;

данном случае STAT5), присутствующие в цитозоле , связываются с фос­

он пе реме щается в ядро, где способствует активации опре­

Фотирозинами рецептора, а JAK фосфорилируют и активируют и эти
белки. Активированные SТАТ отделяются от рецептора, димеризуются

делешюrо набора Nоtсh-зависимых генов. ( РИС. 16-40) .

И мигрируют в ядро. Там с помощью других регуляторов транскрипции
0
ни активируют транскрипцию генов , кодирующих белки молока .

Notch.

В частности , он регулирует развитие

16-4).

В этом пути

ции. Активируясь при связывании

Delta, прикрепл енного
Notch расщепляется. При

Это наиболее простой и короткий из известных сиrна.ль­
иых п утей, пер едающих сигнал от рецептора клеточной
пов е рхно ст и в ядро.

Ре цепторы с ферментативно й активностью

507


Многоклеточность и межклеточные взаимодействия

особенно много у них реце пторов с фе рме 1-пативной ак­

независимо возникли в ходе эволюции

тивностыо. Резухов идка AгaЬidop.)is

у животных и растений

имеет сотни генов, кодирующих реце пторны е сери 11 /тре­

thaliana (см.

ри с.

1-33)

онинки н аэы. Одн ако по строе нию 01-1и отличаются от ре­
Расте ния и животные эволюционируют независимо уже

це пторных серин /тр онию<и~~аз животных клеток (в. той

более миллиарда лет, и их посл едним общим предком

,·лаве не рассматривал_ись) . Известно, чтоб JП<и- рецепторы

был,

растений играют важную роль во множестве внутриклеточ­

cJ<opee

всего , свободноживущий од~-юклеточный эу­

кариот. Поскольку эти царства диверrировали так давно,

ных сигнальных процессо в, управляющих ростом и разв и -·

когда е ще действовал принцип «каждая клетка сама за

тием и отвечающих эа устойчивость к болез1-1 ям. В отличи

себя ,> , у них выработались раз ны е молекулярные реше­

от животных клеток, кл етки растений, видимо, не исполь ­

ния сложной проблемы: того, как стать многоклеточным .

зуют

Поскольку механизмы межклетоУных взаимодействий

роидов) и цАМФ, и имеют н емноrоУ.Исле нные

у животных и растений эволюционировали независи­
мо, можно ожидать,

LJTO

они очень сильно различаются.

RTK, ядерные

реце п торы (такие, как рецепторы сте­

GPCR.

Одна и э наиболее хорошо изу'!енных сигнальных си­
стем клеток растений. опосредует их ответ на этилеи

-

га­

Однако животные и растения вступили на путь к много­

зообразный гормон , регулирующий раэнообраэные про­

клеточности, имея один и тот же набор эукариотических

цессы, связанные с развитием

-

-

в частности , образование

в том числе и некоторых генов, используемых

семян и созревание плодов . Производител и помидоров

од 1-ююrеточными организмами для взаимодействия друг

используют этилен, выэывающий созревание плодов даже

генов

с другом , по э тому их сигнальные системы должны иметь

после их сбора. Рецепторы этилена ие принадлежат ни

некоторое сходство.

к одному иэ классов белков-рецепторов, которые мы до

Как и животные, расте ния имеют множество трансмем­

сих пор рассматривали. Это димерные трансмембранные

бранных белков- рецепторов на клеточной поверхности;

белки; что удивительно, активен «пустой >> нес вязанный
с этиленом рецептор. Когда этилена н ет, @устой~ рецеп­
тор активирует протеин:кинаэу, которая в конечном счете

(А) ЭТИЛЕНА НЕТ

(Б ) ЭТИЛЕН ПРИСУТСТВУЕТ

а ктивный рецептор

этилен

этилена

выключает этилен-зависимые гены в ядре. В присутствии
этилена

рецепто р

и

киназа

неактивны ,

и

этилен-зави­

симые гены транскрибируются ( РИС . 16-41 ) . Эта страте­
гия, при которой сигналы действуют, снимая подавле ни е
транскрипции , широко используется растен иями.

Сети взаимодействующих протеинкиназ
обобщают информацию при регуляции
сложного поведения клеток

а кт ивная
проте инкиназа

неа ктивная

В этой главе описаны некоторые пути для передачи сигна­

проте ин к ин а за

ла от клеточной поверхности внутрь клетки. На РИС . 16-42
сравниваются пять таких путей: от

GPCR '!ерез
RTK через

циклазу и ч.ерез фосфолипаэу С, от
транс­

крипционны й

!

пазу С и

.. ~-.

_,,

фа кт.
ар~

а кт ивны й

фосфоли­

а также через РI3-киназу. Каждый путь от·

личается от остальных, хотя во всех используются общие

1
транскрипционный

компоненты для пе редаLIИ сигнала. Поскольку все эти пути

фактор

в итоге активируют проте инкинаэы , можио полагать , что

~

РАСЩЕПЛЕНИЕ

Ras,

аденилат­

,,~

каждый из них способен регулировать практически любой
п роц се в клетке .

На самом деле внутриклетоУные сигнальиые пути го·

ДНК

раздо сложнее, чем их описание здесь . Во-первых , мы н е

РИС .

ЭТИЛЕН-ЗАВИСИМЫЕ

ТРАН~t.1Я

ГЕ НЫ ВКЛЮЧЕНЫ

ЭТИЛЕН..эАВИСИМЫХ ГЕНОВ

16-41.

Этиленовый сигнальный путь включает гены, снимая

рассмотрели многие внутриклеточны е сигнальные пути ,

существующие в клетках, хотя многие из них необходимы
для нормального раэвития и нарушены в раковых клетках
(см. рис.

20-49).

ингибирование. (А) В отсутстви е этил е на реце птор н апря м ую акти­

Во-вторых, что более важно, большинство сигналь·

ви рует пр оте ин ки н азу. Он а в ыз ывает р асще пл е н ие т ра н скр и пци он н ы х

ных путей, которые мы привели, взаимодействует такимl'f

факторов , в кл юч а ющих этил е н -за ви с имы е ге ны . В р езультате ге ны н е

способами, которые мы ие описывали. Болт,шинство таки )(

вклю ч а ются . ( Б ) В при сутствии этил ена и ре це птор , и киназа н еакт ивны ,

связей обеспе'!ивюотся протеиыкиназами , присутствую·

тра н скр ип цион ные факто ры оста ются и нтактн ыми и запуска ют тра н с­

щими в каждом из путей. Эти киназы ч.асто фосфорили:ру·

к рипцию эт ил е н -зав и с и м ых гено в . К иназа, с которой реаги рует ре­
це п тор эти л е н а, се ри н/трео ни нк ин аза, оч ен ь п охожа н а кин азу ки н аз ы

ют и таким путем регул ируют работу компоне ,пов друг~,1)(
сиг н альных путей (в дополнение к компонентам своего

МАР- к ин азы ж ивотны х кл ето к (с м . ри с.

собственного) . Поэтому между раэ ными путями естr,

508

16-32).

ГЛАВА 16. Межклеточные взаимодействия

J-le-


сигна л ьная мол екула

лирован своей протеинкиназой. Информация, получе нная

и з разных источников, может сходиться

1<таким белкам, ко­

торы е превра щают несколько входящих сигналов в ед иный

выходящий сигнал ( РИС.

16-43, см. также рис. 16-13). Ин­

тегрирующие белки, в свою очередь, могут rтередавать сиг­

1,,,

/\C
R

акт ив ирован ны й

тивированный

нал дальше, м.1-ю1·очисленным мишеням . Благодаря этому

RTK

внутриклеточная сигнальная с истема действует наподоб и е
с ти не рвных клеток в мозге или совокупности микропро ­

I

цессоров в компьютере

\~

-

интерпретирует сложную иифор ­

мацию и ге н ериру ет слож ные ответы.

Изучение rтутей, используемых клетками для п ереда­
чи сигналов , получаемых из внешней среды , прив ело н ас

от реце пторо~з на клеточной поверхности к белкам, форми­
рующим сложные регуляторные системы и действующим

в глубине клетки. Ученые исследовали многочисленные
сигнальные сети , позволяющие клеткам комбинировать

и обрабатывать входящие ситналы от разных источников ,
хранить информацию и отвечап, на сигналы целесообраз -

1-1ым для организма с гтособом. Но наши представления
об этих запутанных сетях все еще изменяются: мы про­
должаем открывать новые этапы этих цепей, их новы х
учас тников , новые взаимосвязи между ними и даже цел ые

си п-1 а.11 ы-1 ые пути. Раслутыван ие клеточных си гнал ьн ых

путей как у животных, так и у растеиий

РИС. 16-42. Сигнальные пути могут быть тесно взаимосвязаны .

На схеме показаны два пути от GPCR - через аденилатциклазу и че­
- и тр и п ути от RTK: через фосфоли п азу С , Ras и
РI З-киназу. Участвующие в этих сигнальн ых путях протеинкиназы фос­
Форилируют многие белки , в том числе принадлежащие другим путям.
Возникающая густая сеть регуляторн ых взаимодействий обозначена
рез фосфол и пазу С

-

одио из наибо­

лее активно разв ивающих ся направлений исследований , и

новы е открытия в этой области совершаются ежещ1евно.
Проекты секвенирования ге номов приводят к появлению
длинных

СЛИСI<ОlЗ

компон е1-пов ,

у частвующи х

в

п е р еда­

че с ип-1алов у множества организмов. Однако даже есл и

красными стрелками, расходящимися от каждого белка, выделенного
желтым; некоторые киназы фосфорилируют общие эффекторные бел­

(А)

ки. Малые внутриклеточные посредники , такие как ионы кальция, также

(Б)

А плазм алем ма

Б

А

Б

могут влиять на активность множества путей.
цитозоль

которое коJJичество пересечений (см. рис.

16-42);

в дей­

ст~зительности, они существуют rтрактически между всеми

Регулято рными системами клетки. Попробуем rтредста­
вить себе уровень связан ности этих сетей: секвениро~за ние
rенома по1<азало , что около

2% из -20

ООО наших кодиру­

ющих белки генов кодируют rтротеинкиназы . Более того, в
каждой клетке млекопитающего присутствуют сот ни раз ­

ных видов протеинкиназ. Как разобраться в этой запутан­

ttой сети взаимодействующих сигнальных путей, и каковы

Фун ,щии столь в1,1сокой слож~юсти?
Клетка получ ает сообщения из многих источнико~з и
должна интегрировать эту и нформаuию , чтобы сделать

СИГНАЛ ПЕРЕДАЕТСЯ
дМЬШЕ

СИГНАЛ ПЕРЕДАЕТСЯ
дМЬШЕ

Прави льный вывод: жип, или умереть, делип,ся или диф­

ференциро~зат1,ся, менять форму, двигаться, послать соб­

РИС.

ственный химический сигнал и т. 11.. ( ВИДЕО 16.7, 16.8 и

жат для интеграции входящих сигналов . (А) Сигнал ы А и Б могут

16.9). Благодаря взаимоде йствиям между ситнальными

активировать разные каскады фосфорилирования белков , каждый из

nутями ю1 етка может объединять разные порции информа­
Чии и реагировать на их комбинации, поэтому некоторы е
внутриклеточные сиrналъные белки действуют как инте­
грирующие устройства. Обычно это возможно благодаря
тому, что у них есть несколько 110те 1щиалы1ых сайто~з фос­

форю1ироваJ-Lия , каждый из которых может быть фосфори-

16-43.

Некоторые внутриклеточные сигнальные белки слу­

которых приводит к фосфорилированию белка У, но по двум разным
сайтам . Белок У активируется только при фосфори л и ровании обоих этих
сайтов; поэтому он активен , только когда одновременно присутствуют
сигналы А и Б. (Б) В других случаях сигналы А и Б п риводят к фосфори­
лированию двух белков, Х и

Z, которые

затем связываются друг с дру­

гом , образуя активный белокХZ.

Р е це птор ы с ферм е нтативно й активностью

509


идентиф и цирова ны все составные

01 асти

этой моза и к и ,

(или понижая) вн утрюсле точн ую I<онцентрацию вторич-

глав ной проблем ой остается созда ние пол но й и то ч1-t0 й

1юrо посредника

картины то го, как 0 11и все вм есте п озволяют клет кам об ­

G-бетсов напрямую активирует ферм е нт фосфолипа з у

раба ты вать м ножество сигн алов, получаемы х из среды ,

С, 1соторый обра зу ет моле кулы вторичны х nосреднююв

и целесооб разно реагировать на них. В како м -то с мысле
пр о ц есс

и зу ч е ния

то го,

к ак клет ки

%думают »,

сходен

с

•

-

циклич е ского АМФ . Еще одна гр у ппа

инозитол-3 - фосфата (IP:J и диацил rл ицерола .
IP 3 открывает I<альциевые канал ы на мембране ЭПС, вы­

процессом изу чени я то 1'0, как думае м мы , люди. Из вестно,

з ывая выход свободных ионов кальция в цитозоль . Сами

напри м ер , как н ей р о м едиато ры активиру ют опр еделе н ­

ионы кальция такж е де йствуют как малый внутрюслеточ­

н ые н ейрон ы , и к аI< один нейро н взаимодействует с дру ­

ный посредниIС, м еняя активность м1юrих кальций - чув ­

гим, н о мы даже бли зко не подош л и к об щему по ниманию

ствителы1ых бетсов, в том числе кальмодулина, который

то го, как вза имодейству ют все эти компон е нты , позволяя

активирует разли чные белки -мишени ( например , Са 2 • /

нам рассуждать , общаться, смеяться, любить и пытаться
раз гадать у стройство Вселе нной и живых о рганиз м ов.

кальмодулин-зависимые протеи11кина з ы

•

Подъем

внутриклеточной

СаМ-киназы) .

-

концентрации

циI<личесI<оrо

АМФ вызывает активацию nротеинкиназы А (РКА), а со ­
четание ионов I<альция и д иацилrлицерол а а1,тивирует про­

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

•

помощью

•

теm11Синазу С (РКС) .

Клетки многоклеточных организмов взаимодействуют с
множества

разных

внеклеточных

•

собом изменяя их активность. Разные типы клето1< содер­

У животных гормоны переносятся кровью к удаленным

жат различные наборы сигнальных и эффекторных белков

сиrналыrых веществ действуют только на небольшом рас­

и поэтому реагируют на оди11аковые сигналы по-раз ному.

•

внутриклето•шые дом ены, выполняющие роль ферментов ;

даря прямым межклеточным контактам.

большую долю из них составляют рецепторные тирозmши­

Внеклеточные

сm·нальные

молекулы

воздействуют

назы (RТК), фосфорилирующие сами себя и определенные

на

торами и активируют их. Каждый белок-рецептор распоз­

внутриклеточ11ые сигнальные белки по остаткам тирозина.

•

число которых обычно входит мальlЙ ПФ-связывающий
белок

плазмалемму;

налыrьlЙ каскад, помогающий передать сигнал от плазма­

шrи

активируют

внутриклеточные

белки

Большинство внеклеточных сигнальных молекул не могут

Мутации, позволяющие

Ras

оставаться постояшю актив­

ным и тем самым стимулирующие размножение клеток,

ми-рецепторами на клеточной поверхности, а те осущест­

хара1перная особенность многих раковых клеток человеrса.

-

превращают внеклеточный

•

Некоторые

RTK

-

стимулируют рост и выживание кл еток,

активируя Р13-киназу; она фосфорилирует специфиче­

Существует три основных класса рецепторов клеточной

ские инозитольные фосфолипиды, образуя на плаз ма­

поверхности:

рецепторы, связанные с ионными кана­

ле мме липидны е стыковочtrь1е сайты, которы е поз воляют

(2) рецепторы, сопряженные с G - белками (GPCR),
(3) рецепторы с ферментативной активностью.
GPCR и рецепторы с ферментативной активностью реа­

определенным сигнальным бетсам объединяться и а:~стиви­

(1)

и

ровать друг др у га.

•

Некоторые рецепторы, в том числ е

Notch

и рецепторы ци­

гируют на внеклеточные си 1·налы, активируя одm1 или н е ­

тоI<инов, запускают прямой путь в ядро. Вм е сто активации

сколько внутрикл еточных сигнальных путей , из меняющих

сигнальных IСаскадов

поведе ние клетки.

ки-регуляторы транскрипции , которые затем мигрируют в

01m шшючают на плазмалемме бел­

ядро и активируют спе цифичные 1·ены.

Вьпшючение сигнальных путей стош, же важно для I<летки ,
как и их ш,лючение . Каждый активированный 1шмтюнент

•

сип1алыюrо пути должен быть впоследствии ина~пивиро­

Растения , как и животиые , используют рецепторы с фе р­
м ентативно й активностью на кд ето•шой поверхности дл я

ван или удален, чтобы передача сигнала могла осущест­

контроля роста и развития . Внеклето•1ные сиrнады у рас·

вляться снова .

тений часто действуют, снимая подавление трансI<рипции

GPCR активируют особый класс тримерных ПФ-связы­
- G-белки. Они действуют как моле1<уляр­

вающих белков
ные

•

аIСтивирует тройной МАР-1<иназный сиг­

леммы в я д ро.

•

лами,

•

Ras. Ras

проходить через nлазмалемму; они связываются с белка­
вляют трансдукцию сигнала

•

служат участками стыков­

такие как стероиды или оксид азота, могут проходить сквозь

сигнал в различные внутриклеточные сигналь~.

•

RTK

Маль1е mдрофобные внеклеточные сигнальные вещества,

(обычно это или регуляторы транскрипции, wrи ферменты).

•

Фосфотирозины на этих

ки для различных внутри1<леточных сигнальных белков, в

нает определенную сигнальную молекулу.

•

Многие рецепторы с ферментативной активностью имеют

стоянии. Соседние клетки часто взаимодействуют благо­

клеп,у-мишень, когда они связываются с белками-рецеп­

•

cepmia и треонm~а , та~шм спо­

сигналов.

клеткам-мише11ям, но большинство других внеклеточных

•

РКА, РКС и СаМ - киназы фосфорилируют определе1шые

белки-мишени по остаткам

химических

переюоочатели,

передающие

сигнал

далее

в

течение

чувствительных к сиг налу генов.

•

Различные внутри:клеточиые сигнальные пути взаимодей·
ствуют, 11озво;1яя клеткам цел есообразно реагировать на

коропюrо времени, а затем самостоятельно выключающие­

сложные I<омбинации сигналов . Не I<оторые 1сомбинации

ся благодаря гидролизу связанного с ними ПФ до ГДФ .

сигналов обеспечивают выживание 1шето1С, другие комби­

Некоторые G-б елки напрямую реrу;шруют работу ион­

нации стимулируют их размноже ние; в отсутствие каю1:х ·

ных I<аналов плазмалеммы. Другие напрямую активируют

либо сигналов болыuинство животных I<лето1с <1 1сонча1от

(или m~а1<тивируют) фермент аденилатци1<лазу, повышая

жизнь самоубийством », прете рп е вая апоптоз .

51 О

ГЛАВА 16. М ежклеточ н ые взаим одействия


КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Са2•/каnwодуnнн-

1,.4,5-мноамтотрис:фосфат (IP3)

1а1нсмма• "fёс;
теннкннааа СаМ- ннаантоn~,нwй фоскннааа)
фопнnнд

G-6enoк
МАР-кннааа
МАР-кннаанwй снrнаn~,нwй модуn11

Raa
адаnтацм.
аденнnатцнкnааа
IН8M8ТQ'IHat снrнаn11Наt моnекуnа

•нутрнкnеточна•

каnwодуnнн

маnа• мoneкyna-noср8ДННК
медиатор мес:тноrо

Д8ЙСТIНI
межкnеточнаt снrнаnн1аЦНJ1

моnекуn•рнwй переMIO'IQТMlt

мономера rтФаsа

снrнаn~,на1 моnе-

нейромеднатор

купа

оксид ааота

(NO)

•нутрикnеточнwй

nротеинкннааа

cиrнan1iнwi:i nyn.
аторичнwА nос:редник(аторичнwй
Мессенд*ер)

nратеинкннааа С
(РКС)

rормон

nротеинфосфатааа

рецептор, беnок-рецетор

rтФ-сuаwаа~ощий
беnсж

рецеmорнаt t»рин/

диацнпrпицероn

рецеnтормаt тнро-

(ДдГ)

треонммкинааа

Ж. Фосфорилирование тирозина служит для образования сайтов
рецеnтор с ферментатм1най актма-

связывания других белков с

RTK.

Hoc:n.lO
рецеnтор, со-

nраеннwйс

G-беnком (GPCR)
рецептор, CUIQН-

нwйсноннwм
канаnом

сернн/треонннкн•
нааа

стеронднwй rормон
тнроsннкннааа
транс:дуКЦНJI снrнаnа

фосфонноsнтмд•
3-кннааа (Pl-3кинааа)

фосфопиnааа С
цикnический АМФ
цАМФ-аа1исима.

ВОПРОС

Белок

16-12

Ras функционирует как молекулярный

переключатель , ко­

торый « включается » другими белками, заставляющими его заме ­

нить связанн ы й с ним ГДФ на ГТФ. Белок , активирующий ГТФазу,
помогает « выключ ить» п ереключатель, так как благодаря ему

Ras

гидролизует связанный с ним ГТФ до ГДФ гораздо быстрее, чем
без стимуляции. Так что

Ras

действует как выключатель света,

который один чел овек включает, а другой выключает. Имеется

мутантная клетка, в которой отсутствует бел ок , активирующий

ГТФазу. П редположите, какие отклонения можно наблюдать в
реакции

Ras на внеклеточные сигналы .

ВОПРОС

16-1 З

А . Укажите сходства и различия в передаче сигналов нейро­
нами, которые выделяют нейромедиаторы в сина п тическую

nротеинкннааа

щель, и эндокринными клетками , секретирующими гормоны в

(РКА)

кровь.

ЦИТОКИН

■дермwй рецеmор

аинкмнааа (RТК)

Б . Обсудите относительные преимущества обоих механизмов .
ВОПРОС

16-14

Две внутриклеточные молекулы , Х и У, обычно синтезируются с
постоянной скоростью

1ООО

молекул в секунду на клетку. Моле­

кулы Х разрушаются медленно : каждая из них живет в среднем

100 с .

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

Молекулы У разрушаются в

кула живет примерно

1О

раз быстрее: каждая моле­

1О с.

А . Вычислите , сколько молекул Х и У постоянно присутствует в

ВОПРОС 16-1 О

клетке .

Некоторые рецепторы клеточной поверхности , в том числе ре­

Б . Если скорость синтеза обеих молекул внезапно увеличится

цепторы цитокинов и

в

Notch,

быстро передают сигнал в ядро ,

1О

раз , до

1О

ООО молекул в секунду на клетку (без изменения

активируя регуляторы транскрипции на плазмалемме. Почему

скорости распада), то сколько молекул Х и У о кажется в клетке

же большинство рецепторов клеточной поверхности, влияя на

через одну секунду?

транскрипцию генов в ядре , используют длинные сигнальные ка­

В. Какая молекула предпочтительнее для быстрой передачи сиг­

скады непрямого действия?

нала?

ВОПРОС 16-11

ВОПРОС

Какие из следующих утверждений верны? Ответы поясните .
А. Внеклеточная сигнальная молекула ацетилхолин неодинаково

« Один из величайших королей прошлого правил огромным ко­

влияет на разные типы животных клеток и часто связывается с

дое растение блестело ярко, как отполированный нефрит, а

16-15

ролевством; оно было красивее любого другого в мире . Каж­

Разными поверхностными рецепторами при действии на различ­

невысокие зеленые холмы были ровными , как волны летнего

ные виды клето к.

моря. Мудростью своих решений король был обязан постоян­

Б . После того как ацетилхолин выделился из клето к, он долго не

ному потоку информации , которую ежедневно поставляли ему

Разрушается , так как должен достичь клеток-мишеней по всему

гонцы ; они сообщали ему все подробности событий , происхо­

телу.

дящих в королевстве , поэтому он мог быстро принимать сво ­

В . И связанные с ГТФ а-субъединицы, и свободные от нуклеоти­

евременные решения. Несмотря на красоту и эффективность

да ~у -комплексы могут активировать последующие компоненты

этого правления , люди в королевстве бедствовали

сигнального каскада

короля был советник, который изучал межклеточную пере­

- в отличие от объединенны х субъединиц
G-белка , связанных с ГДФ.
Г. IP3 образуется непосредственно в результате расщепления

-

ведь у

дачу сигналов и , соответственно, возглавлял королевский

ДепаRТКмент Информации. Советник ввел закон, согласно

Инозитольно го фосфолипида , без присоединения дополнитель­
ной фосфатной группы.

медленно обезглавливали . Он считал, что для быстрой пере ­

д. Кальмодулин регулирует внутриклеточную концентрацию ио­

дачи вестей их жизнь не должна быть долгой . Их мольбы « не

нов кальция .

троньте меня , я всего лишь посредник » ни к чему не вели, и

Е. Различные сигналы , поступающие с плазмалеммы , могут объ­
единяться благодаря взаимодействию между сигнальными путя­
ми внутри клетки .

которому всех гонцов, замеченных королевс к ой охраной , не­

люди в королевстве тяжело страдали, теряя своих сыновей и

дочерей » . Почему аналогия, на которой базировалась полити ­
ка советника, неподходящая? Вкратце обсудите особенности,

Вопросы в конце главы

511


отличающие пути передачи сигнала в клетке от описанного в

ВОПРОС

этой истории способа коммуникации людей .

Сокращение актомиозиновой системы мышечных клеток запу­

16-21

скается подъемом внутриклеточной концентрации ионов каль­
ВОПРОС

ция. У мышечных клеток есть специализированные кальциевые

16-16

В серии экспериментов в клетки вводили гены, кодирующие му­

каналы, расположенные на мембране саркоплазматического

тантные формы

ретикулума

RTK. Кроме того в клетках экспрессируется нор­

мальная форма рецептора с обычного гена, хотя мутантные гены
устроены так, что мутантного

RTK экспрессируется

значительно

специализированной разновидности ЭПС . Они

-

называются рианодиновыми рецепторами, так как чувствитель­

ны к лекарству рианодину. В отличие от IР 3 -чувствительных каль­

больше, чем обычного . Каковы будут последствия ввода мутант­

циевых каналов ЭПС , показанных на рис.

ного гена , кодирующего : (А)

ществом, открывающим рианодиновые рецепторы, служат сами

(Б)

RTK без

внеклеточного домена или

16-25, сигнальным

ве­

ионы кальция . Обсудите роль рианодиновых каналов в сокраще­

RTK без внутриклеточного домена?

нии мышечных клеток .

ВОПРОС

16-17

Обсудите

следующее

утверждение :

« Мембранные

белки ,

ВОПРОС

16-22

пронизывающие мембрану много раз, могут изменять свою

Две протеинкиназы, К1 и К2 , действуют во внутриклеточном сиг­

конформацию при связывании с лигандом так, что это будет

нальном пути одна за другой. Если мутация инактивирует любую

заметно на внутриклеточной стороне мембраны. Поэтому от­

из них , то клеточный ответ на поступающий внеклеточный сигнал

дельные молекулы белка передают сигнал с внешней стороны

не наблюдается. Другая мутация в гене К1 делает ее постоянно

мембраны на внутреннюю. Напротив, часть белков, пронизы­

активной; в клетках, содержащих такую мутацию , ответ наблюда­

вающих мембрану однократно , не могут передавать конфор­

ется даже в отсутствие внеклеточного сигнала . Вы изучили двой­

мационных изменений через мембрану; для этого требуется

ных мутантов

их олигомеризация » .

К2 и активирующую мутацию К1. Оказалось , что у них наблюда­

ВОПРОС

ходит в нормальном сигнальном пути

-

клетки , содержащие инактивирующую мутацию

ется ответ даже в отсутствие внеклеточного сигнала . Что проис­

16-18

Укажите сходства и различия между процессами, которые ведут

к активации G - белков, и процессами, ведущими к активации

К1 активирует К2 или К2

Ras.
ВОПРОС

ВОПРОС

-

активирует К1? Ответ поясните.

16-23

(А) Опишите этапы длинного непрямого сигнального пути, ве­

16-19

Как вы думаете, почему клетки используют для внутриклеточной

дущего от рецептора клеточной поверхности и меняющего экс­

сигнализации ионы кальция (их цитозольная концентрация под­

прессию генов в ядре.

держивается с помощью кальциевых помп на уровне

10-1 М), а не

какой-нибудь другой ион , например ион натрия (его цитозольная

(Б) Сравните этот путь с двумя прямыми и короткими путями, ве­
дущими от клеточной поверхности в ядро.

концентрация поддерживается с помощью натриевых помп на

уровне 10-3 М)?

ВОПРОС

16-24

Как Рl-3-киназа активирует Аkt-киназу после активации
ВОПРОС

RTK?

16-20

Кажется абсурдным тот факт, что клетка , прекрасно снабжающа­

ВОПРОС

яся питательными веществами, совершает самоубийство, если

У клеток животных и растений есть не только очень сильно раз­

постоянно не получает сигналов от других клеток (см . рис .

личающиеся механизмы внутриклеточной сигнализации, но и

16-6).

Как вы думаете , каковы преимущества подобного способа регу­
ляции?

512

ГЛАВА 16. Межклеточные взаимодействия

16-25

некоторые общие механизмы. Как вы думаете , почему это так?


••••••
••• ••
•

••
••
•••• ••

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ФИЛАМЕНТЫ
МИКРОТРУБОЧКИ
АКТИНОВЫЕ ФИЛАМЕНТЫ

МЫШЕЧНОЕ СОКРАЩЕНИЕ
Способность эу кариопrчес ких кл еток м еняп, форм у, у по ­
Рядоче нно раз м е щап, многи е внутренние комгюи е11ты ,
М еха ническ и взаимодействовать с окружа юще й средой и
с о ве ршать координиров а 1-11-1ы е движения зав исит от ци­

тоскелета

(cytoskeleton) -

сложной сети беJ1ков ы х ните й

(фил а ментов) , прониз ывающи х l(итоплазму ( РИС . 17-1 ).

Такой каркас помогает подде рживап, болы1юй объем ци­
топ лаз мы в эукариотической клст 1<е. Эта фу н кция особен­
l·tо важна для ю 1 е ток живот ны х , н е им е ющи х кл ето чноi,l

стенки. Несмотря н а то что н е которы е компоненты ци -

1·ос келета им е ются и у бактерий, цитоскелет характерен

10
РИС .

17-1.

мкм

Цитоскелет позволяет клетке поддержива т ь опреде­

л е нную форму и упорядочивать внутреннее содержимое . Живот­

ная клетка в культуре была окрашена так , чтобы были видны две главные
составляющие цитоскелета : микротрубочки (зеленый) и актиновые фи ­
ламенты (красный). ДН К в ядре окрашена синим. (С разрешения

Albert

Tousson.)

скорее для больших и структурно более слож ны х эу ка ри м еха ниэ мы сос р доточен ы в разл ичных ее областях, но

0тичсских кл еток.
В отличие от кост но го с келета ч ел овека, цитоскелет

-

uысоко 11 одвиж 11 ая структура . Она постоя нн о н е рестраи ­

соеди н е ны транс портными системами (см. гл.

15).

Цито ­

с келст ко нтролирует ра с ,юложе ние орга11 елл, вы 1 ю; 1н яю ­

Uается по мере того, как клетка м еня ет форм у, дел ится и

щих с вои функции, обес 11 е чивая при этом тран с , юртное

Взаимодейспзует с окружающе й с редой. Цитос келет - это
Н с только <<кости>> клетки, но и се « мъп.uцы >>; 01-1 отвечает за
·rа1щс кру пн омасштаб ные !(вижсния, как 1юлза ни е клетки

сообщени е м ежду ними. Он также отвечает за расхожде­

tro пове рхност и и со краще ни е мышечных кл еток, а также

Основу цитоске.пета составляют три типа белков ы х

за и з м е н е ние формы клеток в процессе эмб рио11алыrого
Развития. Без цитоскелета невоз можно заж ивле 1-1ие ра н ,
Мыщць1 были бы бес п олез ны , а с пе рматозо и д ы никогда не

филаментов : проме:жуточ11ые филамеиты (iлte пn ediate

ламеиты (actiп fil a m e п ts). Как гюкаэа ,-ю на ВКЛАДКЕ 17-1

достигли бы яйце клеши .

(с.

ни е х р омосом во вре мя 11еле н ия и за деле ни е са м их кл ето к

( эти процессы мы подробн ее обсудим в гл .

filam c пts) , мuкротрубоч1си

514),

18).

(inicrotubulc ) и актuиовые фи­

каждый тин филам е н тов обладает особыми м е­

Эу кариотическая кл етка, как любая фабрика, произво­

ха1 1иl1ес кими свойствами и состоит иэ разл ичных бслко­

дящая н е кий слож 11 ы й проду кт, обладает высокоорrанизо-

nых субъеди ниц. Пром ежуточны е филаме нты обраэуются

13а 1111ы м в нутре нним устройством - с пециал из иро ва н1-1ы с

из фибриллярных белков отдель ного семе й ства; тубулин


Промежуточные филаменты представляют собой похожие на плетеную веревку
волокна диаметром около 1О нм; они состоят из специальных белков, составля­
ющих большое и гетерогенное семейство . Один из типов промежуточных фила­
ментов формирует сетчатую структуру, которая расположена под внутренней

ядерной мембраной и называется ядерной ламиной . Другой тип пронизывает
цитоплазму, придавая клетке механическую прочность. В эпителиальной ткани

промежуточные филаменты тянутся через всю клетку и соединяют между собой

Микротрубочки -

это длинные полые цилиндры, состоящие из белка тубулина.

Их внешний диаметр равен 25 нм; они гораздо менее гибкие, чем актиновые

филаменты, описанные ниже . Микротрубочки обычно длинные, прямые и одним
концом прикреплены к центру организации микротрубочек (ЦОМТ) , центросоме .

Актиновые филаменты (также на з ываемые микрофиламенrы) - это двухцепочеч ­
ные спиральные полимеры белка актина . Они представляют собой гибкие нити диа ­
метром

5- 9 нм, соединенные в линейные пучки, двумерные сети и трехмерные гели .

Хотя актиновые филаменты распределены по всей клетке, наибольшее их количе­
ство находится в клеточном кортексе, расположенном прямо под плазмалеммой .


формирует ми1<ротрубочки; а кти 11 овы е филаменты об ­

об н аружили , о ни им еют с ред нюю толщину

разуются и з акти н а. В каждом случае тысячи бел1<овых

срав н е нию с бол ее то н кими а 1<ти 1 ювыми фи ламе нтами и

субъед и111щ собираются в 1 1роч н ую белкову ю н ить , кото­

бол ее TOJICТl,I MИ МИОЗИIЮВЫМИ ВОЛОl( ll ам и . Из трех типов

(10

нм) по

1< лето чны х филаментов , составляю щи х цитоскелет, про ­

рая иногда достигает дли ны всей клет1<и .

В этой главе мы по очеред и рассмотрим строе ни е и

межуточ ны е филаме нты

-

са мы е прочны е: есл и обрабо­

работу каж;щго и з трех типов бел1<ов ы х филаментов. Мы

тать 1<летку концентрированным солев ым р аствором и л и

н а ч 11 ем с пром ежуто чны х филаментов , 1<ото ры е при дают

н е и о н ным ;~ете рге нтом , и з всех пt пов фи ла м е нтов инта~п ­

ю1етке меха н ическую прочн ост1,. Затем разберем , 1<ак не­

ными останутся толъ1<0 пром ежуто чны е, осталы1ые про ­

которые кл ет1<и (например, прот и сты или с п е рм атозоид ы)

сто ра з р у ш атся.

Пр о м ежуточны е

п ереме щаются с пом о щью выростов, сформирован ны х ми ­

филаме1пы

можно обнаружит~,

в

кротрубоч ками , и как актиновый ци тоскелет п омогает дв и-

ци то плаз м е большинства жи вот ных 1<леток. Об ычно эт и

1'аться ползущему фибробласту. И наконец, мы обсудим,

структуры образуют сеть в цито п лаз ме, окружающую яд ро

как цитоскелет у правляет одн им из н аиболее изученных
ти п ов клеточ 1ю 1'0 движения

-

мышечным сок ра ще 1-rием.

и р астя н утую по п е рифе рии клетк и. Довольно ч асто они
зая1<о р е ны в п лазмалемм е в местах м ежклето чны х конта1<­

тов, таких какдесмосомы (см. гл.

20), l'де 1<летки сое;~ин е ны

внешней стороной своих кл еточных мембраи ( РИС . 17-2) .

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ФИЛАМЕНТЫ

Пром ежуто чны е фи лам е нты та1<же мо жно найти внутри

я1~ ра; сет ~, из промежуточны х филаме нтов , ядериая ла..ми ­

Промежуточн ы е филаменты обладают высокой механи­

на (nu c l eaг l a iniпa) , служит каркасом для ядерной оболо ч -

выдержать

1<и во всех эука риот ич еск и х клетках. В следу ющем разде;1 е

м ехан ич ескую н аг ру зку, оказ ыв аемую н а 1<л етку при ее

мы разберем , как благодаря структу ре и организации про ­

р астяж еии и. Эти фила м енты н аз ваны <тромежу тосrны ­

межуточных филаментов о ни ук 1 е п ляют 1<летки и за щи ­

ми ,>, пот ому что в клетках гладких мышц, где их впервые

щают их от механических п оврежде ний .

ческой 11 р осJ 1-JОстью; их основная фу шщия

-

п ро м еж уто чны е

ф ила м е н ты

десмосома ,
со единяю ща я
д ве кл етки

10
РИС.

17-2.

мкм

5

м км

Промежуточные филаменты формируют прочную сеть в цитоплазме клетки . ( А ) Им­

му н офлуорес центная микрофотография сл оя э пи тел иальных клеток в культуре , окраше н ны х так , чтобы
показать кружевную сеть промежуточных кератиновых филаментов (зеленый), окружающую ядро и ох­

ватывающую цитоплазму клетки . Филаменты каждой клетки ненаnрямую соединяются с филаментами
соседних клето к через десмосомы (см . гл .

20), формируя

механическую связь между всеми клетками

в ткани . Такая связь обеспе ч ивает проч ность э п ителия , позволяя клеткам фо р мировать единый п л аст,
выстилающий различные полости . Второй бело к (синий) окрашен для того, чтобы по ка зать места со­
единения клеток .

(6)

На рисунке , сдел анном с электронной микрофотог рафии участка эпиде р миса ,

п оказаны п учки промежуточны х филаментов , п ронизывающие цитоплазму и заходящие в десмосомы .

(А - с разрешения Kathleen Green и Evangeline Amargo; Б - с разрешения R.V. Krstic, Ultastructure of

Mammalian Cel l: An Atlas. Berlin : Springer, 1979. С разре ш ения Springer-Verlag.)

Проме жуточные фнламенты

515


Промежуточные филаменты

N -ко 11 11е uой ,·лобуляр ,юй головы,

похожи на прочные канаты

r юго хвоста и централ ьно го вытянутого палоч1сообразн,оzо

дoлtella

(r·od doma in ) ( РИС. 17-3, А) .

-ко нцевого глобуляр­

Це н тральн ы и домен со­

Пром ежуто чные фи ламе нты 11 одоб н ы веревкам: о~rи со­

стоит и з удл ин е нной ал 1, фа-с11ирали , ч то .п озволяет н арам

сто ят из множества длинных волоко н , с пл ете нны х вместе

молекул белков пром жуточ~rых филамеюов формиро ­

для обеспечения большей прочности ( ВИДЕО 17 .1) . Волок­

вап, стабил ьны е д им е ры , за1<ручиваясь друг во1<руг д руга

н а веревк и, и л и субъединицы гrромежуточ11ых филаме н ­

(рис. 17 -3, Б) , какопи са но в rл.4.Дватакихдимеразатем не­

тов,

ковал нтr-ю соединяются, образуя тетрамер (рис.

-

это дл июrы е, фибрилля рны е белки, состоя щие из

17-3,

В),

(А)
альфа-спиральный участок в мономере
соон

(Б)
двуспиральный димер

соон
-------- 48нм

соон

(В)

0,1 мкм
соон
тетрамер из двух димеров

(Г)

два соединенных тетрамера

'

'\
1

восемь тетрамеров , свитых вместе в промежуточный филамент

10 нм
РИС.

17-3.

Промежуточные филаменты подобны веревкам, свитым из длинных извитых воло­

кон белка. (А) Мономер белка промежуточны х филаментов состоит из центрального палоч ковидного
домена с глобулярными участками на обоих концах. П ары мономеров соединяются, образуя димер (Б) ,

а затем два димера соединяются со сдвигом относительно друг друга , образуют тетрамер

(8). Тетра­

меры соединяются конец в конец (Г) и образуют спиральные структуры , содержащие по восемь во­
локон из тетрамеров (показанный здесь уч асток для ясности изображен плоским) . Эти волокна с виты
вместе , формируя гото вый промежуточный филам ент, похожий на верев ку (д) . (Е) Эле кт ронная микро­

фотография целого филамента толщиной

516

ГЛАВА 17. Цитоскелет

1О нм .

(Е

-

с разрешения

Roy Quinlan.)


.

.
j

.
•
•

растяжение слоя клеток без

растяже ние слоя клеток,

j

содер ж ащи х проме жуточны е

фила менты

-

КЛЕТКИ ОСТАЮТСЯ НЕПОВРЕЖДЕННЫМИ
И СОЕДИНЕННЫМИ ВМЕСТЕ

РИС.

17-4.

пром ежуточны х филаментов

-

\ 1 1,,,, _ _ _ _ _ _ _ / ;

?

КЛЕТКИ РАЗРУШАЮТСЯ

Промежуточные филаменты укрепляют клетки животных. Если слой э пителиальных

клеток растягивается под действием внешни х си л (например , при росте или движе нии окружающи х
тканей) , сеть из промежуточны х филаментов и де смосом, соединяющая весь сло й , противодейству­

ет растяжению и ограничивает его. Если бы присутствовали лишь десмосомы , те же силы вы з вали б ы
сильную деформацию клеток, способную привести к разрыву пл азмал еммы .

а тетрамеры связъшаются концами и боковыми сторона­

м.еитииоподобиые филаменты

ми, благодаря чему формируется сам промежуточный фи­

fi1ameл ts) в клетках соединительных и мышечных тканей

ламент (рис.

и в поддерживающих (глиалъиых) клетках нервной ткани;

17-3, Г - Е) .

Центральные палочковидн ые домены у различных бел­

(vimentin и vimentiл-гelated

ков промежуточных филаментов одинаковы по размеру и

(3) иейрофилам.еиты (пeurofilaшents) в нервных клетках;
и (4) ядериые лам.ииы (nllclear lamiп s ) , которые усиливают

по последовательности аминокислот, поэтому при соедине­

ядерную мембрану во всех животных клетках ( РИС. 17-5).

ни:и они всегда образуют филаменты идентичного размера

Первые три класса филаментов обнаруживаются в цито­

и внутренней структу ры. Глобулярные же участки в начале

плазме, четвертый

и конце, расположеиные на поверхности филамента, позво­

дого класса формируются при полкмеризации соответ­

ляют ему взаимодействовать с другими комп онентами ци­

ствующих белковых субъединиц.

топлазмы. Глобулярные домены мономеров разных белков

Кератины

-

-

в клеточном ядре . Филам енты каж­

наиболее разнообразная группа белков

Промежуто чн ых филаментов сильно различаются и по раз­

промежуточных филаментов . Каждый тип эпителия тела

меру, и п о посл едователъности аминокислот.

позвоночных

-

будь то покровы языка, роговица или вы ­

стилка кишечника

Промежуточные филаменты защищают клетки
от механических повреждений

кератиновых

-

содержит свою специфичную смесь

белков.

С пециализированные

кератины

также присутствуют в волосах, п еръях и когтях . Во всех

случаях кератиновые филаме нты образуются из смеси

Промежуточн ых филаментов особенно много в цитоплаз­

разных кератиновых субъединиц. Ке ратиновые филамен­

ме клеток, подве ргающихся механической нагрузке. На­

ты обычно пронизывают насквозь всю клетку эпителия,

пример , они присутствуют в больших количествах в аксо­

а филаменты соседних клеток ненаnрямую соединяются

нах ~, ервных клеток, обеспечивая достаточную проч,юсть
этих чрезвычайно длин ных и тонких выростов клеток. Их
ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ФИЛАМЕНТЫ

Много также в мышеLп-tых и в эпителиаль ны х клетках, на­

•, •
/i

прим ер в клетках э пителия кожи. Во всех этих клетках
Промежуто чны е филаме иты , вытягиваясь и рас пределяя
локалы-ю действующую меха ническу ю н агрузку, защища­

ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИЕ

ют кл етки и их мембраны от разрыва при механическом
воздействии ( РИС . 17-4) . Сходный приицип используется

при производстве композип1 ых мате риалов

-

стеклоп ла­

стика и ли железобетона. В них тоже в матрикс, заnош1яю­

Щ11й объем, погружены несу щие на1·рузку линейные эле­
М.енты (углеродные волою-, а в стекло пласт ике и. стальные
гrрутъя в железобетоие), при даю щи е м ате риалу прочность.
Промежуто ч ные филаменты можно разделит ь на че1Ъгре класса: (1) к.ератииовые филалтtты (keгati n fi la1ne11ts) в эпителиальных клетках; (2) вимеитииовые и ви-

ви м ентиновые и
кератиновые

виментино-

подобные
в э пителиях

17-5.

нейро­
филаменты

в соединительных

в нервных

тканях, мышечных

клетках

и глиальных клетках

РИС.

ЯДЕРНЫЕ

ядерны е
ламины
во всех
животных
клетках

Промежуточные филаменты можно разделить на не­

сколько классов .

Промежуточные филаменты

517


э пителиаль н ом

п ласте ,

распред еляют

механическое

11 а­

пряже ни е, возникающее при растяж нии кожи. Важность

это i,i фу н кции демо 11 стри рует редкая генетич еская бо ­

лез н1,

- одна из форм буллезиоzо эпидермолиза ( e pid eлn o l ­
ys is bL1ll0 asiinp lex ). При этом заболева нии м ута ции ге н ов
кератинов нару ш ают сборку кератиновых филаме нтов в

э пител ия х. Кожа боль ны х очень ч увствительна к механи­
0,5
РИС .

17-6.

мкм

Плектин участвует в соединении пучков промежуточ­

ч ес ю,1м воздействиям, и даже н ебол 1, шое давле ни е может
вы зывать п овреждение клеток и образование волдырей.
Многи е промежуточные фи ламенты стаб ил и зируют­

ных филаментов и связывает их с другими сетями белков ци­
тоскелета . Пл е ктин (пока зан зеленым) связывает пром ежуточные

ся и усиливаются до полнител ьными белкам и

филаменты (голубые) с микротрубочка ми (красные ) и актиновыми

п лект11ном, котор ы й соед иняет пучки филаме нтов в проч­

микрофиламентами (не по казаны). Н а этой раскрашенной электронной
микрофотографии видны желтые точки

-

частицы золота , связанные с

-

н а прим ер,

ные сет и. Эти белки н е только связывают пучк11 промежу­
точных филаме нтов (в п е рвую очеред ь в11ментиповых), но

антителами , распозн а ющими плектин . Сеть актиновы х микрофиламен ­

и соед иняют промежутосшые фил аме нты с микротрубочка­

тов удалена для выявления связей между остальными белками . (С раз ­

ми, а 1пюювыми микрофилам е нта ми и адrезив ными струт<­

решения The Rockefeller University Press и з: Т. М . Svitkina and G.G. Borisy,
J.Cel/Biol. , 135: 991 - 1007, 1996.)

турами десмосом ( РИС.

17-6). Мутация в rеве п лектина вы­

з ывает у ч еловека тяжелое заболевание с со ч ета ни ем с им­
г~томов буллез 1-юго эп идермоли за (выз ываемого наруш ени ­
ем структуры ке ратиновых филам ен тов кожи) , мышечной

ч ерез межклеточны е контакты
(см. вкладку

17-1 , с. 514).

-

дес.мо сомы

(des n10 oines)

ди ст рофии

(воз никающей

и з- за

нарушен ий

ст рукту ры

Концы керати н овых фи ламе н­

пром ежу точных филаментов мышц) и н е йродеге не ра ции

тов зая корен ы на десмосом ах, а сбоку к их глобуля рны м

(и з-за раз ру шения н ей рофи ламе нтов). Мыши без работа­

концевым и вытянутым средним участкам при соед иняют ­

ющего ге на пл екпгна у мирают через н есколько ди ей п осле

ся д ругие молекулы. Так ие кабел ьные сети высокой меха­

рожд е ния ; кожа у них покрыта волдырями, а также нару­

нической про чн ости, формируемые фил аме нтами в целом

ш ено строе ние скелепюй и серде чной мускулатуры. Хотя

плекти н и не нужен для сборки самих промежуточных фи­
ВОПРОС

ламентов, его соединяющая функция необходима клеткам

17- 1

А Как вы думаете , в цитоплазме каких клеток из нижеперечис­

rl' ленных будет много промежуточных филаментов? Ответ обо -

8

зво н очные сталк иваются п остоян н о .

снуйте .

А. АтоеЬа

proteus (свободноживущая

Ядерная оболочка подостлана сетью

амеба).

из промежуточных филаментов

Б . Клетка эпителия кожи.
В . Гладкомышечная клетка в пищеварительном тракте .
Г.

дл я противостояния механическому стрессу, с которым п о­

В

Escherichia coli.

цитоп лаз м е

пром ежуточные

филаменты

образуют

Д . Нервная клетка в спинном мозге .

структуры , похожие на в е р евк и . Пр омежутосшые фи ла·

Е. Сперматозоид .

менты, рас п оложенные на в 1гутре 1ш ей сто рон е внутренней
мембра ны ядерной оболо чки и усиливающие ее, об разуют

Ж . Растительн ая клетка .

двум е рную сеть ( РИС . 17-7) . Промежуто чные фи ламенты
цитозоль
ядерная оболочка

хроматин

(А)

РИС.

17•7.

Промежуточные фила менты поддерживают и усиливают ядерную оболочку. (А) Схе­

ма поп еречного среза через ядерную оболочку. Промежуточны е филам е нты ядерной ламины выстилают
внутреннюю сторону ядерной оболочки и , по-видимому, формируют точки прикрепления для ДН К ядер­
ного х роматина . (Б) Электронная микрофотография участка ядерной ламины ооцита лягуш к и . Л амина

представляет собой сеть с прямоугольными ячейками , состоящую и з белков ламинов. (Ядерная лам ина
други х клеток не всегда столь упорядочена , как на этом фото . ) (Б - с разрешения

518

ГЛАВА 17. Цитоскелет

Ueli Aebi.)


внутри этой прочной ядерной пласт инки , яде рно й лам и­

(А)

ны (nuclea r lam ina) состоят из белков ла.л1и1юв (lami11s)
(н е путатъ с лалtи1-1и~юм (lamini11) - белком в н еклеточного

ИНТЕРФАЗНАЯ КЛЕТКА

матрикса). В отличие от о<rень стабильны х цитопл аз ма­
тических промежуто чны х филаментов , характе рных дл я
многих типов кл еток, промежуто чны

филаменты ядер­

ной ламины разбираются при распаде ядерной оболо чки
в ходе митоза и формируются заново при образовании
цен т росома

новых ядер в дочерних клетках по сле каждого клеточного

деJ 1 ения (с м . 1·л .

18).

Разбо рка и сборка ядерной ламины контролируется

(Б)

ДЕЛЯЩАЯСЯ КЛЕТКА

фосфорилированием и дефосфорилированием ламинов
протеи нкиназами (см . гл.

4).

Когда ламины фосфорилиро­

ваны, соответствующие конформационн ые и зме ~1 ения ос­

лабляют связи между тетрамерами и вызывают распад фи­
ламента. Дефосфорилирован:ие в конце митоза вновь инду ­

цирует сбо рку ламиновых филаментов ( см. рис.

18-31).

Д ефекты одного из ядерных ламинов связаны с н еко­

торыми формами прогерии

(p rogeria) -

редкой болезни,

при которой у больных наблюдается преждевременное

полюса митот ичес к ого

веретена

старение в ран нем возрасте. У пораженных прогерие й

детей появляются морщины , выпадают зубы и волосы и
часто к десяти годам развиваются сердечно-сосудистые

(В)

КЛЕТКА С РЕСНИЧКАМИ

заболевания. Ученые до сих лор н е з нают, по<1ему при на­
ру шении функции яде рн ых ламинов появляю тся такие

симптомы. Предполагается, что возникающая нестабиль­
ность ядерной оболочки может приводить к наруш е н ию
деления клеток и способности тканей к реге не рации .

МИКРОТРУБОЧКИ

базальное
тельце

Микротрубочки (inicгotubll l es) играют важнейшую орга­

•

низующую роль во всех клет ках эукариот. Это длинные

И с равнитель но жесткие полые трубки из белка, которые
Могут быстро разб ираться в одн ой части клетки и соби­
раться в дру1·ой. В тиш1t1ной животной клетке микротру ­

бо<щи отходят от небольшой органеллы, расположенной
в центральной части клетки ,

-

цеитросо.мы

(cent1·osoine)

РИС.

17-8.

Микротрубочки обычно отходят от специальных орга­

(РИС. 17-8, А). Расходясь к пе риферии клетки, они созда­

низующих структур . В отличи е от пром ежуточных фил а ме нтов м икро­

ют внутри кл етки систе му магистралей, вдоль которых

трубоч ки ( темно -зеленые ) отходят от це нтр ов о рга низации , таки х как

движутся везикулы, некоторые органеллы и компоненты

(А) це нтросо м а, (Б ) пол юса в е рете н а ил и (В ) базал ь н ые тельца ресничек.

1<леток.

Эта и другие системы цитоплазматических микро ­

трубо ч ек

-

основные эле мен ты цитоскелета, отвечающие

за закрепление мембранных органелл в определенных
Участках клетки и за внутриклеточный транспорт.

пов ерхности клетки . Сердцевина эукариотичес ких рес ­
нич ек

и

жгутиков

состоит

из

высокоупорядоченного,

Микротрубочки разби раются, а з атем вновь собираются,

стабилыюго пучка микротрубоч ек. (Бактериал ьные жгу­
тики имеют сов ершеюrо ююе строение и обеспечивают

образуя сложную структуру - митотическое веретеио

движени е за с ч ет другого м еха ннзма. )

(1ni totic spindle). Как описывается в гл. 18, митот.ич. е­

В следующе м разделе мы рассмотрим строение и сбо р­

СI<ое верете но обеспечивает равиое распределе ~1 ие хро-

ку микротрубоч:ек, а затем их роль в структурировании со ­

111:осом по двум до ч ерним кл етка м пе ред их разделени е м

держимого клетк и. Их о рганизующая функция зависит от

Когда клетка вступает в митоз, цитоттлазматически е

(рис. 17-8, Б ). Микротрубочки могут также формироватъ

взаимосвяз и микротрубочек и дополнительных белков в

стабюп,ные структуры , наприме р ритмично изгибаю1.Цкеся волосовидные выросты клетки, ресиички (cilia) и
Jl(,'гутuки (f]age lla) (ри с . 17-8, В) . Они расположены на
Поверхности многи х эукариотичес ких клеток и служат

первую очередь , моторных, обеспечивающи х движение

л.ибо для передвижения, либо для создания тока воды у

орган елл по цито скелетным трактам. В з аключени е мы

рассмотрим строение и функции ресничек и жгутиков, в

которых микротрубочки постоянно связан~

1с моторными

белками, обеспечивающими движение.

Микротрубочки

519


Микротрубочки

полые трубки

-

J 1 адает структурной полярно ст ью : н а одном его ко1ще 1-1 а­

ходится а-тубулин , а на друrом

со структурно различающимис я концами

(polaгity)
Микротрубо чки соб ираются из субъедини 1 t
тубулm1а (tubu liп)

-

молекул

-

каждая из которых пр дставляет со­

В -тубулин. Полярность

1-1 екая указующая стрелка, встроенная в саму

-

структуру,

-

-

одинакова у всех 11р отофю 1 аментов, так что

вся мнк1 отрубочка тоже обладает поляр110стыо. Од ин и з

бой состоя щий из двух субъединиц диме р . Его субъед и ни ­

концов микротрубочки, н а котором н аходятся молекулы

цы

р-тубули1 1 а, при1-1 ято наз ыват ь 11л10с-1соиец

(plus е пd) ; а ко-

1-1 е ц, 1-1 а котором на ходнтся а-тубулины,

это мииус-1еоиеи1

-

два оче 1-1ь 11о хож и х r:лобулярных белка, а-тубулин и

В -тубулин , 1-1 ековалентно связан н ы е между собой. Диме­

-

ры тубулина также соединяются 1-1 еко вал е нт110 , формируя

(iniпu s с пd) .

сте1-1 ку полой цилиндрич еской микротрубочки. Эта труб­

сто го тубулина, тубул и1-1овы е д имеры будут добавляться к

чатая структура состоит из

обоим ко1-щам растущей микротрубоч кн, хотя быстрее они

13

параллель ных протофила­

в ко1щентрирова1шом растворе чи­

In vitro,

м ентов. Каждый протофилам е нт предста вля ет собой л и­

присоед иняются к п л юс -концу (и з - за ч е го он и получ ил

ней ную це пь тубулиновых димеров, 13 которой ч е реду ются

свое 1-1 аз вание ). Полярность микротрубочек обусловли­

а-тубулин и В-тубулин ( РИС. 17-9). Протофиламе нт об-

вает тот факт, LfТO их ко1щы разл иlrаются по химич.еско му
составу и поведе нию , и им еет важнейшее з 1-1 аче 11и е как для

сборки, так и для работы готовых мю<ротрубочек. Налри­
мер , не обладая лолярносп,ю, они нс смогли бы обеслечи­
ватъ направле1-1 1-1ый внутриклеточный транспорт.

а:

Центросома - главный центр организации
микротрубочек в клетках животных

тубулин о в ы й гетеродимер

субъединица микротрубочки)

(=

(Б)

( Г)

п ротофиламент

,!'!

(_~-=~-=_:::_~=\
:

~

1-r-~~

плюс-

:

1
1
t

1
1

1
1

I

J

1

1

1

1

1

1

1

1

пол ость

~

,о"'ц

1
1

ji -

1

В клетках микротрубочки образуются , начиная свой рост

10 нм

от с пе ци альных центров организации, которы е контроли­

руют число формирующихся структур , их ориентацию н
расположе ние в цитоплазм е. Наприм ер, в клетках живот­

----

-

>-1

1

-

ных таким центром организации служит центросома

trosoine), о

r

1
1

1

L___J

рядом с ядром. Микротрубочки радиально расходятся от

~

..

нее в цитоплазме (см. рис.

1

1
1

1

50

видност и тубулнна
1

1

ции (пuc l eati on

'

:1

1

1
1

.~

1
1

1

1

__ 1_ .J,.,

1

site),

для роста одной микротрубочки

1_1у и з у-тубулина в определенной ориентации , так что ми­

нус- концы всех микротрубочек оказываются поеруже ны в

1

1
1

у-тубулиаа. Каждое у-тубулиновое

-

( РИС. 17-10, А). Димеры аВ-тубулина добавляются к коль-

1

1

А). Це 1-1тросомы содержат

кольцо служит начальны 1 пу1-1ктом , или сайтом иу1слеа­

1
1 11!

l

17-8,

сотни колъ цевых структур, состоящих из еще одной раз1-10-

1

нм

( cen-

неделяще йся клетке она обычно расположена

минус­
конец

центросому, а
1
1

В дополн е ни е

1< у-тубули1-10в1,1м

17-10,

Б).

кольцам, в болыJJиН·

стве животных клеток центросома содержит пару цен­

- -~

(А)

I ост происходит то11ы<о на свободных, об­

ращ е ш-1ых наружу плюс-концах (ри с.

триолей ( ce ntгiol es )

-

удивительных структур, состоя­

щих и з собра нных в цил индры коротких микротрубочек .

Центриоли н е и 1·рают роли в сборке микротрубоч е1< на
РИС.

17-9.

Микротрубочки

-

полые трубки и з тубулина. (А) Схе­

центросоме (достаточ1-10 од ни х у-тубулиновых колец), и

матично показаны одна молекула тубулина (а~-димер) и один прото­

и х фу н кции остаются во мно1·ом за гадо чными , особенно с

филамент, а также его положение в стенке микротрубочки. Обратите

учетом того, что растительные клетки их лишены. Однако

внимание, что молекулы тубулина в протофиламенте имеют одинаковую

1 1е нтриоли сходны с базалъиыми телы;ами (basal bodies)

ориентацию, так что микротрубочка обладает четкой структурно й по ­

(если не иде нтич11ы им); базальные тельца сJ1ужат центра·

лярностью. (Б) и (В) Схематичные изображения микротрубочки, показы­

ми организации рес нич ек и жгутиков (см. рис.

вающие упаковку молекул тубулина в ее стенке. Вверху (Б)

описаш1е в следующих разделах этой главы).

по казаны на поперечном срезе микротрубочки . В низу (В)

13 молекул
- короткий

17-8,

В, и

Для сборки микротрубочек н уж ны сайты 1-1 уклеацин,

участок микротрубочки сбоку; показаны молекулы тубулина в составе

такие как у-туб ул и новые кольца 1-1а центросоме, так как со·

лин ейных протофиламентов. (Г) Электронная микрофотография по­

бирать новую микротрубочку с нуля гораздо сJюжнее: для

перечного среза микротрубочки. Видно кольцо из

каж­

этого 1-1 еобход имо собрат~, кольцо и з ар-димеров, а при

это одна молекула тубулина. (д) Ми кротрубочка, вид

сбо рке 1-1 а сайте 1-1уклеа ции требуется все 1·0 лишь добаJЗ­

дая из которых

-

сбоку, под электронным микроскопом. (Г
Д - с разрешения

520

Richard Wade .)

ГЛАВА 17. Ци то скел ет

-

13 субъединиц ,

с разрешения

Richard Link;

ляп, такие димеры ттоодиllочке. Очищенный аВ-тубули 1 -1
н ри высокоi,i концентрации в пробирке может спонтанк0


+
+

·.
:
~
.
+--~ (

сайты нукл еации

(комплексы из колец у-тубулина)

о ° ('ь

0

С)

,,

о

матрикс

O

+

центросомы

/

о с' о ~
\ tl) о
()

~

е

.

Q О

.,

с

1

+
пара центриолей

+

+

+

+
+

+

+ микротрубочки , растущие
из колец у-тубулина

(Б)

(А)

РИС.

17-1 О .

(В)

центросомы

Полимеризация тубулина начинается в сайтах нуклеации на центросоме . (А) Схе­

матичное изображение центросомы . Она состоит из аморфно го белкового матрикса , содержащего
кольца у -тубулина

-

сайты нуклеации микротрубоче к. В клетках животных центросома содержит пару

центриолей ; каждая центриоль

-

это короткий цилиндр из упорядоченно расположенных микротрубо­

чек. (Б) Центросома с прикрепленными к ней микротрубочками. Минус -ко нец каждой микротрубочки
погружен в центросому и присоединен к кольцу из у- тубулина , свободные плюс-концы оканчиваются в
цитоплаз ме. (В) Реконструкция расположения микротрубочек в клетке С.
ходит густая щетка микротрубочек . (В
а/.,

-

с разрешения

J. Се// Biol., 163: 451 - 456, 2003.)

тем столь же внезапно начать снова расти , и ли она может

ВОПРОС 17-2

. . . Как вы думаете , почему гораздо проще добавлять тубулин

rl' к существующей микротрубочке , чем начинать ее сборку с

8

elegans. От центросомы от­
The Rockefeller University Press из : Е.Т. O'Toole et

нуля? Как у -тубулин центросомы помогает преодолевать это

исчезнуть п ол но сть ю , и ее может за менить но вая микро­

трубочка, отходящая от того же у -тубулинового кольца
( РИС.17-11 ).

Это удивительное поведение называется динамиче­

затруднение?

ской нестабильностью (dynainic in tabllity) и объясня­
ется внутренней способн остью мол е кул тубулина гидро­
лизоват ь ПФ. Каждый свобод ны й тубулиновый ди мер
полимери зоваться , образуя микротрубочки. Но в живой
1

соде ржит од н у проч11 0 связанную с ним молекулу ПФ ,

<летке конце нтрация свободного сф-тубули11а слишком

которую он способе н гидролизовать до ГД Ф ( она остается

ни зка дл я того, чтобы осу ществился первый , самый слож-

прочно связашюй с тубулином) вскоре после присоеди ­

11Ый этап сборки н овой микрот рубочки

нения димера к расту щей микротрубочке. Молекулы ту-

-

об разование ис­

Ход 1 юго коль ца. Имея центры о рга ни за ции, соде ржащи е

сайты н уклеации микротрубоч е к, и поддерживая ни з кую
1

<01-щентрацию свободных димеров сф-тубулина, клетка
111ожет ко 1-пролировать образова ние микротрубочек и со ­

бирать их только там, где надо.

Растущим микротрубочкам
свойственна динамическая нестабильность

ЕсJ1и из центра нуклеации начинается рост микротру­
бочки , то ее плюс-кои е ц об ыч1ю продолжает расти путем
добавления а В -субъеди ниц тубулина в теч ение мноп1 х
111

РИС.

1

инут. Затем внезапно с мик рот рубо чкой происходит
<а 1<ое-то из ме н ение, и она б ы стро расладается путем по1'ери субъединиц со свободного п юос-конца ( ВИДЕО 17.2) .

симо от соседних. Набор микротрубочек , отходящих от центросомы ,

Ми1<ротрубочка мткет разобраться ли1.1.1ь частично, а за-

17 -11.

Каждая микротрубочка растет и разбирается незави ­

постоянно меняется : новые микротрубочки растут (красные стрелки), а

старые разбираются (синие стрелки).

Микротрубочки

521


булина, связа 1н1ы е с ГТФ , эффект ивно соеди,~яются друе

трубочки быстрее, чем расще пляют связа ~rный с н ими

с другом, формируя стенку микротрубо чки. Мол екулы

ГТФ , п оэтом у ко н ец расту ще й микротрубочки целиком

тубулина, н есу щи е ГДФ , им е ют д ругую конформацию и

состоит и з субъедиииц тубули 11а , связаиных с ГТФ ,

связ ы ваются д руг с д р угом н е так про чн о.

о ни формиру ют так наз ыва емую <1 111а11очку», и Jrи ПФ -

Когда происход и т быстрая полимеризация , молеку­
лы тубулина при соединяются к ко нцу расту щей микро-

1сэп

(GTP-cap) .

-

В этом случае растущая микротрубоlrка

будет продолжат ,, рост ( РИС. 17-12, А) . Из-за ве р оятност­
ного характера химич

·к их проц ессов мож ет случ иться,

что тубулин н а свободном ко нце микротрубочки ,· идро ­
тубулиновые мол екулы

._

со связанным ГТФ

-

'

лизует ГГФ быстрее , ч е м ус п еют присо ед иr-Jи тъся н овые

молекулы тубулина. Тогда окажется, что теперь свобод­
ные концы протофилам е нтов состоят из тубулина, свя­

1 димеры тубул и на с ГТФ присоединяются к

t концу микротрубочки

занного с ГДФ. Это измеияет бала нс в пользу разбо рки
мик ротрубоLiки (рис. 17-12, Б) . Поскольку вся осталы-rая
микротрубоlша состоит и з ГДФ-тубул и,-r а, после 1-, alr aлa

депол имеризации о н а будет имет ь те н де н цию продол­
жаться,

часто с катастрофич еско й

скоростью;

ми к р о­

т рубочка быстро и безостан овочно разбира ется и может
1 п рисоединен и е происходит быстрее ,

t чем гидролиз ГТФ

даже совсем исlr ез н утr,.

Соде р)кащие

ГДФ

мол екул ы

тубулина,

отделяю­

щиеся от деп олимеризующихся микротрубо чек, присо ­
единяются к пулу таких же молекул, уже содержащихся

в цитозол е. Наприм ер, в типичном фибробласте примерно
ГТФ - кэп

(А)

РАСТУЩАЯ МИКРОТРУБОЧКА

п олов ина молекул тубулина входит в состав микротрубо ­
ч ек, а вторая половина находится в свободном состоянии
в цитозоле; эт и молекулы могут использоваться для роста

микротрубочек. Такая карти на рез ко отличается от ситуа­
ции с промежуточными филаментами

-

их субъеди ницы

в клетке в свободном состоянии обычно ПОLJТИ полностью
отсутствуют. Высвободивши еся и з микротрубочек мо­
лекулы тубулина вскоре обменивают свой ГДФ н а ГТФ ,
п ротофиламенты, состо ящие
из несущего ГДФ тубулина ,
отще п ляются от сте н ки микрот ру бочки

!

внов1, приобретая с пособность присоединяп,ся к другим
мик ротрубочкам, находящимся в фазе роста.

Микротрубочки существуют
благодаря балансу между сборкой и разборкой

Относ ительная нестабильностъ микротрубочек позволяет

им бы стро п е рестраиваться, а это очень важ но для выпол-

1 тубулин, несущий ГДФ ,

11 ения их функций . В нормалыюй кл етке це итросома (или

t уходит в цитозоль

д ругой центр организации) постоянно выпускает микро ·
молекулы тубулина

со связанным ГДФ

трубочки в раз ,н,rх направлениях , как бы исследуя среду,

и << втягивает» их обрат н о. Од нако отходящая от центро­

сомы микротрубочка может стать долгоживущей, если

се кон ец прикрепится к другой молекуле или кл еточной
(Б)

РАСПАДАЮЩАЯСЯ МИКРОТРУБОЧКА

ст руктуре, что предотв ратит деполимеризацию тубулнна.

Если мик ротрубочка стабил из ируется при 11рикре11 ле нин
Гидролиз ГТФ контрол и рует рост микротрубоч е к.

к далеко отстоя ще й от це нтросомы ст руктур е, то м ежду

Димеры тубулина , несущие ГТФ (красные) , связываются друг с другом

центросомой и это11 стру1пурой устанавливается от носи­

прочнее , чем димеры, несущие ГДФ (темно-зеленые) . Таким образом,

теJrьно устойчивая связь ( РИС. 17-13). Центросому можно

РИС.

17-12.

микротрубочки, к концу которых недавно добавлялись тубулиновые

срав ни т~, с рыбаком , заб расывающим леску: есл и на конuе

димеры , обычно продолжают расти . (Б) Время от времени , особенно

лески нет покл ев ки , то лес ка б ы стро сматывается, и де­

когда рост микротрубочек замедляется, субъединицы ГТФ -кэпа ги­

лается новый заб рос; но есл и рыба клюнула , леска оста ­

дролизуют свой ГТФ до ГТФ до того, как успевают присоединиться но­

ется раз мотанной и подтягивает улов к рыбаку. ПростаЯ

вые несущие ГТФ димеры . Тогда ГТФ- кэп утрачивается ; несущие ГДФ

стратегия случайн ы х направл ений роста и избиратсл r,J·!ОЙ

субъединицы менее прочно связаны с микротрубочко й, быстрее отс о ­

стабилизации позволяет це нтросом е и д руг им це нтрам н у­

единяются от ее свободного к онца , и микротрубочка начинает укора­

клеа r\ии создалать высоко упорядоченную систему микро ­

чив ат ься (см. ВИДЕО 17 . З и ВИДЕО

трубочек, связ ы вающую опрелел нны с части кл етки. она

522

ГЛАВА 17. Ц ито ске л ет

17.4).


нестабильные
микротрубочка
центросома

~

микротрубочки стабильные
кэпирующий

микротрубочки

о~

~

мосомы на две гру п пы. Приме р доказывает, что митотич е­

ское веретено в норм е сохраняется благодаря 110стоянно­

м у равновесию между добавле нием и потерей субъед иниц
тубули на: когда добавление тубу ли н а блокируется колхи­
цином , его поте ря продолжается до поююго разруше ния
веретена.

Яд таксол

(taxol)

на мол екулярном уровне имеет

противоположный механизм действия. Он проч н о связы­

вается с микротрубочками и предотвраща ет отделение их

17-1 З. Избирательная стабилизация микротрубочек может

субъед иниц. Поскольку новые субъеди1-1ицы по-прежнему

привести к поляризации клетки. Вновь сформирова н ные микро­

слособиы присоед и н яться, микротрубочки могут расти ,

РИС .

не могут распадаться . Однако, несмотря на разл ичия в

трубочки будут длительно с ущество ват ь , только если оба их конца

1-10

защищен ы от депо л имеризации . В клетке минус - концы обы ч но за­

деталях молекулярно1·0 механи з ма действия, таксол им е­

щ ище ны центром организа ции, от которого отходя т микротрубо ч ки.

ет такое же общее влияние на клетку, что и колхицин: он

Плюс-кон цы исходно свободн ы, н о могут быть стабил изирован ы дру­

тоже останавливает митоз в делящейся клетке . Отсюда

гими белками . Н апример , н а этом р исунке показана непол яр изо ван­

ясно, что для 1-1орма.11ыюй работы веретена делениям икра ­

ная клетка с микротрубочками, которые отрастают от центросомы в
сл уч ай н ых н а правл е ния х и рас п адаются (А) . Н екотор ые из этих микро­

трубочки должны не только собираться, но и разбираться .
Поведение веретена более детально разбирается в 1·л . 18,

трубо ч ек сл учай н о соп р икасаются с кэпирую щ ими белками в опре ­

где мы рассматриваем митоз.

деле н ных районах кл ето ч но го кортекса; эти бел ки могут связ ы ваться

Ина~пивация или разруше ние митотическоrо верете­

с пл юс-кон цами и стаби л изи р оват ь их ( Б ) . Такая изб и рател ьн ая ста­

на может убивать делящиеся клетки. Раковы е клетки, де­

билизаци я п риведет к быстрой переориентации микротрубочек ( В ) и

леиие которых меньше подве ржено контролю со стороны

сил ь ной поляризации клетки (Г) .

других клеток организма, ююгда удается уб ить с помощыо

стабилизирующих (или дестабилизирующих) микротру­
бочки аитимитотических ядов

(antiinitotic drugs).

Поэто­

му яды, нарушаю щи е полиме ри зацию и де полим е ризацию

также используется, чтобы обеспечить правильное взаим1-юе расположени е органелл.

микротрубочек, в том числе колхицин, таr<сол, винкристин
и винбласти1-1, используются как лекарства в терапии рака.

Яды , нарушающие полиме ризацию и де полиме риза-

Упомянем вкратце, что существуют также вещества, ста­

1rию тубулина, могут быстро и сильно изменять органи­

билизирующие и дестабилизирующие актиновые фила­

зацию цитоскелета и поведе ние клетки. Разберем пример

менты. Все эти яды, леречисленные в ТАБЛ . 17-1 , помогают

Ми:тотиLJеского верет на

ученым исследовать функции цитоскел ета.

-

сети микротрубоч ек, управля­

ющей хромосомами в ходе митоза (см. рис.

17-8, Б).

Если

1-1а клетку во вр е мя митоза подействовать ядом 'Колхици-

1tо.м

(c0Jchici11e),

который прочно связывается со свобод­

ным тубулином и предотв раща ет е го пол им е ризацию , ми­

Микротрубочки структурируют
внутреннее содержимое клетки

тотическое веретено быстро исчезает, и клетка зам ирает

Клетки с пособ 1-1ы модифицировать динамическую 1,еста­

в середин е мито за, так как не может раздел ить свои хро-

билъность своих микротрубочек под конкретные цели.
Например, когда клетки вступают в митоз, микротрубоч­
J< И становятся более динамичными, 11 е реключаясь между

ТАБЛИЦА 17-1. Яды, влияющие на микрофиламенты
и микротрубочки
Действие

ростом и разбо ркой гораздо чаще, чем переключаются

обычно цитоп лаз матичешие

микротрубочки.

Это по ­

зволя ет им быстро распадаться , чтобы затем образовать
митотическое веретено. С другой стороны, когда клетка

Яды, действующие на микротрубочки

дифференцируется и приобретает определею-тое строение,

Таксол

характерное для данного типа клеток, динамическая ~1 е­

С в я зываетс я с ми к рот рубочками
и стаби л изи рует их

Колхицин , колцемид

Связыва ют субъедин и цы и предотвраща ют
пол и м е р изаци ю

Винбластин, винкристи н Связы вают субъедини цы и предотвращают
пол и м е ри зацию

Яды, действующие на актиновые филаменты

Фаллоидин

стабилъиость микротрубочек часто подавля ется особыми
белками, которые связыва~отся с микротрубочками на их
концах или по всей длине и предотвращают их разборку.

СтабиЛ11зированные микротрубочки помогают клетке со­
хранять определенную органи за цию.

Наиболе е дифференцированные животные кл етки
обычно поляризоваиы (pol aгized). Это означает, что один

Связывает и стабилизирует филаменты

конец клетки структурно и фунrщио 11 ально отличается

Цитохалазин

Кэпирует плюс-концы филаментов

от другого. Например , от од ного конца н е рвной кл етки

llатрункулин

С вяз ывает субъединицы и п редотв ращает
полимеризацию

отходит аксон, а от другого

-

дендриты; у специализи­

рованных сек рето рных клеток аппарат Голь дж и распо ­
ложе н на той стороне, ~·де выделяются сек р ет ы , и т. п .

Микротрубочки

523


ВОПРОС

17-3

А Из-за динамической нестабильности микротрубочки либо

нервное

rl' растут, либо быстро укорачиваются . Рассмотрим отдельную

8

микротрубочку на стадии уко рочения .

А. Что должно случиться с к онцом микротрубочки, чтобы она пере­
стала разбираться и начала расти?
Б . Как на этот переход повлияет и з менение концентрации тубулина?
В . Что произойдет, если в растворе будет присутст вовать только
ГДФ и отсутствовать ГТФ?
стремительный

транспорт

Г. Что произойдет, если добавить в раствор негидролизуемый ана­

транспорт

РИС.

лог ГТФ?

17-14. В аксоне нервной клетки по микротрубоч кам транс ­

пр авлен ным тра н с п о ртным п утям ю1 ет ка может п е р еме­

портируются груз ы . В нервны х клетках все микротрубочки аксона ори­

щать груз ы, н а пр имер мембранные 11 узы р1,к и , или белки,

-

ентированы одинаково

и х плюс-концы направлены к нервному окон­

пр едназна ч е нны е для секреции, кото ры е с инт ез ир у ются

чанию . Одина ково ориентированные микротрубочки служат магистра­

в теле кл етки, но требуются далеко на пе рифе рии , 13 окон ­

лями для направленного транспорта веществ, синтезируемых в теле

LlаJ-JИИ аксона.

Не которые из грузов двигаются со ско ростыо более

клетки и используемы х в нервном окончании (на п ример , мембранны х
белков, н еобходимы х для роста аксона). Путешествие таки х веществ

10

см в де н1,; при этом их п ут,, до окончания аксона у кру п ­

по аксону, который тянется из спинного мозга человека , например , к

ны х животных все рав н о за ни мает н е ме н ее недели . Но

мышцам плеча, занимает около

В дополнени е к такому центро­

движение по микротрубо чкам не измери мо быстрее и эф­

бежному транспорту веществ (красные к ружк и) , который осуществля ­

фективн ее, ч ем свобод ная диффуз и я. Если бы белковая

ют одни моторные белки, есть и центростремител ьный (направл енный

молекула дв игалась в н утри аксона с п омощью диффузии,

2 суток.

к телу клетки) тран с порт (синие к ружк и) , осуществляемый другим на ­

о на б ы достигла его окончани я ч е рез годы

бором моторных бел ков. Центростремительный транспорт служ ит для

достигла(см. во прос

есл и вообще

-

17-12).

Но в живой клетке микротрубочки н е действуют в

достав ки веще ств , погл ощаемых окончанием аксона или образующи хс я

оди ночку. Их актиш-юстъ, как и активность других ните11

при расп аде белков и други х молекул , обратно в тело нейрона .

цитоск елета, зав и сит от самых р аз ны х связ ыв аю щи хся с

ними вс п омогатель ны х белков. Некоторые связанные с

микротрубочками белки стабилизируют их (на пример,
Поляр н ость клеток

-

предохран яя от разборки); д руги е бел ки с вяз ывают ми ­

это от раже ни е n оляризаци и си­

стем ы микротрубо ч ек внутри них. Поляри зация ми­

к ротрубоLlКИ с иными компон е н тами клетки, в том числе с

к ротрубо ч ек 11 омогает расположит~, о рга нелл ы внутри

др у гими типами филаментов цитоскелета. Третъя группа

клетки в желаемых у частк ах и н а пр ав ит ь куда н адо п о­

белков, сояза нны х с микротрубочкам и ,

токи тра н с п орта между раз ными частями клетки. Так ,

белки, передвигающи е орга н елл ы , в том Liисле везикулы ,

в н е рвных клетках все микр от р убочки аксона о ри е нти ­

и 11.ру r·ие грузы вдоль микротрубоч ек. Поскольку компо­

рованы в од 1-rом наnравл е н и и

-

.. ''
/, .
.,
'
'

'"

,,

''

о
;, .
•
'

'1

,

'

,.,
', ..

.\.

•'

'

'

,

,

о

.

J

,,.,.

,.

.
.,

;
f

РИС.

17-15.

'

ту можно коо рдин ир оват ь.

,, ,(f,:.
f •
,

.

1 "\.
1

.'

...

•

..
. .,,
r

.r

'•

'

,,,,.

: . "'t.

,.. ~

,

•
I
•t

'

О.
.•

,

,,

,,

о..

.,..
,',

. 1.

.,

1

,-

.,,... .

.О.
~

•I
i

числ е нные мембра нные ве з икулы и митохондрии, многие из которых дви жутся. Б елым к ружком об­

524

Forscher.)

ГЛАВА 17. Цитоскелет

•

.
. ...

5

Орган еллы движутся вдоль ми к ротруб оч е к с р аз но й скорост ью . На этой серии

веден один и тот же участо к поля з р ен ия. Сним к и сдел ан ы с интервалом в

~

• .

•

.,

'

.. .

.

, !,

'j .· .-·

обработанны х видео кадров уплощенного уча стка нейрон а беспозвоночного ж ивотного видны много ­

Р.

это моторные

н е 1 пы цитоскелета взаимосвяза ны д руг с другом, их рабо ­

их п л юс -ко нцы 1-1 а пр ав­

ле ны к н е рвному око нч а нию ( РИС. 17- 14). По таким н а-

,

-

400

мс. (С разрешения

•
мкм


Моторные белки осуществляют
внутриклеточный транспорт
Если посмотреть на живую клетку в световой микро­
скол , видно, что цитоп лазма находится в

движении

по стоя н1-юм

минус ­

плюс ­

конец

конец

( РИС. 17-15). Митохондрии , более м елки е

мембранные органеллы и в ез икулы 11 е редв игаются ко­
роткими, резкими скачками

-

они короткое время дви­

жутся, потом останавливаются, а затем вновь нач:и~1 ают

двюкение.

груз

то салътаторио е ( скачкооб раз но е ) дви.же­

ДИНЕИНЫ

нuе (saJ tatoгy 111ov eш e 11t) гораздо дол 1, ш е происходит в

РИС.

одном 1-1 а правл е нии , чем хаотическое броуновское дви­

моторные белки. Бол ьшинст во кинезинов движутся к плюс-концу

жение частиц, вызванное тепловым движе ни ем

микротрубочки, а динеины движутся к минус - концу (видео

мол е­

кул. В эука риотич еских клетках сальтатор11ое движение

17-17.

Грузы вдоль микротрубочек транспортируют разные

17.6).

Суще­

ствует множество разновидностей каждого из этих моторн ы х белков ,

и другие формы наnравленно1:о движе1-1 ия обеспеlrивают

видимо, п редн азначе н н ы х для транспорта разн ы х грузов . « Хвост » мо­

как микротрубочки , так и актиновые филаменты. В обо­

торного белка о п редел яет то , какой груз о н будет пе реносить .

их слу чаях движение осу.ществляют мото р ные бешш

(moto,· p1·ote ins).

Они используют э н ер 1· ию повторяю­

щихся циклов гид роли за АТФ, Lrтобы по стоянно дви­
гаться вдол 1
, акт и новых фил аме нтов ил и ми кротрубо­
Чек в одном направл ении (см. рис .

Од новре м е нно

моторные

4-4 2).

белки

цито скелета, движутся по ним в раз ных налравл е ниях и

прикрепляются

к

п ер еносят разны е грузы .

и транспортируют этот

Моторные белки, дв игающи еся ло цитоплаз мати­

груз по нитям цитоскелета. Се й-час и звест ны десятки мо­

чес1<им микротрубочкам, наприм е р в аксоне н е рвной

иным

клеточным

компон е нтам

торных белков. Они связываются с разными элементами

клетки , относятся к двум семействам. Кинезины

sins)

(kine-

обычно двигаются к плюс-концу микротрубоlrки

(от це нтросомы, а в н ей ронах

-

от тела клетки, как на

рис.
(к

17-14). Динеины (dineios) двигаются к минус-концу
центросоме, а на рис. 17-14 - ]( телу клетки) . И ки­

незины, и динеины

это димеры с двумя глобулярны­

-

ми АТФ-связ ывающими << ГОJювамИ>> и одним << хвостом ~

«ХВОСТ»

( РИС. 17-16, А) . « Головы ~ обеспечивают простра нств е н ­
но-специфичное

взаимодействие

с

микротрубочками ,

так что моторны е бед](И движутся по ним только в одном
направл ении. « Хвост ~ моторного белка обычно проLIНО

связывается с ка](им-нибудь клеточным компонентом
везикулой или орган ел лой

-

-

и таким образом опреде­

ляет тип груза, который данный моторный белок может

транспортировать ( РИС. 17-17). Глобулярные << ГОJЮВЫ >>
кинез ина и динеина

-

это ферм е нты с гидроли зующей

АТФ (АТФазной) активност. ью. Гидролиз АТФ обеспе­
Минус- конец
(А)

чивает э нергию для цикла конформационных из менений
l___J
10 н м

плюс - конец

<< головы ,>, который поз воляет ей двигаться вдоль микро­

трубоlrки, осуществляя циклы « связывание- отдел ени е>>

( см.

рис.

17-16,

Б, и рис.

4-42).

Открытие и изучение мо­

торных белков обсуждаются в разделе ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ
( Б)

РИс. 17-1 б. Моторные белки движутся по микротрубочкам , пере­
ступая своими глобулярными « головами » . (А ) Кинезины и цито­
nпазматические динеины - моторные белки микротрубочек, обыч но

двигающиеся по ним в противоположных направлениях . Каждый из
э,их белков (изображенных здесь в одном масштабе) - димер, со­
с,оящий из двух идентич н ых молекул . На одном их конце находятся
две глобулярные « головы », взаимодействующие с микротрубочками,

а на другом - единственны й «хвост» . (Б) Схематичное изображение

АТФ-зависимого «шагания» моторного белка вдоль нити цитоскелета
(см. также рис. 4-42).

на с.

527 - 529.

Органеллы двигаются вдоль микротрубочек
Микротрубочки и моторны е белки во многом опреде­
ляют расположени е м ембраю-1 ых органелл в эукарио ­
тических клетках. Например, в большинстве животных
клето1< трубочки ЭПС тянутся почти до границы клет1ш
( ВИДЕО 17.5). Аппарат Гольджи , напротив, расположеи в
глубине клетки, возле центросомы ( РИС. 17-18). Форма и
расположение ЭПС и АГ зависят от их взаимодействия с

микротрубочками. М е мбраиы ЭПС от тех участков, где

Микрот рубочки

525


L___J

(Б)

(А)

РИС .

17-18.

10

мкм

(В)

Микротрубочки помогают упорядочить расположение органелл в эукариотиче­

ской клетке. (А) Схема стро е ни я клетк и , по каз ыв аю щая типичное расположение микротрубочек

(темно-зеленые), эндоплазматической сети (Э ПС , синяя) и аппарата Гольджи ( АГ, желтый). Ядро ко­
ричневое , центросома

-

светло-зеленая. (Б) Клетка, ок рашен н ая антителами к ЭПС (верхний сни­

мок) и к микротрубочкам (нижний снимок). Моторные бел ки распяливают ЭПС на сети микротрубо ­
чек. (В) Клетка, окрашенная антителами к АГ (верхний снимок) и к микротрубочкам (нижний снимок).
В данном случ ае моторные бе л ки п ередвигают АГ бли же к це нтру клетки , к це нт росоме. ( Б
решения

Mark Terasaki, Lan

Во

Chen и Keigi Fujiwara;

он и соединяются с ядерной оболочкой (см.рис.

1-2 2), тя­

нутся вдоль микротрубочек, отходящих от центросомы,

В

-

с разрешения

- с
Viki Allan и Thomas Kreis) .

раз ­

Реснички и жгутики содержат стабильные
микротрубочки, приводимые в движение динеином

до плаз малеммы. По м ере роста кл етки и ее ЭПС кин ез и­

ны при участии белков- р ецепторов прикрепляются к на­

Ран ее в этой главе мы отм ечали , что многи е микротрубоч ­

ружной стороне мембраны ЭПС и растягивают ее вдоль

ки в клетках стабилиз ируются при вза имодействии с дру ­

микротрубочек, как рыболовную сеть. К м е мбранам АГ

гими белками, в резул1,тате уже н е обладая динамической

таким

стяг ив ают

нестабилы-~остыо . Стабильные микротрубочки клетки ис ­

его мембраны вдоль микротрубочек в против оположном

пользуют как жесткую основу, н а которой мо1·ут соби рать­

нан равл е нии, к центру клетки . Так создается и подде р ­

ся р аз ны е лоляри з ова1111ы е структуры, в том числ е харак­

живается расположение разных внутренних мембран в

терные для эукариот жгутики и ресничк и , помоrаю 1цие их

же путем

прикр епляются ди н еины и

оп ред ленных участках клетки , необходимое для ее нор ­

клеткам создавать ток воды . Реснички

мальной работы .

совидные выросты диаметром около

Когда н а кл етку воздействуют ядом вроде колхици ­

(cilia) -

0,25

это воло ­

мкм , ло крьгrьrе

п лазмалеммой, 1<оторые име ются на поверхности многих

на, выз ывающим разборку микротрубоlrек, расположение

кл еток эукариот (см. рис. 17-18, В). Каждая ресничка об·

ЭПС и АГ резко ме няется. ЭПС, связанная с ядерной обо­

ладает ос1-1овой и з стабильных микротрубоч е к, соб раннъrх

не соед инен1-1ый с другими ор 1·аи еллами, распадается 1-1а

в пучок. Этот пучок отходит от базсшыюго тельца (basal
body), ~1аходяще 1·ося в цитоплазме и служащего для рее·

мелки е

нички це 1-1тром организации.

лочкой, сжимается и оказывается возл е це нтра клетки . АГ,
п узырьки,

которы е

равном е рно

распределяются

по всей цитоплаз ме. Когда яд удаляют, органел лы благо­

Рес 1-1 и ч ки создают ток жидкости у пове рхности r<летr<И

даря моторным белкам, тянущим их вдоль вновь форми ­

или проталкивают сквозь жидкую с реду отдельные клет·

рующихся микротрубоч е к, принимают свое обычное по ­

ки . Наприм ер, не которы е проти сты использу ют реснич1<И

ложени е .

для сбора пище вых ча стиц, а другие

S26

ГЛАВА 17. Цитоскелет

-

дл я локомо 1.1иИ-


ПОГОНЯ ЗА МОТОРНЫМИ &ЕЛКАМИ
Движение орга1-1елл в цитоплазме клеток наблюдали, из­

усовершенствуются с помощью ком п ьютерной обработ­

мерял и и обсуждали с середины 19-го ве 1 а. Но лишь в се­

ки

редине 1980-х годов биологи обнаружили молекулы, кото­

ность . Когда в начале 1 98 0 -х годов ученые ис пользовали

рые обеспечивают это движение

этот новый метод для наблюдения за цитоплазмой аксо­

-

перемещение везикул и

других органелл из одной части клетки в другую .

С чем связ ан столь большой интервал м жду первы­
ми н аблюдениями и понима н ием? Проблема заключа­

-

удаляется мешающий фон и усиливается контраст ­

на кальмара (аксоп1~азмой), они впервые смогли разгля­

детъ движение везикул и других мембранных органелл
по нитям цитоскелета.

Под видеомикроскопом замет н о, что цитоплазма ки шит

лась в белках, точнее говоря, в сложностях их выделения
и анализа вие клетки . Например, для изучения актив­

мелкими частицами

ности ферм нта биохимики сначала очищают данный

митохондрий длююй в

полипептид: р азрушают клетки

сюда по нитям цитоскелета со скоростью до 5 мкм в секунду.

или ткани и

отделяют

-

от пузыръков диаметром

5000 нм,

30- 50 нм до

и все о~Lи движутся туда­

июересующий их белок от других химических веществ

Если аксоплазма разлита достаточно тонким слоем, можно

~слетки (см. вкладки

увидеть отдель ные нит и цитоскелета ( РИС.

гут

4-4 и 4-5, с. 160- 162). Затем они мо­
изуLrить этот белок in vitro, добавляя к нему в контро­

17-19).

Продолже1tие иа с. 528

лируемых условиях субстраты, ингибиторы, АТФ и т. д.

К сожалению, оказалось, что такой подход не срабатыва­
ет при изучении двигателы-1ых механизмов, обеспечива­
ющих внутриклеточный транспорт. Невозможно разру­
UJитъ клетку и вытащить из нее полностью активную си ­
стему т р анс п орта, очищею-rую от посторою-rих веществ,
гигантский аксо н

но при этом продолжающую перемещать с места на место

кальмара

митохондрии и везикулы.

Появление методов, обеспечивших прогресс в этой об­
ласти, обусловлено двумя разными источниками. Успехи
микроскопии п озволили биологам наблюдат 1, за работа1ощей транспортной системой (несмотря на наличие по­

сторонних веществ) внутри некоторых подходящих для

этого типов клеток. Кроме того, биохимики об 1fаружили,
Что можно собрать вне клетки работающую транспорт­
ную систему из отдельных составных частей , используя

очищенные кабели , моторы и грузы. Прорыв начался с ис­
rют,зования цитоплазмы кальмара.

Кишащая цитоплазма
Как мы з наем из гл . 12, н ейробиологи, интересующие­
ся электрическими свойствами мембран нервных кле­
ток, уже давно использовали гигантский аксон кальма­

ра (см . раздел ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ , с.

381- 383). Оказалось,

что благодаря большим раз мерам и прочной оболочке из
liero можно выдавливать цитоплазму, как зубную пасту
из тюбика, а затем изучать, как разные ионы движутся
Че р з трубчатую, заполненную раствором мембран у. Вы­
даnленное из цитоплазмы желе физиологи просто выбра­

съ1вали

-

под обы ч ным микроскопом оно выглядело как

5

инертная, никому не интересная масса.

мкм

Затем в ход вступила видео-усиленная микроско ­

llия (v ideo-eл Ь aлced micгoscopy). Этот вид микроскопии,
Изобретенный Шинъя Ииу ( SЬ inya Inoue), Робертом Ал­
Jtеном (Robeгt Allen) и другими, позволяет различить бo­
JJee мелкие структуры, чем предел раз решения обычного
светового микроскопа - 0,2 мкм, или около 200 JfM (см .
Вlсладку 1-1, с. 18- 19). Кадры, сделанные видеокамерой,

РИС .

17-19.

Динамическая фазовая микроскопия цитоплазмы,

выдавленной из гигантского аксона кальмара, позволяет выявить
движение органелл. Н а этой фотографии видны многочи сл е нны е нити
ци тоскел ета , по которым дви жутся ра зличны е частицы , в том чи сл е м и­

тохондр и и (красная стрел ка ) и бол ее м е л кие в езикулы ( синие стрел к и).
( С ра з р е ш е н и я

Elsiever и з : R.D. Vale et а / ., Се//, 40: 449- 454, 1985.)

Микротрубочки

527


ПОГОНЯ ЗА МОТОРНЫМИ &ЕЛКАМИ (продолжение)
Движение в выдавле1-11-юй аксоnлазме продолжается

бавив экстракт нз цитоплаз м ы аксо на кальмара. На таком

часами, что позволяет исследователям изучать эффекты
различных воздействий на препарат. Например, Рэй Ла­

препарате наблюдалось не только движение орган лл по
м 1,rкротрубо ч кам: микротрубоLrки, змеевид н о изгибаясь,

сик

ползаJ1 и л о ттоверхности стекла (см. во п рос

(Ray Lasek) и

Скотт Б рэди

(Scott Brady) обнаружили,

что для движения частиц н ужен АТФ. Заме на АТФ на го

валась главная задача

ан алоги, такие как

движение в этой смеси компо 11 ентов.

AMP-PNP,

котор ые связы ваются сак­

тивным сайтом фе р меитов , но не гидролизуются, ишиби­

-

17-18).

Оста­

выделип, белки, отвечающие за

Чтобы ее решить, Вейл и его т<оллеги использовали
результаты более ранних работ Ласика и Б рэди с анало­

рует перемещение частиц .

гом АТФ

- AMP-PNP. Хотя

ана.1ю 1· подавляет движение

пузырьков по микротрубочкам, он п е прел ятствует их

Ползающие трубочки

п р икрепле ни ю к микротрубочке. Ученые инкубировали

Но оставалось еще выявить отдельные компо н е н ты си­

экстракт цитоплазмы с микротрубоч1<ами в присутствии

стемы тра нспо рта в аксоие кал 1,мара. Из ч его состоят

AMP-PNP;

н ити? Что п редставляют собой молекуляр ные ма ш ин ы ,

что к н и м будут прикреплены моторные белки. Чтоб ы от­

перемещающие 110 ним везикулы и органеллы? Выяс н ить

делить эти белки, Вейл и его грулпа добавляли АТФ. В

затем они отделяли микротрубо L1ки, надеясь,

состав транспо рт ных т р осов оказалос 1, сравнител ы-ю лег­

результате о н и обнаружили полилелтид массой

ко. Ис п ользоваиие а нтител к а-тубули ну п оказало, что

с п особный связываться с микротрубочками и вызывать их

они представлены микротрубочками. Но каки е белки

движение in vitтo ( РИС . 17-20) . Этот белок был назван кине­

служат моторами? Для в ы ясне н ия Ран Вейл

зином (от zреч. к i neiп

Томас Резе (Tlюmas

Reese)

и Михаэль

Sb.eetz) создали систему, которая

(Ron Va le),
Ш итс (Micl1ae l

позволила им вы делить

белки, ле ремещающие органеллы.

-

110

кДа,

двигаться).

Подоб н ые системы для изучения подвижности

in vitтo

с ы грали важную роль в изучеюш моторных белков и ме­
ханизмов их работы. Дальнейшие исследования л оказали,

Они использовали простую н элега ю ную страте 1·ию:

что rшнези ~1 движется по мю<ротрубочкам от ми н ус-ко нца

см ешивать очище н ные тросы и очи щеню,rе грузы, а затем

к п люс-ко н цу; было также найдеио множество других ки­

определять, добавление каких молекул вызовет движе н не.

незиноподоб н ых мотор ных белков.

К ОL1.ищенным микротрубочкам из оптической доли моз­
га кальмара добавили органеллы, выделе 1шые из аксона
кальмара. Оказалось, что движе ние можно вызват1, 1 до -

Свет! Камера! Мотор!

Сейчас благодаря использованию еще более усовер ­
шенствова нн ых

методов

микроскопии

учен ы е

могут

следить за движением отделыюй молекулы м отор1-юго

белка вдоль микротрубо ч ки как

in

vitтo, так и в н утри

живой клетки . Система , разработанная Стивеном Бло­
ком (Steve п

Block)

и его коллегами в

1990

г., позволяет

следить за движен ием н о микротрубо ч кам микроскоrrи­
ческих шариков из оксида крем н ия , к каждому из кото·

р ы х прикрегrле r1 а единствен н ая молекула кинезина (это

до ·ти гается добавлением кинезииа в низкой концентра·
ции ) ( РИС . 17-21 ) . Дру 1'ОЙ сл особ , помогающий увидеть
движе н ие отдельн ой молекулы кинез ина, ее соеди н ен ие
с флуорес1(ентrr ы м маркером (наприм р, с

GFP -

зеде­

ным флуоресцентны м белком).
Методы

LJ
1

м км

изучения отдельных молекул позволи-лн

установить, что движение кинезина л о микротрубочке

делает в среднем около
РИС .

17-20.

Моторный белок вызывает скольжение микротрубо­

чек. В си стем е для и зуч е ния подви жно сти

in vitro

очище нный к ин ез ин

см е шан с ми к ротрубочками в буфе ре, соде ржа ще м АТФ. Когда ка плю
с м ес и помещают н а стекло , с п о мощью дин а мич ес кой фаз ово й м икро ­
с копии можно н аблюдат ь скольже н ие по сте клу отдельны х м икротрубо ­
чек, дви ж имых к ин ез ино м. Сним ки сдел а ны с и н те рвало м в
реш е ния

Nick Carter и Rob Cross. )

528

ГЛАВА 17. Цитоскелет

1с.

(С раз­

-

это ряд повторяющихся циклов. Каждая его молекула

100 ~шагов ~ вдоль микротрубоLJ·
17-22). Длина шага -

ки, а л отом отделяется от нее ( РИС .

нм, по соответствует длине тубуJ1 иновых диме ров
микрот рубочки . Сравнив эти наблюде н ия с и зучением
t·идролиза АТФ, уче н ые убедились, LfTO для каждого шага
нужно расщепить одну молекулу АТФ . Ки 11 езин может
двигап,сн, не отделяясь от микрот рубочки, п отому •tr0

8

имеет две <<головы ~ (см. рис.

17-22).

Видимо, б лок дви·


(А)

L__J
1 мкм

( Б)

РИС.

17-21 . Видеомикроскопия

позволяет наблюдать за движением отдельной молекулы ки­

незина. (А) В данном препарате ш а ри к и из оксида к р емния по кр ыты кинези ном в тако й концентрации,

что в среднем к каждому ш арику при креплен а всего одна молекула кинези на . Наблюдая за шариком,
мож но проследить , как кинези н дви жется по микротрубочке . (Б) Н а этой серии с ним ков шарики с н ач а­
ла удерживают лазерным оптическим пинцетом, пом е щенным на микротрубочку, а затем отпускают.

Интервал между снимками

- 30 с.

(С разрешения

Macmillan PuЫish ers Ltd из: S. Block et а/., Nature, 348:

3348- 352, 1990.)

){{ется к п люс-концу микротрубочки , как человек ползет
По канату, пе реб ирая руками

-

«гол овы >,) связываются с

111.икротрубочкой и отделяются от н ее по очереди. Чтобы
11одтв ердить э ту идею , нужны д ополиительные иссл едо­

вания. Сейчас ученые пытаются так усовершенствовать

М етоды 1·1 аблюдения, чтобы можно было увидеть движе1-f_1,1е п о микротрубочке не только отдель ной молекулы
Кинезина, но и отдель ных ее «голов ,>, определяя их вза­

имное расположение. Эти р езультаты у елубят наше по­
нима11 и е мол екулярных механиз мов дв ижения, опреде­
ляющих ореани зацию и активность клеток эукариот.

(А)

L__J
10 нм

РИС. 17-22. Отдельная молекула кинезина движется по микротру­
бочке . (А) Электронная микрофотография отдельной молекулы кинези­
на. Показаны « головы » - два глобулярных домена (красные стрелки).

2

(Б) Три снимка, сделанные с интервалом в одну секунду, зафиксировали
движение отдельной гибридной молекулы кинезин-GFР (зеленая) вдоль
Микротрубочки (красная) со скоростью 0,3 мкм/с. (В) Молекулярная
Модель предполагаемого механизма движения «голов» кинезина п о
Микротрубочке . Он и делают шаги длиной по 8 нм ( ВИДЕО 17.7). (А - с
Разрешения John Heuser; Б и В - с разрешения Ron Vale.)

3
(Б)

L__J
1 м км

Микротрубочки

529


1~ич1< и по в1-1утреJ111 ему ст ро е 11 ию, но, к ак 11р авило, гораз­

;1O

;1;1инн ее. Обыч110 жгутики служат ;~ля п е редв иже ни я

отдель ны х

клсто 1<,

нс

сове рп, ают

озмахов,

соз; 1аю 1 1 1и х

ток жидкост и , а ген е рируют ре 1·уляр 11ые B OJJ1-1ы , бегу щи е

вдоль жгутика l_ рес 11ич ки б ывают дли нн ее жгутиков , н а­
прим ер у греб 11ы х пл аст и11 ок 1·реб н е виков ; ос повl[о е раз­
ли чи е м ежду жгутиками и рес ничками состоит им е н1-ю в

характе р е и х дв и жс 11ия .
кл етку в ж и дкой

- Прим.. пер ев. ]
cpe;ie ( РИС. 17-25).

и продвигающие

Микротрубо чки жгути ков и рес нич е к 11 емного отли ­

чаются от цитоп лазматических; они собра ны в своеобраз­
ную, оче 1-1 1, ха ракте рную структу ру. Ее обнаружение было
од11им и з наиболее впе ч атляющих ранни х достиже ний
м км

эле ктронной микрос ко пии . Н а попе р еLшом с резе реснич ­

реснички покрывают по­

ки видны девять дублетов микротрубочек, кольцом рас­

5
РИС.

Волосовидные выросты

17-23.

-

верхность многих эукариотических клеток . Сканирующан электрон­

положе нны х вокруг 11 а ры одиночных J(е нтр аль ны х микро­

нан микрофотографин ресни ч ного эпителин , выстилающего внутрен­

трубочек ( РИС. 17-26, А). Эта структу ра

<19 + 2» характ рн а

нюю поверхность ды хательных путей чел овека. Густые щетки ресничек
на ресничных клетках перемежаютсн куполовидными поверхностнми

клеток эпителин, л и ш енных ресни ч ек. (С разреше н ин W. Н .

Freeman & Со
R.G. Kessel and R.H. Karden, Tissues and Organs. San Francisco: W.H .
Freeman & Со. , 1979.)
из :

На клетках э лител ия , выстилаю1цего дыхатель ны е пути
человека ( РИС.

реснич ек

17-23) , рас11оложе но огромное кош1L1ество

более миллиона на квадратный сантим етр.

-

О,ш продв игают слой слизи, содержащей частички 11 1,1ли

и мертвые клетки , наружу, к глотке; б6льшая часть сл и з и
проглатывается и так им путем удаляется из дыхательной
систе мы. Реснички на клетках сте нок яйцевода создают
ток жидкости, продв игающий по яйцеводу яйцеклетку.
Каждая р ес 11 ичка действует как миниатюр11ое весло, ло­

вторяющиеся цикл ы ее и з гибания создают омывающее
повер хносп, клетки течение ( РИС . 17-24) .

Ж 1·утики

(flagella)

обеспечивают дв иже ние сперма­

тозо и дов и многих 11ротистов. О1ш

OL1e111,

по хож и н а рее·

прямой (эффектив н ый) удар

~

РИС .

17-24.

Б и е ние реснич ки

-

повторяющиеся циклы , включаю ­

РИС .

17-25.

Продвигая клетку впер ед , жгутик волнообразно из ·

щие э ффективны й и возвратный удар. П ри быстром эффективном

гибается . Волнообразное движе ние жгутика, обеспечивающего дви·

(прнмом) ударе ресничка полностью выпрнмлена, и жидкость продвига­

жение сперматозоида оболочника , видно на серии снимков , сделанных

етсн вдоль поверхности клетки . При более медленном возвратном уда ­

при стробоскопическом освещении с частотой

ре ресничка изогнута и создает менее заметный ток жидкости . Каждый

(С разрешениR

цикл обычно длитсн О , 1- 0,2 с и создает силу, направленную перпенди­
кул нрно оси реснички .

530

ГЛАВА

17. Цито с келет

Charles J.Brokaw.)

400 вспышек в секундУ·


наружная

д и не и н о вая руч ка

р адиальная спица
внутренняя

оболочка
нексин
це н тра л ьная

си нглет н ая

-

микротрубочка

--

п лазматическая

мембрана

в н утре нн я я
д инеиновая р у чка

(А)

( Б)

100 н м

А-тр уб оч ка

1

В-тру б очка

1

наружный дубл ет микрот рубочек

17-26. Микротрубоч ки в ресничках и жгутиках образуют структуру «9 х 2 +2». (А) Эл ектрон­
Chlamydomonas; видно характерное расположение
микротрубочек - 9 х 2 + 2. (Б) Схема попере ч ного среза жгутика. Каждый из девяти наружных дубле­
РИС.

ная микрофотография поперечного среза жгутика

тов микротрубочек несет два ряда молекул динеина . « Головы » молекул динеина показаны на схеме как

парные « ручки », достигаю щие соседнего дублета микротрубоч ек. В работающих ресничках и жгутиках
динеиновые ручки периодически контактируют с соседним дублетом и движутся по нему, генерируя
вызываю щую изгибание реснички силу. Другие показанные на схеме в ы росты и соединения

-

это бел­

ки, соединяющие микротрубочки в п учок и п ревращаю щие скользящее движе н ие , обеспечиваемое ди­
неином, в изгибание (см. рис.

17-27). (А-с

дltя большинства жгутиков и рес 1-1ич ек всех эукариот

-

разреше н ия

Lewis Tilney.)

+

от

nротистов до человека.

+

+

+

Движение реснички или жгутика происходит благо­
даря тому, что их центральная часть изгибается при сколь­
)l(е нии микротрубочек друг по другу. Микротрубочки
связаны с различиыми белками (рис.

17-26,

+

+

Б), которые

Регулярно расположены вдоль пу чка микротрубочек. Не­

-

которые из 1-1их соед иняют микротрубочr<и , удерживая их

+АТФ

11 У\.J.ок

в нужном положении; другие генерируют силу, вы­
зываю щую изгибание реснички .
Наиболее важ 1-1ый из добаво 01ны х белков

- моторный
белок ресиичиый дииеин (ciliaгy dynein), вызывающий из­
rибани стержня реснички. Он похож 1-1а цитоплазматиче­
С1<:иf1 ди н е ии и практически так же работает. Ресничный

дИнеин <<х востами ~ лрикрепл е н к од1-юй микротрубочке, а
его << головы ,> взаимодействуют с сосед н ей, генери руя силу,
13
Ьtзывающую скольжение д вух 1v1икротрубочек друг по

(А) ИЗОЛИРОВАННЫЕ ДУБЛЕТЫ

(Б) НОРМАЛЬНЫЙ ЖГУТИК :
ДИНЕИН ВЫЗЫВАЕТ

ВЫЗЫВАЕТ СКОЛЬЖЕНИЕ
МИКРОТРУБОЧЕК

МИКРОТРУБОЧЕК

другу. Поскольку други е белки удерживают все дублет ы
М.НJ<ротрубочек на месте, происходит н е простое скольже­

МИКРОТРУБОЧЕК : ДИНЕИН

ИЗГИБАНИЕ

ни е (как в случае свободных мнкротрубочек), а изгибание
Реснички ( РИС. 17-27). У человека наследстве нные дефек­

РИС.

ть~ Р сничного динеина вызывают синд ром Картагенера.

тика . (А) Если освободить наружные дублеты микротрубоч ек вместе с си­

Мужчины, страдающие этим заболеванием, стерильны,

l'ак как их сл ерматозоиды утрачивают подвиж 1-юсть. Все

больные подверже 11w повышенному риску бронхи альных

l11-tфе1щий, так как рес1ш 0rки, выстилающие респиратор­
Нь~11 тракт, тоже н еподвижны, всJiедствие чего не могут
УдаJIЯ'fЪ из легких бактерий и погибшие клетки .

17-27.

Движение молекул дин еина вызывает из гиба ние жгу­

дя щими на них молекулами динеина в жгутике сперматозоида от связей с

другими компонентами жгутика, а затем добавить АТФ, то дубл еты за счет
повторяющихся движе н ий молекул динеина начинают скол ьзить друг по

другу, телескопически выдвигаясь . (Б) В интактном жгутике дублеты со­
единены друг с другом гибкими белковыми структурами, поэтому п ри

работе динеина происходит не скольжение, а изгиба н ие микротрубочек .

Микротрубочки

531


АКТИНОВЫЕ ФИЛАМЕНТЫ

молекула актина

минус-конец

Актиновые филаменты (actiл filameпts) имеются во всех
эука риотис1ески х клетках. Они участвуют во м 1-югих ти­

пах их nодвижности

-

особенно тех, в которые вовлече11а

ловерхность клетки. Например, без акти1-ювых филам е 1-1 тов клетки животных 1-1 е могли бы ползать по субстрату,
заглат ыв ать крупные частицы путем фагоцитоза и де­

л иться надвое . Как и микротрубочки, многие актиновые
филаменты нестабильны,

1-IO

при соеди11 е нии с другими

белками они могут формировать в клетках стабилъ11ые

-

структуры

наприм ер, сократимый алпарат мышц. Ак­

тиновые филаменты взаимодействуют с разнооб разными

актии-связывающим.и белками (actiп - Ьiпdiпg prote iпs ), что
позволяет им выполнять разлисrны е функции в r(летках.

Соединяясь с раз ными белками, актиновые филаменты
могут объединяться в пучки и формировать относитель­

но стабильные структуры

-

наnример, микроворсишси

(шiuovilli) на всасывающих клетках кишесmого элител ин
( РИС. 17-28, А) или небольши е сократим.ые пучки (coп­
tгactile

bund les)

в цитопл азме, которые могут сокращать­

ся и действовать как << мускулы >> клетки (рис.

17-28,

Б).

(Б)

(В)

Актиновые филаменты могут формировать и временные

-

структуры

например, выросты на лидирующем (л еред­

нем) крае ползущего фибробласта (рис.

17-28, В)

РИС.

17-29. Актиновые филаменты -

это тонкие , гиб кие к рученые

или кои­

нити . (А) Электронная микрофотография актинового филамента (нега­

трактилъиое кольцо (contгacti1e гing), разделяющее цито­

тивное контрастирование). (Б) Расположение молекул актина в актино·

плазму надвое при деле ~1ии животной клетки (рис .

17-28, Г).

вом филаменте . Каждый филамент можно считать двойной спиралью с

В да нном разделе мы рассмотрим, как р аслоложе ни е ак­

шагом в 37 н м. П роч н ые связи между двумя це п ями с п ирали препятству­

ти1-rовых филаментов в клетке завис ит от набора присут­

ют их разделению . (В) Идентичные субъединицы актинового филамента

ствующих актин-свнзывающих белков. Н есмотря н а то,

на схеме покрашены в раз н ые цвета , чтобы была лучше видна тесная

что микротрубосrки и акт иновы е микрофиламенты обра­

взаимосвязь между каждой молекулой актина и ч етырьмя ее ближай ш и­

зуются из н есход~-rых белков , мы увидим, сrто nринципы их

ми соседями. (А - с разрешения Roger Craig; В - из К. С . Holmes et а/. ,
Nature, 347: 44- 49, 1990. С разрешения Macmillan P uЫishers Ltd.)

сборки и разборки , влияния на структу ру клетки и обеспе­
чения движе нин удив итеJJJ, но по хожи.

глобулярных молекул акти на. Все они имеют оди1-1аковую

Актиновые филаменты тонкие и гибкие

ориентацию в ц епи , т . е. << смот рят в одну сторону ,> ; поэто­

Под электронным микроскопом акти новые филам е нты

му актиновые фи ламе нты , как и микротрубочки, облада­

выглядят как витые нити диамет ром около

ют структур 1-1ой лолнрт-rостыо и имеют nлюс- и минус-ко ·

филаме нт

-

7

нм . Каждый

это закруч енная двойная цепь из идентичных

1-1 е ц ( РИС .

17-29) .

Актиновые филаменты лрсдставля ют собой более гиб­
кие ст рукту ры , чем микротрубосщи, тоньш е них и обычно

короче. Однако в клетке их гораздо бол ьше, так что обща5f
дли н а всех акти 1-ювы х филаментов, как прави ло, во мно·

•

(А)

РИС.

17-28.

го раз больш е, чем всех микротрубочек. Актиновые фи­
ламенты редко лрисутствуют в клетке в и золи рован ном

виде: обычно они соеди не ны в п учки и сети, которые го ­
раздо прочиее , ч ем отдельные филаменты.
(Б)

ВОПРОС
Актиновые филаменты позволяют клеткам эукариот

принимат ь разную форму и выполняют разнообразные функции .
Различные структуры, содержащие актин, показаны красным. (А) Ми­
кроворсинки. (Б) Сократимые пучки в цитоплазме . (В) Плоские (ламел­
лоподии,

lamellipodia)

и пальцевидные (филоподии,

filopodia)

выросты

на лидирующем крае ползущей клетки. (Г) Контрактильное коль цо , об­
разующееся п ри делении клетки .

532

ГЛАВА 17. Цито с келет

17-4

А Динеиновые ручки на мик ротрубочках реснички расположе·

rl' ны так, что при активации их « головки » толкают микротру-

8

боч ки соседнего наружного дублета по направлению к кон цу

реснички. Рассмотрите поперечный срез реснички (см . рис . 17-26).
П очему при одновременной активации всех мол екул ди неина рее·
ничка не изогнется? Какие молекулы динеина должны активиро·
ваться , чтобы ресничка изогнулась в одну сторону?


Актин и тубулин полимеризуются

ВОПРОС

с помощью сходных механизмов

А Образование актино вых ф иламе нтов в цитозол е контроли­

17-5

rl' руется

Актинош,1е филаме1пы

югут расти путем добавления

мо11омеров актина н а обоих ко 1-щах, 1ю скорость роста

8

актин-связываю щи ми белками. Некоторые из этих

бел ков сил ьн о ускоряют н ачало образован ия акти новых фи­

ламентов. Каким может быть механизм их действ ия ?

плюс- ко1ща больше, чем минус- конца. << Голые>> акгиновые

филам 1 1 ты, как и микротрубочки , лише нные добавоч ных

белков, весьма н естабильны и могут разбиратъся с обоих
концов. Каждый свободный мо 1➔ 0м е р актина несет проч­

-

но связанный нуклеозидтрифосфат

АТФ

-

в да нном случае

и гидролизует его до АДФ вскоре после включе­

ния в состав филамента. Как и в случае гидролиза ГТФ,

Многие белки связывают актин

связа н,юl'о с тубулином, гидролиз АТФ до АДФ в акти­

и модифицируют его свойства

новом филаменте уменьшает силу связи между мономе­

рам и и стабильностъ полимера. Таким образом, гидролиз

Около

нуклеотида облегчает деполимеризацию, позволяя клетке

вотной клетке приходится на акт ин ; пример но половина

5%

от общего содержания белков в ти1н1чной жи­

при необходимости разбирать филаменты вскоре после

этого количества н аходится в составе филамеитов, а вто­

формирования ( РИС. 17-30).

рая половина

Как и в случае микротрубочек, способ ность соби­

-

в виде мономеров в цитозоле . Таким об­

разом, концентрация мономеров высокая

-

она гораздо

раться и разбираться необходима для выполнения мно­

выше, чем концентрация, необходимая для полиме риза­

гих фу~1 1щий актиновых филаментов

-

н апример, для их

ции о<rищенного актина

in

участия в клеточной локомоции. На работу актиноnых

уде рживает

мономеры

Филаментов можно воздействовап, с помощью некоторых

внутри клетки? Ответ состоит в том, что клетка содер­

ядов, продуцируемых грибами и морскими губками. Часть

жит небольшие белки

из них, например циrпохалазш-1.ы

и профилuи (profiliп)

(cythocbala in ),

ют полимеризацию актина; другие

-

наруша­

актиновые

-

-

vitтo. Что же в таком слу ча е
от

полиме ри зации

такие, как ти.мозuи

(t l1ymosin)

которые связываются с мономе­

к примеру, фшиюи­

рами актина в цитозоле и не дают им присоединяться к

дuи (pl1alloidin) - предотвращают деполимеризацию (см.
табл. 17-1, с. 523). Добавление этих токсинов даже в низ­

зерв моном.еров и играют важнейшую роль в р егуля ции

кой концентрации в кулътуралъную с реду или в ткань н е­

сбо рки филаментов. Когда возникает нужда в актиновых

изменно останавливает такие типы движения клеток, как,

филаментах, другие актин-связывающие белки ускоряют

например, ползание фибробластов. Таким образом , работа

их сборку. Так, белки фopм.uitъt (foпn i пs) и

актинов ых филаментов зависит от динамического равно­

связан ные белки,

весия между филаментами и пулом актиновых мономеров

сборку актиновых филаментов в лидирующем крае ми­

в цитозоле. Часто филаменты существуют все1·0 несколь­

грирующих клеток.

концам актиновых филаментов. Эти белки создают ре­

ARP

(актин ­

actin-related pгote iпs) контролируют

В клетках есть множество актин-связывающих белков.

ко минут после сборки.

Большинство из них взаимодействуют не с мономерами,
а с уже готовыми актиновыми филам ентами, контроли­
руя их поведение ( РИС.

17-31 ). Одни актин-связывающие

белки соединяют актиновые филамеиты в параллельные
пучки в микроворсинках. Другие соединяют их в сети в

юtеrпо-чиом. -кортексе
акти н со
связа н ным

акт и н

АТФ

со связан ным

(cell col'tex) - слое цитоплазм ы под
(gelsolin), наре­

плазмалеммой. Такие белки, как 2елъзолu11

зают актиновые филаменты на более короткие фрагменты
и делают актиновъrй гель более жидким. Актиновые фи­
ламеиты могут связываться с моторными белками, фор­

АДФ

мируя сократимые пучки, например в мышечных клетках.

Часто они образуют тракты, по которым моторные белки
транспортируют органеллы ( эта их функция особенно хо­
рошо замет на в растительных клетках).

р

/'

В следующих разделах этой главы мы рассмотрим
некото рые характеристики структур, которые могут фор­

мировать актиновые филаменты, и обсудим, как разны е
актин-связыва ющие белки участвуют в их образоваиии.

РИс. 17-30. Гидролиз АТФ уменьшает стабильность полимеризо­
аанного актина . Актиновые мономеры в цитозоле связаны с АТФ , кото­
Рый гидролизуется до АДФ вскоре после включения акти на в растущий

тельный аппарат мышечных клеток как прим ер стабиль­

nока данный мономер не отдел иться от филамента .

фил аментов .

Филамент. Молекулы, связанные с АДФ, не могут обменять его на АТФ,

Мы нач нем с богатого актином клеточного кортекса и его
роли в локомо ции клеток, а затем ра ссмот рим сок рати­

ной структу ры , сфо рмированной на основе актиновых

Актиновые филаменты

533


моном е ры актина

• • • •

•
• • •• ••
••
• • • ••
• • • •••

• о

белок, предотвращающи й

,

--,_,
----', • •

•

----- полимеризацию мономеров

бело к, стимул ирующий на ч ал о сборки

11

....
.....

б ело к, р азреза ю щий
фил а м е н т ы
~

.,........
бел ок , стим ул и р ую щ ий

актиновые филаменты

о бразо ва н ие пучков
(в фил оп оди я х)

.

-1~:r:- ~
моторный бел ок

бело к, способствующий
образ ова н ию сетей
( в кортексе)

б елок , связыв ающ ийс я
с боково й по верхностью
фила м ентов

РИС.

17-31.

Актин-связывающие белки контролируют поведение

кэпи рую щ ий (бло киру ю щий

актинновых филаментов в клетках позвоночных . Актин по казан

ко н е ц филам е н та) бел о к

красным, актин- с вя з ывающие белки

-

зеленым .

В большинстве эукариотических клеток

Эта кортикальная сеть акти на определяет форму и меха­

под плазматической мембраной находится
богатый актином кортекс

сти, а пер ест ройки акти новы х филаментов кортикальной

ниlrеск и е с вой ства плазмалеммы и клеточной пов е рхно ­

сети служат мол екулярной ос н овой локомо ции клеток и

Хотя акти н есть в любом участке цитоплазмы эука риоти­

и змен е н ия их формы.

ч еск их клеток, в боль ш инстве клеток его концентрация
н аиболее высока в тонком слое цитоплазмы прямо под
п лазмалеммой. В этой Lrасти клетки, н азы оаемой кле­

точный 1юртекс

(cell cortex), а1<тин- связывающие

Амебоидное движение клеток зависит от актина

белки

Многи е клетки п ередвигаются, ползая по пов е р х ностям,

соединяют а1<тиновые филаме ~1 ты в сеть, поддерживаю­

а не плавая с помощью рес нич ек или жгутиков. Хищные

щую наруж н ую поверхность клетки и придающую ей ме·

амеб ы постоянно ползают в поисках пищи. Оконч ание

ханическую прочность. Например, как опи сано в гл.

в

разnивающегося аксона движется в ответ над йствие ро ­

э ритроцита х про стая регуля рная сеть фи ламентов, лри­

стов ы х факторов и наход ит свой путь к с ина птич еской

11,

крепленных изнутри к п лазмалемме, обес п ечивает л од­

мишени , ориентируясь по градиентам связанных с суб­

де ржа1-1 ие их дискови щюй формы (см. ри с.

стратом и раство римых веществ. Белые кровяные клетки

11-3 1).

Кл е­

точный кортекс других ж и вотных клеток толще, имеет

иейтрофwtы (n.eutгopЪils) мигрируют в ткани, когда

более сложную структуру и обесnеl~ивает более широки е

<< чуют,> диффунди рующи е малые молекулы, выделяемые

ofll'I

возможности измене ний формы и движе~1 ий. Кортекс

бактериями,

как эритроцитов , так и д р угих клеток соде ржит спектр ин

жают. Связывание этих молекул с мембранными ре це п то­

и анкирии; ,ю в остальных клетках гу стая се ть акти новых

рами иммун ных клеток-охотников ггри хемотаксисе запу­

филаментов, образованная при у ч астии акти н - связыв аю­

скает изменения о состоянии актинов ы х фи ламентов,

щих белков, трехмерная и заходит глубже в цитопл.аз м у.

и заставляет клетку двигать ся к ее жертве .

534

ГЛАВА 17. Цитос келет

-

н ейтрофилы находят бактерий и у ничто­

L[TO


РИС. 17-32. Силы , генерируем ые в богатом актином кортексе ,

л а м еллоп одия

актино вы й кортекс

су бстрат

продвигают клетку вперед при амебоидном движении. В данной
модели амебоидного движения полимери за ция а ктина возле лидиру­
ю щего края толкает плазмалемму вперед (протрузия ,

protrusion);

при

этом формируется новый участок актинового кортекса , показанный
полим е ри з ация актина

красным. Возникают новые участки заякоривания актиновых филамен­
тов на поверхности , по которой ползет клетка (прикрепле н ие,

attach-

кортекс под де й стви е м натя же ния

н а плюс-конце вызывает
продвижение ламелло -

ment). Сокра щение остальн ой части кл етки п одтя г ивает ее тело вп еред
(ретракция , traction). П о мере п родвижения вперед образуются все но­
вые точки прикре пле н ия н а передн ем крае и исчезают старые на задн ем

крае клетки. Тот же цикл повто ряется снова и снова , и клетка продвига­

дв иже ни е н е полимери зов а нного а кти н а

ется повторяющимися « ш агами ».

...

СОКРАЩЕНИЕ

ПРИКРЕПЛЕННОГО

СОКРАЩЕНИЕ

Молекуля рные механизмы эти х и других форм амебо­
идного дв ижения клеток вклю чают коорди 11 ированные из­

(~

м енения многи х молекул в р азн ых ч астях клетки; за н его

фо кальны е кон та кты

не отвечает какая-то одна четко отграниченная органелла

( с одержат интегрин)

...

вроде жгутика. Общая картина такого движения вкл юlrает
три взаимос вя занных процесса:

(1)

ПРОТРУЗИЯ

клетка выбрасывает

выросты на пе реднем, лиди рую щем крае;

(2) эти выросты

ттрикре гшяются к пов ерхности , по которой 1<лет к а ползет;

(3) вся клетка подтягивается вп е ред с помощью зая кори­
ваю щи х ее н а пове рхности контактов ( РИС.

17-32) .

Во всех трех процессах задействова 11 актин , но по­
Разному. Пе рвый шаг

клетки

-

-

вытягивание вперед отростка

вы з ывается полиме ри за цией актин а. Лидиру­

ментов. Они ориентированы так , что большинство плюс­
концов находится возле плаз мал ем мы ( РИС.

17-33). Мно­

l' Ие клетки выпускают также тонкие, жесткие выросты

-

ющий край пол зущего культивируемого фибробласта rrо­

филоподии

стоян1-ю выпус кает тонкие, листов ид ные ламеллоподии

д р уг их участках пове рхности. Каждая фи ло подия дли 1-юй

(1am ll ipod ia), содержащие густую сет ь актиновых фила-

5- 10 мкм и тол щиной около 0,1 мкм

(filopodia) -

РИС.

и на лидирующем крае, и н а

17-33.

содержит рыхл ый п у-

Актиновые филаменты обеспечи ­

вают перемещение клеток животных. ( А ) С хе­

мат и ч ное изображе н ие фибробласта. П оказана
сократ и мый пуч ок

л а м е ллоп оди я

фил о п од и я

упл о щенная л амел л оп одия и тонкие ф ил о п одии

н а ее пове рх ности ,

наибол ее м н ого ч исленные

возле лидирующего края. ( Б ) Детали рас п оложе­

ния актиновых филаме нтов в т рех разных участках

фибробл аста ; ст релки направлен ы к пл юс-концам
фил аментов .

( В ) На скан и рую щей электронной

микрофотографии видны ламелло п одии и филопо ­

дии п олзущего фибробласта чел о в ека в кул ьтуре.

Ст рел ка указывает н аправле н ие движе н ия клетки .
(В

-

с раз решения

Julian Heath .)

Актиновые филаменты

535


+

■

+

вновь образованный

лидирующий край клетки ■

актиновый филамент

+

■

,

;/.,

,.

.,

"\

.,

)

с

)

0,5
РИС .

17-34.

/

с

( Б ) АR Р- ком плекс

мкм

мо н омер актина

\

кэ п ирующий

белок

Сеть актиновых филаментов проталкивает лидирующий кра й ламеллоподии

вперед . (А) Обладаю щ ие высокой подвижностью кератиноциты из кожи лягушки зафиксировали и вы­
суш или . Затем на пре п араты напылили платину, чтобы исследовать с помощью электронного микро­
скопа. Актиновые филаменты образуют густую сеть; их быстро растущие плюс-концы направлены к
лидирую щему краю ламеллоподии (вверху ). (Б) Н уклеа ция новых актиновых филаментов (красные)

запускается комплексами

ARP (оранжевые) ,

прикрепленными к боковым сторонам существующих фи­

ламентов . Образующаяся разветвл енная структура проталкивает вперед плазмалемму. П люс-концы
актиновых филаментов защищаются кэпирующими белками (синие), а минус - концы , расположенные

ближе к центру клетки , п остоян н о разбираются при участии депол имеризующих бел ков (не показаны) .
Таким образом, вся актиновая сеть постоянно продвигается за счет разборки филаментов на заднем
крае и их сборки на переднем крае. (А- с разре ш ения

чок из

10- 20

Tatyana Svitkina и Gary Borisy.)

актиновых филамеитов; их плюс-концы на­

поодаль от него, проталкивая ламеллолодию вперед. Обра­

правлены к вершине филоподии. Растущий конец (конус

зова ни е д ругой разновидности выростов, филоподий, зави­

роста) аксона развивающейся нервной клетки выпускает

сит от белков форминов. Они прикрепляются к растущим

более длюrные филоподии (до

концам актиновых филаментов и стимули руют добавление

50

мкм длиной), помогаю­

щие ему ощупывать субстрат и находить правильный путь
к мишени. И ламеллоподии, и филоподии

-

это ощупыва­

н.овых мономеров, формируя прямые, неразветвленные фи­
ламе шы ( РИС .

17-35). Димеры формина используются для

ющие путь подвижные структуры; они быстро образуются
и втягиваются обратно и могут продвигаться на

1 мкм

в

секунду. Видимо, оба типа выростов формируются за счет

п люс-конец

быстрого локального роста актиновых филаментов, кото­
рые собираются под плазмалеммой и удлиняются путем
добавления мономеров к плюс -концам . Так филаменты
деформируют мембрану, не разрывая ее.

В образовании и росте актюювых филаментов на ли­
д ирующем крае клетки участвует множество добавочных
актин-связывающих белков. Одна группа таких белков

ARP -

-

обеспечивает формирование разветвленной сети

актиновый
фил амент
минус-конец

из актиновых филаментов в ламеллоподиях. Эти белки
образуют комплексы, связывающиеся с уже существующи­

РИС . 17-35. Формины стимулируют удлинение актиновых фИ ·

ми актиновыми филаментами. Они служат сайтами нуI<ле­
ации для новых филаментов, которые отходят под углом

ламентов. Димеры формина (зеленые) прикрепляются к растущеМУ
концу актинового филамента (красный). Каждая субъединица формина

к предыдущему, формируя боков ы е ветви ( РИС. 17-34). С

связывает один мономер актина. Димер формина способствует ростУ

помощью добавочных актин-связывающих белков эта сеть

филамента, удерживаясь на одном из двух мономеров актина, расnоло·

постоянно собирается на лидирующем крае и разбирается

женных на плюс -кон це , и притягивая новые мономеры актина.

536

ГЛАВА 17. Цитоскелет


сборки не разветвл е ш,ых актиновых филаментов и в д ругих

(А)

миозин - 1

70

уча тках кл етки, 1-1аnрим е р в n е ретяжl<е между заканчиваю­

НМ ----+-1

щими деление животными клетками .

Когда ламеллоnодии или филопод ии касаются подхо­
дящей пов е рх ности , они приклеиваются к не й . Тран смем­

бранные белки nлаз мал еммы , umnezpuuы (iлtegri пs), при­
крепляются к мол екулам м еж клеточ н ого матрикса , окру­

(Б)

жаю ще го кл етку, или к п оверхности соседних клеток, по

которым дан н ая клетка ползет. Между тем на в н утре нн ей

сторо ,-rе мемб ран ы ползу щей клетки интегрины соединя­
ются с актиновыми филаментами, создавая пр очную опору

.

для с истемы актиновых фила.ме нтов внутри движущейся

Т<летки (см. рис.

20-14,

В). Теперь, чтобы подтянуть свое

тело к этим заякоривающим контактам, клетка должна со­

(В)

(см. рис. 17-32). Актин
участвует и в этом процессе, но инач е - с помощью взаимо­
действия с моторными белкамимuозuиамu (rnyosins).
l<ратиться и создать тянущую силу

До сих по р не вполие ясно, как создается эта тяну щая
с ила

-

миозин-1
плазмалемма

РИС.

17-36.

Короткий «хвост» молекулы миозина - ! содержит сай­

при сокращен и и пучков актиновых филаме нтов

ты связывания разных компонентов клетки, в том числе мембран.

в цитоплаз м е, при сокращении актиновой сети кортекса

( А) Миозин - ! име ет одну глобулярную « голову 11 и « хвост 11 , которы й при­

или при обоих этих процессах. Однако общие принци пы

крепляется к другим моле кул ам или органелл а м . Та кое строе ние позво­

вза имодействия мио з иновых моторов с актином изве ст-

ляет перемещать моле кулу или органеллу вдоль актинового филамента

1-1ь1 , и тепе р ь мы п ер ейдем к их рассмотр ен ию .

(Б) или а ктиновый филамент отно с ительно плазмал е ммы (В) . Обратите
внимани е , что « голов ка » миозина всегда двига ется по акти ново м у фил а­
м енту в сторону плю с - к онца .

Актин связывается с миозином,
Формируя сократимые структуры

Все актин-зависимые моторн ые белки относятся к семей­

зывать определенный тип везикул и перемещат ь их вдоль

ству миозинов . О ни связ ы вают и гидролизуют АТФ , что

акгинов ых путей по клетке (рис .

обеспечивает э нер гию для их продвижения по фила.мен­

присоединяться к плазмалемме и двигать вдоль нее корти­

ту от минус-конца к плюс- концу. Миозин (как и актин )

кальн ые актиновые филаменты, что может вызывать из­

сначала был обнаружен в скелетных мышцах; многое из

менения формы поверхности клетки (рис.

17-36,

Б ) ; или он может

17-36, В ) .

того, что нам известно о взаимодействии этих двух белков ,
вьrяснено при изучении мышц. В клетках встречается не­

сколько типов миозинов; наиболее широко распростране­
!·rы подсемейства миозина-!

(rnyosin-1)

и л1.uози1-1а-П

(rny-

глаш-rая разновидность миозинов

Мы уже знаем, что миозин и другие актин-связывающие

мы шц. Миозин-! содержится во всех типах клеток, и л о ­

белки могут регулиро вать положен ие в клетке, строение

osin-11).

Миоз ин-11

Внешние сигналы контролируют сборку
актиновых филаментов

-

скоJ1ьку е го устройство и работа п роще , с ,-rачала мы рас­

и поведе ние актиновых фила.ментов. Но активность этих

смотрим их.

дополнительн ых белков, в свою очередь, контролируется

Молекулы миозина- ! имеют только один глобуля р­
ный домен ( ~ голову >,) ) и од ин <<ХВОСТ>,) ( РИС . 17-36, А) . << Го­

внекл еточными сигналами, позволяющими клетке изме­

нять свой цитоскелет при изменении условий среды .

J1овки>,) миозина гидролизуют АТФ и обладают мото рной

Подобные перестройки актинового цитоскелета за­

а1<тивностыо - за счет циклов связывания -открепления
дви гаются вдоль филамента ( ВИДЕО 17.9) . << Хвосты >,) у

пускаются активацией разных белков- рецепторов плаз­

Разных типов миозина- ! различаются, и от их строения
зависит, какие клеточные компоненты будет перемещать

даются гру11пе ПФ-связывающих белков Rhо-семейства

да!iный конкретный мотор . Нап ример , << хвост>,) может свя -

малеммы. Все эти сигналы внутри клетки, видимо, пере­

(Rho protein farnily ). Как описано в гл. 16, такие белки ра­
ботают как молекулярные переключатели. Они контроли ­
руют в нутриклеточные процессы , переходя из активного
состояния в неактивное при гидролизе связанного с ними

ВОПРОС 17-6

ГГФ до ГД Ф (см. рис .

16-14,

Б). Активация белков Rhо­

семейства может влиять на поведение актинового цитоске­

. . . Предположим , что молекулы актина клетки кожи в культуре
.,,, ткани были случайным образом помечены так, что одна мо-

лета по-разному. Активация одних белков этого семейства

те , если будете рассматривать ламеллоподию (лидирующий край)
во флуоресцентный микроскоп , достаточно чувствительный , чтобы

других белков ускоряется образование ламеллоподий и

е лекула из 1О ООО несет флуоресцентную метку. Что вы увиди­

Обнаруживать единичные флуоресцентные моле кулы?

вызывает полимеризацию актина, формирование пучков

фила.ментов и образование филоподий; при активации
складок мемб раны; а активация самого белка Rho вызъша­
ет образова~ше акто-миозиновых пучков и кластеризацию

Актиновые филаменты

537


ВОПРОС

а та кже « ко11фидеrщиал1.,ную и11формациЮ >> о размерах

17-7

А В лидирующем крае ползущей клетки плюс-концы актиновых

rl' филаментов на п равлены к плазмалемме , и н овые мономеры

8

актина добавл яются на этих концах, вызывая выпячивание

клетки, ее трофическом статусе и 1·отошю · ти к деле нию.

Затем сеть Rlю -белков обрабатывает эти входные си г н ал ы
и вы дает команды, и з м е няющи е акти1ю вый цитоскелет,

мембраны и образование ламеллоподий или ф и лоподий . Как вы

1ш11ример активируя формины , что уско ряет образо вание

ду маете, что удерживает противо п оложн ы й конец филаментов (по­

филоподий (см . рис .

чему они просто не проталкиваются внутрь клетки)?

17-35),

актив 1 юс1ъ 1юмплексов

и л и п ов ыLш1.я н уклеи рующую

ARP

н а л и д ирую щем к р ае r<летки ,

что приводит к образованию крупных ламеллоподий.
Од но из 11аиболее тонко регулируемых изменений
цитоскелета

-

взаимодействие актина и миоз ина в мы -

интеrринов в плазмалемме, ,по стимулирует амебоидное

1.пе чных кл тках в ответ на сил~алы н е рвной системы .

дв иже ни е клетки ( РИС. 17-37).

Мы пер еход им к рассмотре нию того, как молекулярные

Драмати ч есJ( ие и сложные структурные изм е нения

происходят лотому, что ПФ-связывающие белки, а так­
же проте иикин аз ы и добавочные белки, с которыми они

взаимоде йств ия

ге н е риру ют быстрые,

повторяющиеся ,

мощны е движения, воз никающи е при сокращении мыш1.1
ПОЗВОI-IО'IНЫХ .

взаимодействуют, работают как комлъютерная сет 1,, кон ­
тролирующая организацию актина и ее изме н е ни я. Эта
сеть получа ет в1·1 ешние сигналы

в

виде пи тательных ве­

МЫШЕЧНОЕ СОКРАЩЕНИЕ

щест в , факторов роста и контактов с соседними кл ет ками ,

Мыше,тые сокращения

наибол ее широко извест ный и

-

хо рош о и зу ч енный вид дв иже ний животных клеток. Все

виды 1юкомоции позвоночных

- бе 1·, ходьба, пл ава ни е или
- зав исят от с пособности скелетиых мышц (skeletal
inL1scle) сильно сокращаться и приводюъ в движе ни е ко­
сти скелета . Нспроиз волъны е движения - се рдеLшъ1е со­
кращ е ния и кише,rная п еристалътика - зав исят соответ ­
ственно от со кращения сердечиой ,иыши,ы (ca1'diac пш sс l е)
и гладких мышц (sinootl1 inL1scle). Клетки этих типов мьшru
полет

им е ют ино е строеиие, ч ем

в скелетных мышцах , но со·

кращаются за счет сходноео меха низма вза имоде йствия
(А ) ПОКОЯЩАЯСЯ КЛЕТКА

( Б ) АКТИВАЦИЯ

Rho

актина с миоз ином . Мыш е чны е клетки высоко с п е циали·
з ированы, но другие ти пы клеточ н ой подв ижно сти

-

от

дв ижений целых клеток /\О п ре м е щений раз ных внутри·

клеточных компон е нтов

тоже зависят от взаимодей·

-

стви.я акти н а и миозина . Б6льшая част~, н аших з наний
о меха ни з мах клето чной подвижности основана на из·
учении мыш е чиоrо сокращения. В слелу ющсм разделе мы

разбе ре м , как взаимодействуют актин и миоз и~1 , порождаЯ
соrласоваш 1 ы е дв иж е ния .

( В ) АКТИВАЦИЯ

Rac

( Г) АКТИВАЦИЯ

Мышечное сокращение

Cdc42

обеспечивают пучки актина и миозина

20
РИС.

мкм

17-37. Активация ГТФ - связывающих белков может вызыват ь

Мышсч11ы е миоз ины отн осятся к подсем е й ству миоз ина-II ­
Все о ни им е ют две « ГОJЮВКИ >> с АТФаз н ой актив 1юстъю и

резкие и з менения организации актиновоrо цитоскелета фибро ­

длин 11ы ~i, лрямой <<хвост~.> ( РИС.

бластов. На этих микрофотографиях актин выявлен с помо щью фалло ­

ла мио з ипа - IJ

-

17-38, А). Каждая молеку·

это дим е р и з двух и де нтичных миоз ина ·

идина (молекулы которо го связываются с актиновыми филаментами) ,

вых молекул, сплетен ны х хвостами; глобулярны е головки

меченого флуоресцентной меткой (см . табл .

с АТФазной активностъю находятся на од н ом его кон­

17-1, с. 523).

(А) В отсут­

ствие стимуляци и актиновые филаменты фибробл аста в основном со­

це, а двуспиральн ый хвост

средоточены в кортексе. (Б) Микроинъекция активированной формы

м иози1 ra-II могут соединяться друг с другом своими хвоста·
ми, формируя биполярный лtиози1ювый фzиюм.ент (myosi11

Rho

вызывает быструю сборку длинны х, нера з ветвленны х сократимых

пучков . (В) Микрои н ъекция активированной формы
ного с

Rho)

Rac

(белка , сход­

вызывает образование огромной ламеллоподии по всему

i:ilainent) с

-

н а другом. Груп пы молекул

головками на п оверхности (рис.

Миоз иновый

17-38,

Б).

фи лам е н т нагrом инает стрелу с дву ·

Cdc42,

мя наконечниками , налравл нными в лротиво110лож11ы е

еще одного белка R hо -семейства , стимулирует образование множества

сто роны. Олин набор головок связ ыва ется с актю-юш,rми

периметру клетки. (Г) М икроинъе кция активирован н ой формы
длинных филоподий по п е риферии клетки . (С разрешения

Hall, Science, 279: 509- 514, 1998)

538

ГЛАВА 17. Цито скел ет

AAAS

из : А .

фи ла м е нтами и дшн·ает их к це нтру с одной сторо ны, а
другой набор связывается с дру гими а1<ти~ювыми фила-


ВОПРОС

17-8

плюс-конец

А И толстые, и тонкие филаменты мышц состоят из субъеди­

®

rl' ниц, удерживаемых вместе слабыми нековалентными связями . Как же человек может поднимать тяжести?

8

м нтами с противоположной сто р оны и сдвиr-ает их на ­

пл аэ м а л емма

встречу ( РИС. 17-39). Общий эффект состоит в том , что
пучки противоположно ориентированных актюювых фи­

РИС.

ламе 1пов скользят друг по д ругу. Если актиновые и мио­

кул миозина-11 могут сдвигать друг относи тельно друга актиновые

зи новы е филаменты собран ы в пучок, то поня тно, что о н

филаменты , вызывая локальное укорочение пучков актина . Как и

может ген е рировать силу, вызывающую сок ращение . Это

в сл учае миози н а- 1 , гол овки миозина- 11 двигаются п о акт и н овым фи л а­

1 <ажется

ментам к плюс-концам .

наиболее очевид ным при наблюдении за со1< ра­

17-39.

Даже небольшие биполярные филаменты из моле­

щением мышц, 1ю да нный эффект возиикает и в сокра­

тимых пучках (coлtractil e buпdl es) , состоя щи х и з акти н а

При мышечном сокращении

и миозина-II (см. рис.

пучки актина и миозина скользят друг по другу

17-28, Б)

в 1-1 емы ш ечн ы х клетках, а

также в контр акт иль ном колъце, которое разделяет надвое
цитоплазму деля щи хся клеток, втягивая в1-r утрь нар уж­

н ую мембран у ( см. 1·л.

Длинные волокна скелет ных мышц - это ги~-антские клет­

ки, образующиеся при слия н ии множества более мелких

19).

клеток Многочисленные ядра исходных клеток сох ра1-1я10тся в мышечном волокне и лежат прямо под плаз ма­

(А ) мол екула миоэина -11

,:

фибриллы (inyofibгils)

/

головка

----150

леммой. Ос новной объем цитоплаз мы составляют мио­

хвост

нм

-

сократимые элементы мышеL1-

ной клетки. Эти цилиндрические структуры диамет ром

1- 2 мкм

____,

могут иметь столь же большую длину, что и вся

мышечная .клетка ( РИС . 17-40, А) .

Миофибрилла представляет собой
ных крошеqных сократимых еди ниц
com eгes) . Длина каждого саркомера

-

цепъ иде 1-пич­

сар комеров ( sa г­
около

2,5

мкм , а

их реrулярное р аслоложение вдоль дли ны миофибрилл

РИС . 17-38. Молекулы миозина-11 могут объединяться , формируя

придает скелетным мышцам их характс ри ую поп е р еч н ую

Миозиновые филаменты . ( А ) Молекула миозина- 11 имеет две глобу­

исчерLtенностъ. Саркомеры

лярные головки и двус п иральный хвост. (Б) Хвосты молекул миозина- 11

структуры из двух типов фи ламен тоо : а ктиновых фил а ­

Могут соединяться, образуя биполярный миозиновый филамент, в кото­

ме нтов и филаментов из мышечных мио з инов- II. Мио ­

-

это высокоупорядоченные

Ром головки находятся на противоположны х концах. Оголе н ный участок

зиновы е филаменты, или толстые филамеитъt

в центре филамента состоит из одних хвостов .

fi laments)

(tl1i ck

расположены по центру каждого саркомера, а

(А)

ядро

миофибрил ла

Рис. 17-40. Клетка скелетных мышц заполнена миофибриллами , каж­
Аая из которых представляет собой цепь из повторяющихся саркоме ­
Ров. (А) У взрослого человека эти гигантские многоядерные клетки (называ­
емые также мышечными волокнами) обычно имеют диаметр около 50 мкм и
Могут достигать в длину нескольких сантиметров. Они содержат многочислен­
ные миофибриллы , в которых актиновые и миозиновые филаменты образуют
вь~соко упорядоченную структуру; чем и определяется поперечная исчерчен­
ность миофибрилл . (Б) Электронная микрофотография продольного среза
клетки скелетной мышцы кролика, полученная при малом увеличении элек1Р0нного микроскопа . Видно регулярное расположение саркомеров - сокра ­
,имых единиц скелетной мышцы . (Б - с разрешения Roger Craig) .

саркомер

сарко м ер

Мышечно е сокращени е

539


Z-диск

более вытя н утые а r<ти н овы

менты

филаменты, то1иа,1,е фила­

(tl1in fi lainents) llаправлены к це~1тру от каждого

из краев саркомера. Там они заякоре ,-,ы сво и ми 11 люс­

ко 1-1цами 1-1 а структурах, называемых Z-диска.ми

(Z-clisc) ;

их свободны е минус-концы 11 р ек рываются с ко 11цами
МИОЗИ II ОВЫХ филаме нтов ( РИС.17-41 ) .

Сокращение мышечной клетки обусловлено си нхрон ­
ным сокращени ем вс ех саркомеров, которое, в свою оче­

ред ь, вызывается скольжением актиновых филаментов по

(А)

миозиновым; длина ни тех, ни д руги х при этом 11 е меня­

саркомер

-2,2

ется ( РИС.

мкм

17-42). Скользя щ ее движе ние 1-е н е риру ется м.и­

ози н овыми

головками, которые выступают по с торонам

миози ,-ю вого фила.мента и взаимодействуют с прилегаю­
щими актиновыми филаме н тами. Когда мышца получа­
ет сигнал к сок р ащен ию, мио зи новые l'ОJювки начинают

двигаться вдолъ актюювого филаме нта повторяющими­
Z-диск

ся циклами прикрепления -откре п ления. В ходе каждого

Z-диск

толстый филамент (миозин) ----­

цикла ми озиновая головка связывает и гидролизует одну

-----

молекулу АТФ. Это вызывает се рию конформационных

тонкий филамент (актин)

из мен ений молекулы миозина и сдвигает окончание го­

(Б)

РИС.

17-41.

ловки пример,ю на
Саркомеры

-

сократимые единицы мышцы. (А) Дета­

5

1-1м вдоль актиновоrо фил аме нта

I<

плюс-ко1-щу. Такое шагание, повторяющееся при каждом

вид­

раунде гидролиза АТФ , продвигает миозиновую моле­

ны две миофибриллы и отмечены границы одного саркомера. (Б) Схе­

кулу в одном иаправле нии вдоль актинового филамента

ли строения клетки скелетной мышцы, показанной на рис.

17-40;

матичное изображение одного саркомера . По казана природа светлых

( РИС.

и темны х полос , которые видны в микроскоп . Z-диски на каждом крае

филам енты , в ы зы ван их скол ьжение по миозиновым фи­

17-43) . При этом головки миоз ииа тн н ут а rпин овые

саркомера

места при крепления актиновых филаментов ; каждый из

ла.ментам. Согласованное действие множества миозино·

расположенных по центру толстых филаментов (зеленые) состоит из

вых головок, тянущих актиновые и миозиновы е фи ламе н ­

множества молекул миозина-11 . (А- с разрешения

ты друг по другу, вызывает сокраще ни е всего саркомера .

-

Roger Craig .)

i-- - - - - - - - - - - - - - - - -

·------· -· -

Z-диск

(А)

саркомер

толстый филамент

тонкий филамент

(миозиновый)

(актиновый)

СОКРАЩЕНИЕ

11 РАССЛАБЛЕНИЕ
------- -------- -.-----~-- --

(Б)

РИС.

17-42.

Механизм сокращения мышц- скольжение филаментов. (А) Миозиновые и актина­

вые фила.менты перекрываются , причем полярность их одинакова по обе стороны от средней линии
саркомера . Вспомните , что актинов ые филаменты заякорены плюс-концами на Z-дис ке, а миозиновые
филаменты биполярны . (Б) При мышечном сокращении актиновые и миозиновые филаменты скользят

друг по другу без укорочения . Скользящее движение вызывают головки миоз ина, двигающиеся к плюс ­

концам прилегающих актиновых филаментов ( ВИДЕО

540

ГЛАВА 17. Цитоскелет

17 .8).

Z-диск


актиновый филамент

минус­

плюс­

ПРИКРЕПЛЕНИЕ В начале цикла , показанного на
рисунке, головка миозина без связанного нуклеотида

конец

конец

прочно прикреплена к актиновому филаменту в ригидной

конфигурации (названной так потому , что она отвечает
за

rigor mortis -

трупное окоченение) . В активно

сокращающейся мышце эта фаза цикла очень

головка миозина

непродолжительна ; она быстро заканчивается при
связывании с миозином молекулы АТФ .

ОТКРЕПЛЕНИЕ Молекула АТФ связывается с глубокой
бороздой на «спине» головки (на стороне , обращенной
от актинового филамента) и немедленно вызывает
слабое изменение конформации доменов , образующих
сайт связывания актина . Это уменьшает сродство
головки к актину и позволяет ей двигаться по филаменту.
(Промежуток между актином и миозином на рисунке

толстый (миозиновый)

иллюстрирует это изменение , хотя в реальности миозин ,

филамент

видимо , почти соприкасается с актином.)

/
ГИДРОЛИЗ

ВЗВЕДЕНИЕ (ОТГИБАНИЕ)

Края щели , как створки

раковины , смыкаются вокруг молекулы АТФ . Это
запускает сильное изменение формы и заставляет
головку продвинуться по актиновому филаменту

примерно на

5

нм . Затем происходит гидролиз АТФ;

образующиеся АДФ и неорганический фосфат Р ;
остаются прочно связанными с миозином .

ГЕНЕРАЦИЯ СИЛЫ

Слабое связывание миозиновой

головки с новым участком актинового филамента
вызывает отделение неорганического фосфата ,

образовавшегося при гидролизе АТФ , и прочное
прикрепление головки к актину . Высвобождение
фосфата запускает эффективный удар

-

изменение

формы головки , генерирующее силу сокращения. При
этом головка принимает исходную конформацию . В

ходе эффективного удара от головки отделяется АДФ,
что создает условия для начала нового цикла.

ЭФФЕКТИВНЫЙ УдАР ~
ПРИКРЕПЛЕНИЕ
минус­

плюс­

конец

конец

РИС.

17-43.

В конце цикла миозиновая головка

вновь прочно прикреплена к актиновому филаменту в

ригидной конформации. Обрати те внимание , что головка
прикреплена уже к другой точке актинового филамента.

Молекула миозина двигается вдоль актинового филамента за счет циклических

изменений конформации. Чтобы увидеть этот процес с в движе нии , см . ВИДЕО
ния

17.10. (С

раз реше ­

AAAS из : 1. Rayment et а/., Science, 261: 50- 58, 1993.)

Мышечное сокращение

541


После того как сокра щени е заве рши л ос ь, миозиновы е го­

Эти впячивания 11ару ж1юй мемб ра11ы ох ватыва ют каждую

ловки пол носп,ю откр е пляются от актиновы х фи ла м е н ­

миофибрил лу. Зат м электрич ес кий с игнал п ередается

тов, и мышца расслабляется [обратите вним ание, что мыш ­

на сар1со11лазматuчесх:ий рети1сулулt

ца не может

I асслабляться

(растягиваться) активно

-

е

растяжени е происходит лод действием либо си л ы тяжести ,
либо мышц- анта rо1-1истов. - Прим. перев.].
На каждом тол стом филам енте им еется около

300 ми ­

lшn)

-

(sarcoplasmic reticu -

си сте м у взаим ос вяза ~11-1ых у п л ощенных пол осте й ,

охватывающи х кажду ю миофи б рилл у, как сетч атый ч улок
( РИС.

17-44) .

Сарко 11 лаз м атический ретикулу м

-

с п ециал и з иро ­

оз и11овых ,·оловок. Каждая из н их может прикрелляп,ся к

в а ,rный у часток ЭПС мыш е чных кл еток. В н е м очень

а~<Тиновому филаме юу и откре пляться от 11 е го приме рно

в секунду. Это поз воляет акти~-ювым и миозюювым

высока концентра ция ионов Са 2 + . В отв ет 1-ia эле ктрич е­
с кое воз бужде 11и е бол 1,шая часть Са 2 + выходит в цито­

филам е нтам сколъз ить д руг ло другу со скоросп,ю до

золь ч ерез ионны е кан алы , открывающиеся на мембран е

5 раз
15

мкм в секуиду. Та 1<ая скорость помогает п е ревести сар­

комер из полностью растянутого состояния
ностью сократившееся

(2

(3 мкм) в пол ­

мкм) м енее чем за одну десятую

саркоттла з матич е

кого

р етикул у ма

при

из мен е нии

раз ­

~юсти поте нциалов на плаз мал е мм е мыше ч , юй кл е тки

( РИС. 17-45). Как говорилосъ в гл.

16, Са 2 + сл ужит широко

секунды. Все сарком е ры мышцы свя заны между собой и

р аспро стр а н е нным сигнальным в е щ ес твом , п е р еда ющим

почти постоянно управ ляются сложной систе мой сигна­

сигналы и з вн е шн ей ср еды к вн у тр е нним м е хани з мам

лов, которую мы опишем в сл едующем раздел е . Поэтому

клетки. В мышца х Са 2 + вз аимоде йствует с моле кул ярным

вся мышца сокращается оченъ быстро , обычно в пределах

переключател ем

одно.й десятой се кунды.

бел ков , прочно свя з анных с актииовыми филам ентами

из

сп ециализированных

добавочных

( РИС. 17-46, А) . Один и з эти х белков н аз ывается

mpono -

мuoзu1t (tгоро111уо jп) . Его жесткая, вытянутая мол е кула

Мышечное сокращение запускается

свя зывается с бороздкой ~1а актиновой спирали, при­

быстрым повышением концентрации

крывая се мь мономеров актин а и не давая миоз и 1-ювым

ионов кальция в цитоплазме

головкам связыватъся с актиновым фила.ментом. Другой

Генерирующие силу сокра1.це ния молекулярные взаимо ­

белок,

де йствия актина с миозином начинаются тол ы< о тогда ,

вый компл е кс , содержащий кальций-чув ствительный бе ­

когда мышца получает команду от н е рвной системы. Сиг­

лок, свя за нный с концом моле кулы тропомиоз ин а. Когда

на.т1 от нервноео окончания вызывает на r-rаружной ме м­

уровенъ Са 2 + в цитозол е воз растает, Са 2 + связ ывается с

бране мыше чной клетки поте 1-щиал действия (см . ел.

тропонином , и его форма меня ется . Это , в свою оч е редь ,

12).

mponouuu (t1·opo11i11),

представляет собой б елко­

Электрич еское возбуждение распространя ется за милли­

вы з ывае т сдвиг мол е кулы тропомио з ина, что по з воля е т

секунды на множество мембра 1-1ных трубочек, наз ываемых
попе речными, ил и Т-трубочкамu (transverse (Т) tttbL1 les).

миоз нновым головка м с вяз ыватъся с актиновым фи ла­

ме нтом и з апускает сокраще ни е мышцы (ри с.

пл аэ м а л емма

м иоф иб р илла

0,5

РИС .

17-44. Т - трубочки

и саркоплазматический рет икулум окружают миофибриллы. (А) Схе­

ма двух мембранных систем , передающих сигнал к сокращению от наружной мембраны ко всем ми­
офибрилл ам клетки . (Б) Электронная микрофотография поперечного среза двух Т - трубочек и при­
л ежащих к ним компартме н тов сарко п лазматического ретикулума. (Б

Armstrong.)

542

ГЛАВА 17. Цито с келет

-

с разрешения

Clara Franzini-

мк м

17-46,

Б) .


ПРОСВЕТ Т-ТРУБОЧКИ
(ВНЕКЛЕТОЧНОЕ
ПРОСТРАНСТВО)

. . .. .

поляризо ­
ванная

мембрана [

r.
•••••• •
. . . . ! ..
-

потенциал-за виси мыи •
Са 2 +-кан л • • • • •

.. .

ВОПРОС

деполяризованная
мембрана
Т-трубочк и

Т-трубочки

• • • • • • •

потенциал

действия

цитозоль

/

.

основные сходства и различия между ними ? Как различия в

структуре связаны с их функциями?

1

••

•••••

мембрана

1

Мышечные клетки разных органов

выполняют особые функции

сарко-[

• ••

плазма­

.

• •••
- ~awail ••

кальций-за!~~fсимы й8 • •

тического

rl' филаментов из миозина-11 в клетках скелетных мышц . В чем

8

са 2+
•. зs нм

••• 1

ретикулума

17-9

А Сравните строение промежуточных фил аментов и толстых

кальц~е" ьr

ПРОСВЕТ САРКО­

ПЛАЗМАТИЧЕСКОГО

... : ...

• • • ••
• • • •• • •

Высоко специализированный сократим ы й аппарат мы­

шечных клеток в ходе эволю ции воз ник из более простых
сократимых пучков мио з ина и

актила менее специали­

зи рованных клеток эукариот. Миозин - П в н емышечных

РЕТИКУЛУМА

клетках также активируется

РИС. 17-45. В скелетной мышце сокращение запускается при уча­
стии ионов Са 2 + . На схеме показан предполагаемый механизм откры­

при подъеме концентрации

Са + в цитозоле, но механи з м активации совсем ююй. По­
вышение концентрации Са 2 + ведет к фосфорилированию
2

вания кал ьциевых каналов на мембране саркоплазматического ретику­

миозина- П; это меняет его конформацию и позволя ет

лума в ответ на активацию потенциал-зависимы х канало в на мембране

ему взаимодействовать с актином. Сходный механиз м

актива ции действует в гладких мышцах

Т-трубочек .

лежащих

в

стенках

желудка ,

(smooth muscles),

кишечника,

матки,

арте­

рий и во многих других органах, где нужны медленные,

длительные сокращения. Сокращения при таком меха­

Поскольку сигнал от наружной м е мбраны п е редает­

низме активации происходят медленнее, поскольку для

ся через Т-трубочки и сарколлазматический рет икулум

диффузии ферментов к головкам миоз ина, их фосфо­

1<каждому саркомеру за время

порядка милл исекунд, вс е

рилирования и дефосфорилирования требуется больше

миофибриллы в клетке сокращаются одновременно. По­

времени. Преимущество такого механизма состоит в том,

вь1шеtrие уровня Са 2 + в цитозоле прекращается , как толь­

•по он менее специализирован

ко п е рестает приходить сигнал от н ервной клетки, по ­

нообразные входящие сигналы. Например, сок ращения

-

е го могут запускать раз­

СJ<олъку Са 2 + быстро закачивается обратно в саркоплаз­

гладких

матический р ет икулум многочисленными кальциевыми

простагландины и некоторые другие внеклеточные си.г­

Насосами, расположенными на его мембране (см . гл.

нальны е вещества.

12).

Как только концентрация Са2 + возвращается к обычно­

мышц

могут

вызывап,

адреналин,

серотони н ,

Кроме скелетных и гладких мышц, существуют дру­

му для состояtrия покоя уровню, молекулы трогюнина и

ги е разновидности

тро п омиози на возвращаются в исходное п оложение, бло-

1ш х специфические меха1iИческие функции. Пожалуй,

мышц,

выполняющие

в тел е живот-

1<11ру ют взаимодействие миозина с актином и останавли­

наиболее известна из этих разновидностей

вают сокращение.

мышца

(cai·diac

-

сердечиая

тнsс1е), обеспечивающая циркуляцию

Са 2 + сдвигает тропомиозин,
тропомиозин блокирует
сайты связывания миозина

сайты связывания миозина

ра зблоки руются

тропониновый
актин

комплекс

тропомиозин

- Са 2+
(А)

10

нм

~а.

Mr

(Б)

РИС.

17-46. Сокращение скелетных мышц контролируется тропонином.

(А) По казано п оложение

тропонина и тропомиозина на тонком филаменте мышцы. На каждой молекуле тро пом иозина имеется
семь участков с гомологичной последовательностью , расположенных через равные инте рвалы ; види ­

мо, каждый такой участок связывается с одним мономером актина в филаменте. (Б) Когда Са 2 • свя ­
зывается с тропонином, тропонин сдвигает в сторону тропомиозин, который до этого препятствовал
взаимодействию миозиновых головок с актином. Н а этой схеме тонкий филамент показан с ко нца .

Мышечное сокращение

543


ВОПРОС

17-10

•

А А. На рис . 17-46 видно , что молекулы тропонина расположе­

соедию1ющиеся к ее плюс-концу. Этот процесс влияет на

rl' ны вдоль актинового филамента через равные промежутки

8

Микротрубо•IКу могут стабилизщювать други е бел1,и, при­
расположение микротрубо•1ек II кл етке. Клетка содержит

(один тропонин на каждые 7 молекул актина). Как это может

множество разных белков: они стабюrизируют микротру­

обеспечиваться? Что исходя из этого можно сказать о связывании

бо•ши, с1111зывают их с другими клеточными компоне11тами

тропонина с актиновым филаментом?
Б . Что произойдет, если вы смешаете актиновые филаменты

чистым тропонином ,

(2)

с чистым тропомиозином и

(3)

(1)

с

со смесью

и приспосабливают для выполнения различных фушщий.

•

Моторные белки ки11езины и динеины используют э1-1ерrию
гидролиза АТФ для однонаправленного передвижения по

тропонина и тропомиозина, а затем добавите миозин? Будет ли ре­

поверхности мш,ротрубочек. Они перемещают специфи­

зультат зависеть от наличия Са 2 •7

ческие мембранные везикулы и другие грузы и таким об­
разом помогают поддерживать пространственную органи­
зацию цитоплазмы.

крови. Сердце

этот удивительный орган

-

работает

-

•

Эукариотические жгутики и реснички содержат пучо 1<

автономно в течение всей жизни ч еловека, успевая со ­

стабильных микротрубо•1ек . Их биение вызьшается изги­

кратиться около

банием микротрубоче1<, 1шторое обеспечивают моторные

3 млрд (3 х 109) раз ( ВИДЕО 17.11 ) . Даже

небольшие наруше ния ст рукту ры актина и миозина се р ­
дечной мышцы могут приводить к сер1,ез ным заболева­

белки

•

ниям . Например, мутации миозина и других контрак­
гип е ртрофич еску ю кардиомиопатню

-

на­

рес•шчные динеины.
двуспиральные полимеры из мо­

-

лекул актина. Они бодее гибкие, •1ем МИJ(ротрубочки, и

тилъных белков саркомера се рде чной мышцы вызывают
семей ную

-

Актиновые филаменты

обыч110 образуют пучки или сети.

•

Аt,тиновые филаменты

-

поляризованные структуры с

следственну ю болезнь, связанную с внезапной смертью

быстро и медленно растущими концами; их сборка и раз­

юных спортсме нов .

борка контролируется гидролизом АТФ, который прочно

Сокращение мышечных

клеток

-

приме р высоко

с пециализированно го функ ционирова ния основных ком­

связан с 1<аждым мономером актина .

•

Вариации формы и функций актиновых филаментов в

понентов цитоскелета эука риот. В следу ющих главах мы

клетках зависят от множества актю1-с11язывающих бел­

разберем, ка1< цитоскелет обеспечивает, пожалуй, н аибо­

ков. Они контролируют поJIИмеризацию актиновы:х фила­

лее важное из всех клеточных движени й

-

образование

ментов, образуют попере•шые сшивки при сборке рыхлых
сетей или ПJJОТI{ых прям.ых пучков, при.J(репляют актино­

двух доче рни х клеток в ходе клеточного деле ния .

вые филаменты к мембранам и двигают их друг относи­
теJIЬно друга.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

•

•

•

•

ламентов, 1,оторая формирует клеточный корте1<с. Она

структурируется

отвечает за форму клеточной поверхности и ее измене­

цитоскелетом,

состоящим

из

промежу­

точных филаментов, микротрубочек и актиновых фила­

ния, в том •шсле за амебоидное движение клеток при пол­

ментов.

зании по субстрату.

Промежуточные филаменты

- стабильные, похожие на

•

•

Миозины

- моторные белки, использующие энергию rи­

веревки полимеры из фибриллярных белков, придающие

дроJIИза АТФ для движения по актюювым филаментам .

клеткам механи•1ескую прочность. Некоторые их типы

Они могут перемещать ор1·анеллы вдоль тршпов из акти­

подстилают ядерную оболочку, формируя ядерную лами ­

новых филаментов или вызывать скольжение филаментов

ну; другие содержатся в цитоплазме.

друг по другу в СОI(ратимых пучках.

Мю,ротрубочки

- негибкие, полые трубки, образующиеся
- димеров тубулина. Это

•

Мышечное сокращение обеспечивается скольжением друr

при полимеризации субъедю1иц

по другу упорядо•1енно расположеш1ых переl(рьшающих­

поляризованные структуры с медленно растущим минус­

ся филаме11тов из аt<тина и миозина.

концом и быстро растущим плюс-концом .

•

Под плазмалеммой находится густая сеть ш,тиновых фи­

Цитоплазма эукариотических клеток поддерживается и

•

Мышечное сокращение запускается резким повышением

Микротрубочки зарождаются и растут на центрах орrш1и­

концентрации Са 2 • в цитозоле; этот сигнал передается со­

зации микротрубочек, таких как центросома. Минус-ко­

кратителыюму аппарату мышц •1ерез кальций-связываю·

нец микротрубоч1ш погружен в центр организации.

щие белки.

Многие микротрубочки в клетке находятся в ди1-1ами•1е­
ском, лабильном состоянии, переходя от роста к распаду
и обратно. Эти переходы, назьшаемые динами•1ес1<0й не­

•

стабильностью , зависят от гидролиза ГГФ, связанного с

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

димерами тубулина.

актиноаwй фиnа•

С каждым димером тубулина прочно связана молекула
ГТФ, 1,оторый гидролизуется до ГДФ после включения

димера в состав микротрубочки. Гидролиз ГГФ умень­
шает сродство субъединю~ микротрубо•1ки с соседями

и стабильность полимера, вызьшая разбор"у мю,ротру­
боч1ш.

544

ГЛАВА 17. Цитоскелет

мент

бепкмRhосемейсnа
ДИНаМИЧ8СКаl Н8•

сrабиn11носn,
динеин

жrуrик

саркомер

IOIH81MH

тубупмн

ICll8ТO'lнwй кортекс

фиnоnодм1

non1pнocn,

центриоп~,

nромежуточнwй
фиnамент

центросома

ресничка

цитоскелет


ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

х ромосомы по дочерним клет ка м . Фермент катанин (именуе­

ВОПРОС

ется в самом начале митоза и рубит микротрубочки на мелкие

мый так по названию японского самурайского меча) активиру­

17-11

Какие из следующих утверждений верны? Свой ответ поясните .

кусочки . Как вы думаете , какова судьба этих коротких фраг ­

А. Кинезин так сдвигает мембраны ЭПС вдоль ми кротрубочек ,

ментов микротрубочек , образующихся под действием катани­

что сеть цистерн ЭПС растягивается по всей клетке.

на? Ответ обоснуйте .

Б . Без участия актина клетка может сформировать функциональ­
ное митотическое веретено и растащить к полюсам хромосомы,

ВОПРОС

но не может поделиться .

Яд таксол , выделяемый из коры тиса ягодного , обладает про­

В . Ламеллоподии и филоподии служат «сенсорами », которые

тивоположным действием по сравнению с ядом колхицином

клетка вытягивает, чтобы нащупать точки для заякоривания на

алкалоидом из безвременника осеннего . Таксол прочно связы­

17-17

-

субстрате, по которому ползет.

вается с микротрубочками и стабилизирует их. При действии

Г. Гидролиз ГТФ тубулином вызывает изгибание жгутика .
Д . Если сеть промежуточных филаментов в клетке не может быть

таксола на клетки большая часть свободного тубулина полиме­

деполимеризована, то клетка погибнет.

дотвращает сборку микротрубочек. Таксол столь же губителен

Е. Плюс-концы микротрубочек растут быстрее , потому что на них
большего размера « шапочка » из тубулина, связанного с ГТФ .

для делящихся клеток, что и тубулин, и оба они используются

>к. Т-трубочки в мышечных клетках - это выросты плазмалеммы,

намике микротрубочек, попробуйте объяснить, почему оба эти

продолжением которой они являются; саркоплазматический ре­

вещества токсичны для делящихся клеток , несмотря на проти­

тикулум, в свою очередь, является продолжением ЭПС .

воположный механизм действия .

3. Движение миозина по актину в одних случаях запускается
Фосфорилированием тропонина , а в других - связыванием ио­

ВОПРОС

нов кальция с тропонином .

Эффективный метод изучения моторных белков микротрубо­

ВОПРОС 17-12

так как к чистой поверхности сте кла хвосты прочно прилипа­

Среднее время , за которое молекула или органелла при диф­
фузии (или броуновском движении) проходит расстояние в
х см, рассчитывается по формуле t = x2/ 2D, где t - время в

жутся по стеклу микротрубочки, проталкиваемые головками

секундах , а

в случайной ориентации ; как же они могут вызывать коорди­

ризуется и образует микротрубочки . Колхицин , напротив , пре­

как противораковые препараты. Используя свои знания о ди­

чек

D-

константа , называемая коэффициентом диф­

-

17-18

прикрепление их к стеклу « хвостами » (это легко сделать,

ют) . Затем в световой микроскоп можно наблюдать , как дви­

моторных белков . Но моторные белки прикрепляются к стеклу

фузии данной молекулы или частицы. Используя эту форму­

нированное движение отдельных микротрубочек, не вступая в

лу, рассчитайте время , за которое клетку диаметром

борьбу по « перетягиванию каната » ? Как микротрубочки будут

10

мкм

Пересекут малая молекула , белок и мембранная везикула. Ти­

двигаться по « подстилке " из кинезина

пичные коэффициенты диффузии (в см 2/с) составляют 5 х 10-5
для малой молекулы , 5 х 10·1 для белка и 5 х 1о-а для везикулы .

нус-концом вперед?

С колько времени займет перемещение пузырька в конец аксо­

ВОПРОС

на длиной

На рис . В 17-19 показан типичный график скорости полимериза­

1О см

путем диффузии?

-

плюс-концом или ми­

17-19

ции очищенного тубулина при формировании микротрубочки .

ВОПРОС 17-13

А. Объясните ход графика на отрезках А , Б и В . Нарисуйте схему

Почему у клеток эукариот, особенно у животных, такой хорошо

поведения тубулиновых молекул в течение каждой из этих фаз .

Развитый и сложный цитоскелет? Перечислите различия между

Б. Как изменится ход графика , если в конце процесса добавить

бактериальными и эукариотическими клетками , которые связа­

центросомы?

ны с наличием такого цитоскелета у эукариот.

"

ВОПРОС 17-14

Рассмотрите строение промежуточного филамента на
Р1.1с. 17-3. Имеет ли он полярность , т. е . можно ли различить
его концы с помощью каких-то реактивов или иначе? Ответ
Обоснуйте .

в

Q)

ь

\D

>,

...

• Q.
(\)
:х:

о

:s:

Q.

i::'

а,

с: :s:
"
>,
1D :;
с:(\)

ВОПРОС 17-15

Науке неизвестны моторные бел ки , передвигающиеся по про­

межуточным филаментам . С чем может быть связано их отсут ­

~t;
Q)

с:

о

:х:

Q)

3'
о;

с:[
оо

Q.
с:

8 опРос

а,

:; ><
... :s:

::r

ств1.1е?

о

u

><
а,

А
г----,

11-1б

Когда клетка вступает в митоз, существующие в ней цитоплаз­
Мат1.1ческие микротрубочки должны быстро распасться ; вме­
сто них собирается митотическое веретено , растаскивающее

время при

РИС. В

37 • с

17-19

Вопросы в конце главы

545


ВОПРОС

17-20

ВОПРОС

На электронных микрофотографиях на рис . В 17-20, А показаны

быстро растущие микротрубочки, а на рис . В17-20, Б

17-21

Под действием яда цитохалазина локомоция фибробластов в

микро­

культуре клеток немедленно останавливается, а под действи­

трубочки на стадии « катастрофического » распада. Укажите как

ем колхицина фибробласты перестают двигаться направленно

-

можно больше различий между фотоснимками и попробуйте

и начинают выпускать ламеллоподии в случайных направлени ­

объяснить, с чем они могут быть связаны.

ях . Введение в фибробласты антител к виментину не оказывает
видимого воздействия на их передви жения. Что говорят эти на ­

блюдения о вовлеченности трех основных компонентов цитоске­
лета в локомоцию фибробластов?

.

·~
]
ф

.

"О
с:

ro

ВОПРОС

17-22

Укажите, какие из следующих высказываний верны, объяснив
свой выбор .
При участии ионов кальция во время мышечного сокращения

~

а) головки миозина отделяются от актина;

~

б) потенциал действия распространяется от наружной мембра­

ш

о;

:s:
:х:
ф

3

ф

ны к сократимому аппарату;

в) тропонин при связывании ионов кальция с тропомиозином

а.

отодвигается , и головки миозина могут связываться с актином ;

ro

г) поддерживается структура миозиновых филаментов .

м

а.

е
о
:х:

___

,,__~.._.

(Б)

(А)

l

-~

....... .......
~

о
с:

ВОПРОС

17-23

Какие из указанных ниже событий происходят при сокращении
скелетной мышцы?
А . Z-диски отодвигаются друг от друга .
Б . Актиновые филаменты укорачиваются.

РИС. В17-20

В . Миозиновые филаменты укорачиваются .
Г. Длина саркомеров уменьшается .

546

ГЛАВА 17. Цитоскелет


ОБЗОР СОБЫТИЙ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА
S-ПЕРИОД

яйца 1ювого многокл еточного организма требуются мно­
гие раунды клеточных делений. Од нако некоторы е ч ерты
клеточ н ою цикла универсаль ны , так как они позволяют

каждой кл етке выполнять одну и ту же о сновную зада­
чу

-

копировать ге н етич ескую информацию и п е р едавать

М-ФАЗА

ее следующему покол ению клеток. Для образова ния двух

митоз

хромосомы должн а б ыть удвоеи а без ошибок, а удвое нные

ЦИТОКИНЕЗ

КОНТРОЛЬ ЧИСЛА И РАЗМЕРОВ КЛЕТОК

генетически идентичных дочерних клеток ДНК каждой
хромосомы

акку р ат н о

р ас пределе ны ,

или

сегрегирова1-1ы

( segгegated) , по двум дочериим клеткам; при этом каждая
клетка получает полную ко пи ю всего генома ( РИС.

18-1 ) .

Больши н ство клеток кроме того удваивают число д ругих
макромолекул и орган елл и вдвое увеличиваются в раз ­

« Кдетка возникает только из пред шествую щей клетки,
ка1< животное рождается только от животного, а расте­
ние - от растения ~ . Это положе ни е клеточиой теории,
11
Редложенное ге рманским врачом Рудольфом Вирховом
13

м е рах между деле ниями ; ина,1 е при каждом делени и Оl-!И

становились бы все более и более мелкими. Поэтому для
сохра н еиия раз м е ров деля щи еся клетки долж ны коорди­
нировать процесс ы ро ста и деления.

1858 г. , приводит к важному в ыводу о не пре рывности

Жи з ни. Кл етки возникают толыю из клеток, и единстве н­
нь, й способ увеличения числа клеток - это деление тех,
'tто уже су ществуют. Все живые организмы, от однокле­
точ.ной бактерии до многоклеточного млекопитающего,

Возникли благодаря повторяющимся циклам роста и де­
Jrе ния клеток, длящимся с момента возникновения жизни
60 лее

3 млрд лет 1iазад.

Чтобы клетка разм ножилась, она долж на пройти через

Ределенные этапы, в ходе которых удвоится ее содержи ­
"tое, а затем подел ится надвое. Этот цикл удвоения и деле1·111я носит название клеточного цюша (ce\J cycle). С помо­
Щь~о именно это r"О гл ав ного меха~1изма размножаются все
011

Живы е существа. Детали клеточного цикла различаются у
Разных организмов и на разны х этапах индивидуального

~аз~_ития одного организма. У одноклеточных, таких как
ак r е рии и дрожжи, при каждом деле нии клетки возни ­

Ка~от новые особи. Для создания из оплодотворенного

Чтобы выяснить, как разм ножаются клетки, мы долж­
ны ответить н а три главных вопроса.
вают с вое содержимое?

(2)

(1)

Как клетки удваи­

Как они распределяют удвое~, ­

но е соде ржимо е м ежду до ч ерними клетками и разделя ются

надвое?

(3)

Как о н и координируют работу всех механиз ­

мов, осу ществляющих эти два процесса? Пе р вый вопрос

разб ирается во многих других главах это й к ниги: в гл.
мы разб ирали процесс удnое~1ия ДНК, а в rл.

7, 11, 15

и

6
17

описа н о, как эукариотич еск и е клетки создают другие сво и

компоненты

-

белки, мембраны, органеллы и нити цито­

скелета. В данной главе мы постараемся ответить на второй

ВОПРОС

18-1

А Оцените следующее утверждение: « Все современные клетки

rl' возникли путем непрерывных серий клеточных делений , ко-

8

торые можно проследить во времени до первого клеточного

деления » . Полностью ли оно правильно?


средн ем делится реж

од 11 о го раза в го1t (ТАБЛ. 18-1 ) . Мы

кратко рассмотрим п оследовател ьность соб ыти й в ходе

1<л еточн о 1·0 цикл а достато ч1-ю б ы стро деля щи хся (прол и ­

дочерние клетки

-----------

фе риру ющи х) клето к млеко питаю щи х. Затем мы введем

ЗДЕЛЕНИЕ
~
~
КЛЕТКИ/ ~

п о няти е с и сте мы ко 11 т роля клето lrноrо цикла, обесп е чи ­
в ающе й пр ав и л ьн у ю последо вател ьн о 'ть и дл ител ы-ю ст ь

раз ны х соб ы т и й цикла .

1

РОСТ КЛЕТКИ
И УДВОЕНИЕ

Клеточный цикл эукариотической клетки

ХРОМОСОМ

подразделяется на четыре фазы
При н аблюдении в микроскоп чаще все го б росаются в
глаза два соб ытия клетоl11-юго цикла: деле ни е яд ра, и л и

2

(mitosis), и последу ющ ее деле ние клетки попол ам ,
(cytokinesi ). Вместе эти два процесса входят в
М-фазу (М phase) клетоl1ного цикла. В типи чной клетке
м лекопита ющего вся М - фаза заним ает около L
faca, что со ­

митоз

~

цитокииез

СЕГРЕГАЦИЯ

ста вляет лишь небол ылую LJасть всего клеточ}юго цикла.

ХРОМОСОМ

П е риод между д ву м я М - ф аз ами наз ывается интер­

фазой

(interphase).

Под микрос копом она обманчиво

Клетки размножаются путем удвоения своего содер ­

пр едста вляется н ебогатым соб ытиями пром ежутко м , во

жимого и деления надвое; этот процесс называется клеточным

вр е мя которого клетк а про сто у в еличивается в р аз мера х .

РИС .

18-1.

циклом. Чтобы показать, как при каждом клеточном цикле возникают

На самом дел е инте рфаза

две ге н етически идентичные дочерние клетки, изображено деление аб­

ки в ре мя, вкл ючающее три остал ьные ф аз ы кле точного

очень беспо ко й 1-юе дл я клет­

страктной эукариот ической клетки с двумя хромосомами . Каждая дочер­

цикла . Во в р е мя S-периода

няя клетка может снова поделиться, про йдя сл едующий клеточный цикл.

си11 те тич еский пе риод ) в кле тке уд в аивае тся я де рн ая

-

(S phase,

от шал.

sy nthes is -

ДНК, что служ и т необход имой пред пос ы лкой дл я деле1-1ия кл етки . В теч е ни е предшеств ующе й S-периоду и сле ­
и третий вопросы: как эука риотическая кл етка се грегиру ет

ду юще й за ним фаз клетка продолжает расти. G,-период

удвоенное содержимое , образуя две доче рние клетки , и как

(G 1 pl1ase, от ащл . gap -

координируются разны е этапы ее репродуктивного цикла?

окончани е м М-фаз ы и н ачалом S-п е риода. G 2 -период

Начн ем с обзора событий, происходящих на про ­

пром ежуто к)

-

это п е риод между

-

ин тер вал между ко1що м S- п ери ода и н а чал ом М-фазы
и G 2 - п е ри одо в клет ка следит

тяжении клеточного цикл а. Зате м мы опиш ем сложную

( РИС. 18-2). В те ч ени е

систему белков , наз ываемую систе.мой контроля 1<леточ -

за вн ут ре нней и внешн ей с редой , чтоб ы у бедиться , что

1юго цикла

которая организует

усл овия среды благоприятны е, а са ма она зако нчила при ­

и коорд инирует эти события, обеспечивая их правилъну ю

го то вле ния п е р ед гла вными потря се н ия ми , жду щими ее

(cell-cycle control systeш) ,

G,-

посл едовател ы-юстъ. Далее мы обсудим детали 1·ла вны х

в S- пе риоде и в митозе с о ответ ственно. В определе нны х

э тапов клеточного цикл а , в х оде которых хромо сомы уд­

точках

ваив аются и расходятся в доч ерни е клетки . В заве рше ни е

эта пу ил и сделать па узу, чтоб ы да1ъ себе бол ьш е врем ен и

главы мы разбе рем, как животны е ре гул иру ют раз ме ры и

н а под 1·отовку.

го организ ма ; опиш е м , как живы е орга ­

ре ш ает, пе реход ить к следующе му

В теч ение все й инте рфаз ы в клетке обычн о продол­

чи сл о клеток свое го тела и , та ким способом , разм еры це­
л ых орга нов и в с

G 1 и G2 клетка

жается транскрипция , синтез бел ков и увел ич е ние массьr.
и G 2 - п ери од ы дают до гюл ни тел ьное время для роста н

низмы изба вляются от лишни х клеток с помощ 1, ю од но1:о

G 1-

из вари а нтов запрограммированной клеточной 1·ибел и

уд воения цитоплаз мат ичес ких органелл : если за S- п е риод

апоптоза

(apoptosi );

-

наконец , рассмотрим, как они ис­

происход ит л ишь удвоени е ДНК, то без

G,- и

G 2 -п е риодо в

пол ьз уют межклеточ 11 у ю с игн ализа цию дл я контроля вы ­
ж ивания , ро ста и делеаия клеток

ТАБЛИЦА

ОБЗОР СОБЫТИЙ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА

18-1. Длительность клеточного цикла

некоторых эукариотических клеток

Тип клеток

Длительность
клеточного цикла

Наибол ее важная задача 1и1етоLJНОГО цикла

-

аккуратно уд­

воить молекулы хромосом11ой ДНК, достигающи е огром ­

Клетки зародыша лягуш ки на ранней стадии

ЗОмин

Дрожжев ые клетки

1,5- 3 ч

идентичным доч ерним 1и1 еткам . Дли телы-юсп, клеточного

Клетки ки шечно го эпителия млекопитающих

~12 ч

ци~<Ла силыю варъирует у раз ных типов клеток. Однокле­

Фибробласты млекопитающих в культуре

~ 20ч

точны е д р ожжи в оптим ал ьных усло в ия х делятся пример ­

Клетки печени человека

~1 год

ны х раз м еров , а з ате м рас пределитъ калии по ген етич ески

но од ин раз в дв а ч аса, а клетка пе че ни мле копитающих в

548

ГЛАВА 18. Клеточный цикл


М -ФАЗА

ВОПРОС

18-2

А Популяция пролиферирующих клеток окрашивается к раси­

rl' телем,

8

который становится флуоресцентным при связыва-

нии с ДНК , так что интенсивность флуоресценции прямо про­

порциональна количеству ДНК в каждой клетке . Чтобы измерить со­
держание ДНК в каждой клетке, клетки пропускают через проточный
цитофотометр

прибор , изм е ряющий интенсивность флуоре с це н ­

-

ции в отдельных клет ках. Число клеток с различным содержанием

ДНК по каза но ни же на диаграмм е.

,_.
'
ИНТЕРФАЗА

А

tf2""
РИС. 18-2. Клеточный цикл подразделяется на четыре фазы. Клет­

о

5s

ка по стоянно растет в течение интерфазы, состоящей и з трех периодов :

:r

G1, S и G2• В течение S- периода происходит удвоение ДНК . G1-зто пери ­
од между М -фазой и началом S - периода, а

G2 -

интервал между ко нцом

S-периода и началом М -фазы . Во время М-фазы сначала делится ядро,
этот процесс н азывается митозом; затем в ходе цитокинеза делится
о

сама клетка.

относительное содержание

ДНК на клетку

к.летка 1-1 е будет успевать удвоип, свою массу между деле­

Укажите , на каких участках диаграммы дол ж ны располагаться клет­

ниями и у м е 1-1ьшится с каждым циклом деления . В дей­

к и , находящиеся на следующих стадиях клеточного цикла :

ствитель ности именно так происходит в особых обстоя­

митоз. Какая фаза клеточного цикла длится в этой популяции клеток

тельствах. Например, у некоторых за родышей животных

G1, S, G2,

дольше всего?

nepnыe клетоlшые деления после оплодотворения, или де­

леиш~ дробле1-tия (cleavage divisions), служат для как мож1-1.о более быстрого разделения огромной яйцеклетки на
Множество более мелких клеток. В этих - мбриональных
клеточных циклах

G1-

и G 2 -п ериод ы р зко сокращены, и

ма контроля в критических точках цикла регули руется с

помощью обратных связей с прои сходящими процесса­

м.и. Без таких обратных связей прерывани е или задержка

Клетки не растут между деле ниями.

любого процесса могли бы иметь катастрофические по­

После репликации ДНК в S-п е риоде две копии каж­
дой хромосомы остаются тесно связа1-rными между собой.

следствия . Например, всей ядерной ДНК необходимо уд­

Первый видимый признак того, что клетка готовится всту­

что S-период должен полностью завершиться до начала

пить в М-фазу

-

нарастающая ко11де1-1сация

воиться до того, как начнет делиться ядро; это означает,

(condensation)

М -фазы. Если синтез ДНК замедл ился или остановился,

Х ромосом . В ходе конденсации удвоенные хромосомы сна ­

митоз и цитокинез тоже должны быть отложены. Сходным

ЧаJ1.а вы глядят в световой микроскоп как дли нны е нити;

образом, если ДНК повреждена, то цикл требуется остано­

постепенно они становятся все толще и короче. Конден­

ви1ъ на стадии

сация уменьшает опасностъ пер плете1-1 ия хромосом и об­

повреждения

легчает их сегрегацию по двум формирующимся доче р-

или хотя бы до вступления в М-фазу. Система контроля

1-tнм клеткам в ходе митоза.

КJ1ето ч ного цикла выполняет эти задачи с помощью мол

G1, S или G2, Lпобы

-

кулярных ,пормозов >>

Система контроля клеточного цикла
инициирует его основные события

13 эукариотических клетках есть сложная система взаи­
М:одействующих белков - система контроля. клеточио20 цикла; o~ia позволяет клетке удостовериться , что в н ей
Удвоены вся ДНК и все органеллы, и поделиться упо ря­
доченным образом. Эта система гарантирует, что события
L<Jreтoчнoro цикла - удвоение ДНК, митоз и т. п. - будут

fl])оисходитъ в строго определенной последователъности,
11 L<аждый из процессов н ачнется только после завершения
l"lредьщущего. Чтобы достиlrь этого порядка, сама систе-

клетка могла исправить

до начала синтеза ДНК, до его завер ш еtt ия

-

-

молекул, с пособных остановить

клеточный цикл в определен11ых <1 контролъно-пропуск-

1tых пунктах >>

-

чекпойнтах (checkpoiвts). Благодаря это­

му система контроля не залускает очередной этап цикла,
пока кл етка как следует не подготовится к нему.

Три

чекпойнта,

l'де

контролируется

прохожде ни е

раз ны х этапов клеточного ци кла, показаны на РИС.

Один чеютойнт действует в

G1 и

18-3.

позволяет клетке убе­

диться, что условия среды благоприятны для пролифе­
рации, до вступления в S-период. Для пролиферации

клеток животных требуется достатоLJ ное количество пи­
тательных веществ и прису тствие с п е цифичных сигналь­
ных молекул во внеклеточ 1-1 ой среде; если условия среды

Обзор событий клеточного цикла

549


если се работа и ару шастся и 11 r е ни е клеток ста н овится и з­

ЧЕКПОЙНТ В МИТОЗЕ
G2-ЧЕКПОЙНТ
Вся ли ДНК удвоилась?

бытоlшым , может развиться рак. В далы 1 ей 11.1 ем мы ув~щ им ,

Все ли хромосомы правильно

как вн ею r еточ~rые с игн ал ы влияют 11 а принятие ре ш е ~rий

рикреплены к митотическому

веретену?

кл еткой при лрохожд нии ч ек п ой rr та в

G 1•

ОСУЩЕСТВИТЬ РАСХОЖДЕНИЕ
ПОЛОВИНОК УДВОЕННЫХ

Механизмы контроля клеточного цикла

ХРОМОСОМ

сходны у всех эукариот

Некоторы

ч е рты клеточноt-о ци кла, в том чи сле время,

н еобходимое для прохождения раз ных

er·o

этапов, сиm, н о

варьируют в зависимо сти от типа 1<Лето1< даже у одноео о р -

1:ани з ма. Од нако в общих ч ертах орга~rи за ция клеточного
ц икла оче r-~ь сходна у всех эукариотич еских кл еток Ока­
з r, r вается, вс е эу кариоты использу ют сходные меха ни зм ы
для

прохожде ния

клеточного цикла и сход 1-1ы е системы

контроля для его ре гуляции. Б елк и систем ы контроля

клеточного ц икла возникли более миллиарда лет назад и
оказались стол,, ко r-r серватив ными , что многие и з них н ор­

мально работают при пере носе из ч еловеческих клеток в
д рожжевые ( с м. разд. ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ , с.

551 - 553).

Благодаря этому сходству биологи могут изучать кле­
точный цикл и его р егуля цию у раз ны х организмов и соло­
«Чекпойнты» системы контроля клеточного цикла обе­

ставля тr, полученные да1-11-1ые, Lrтобы получить общую кар ­

спечивают правильную последовательность его ключевых собы­

тину клеточного цикла эукариот. Многие отк ры тия в этой

тий. Система контроля клеточного цикла изображена как ручка управ­

области были сделаны благода ря пл аноме рн ому поиску

ляющего устройства , вращающаяся по часовой стрел ке и запускающая

мутаций дрожжей, нарушающих работу важных компо­

РИС.

18-3.

основные события цикла , когда она достигает определенных точек на

не нтов системы ко нтроля. Для выясн е~гия молекулярных

круговой шкале . К этим событиям относятся удвоение ДНК в S - периоде

м еханиз мов , у правляющ и х пролифе ра цией клеток много ­

и расхождение удвоивши хся хромосом в митозе . Обратные си гн алы от

кл ето чного

внутриклеточных событий клеточного цикла вместе с сигналами из внеш­

кл етки мле копитающих и клетки за родыш ей животных.

орt·анизма,

и зучали

также

культивируемые

ней среды определяют, будет ли пройден каждый чекпойнт. По казаны
три главных чекпойнта: от чекпойнта в
в S-период; чекпойнт в

G1 зависит, перейдет ли клетка
G2 контролирует переход к митозу; чекпойнт в

СИСТЕМА КОНТРОЛЯ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА

М-фазе определяет, готова ли клетка к расхождению половинок удвоен­
ных хромосом и их распределению по двум новым дочерним клеткам.

Делени е кл етки обеспечивают две группы процессов: в ходе
одних создаются новые ком п оне r-rты растущей клетки, а в
р езул ьтате д ругих они занимают правилъное расположение

неблаго приятны , клетка может отложитr, прохождение

и гrр ав и льно рас пределяются между доче рни ми клетками

G 1 и даже войти

в особое состояние п оJ<оя, наз ываемое G0

при делении над вое. Система контроля клеточ ного цикла

(G-ноль). Многи е клетки, в том числе н ейрон ы и клет­

за пускает и остан авливает все эт и пр оцессы в нуж н ое время

ки скелетных мышц, остаются в фазе

G0 в

т Lrенис всей

жизни орга ни зма. Второй чекпойит действует в

G2 и

обе­

и таким образом коорди~rирует раз ные этапы цикла . Цен ­
тра.11ь 11 ое м есто в системе контроля занимает набор биохи­

полностью заверш ен . Третий чекпойнт действует в пери ­

мич еских перекл ючателей, действующих в определенной
п оследовате.тr ы-юсти и дирижирующих глав 1-1ыми собы­
тиями цикла , в том числе уд rзое н ием ДНК и се ,··регацией

од митоза и позволяет убедиться, ч то удвоенные хромо­

удвои вшихся хромосом . В данн ом разделе м ы рассмотрим

сомы правилыю прикр епл ены к цитоскелетной машин е,

белковые компон енты системы контроля и обсудим, как нх
совмест ная работа запускает разн ые период ы цикла.

спечивает вступление клетки в митоз то льк о после то го,

как вс

повр ежде ни я ДН К исправ лены и синтез ДНК

н азываемой митотическое веретеио; лишь после этого
веретено р астаск ивает половинки хромосом и распр еде ­
ляет их п о двум ДО LJ е рним кл етка м .

Чекrюйнт в

G 1особен но важен в качестве такого пуrrкта,

rде клетоlrный цикл может регулироваться сигналами дру­
гих клеток. У мноrоклеточ ных животных сист ма контроля

Система контроля клеточного цикла
включает Cdk - циклически активируемые
протеинкиназы

клеточ но го цикла весьма восприимчива к таким сиг н алам:

Система ко н троля клето чного цикла у гrравляет его меха­

они стимули руют деле ни е, когда требуется увели чит ь ч ис­

низ мами п утем циюrичсской актива ции и инактива1111И

ло клеток, и блокируют его, когда разм н ожение клеток не

клю ч евых белковых

иниции ру ющих

клt~

требуется. Таким обра.зом, система контроля играет глав­

рееул нрующих удвоение ДНК, митоз и цитокинез.

I(ar<

ную роль в р егуляции числа клеток в ткаиях орга r-rи зма;

обсуждалос r, rз гл.

550

ГЛАВА 18. Клеточный цикл

4,

ком плексов,

фосфорилировани е и п оследующее


За включение и выклюlrение киназ в нужное время

циклин

частично отвечают другие белки контрольной системы
циклины

(cyclins).

-

Сами циклины ие обладают фермента­

тивной активностью, но они должны связаться с киназами

клеточного цикла, чтобы те приобрели ферментативную
активность. Поэтому киназы системы контроля клеточ1-юго цикла называют циклин-зависимыми протеинкина ­

циклин-зависимая

ки наза

зами, или

(Cdk)

Cdk

(от ai-tZл.

cyclin-dependent protein

kiпases)

( РИС. 18-4). Циклины названы таI< потому, что, в отличие

РИС. 18-4. Прохождение этапов клеточного цикла регулируется

от концентрации

циклин-эависимыми протеинкинаэами

ются в течение клето чного цикла. Циюrические изменения

(Cdk). Cdk

должна связать

Cdk, их концентрации циклически

меня­

ре гуляторны й бел ок циклин, чтобы приобрести ферментативную ак­

концентрации цикли нов вызывают циклическую сборку

тивност ь . Активный комп л екс циклин-Сdk фосфорилирует ключевые

и активацию комплексов циюrин-Сdk. Активация этих

клеточные белки, необходимые для инициации о пределенных эта пов

комплексов, в свою очередь, запускает различные события

клеточного цикла. Ци клин также помогает

клеточного цикла

ш е нью , котор ы й данная

Cdk с вя заться

с бел ком-ми­

-

например, вхождение в S-период и ли

М-фазу ( РИС. 18-5) . Мы опишем, как были открыты

Cdk фосфорилирует.

циклины, в разделе ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ , с.

дефосфорилирование

-

один из 1-1 аиболее распространен­

митоз

ных способов, которыми клетки включают и въполочают
аюивностъ белков (см . рис.

интерфаза

митоз

Cdk и

551 - 553.
интерфаза

4-38).
активность

В системе контроля клеточного цикла часто использу­

Cdk

ется этот механизм. Реакции фосфорилирования, контро­

концентрация

лирующие клеточный цикл, осуществляет особый набор
11ротеинкиназ, а реакции дефосфорилирования

-

циклина

сово­

I<упно стъ протеинфосфатаз.

Протеиикипазы, занимающие центральное место в
системе ко 1-проля клеточ1t0го цикла, присутствуют в раз­

множающихся клетках на всем его протяжении . Однако

РИС .

они активируются только в определенные моменты ц:ик­

разование акти вных ком пл ексов циклин-Сdk инициирует различные со­

з1а, после чего быстро инактивируются вновь . Таким об­

быт ия клеточного ци кла, в том числе вхождение в S - п ер иод и М -фазу.

18-5.

Накопление циклинов регулирует активацию

Cdk.

Об­

разом, активн ость каждой и з киназ циклически возраста­

Н а рисунке показаны изменения ко нцентрации ци клин а и активности

ет и убывает. Например, некоторые из этих протеинкииаз

Cdk, отвечающих за вхождение в М-фазу.

становятся активными к концу G 1 -периода и отвечают за

клин а способствует формированию акти вного компл екса ци клин-Сdk ,

Вхождение клетки в S-период; другие киназы активи­

стимулирующего вхождение в М-фазу. Хотя ферментативная актив ­

Повыш е ни е концент рации ци­

РУются прямо перед М-фазой и отвеL1ают за вхождение

н ость ком пл екса ци клин -Сdk в течение клеточно го цикл а растет и пада­

I<Jrетки в митоз.

ет, ко нце нтрация

Cdk н е меняется (не по казано).

ОТКРЫТИЕ ЦИКЛИНОВ И Cdk
13 течение многих лет клеточные биологи наблюдали за
сннтезом ДНК, митозом и цитокинезом, как за куколь­

иы ключевые белки систем ы контроля; стало ясно, что
они отличаются от других компонентов, осуществляю­

liъrм представлением: было совершенно непонятно, как
Регулируются эти процессы - кто дерга ет кукол за ни­
Тоqr,и из-за занавеса. Система контроля клеточного цик­

щих клеточный цикл

Jrа рассматривалась просто ка1< <~Lrерный ящик~ внутри
отдельная система контроля, или механизмы, осущест­

точного цикла были открыты циклины и циrшин-зави­
симые киназы (Cdk), отвечающие за вхождение клетки
в М -фазу. Они были найдены при изучении клеточных

вляющие клеточный цикл, как-то контролируют сами

делений яйцеклеток животных.

rо1етr<И. Было неизвестно даже то, существует ли такая

себя. Прорыв произошел, когда были идентифицирова-

-

ферментов и других белков, от­

веL1ающих за удвоение ДНК, сегрегацию хромосом и т. д.

Первыми из компонентов системы контроля кле­

Продолжеиие 1ш с.

Система контроля клеточного цикла

552

551


ОТКРЫТИЕ ЦИКЛИНОВ И

Cdk

(продолжение)
з рел ы е п ред ш еств нники: н еошюдотворе 111юrо яйца) и н а­

блюдая в микроскоп за его влиянием на клеточный цикл.
Ооци т

Xenopus -

особе,шо удоб ная си стема для 011ределе-

11ия а ктивности , приво;~ящей к н аступ ле нию М -фазы , бла­

годаря его большим раз ме рам, законченной репл ика ции
ДНК и остановке на стад ии мейотического клеточного
цикла ( см . гл.

19), э квивалентной

G 2 - 11 е риоду митотиче­

ско ,-о клеточ н ого цикла.

Выдайте нам М
В ходе таких экс перим е нто в исследовател и установили, что
э кстракт яйца, находяще го ся в М-фазе, неизм е нно вызьuза­

0,5
РИС .

18-6. Зрелое яйцо Xenopus -

ет вхождение ооцита в М -фазу, в то вр емя как цитоплаз ма

мм

дробящегося яйца, находящегося н а других стадиях l(J]еточ-

удобная система для изучения

клеточного деления . ( С разрешения Топу

Mills.)

л егко

обнаружива е мо е
вер етен о де л е ния

Назад к яйцу
Оплодотворенные яйцеклетки многих животных

-

осо­

бенно подходящий объект для биохимических исследова­

ИНЪЕКЦИЯ ЦИТОПЛАЗМЫ

ИНЪЕКЦИЯ ЦИТОПЛАЗМЫ

ИЗ КЛЕТКИ , НАХОДЯЩ Е ЙСЯ

ИЗ КЛ ЕТКИ , НАХОДЯЩЕЙСЯ

Н~~МИИМ-Ф~Ы

НА~=ё,

ний клеточного цикла: они необычайно крупные и быстро
делятся . Наприм р , яйцо лягушки

1 мм

Xenopus

превышает

в диаметре ( РИС. 18-6). После оплодотворения оно

быстро делится на множество более мелких клеток. Эти
коротки е клеточные циклы состоят в основном и з повто ­

ряющихся

S-

и М -фаз;

G1-

и G 2 -периоды очень короткие

или вообще отсутствуют. Транскрипция генов подавлена:

ооцит

ооцит

ВСТУПАЕТ

НЕ ВСТУПАЕТ

В М -ФАЗУ

(А)

В М -ФАЗУ

(Б)

все мРНК, а также большинство белков , необходимых для
ранних стадий эмбрионального раз вития, уже накоплены

яичнике матери. В ходе первых делений яй цеклетки (де­

18-7. Активность MPF была открыта путем инъекции цито·
Xenopus в ооциты Xenopus. ( А ) В оо цит Хеп о·
pus вводят цито пл аз му яй ца Xenopus, н аходя щегося в М - ф азе. В води·

леиий дроблеиия) не происходит роста клеток, и все кл етки

мый клеточ ный экстр акт в ызывает вхожде н ие оо цита в М- фазу перво·

за родыша делятся синхронно.

го деления мейоза

в оч е нь крупном яйце в период его развития из ооцита в

РИС .

плазмы яйцеклетки

-

рас п ад ядерной обол очки к рупн о го ядра и ф о р­

Блаеодаря этой синхронности и з зародыша лягу ш ки

миро ва н ие ве ретена деле ния . ( Б) Ко гда цитоплазма взята и з д робя ­

на рание й стадии можно приготовить экстракт, состав ко­

щегося яй ца на стади и интер фазы, о н а не в ы з ыв ает вхожден и е ооцита

торого будет характерен для определе нной стадии кл еточ ­

в М - фаз у. Таким образом , экст ракт в сл учае ( А ) обладает определе н ­

НОL'О цихла. Биологическую активность такого экстракта

н ой акт ивн ост ь ю

можно изучать , впрыскивая его в ооциты ксенопуса (не-

Активность Cdk регулируется
фосфорилированием
и дефосфорилированием
Повыш е 1-1и е и ладени

- соде ржи т ф акто р , сти мул ирующий
(MPF), котор ы й за п ускает нача л о М- фазы.

созревание

за п ускает внезапную акт ива цию этих комплексов? Чтобы

концентрации цикл и11ов играют

комплекс

циклин - Сdk

ность ,

долж н а быть фосфорилирована по одному из

Cdk

приобрел

наибольш ую

актив­

са йтов с пе цифич 11 ой проте инкиназой и дефо сфорилиро­

в ходе клеточ­

в а 11 а п о д ругим сайтам с пе цифиlшой протеи н фосфатазой

ного цикJ1 а, но э тим 1~ело н с ограничивается. Конце нтра ­

( РИС . 18-9) . Позд 11 ее мы разбе ре м , как эти ки,-, аз ы и: фос­

ция цикли 1-юв повыш ается посте п е нно, а активность ком­

фатаз ы регули руют активность комплексов цикл ин- Сdl<

плексов циклин - Сdk обычно воз растает резко в опреде­

и т е м самым контролируют прохожде н и е стадий кл ето ч·

леt11-1ые моме нты ю1 ето ч1-юго цикла (см. ри с .

1ю1·0 цикла.

важную роль в регуля ции активности

552

ГЛАВА 18. Клеточный цикл

Cdk

18-5). Что же


дает до нуля в дробящихся яйцах двуство рчатых моллю­
интерфаза

сков (см. рис.

митоз

18-5). Такое

11оведение белка повторялось в

ходе каждого клеточного цикла. Однако сначала его роль
в контроле клеточ 1-юго цикла оставалась неясной . Прорыв

активность

MPF (M-Cdk)

произо шел, когда выяснилось, что циклин

MPF,

J

-

компонент

необходимый для проявления его активности . Та­

ким образом,

MPF

(сейчас его называют

это

M- Cdk) -

белковый комплекс, состоящий из двух субъеди ниц: ре­
гулятор ной (М-циrотин) и каталитической (митотич еская

Cdk).

После идентификации компонентов

выделены другие типы циклинов и

Cdk,

M- Cdk

были

концентрация и

РИС. 18-8. Активность MPF периодически меняется в ходе клеточ­

активность которых увеличивается и снижается в друтие

ного цикла зародышей

фазы клеточного цикла.

теста, показанного на

Xenopus. Акти вность оп р еделяли с по мо щью
рис . 18-7. Она быстро повышается прямо перед

н ачалом митоза и быстро п адает до нуля к моменту его окончания .

В кругу семьи

Пока биохимики идеитифицировали белки, регулирую­
ноrо цикла, ие обладает такой особениостыо. На тот момент

щие клеточный цикл у зародышей лягу шек и ракушек, ге­

не были извест11ы ни биохимическая природа, ии механизм

нетики прим енили для д рожжей с целью выявления ком­

действия фактора, отвечающего за данную активность; он

понентов системы контроля клеточного цикла другой под­

был назван просто фаюпор, стимулирующий созревание,
или MPF (от ai1v1 . .maturation p 1·omot iлg facto1') ( РИС. 18-7).
:Исследуя цитоплазму, взятую на разtrых стадиях клеточно­

ход. Изучая мутантов, которые застревали или необычно
учены е смогли идеитифицировать многие гены, отвеча­

го цюu~а, удалось установить, что активность

ющие за систему контроля клеточного цикла. Оказалось,

MPF

в ходе

вели себя н а определенных стадиях клеточного цикла,

каждого клето•шого цюсла резко колеблется: она быстро
повышается прямо перед иачалом митоза и быстро падает

явно сходные

до нуля сразу после его окончания ( РИС. 18-8). Та~сие коле­

стям, и по функциям

LfТO некоторы е из этих генов кодируют циклины и

-

Cdk,

и по аминокислотным по следо вательно­

бания позволяли считать MPF хорошим кандидатом в ком­

- с соответствующими белками ля ­
гушек и ракушек. Вскоре сходны е гены были найдены и в

поненты систем ы контроля клетоL1ного циюrа.

клетках человека.

Когда в конце концов

был очищен , оказалось,

Многие ге ны системы контроля клеточного цикла

что он содержит протеинкиназу, необходимую для про­

так мало изменялисъ в ходе эволю ции , что их варианты

MPF

явления его активности. Но сама по себе киназная часть

из клеток человека могут нормально работать в дрож­

MPl: активностью не обладает. Необходим особый белок

жевых клетках. Н а 11рим е р , дрожжи с дефектно й копи­

(сейчас его 1-1азывают М-циклин) , связанный с кииазой

ей гена, кодирующего их еди нстве 1111ую

Ю1 я того, чтобы она функцио1-rировала . М-циклин был об­

делит ь ся ;

наружен в другой серии опытов на яйцеклетках двуствор­

дефектную клетку искусственно ввести копию соответ­

LJ.атых моллюсков.

ствующего гена ч еловека. Наверняка даже сам Дарвин

но

эти

Cdk,

не могут

мутанты нормально делятся,

если

в

был бы поражен столь яв.ным свидетельством родства

Выуживание из ракушек
М-циклин первоначальио был иделтифицирован как бс-

человека и дрожжей. Несмотря на миллионы лет неза­

висимой э волюции, все эукар иотич еские клетки
то д ро жжи, животные или растения

-

-

будь

использу ют прак­

1rок, чья концентрация с начала медленно растет в теL1енис

тически одинаковые молекулы для контроля событий

Интерфазы, а затем, при прохожде 1-1ии М-фазы, быстро па-

клеточного цик ла.

РИС. 18-9. Для активации Cdk она должна быть фосфорилирована
no одному сайту и дефосфорилирована по двум другим. При фор­

циклин

мировании комплекса циклин-Сdk он нефосфорилирован и неактивен.

неактивный

неактивный

комплекс

комплекс

комплекс

циклин-Сdk

циклин-Сdk

циклин-Сdk

активный

активирующая

протеинфосфатаза

Впоследствии Cdk фосфорилируется по одному сайту, необходимому
дЛя ее активности, и по двум другим , которые подавляют ее активность,
перевешивая действие первого сайта. Такой фосфорилированный ком­
плекс циклин-Сdk остается неактивным до тех пор , пока протеинфос­

Фатаза не удалит две фосфатные группы, подавляющие активность Cdk.
для простоты на рисунке показана только одна из двух ингибирующих
Фосфатных групп .

р '·

Cdk

активирующий
фосфат

Система контроля клеточного цикла

553


оболочки и реорганизацию микротрубочек, приводящую к

=_=---/ цикл_\"7'\\--=М

образованию веретена деле1-1ия. Эти события, более гюдроб-

==

1-ю рассмотренные далее, знам

нуют вступл

ние в митоз.

Система контроля клеточного цикла
м

G

зависит от циклического протеолиза

Концентрация каждо го типа цикли нов медленно растет, а

затем быстро п адает в специфичные моме нты клеточного

ци клин м

цикла (см. рис.
активная

активная

S- Cdk

18-10). Это быстрое падение связано с на­

правленной деградацией циклинов . С п ецифиttные фер­

M- Cdk

ментные комплексы добавляют цепочки убиквитинов к
определенному циклину, а затем

РИС.

18-10.

Разные

Cdk

связываются с различными циклинами ,

запуская определенные события клеточного цикла. Дл я простоты

циклина возвращает

Хотя активация

п оказа н ы только два типа ком плексов циклин - Сdk, оди н из котор ы х уча­

ствует в запуске S-пе р иода, а другой
вация

-

Cdk требует фосфорилирования,

М-фазы . В обоих случаях акти­
дефосфорилирования , а также

направляется в проте­

Cdk в н еактивное состояние.
Cdk запускает переходы от

ленных этапов клеточного

опреде­

цикла к следующим, некото­

рые такие переходы выз ывает и х инактивация. Например,

инактивация

связ ы вания с ц икл и ном.

011

асомы для разрушения ( РИС. 18-11 ). Это быстрое у дале 11ие

M- Cdk,

запускаемая деградацией ци кли­

на М, вызывает молекулярные события, выводящие ~<Лет­
ку из митоза.

Различные комплексы циклин-Сdk
запускают разные этапы клеточного цикла

Существует несколько типов циклинов, а у большинства
эукариот и несколько типов

Cdk, уt1аствующих в контроле
G2 и за­

клетоtrноrо цикла. Циюrи н, который действует в

Белки , ингибирующие Cdk,
могут останавливать клеточный цикл на особых
<< контрольно - пропускных пунктах » (чекпойнтах)

пускает вхождение в М-фазу, называется циклин М (М

Как мы уже знаем, система контроля клето ч наго цикла

cyc]in), а активный комплекс, который он формирует с
Cdk - M- Cdk. Другие цию,ины, S и G1/S, связываются с
определенными Cdk в позднем G1, образуя, соответствен­

запускает его события в определенной последовательио­

но,

как вся ДНК уже удвоилась, а поделиться надвое клетке

запускающие S-период. Действие

разрешается только после завершения митоза. Если за­

S- Cdk и M- Cdk показано на РИС. 18-10. Другие цикли­
ны - ци клины G1 - действуют на более раиних эта п ах
G1 и связываются с другими белками Cdk. Образованные

вершение одно1'0 из этапов задерживается, контрольная

S- Cdk

G1- Cdk

и

сти. Например, она запускает митоз только после того,

G1/S- Cdk,

помогают клетке пройти G 1 -период. Далее мы

увидим, ч то формирование

G1- Cdk

в живоп1ых клетках

система откладывает запуск следующего этапа; при этом

сохраняется

нормаль ная

Такая саморегуляция

последовательностъ событий.

системы контроля

обеспечивает

ее способность, например, при остановке синтеза ДНК в

обычно зависит от внеклеточных сигнальных молекул,

S-периоде из-за каких либо причин не допустить вхож­

стимулирую щих деление клеток Названия отделы-rых ци­

дения в М-фазу, пока ДНК удвоена лишь части•ню. Как

юrинов и их

уже отмечалось, система контроля вьmолняет эти задачи

Cdk приведены в ТАБЛ. 18-2.

Как уже отмечалось, после фосфорилирования и де­

фосфорилирования начинают действовать разные
рис.

18-9).

Cdk (см.

в основном благодаря системе молекулярных тормозов.
Они способны останавливать клеточный цикл на опреде-

Каждый из активированных комплексов ци ­

юrин - Сdk, в свою очередь, фосфорилирует в ю,етке раз1-1 ые

наборы белков-мишеней. В результате каждый из комплек­
сов

заrтускает разны е

цикла. Например,

rтромежуточны е

M- Cdk

этапы

клеточного

фосфорилирует ключевые бел­

циклин

ки, вызывающие конденсацию хромосом, распад ядерной

ТАБЛИЦА

18-2.

Главные циклины и

Cdk позвоночных

Комплекс циклин -Сd k

Циклин

CDK

G1-Cdk

Циклин о ·

Cdk4,Cdk6

G1 /S-Cdk

Циклин Е

Cdk2

S- Cdk

Циклинд

Cdk2

M-Cdk

Циклин В

Cdk1 **

* У млекопитающих имеется три циклина D(D1, D2 и D3).
*' Исходное название Cdk1 позвоночных - Cdc2.

554

УБИКВИТИ­
ИРОВАН И Е
ЦИКЛИНА

ГЛАВА 18. Кл еточны й цикл

,,
р

активный

РАЗРУШЕ--. ..а
НИЕ
•
~

~А

неактивная

+--,\;~

Cdk

комплекс

циклин-Сdk

РИС.

18-11 . Активность Cdk регулируется деграда цией циклиноs ,

Убиквитинирование циклина метит его, обеспечивая его деградацию
в протеасомах (см . гл . 7). Разрушение циклина вызывает инактивацию
взаимодействующей с ним

Cdk.


дел ящееся , покоящееся состояни е, наз ываемое

G0;

в нем

кл етка может оставатъся в течение д н ей, недель или даже

всей жизни организма ( РИС .

18-12) .

Длительностъ клеточных циююв в теле взрослого ор­
ганизма варъирует в основном из-за разли чий в продолж и­

тельности G 0 или

G1• Определенные типы

клеток, таки е как

клетки п ечени, деля тся в норме тол ько раз в год или раз в
два года, в то время как н екото ры е эпител иальны е клетки

кишечника дел ятся ,1аще, ч ем два раза в сутки, ,побы по­
стояюю обновлять выстил1<у кишки. Многие други е клетки
з анимают пром ежуто чно е положе1-1ие: они могут делиться

по мере необходимости, но в норме делятся нечасто. Выход
РИС. 18-12. Клетка стоит на распутье перед чекпойнтом в G,. Клет­

из ,1екпой11та G 0 или из

G 1требует накопл е ния цю<линов G1,

которо е стим улируют митогены .

возобновить клеточ ные циклы при улучшении условий; но многие тип ы

G 1 клетка обы,шо бы­
12- 24 ч) проделыва­
ет вес r, остат,ной 1шето,mый цикл . Поэтому ч е кпойнт G 1
иногда н азывают Старт (Sta!'t), так как его прохождение

клеток находятся в стадии

о з нача ет готовность к заверш е нию все го цикла деления;

ка может приступить к осуществлению следующего клеточного цикла ,

подождать, пока условия станут подходящими, или прекратить деление

и вступить в

G0.

В некоторых случаях клетки, находящиеся в

G0 после

G0,

могут

окончания их дифференцировки в

После преодоления чекпойнта

стро ( у млекопитающих

-

в течение

однако лучшим названи ем для н его, пожалуй, было бы

течение всей жизни ж ивотного .

« Стоп >>

( см .

рис .

Некоторые и з главных ч ек пойн­

18-12).

тов клеточ11ого цикла показаны н а РИС.

18-13.

Наиболее радикал ьное решени е, которое может nри­

ле1-1ны х <<контрольно-пропускных пунктах>.'> (ч ек пойнтах) .

При этом клетка может определить свое внутреннее состо­

~штъ систе ма контроля

яние и условия с р еды, пр ежде чем продолжать прохожде ­

да вывести из него ютетку. Такое решение отличается от

ние по циклу (см. рис.

временного прекраще ния деле ний в ожидании более бла­

18-3).

Некоторы е из этих молекулярных тормозов основаны

на работе белков-ингибиторов

inЬiЬitor

кл ето чного цикла,

-

это навсег­

гоприятных условий и играет особе нно важную роль в

pro-

многоклеточном организме. Наприм ер, в организме чело­

они блокируют сбо рку и л и активность одного или

века не рвные клетки и клетки скелетных мышц перестают

Нескольких комплексов цикли н - Сdk. Например, опреде­

делиться после диффе ренцировки. Они н еобратимо п е ре­

лен ны е белки-ингибиторы

ходят в состояние

tein):

Cdk

Cdk (Cdk

помогают поддерживап,

G0, в котором система контроля цикла в
Cdk и цюшины исчеза ­

Cd k в неактивном состоянии во время G 1 -периода, таким

основном демонтируется: многие

образом откладывая вхождение в S-nериод . Пауза в этом

ют, а те комплексы циклю-1 - Сdk, которы е все еще присут­

Чекпойнте дает клетке больш е времени для роста или по­

ствуют, ингибированы белками-ингибиторами

Cdk.

зволнет дождатъся благоприятных для деления условий

Те п ръ мы перейдем к рассмот ре нию S-периода , в ко­

окружающей среды. Как правило, клетки млекопитаю­

тором клетка удваивает свою ДНК и начинает готовить

щих размножаются только в том случае, т<о 1-да их деление

хромосомы к сегрегации.

стимулируют внеклеточные си гнальные ве1цества

-

.ми­

rпогеиы (mitogeпs), продуци руе мые другими клетками. В
отсутствие си гналов клеточный цикл остаиавливается н а

стадии G 1 -чекпойита
1

(G 1-checkpoint) (см.

ри с.

18-3).

Если

0iетка не получает таких сигн алов достаточно длительное

Время, она выходит из клеточно1-о цикла н вступает в не-

ВОПРОС

18-3

А Как вы думаете, почему у клетки в ходе эволю ции п оявилось
для выхода из кл еточ но го цикла особое состояние G0, а не

rl'

8

п росто происходит остановка в G 1 - чекпойнте?

м

т

т
поврежденная

ДНК

т

неблагоприятные
условия

среды

т

т

поврежденная

поврежденная

или не полностью

или не полностью

удвоенная ДНК

удвоенная ДНК

хромосомы

неправильно
прикреплены
к митотическому
веретену

РИС .

18-13. Система

контроля клеточного цикла может останавливать его прохождение в раз ­

ных чекпойнтах . Красными «Т » показаны точки клеточного цикла, в которых система контроля может

применить молекулярные тормоза (такие , как белки-и н гибиторы

Cdk) для остановки

цикла при повреж­

дении ДНК , незавершенности внутриклеточных процессов предыдущей стадии или небла гоприятных

условиях среды. Чекпойнт в М - фазе позволяет убедиться, что все хромосомы правильно прикреплены к
митотическому веретену до того , как пол овинки удвоенных хромосом растаскиваются к полюсам клетки .

Си стема контр оля клеточного цикла

555


S-ПЕРИОД

регуляторных белков, связывающихся с ним п е ред 1-1ача­
лом S- п е риода.

Перед тем как поделиться, клетке и еобходимо удвоить
свою ДНК Как описа но в гл.

6, это удвое1-rие должно

про­

Один

из

регулято р,-rых

белков,

Cdc6,

в

течение

б6льшей части клеточ н ого цикла присутствует в ни з кой

исходить с максимальной точностыо, чтобы миними зи­

концентрации, а в наL1а.11е

ровать риск мутаций в следу10 1дем клеточном поколении.

да

Cdc6

в нач але

G 1 она времен~ю возрастает. Ког­
G 1 связывается с ORC, ои обеспеLJивает

Столь же важно, чтобы каждый 1-1 уклеотид ге н ома был

связ ы вани е дополни тельных белков и формировани е пре­

удвоен один и только один раз

репли-кативного -комплекса

-

во избежаиие вредных

(p1·e-1·eplicative coinplcx).

Посл е

последствий генной амплификации. В дан ном разделе

сборки такого комплекса ориджи н ре плика ции готов « вы­

мы разберем эффектные механизмы, с 1 10мощыо которых

ст рел ить ~. Активация

система контроля клеточ н ого ци кла за пускает пр оцесс р е­

запуская реп ликацию ДНК.

S- Cdk в конце G 1 «спускает курок~ ,

Как показано на РИС. 18-14,

пликации и однов р еменно предотвращает неод н ократ ную

S- Cdk

не только за пу ­

скает работу ориджи н а; о на также помогает предотвра ­

р е пликацию в течение одиого клеточного цикла .

щать сверхреплика цию ДНК. Активирова нн ая
п омогает фосфорилировать

S-Cdk запускает удвоение ДНК
6,

от

удвое ние ДНК начинается в

ориджииах репликации (гeplication.
тидных

посл едоват ель ностях ,

origins) -

рассеянных

ло

recogn itioo compl ex), остается

ORC

после того, как ориджин «выст р елил~ . Эта раз ­

бо р ка пре р е пликативноrо компл екса пр едотвра щает по­

нуклео­

вторную репликацию в том же ориджи н

каждой

рование

хромосоме . Эти последовател1, ности мобилизу ют специ­
фичные белки, ко,пролирующие инициацию и за ве рше1ше ре пликации ДНК. Один мультибелковый комплекс,
комплекс распознавания ориджина,

S-Cdk

вызывая отделе ни е

этого и друг и х белков лререпликативн ого комплекса

и помогает блокировать сверхрепликацию
Как обсуждалось в rл.

Cdc6,

ORC ( от аигл. ori gin

связанным с о риджинами

Cdc6

при у частии

S- Cd k

(и

. Фосфорили­
M- Cd k, который:

станов ится активным в нач але М-фазы) не только вы­

з ывает отделение

Cdc6 от комплекса, 11 0

и метит его для

по следующей деграда ции; благодаря этому повторная
р епликация ДНК не может начать ся в теlrен и е того же
клеточного цик ла.

р е п лика ции в тече ние всего клеточиого цикл а и служит

своего рода п осадоч н ой п лощадкой для доп олнитель ны х

Когезины удерживают вместе

хроматиды каждой удвоенной хромосомы
Посл е удвоения хром осомы в S - периоде две копии каж­

Cdc6

G1

дой р е пли цирова нн ой хромосомы остаются пр очно со­
един е нными вместе в

п ререпликативный
ориджин

виде д вух ид е нтичны х сестри.н­

ских хроматид . Сестрин ск ие хроматиды удерживаются

комплекс

вместе белковыми ком плексами

репликации

-

коrезинами , которы е

собираются вдоль всей дли ны каждой х ром атиды по мере
S- Cdk

ЗАПУСКАЕТ

S - ПЕРИОД

Сdсб

...

РАЗРУШЕНИЕ ФОСФО­

ИЛИРОВАННОГО Cdc6

,"

8►

другие белки

s

пререпликативного

удвое ния ДНК в S- п ериоде. Коrезины образуют белко­
в ы е кольца, котор ы е окружают обе сестринск и е хрома­

тиды, удерживая и х рядом друг с другом ( РИС. 18-15).
Когез ия между сестринскими хроматидами необход има
для лр ав ит, 1-1 ой сегрегации хромосом, и о н а п олностью

ком пл екса

нарушается только иа позд них стадинх митоза, чтобы ми­

СБОРКА РЕ ПЛИКА­

тотическое верете н о могло растащит~, сестринские хро·

ТИВНО . ВИЛКИ

матилы к полю сам клетки. Дефекты когез ии хромосом ,

!

встречающиеся, наприм е р , у мутантов дрожжей, ведут К
серьез ным наруш е ниям в сег р е га ц ии х р омосом.

ЗАВЕРШЕНИЕ
РЕПЛИКАЦИИ ДНК

РИС.

18-14. S- Cdk запускает

репликацию ДНК и обеспечивает за ­

пус к репликации лишь единожды в течение клеточного цикла.

0RC

остаются связанными с ориджинами репликации в течение всего клеточ­

ного цикла . В раннем
Направляемые

репликацию поврежденной ДНК
Система

кон троля

клето чн о го

цикла

использует

не·

Cdc6 связывается с 0RC.

скол ько разных проверочных механ и змов, чтобы оста·

ре гуляторные белки связь1Ваются

новюъ кл ето чный цикл, есл и повреждена ДНК клетJ<И-

G1 регуляторный

Cdc6 дополнительны е

Один из « проверочных пунктов » предотвраща ет

белок

с соседними участ ка ми ДНК , что приводит к образованию пререплика­
тивного комплекса (включающего белки и ДНК , с которой они связаны) .

S-Cdk вызывает « выстреливание » ориджина, запуская сборку бел­
ковых комплексов , инициирующих синтез ДНК (см. гл . 6). S-Cdk та кже по ­

Затем

могает блокировать сверхрепликацию, помогая фосфорилировать Сdсб ;
в результате он отдел яется от ориджина и разрушается.

556

ГЛАВА 18. Кл ето чн ы й цикл

ВОПРОС

18-4

А Каковы могут быть последствия удвоения в клетке повре)I(·

rl' денной ДНК до ее репарации?

•


11

11

Когда клетк а прошла че р ез сrекпойнты, успешно уд­

воила сво ю ДНК в S-периоде и прошла

G2,

она готова

к вступлению в М-фазу, в течеиие которой дел ится ее
когез ин ов ы е
кольца

ядро (в процессе митоза), а зате м и цитоплаз ма (в ходе
цитокин еза ) ( с м . ри с.

18-2).

В следующих трех р азде­

лах этой ~·лав ы мы р ассмотрим М - ф азу. Сначала мы да­

дим краткий обзор М-фаз ы в ц ело м, а затем детальн ее
рас с мотрим события, происходящи е при мито зе и пр.и

ц.итокин езе. Ориентироваться мы будем в основном на
клетки ж ивотных .

сестр инские
рентгеновские лучи

х ро мати ды

вызывают повреждение ДНК

РИС . 18-15. Когезины связывают две сестринские хроматиды

/_

каждой удвоившейся хромосомы. О ни образуют большие бел ко в ые
кольца, окружаю щие обе сестр ин ские хроматид ы и п редот вра щаю щие

ДНК

их раздел ение до тех п о р , пока ко гезин ы не разруш атся в ходе митоза .

Чекпойиты проверки повреждений ДНК (DNA damage
c l1eckpoiпts ) в G1- и S-периодах не дают клетке начать и
зако н чип,

- период и удваивап, поврежденн ую ДНК. Еще

один ч е юю й нт, действующий в

G2,

н е позволяет клетке

АКТИВАЦИЯ ПРОТЕИНКИНАЗ ,
КОТОРЫЕ ФОСФОРИЛИРУЮТ р53 ,
СТАБИЛИЗИРУЯ И АКТИВИРУЯ ЕГО
р5 3

1.

вступить в М-фазу с повр ежден ной и л и не полно стью ре­

плици рованной ДНК (см . рис .

18-13).

Особенно хо рошо изуче н механиз м действия чекпойн­
та в

G1• Повреждени е ДНК вызывает

крипции активиру ет транскрипцию гена, который коди ­

рует р21 ,

с
13

- белок-ингибитор Cdk. Б елок р21 связывается
G1/ S- Cdk и с S- Cdk, предот вращая вхождение клетки
S-период ( РИС . 18-16) . Остановка клеточного ци кла в G1

,.,'

стабильны й,
а ктивиров а нны й р53

АКТИВНЫЙ р53 СВЯЗЫВАЕТСЯ

!

повышение конце н­

трации и активности белка р5З . Этот ре гулятор транс­

1
' '~

j

С РЕ ГУЛЯТОРНЫМ УЧАСТКОМ
Г Е НАр 2 1

В ОТСУТСТВИЕ

ПОВРЕЖДЕНИЙ

\ 1/~

ДНК р53

Д Е ГРАДИРУЕТ
В ПРОТЕАСОМАХ

ТРАНСКРИПЦИЯ

дает клетке время для ре парации поврежденной ДНК до

i
иРНК р 2 1

ее удвоения. Когда ДНК поврежден а слишком сильно и

Т РАНСЛЯЦИЯ ~

Реп арация невозможна, р53 может вы звать самоубийство
то1 ет ки путем апоптоза. Если рSЗ н е об разуется или дефек­

р21 ( бело к­
инги б и тор

тен, нерегул ируемая репликация поврежденной ДНК ве­

Cdk)

дет к высокой частоте мутироваиия и образованию клеток,
склонных к злокачественном у п ере рождению . Не случай­
но мутации гена р53 обнаруживаются примерно в полови­

!iе всех раковых опухолей человека.
По сле нач ала ре п ликации ДНК вступает в действие
друщй

пров е рочный

механизм,

предот вращаю щий

13 хождение

кл етки в М-фазу с поврежденной ил и н е
Т!олностью удвоенной ДНК. Как показано н а рис. 18-9,
активность компл ексо в циклин - Сdk подавляется при

НЕАКТИВНЫЕ

G1/S- Cdk

Фосфорилировании по определенным сайтам. Чтобы

M- Cdk должен быть акти­
внрован путем удале ния этих инги б ир у ющи х фосфатов

и

S- Cdk

в компл ексе с р 2 1

Кllетка при ступ и ла к митозу,

стrе цифичными проте инфосфатазами. Если ДНК ло13Реждена (и ли не пол но стью удвоена), сами активирую­
I.Цие протеи нфо сфатаз ы инги би р у ются, и ииги б иру ющи е

РИС .

18-16.

При повреждении ДНК клеточный цикл может быть

остановлен в чекпойнте

G1'

Когда ДН К повреждаетс я , с п ецифичные

протеинкиназы от вечают на это активацией белка р53 , останавл ивая

его н ормал ьную быст рую деградацию. Активиро ва нны й р53 н акапл ива­

Фосфаты не удаляются с M- Cdk. В результате M- Cdk

ется и связывается с ДН К ( ВИДЕО

остается н еактивным, и М-фаза н е может начаться до

цию ге н а, к одирующе го бел ок - ин гиби тор

Того, как завершится репликация ДНК или будут и с11Равле ны все повр еждения ДНК.

ется с G,/S-Cdk и S- Cdk и инакти в ирует их , в резул ьтате ч его клеточ н ый

18.1). О н стимулирует транскри п ­
Cdk, р2 1 . Этот белок с вяз ы ва­

цикл останавл ивается в G,- п е р иоде .

S-период

557


М-ФАЗА

-

-

ко нце 11 тр а ция

1 ю сте пешю

это,

Внеза пная активаци я зап асо в

цикл а. В теч ени е коро ткого пе р иода клет ка ре организует

ется а кт ива цией проте инфосфатаз ы

практичес ки в се с вои компон е нты и распр еделя ет и х по ­

инги б 11 ру ющи е фосфаты ,

ровн у м ежду д ву мя дочерними клетками. Более ра нние

M- Cdk

о ко 1ще

M- Cdk

( dc25):

M- Cdk.

G2 запуска­
она удаляет

контролиру ющи е а кт ив н ост ь

( РИС . 18- 17 ) .

Посл е а ктив ации кажд ы й комплекс

стадии клето ч ного цикла, в су щно сти , служат л и ш ь для

M- Cdk

может н е­

прямым с пособо м а кт ивиро вать доп ол ни тел ьны е

п од готовки к д раме М -фаз ы .

фосфор и лируя и акт ив и ру я б6льшее число

Центральная для клетки проблема, которую п риходит­

-

и

Н о эти фо рмир у ющиеся комп лекс ы сна ч ала н еакт ив н ы.

вне вся к и х сомне ний , са мая 1-1 а пряжен 11ая фаза клето чно 1·0

ся ре ш ат ~, в М -фазе,

расте т

ци1<J 1 ина М привод ит к н а ко пле 1-1 ию компле ксо о

в се го около ч аса в кл ет ке м леко­

пита ющего , деляще й ся раз в день ил и даже раз в го1t

- п е ри ода;
достига т

е го

м акс им у м а к н а ч алу М -фаз ы . П ов ыш е ни е ко нце 11 тра ции

Хотя М - ф аз а (митоз 11 л юс циток и1-1 ез ) за ним ает от н ос и ­
тел ы-ю ко роткое вр е мя

кл ин а М н а чинается с разу же 1 юсле око нч а ния
зате м

M- Cdk,
Cdc25, как п о -

точн ая с егрегац ия х ромосом, удв о ­

е нных в п ред шествующу ю S -фазу : каждая дочерняя клетка

неактивная

фо сфата за

должн а получить по иде нтич ной ко п ии ге ном а. С н ебол ь­

Cd c25

шими вариациями все эукариоты реш ают эту п роблему
сходным способом. Они собирают две с пе циализироваи ­

'\

ны е цитоскелет 1iы е машины: одна растаскивает по1юви1-1 ки

ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

активная

удвое нных хромо сом в ходе митоза, а д ругая делит по п ол а м

фосф ата з а

цитоплаз му во вр емя цитокин еза. Мы начне м на ше рассмо­

Cdc25

трени е с обзора, в котором разберем , как !(J[етка запус кает
М-фазу. Затем мы о пи шем митоз и цитокинез.

1

ингибирующи й
фосфат

M-Cdk вызывает вхождение

в М-фазу и митоз

Одна из наиболее удивительных особе нностей коит роля
клеточного цикла состоит в том, что единственный бел­
ковый компл екс,

M- Cdk,

вызывает все разиооб раз ные и

сложны е преобразования, происходящи е н а ра нних стад и­
ях мито з а, а также выз ывает кон д енсацию удвоив шихся

неактивный

активный

M-Cdk

M- Cdk

х р омосом и их пр евр аще ние в компа ктны е палочковидны е

структуры, удобны е для сегрегации . M- Cdk также инду­
цирует сборку митотич еского ве ретена, которое будет раз­

РИС .

18-18. Активированный M-Cdk непрямым

способом активи­

рует большее число M- Cdk, создавая петлю положительной об·

делять коиде н сирован н ые х р омо сомы и рас пр еделять их

ратной связи. Посл е актива ци и

по доч е р ним клетка м.

бо м активи рует дополнительн ые м олекулы Сdk-активирующей фо сфа ·

Как упоминалось выше , актива ция
ся с накопления цикл ина М (см. рис.

M- Cdk нач и нает­
18-10). Синтез ци -

тазы

(Cdc25). Эти мол екулы , в сво ю оч е редь, а кт ивируют б6льш ее чи сл о
M- Cdk, удаляя и нгибирующ ие фо сфатны е г руп пы с их Сdk -с убъ един иц .

неактивный

неактивный

M-Cdk

ингибирующая

киназа

M- Cdk фосфорилирует и таки м сп осо ·

M-Cdk

активирующая

активный

фосфата за

M- Cdk

(Cdc 25)

(Wee 1)

р

циклин м

J.

\..,
митотическая

активирующий

Cdk

фо сфат
активирующая

киназ а

(Cak)

РИС.

18-17. Для активации M-Cdk он должен быть фосфорилирован по одному сайту и дефос­
M- Cdk в м омент формиров а н и я н е п роя вляет фе р ­
ментативной а ктивности . В дальне й ш е м Cdk фосфорилируетс я по одн о му сайту, что н е обходимо для
ее акти вации, с п о м о щью фе рм ента Сdk -активиру ю щей к ин аз ы , Cak ( ВИДЕО 18.2). Он а также фо с­
форилируется п о двум другим са йта м , подавляющим ее активность (фе рм е нтом Wee1); дл я про стоты
форилирован по другим. Комплекс циклин а и

п оказа н а тол ь ко одн а инги б ирующа я ф осфат н ая групп а . До сих п о р не из вестн о , как ко нтрол и руетс я
сл ожный м еха н изм с воев р е м е нно й акти ва ци и

558

ГЛАВА 18. Клеточный цикл

M- Cdk.


(А)

РИС.

18-19.

Конденсины скручивают митотические хроматиды в более короткие , компактные

структуры , которые легче разделить в ходе митоза. { А ) М одел ь компактизации единичной хрома­
тиды конденсинами путем скручивания длинных петель Д НК . (Б) Сканирующая электронная микро­
фотография конденсированной митоти ч еской хромосомы ч еловека , состоящей из двух сестринских

хр оматид , соединенных вдоль всей длины . Суже нный участок (стрелка)

-

центромера , где к каждой

из хроматид при соединятся нити митотическо го веретена, растаскивающие сестринские хроматиды к

полюсам клетк и в конце митоза . (Б

-

с разрешения

казано на РИС. 18-18. К тому же активированный

M- Cdk
Wee1 (см.
активацию M- Cdk.

Terry D. Allen.)

Цитоскелет обеспечивает митоз и цитокинез

подавляет активность ингибирующей киназ ы

рис.

18-17), до полнительно

усиливая

Общий итог заключается в том, что, стоит начаться акти ­
вации

M- Cdk, она приобретает взрывной
G2 к М -фазе.

характер, вызы­

вая рез кий переход от

После завершения конденсации хромо сом последо в а­

тельно собираются две сложные цитоскелетные ма­
шины,

осуществляющие два механических процесса в

М-фазе. Первая из них , митотическое веретеио

spindle),

коитрактилъиое

Конденсины помогают удвоенным хромосомам

(mitotic

осуществляет деление ядра (митоз ), а вторая ,

( сократительное)

колъцо

( contгacti l e

отве чает у животных и многих одноклеточ­

nриобрести форму, удобную для деления

ring), -

Когда клетка уже готова вступить в М-фазу, удвоенны е

( РИС . 18-20). Обе ст р уктуры быстро разби раются после

Хромосомы конденсируются и становятся заметны в виде

выпо лне ния с воих задач.

палочковидных струкrур. Конденсации хромосом

ных эука риот за р азделение цитоплазмы (цитокин ез)

( chro-

1nosome co nd eл sat ion) способствуют белковые комплек­
сы - конденсины (condensiлs). M- Cdk, инициирующий
вхожде ни е в М -фазу, запускает сборку конден синовых

l<омnлексов, фосфорилируя н е которые из субъединиц
1

<онденсинов. Конденсины делают хромосомы более ком­

пактными, превращая их в небольшие структуры, которые

J\erqe поделитr, поровну в н утри битком набитого содержи­
мого делящейся клетки.

Конденсины структурно сход ны с коеезинами

-

бел­

микротрубочки

актин ов ые и миозиновые

фил а м енты

l<ами, которые удерживают сестринские хроматиды вме­
сте (см. рис. 18-15). И когезю,ы, и конденсины образуют

Кольцевые структуры ; вместе два этих типа белковых ко­
J\ец помогают придать удвоенным хромосомам удобную

РИС .

дJtя митоза форму. Когезины собираются на ДНК по мере·

ретено , чтоб ы разделить удвоенные хромосомы. Затем собирается

ее удвоен ия в S -периоде и связ ывают две параллель ные
М:олекулы ДНК - идентичны е сестринские хроматиды.

контрактильное кол ьцо , разделяющее клетку надвое. Митотическое

13 противоположность этому, конденсины собираются на

Каждой хроматиде в начал е М-фазы и скручивают ДНК,
сnособствуя ко нде н сации хромосом ( РИС. 18-19).

18-20. Две врем е нные ци тоскелетные структуры , уча ству ­

ющие в М - фазе у животных . П ервым собирается митотическое ве­

веретено состоит из микротрубочек , а контрактильное кольцо

-

из

актиновых и миозиновых филаментов . Растительные клетки исполь ­
зуют совсем иной механизм для разделения цитоплазмы , который
мы опишем ниже .

М -фа з а

559


верете но состоит из микротрубочек и

дога набора поделив шихся х ромосом восстанавливается

различных взаимодействующих с ними белков, в том чис­

Митотическо

яд рная оболочка и формируются два ядра ( ВИДЕО 18.З и

ле тубулин-зависимых моторных белков, рассмотренных

ВИДЕО

в rл.

когда ядро и цитоп лазма обеих до ч е рних I<леток возвра­

17.

Во всех эукариотич ских клетках митотическое

18.4) . Цитокинез заI<а нчивается

1< ко,щу

телофазы,

веретено отвечает за разделение удвоившихся хромосом

щаются в инте рфазное состояние, что з наме н ует I<о1-1ец

и доставку одной копии каждой хромосомы в каждую до­

М-фаз ы.

чернюю I<летку.

Контрактильно

кольцо состоит в основном из а~пи­

новых и миозиновых филаментов, собранных в кольцо на

эI<ваторе клетке (см. гл.

митоз

17). Ero сбо рка начинается п рямо

под плазмалеммой клетки в ко ,ще митоза. При сокраще­

Перед началом деления ядра (митоза ) каждая удвоенная

нии кольца оно втягивает плазмалемму в нут р ь, разделяя

хромосома состоит из двух идентичных сестринских хро­

клетку надвое (см. рис.

18-20). Позже мы обсудим, как рас ­

матид, удерживаемых вместе белками коеезинами (см.

титель ные клетки, которым приходится иметь дело с кле­

рис.

точ ,юй стенкой, разделяют свою цитоплазму с помощью

стринские хроматиды отделяются друг от друга, и митоти­

совсем другого механизма.

ческое веретено растягивает к полюсам J<летки образую­

18-15).

Во время митоза когезию,r расщепляются , се­

щиеся до,rерние хромосомы ( РИС.

18-21 ). В даююм разде­

ле мы разберем, как собирается и работает митотическое

М-фаза условно делится на шесть стадий

верете ,ю . Мы обсудим, какой вклад вносит динамическая

Хотя М-фаза п редставляет собой непрерывную последо­

нестабильность веретена и активность ассоци~1рованиых

вательность событий, ее принято делить на шесть стадий.

с микротрубочками моторных белков в сборку веретена и

Первые пять стадий М-фазы (п рофаза, прометафаза, мета­

его сп особность разделять сестрииские хроматиды. Нако­

фаза, а~-1афаза и телофаза)

-

это фазы митоза

(mitosis),

ко­

нец, мы рассмотрим механизмы действия митотическоrо

торый исходно был определен как этап I<леточноrо циюrа, в

чекпойнта, обеспе,швающего синхронное разделение хро­

течение которого вид1-1ы отдельные хромосомы (поскольку

матид, правильное распр еделе ние двух хромосомных на­

они I<онденсироваt1 ы). Цитокш-tез

боров по двум до,rерним клеткам, а также упо рядоченный

стадия М-фазы,

-

шестая

(cytokinesis) -

по времени перекрывается с концом

митоза. Шесть стадий митоза п оказаны на ВКЛАДКЕ

(с.

562- 563).

Вместе они составляют динамичн ую после­

довательность событи й, в которой многие независимые ци­
клы: х ромосомн ый, цитоскелетный и центросомный

-

и своевремениый выход клетки из митоза.

18-1

ско­

Центросомы удваиваются, помогая сформировать
два полюса митотического веретена

ординированы для достижения общей цели, образования

До начала М-фазы должны произойти два главных со­

двух генетически идентичных дочерних клеток.

бытия: завершение удвоения ДНК, а в животной клетке

Пять стадий митоза сменяют друг друга строго после ­

еще и удвоение центросомы . Центросома (centгosome) в

довательно, а цитоI<m1ез начинается в анафазе и п родол ­

животной клетке служит главным цеитром оргаиизации

жается в течение телофазы. Во время 1~рофазы (pгop l1ase)

мшсротрубочек (ЦОМТ) (m i crotubu l e-oгgaп i z i лg

конденсируются удвоенные хромосомы, вне ядра н ачина­

Благодаря удвоению цеитросома может сформировать по­

ется сборка митотического веретена. В про.метафазе

люса верете н а деления, а каждая дочерняя клетка

metaphase)

(pro-

распадается ядер ная оболочка, что п озволяет

(metaphase)

митотическое веретено собирает

все хромосомы в центре веретена (на экваторе клетки).

-

полу­

чить собственную центросому.

нитям ве р етена прикрепиться к хромосомам. В течение

метафазы

center).

Удвоен ие центросомы н ачинается в начале S-периода

и запускается теми же

Cdk (Gi/S- Cdk и S- Cdk), что запу­

скают удвоен ие ДНК. После удвоения центросомы снача·

В анафазе (aлaphase) две сестринские хроматиды каждой
из удвоенных хромосом

синхронно отделяются

друг от

друга, и веретено доставляет их к лротивоположным по ­

люсам клетки. Во время телофа.,ы

сест рин с ки е х рома т ид ы

(telophase) вокруг каж-

доч ерни е х ромо с ом ы

астр а ль н ы е

ми кротрубоч ки
рете н а

ВОПРОС

18-5

А Небольшое количество цитоплазмы и з_ митотической клет­
ки инъецировали в неоплодотворенныи ооцит лягуш ки , что
8 выз ывало его вхождение в М - фазу (см. рис. 18-7, А) . Часть

rl'

цитоплазмы получивш е го инъекцию ооцита вводят во вт орой ооцит,

и о н тоже вступает в М-фазу. Эту операцию повторяют мно го раз ,

пока от первоначально введенных белков уже практически ничего
не оста ется ; и все равно цитоплазма , взятая и з последн е го ооци ­

та , может з апускать вхождение в М - фазу все столь же э ффе ктивно .
О бъя сните этот зам е ч а тельн ый р ез ультат.

РИС .

18-21. В начале анафазы каждая пара сестринских хромат!А,д

разделяется. Ми тоти ч еско е ве рете н о растя ги вает об разую щиеся до·
черни е хр омосомы к полюсам кл етки.

560

ГЛАВА 18. Клеточный цикл


1 а обе ее копии образуют ед иный комплекс, расположе н­
ный с од11ой стороны от ядра. Од н ако в н ачале митоза две

центросомы разделяются, и вокруг каждой образуются
радиал ы-ю расходящиеся микротрубочки

-

звезда (aste г) .

Две звезд ы расходятся к п ротивоположиым сто ронам ядра
и формируют два полюса в ерете liа деления ( РИС . 18-22).

Про цесс удвоения и расхождения центросом н азывают

центросомным циклом (ceлt1·oso m e

! удвоившаяся

cycle).

Сборка митотического веретена
начинается в профазе

це н тросома

Формирование митотического ве ретена на<rинается в про­

фазе . Сборка этой высоко динамичной структуры зави с ит
от особенных свойств миJ(ротрубочек. Как обсуждалось в
1·л .

17, микротрубочки постоя ш-ю полимеризуются и депо­

лимеризуются путем добавле ния и потери тубул иновых
субъединиц, и отдель ные трубо t1к и то растут, то распа­

даются. Такое свойство называется дииамической иеста­
бш~ыюстыо (dynamic i11staЬili ty ) ( с м . ри с. 17-11). В начале
митоза ди t~амическая нестабильность микротрубочек воз­
ра стает. Это происход ит отчасти из-за того, что

M- Cdk

фосфо ри л иру ет связанные с микротрубочками бел1<и,
которые влияют на стабил1,ностъ филаментов микротру­
бочек. В результате во время профаз ы быстро растущи е и
формиру ющееся
митоти ч еское

верет ено

распадающиеся микротрубочки расходятся во все сторо­

!

ны от д вух центросом, пронизывая всю клетку. Н екото рые

и з микротрубочек, отрастающих от двух це нтросом , взаи­
М-фаза

модействуют. Это взаимодействие стабилизирует микро ­

трубочки, предотвращая их депол им е ризацию . В резуль­
тате два набора микротрубочек объединяются, составля я
основу митотического вер ете на

(initotic

spiвdle ) харю<­

терной биполя рной формы ( ВИДЕО 18.5). Две центросо­
мы, дающие н а чало микротрубочкам, теперь называются
удвоив ш а я ся
хромосома

!

полюсами веретена

(spindle poles), а взаимодействующие
- межпол10с11ы.ми микротрубочкшщ (iп­
inicrott1bu!es) ( РИС . 18-23). Сборка ве рете на ча­

микротрубочки
te rpo l aг

стич1-ю управляется моторными белками, которые свя заны
с межлолтосными микротрубоч_ками и помогают объеди­
ни т ь два их набора.
На следующей стадии митоза удвое нны е хромосомы

прикрепляются к верете ну таким образом, что при разде­
ле нии сест рю1 ских хроматид они дви гаются к противопо­

Рис . 18-22. Центросома в интерфазной клетке удваивается ,

лож ным пол юсам ю 1 ет ки .

Ч'tобы впоследствии сформировать два полюса митотическо­

tо веретен а . В большинстве животных клеток в интерфазе (G 1> S и

G2) пара центриолей (показаны в виде пары темно-зеленых полосок)
Связаны с цент росомным матриксом (светло-зеленый) , на котором
Происходит нуклеация растущих микротрубочек. ( Объем матрикса

Хромосомы прикрепляются

к митотическому веретену в прометафазе
Прометафаза начинается с в незапного разрушения яде р ­

на схеме увеличен для наглядности . ) Удвоение центросомы начи н а­
ется с началом S-периода и заканчивается к концу G2. С начала две
Центросомы объединены , но в М-фазе они разделяются , и каждая

б ра 1·1 нъrе пузырьки. Этот процесс запускается фосфорили ­

порождает собственную звезду из микротрубочек. Две звезды дви­

и пром ежуточных филаментов ядерной ламины

*Утся друг от друга , при ч ем преимущественно удлиняются их вза ­
~Модействующие микротрубочки , образуя биполярное веретено
деления с астральными микротрубочками на каждом полюсе. Когда
Оболочка ядра разрушается, микротрубочки веретена связываются
с Хромосомами.

волокнист ы х белков , кото рая подстилает и стаб илизи ­
рует ядер1-1ую оболочку ( см. ри с. 17-7). Микротрубо trки

~юй оболочки, которая рас падается на небольшие мем­

рованием и последую щей разборкой белков ядерных лор

веретена, лежав ши е в ожидании

-

сети

вне ядра, теперь полу­

чают досту п к удвоенным хромосома м и захватывают их

( см.

вкладку

18-1, с. 562).

Мито з

561


ВКЛАДКА

18-1

Основные стадии М-фаэы в животной клетке

-

ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ И КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ
ИНТЕРФАЗА

s

1

ЦИТОКИНЕЗ

ПРОФАЗА

КЛЕТОЧНЫЙ
цикл

деко нд е н с и рова н н ы е

ТЕЛОФАЗА

5

4

АНАФАЗА

2

3

хро мо со мы в я д ре

ПРОМЕТАФАЗА

МЕТАФАЗА

Но ситоtWХ микрофотоrрафмlх, nсжааомнwх на моА
1кnС1ДКе, хромосом" окраwенw I оранж.е..,~, а миrро­

М-ФАЗА

трубочки -

• ,.,,..,.," ""1' (мюсрофотоrрафнн nioбN­

"° nptд00\'8,lleнw JuQe Canman н Ted Salmon; «Mera•

В М-фозе клеточного цикла происходит разделение материнской

фааа» - с o&!OIIICМ J. Cell. Sd" 115(~), 2002, с раа­
,...,.._ uмnоннн The Company of Blofьglat Ltd; «Тмо­
ФОИ• н, J.C. Canrnan et ol., Noture 42.4: 1074- 1078,
2003, с pQapeweнмt Macmillan PuЬli.Ьert Ltd,).

клетки но две дочерние. М-фозо включает деление ядро (митоз) и
сомой клетки (цитокинез). Но этом рисунке длительность М-фозы
завышено для наглядности. Митоз подразделяется но 5 стадий,
которые (наряду с цитокинезом) обозначены но схеме.

В профа з е удвоившиеся хро­
мосомы,

каждая из двух тесно

формирующееся

связанных сестринских хромо­

в е р ет е но д е л е ния

тид, конденсируются . Вне ядро,
между
которые

в

двумя

центросомами ,

начинают

противоположные

собирается

двигаться

стороны ,

митотическое

ве­

ретено. Для простоты показаны
нд е н с ирующая с я

только три х ромосомы .

х р о мо с ома и з дву х
сес трински х х ром а тид ,

с о еди не нны х друг
с другом по в се и длин е

Прометофо з о начинается с быстро­
го распада ядерной оболочки. Те­
перь

хромосомы

прикрепляются

к

микротрубочкам веретено своими
кинетохороми и активно двигаются.

фра гм е н т ы яде рн ой
обол о ч к и

дви ж ущ а я с я х ром ос ома


В метофозе все х ромосомы разме­
щаются

но

экваторе

редине между

деления .

клетки,

полюсами

Парные

посе­

веретено

кинетохорные

микротрубочки каждой х ромосомы
присоединяются

к

противополож­

ным полюсом веретено.

к ин ет охор ы в сех хро мо со м

л ежа т в пло скости , на ходящейся
посередине м ежду двумя полю са ми веретена

В анафазе сестринские хромотиды
хромосо мы

синхронно

разделяются ,

и

каждая

из них медленно движется к

полю­

су веретено , с которым оно связано

микротрубочками.
микротрубочки
полюса

Кинетохорные

укорачиваются ,

веретено

удаляются

о

друг

от друга; обо эти процесса вносят
вклад в сегрегацию хромосом.

двига ющий ся к п оверхност и
клетки

полю с веретена

В телофозе два набора хро­
н абор хро мосо м

мосом достигают полюсов

возле полю са веретена

ве­

ретено . Вокруг каждого набо­

ра собирается новая ядерная
оболочка,

завершая

форми­

рование двух ядер , что знаме ­

нует завершение митоза. Со
сборки контроктильного коль­
цо начинается разделение ци­

полюс верете н а

топлазмы .

В ходе цитокинезо животной клетки
цитоплазма
восстановленная ядерная

делится

надвое

с

мощью

деконденсированные

октиновых и миозиновых филомен­

х ромо со мы

тов,

контроктильного кольцо

по­

оболочк а окружает

которое

создавая

две

перетягивает
дочерние

ные клетки .

заново формируется интерфа з н ое
расположение микротрубоч ек,
отходя щи х от ц ент ро со мы

из

клетку,

одноядер ­


11ы е в противополож111,1е сторо 11ы .

микротрубочки

зав исит

от

11 рисутствия

в

бо р ка ки 11 етохоров

центром ерах

определенных

по сле;ювателыюстей ДНК; при ут р ате этих п осл дова­

тедыюстсi,i ки11етохоры н е собираются, и , соответстве н ­
н о, хромосом ы н е мо гут лравильно сеrрегировать в ход
митоза.

После рас11ада яде рl'IОЙ оболочки слу ч ай н о сопри­

коснувшиеся с х р омосомами ми1<ротрубочки будут с

/

11и ми связываться. О тдель ны е микротрубочки случайно

I

\

!

♦

-

прикр е п ляются к к ин етохо р у, и э ти кииетохори ые ми-

1сротрубоч1си (kiп etoch o гe mi c гo tubнl es ) при соеди ня ют
х р омосом ы к полюсам вер ете на (см . рис .
ку

18-1,

с.

562).

18-24

и вклад ­

Посколr,ку ки н етохоры сестри н ских

х ром атид смот ря т в против о по ложные сторо ны , кажда я

и з удво и в ши хся х ромосом связывается с обоими по ­
люса ми веретена. Соединение с обоими полюсам и , на­

/

зываемое биориентацией (Ьi-oгi e п tat ioп) , создает силы

астральные

микротрубоч ки \

'\

....

I

t

!

н атяже ния ,

'

тя н ут

кинетохоры

в

противо110 -

что сестрин ск и е ки н етохо ры присоедине ны к веретену

пр ав ил ьно и готовы к разделе нию . Систе м а ко нтр оля

клеточ ного цикла след ит за н атяже ние м , чтобы обес п е-

-межполюсные

которые

лож~с1 ые сто р о 11ы. Это натяжение сиг нализирует о том,

полюс

микротрубочки

веретена
удвоенная

деления

хромосома

РИС.

18-23.

Биполярное митотическое веретено образуется за

счет избирательной стабилизации взаимодействующих микро­
трубочек. Новые микротрубочки отрастают в случайны х направлени­
центромерный

ях от двух центросом. Два конца микротрубочки (условно называе­

участок хромосомы

мые плюс- и минус-концами) имеют разные свойства, и на центросо ­

ме заякорены минус-концы (см . гл .

кинетохор

17). Свободные плю с-конц ы дина ­

мически нестабильны и могут внезапно пере ходить от по сте пенного

ро ста (красные стрелки, направленные от центросом) к быстрому

кинетохор ны е

ра с паду (красные стрел ки, направленные к центросомам). Если две

микротрубочки

микротрубочки, отходящие от разны х центро сом, взаимодействуют
в зо н е перекрывания, моторные и другие ассоциированные с ми к ро­

трубочками белки связывают их вместе (черные точки) . П ри этом
происходит стабилизация плюс-концов

-

уменьшается вероятность
L__J

и х деполимеризации .

хроматида

(А)

Ми к ротрубочки веретена связ ыв аются с х ромо сома­
ми ч е рез с п ециал и зированные белковые компл е ксы, на­

РИС .

(Б)

18-24. Кинетохоры служат для прикрепления хромосом к ми ­

тотическому веретену. (А) Флуоресцентная микрофотография удвоен­

з ыв аемы е кинетохорами (kin etoc hoгes ) ; они соби р а ют­

ной митотической хромосомы. ДН К окрашена флуоресцентным красите·

с я на конденсированных х ромо сомах в поздней профазе

лем , а кинетохор окрашен в красный цвет с помощью флуоресцентных
антител , опознающих кинетохорн ые белки . Эти антитела получены or

( РИС. 18-24). Как указывалос ь ра н ее, каждая х р омосома
состоит из д в ух сест рин ск их хроматид, соедине нн ых по

всей дли н е, а каждая хроматида и меет п е р етяжку в об­
лас ти , соде ржащей с п е цифичны е п оследовател ы-юсти

больных склеродермией - заболеванием, при котором наблюдаетсfl бо­
лезненное разрастание соединительной ткани в коже и других органах:

по неизвестной причине у таких больных образуются антитела к соб·

Б).

ственным белкам кинетохоров . (Б) Схематичное изображение митотиче­

П е ред началом про мета ф азы на каждой ц е 11тр омс р е со­

бирается крупный комш1 екс из кинетохорных белков.

ской хромосомы . П оказаны две сестринские хроматиды, прикрепленные
к кинетохорным микротрубочкам, которые связываются с кинетохорами

Таким образом, у каждой удвоенноi,i х р омосомы ест1, два

своими плюс-концами . Каждый кинетохор выглRдит как пластинка на по·

кинетохора (по одному на каждой хроматиде ) , обращен-

верхности центромеры . (А - с разрешения

ДНК,

564

-

цеитро.меру

ГЛАВА

(centroinere)

18. Клеточный цикл

( см. ри с.

18- 19,

B.R. Brinkey.)


удвоенная
хромосома

пол юс веретена (сестринские

кинетохор

хроматиды)

(А )

L___J
5 м км

( Б)

РИС.

18-25. В состав митотического веретена входят три разновидности микротрубочек.

( А ) Схемат и ч н ое изоб ражение верете н а с п рикре пл е н ными хро м ос ом а ми . П оказа ны тр и раз н о видн о­
сти м и кротрубочек : астральные, кинетохор ны е и м еж п олюс ны е . В действител ьн ости хромосом ы н а­

м н о го к рупнее , чем показано на р исунке , а к каждому ки н етох ору об ычн о п р ик р е пл яется множество
микротрубо ч ек. ( Б ) Фл уоресцентная микрофотография хромосом и веретена дел е н ия н а стадии мета­

ф аз н ой пл астинки . Н а этом пре п арате ки н етохор ы окрашены в красный, ми к ротрубочки
а х ромосомы

-

в синий цвет. ( Б - из А.

- в зеленый,
Desai, Curr. Biol., 10: R508, 2000. С разре ш ен и я Elseiver.)

полюса верете на

'iИть правильно е приr<ре пл е ни е хромосом; это проис­
ходит в одном и з важных чекпойнтов клеточного цикла

(см. ри с. 18-3 и 18-13).

а стральны е

ми кротрубоч ки

Чис;ю микротрубо ч еr<, прикрепля ющихся 1< одному
1<111-rетохо ру, зав исит от вида: например, к каждому кине­

тохору хромосомы LJеловека прикрепля ется

20- 40

микро-

1'Рубочек, а r< кинетохору дрожжей - всего одна. Три раз­
новидности микротрубочек, образующих веретено деле1·1ия , показаны 1-ra РИС. 18-25.

Хромосомы участвуют в сборке
Митотического веретена

13 сборке митотического веретена х ромосомы не просто

10
РИС.

18-26.

м км

Моторные белки и хромосомы могут управлять сбор­

кой функционального биполярного веретена в отсутствие центро­

l1rрают роль пасс ивных пассажиров. Они стабилизируют
Микротрубочки и способствуют их сбо рке в функциональ­
ное митотич еское веретено. В клетках без центросом, т. е.

сом. Н а этих фл уорес центн ых микрофото г рафиях клетки зароды ш а

130 всех растительных и в некоторых типах животных кле­

сформирова нн ое пр и уч астии це н тр осом посл е оплодот ворения яй ца .

'ГОJ<, на самих хромосомах прои сход ит н уклеация сбо рки
МJ,Jкротрубочек, а затем моторные белки п е реме щают ми1.<ротрубоLt ки и собирают их в биполяр~юе веретено. Даже в
L<Jteткax, где в норм е центросомы присутствуют, биполяр ­

l·LОе веретено может быть сформировано таким способом
11
Ри их удален ии ( РИС. 18-26). В клетках с це нтросомами
он.и работают при сбо рке ве рете н а сооб ща с хромосомами
J,J Моторными белками.

насекомо го

Sciara

мик рот рубочки окра ш е ны зеленым, а хромосомы

-

красным . Н а ве рх н ей ф отографии п оказано н о рм альн ое ве рете н о ,
Н а ниж н ей ф отографии п оказа н о верете н о, фо р мирую щееся без уч а­
стия це н тросом при развитии из н ео плодотворен н ого яй ца ( це н тросо­

мы в норме в н осятся спермием при оплодотворении) . О братите вни ­
мание , что при н аличии центросом на полюсах верете н а формируются

астральные микротрубо ч ки, а при отсутствии центросом их нет. Оба
типа верете н способны нормально се г регировать сестринские х рома­
тиды. ( С разре ш е н ия Rockefeller University Press
W. Sullivan, J. Се//. Biol., 141: 1383-1391 , 1998.)

из : В .

de Saint Phalle,

Мито з

565


В метафазе хромосомы

ВОПРОС

выстраиваются на экваторе клетки

А С помощью тонких стеклянных игл можно перемещать xpo-

18-6

rl' мосомы внутри живой клетки в ходе ранней М-фазы , и даже

В пром етафа зе хромо с омы, 11рикр елле 11ны е

1< в с р стс 11 у,

8

заставить кинетохоры двух сестринских хроматид прикре ­

11 ачи11ают дв и rат,,с я , 1<а к будто и х де ргают то в од 11 у,

питься к микротрубочкам от одного полюса веретена. Обычно такое

то в другую сторону. В конц е концов они с обир а ют с я

соединение нестабильно , но его можно стабилизировать, если с по­

н а э к ва тор е в е р ет е н а,

по се р

д ин е м е жду д в у мя с 1-о п о­

лю с ами, формируя лtетафазную пл астиюсу
Этот мом е нт

plate).

-

начал о метафазы

(mctaphase
(m eta pl1a е )

( РИС. 18-27) . Си л ы , з аставляющие хромосомы 11 е р е м с1цатъся к э кватор у кл ет ки, н е д о конца и з в е стны ; в е ро ­

мощью иглы тянуть хромосому так , что микротрубочки, прикреплен­

ные к обоим кинетохорам (и при этом к одному полюсу веретена) ,
оказываются под натяжением . Ч то на основании этого можно сказать

о механизме , с помощью которого в норме стабилизируется присо­
единение кинетохоров к микротрубочкам от разных полюсов вере­
тена? Допускают ли эти наблюдения возможность того , что каждый

ятно , в этом участвуют и рост, и р аспад микротрубоLгск,

кинетохор за п ро граммирован на п рисоединение к микротрубочкам

а также де йстви е с вя за ю,ых с микротрубочка ми мотор-

от определенного пол юса веретена? Свои ответы обоснуйте .

1 1ых белков. Для подде ржания структуры мстафа з ноrо
в е рете на не обход имы

по стоянные сбала нсированны е

прО11ес сы доба вл е ния и поте ри ту булиновых с у бъ ед и­
ниц . Если блокировать д оба вл е ни е ту бул ин а с гтомо­

Соб равши еся 1-1а э кваторе м стафаз ного ве рете н а хро­

щыо нда кол хицина, то п отеря тубулю, а продолж ается

мосомы слегка кол ебл ются взад- впе ред, в резул ьтате со­

вп л оть д о по л ,юrо и с ч ез нов е ния в е р е т е на.

х ра няя с вое пол оже ни е. Вид имо , м еж11у ми кротрубочка ми ,
прикр епл е нными к противопол ожным пол юсам

в е ретс 11 а,

прои с ходит что - то вроде п е р етяги ва ния кан а та и после вы·

страивания хромосом по э кватору. Если в о вре мя м етафаз ы
и с к усств е 111ю повр ед ить од ну пару кин ето хоров с помощ1, ю

луча лазера, нару шив их лрикрепл ени е к микротрубочкам
одного из полюсо в, в ся хр о мосома не м едл е нно д вигается

к том у полюсу, к кото рому 011а остал ась прикрелле 1-11юй.

Если же 11 а ру шип, соед ине ни е м ежду х ром атидами , то об ­
разующи еся доч е рни е хромо сомы с разу д ви жутся

к про ­

ти вопол ож1-1 ым нол юсам. Эти опыты показывают, что н а
удво н1-1ы е хромосомы метафаз ной п ластинки де й ств уют

силы 1-1атяжеиия. Вид имо , те силы , которы е растас кивают
хромосомы к полюса м в е р ете на , начинают де й ствовать е ра·

зу же посл е прикре пления микротрубоч е к к кин етохорам .

Протеолиз запускает разделение
сестринских хроматид и завершение митоза

Анафаза (aлaphase ) наL1инастся с вн езапного раз руш ення
когез иновы х с оед ин е , 1ий м еж ду се стринскими х ромати ­

да ми ( с м. рис.

18-15).

Это поз вол яет каждой хром атиде

двига ться к том у полю су в е р етен а, к котором у она прикр е·

11 ле н а ( РИС.18-28 ) . В резул ьтате д ви же ния два идентичны х

набора хромосом оказ ываются у разны х гтолюсов в е ретен а
( с м. вкJ~ад ку

4

18- 1, с. 562).

Когез и1ювы е с о ед и1-1 е ния х ромапщ раз р у шает проте­

мкм

аза, н аз ываемая се паразой ( se pa гase ) , котор ая н с актив1н1

18-27. В метафазе хромосомы собираются посередине меж­

до н а Lгала анафазы и з -за свя з ывания с ингибирующим

ду полюсами веретена деления. На флуоресцентной микрофотогра ­

бел ком секыорином (sесшiп). В 11 ачале а нафаз ы се кыори1- 1

фии показано множество метафазных митотических веретен зародыша

м етится для последу юще го раз ру ш е ния бел ковым ком ·

РИС.

плодовой мушки
мосомы

-

(Orosophila).

Микротрубочки окрашены красным , хро ­

зеленым . Н а этой стадии развития дрозофилы множество

плск сом , который наз ыва ется комплексом вхождения в

анафазу (a11ap l1ase- pюmoti11 g

coinplcx,

АР С ) . После уда ·

ядер синхронно делятся внутри единой цитоплазмы зародыша ; поэто­

ления се кьюрr,rн а сеп а раза вы с вобождается и раз рывает

му все показанные ядра находятся на одной и той же стадии митоза (в

когезиновы е с вя з и (рис.

18-29).

метафазные веретена изображают

АРС н е тол ько за 11 ус 1<аст деградацию коrез и,юв , но

сбоку, как они видны на этой фотографии; при виде с полюса заметно ,

та кже м ст ит для последующе й де градации ци 1шин М , та·

что хромосомы собраны в группу, имеющую вид пластины , в области

ким с пособом инактивируя комп ле кс

экватора веретена

инактивация

метафазе) ( ВИДЕО

18.6). Обычно

- так называемую метафазную пластинку.
шения William Sullivan.)

566

ГЛАВА 18. Кл еточн ы й ц икл

(С разре­

митоза.

M- Cdk

M- Cdk.

Быстрая

помогает ини11иировать вы ход нз


(А )

(Б)

20 мкм
РИС .

18-28.

Сестринские хроматиды разделяются в анафазе. При переходе от метафазы (А)

к анафазе (Б) сестринские хроматиды (окрашены синим) внезапно раздел яются и движутся к противо ­

п ол ожным пол юсам веретена дел ени я . На фото этот п роцесс зафиксирован на препаратах раститель­

ных клеток, окрашенных меченными золотом антителами для выявления микротрубочек (розовые).
У растительных клеток обычно нет цент росом , поэтому полюса веретена не так четко видны, как в жи­
вотных клетках (см . рис .

18-35,

Г). Тем не менее полюса веретена присутствуют на верхней и нижней

частях каждой микрофото г рафии, хотя они и не видны . (С разрешения

Andrew Bajer.)

Хромосомы расходятся к полюсам в анафазе

бел ок-ингибито р
(секь ю ри н )

Посл е разделения сестринских хроматид они движутся
к

неакти вный

противоположным

полюсам,

к

которым

прикр е пл е­

ны микротрубочками. Все они дв ижутся с одинаковой

протеолитический

скоростью, обычно около

фермент (сепа р аза)

УБИКВИТИНИРОВАНИЕ
И ДЕГРАДАЦИЯ
с

ние

-

1

мкм в минуту. Такое движе­

р езульт ат двух независимых проц ессов, в которых

задействованы ра з ные LJасти митотического веретена. Эти
два проц есса и аз ываются анафазой А и анафазой В , но

происходят они более или менее синхронно. В анафазе А
активная

кинетохорные микротрубочки укорачиваются за счет де­

се п араза

полимеризации, и прикрепленные к ним хромосом 1,1 при­

когез и но в ый

митотическое

удаляются д р уг от друга , что также вносит ш<лад в сегрега­

и отдел ив ш иеся

~·71 / Т
/~

ближаются к п олюсам. В анафазе В са ми полюса веретена

расщеп л ен ны е

комплекс

\

~

~'?:-~:

/ ~

\

цию двух наборов хромосом ( РИС . 18-30) .

Сила, обеспечивающая движени

в анафазе А, види­

мо, генерируется в ос,-ювном моторными белками, ассоци­
ирован 1-1ым и с кинетохором и вызывающими укороче ни е

кинетохорных микротрубочек. Отделение тубулииовых
субъединиц от кинетохорных микротрубочек обусловле­
но действием ~ мотороподоб1-1ых ,> белков, связанных как

м етафаза

Рис.

18-29.

ана фаза

Комплекс вхождения в анафазу (АРС) запускает раз­

деление сестринских хроматид, вызывая разрушение когезинов.

Активация АРС непрямым образом запускает расщепление когезинов,

Удерживающих вместе сестринские хроматиды. АРС катализирует

Убиквитинирование и расщепление белка-ингибитора , секьюрина. Се­
кьюрин ингибирует активность протеолитического фермента сепаразы ;
освободившись от секьюрина, сепараза расщепляет когезиновые ком­
nпексы , что позволяет митотическому веретену растащить сестринские
ХРоматиды к полюсам.

с микротрубочками, так и с кинетохором. Для отделения

тубулиновых субъед инин от микротрубочки они исполь ­
зуют э не ргию гидроли за АТФ.
В анафазе В полюса веретена и два набора хромосом
удаляются д руг от друга . Движущая сила это t·о процесса,

видимо, обеспечивается двумя наборами моторных белков
из се мейств кинезинов и динеинов (см. рис.

17-20).

Они

работают иа разных типах ми1<ротрубочек вер тена. Один
набор моторных белков действует на длию-1ых, п е рекры ­
вающихся межполюсных микротрубочках, формирующих
само веретено. Эт и белки обеспечивают скольжение дру г

Мито з

567


АНАФАЗА А

ХРОМОСОМЫ

АНАФАЗА В

РАСТАСКИВАЮТСЯ

ПОЛЮСА РАСТАЛКИВАЮТСЯ
И РАСТАСКИВАЮТСЯ ДРУГ ОТ ДРУГА

К ПОЛЮСАМ

(1 ), генерируемая

укорочение кинетохорных

сила скольжения

микротрубочек: силы,

межполюсными микротрубочками,

ге нерируемые кинетохорами,

расталкивает полюса ; тянущая

растаскивают хромосомы

сила

к полюсам веретена

на полюса , растаскивая их

(2) действует непосредственно

рост межполюсных

микротрубочек
на плюс-концах

РИС.

18-30. Два

процесса приводят к сегрегации дочерних хромосом в анафазе. В анафазе А

дочерние хромосомы растягиваются к полюсам по мере деполимеризации кинетохорных микротру­

бочек с концов, прикрепленных к кинетохорам. Сила, обеспечивающая это движение , генерируется в
основном в районе кинетохора . В анафазе В два полюса веретена удаляются друг от друга в результате
действия двух разных сил :
талкивает полюса, и

( 1) удлинение и скольжение друг по другу межполюсных микротрубочек рас­
(2) силы, прилагаемые направленными к периферии астральными микротрубочка­

ми, растаскивают полюса по направлению к кортексу клетки . Видимо , все эти силы связаны с работой

моторных белков , ассоциированных с микротрубочками .

по другу пе рек рываю щихся микротрубочек, отходящих от

тоза, блокируя активацию АРС. В отсутствие активно·

разных пол юсов, в районе экватора веретена. Другой набо р

го АРС сестринсl(ие хроматид ы остаются скл ее нными .

бею<ов работает на астралыrых микротрубочках, расходя ­

Так им образ ом, х ро матиды удвоен ных хромосом не р ас­

щихся от полюсов ве ретена к пе рифе рии клетки. Вероят­

ходятся до тех пор , по ка вс е х р омосомы н е з аймут лра ·

н о, эти моторные белки как-то связаны с кортеl(сом клет­

вилы-того положе ния на митотичес ком в е р ете 1~е. Этот

l(И , подстилающим плазмадемму; они растягивают полюса,

так наз ывае мый че1тойит сборки вepeme1ia (spiпd l e

прибл ижая их к кортексу ( см. рис.

semЬl y

18-30).

( с м.

check point) конт ролирует
рис. 18-3 и 18-13).

as·

за в е рше ние митоза

Неприкрепленные к веретену хромосомы

блокируют разделение сестринских хроматид

Ядерная оболочка формируется заново в телофазе

Если в деля щей ся клетке сегр егация х ромо сом н ачнется

К концу анафазы до ч е рни е х ромосомы образуют две оди·

д о того,

наковы е группы у полюсов верете на. В ходе телофаз ы

как все они

пр авильно прикр е пятся к в е р е т е­

н у, то одна и з дot1e pr-rи x кл е ток может получить н е по л­

( зав е ршающей стади и

ный н абор хромосом, а дру гая - изб ыточное их чи сло.
Обе с итуации могут оказаться для клетки с м ертелъ ­

разб ира ется , а вокруг l(аждой гру ппы хромосом восста ·

митоза)

митотич еское в е р ете но

ными . Поэтому делящаяся клетка до зав е ршения мета ­

доt1 е рних ядра. С п ерва пуз ырьки ядерной мембраны об·

н авли вается ядерн ая оболочка, так что образуются д ва

фаз ы должна убедиться, что все хромосом ы до еди ной

правилr,но прикр епле ны к в е р ете ну. Чтобы следить з а
при креплением

хромосом,

тел ьную

н е прикр еnл е нн ая

связь:

ет << Стоп-сиг н ал»

системе

к летка

испо л ь зуе т

отрица­

хромосо м а

по сыла­

контроля

клеточ но го цикJ~а.

Хотя точн ая природа си 1' нала остается н е и звест ной , мы
знаем, что он пода вля ет п е р еход 1< следующе й фазе ми -

- 568

ГЛАВА 18. Клеточный цикл

ВОПРОС

18-7

А Опишите события, приводящие к формированию новых ядер

rl' в телофазе . Благодаря чему цитозольные и ядерные белки

8

могут правильно распределяться, так что в новое ядро попа ·

дают ядерные белки и не попадают цитозольные?


Митотическое веретено

:~rtн~~няя]
мембрана
ядерна я
наружная

определяет плоскость деления клетки

оболочка

Пе рвый видимый призн ак цитокинеза в животных клет­

ядерная

мембрана

СЛИЯНИ Е

ФОСФОРИ-

ПУЗЫРЬКОВ

ЛИРОВАНИЕ

f~ ~ ~)11

ЯДЕРНОЙ

ОБОЛ::?.:;ЧКИ

~~'::r-~-т~_!;~d"t

БЕЛКОВ

~ ЯДЕРНЫХ
ПОРИ

ИНТЕРФАЗНОЕ ЯДРО
дочер ни е

ЛАМИНОВ

фосфорили-

ках

-

впячивание плазмалеммы и образование на ней бо­

розды в анафазе ( РИС . 18-32). Впячивание всегда образуется
в плоскости, пе рп ендикулярной длинной оси митотическо­

го веретена. Благодаря такому расположению борозда деле­

ния

( cleavage

fuпow) оказывается между двумя группами

поделившихся хромосом, поэтом у каждая дочерняя клетка

получает идеюичные полны е наборы хромосом. Если ми­

рова н н ы й

по р овый бело~

тоти.ческое веретено прои звольно перемест ить (с помощью

хро м осома -,

то~1кой стеклянной иглы) после появле ния борозды, то бо­

с

пузырек ядерной

розда исчезает и формируется заново на участке, соответ­

обол очки

ствующем новому положению и ориентации веретена. Од­

нако если образование борозды за шло достаточно далеко,
ТЕЛОФАЗА

то деление продолжается даже в случае удаления веретена

или его деполимеризации с помощью яда колхицина. Как

веретено определяет положение борозды деления, до сих

ДЕФОСФОРИЛИРОВАНИ Е

лор неизвестно. Вероятио, во время анафазы и астралыrые,

БЕЛКОВ ЯДЕРНЫХ
ПОР И ЛАМИНОВ

и межполюсные микротрубочки (и связатн,rе с ними бел­

РИС. 18-31 . Slдерная оболочка в ходе митоза распадается и об ­
Разуется заново. Фосфорилирование белков ядерных пор и л амино в

Участвует в за п уске распада ядерной оболочки в промета ф азе . Дефос­

форилирование этих белков в телофазе способствует обратному про­
цессу сборки .

ки) каким-то образом п ередают сипrалы кортексу, иници­
ируя сборку контрактильного кольца посереди не между
полюсами веретена. Поскольку эти сип-1алы пе редает ана­
фаз ное ве рете но, они также определяют время начала цито­
ки:н еза на поздней стадии митоза.

Когда митотическое веретено расположено в центре

клетки, обычном его положе нии в большинстве делящих­
Разуют группы вокруг отдельных х ромосом, а зате м сли­

ся клеток, образуются две дочерние клетки равного разме­

ваются, формируя ядерную оболочку (см . вкладку

ра. Однако во время эмбриоген еза случается, что в е рете но

с.

562). В

18-1,

ходе процесса белки ядерных пор и ядерные ла­

в деля щейся клетке занимает асимметриLiное положение;

м:ины, которые были фосфо ри лирова ны в 11рометафазе,

тогда при делении образуются две клетки разного раз м ера.

дефосфорилируются. Это позволяет им собираться в ком­

В большинстве случаев две доt1ерние клетки разл ичаются

rrдексы , формируя, соответственно , ядерные поры и ядер­

и по набору получаемых ими мол екул, и обычно они впо­

ную лами ну ( РИС.

18-31 ). После восстановления ядерной

следствии дают раз ны е типы клеток. Для асимметричного

обоJ1очки ч е рез поры п ереносятся в 1fутрь ядерные белки,
объем ядра растет, а конденсированные м итотиtrеские хро­

тричиых делениях (asymm etгic division ) требуются спе­

мосомы деконденсируются и п ереходят в инте рфазное со­

циальны е механизмы.

раз м е щ е ния

митотического веретена при таких

асимме­

стоя ние. Благодаря деконденсации может вновь начаться

транскрипция. Созданием нового ядра митоз заве ршается .

Все, что остается сделать клетке, - осуществить деление
на две отдельные дочерние клетки .

ЦитокинЕз
М-фаза завершается цитокинезом (cyto kinesis) - про­
цессом, в ходе которого делится надво е цитоплазма .

Обь1чно он наt1инается в анафазе, но не заканчивается

до того , как полностью сформируются до t1ер 1-rие ядра в

)(оде телофазы. В то время как митоз происходит благо­
даря временной ст руктуре из микротрубочек (митотиче­
СJ<оrо веретена), цитокинез в живоп1ых клетках зав и с ит
от временной структуры из акт иновы х и миозиновых

Ф11ламентов - коитрактилъиого колъца (coпгactile гing)
(см. рис. 18-2 0). Однако и плоскость деления, и время

2'оо--;;км (Б)

(А )

РИС .

L_J

25

мкм

18-32. Борозда деления образуется за счет действия кон -

трактильного кольца , лежащего под плаэмалеммой . На этих ска­
н ирующих электронных микрофото г рафиях делящейся зиготы лягушки

особенно хорошо разли ч има борозда дробления . (А) Поверхность яйца

при малом увеличении. (Б) Вид борозды дробления при большем увели­

осуществления цитокинеза детерминир уются митотиче­

чении . (С разрешения

с~<нм в ретеном .

64: 279- 290, 1976.)

Sigma Xi

из: Н.

W. Beam and R. G. Kessel, Ат . Sci.,

Цито к инез

569


сохра нивши еся межполюсные микротрубочки
центральной части веретена деления

контрактильное кольцо из актиновых

и миозиновы х филаментов в борозде
деления

(Б)

10

мкм

РИС.

18-33.

Контрактильное кольцо разделя ­

ет клетку надвое . (А) Сканирующая эл ектро нн ая
микрофотография культи вируемой животной клет­
к и на по следн ей стадии цитокинеза. (Б) Схе матич­

ное изображение такой же клетки; по казано кон­
трактильное кольцо под плазмалеммой и остат­

ки двух наборов межполюсных микротрубочек .
(В) Тран смиссио нн ая электронная микрофотогра ­
фия делящейся животной клетки . Деле ни е почти
заверше но , но дочерни е клетки е ще соединены

тонким тяжем цитоплазмы , содержа щей остатки

п е рекрываю щи хс я межполюсных микротрубочек
центральной части веретена деления . (А
решения

Guenter Albrecht-Buehler,
ния J.M. Mullins.)
Контрактильное кольцо животных клеток
состоит из актина и миозина

В

-

-

с раз­

с разреше­

кля11 11 ую иголку, в ставл е нную внутр~, кл етки п е р етt цито ­

кинезом _ Это усилие создается сколыкени ем актиновых
филам ентов 1 ю миоз иновым ( см. рис.

17-39),

прим ерно

Контракти л 1,ное коль ц о состоит в ос новн ом из пере кры ­

так же как лри мыш е чном сокра ще 1-1ии. Од нако , в отличие

вающихся п учков актиновых и миоз и1ювы х филам е нтов

от сократимого ап парата мышц, ко11тракти л 1, но е коль по

( РИС. 18-33).

собирается в анафазе и прикрепляется

представляет собо й временную структуру : оно соб ирается

к связанным с мембраной белкам на цитозолыюй сторо­

для осуществления цитоюн1 еза, по сте п енно уме 11ьшается

0 110

н е плазмалеммы . После сборки кольцо может создавать

1:1 ра з м е рах по ходу цитокин еза и 1юл1юсп, ю и счезает по­

достаточ н о бол 1,шое уо1J1и е, чтобы и зо п-rуть то 11кую сте-

сле разделе ни я клетки н а /tв е дочерние.

РИС .

18-34. Животные клетки меняют форму во время

М - фазы. Н а этих микрофотографиях деля ­

щегося в культуре мышиного фибробласта одна и та же клетка сфотографирована в сл едую щие друг за

другом моменты времени. Обратите внимание , как кл етка округляется при вступлении в митоз . Затем
две дочерние клетки вновь распластываются после завершения цитокинеза. (С разрешения

Albrecht-Buehler.)

570

ГЛАВА 18. Клеточный цикл

Guenter


Д ел е ни е 1<J1 етки у м н о ги х ж и вот н ы х со пр о вождается

ющими клетками и вн еклето ч ны м матр иксом ; благодаря

резкими из м е н ни я ми ее формы и ослаблен ием ко нтак ­

этому новы е кл етки , образу ющиеся при деле нии , могут

тов между кл еткой и ее сосед ями и/ ил и м ежду клеткой

1-юрм ально р аз ме . щ аться внутри т ка ней.

11 вн е клеточным

матри ксо м. Отчасти из менения с вя заны

с реорга низаци е й а ктиновых и миоз и 1-ювых фил ам еитов

в кортексе КJ1 етки, и сбо рка конт ракти л ьноrо кольца

Цитокинез растительных клеток включает

-

формирование новой клеточной стенки

Jtи 1н1, од ин и з ас пе ктов этой пер естройки . Нап ример, фи ­

бробласты м лекопита ю щ и х в кул ьту ре р ас пл астаны по

У въrcIJJИ X расте н ий мех ани зм ци токин еза совершенно

субстрату и упло щен ы благодаря мощ ным ад гезивны м

иной , чем в клетках животных ; в е роят н о, это с вя з ано с н а­

ко 1-rтакта м с п ове рх ност ью , н а кото рой их выр ащивают

личи ем у растительных клеток жесткой кл еточной стенки

( субстратом) . Одна ко при вступлении фибробластов в
М - фазу они округляются. Из ме и ение формы клеток свя ­

работе контрактильноrо коль ца у поверхиости ю1 етки , а за

зано с те м, что н екотор ы е ме мбранные белки , отве чаю ­

сч ет создания новой стен ки, формирую щейся внутри деля­

щие за ее прикр е п ле ние к субстрату,

( см .

щихся клеток. Положение новой стен ки четко детермини­

фосфоридиру ются и ослабляют свою хватку.

рует положение двух дочерн и х кл еток отно сительно сосед­

1:л.

20) -

-

и нтегрины

( см . гл. 20). Две до ч ерние кл етки разделяются не благодаря

По сле заверше н ия цитокинеза доч ерни е кл етк и восста­

них. Таким образом , плоскости I<леточиых деле ний вместе с

навливают свой про чный контакт с субстратом и вновь

последую щим ув едИче ние м раз меров клеток оп ределяют в

у площаются ( РИС.

коне чном и1ете форму растен ия.

Цикл

18-34) . П ри делении в н ут ри ткани этот

прикр е пле ния - от к р е п ле ния,

вид имо,

Новая

п оз воля ет

\_____!

клеточная стенка начинает формироваться

между наборами разделившихся хромосом в на ч ал е тело-

!<л еткам ж ивотн ых п е р естроить с вои контакты с окр у жа -

\'-----=-==----'/
формирующаяся
новая клеточная

=,~
,, \\11
ОJ~~~сь°&
11

\\\ ~~

1(1\\

~-

<]

[>

111

микротрубоч ки
фрагмопласта

плаэмалемма

(А)

\

/

и сходная

пузырь ки ,

клеточная

отд елившиеся

стенка

от аппарата Гольджи

РИС .

18-35.

(Г)

50

м км

сформированная новая

фрагмопласт

клеточная стенка

(В)

(Б)

телофаэа

\

Цитокинезом растительной клетки управляет специализированная структура, со­

стоящая из микротрубочек

-

фрагмопласт. В н ач але телофазы после расхождения дочерни х х ро ­

мосом н ачинается сбор ка н ово й кл еточно й сте н ки внутри деляще йся кл етки , возле пр ежнего экватора
в е рете на (А) . М ежполюс ны е ми к ротрубоч к и митотического ве ретен а, сох ра няющие ся в телофазе , фор ­

мируют фрагмопласт и н аправляют пузырьки к эк ватору веретена. Здесь м е мбранные пузырьки , отде­
ляющи еся от а ппарата Гольджи и за полненны е мате риалом клеточно й сте н ки , сливаются и формируют
н о вую растущую кл еточную сте н ку (Б) , которая раз растается к периферии , достигая пл азмалеммы и и с­

ходно й клеточно й сте н ки . Плаз м ал е мм а и м е м брана , окружающая новую кл еточную стенку (обе по каза ны
красным) , слива ютс я , полностью раздел я я дв е доч е рни е кл етки (В). На рисун ке (Г) по казан а с ветовая
ми крофотографи я растител ьн ой клетки в телофазе

-

на стадии , соответствующе й схе м е (А) . Кл ет ка

ок ра ш е на , чтоб ы бы ли видны м и кр отрубоч к и и два н абор а доч е рни х хромос ом у полю сов ве рете н а . П о•
л оже ни е но вой растущей клеточной сте н ки п оказа н о стрел ками . (Г - с р аз ре ш е ния

Andrew Bajer.)

Цитокинез

571


фазы. Процессом ее сбо рки управляет структура, называ­

КОНТРОЛЬ ЧИСЛА И РАЗМЕРОВ КЛЕТОК

емая фраrмопластом (phгagmoplast) , которая формирует­
ся из остатков межполюсных микротрубо ч ек н а эквато ре

Оплодотворе11 11 ые яй 11еклетки мы11 1 и и человека им е­

распадающегося митотического веретена. Мел кие м е м ­

ют сход ные размеры, а взрослая мышь 11 ам н ого меньu 1 е

бранные пузырьки, отделяющиеся главным образом от ап­

взрослого человека. Какие различия систем контроля

парата Гольджи и за полненные полисахаридами и rлико­

поведения клеток у мыши

проте идами, н еобход имыми для постройки матрикса кле­

зам етн ой разнице в размерах? Тот же фундаментальный

точной стенки, транспортируются вдоль микротрубоч ек к

вопрос мож110 задать про любой орган или ткань како­

фрагмопласту. Здесь они сливаются и об разуют ;~исковид­

го-либо организма. Какие настройки клеточного пов еде­

и ч еловека приводят к столь

ную, окруженную м ембраной структуру. Она рас ширяется

ния объяс 1-1 яют длин у тела слона или размеры его мозга

к пер иферии при слиянии с н ей следующих п узырьков и, в

и его п ечени ? Отв ет ы н а эти вопросы в общем-то неиз­

конце концов, достигает плазмалеммы и клеточной стенки

вестны, но мож н о хотя бы сказать, какими должны быть

материнской клетки, разделяя ее надвое ( РИС. 18-35) . Поз­

составные части та1<ого ответа. На размеры тела и разме­

же, завершая конст ру ирова ние н овой кл етоlп-юй стенки,

р ы орrа ~ю в влияют три ос н ов ны х пр о ц есса : рост клеток,

внутри ее матрикса откладываются целлюло зные микро­

деление клеток и их 1·ибель. Каждый из этих процессов ,

фибриллы .

в свою ОLrередь, за висит от внутренних программ отдел 1, ­

иой клетки и регулируется сигналами, получаемыми от

Мембранные органеллы распределяются
при делении между дочерними клетками

других клеток тела.

В да ином разделе мы сначала разберем, как организ­
мы удаляют лишни е клетки с помощью одной из форм

-

Среди органелл митохондрии и хлоропласты не могут

запрограммированной

самопроизвольно собираться из отдельных компонен­

(apoptosis).

тов; они образуются только в результате роста и деле ния

стимулируют выживание, рост и делеи и е клеток и таким

ттредсуществующих органелл. Аналогич но, клетки н е мо ­

образом помогают контролировать разме ры тела и орга­

клеточной

с м е рти

апоптоза

Затем мы обсудим, как внеклеточные с игналы

гут за~юво создавать э н доплазматическую сеть (ЭПС)

нов животных. Мы завершим этот раздел коротким рас­

или аппарат Гольджи (АГ), если в них нет участков этих

смотрен ием и нгибирующих сиг~-1 алов, которые позволяют

органелл, которые способны расти . Как же при делении

держать эти три процесса под ко1пролем.

удается достичь попадания этих мембранных органелл в
каждую из дочерних клеток?
Такие органеллы, как митохондрии и хлоропласты,

обычно присутствуют в клетке в достаточно большом

Апоптоз помогает регулировать
число клеток у животных

-

числе и могут надеж н о наследоваться, если в средием их

Кл етки мноrоклетоlшого ор 1·анизма

число удваивается за каждый клеточный цикл. ЭПС в

ни зован но 1:о сообщества. Число члеиов сообщества четко

чле1-1ы высокоорга­

интерфазных клетках связана с ядерной мембра~юй, а ее

регулиру ется

расположение определяется микротрубочками цитоске­

сти делен ия , но и путем контроля темпов гибел и клеток.

-

причем не только путем контроля скоро­

А). Посл е вхождения в М-фазу ре­

Если клетки болъше 11 е нуж ны орr·анизму, они могут за­

организующиеся микротрубочки отделяются от ЭПС; в

пустить в 11утриклеточную программу самоубийства - за·
программированной клеточной смерти (program med cell
death). У животных наибол ее рас простра11ен 11 ая форма за·

лета (см. рис.

17-18,

больши н стве клеток ЭПС при этом остается интактной
в ходе митоза и разделяется иадвое при цитоки незе. АГ в
ходе митоза фраrме нтируется, а его фрагм енты моторные

прираммированной клеточной смерти называется апоn·

белки связывают с микротрубочками веретена, обесл ечи­

тозом (от zреч.

apoptosis -

л и стопад).

вая продвижение фрагм ентов АГ в дочерние клетки по

Количество клеток, вступающих в аттоптоз, может

мере удлинения веретена в анафазе. Другие компоненты

быть удивительно велико как у разв ивающихся , так и У

клетки, включ.ая все растворимые белки, при делении рас­
пределяются случайным образом.

Обсудив, как клетки делятся, верн емся к одной важ­

ной пробл еме

или его opra~1a;

как детерминируются раз м еры животного
это прив едет нас к рассмотр ен ию того, как

контролируется число клеток и их размеры .

ВОПРОС

rl' точной стенки, разделяющей дочерние клетки при делении

клетки растения (см . рис . 18-35). Опишите в частности , где

окажутся белки , доставленные в пузырьках из аппарата Гольдж и, и
где будут располагаться те их части , которые были направлены в по­

лость пуэ ырьков .( Строение мембраны см. в гл .

572

ГЛАВА 18. Клеточный цикл

разующихся не рвных клеток вскоре гибнут. У здо рового
взрослого человека в костн ом мозге и кишечнике ежечас­
но погибают миллионы клеток. Кажется, что г ибель столь
большого числа клеток - расточительство, тем более,
большинство и з них вполне здоровы в момент самоут-1ич­
тожения . Для

18-8

А Нарисуйте подробную картину формирования новой кле­

8

взросл ых живот ных. Например, в развивающейся нерв­

ной системе позвоночных в норме более по1ювины об­

11 .)

LJ el""o

служит это массовое « клеточно само­

убийство>>?

В некоторых случаях ответ ясен. Налример, с помо­
щью апоптоза формируются в ходе развития л алъ цы на ла­

пах у мыши и 1-ia наших руках и 1югах. Снач ала формJ!IРУ'

ющиеся лапы похожи на лопатки, а пальцы образуются на
~1их за счет гибели клеток в межпал1,цевых промежутт<а)(
(РИС . 18-36 ). В других случаях клетки гиб~1 ут, если болъu.rе


Апоптоз опосредуется внутриклеточным
протеолитическим каскадом

Клетки, погибающие в р езулътате острой травмы, обыч­
но набух ают и лопаются , а их содержимое выливается
наружу и действу ет на соседей. Этот процесс наз ывает­

ся не1<.розом (л.ecro s is) ( РИС. 18-38, А ) . Выход клеточно­
го содержимо~-о запуск ае т потенциально опасную вос­

1

мм

палит ельную реакцию. Напротив, при апоптозе клетки

гибнут аккуратно, не п овреждая соседей. В << муках »

РИС. 18-36. За счет апоптоза на развивающихся мышиных лапах

апо пто за

образуются пальцы. (А) Лапа этого мышиного эмбриона окрашена с

денсируется (рис.

помощью красителя, специфически метящего вступающие в апоптоз

ядерная оболочка распадается , а ядерная ДНК разр еза­

клетки. Апоптотические клетки выглядят как ярко-зеленые точки между

ется иа фрагм енты ( ВИДЕО 18.7). Что более существенно,

развивающимися пальцами. (Б) Как видно на этой фотографии , сдела н­

поверхиость клетки видоизменяется таким образом, LJТO

клетка сморщивается,

18-38,

а ее

содержимое

кон­

Б). Цитоск елет раз рушается,

ной днем поз же, за счет клеточной смерти удаляются ткани, располо ­

моме н тально привлекает клетки-фагоциты

жен ные между развивающимися пальцами. Здесь апоптотических кле ­

их особую разновидность , называемую макрофагами

ток уже почти не осталось . (С разрешения

(см . ри с .

из:

ч ес кую клетку до того, как из н ее вылъется содержимое

The Company of Biologists Ltd
W. Wood et al., Development, 127: 5245- 5252, 2000.)

(рис .
ВОПРОС 18-9

. . . Считается, что фрагменты аппарата Гольджи , на которые он

rl' распадается во время митоза, распределяются по дочерним

8

клеткам случайным образом . Объясните , почему такой же

способ не годится для распределения х ромосом .

15-32,

18-38,

-

обычно

Б). Эти клетки заглат ывают аполтоти­

В) . Быстрое удаление погибающих клеток

позволяет избежать вредных по следствий, наблюдаю­
щихся при н екрозе, а клетки-фагоциты могут повторно
и с пол1,зоват 1, органиL1еские вещества проглоч е нных по­

гибших клеток
За апоптоз во всех животных клетках отвечает сход­
ный механизм . В его состав входят каспазы

(caspases) -

особое семейство протеаз. Они: синтезируются в виде не­
активных пр ед шеств е нников

-

прокаспаз (pгocaspases ).

В ответ на сигнал, индуцирующий алоптоз, прокаспа з ы
Не нужна состоящая из них структура . Когда головастик в

обычно активируются за счет их протеолитического рас ­

Ходе метаморфоза превращается в лягу шош<а, клетки хво­

щ е пле ния . Активированные каспазы расщепляют и ак­

ста погибают, и хвост, который не нужен лягушке, и с ч еза­

тивируют другие прокаспа з ы; возникает протеолитиче­

ет ( РИС. 18-37). В обоих случаях ненуж ные клетки гибнут

ский каскад с усилением ( РИС. 18-39). Под их действием

nутем апоптоза.

рас падаются также д руги е важней ши е клеточные белки.

Во взрослых тканях, если они не растут и не уменъ­

Наприм ер, одна из каспаз разру шает ядерные ламинъr,

UJаются в объеме, п роцессы клеточной смерти и деления

формируюш:ие ядерную пластинку под оболочкой ядра;

1<лсток

прои сходит н еоб ратимый распад ядерной ламины ( см.

тоL11-ю сбаланси рованы. Наприме р, есл и у взрослой

L<рысы удалить ч астъ пе чени, клетки п ече ни разм ножают­

ри с .

ся, возмещая утрату. Если же на к рысу воздействовать ле ­

ст ро и чи сто , а ее останrш поглощают

l<арство м фе нобарбиталом, которое стимулирует деление

другие клетки.

l<леток печени, то ее разме ры увеличиваются. Однако ког­
да воздействие фе нобарбитала 11рекращается, усиливается

18-3 1).

Таким путем клетка демонтирует себя бы ­

Активация

и

переваривают

программы алоптоза , как и

вхождение

в новую фазу клеточ ного цикла , обычно происходит 110

апоптоз клеток печ ени , и ее разме ры возвращаются к нор ­

принципу .~ все или нич его,>. Протеолит ический каскад не

м:е (обычно примерно в течен ие недели ). Таким образом,

только разрушителен

с помощью регуля ции как деления, так и смерти клеток

1-1.еобратим: достигнув критической точки н а пути к само­

llоддерживаются постоянные размеры п ече ни:.

униLrтожению, r<летка не может повернутъ назад. По этом у

и прои сход ит с умножением, но и

принятие решения о са моубийстве долж но тонко контро­
лироваться.

ВОПРОС

18-1 О

А Как вы думаете , почему апоптоз происходит при помощи ино ­

РИс. 18-37. Когда головастик превращается в лягушку, индуциру­
еrся апоптоз клеток хвоста. Все изменения , происходя щи е при мета­
морфозе , в том числе апоптоз клеток хвоста головастика, индуцируются
nовышением уровня тиреоидного гормона в крови.

rl' го механизма, чем клеточная гибель при некрозе? Что могло

8

бы произойти, если бы апоптоз не осуществлялся настолько

аккуратно и управляемо , что в ходе него клетка разрушает себя из­

нутри , а ее содержимое не попадет в межклеточное пространство?

Контроль числа и размеров клеток

573


(А)

(Б)

РИС .

18-38.

10

мкм

(В)

поглощенная

клетка-фагоцит

мертвая клетка

При апоптозе клетки погибают быстро и аккуратно. Н а электронных микрофотогра ­

фия х показана гибель клеток при некрозе (А) и апоптозе (Б и В) . Клетки на фото А и Б погибли в кулыу­
раль н ой ча ш ке, а клетка на фото В п огибла внутри ткани развивающегося организма и была прогл очена
фагоци то м . Обратите внимание , что клетка на фото А лопнула , а на фото Б и В клетки съежились , но
остались целыми. Крупн ы е вакуоли , которые видны в цитоплазме клетки на фото Б , иногда появляются

при апоптозе. (С разрешения

Julia Burne.)

(А ) активация прокаспаз

(Б) каспазный каскад с усилением

при расщеплении

одна активная

большая
субъедини ца

мол екула каспазы Х

РАС Щ Е ПЛ Е НИ Е

--- ....

И ОБЪЕД И Н ЕН И Е

1

сайты рас­
ще пл е н ия

со он

с о он

две неактивные

~

~

«лишние»

мол екулы

доме н ы

пр окас п азы

-

одна активная
молекула

каспазы

множество активных молекул каспазы У
расщепление

/\ /\ /\

еще большее число активных молекул каспазы

ядер ны х л аминов

Z

расщеп л ение
ц итозольных

белков

РИС .

18-39.

Апоптоз опосредуется внутриклеточным протеолитическим кас к адом . (А) Каждая

суицидная протеаза (каспаза) образуется из неактивного профермента - про кас пазы , которая обы ч но
активируется путем протеолитического рас щепления другим белком этого же семейства проте аз: от­
щеп л енные фрагме н ты двух мол екул прокаспаз объединяются и образуют активную каспазу, состоя­
щую из двух малых и двух больших субъединиц (еще два домена профермента обычно ра з рушаются) .
(Б) Каждая активированная каспаза может расще п ить множество други х мол екул прокаспаз , активируя

их ; те , в свою очередь , могут активировать еще больше молекул прокаспаз . Таким образом , исходная

активация небольшо го числа молекул протеаз может запустить усиливающуюся цепную реакцию (ка­
скад) и взрывообразную активацию большого числа молекул протеаз. Затем некоторые активирован ­
ные каспазы расщепляют важные клето ч ные белки , например ядерные ламины, что приводит к ко нтро­
лируемой гибели клетки .

574

ГЛАВА 18. Кл еточный ци кл


Про грамма клеточной гибели регулируется

тазу ( РИС. 18-40). Сами белки Бах и

внутриклеточными белками семейства Вс12

другими пр оапоnтот и ческим и белкам и семейства

которы е
Все к; 1 етки живот н ых с ядром содержат семена собстве1-1-

1-1 удивитель­

н о, ч то акти в н ост 1, п рокаспаз в н ут р и кл етки то н ко р егу­
лирует ся

-

пр огра м му смерти н уж н о де р жать п од ко нтр о ­

акт ивируются

Bcl2,

ил и акти в ируются пр и разл ичн ы х

п ов р ежде н иях клет ки, н а п риме р при п ов р ежде н ии ДНК.

Д ругие белки семейства В с 1 2, включая сам Вс 1 2, н е

1 ю~i гибели: неактивные nрокас п азы в них только ждут
си 1'1-1с1л а, чтобы у н ичтожить клетку. Поэтому

061азуются

Bak

стимулируют, а подавляют лрокаспазиую акт и вн ость и за­

пуск а п ол тоза. В част н ости, он и блок ируют с пособ 11 ост ь

Бах и

Bak в ысвобождать цитохром с и з

м итохондрий. Не­

котор ые стимул ирую щи е а п о птоз белки семейства Вс 1 2

лем, п ока она 11 е по н адобится.
Глав н ы е регулято р ы актив ности nрокас паз

тр 111<леточные белки семейства Вс\2 (Вс 1 2

- это вну­
famil y). Неко­

(например, белок

Bad)

связ ы ваются с Вс 1 2 и д руг и м и а н ­

тиапоптоти ч ески м и бел](ами этого семейства и блокиру­

тор ы е белки этого семейства актив ируют п ро](ас п азы и

ют и х актив н ость (см . р ис.

сп особствуют клстоtrн ой г ибе;1 и, а д р угие ингиб ируют ее .

Два н аиболее важных белка семейства, способствующ ие

ни им енн о от балан са про- и антиал оптоти чески х белков
семейства Bcl.2 зависит, будет ли клетка млеко п итаю щего

аnоптозу, называются Ва.,"С и

жит ь или умрет путем ало n тоза.

Bak.

Эти белки активируют

прокаспазы, с п особствуя выходу цитох р ома с из мито­

В нутриклето чн ая

16-34 ).

программа

В знач ительной сте пе­

сме рти

р егул ируется

хо н д р ий в цитозолъ . Ц итох ром с за пускает сборку боль­

также си шалами д р уги х клеток , кото ры е могут акт ивир о­

ш ой, колесов и д н ой структу ры с семью ручкам и , кото р ая

вать или. л одавлять ее. В действительности и выжи вание,

Нрисоеди няет молекулы о пр еделе 1-1 1-1 ы х п рокас паз и об­

и

разует белков ы й ком п лекс

с ип1 алам и . Эти сипrалы 110моеают м 1-1Огоклеточ н ым о р га ­

-

апоптосолtу

(apopto

о т е) .

делеJ-1и е,

и рост клеток

р егулируют ся

внеклеточ 1°1ы ми

В составе апоптосомы молекул ы прокаспаз активи ру ют­

низмам ко н т р олировать число и разме р ы клеток, и сей ч ас

ся и за п ускают кас паз ный каскад , приводящий к апоп-

мы перейдем к обсужде ни ю м еханизмов это го ко нтрол я .

адаптерный ~J

Q""

белок

выход

ЦИТОХРОМА С

про каспа эа-9

апоптосома

l_

.·. L

АКТИВАЦИЯ

ПРИ СО ЕДИН ЕН И Е

АДАПТ Е РНО ГО Б ЕЛКА

МОЛ Е КУЛ

ЦИ ТОХ РО М О М С

ПРОКАСПАЗ Ы -9

акт и вированный
Вах или

Bak
АКТИВАЦИЯ ПРОКАС ПАЗ Ы -9
В СО СТА ВЕ АПОП ТО СОМЫ

ц итохром с

КАСПАЗНЫЙ КАСКАД ,
ВЕДУЩИЙ К АПОПТОЗ У

в межмембра нн ом
п р о стра н стве

"

АПОПТОТИЧЕСКИЙ
_
_........
___
ст им
.......,
Ул

митохондрия

РИС . 18-40. Вах и Bak - проапоптотические белки семейства внутриклеточных белков Вс12 ,
которые могут запус кать апоптоз , высвобождая цитохром с из митохондрий . Ко гда а поптот иче­

с ки й стимул а ктивирует Вах или

Bak,

они встраиваются в наружн у ю мембрану митохондри й. Это при ­

водит к выходу цитох ром а с в цито пл азму с помо щью н еизвестного ме ха н изма. Ц итох ром с вы ходит в

цитозол ь и з м еж м е мбра н н ого п ространства митохондрий вместе с другими белками ( н е показаны) .
З атем цитох ром с с вязывается с ада птерным б е л ком , вызывая его сборку в семилучевой компле кс .
Компле кс рек рутирует се мь мол екул с пеци фичной про кас пазы (про каспазы

9), ф ормируя

ст руктуру,

н аз ы вае мую а попто сомо й. В с оста ве апопто сомы про кас паза-9 акти вируется и а ктивирует други е про ­
кас паз ы цито золя ; это в едет к за пус ку кас паз н ого каскада и а п о п тозу.

Ко н троль числа и ра змеров клеток

575


Животным клеткам для выживания , роста и деления

тело

н е рвной

нужны внеклеточные сигналы

клетки

аксон

Одноклеточные организмы

-

нервной

бактерии или дрожжи

обыLJНО стараются делиться как можно быстрее, и ско ­
рость

их

деления

зависит

в

основном

от

апоптотические

нервные

клетки

нервны е клетки

клетки

доступности

ЗА СЧЕТ

питательных веществ в среде . Налротив , клетки м1юrо­
клеточных организмов находятся

-

под контролем

КЛЕТОЧНОЙ

они

ГИБЕЛИ ЧИСЛО

•

выживают только в том случае, если нужны организму, и

делятся только тогда, когда нужны новые клетки

обоих слу1.1аях перед делением клетка должна вырасти.

В СООТВЕТСТВИЕ
мишени

внеклеточных

КЛЕТОК- МИШ ЕНЕЙ

выживания ,

клетками­
мишенями

РИС.

сиrналы,ых

факторы

выделяемые

стато чно ~, алю1ия питательных веществ. Ей необходимо

обычно от своих соседей.

с числом

клетки­

Для выживания, роста и деления животной клетке недо­
также получать химические сигналы от других клеток

НЕРВНЫХ КЛЕТОК

ПРИХОДИТ

либо

-

для роста ткани, либо для замены погибших клеток. В

Большинство

•

18-41.

Клеточная гибель помогает привести в соответствие

мол екул,

число развивающихся нервных клеток и число клеток , которые

влияющих на выживание, рост и деление клеток, л ибо рас­

ими иннервируются . Сначала образуется больш е н е рвных клеток, чем

творимые белки, секретируемые другими клетками, либо

может выжить при ограниченном количестве выделяемых клетками-ми­

белки, связанные с поверхностью других клеток или с вие­
кл еточным матриксом. Большинство и з них

-

положи­

шенями фа кторов вы жи вания . П оэтому некоторые клетки получ ают не­
достаточное для подавления и х программы суицида колич ест во факто­

телы1ые р егулято ры, стимулирующие одии или н есколь­

ров вы живания и в результате вступают в апоптоз . Эта стратегия сверх­

ко из обсуждаемых процессов, но некоторы е действуют,

продукции с посл едующей выбраковкой обеспечивает иннервацию всех

п одавляя определею-, ый процесс. СтимуJLирующие белки

клеток-мишеней и автоматическое удал е ни е « лишних" нервны х клето к.

можно разделить на основе их функции на три основные
груплы.

1.
2.

3.

Факторы выживания обеспечивают выживание 1ше­
ток, в основиом путем подавле ния апоптоза.

ми, которые этим и нейронами иннервируются. Нервные

Митоrены стимулируют делеиие клеток, в основном

клетки, п олучающие достато чно е количество факторов

пр еодолевая действие внутриклеточ1,ых тормозящих

выживания, живут, а остальные умирают путем апоптоза.

механизмов, блокирующих лрохождеиие фаз клеточ­

Таким способом LJИCJJO выживающих нервных клеток ав­

ного цикла.

томатически приводится в соответствие с числом клеток,

Факторы роста стимулируют рост (увелWiение раз­

которые они ин нервируют ( РИС.

18-41 ). Вероятно, сходная

меров и массы) клеток, ускоряя синтез и подавляя рас­

пад белков и других макромолекул .
Эти гру п пы перек рываются , так как многие сигн альные

молекулы

фактор выж ивания

выполняют более одной из переч исле нных

а кт ивированный

функций. К сожалению, термин << ростовые факторы ~ ча ­

рецептор

сто используется как некая всеобъемлющая формула 11ля
обозначения белков с любой из этих функций. Выраже ни е
<< 1<леточ 1,ы й рост ~ тоже часто ислользу тся неверно

-

активирова нны й
, 1 :;.- фа ктор транскрипции

для

обознаtrения роста чи сла клеток, который лучше н азывать
~клетоtrная пролиф е рация ,>.

В следующих разделах мы по порядку ра сс мотрим
каждую из трех групп сигнат,ных молекул.

Животным клеткам нужны факторы выживания,

ЯДРО

чтобы избежать апоптоза

"""!

Для выживания животным клеткам н еобходим ы сигналы
от други х клеток. Лишен ные факторов выживания клетки

включают внутриклеточную программу самоубийства и

гибнут путем а п олтоза. Необход имость сигн алов выжи­

АПОПТОЗ ПО

белок Вс12

ВЛЕН

вания от других клеток обес п ечивает выж.иоание клеток

РИС. 18-42. Факторы выживания часто подавляют апоптоз, регУ·

тоJ 1 ько там и тогда, когда они нужны. Налриме р , нервны е

лируя активность белков семейства ВсI2. В данном случае активи·

кл етки при развитии н е рвной системы образуются в и з­
бытке, а затем конкурируют за ограниченное количество

рованный ре цептор активирует фактор транскрипции в цитозоле. тот
перемещается в ядро, где активирует ген , кодирующи й Вс12 , - белок,

факторов выживания, секретируемых клетками - миш е ня -

подавляющий а поптоз.

576

ГЛАВА 18. Клеточный цикл


зависимосп, от сигналов выживания сосед н их клеток по ­

то 1ш з апускают р азличн ы е в 1-1 ут риклеточн ые сиг н аль ны е

могает контроли р овать число КJ1еток и в д руr11х тка~1 ях,

п ути (см. rл.

как в ходе раз вития, так и у взросл ых органи з мов.

Об ы ч но эти сигнальные пути выключают молекуляр ~r ые

Факторы в ыжива н ия объгlrно действуют, связываясь
с ре цеп то р ам и клеточ н ой п ове р х н ости. Активирова 1-rи ые
р е це птор ы з а п ускают в нутриклеточный с и гн ал ы-1 ы й ка­

16),

кото рые ст и мули ру ют деление клетки .

тормоза, блоки рующ ие переход от G 1 -периода клеточного
цикла к S- ле риоду.

Важ н ый пример такого молекулярного то рмоза

-

скад, п одавляю щи й программу клеточн ой гибели , обычно

ретииобластомиый бело-к:, или RЬ -белок (RetinoЬl astoш a

с помощ ью регуля ции активности белков семе йства В с12 .

(Rb)

Наприме р , н кото рые факто р ы выж и ва~шя усиливают

п ри изу ч ен ии р едкой формы рака глаза, развивающе гося

си нтез

Bcl2 -

белка, подавляю щего апо п тоз ( РИС.

18-42) .

p гotein) . П е рвонач аль н о он был идентифицирован

у детей

-

ретин областомы . При этой форме рака RЬ-белок

дефектен ил и отсутствует. RЬ -белок содержится в боль­
ш их количествах в ядрах всех клеток позвоночных . О н

Митогены стимулируют деление клеток

связывается с о пределенными факто р ами транск р и п ции

Больш и1-1ство митоrенов - это сек ретируем ые сигнальные
белки, связываю щ иеся с рецепторами клеточ н ой пове рх-

дим ы х для разм ножения клетки. Митогены снимают тор­

1-1ости. П осле активации при связыва нии митогена ре цеn-

мозя щее действ и е RЬ- белка так: он и активи руют в 1-1 ут р и-

и н е дает и м стимулировать транскри пцию генов, необхо­

митоген

неактивный рецептор митоrена

активированный рецептор митогена

внутрикпеточный

сигнальный

ядро

путь

активированные
комплексы

активный

G1-Cdkи

RЬ-бепок

G1/S-Cdk
инактивированный
фактор

инактивированный

RЬ-бепок

активный
RЬ-бепок

транскрипции

инактивированн=-х.1й
1

;

фактор

ДНК

транскрипции

ген-мишень

ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
RЬ- БЕЛКА

ТРАНСКРИПЦИЯ

ТРАНСЛЯЦИЯ

+

ПРОЛИФЕРАЦИЯ
КЛЕТКИ

(А) ПОКОЯЩАЯСЯ КЛЕТКА

РИС.

18-43.

(Б)

РАЗМНОЖАЮЩАЯСЯ КЛЕТКА

Один из способов стимуляции размножения клеток митогенами

-

подавление ак­

тивности RЬ-белка. (А) В отсутствие митогенов дефосфорилирова нный RЬ-бело к пода вля ет а ктив ­
ность специфичн ых регул яторов транс крипции . Эти факторы тр а нскрипции стимулируют т ранскрип ­

цию генов - мишен ей, кодирующи х бел к и , необходимы е для пролифер а ции клет к и . (Б) Митогены свя ­
зываются с рецептора ми клеточно й поверхности . Они а ктивируют внутриклеточны й с игн альны й путь ,

ведущи й к образов а нию и а ктивации компле ксов

G,-Cdk и GifS- Cdk. Эти

компле ксы фосфорилируют

и инактивируют RЬ-бело к. Вы с вобожденные фа кторы тран ск рипции запус кают транскрипцию генов­
мишен е й , что приводит к пролиферации клетки .

Контроль числа и размеров клеток

577


Боль шинство митоrе~юв были выявлены и охаракте­
ризова~-1ы благодаря их влиянию на культивируем ы е клет­
ки ( РИС. 18-44). Одним и з пе рвых обн аруже нны х таким
путем митоrенов был тро.мбоцитариый фаюпор роста
(platcl et-d e гi ved

growth

factoг,

PDGF). Et·o

воздействи

L__j

10
РИС.

18-44. Фибробласты

мкм

крысы размножаются при воздействии

ростовых факторов и митогенов. Клетки, показанные на этой фото­
графии, полученной с помощью сканирующего электронного микроско­

па, культивировали с добавлением телячьей сыворотки. Она содержит
факторы роста и митогены, стим улирующие рост и пролиферацию кле­
ток . Сферические клетки в ни жней части фотографии округлились перед
делением (см. рис .

клеточные

18-34). (С разрешения Guenter Albrecht-Buehler.}

сигнальны е

пути,

активирующие

G1- Cdk и Gi/S- Cdk, обсуждавшиеся выше.

комплексы

Эти комплек­

сы фосфори лиру ют RЬ-белок; его конформация меняется,
и он отделяется от факторов транскрипции. Теперь они

могут свободно активировать гены, необходи мые для кле­
точной пролифе рации ( РИС.

18-43) .

фактор роста
рецептор

фактора роста

внутриклеточный
сигнальный путь
нейрон

•
лимфоцит
усиление

замедление

синтеза

деградации

белков

РИС . 18-46. Размеры нервной клетки и лимфоцита очень сильно
различаются. Два типа клеток, нарисованные в одном масштабе, при·

белков

надлежат одному и тому же виду обезьян и содержат одинаковое коли­

чество ДНК. Нейрон быстро увеличивается в размерах после того , как
перестает делиться. В ходе роста нейрона колоссально увеличивается

РОСТ КЛЕТКИ

отношение объема цитоплазмы к объему ядра (для некоторых нейрО·
РИС.

18-45.

Внеклеточные факторы роста ускоряют синтез и за­

медляют деградацию макромолекул. Это ведет к общему увеличе ­
нию массы макромолекул и росту клетки (см . также рис.

578

ГЛАВА 18. Клеточный цикл

16-35).

нов - более чем в 105 раз} . (Нейрон - из В . В . Boycott in Essays оп th e
Nervous System [R . Bellairs and E.G. Gray, eds. ] Oxford U.K.: Clarendon
Press, 1974. С разрешения Oxford University Press.}


на юrет ку сход но с таковым многих митоге но в, открытых

тате остается загадкой, как клетки р аз ны х типов одного и

позд 11 ее . Когда образуется кровяной сгусток (например, в

того же живопюrо выр астают до столь раз ных раз ме ров

ране), тромбоциты входят в его состав и н ачинают выде­
лять PDGF. Зате м PDGF связ ывается с тирозинкиназным
р еце птором ( с м. гл .

16) выживших I<леток

на края х раны и

стимулиру ет их раз множ ение, ускоряя заж ивление ра ны.

Если утраче н а ч асть n etteни (при оп ерации и ли остром

( РИС .

18-46) .

Некоторые внеклеточные сигнальные белки
подавляют выживание, деление или рост клеток

поражении) , клетки п ечени и других тканей выделяют

Р асс мотр е нны е нами

Фактор роста гепатоцитов , который стимулирует раз мно­

ки

жени е выживших клеток п ечени .

торы

-

внеклетоt1 ные сигнальны е бел­

факторы выживания, митоге ны и р остовые фак­

-

действуют со з н аком

<<+ ~,

выз ыв ая увел ич е ни е

раз м е ров тела или отдель ны х оргаиов. Но н екот оры е

Факторы роста стимулируют рост клеток

с игнальн ы е белки противодей ствуют такому влиянию,

Рост организма или отдельного органа так же силь но за­

statin) -

висит от роста клеток, как от их деления. Если бы клет­

давляющий ро ст и деление миобластов (которы е, слива­

ки делились без роста, они становились бы все м ель че , а

ясь, образуют клетки скелетных мышц в ходе разв ития

общая клеточ н ая масса и е увел иtrивалас ,,. У одноклеточ­

подавляя

рост

тканей ,

наприм е р

мuocmamuli

(шyo­

се кр етир уе мы й сигнальный белок, в норм е п о­

млекопитающих) . При отключении у мышей ге на , коди ­

ных организмов, например д рожжей, дл я роста (как и для

рующ е го мио с татин ,

деJtен:ия) клеток нужны только питательны е вещества.

ко раз больше, ч ем в норме, по скол ьку ув еличивается и

их

мышцы становятся в

1-r ес коль­

У животных, напротив, и рост клеток, и их деление зависят

Lfисл о , и раз меры мыше чны х клеток . Замеtrател ,,но, LJТO

от сигналов других клеток. Одн ако рост клеток, в отличие

две мя сны е породы коров , как оказалось, им е ют мут а­

от деления, не зав и с ит от с и сте мы контроля клеточного

ции в г ен е мио ст апj/-[а ( РИС.

ЦЮ<ла ни у животиых, ни у д рожжей . Действительно, мно ­
гие животные клетки, в том числе нервные и мышечные,

18-47) .

Как мы покажем в закл ючительной главе, рак

-

это

тоже р ез ультат мутаций, подавляющих в клетке нормал ь­

наиболее активно растут уже после того, как становятся

ный << со циал ьный контроль~ за выживанием, ростом и

специализированными и навсе гда перестают делиться.

размножеи ием клеток. Поскольку раковые клетки обычно

Как и большинство факторов выживания и митоге­
liов, вн еклеточные факторы роста обычно связ ываются
с р е цептор а ми клеточной пове рхн ости, а те активируют
Различны е внутриклеточные сигналь ны е пути . Это при­
водит к накоплению белков и других макромолекул, nо­
С1<ол ьку увеличивается скорость их синтеза и снижается
Сl<Орость деградации ( РИС. 18-45). Некото ры е внеклеточ­
ные сигнальн ые белки, в том числе PDGF, действуют и
I<ак факторы роста, и как митоrены, одновременно сти­

мулируя рост и прохождение стадий клеточного ци кла.

Благодаря этом у кл етка достигает н ужного размера пе­
Ред тем, l<ак подел иться.

По с равнению с контролем деления контроль разме­
Ров клеток животных изучен удивительно слабо . В резу ль -

меньше за ви сят от сигн алов других кл еток , ч е м нормаль­

ные, они могут побеждать нормальных соседе й в выжива­

нии, росте и раз множении, образуя опухоли, способ ные
убить хозяина.
Когда мы говорили о делении клеток, мы всегда име­

ли в виду обычное деле ние, при котором образуются две
доч ерние клетки с полными и идентичными н аборами
генетического материала, такими же, как в материн ско й

клетке. Но существует другой, особый тип клеточного де­

ления

-

мейоз

(m eiosis) . Он необходим для

полового раз ­

множения эукариот. В следу ющей главе мы обсудим осо­

бенности мейоза и то, как они связаиы с генетиLfескими
принципам и , лежащими в основе закоао в н аследован ия
приз н аков.

РИС.

18-47.

Мутации в гене миостатина приводят

к резкому увеличению мышечной массы. П орода

Belgian Blue

был а выв еден а сел ек ци онерами . Лишь

п оздн ее выяснилось , что она обладает мутацией в гене
миостатина . Мыш и, у которых намеренно отключен тот
же ген , тоже имеют громадн ые мышцы. (С разреше ­

ния Scientific American
62-69, 2004.)

из: Н .

L. Sweeney, Sci. Ат ., 291:

Контроль числа и ра змеров клеток

579


ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

•

•

му в противоположных направлениях , в результате хромо­

граниченных фаз. В ходе S-периода удваивается ядерная

сомы выстраиваются по экватору веретена .

ДНК; в М-фазе делится ядро (митоз), а затем и 11ся ~<летка

•

В большинстве клеток S-периоду предшест11ует G 1 -период,

вопоJюжным потосам веретена. Два полюса также удаю,­

а за S-периодом следует G 2 -период. Блаюдаря этому у

ются друг от друга, еще сильнее разделяя наборы до•tер­

•

клетки есть больше времени для роста и подготовки к со­
бытиям S-периода и М-фазы.

них хромосом .

•

обеспечивающие соответствующие фазы цикла.

Cdk).

вых ядра, и этим митоз заканчивается .

•

1<леточноrо

цю<ла;

это

тельно запускать события цикла.

позволяет

Cdk

последова­

циклически акти­

ное распределение по дочерним клеткам.

•

контрактильное кольцо из а,пиновых и миозиновых фи­

одн·их аминокислот и дефосфорилировании других. Ак­

ламентов. Оно собирается посередине между полюсами

Cdk

фосфорилируют ключевые клеточ11ые

веретена и сокращается, деля цитоплазму надвое. В расти­

белки.

тельных клетках цитоплазма разделяется пополам за счет

Различные комплексы циклин- Сdk запускают разные

формирования новой клеточной стенки внутри материн­

фазы клеточного цикла.

ской клетки.

клетки в М-фазу,
и

•

S- Cdk -

M- Cdk обеспечивает вхождение
G1- Cdk - прохождение S-периода , GifS

•

вступление в S-период.

запускающие

протеолиз

определенных

налы,ых факторов, влияющих на выживание, рост и деле­

регуляторов

клеточного цикла на тех или иных стадиях цикла.

ние клеток.

•

-

программу самоубийства и убивают себя.

контрольно-пропускных пун­

ктах, или чекпойнтах. Это позволяет убедиться, что усло­

•

ферментов

для

шественников (прокаспаз). Прокаспазы часто а.ктивиру·

прохождения

цикла,

а

также

начинать

следующую

Работа некоторых чекпойнтов зависит от активности ю,­
rибиторов

Cdk,

S- Cdk

ко там и тогда, ко,·да они нужны организму.

•

внеклето•шыми митоrенами, которые выделяют другие

запускает митоз, начинающийся со сборки мито­

ходимости . Митоrены активируют внутриклеточные сиг·

клет1ш. Благодаря этому они делятся только по мере необ·

тическоrо веретена из микротрубочек, которое впослед­

нальные пути, которые отклю•щют внутренние тормоза,

ствии растас1швает дочерние хромосомы к проти11ополож­

блокирующие прохождение клеточного цикла.

ным полюсам кдетки.

•

•

Клетки животных размножаются только при стимуляцJII!

G 2 препятствуют удвоению

Gi, S и

поврежденной ДНК.

•

Чтобы избежать апоптоза, большинству животных клеток
механизм, видимо, обеспечивает сохранение клеток толь·

юmциирует удвоение ДНК в S-периоде и обеспе­

ном цикле. Чекпойнты в

M- Cdk

каспаз, образующихся из неактивных пред·

требуются постоянные сигналы от соседних клеток. Этот

подавляющих активность одного или не­

чивает однократное копирование генома в 1<аждом клеточ­

-

ются при их 11ротеолити•1еском расщеплении каспазами.

•

скольких комплексов циклин - Сdk.

•

Апоптоз зависит от работы семейства протеолитических

вия внутриклето•шой и внеклеточной среды благоприятны
стадию только после поЛ11оrо завершения предыдущей.

•

Многие нормальные клетки в течение жизни организма

гибнут путем апоптоза; они активируют внутриклеточную

Система контроля 1<леточноrо цикла может останавливать
его в определенных точках

Число клеток у животных регулируется совместным дей­
ствием внутри.клето•шых программ и внеклеточных сиr­

В системе контроля также участвуют белко11ые комплек­
сы,

•

В животных клетках за разделение цитоплазмы отвечает

вируются при связывании циклююв, фосфорилировании

тивированные

•

Во время М-фазы аппарат Гольджи распадается на множе­

ство мелких фрагментов, что обеспе•tивает его равномер­

Концентрация циклинов растет и падает в определенные
моменты

Вокруг каждого из наборов разделившихся хромосом
вновь формируется ядерная оболочка; образуется два но­

ре1·уляторной (циклина) и ка­

-

талитической (циклин-зависимой протеинкиназы,

•

сборка и разборка микротрубочек.

•

В систему контроля 11ходит набор протеинкиназ, состоя­
щих из двух субъединиц

За движение хромосом к полюсам отвечают мотор11ые

белки, связанные с микротрубочками веретена, а также

Система контроля клеточного цикла координирует его со­

бытия, последовательно включая и выключая механизмы,

•

Внезапное разделение сестринских хроматид позводяет

образующимся дочерним хромосомам разойтись к вроти­

(цитокинез).

•

Микротрубочки от двух полюсов тя-нут каждую хромосо­

Клеточный цикл эукариот делится на несколько •1етко раз­

•

Чтобы обеспечить рост организма или органа, клеткu

Микротрубо•1.ки отходят от удвоившихся центросом. Не­

должны не только делиться, но и расти. Рост клеток жu·

которые из них взаимодействуют с микротрубо•1ками, от­

вотных зависит от внеклеточных факторов роста , кото·

ходmцими от другого потоса, становятся межполюсными

рые стимулируют синтез белков и подавляют их дегра·

и формируют веретено.

дацию.

В сборке веретена участвуют также центросомы , связан­

•

На размер клеток и рост тканей могут 11лиять также вне·

ные с ми r<ротрубочками моторные бел1ш и сами удвое ,шые

t<Jtето•шые ингибирующие сигнальные бешш, противодеti·

хромосомы .

ствующие положительным регуляторам роста, выживанu.11

Когда ядерная оболо•rка распадается, микротрубочки ве­
ретена входят в район ядра и присоединяют удвоенные

хромосомы . Микротрубочки связываются с белко11ыми
комплексами

-

кинетохорами , расrюложе1шыми на цен­

тромерах каждой сестринс1юй хроматиды.

580

ГЛАВА 18. Клеточный цикл

и деления клеток.

•

Раковые клепш не подчиня-ются нормальному 4Обще·

ственному 1юнтролю• клеточного поведения и поэтоМУ
1
превосходят нормальные клетки в выживанин, скорост•
роста и деления.


КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

G1-Cdk
G 1 -nериод
G 2 -nериод

семеАсnо Bd2

кинетохор

с:ес:тринаси• хрома-

кпеточнwА цикп

GifS-Cdk

коrеаин

G~/S-цикпин

конденс:мн

M-Cdk

1СОНД8НСОЦИ11 Хро-

М-Фааа

><

касnааа

мосом

о

1-

ф

~
><
:s:

ТИД111

><
(.)

система контром

ф

:r
:s:

меточноrо цима

1-

о

теnофааа

:s:

:;

фактор IIIDICИICIHИR

><

р53

метафааа

фактор роста

Jj

S-Cdk

митоrен

фраrмомаст

:r
ф

S-nериод
анафааа
anonтoa

ac:rpan11нwe микро-

трубочки

бuок-имrибкrор

Cdk

6иnoмpнOCl'lt
ааnуска1ОщиА ана-

фаау IСОММ81СС

интерфааа

ммтоа

Ц8Н1'рОСОМа

МИТОТИЧ8СIСО8 1ере-

центросомнwА цим

Т8НО
орМДDи-расnоана-

1ОЩИii IСОММ81СС

(ORC)
ПOIIIOC иретена
nроrраммнруема1

ICll8ТOЧttal

СМ8РТ11
nрометафааа
nрофааа

:х:
ф

:;
1:х:
ф

=r
о

ЦИIСIIИН

а.

ЦИIСIIИН G,
цикпин м
цикпин

с

о

s

ЦИIСIIИН•IО8ИСИМаR
nротеинкинааа

5

10

15

20

время после мечения

радиоактивным тимидином (часы)

РИС. В18 - 14

ЦИТОIСИН81

чекnоАнт

В ходе оп ыта клетки поме щали в радиоактивную среду всего на

30 мин , а затем заменяли среду на обычную , с немеченым тими­
дином, где клетки выращивали еще некоторое время. В разные

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

моменты времени после замены среды клетки исследовали под

микроскопом. Определяли процент клеток на стадии митоза (их

ВОПРОС 18-11

легко узнать, так как они округляются, а их хромосомы конденси­

Сколько примерно времени понадобилось бы единственной

руются) , имеющих меченую ДНК в ядрах, как функцию времени ,

оплодотворенной яйцеклетке человека, чтобы путем постоянных
делений достичь массы 70 кг, если предположить, что каждая
клетка весит 1 нг, а каждый клеточный цикл длится 24 ч? Почему

А. Будут ли все клетки (находившиеся на разных стадиях клеточ ­

на самом деле до достижения взрослым человеком массы 70 кг
Проходит намного больше времени?

прошедшего от момента замены среды ( РИС. В18 - 14 ).
ного цикла) содержать радиоактивную ДНК после процедуры

мечения?

Б. Исходно процент меченых митотических клеток был равен
нулю (см. рис. В18-14) . Почему?

ВОПРОС 18-12

В. Объясните, почему этот процент увеличился, потом умень­

Самый короткий клеточный цикл среди эукариот- даже короче,

шился, а к концу наблюдения снова увеличился .

чем У многих бактерий - характерен для ранних эмбриональных
стадий многих животных. Эти так называемые «деления дробле­
ния » не сопровождаются заметным увеличением массы эмбрио­
на. Почему это так? Как вы думаете, какая фаза клеточного цикла
при этом наиболее сильно сокращена?

Г. Определите длину G 2 -периода у этих клеток .
ВОПРОС

18-15

Одна из функций

M- Cdk

состоит в том, что он вызывает резкое

падение концентрации циклина Мв середине М-фазы . Опишите
возможные механизмы этого внезапного снижения концентра­

ВОПРОС 18-13

ции и его последствия .

РУющей радиации - остановка деления клеток.

ВОПРОС

Б . Что произойдет, если из-за мутации клетка не будет переста­

На рис . 18-5 показан рост концентрации циклина и активности
M-Cdk в клетках по мере прохождения клеточного цикла . Замет­

В . Какое влияние на клетку может оказать такая мутация без об­

M-Cdk -

Один из важных биологических эффектов большой дозы ионизи­
А. Почему это происходит?

вать делиться после воздействия радиации?
лучения?

'· Взрослый, достигший половозрелости человек умрет через
Несколько дней , если получит такую дозу радиации, которая

полностью остановит деление клеток. О чем это говорит (кроме
того, что следует избегать радиоактивного облучения)?
ВОПРОС 18-14

Если выращивать клетки в среде, содержащей радиоактив­

нь о

S ,и тимидин , он будет включаться в ДНК клетки во время
н

18-16

но , что концентрация циклина растет медленно и непрерывно , а

резко и внезапно . Как вы думаете , благодаря чему это

достигается?
ВОПРОС

18-17

Какова последовательность следующих событий при делении
клетки :

а) анафаза ,
б) метафаза ,
в) прометафаза ,
г) телофаза ,

·периодов. Радиоактивную ДНК можно выявить в ядре отдель­

д) лунная фаза,

ои клетки с помощью авторадиографии (если поместить над

е) митоз,

о

клетками фотопленку, то радиоактивные клетки засветят ее,
и в этих местах под микроскопом будут видны черные пятна).

ж) профаза .

Где в этой последовательности располагается цитокинез?

Вопросы в кон це гл а вы

581


.

ВОПРОС

почему антитело может оказывать такое действие? Как может

18-18

Среднее время жизни микротрубочки в клетке млекопитающих

влиять введение этого антитела на : (А) движение хромосом в

(от ее образования путем полимеризации до спонтанного рас­

анафазе и (Б) цитокинез? Ответ обоснуйте .

пада при деполимеризации) варьирует в зависимости от ста­
дии клеточного цикла . Для активно делящихся клеток это время

в интерфазе составляет

5 мин,

а во время митоза

средняя длина микротрубочки в интерфазе

- 15 с . Если
- 20 мкм, какой она

будет в митозе, исходя из допущения , что скорость удлинения

ВОПРОС

)

18-25

Внимательно рассмотрите электронную микрофотографию на

рис .

18-38. Опишите различия между клетками, погибающими пу­

тем некроза и апоптоза. Какие из этих различий видны на фото?

микротрубочек за счет добавления новых молекул тубулина в
обеих фазах одинакова?

ВОПРОС

18-26

Выберите верные утверждения . Ответ поясните .
ВОПРОС

18-19

А . Клетки не переходят от G,-периода к М-фазе, если для завер­

Считается, что в определении длины веретена деления играет

роль баланс между моторными белками, которые движутся к
плюс-концу и минус-концу на перекрывающихся участках меж­

полюсных микротрубочек. Как влияет каждый из этих типов бел­

шения всего клеточного цикла не хватает питательных веществ .

Б . Апоптоз опосредуется специфичными внутриклеточными про­
теазами , одна из которых расщепляет ядерные ламины .

В. Развивающиеся нейроны конкурируют за ограниченное коли­

ков на длину веретена?

чество факторов выживания .

ВОПРОС

ночных нормально работают в клетках дрожжей.

Г. Некоторые белки системы контроля клеточного цикла позво­

18-20

Нарисуйте основные фазы митоза, используя как образец ри­
18-1 (с . 562-563). Покрасьте одну сестринскую

сунки с вкладки

хроматиду и проследите ее судьбу в ходе митоза и цитокинеза .
Какое событие определяет, в какую именно дочернюю клетку она

попадет? Может ли она после этого события попасть в другую
дочернюю клетку? Что влияет на попадание хроматиды в ту или
иную дочернюю клетку?
ВОПРОС

контролирующими клеточный цикл , несмотря на то , что без этих
белков клетки не могут делиться и погибают.
Е. Ферментативная активность белка

Cdk зависит как от наличия
Cdk.

связанного циклина, так и от фосфорилирования самой

18-27

Сравните правила поведения клеток в организме животного с прави­

18-21

Движение хромосом к полюсам во время анафазы А связано с

укорочением микротрубочек . В частности , микротрубочки раз­
бираются на плюс-концах, которыми они присоединены к кинето­
хорам . Придумайте и нарисуйте схему, которая бы объясняла, как
микротрубочка может одновременно разбираться на плюс-конце
и оставаться прочно прикрепленной к кинетохору, создавая тяну­
щую силу.

ВОПРОС

Д. Можно изучать мутантов дрожжей с дефектными белками ,

ВОПРОС

лами, управляющими поведением людей в современном обществе.

Что произойдет с организмом, если его клетки будут вести себя так
же, как большинство людей в нашем обществе? Можно ли ввести в

обществе такие же правила поведения , как для клеток организма?
ВОПРОС

18-28

Д-р М. в своей сверхсекретной лаборатории занят выведением

крыс размером с собаку для последующей заброски в тыл врагу.
Как вы считаете , какую из перечисленных стратегий следует ис­

18-22

Изредка обе сестринские хроматиды удвоившейся хромосомы
оказываются в одной дочерней клетке. Из-за чего это может слу­

читься, и каковы могут быть последствия такой ошибки , произо­
шедшей при митозе?

пользовать д-ру М . для увеличения размеров крыс?

А. Полностью блокировать у них апоптоз .
Б. Блокировать белок р53.
В. Добиться сверхпродукции факторов выживания, факторов ро·
ста и митогенов .

ВОПРОС

Г: Сменить профессию, став шофером такси .

18-23

Выберите верные утверждения. Свой ответ поясните.
А. Центросомы удваиваются до начала М-фазы .

Б. Две сестринские хроматиды образуются при удвоении ДНК
одной хромосомы и остаются соединенными на стадии мета­
фазной пластинки .
В. Межполюсные микротрубочки соединяются конец в конец, так

Назовите вероятные последствия каждой из этих стратегий .
ВОПРОС

18-29

Мутации гена

PDGF,

нарушающие его экспрессию , могут при·

водить к раку. Почему рак не возникает в ранах , где тромбоциты
выделяют

PDGF?

что они тянутся от одного полюса веретена до другого .

Г: Для репликации ДНК необходимы полимеризация и деполиме ­

ризация микротрубочек, а также работа моторных белков микро­
трубочек.

ВОПРОС

18-30

Как вы думаете, что произойдет с мутантной клеткой, которая

а) утратила способность разрушать циклин М ;

Д . Нуклеация микротрубочек происходит на центросомах ; позд­

б) всегда производит много белка р21 ;

нее они присоединяются к кинетохорам

в) не способна фосфорилировать

-

белковым структурам

Rb?

на центросомных участках хромосом .

ВОПРОС
ВОПРОС

18-31
Избыточная пролиферация клеток печени наблюдается как У

18-24

озина двигаться по актиновым филаментам (взаимодействие

больных хроническим алкоголизмом , так и у больных раком пе·
чени . Как вы думаете , в чем заключаются различия механизмов ,

между актином и миозином описано в гл .

запускающих размножение клеток при этих заболеваниях?

Антитело , связывающееся с миозином, не дает молекулам ми­

582

ГЛАВА 18. Клеточный цикл

17).

Как вы думаете ,

1
1
/

А

/


\
/

/
/

/

\
\

'\

1

11

"- ,,'-.,.

ПРЕИМУЩЕСТВА

тех организмов, которые ра з множаются

-

просто с

/

помо­

ПОЛОВОГО РАЗМНОЖЕНИЯ

щыо деле 1-1 ин кл е ток.

МЕйоз и ОПЛОДОТВОРЕНИЕ

ки зрения клеточной биологии. Сначала мы обсудим, за­

МЕНДЕЛЕВСКИЕ

В этой главе мы разберем половое размножение с точ­
чем вообще живым организмам половое размножени е, и
опишем, как они это делают. Для образова нин лоловых
клеток, передающих генетическую и 1-1 формацию от двух

ЗАКОНЫ НАСЛЕДОВАНИЯ

родителей, нужен особый тип деления клетки

ГЕНЕТИКА КАК НАУЧНЫЙ ИНСТРУМЕНТ

оз

(meiosis),

-

мей­

и мы рассмотрим его механизмы. Затем мы

разбе рем, как Грегор М ендель, австрийский монах , и з­
учавший горох, открыл основные зако1юмерности этих

Отделъ11ые клетки размножаются путем удвое~1ия ДНК

l"енети ческих процессов . Наконец , мы о п ишем, как уче ны

и дез1 ения надвое. Эти фуидаме нтальные процессы свой­

использу ют генетические механизмы полового размнож е­

ствен ны всем живым существам

ния для и зу чеиия биологии человека, его происхожденин

-

и многоклеточным, и

од11ою1еточным (н ап ример, бактериям или дрожжам).

Они поз воляют клеткам п ередавать будущим поколениям
генетическую информацию.

и молекулярных причин его болезней.

Размножени е многоклеточных организмов - рыб ,
Мух, людей или растений - гораздо более сложное яв­
ление [половое разм ножени е, а также сложные жизнен­
нь,е циклы и слож ное индиви дуалъно е ра звит ие есть и

ПРЕИМУЩЕСТВА

У Многих одноклеточных организмов, например у 111-1фу3о рий. - При.м. перев.]. В ходе сложного цикла разв ития
многоклеточных организмов все ткани и органы новых

ловое разм ножение. Но м1-ю 1·ие орга~1 измы, особенно ми­

особей должны бьпъ за ново воссозданы из одной ис­
ходной клетки. Эта и сход ная клетка очень необыч~1а. От

деления клетки (РИС. 19-1 ) . Многие расте ~rия также раз­

свет: у большинства животных и растений она образует ­
ся прн сл иянии двух клеток, воз 1-1 икши х в двух разных
Родитет,ских организмах, - отцовском и материнском.

дельную особ~, . Даже среди представителей царства жи­

ти

часть. Самки ряда видов насекомых, яще риц и даже лтиц

обычных она отлиlrается способом своего появле ния на

В Результате слияния этих двух клеток - главного собы­
я полового размиожени.я

(sex ual гeprocl u ct ion) - два родитсm,ских ге н ома объединяютсн, создавая 1"еном новой

особн. Та ким образом, м ехани зм п е редач и гснетиlrеской
И~-~формации при половом размножении сзюж1-1ее, чем у

ПОЛОВОГО РАЗМНОЖЕНИЯ
У болъшинства окружающих 1-1ас организмов им еется ло ­

кроскопические, обходятся без него. Баюерии и другие
одноклеточные чаще всего размножаются путем простого

множаются бесполым путем, формируя многоклеточные
побеги , которые позже отделяются и превращаются в от­
вотных есть виды, способные размножаться почковани м
( РИС. 19-2), а у некоторых червей лри разделе нии ~,адвое
каждая

половина

может

регенерировать

'',~

н едостаю щую

могут откладывать яйца, развивающи еся путем п.арте1tо­

ге1tеза (paгt l1e nogeпes i s), т. е. без всякого участия самцов,
с п е рмы и оплодотворения, в здоровых дочерей, способных

\


рю м н т, аться тем же с п особом
ч ес ки х

яиц ра з оиваютс я

и

I и11ог1tа и :=~

самцы ,

ны с мате ри , н а при м е р у дафний.

!

1 ~арте 11 о rе 11 ети ­

, ·е н е тиче с ки

и де 1пич ­

Прим . перев .].

-

К 11ростым с пособам раз м11оже 11 ия опюс ится бес­
полое размноже н ие

хромосома

(asex ual

гe prodL1 ctioп). В результа ­

те него образуется 1 ютомстоо , ге н етич ес ки и ;tе нтичн ое
родитеJ11,с кому орга 11и з м у

I при

бес 1 юлом раз множе ни и

с 11 о рами у ра сте 11 ий и м 11 оги х грибов происходит мейоз,
и п ото м ство ге 11 е тич ес ки н е иде нтично р одит ельской осо ­

би.

- Прим. перев. ! . На проти в , при половом размножении
(sexLLal гe pmdu ct i o n) геномы д ву х особе й смеш иваются.
В р ез ул~;гате п отомки

,·е н етически отли ч аются дру г от

друга и от обо и х ро;tи тел е й. Такой ти 11 ра з множени я явно
дает боль ши е пре имущества , так как его испол 1,зует 1 rода ­
вляющее боль шинство живот1 1ы х и растений .

При половом размножении
чередуются диплоидные и гаплоидные клетки

Органи з мы, разм н ожаю щиеся половы м путе м , об ы чн о
диплоид11:ы

(diploid)

1·это каса ется живот 11ых; у расте ний,

м н оги х водо росле й и грибов половым п утем раз множает­
ся особое га п ло и д н ое п околе ни е.
РИС.

19-1. Бактерии размножаются путем простого деления клетки.

П ри оптимал ьных условиях бактер и я делится по п олам каждые

20-25 мин .

-

Прuлt. перев. J : каждая

их кл еп«t соде ржит два н абора хромосом, мате ринский и
от цовск и й , п о од н ом у о т кажд ого и з род ит е; ~ е й. Та к как ро­

д ители относятся к одному виду, их х ромосом ны е н або ры
сходны , за исключ е н и е м п оловых х ромосом (сп е ц иал и­
з иро ва н н ы х хромосом , кото ры е есть только у н е которых

25
РИС.

19-3.

мкм

Несмотря на громадную разницу в размера х, сперма·

тоз оид и яйцеклетка вносят равный вклад в геном зиготы. Это со­

ответствует наши м п редставлениям о том , что цитоплазма не является

носителем наследстве нных свойств - в яйцеклетке ее очень много , а

0.5

мм

в сперматозоиде очень мало . Если бы за наследственность отвечала
цитоплазма, материнский вклад в признаки потомства был бы намного

Бесполое размножение гидры. Это с рав н ител ь н о про­

боль ш е отцовского . Здесь показана ска н ирующая электронн а я ми к ро­

стое многоклеточное животно е разм но жается с помощью поче к (стрел­

фотография яйцеклетки человека и связа вшихся с ее поверхностью

РИС.

19-2.

ки). Обра зующиеся из ни х п осл е отделения от материнского орга н изм а

сперматозоидо в. Хотя к яйцеклетке прикрепля ется множество сперма·

потом ки ген етически идентичны родительской особ и. (С разрешения

тозоидов , только один из них оплодотворит ее . (С разрешения David М .
Phllips/ Photo Researchers, lnc.)

Amanta Hornbruch.)

S84

ГЛАВА 19. Ге нети к а и пол


дипло и дн ы е

диплоидны е

родитель ски е

родител ьс к ие

Особи одного вида отличаются друг от друга прежде
всего ва риаитам и одних и тех же ге н ов, которы е называ ­

ор ганизмы

организмы

соматич ес ки е

материнский

клетки

организм

ОТЦОВСКИ Й
организм

ются аллелями

(alleles). В

геаофонде ( набо ре генов дан­

ной по пуля ции или вида) обычн о присутствует множе­
ство раз н ых аллелей данного гена . Э то означает, что две

коп и и дан ного ге н а у ко н крет ной особи часто слегка отли ­
чаются д руг от друга и от аллелей этого гена у остальных

особей. Благодаря половому размноже нию каждая новая

клетки

особь может получить н овую комби нац ию аллелей.

зарод ы ш е ­

МЕЙОЗ

МЕЙОЗ

вого пути

l

В отлич ие от остальн ых клеток диплоидного организ ­
ма, сп ец иал изи рован н ые клетки , и гр а ющ ие глав ную роль

1

гаплоидная

это гаплоидные (Ь ap l o id) клет-

-

половые клеши

(ge1·m cells),

Обычно об разуется два типа rамет. У животных од на из

яй цеклетка сперматозоид

н их крупн ая и н е подвижная и н аз ы вается яйц еклетка;
гап ло и дн ая

га пл оидны й

я й цеклетка

спе рм атозоид

ОПЛОДОТВОРЕНИЕ

!
д""nо""Г

-

или rаметы (gaш etes ) ,

1<и: каждая и з них содержит только один набор х ромосо м .

га пло ид ный

у

в половом размножении,

вто рая мелкая и подвижная и н азы вается спе рматозоид

( РИС. 19-3) . Гаплоидные полов ые 1<летки об разуются, когда
диплоидные клет ки -пр ед шественники делнтся мейозо м .

1

1

В ходе мейоза и з дип лоидного н абора хромосом образует­
ся гаплоидный, п ричем возни кают новые комби н ации от­

ОПЛОДОТВОРЕНИЕ

i материнская

s,m,a

.---х...р_омосо м а

цовских и матери нских хр омосом. Затем две гаплоидны е

гаметы сли ваются, и об разуется диплоидная оплодотво­
р енная яй цеклетка, ил и зигота

(zygote)

с новым сочета­

нием хромосом ( РИС. 19-4) . Образовавш аяся пр и оплодот­
ворении зигота развивается в новую особь с двойным на­

боро м хромосом, отличным от такового обоих родителей.

митоз
отцо в ская

Практически у всех мн огоклеточ ных животных, в том

дипло ид н а я хромосома

t

зигота

1
митоз

соматические
клетк и

J

клетки

зародыш евого п ути

ди п лоид н ый организм
(А )

l

числе у позвоноч н ых , почти весь жизненны й цикл прохо ­

д ит на диплоидной стадии. Гапло идн ые клет ки обычно су ­

ществуют недолго , вообще не делятся и высоко спе циали­
зированы для выполнения своих функ ций. Соматические

клетки

(somatic cel1s) -

клетки тела животных

-

обычно

Н овый ди пло ид н ы й

не дают новых особей-потомков ( РИС. 19-5) . Можно счи­

многоклеточный организм

тать , что о ни существуют толъко для того, чтобы помогать

(Б)

клеткам зародыш евого пути выжить и разм н ож и т ься .

РИС. 19-4. При половом размножении чередуются гаплоидные и
диплоидные клетки. (А) Клетки высших эука риотических организмов

t половая клетка

[на самом деле - только животных! - Прим. перев. ] разм ножаются в
ди плоидной фазе, образуя многокл еточны й организм. Га плоидные га­
Меты - яйце клетка и сп ерматозоид - образуются путем ме йоза . П ри
оплодотворении гаметы сливаются ; образуется диплоидная зигота ,
Развивающаяся в новы й диплоидный организм , генетически отл ичаю­

t
п ол ов ая
кл етка

щийся от обоих родителе й . В многоклеточном организме клетки заро­
дыш евого пути (выделены темным цветом) - это клетки-предшествен ­
ники rамет. Остальные клетки тела - соматические клетки (бледный
цвет) . (Б) Показано , что прои сходит на тех же стадиях с хромосомами .

t

клетки

кл етки

зародышевого пути

зародышево го п ут и

•-•-•-•-• •-•-•-•-•
"
"•"-... .
• ✓•"-....
•✓
, ,t ,t ,t
, •
, •
, •
,
•
•
•••••••• ••••••••

зигота

зигота

I \

I \

~

для простоты в каждой гамете изображена только одна хромосома,

~

сомати ч е с к и е клетки

сперматозоид сильно увел ичен относительно я й цеклетки (см . рис. 19-3,
rде показано и стинное соотнош е ние их разме ров ).

РОДИТЕЛЬ

РИС.

19-5.

I \

I \

~

~

~

со м атические клет к и

потомок

Клетки зародышево го пути и соматичес к ие кл етки вы ­

полняют совершенно разные задачи . У ж ивотн ы х , размножающихся

;идов ) : о ни различ аются п о строению у самцов и самок

п оловым путем , клетки зародышевого пути (кра сные) об ы чно обособля­

· аким

ются в ранн е м развитии . Эти клет ки передают ге н етическую информа­

образом, каждая дил лоидн ая клетка содержит по

две ко п ии каждого гена, за и склю чен ием ге н ов, которые

находнтся в п оловых хромосомах и могут п р исутствовать
в одной коп ии.

цию сл едую ще му п окол е нию. Соматичес кие клет ки (синие) образуют

тело организма , необходимо е для п олового размножения , и п оги ба ют
вм ес те с ним , н е ост а вляя потомства .

Преимуще ства полово го ра змноже ния

585


Таким образом, ттри половом разм ножении в ж и з н е 1-1 -

Как ими бы ни был и преи мущества полового разм н о­

ном цикле чередуются гаплоидные стадии (клет 1<и, имею ­

же ния, э волюция явно ему блаrо11 рия тствует. В следую­

щие один н абор хромосом) и диплоидные клетки, имею­

щем разделе мы рассмотрим главные особе нн ости форми­

щие двойной набор хромосом. Смешение геномов , харак­

ров а ния полов ы х клеток, 1-1.а ч ав с м ейоза.

терное для полового разм ноже ния, прои сходит при сл ия­

нии двух ,-аплоидных клеток с образованием д иплоидной
~<летки . Так, п ри ч е р едова н ии диплоидной стадии, м ейоза,

МЕЙОЗ И ОПЛОДОТВОРЕНИЕ

гаплоидной стадии и оплодотворения, старые комбинации
Со временное понимание основной последовател ьности

генов раз ру ш аются, а новы е во з никают.

событий при половом размноже нии восходит к

1888

г.,

когда Теодо р Бо ве ри обнаружил , что у параз итич ес кого

Половое размножение дает организмам

круглого ч е рвя зиготы соде ржа т четыр е хромосомы, а га­

эволюционное преимущество

м еты (яйцеклетка и с п е рматозои д)

- 110

две х ромосомы

При каждом цикле полового размноже ния возникают но­

[это открытие на том же объе кте, кру 1·ло м че рве аскариде,

пые случайные со ч тания аллелей. Ка к минимум, столь

сделал до Т. Бовери , в

же вероятно, что они окажутся хуже пр едыдущих, че м то ,

ч етко описавший м ейоз и реду кцию (уменьшение вдвое)

1883- 1884

1т., Эдуард ван Б е н еде н ,

L!ТО они дадут изменени е к лучш ему. Почему же тогда с по­

числа х ромосом .

собность создавать новые ген етическ ие комбинации дает

что гам еты гаплоидны

организмам с половым раз множе ние м эвол юционны е пре­

набор хромосом. В се остальные клетки животных , в том

-

Прим. перев.]. Набтодеии е по казало,

(haploid) -

содержат только один

имущества по сравнению с те ми , что раз множаются нор ­

чи сле и те, что дают н ач ало гаметам, дипло идны

мальным бесполым путем? Эта проблема по-прежн ему

loid) -

ставит в тупик эвол юционных биологов. Одно из преиму­

ский, а дру гой отцовский. Отсюда следует, что яйцеклет­

(dip-

они содержат д ва набора хромосом, один м атерин­

ществ , вероятно , состоит в том , что п е ремешивание генов

ки и спе рм атозоид ы должны формироваться в результате

при половом р азмноже нии помогает ви ду выживать в не­

особого типа деления клет ки, при котором число х ромо­

предсказуемо меняющейся среде. Если п ара родителей дает

сом уменьшается вдвое. Этот способ деления пол у чил на­

множество потомков с раз нообразными генными комбина­

звание мейоз

( meiosis) ( от греч.

«умен 1, ше~1и е», « потеря » ) .

циями, повышаются шансы, что хотя бы у од1юго и з потом ­

Из опытов Бовери на ч е рвя х и других ви дах следова ­

ков комбинация признаков окажется благоприятной для

ло, что пов едени е хромосом (а в то время их рассматри­

жиз1-1и в данных условиях. Это может объяснять, почему

вали просто как окрашив аемые микроскопические тел ьца

даже одноклеточные организмы, такие как дрожжи , вр емя

с н еи звестиой функци ей ) сходно с по ведением наслед­

от времени не отказывают себе в простых формах полово­

ственных факторов , при п ередач е которых сам е ц и самка

го размножения . Обь1 L1НО такое поведен ие заменяет собой

вносят равный вклад в потомство, нес мотря на огромное

обыLш.ое деление клетки в тяжел ые време на

разл ичие в раз мерах яйца и с пе рмия ( см. ри с.

-

наприм ер,

19-3). Дан­

при голодании. Дрожжи, утратившие половое размноже ни е

ны е Бов е ри впервые указали на то, что хромосомы содер ­

из-за генетич еского дефекта, медленнее э волюциониру ют и

жат наследственный мате риал . Именно поэтому и зуче r-rие
полового раз множения и мейоза с ыграло ц ентрал ьну ю

адаптируются к суровым условиям.

Половое раз множе ние может давать и другое преиму­

щество. В любой популяции постоянно возникают новые

рол ь в истории клеточной биологии .
В данном разделе мы пр едставим со вре ме ниую карти­

и м1-1огие и з

ну клеточной биологии полово го раз множе ния, сосредо­

них оказываются вредными . Половое раз миожение уско­

точив внимани е н а сложно м пов едении х ромо со м во вре ­

ря ет и с чезновение таких вред и ых аллелей и не дает им

мя м ейоза. Сначала разбере м , кш< при мейозе х ромосомьr

мутации , так что появляются новые аллели,

1-1акапливаться в популяции. Спариваясь только с самы ­

распреде;1яются по гаметам . Затем детальн ее рассмотрим ,

ми приспособле~шыми самцами, самки выбирают только

как во время мейоза происходят спаривани е, рекомб ина­

хорошие комбинации аллелей и заставляют плохие ком ­

ция и сегр егация х ромос ом , в результате которых возtrика­

бинации исчезать из популяции с б6льшей скоростью. Со-

ют новые комбинации отцовских и м атеринских аллелеti

1·ласно данной теории, которая подтв е рждается достаточн о

в х ромо со м е . Мы также ра сскажем о по следствиях на ру­

достоверными расчета ми затрат и выигрышей этой стра­

ш е ний при ме йозе. На1<он ец, мы вкратце позн аком имся с

тегии, половое разм ножение эффективно , поскол ьку сам­

л роцессом оплодотвор е ния , при котором в р езультате сли­

цы могут служить своеобраз1-1ым генетическим фильтром .

яния гамет возника ет новый ор1:анизм со своими ге н ет иче­

Самцы, имеющие успех в раз множении, позволя ют луч шим

скими особе нностями.

(и толr,ко лучшим!) со чета ниям генов п е редаваться потом ­
ству ; а те самцы, которые не имеют успеха в спаривании ,

служат ген етическим « мусорным ведром»

-

выбрасывают

плохие сочетания аллелей из популяции . Кон е чно, эволю­

Гаплоидные клетки зародышевого пути

образуются из диплоидных клеток путем мейоза

ция делала нема.110 зи гз агов с тех пор , как вп е рвы е появи­

Когда д ипло и дные I<летки делятся обычным способо~4 ,

лос ь половое раз множеии е, и у некоторых организ мов , осо­

митозом , с начала они удва ивают оба набора хромосом­

бенно ведущих общественный образ жиз ни, са мцы иногда
пригожда ются и для в ыполн ения других з адач.

586

ГЛАВА 19. Генетика и пол

В результате в каждую доч ериюто клеТI<у п опадает иде~-r­

тичю,rй диплоидный набо р, включающий полны й набор


материнских и отцовских хромосом (см. гл.

18).

Мейоз от­

личается тем, что в результате деле~rий исходной диплоид­

При мейозе происходит спаривание
гомологичных хромосом

ной кл тки в каждую гамету попадает гаплоидный набор,
включающий как отцовские, так и материнские хромосо­

Перед тем как клетка делится

мы. Тем 11 е менее, несмотря на редукцию числа хромосом

мейозо м,

как конечный результат, мейоэ начинается с одного раунда

хромосомы. Точные колии каждой исхощюй хромосо ­

-

-

неважно , митозом или

она, как мы уже отмечали, удваивает все свои

репликации ДНК, в ходе которого удваиваются все хро­

мы , сестринские хроматиды (sisteг

мосомы. Конечное уменьшение числа хромосом связано с

остаются прочно соединенными вдоль всей длины. Од-

chromatids),

снаlrала

тем, LIТO за этим единствен ным раундом репликации сле­

1-r ако дальнейшая судьба таких удвоенных хромосом при

дуют два ю1 еточных деления. Можно думать, что мейоз

митозе и мейозе различается. При митозе, как описано

Мог бы происходить как простая модификация обычного

в гл.

митоза, в котором пропущена репликация ДНК (S-фаза).

вольном порядке в плоскости метафазной

В принципе тогда за один рау~rд деле 1-rия клетки могли бы

Затем в ходе митоза две сестринские хроматиды отде­

сразу возникать две гаплоидные дочерние клетки. Но по

ляются друг от друга

неизвестным причинам все происходит совсем не так.

хромосомами. Дочерние клетки, образовавшиеся после

У многих видов мейоз

- это достаточно длительная

процедура, занимающая намного больше времени, LJeм

18,

удвоенные хромосомы выстраиваются в произ­

цитоки~1еза, наследуют

и

пластинки .

ста 1-ювят ся самостоятельными

no

одной копии каждой материн­

ской хромосомы и по одной копии каждой отцовской. Та­

любое митотическое деление. Например, у мужчин мейоз

ким образом, оба родительских набора генетической ин ­

длится около

формации п ередаются дочерним клеткам в неизмею-юм

24

дней, а у женщин он может длиться де­

сятилетиями. К мейозу приступают специализированные

виде, так что дочерние клетки остаются диплоид ными и

диплоидные клетки зародышевой линии, н аходящиеся в

генетически идентичными.

яичниках или семенниках. Каждая такая клетка содержит

Последовательность событий nри первом делеиии

по две копии каждой хромосомы, одна из которых унасле­

мейоза практически такая же, что и при митозе: в про-

дована от отца

-

другая от матери

отцовский гомолог (paterпal

homolog),

а

материнский гомолог

( maternal homolog). При подготовке к мейозу хромосомы этой диплоид­
-

н:ой клетки удваиваются. Как в любой клетке, готовящей­
ся 1< делению, удвоенные хромосом ы (хроматиды) оста­

(А)

(Б)

митоз

МЕЙОЗ
(ПЕРВОЕ ДЕЛЕНИЕ)

Р1

ются соединенными, как сиамские близнецы. Следующий

этап представляет собой униюurьную особенность мейоза.

Каждая удвоенная отцовская хромосома находит свой уд­

военный материнский гомолог и спаривается с ним. Этот

М1

Р1

Р2

М2

особый процесс спаривания обеспечивает правильное рас­
хождение хромосом при последующих клеточных деле­
ниях, в результате которых каждая гамета полуl1ает свой
rаплоидный набор хромосом.
Два последовательных деления клетки, называемые
Гiервым и вторым мейотическими делениями (мейоз I и

Мейоз II), распределяют дишюид 1-rый удвоенный набор
Хромосом ло четырем дочерним rаплоид1-1ым клеткам.

Поскольку попадание данного гомолога из пары в кон­

кретную клетку происходит случайно, исходные наборы
отцовских и материнских хромосом перетасовываются, и
13 rаметы они попадают в разных сочетаниях. При оплодот­
ворении гаметы сливаются, образуя диnлоидиую зиготу,
Которая генетически отличается от каждого из родителей

Р2
гомологичные хромосомы

гомологичные хромосомы

поодиночке выстраиваются

в плоскости метафаэной

спарены на стадии

м етафаэн ой пластинки

пластинки

(см. рис. 19-4, Б). Затем зигота развивается в многоклеточ­

РИС.

нь,й организм путем повторных раундов деления клеток и

ваются перед выстраиванием в плоскости веретена деления.

19-6.

Во время мейоэа гомологичные хромосомы спари­

их специализации.

(А) При митозе в плоскости метафазной пластинки независимо рас ­

Итак, nри мейозе образуются Liетыре генетически раз­
Jtичающиеся клетки, каждая из которых содержит ровно в
два раза меньшее число хромосом, чем исходная родитель­
ская клетка. В отличие от этого при митозе образуются
две генетически идентичные дочерние клетки. Сейчас мы

полагаются материнские (М) и отцовские (Р) хромосомы. Каждая из

Перейдем к более детальному рассмотрению моJ1 екуляр­
Ньrх событий мейоза, нaLJaB с процесса спаривания rомо­
Jrогичных хромосом - центрального события этой особой

Формы клеточ 11 ого деления.

ни х состоит из пары сестринских хроматид, которые затем разде­

ляются. (Б) В первом делении мейоза, напротив , отцовские и мате­
ринские х ромосомы спариваются перед выстраиванием в экватори­

альной плоскости . В ходе первого деления мейоза каждая дочерняя

клетка получает л ибо отцовский, либо материнский гомолог, причем
распределение гомологов разны х пар случайно . И при митозе , и при

мейозе перед началом деления хромосомы удваиваются . Веретено
показано зеленым.

Мейоз и оплодотворение

587


удвоенная

Между отцовской и материнской гомологичными

удвоенная

отцовская

материнская

хромосома

хромосома

хромосомами может происходить кроссинговер

г1-,~

Только что нарисованная 11 ами карттша мейоза чрезвычай­
н о упрощена, так как не учи ты васт одну из главных его осо­

бешюстей . Поlпи у всех размножающихся половым путем
организмов спаривание материнской и отцовской хромо­

сом сопровождается рекомбинацией

(recombination) -

об­

меном идентичными или очень п охожими 1-1уклеотиднь 1 м.и

последователы-юстями ДНК (см. рис.

6-31). Рекомбинация

происходит в диплоид ны х клетках зарод ышевого пути во

время длител ы-юй профаз ы первого деления мейоза. ОбыLJ­

но рекомбинация сопровождается физическим п ерекре­

сестринские
хроматиды

щиванием участков отцовской и материнской хромосом

кроссинговером

(crossing-over) (см.
Мейотическ ий кроссинговер -

рис.

-

6-30).

слож ный процесс; его

катализирует замысловатая белковая машина, и он зави­
сит от образования сииапто1-tемалы1ых комплексов

to11emal complexes).
РИС.

19-7.

При мейозе удвоенные хромосомы объединяются,

(si11ap-

После спар ива ния удвое нных гомоло­

гов си наптонемальные комплексы удерживают их вместе

формируя биваленты. Бивал енты, содержа щие по четыре сестрин ­

и располагают так, что может успешно происходи ·1ъ гене­

ские хроматиды, образуются в профазе первого деления мейоза .

тическая рекомбинация между несестринскими хромати­

дами. Их ст рое ние также отвечает за раслределение собы­
тий кроссинговера вдоль каждой хромосомы.
фазе конденсируются удвоенные хромосомы; в метафазе
они

фазе

Каждая из двух хроматид удвоен ной хромо сом ы мо­

п ере м ещаются к экватору веретена деления; в ана­

жет обменяться участками с любой из двух хроматид вто­

двигаются к полюсам. Обзор этих стадий см. на

рой хромосомы бивалента. К концу профазы синаптоне­

-

вкладке

18-1 ( с. 562- 563).

Однако из-за необходимости

малыrый комплекс р азр у ш ается, и гомолош разделяются

уменьшить вдвое число хромосом при мейозе меняются

поч ти по всей дли н е . Но каждая пара удвое нны х гомо­

его молекулярные

логов по-прежнему удерживается вместе

механизмы

и

возникает одно из

его

главных отличий от митоза. В первом делении мейоза

одной хиазмой

(cl1iasma) -

как минимум

соединением, возникающим

удвоив ши еся отцовские и материнские х ромо сомы, в том

на участке кроссинговера между несестринскими хрома­

ч:исле и половые, спариваются боковыми пов ерхностя ­

тидами ( РИС. 19-8). (Название происходит от греческой

ми перед прикреплением к веретену деления ( РИС. 19-6) .

буквы х << ХИ ~ ), по форме напоминающей крест.) Часто на

(

Физическое соедине ,-~и е парных хромосом , называемых
также

гомологичными

(homologou

хромосомами ,

chromosomes

или

или

гомологами

homologs),

совер ш енио

материнский

н еобходимо, поскольку оно позволяет отцовской и мате­

ГОМОЛОГ

ринской хромосомам попаст ,, в первом делении мейоза

в раз ные доl1ерние клетки. Из каждой п ары хромосом в
данную доче рнюю клетку с равной ве роятно стыо может

попасть отцовская или материнская хромосома. Поэто­

му исходные наборы отцовских и материнских хромо­
сом, несущих разные аллели, перемешиваются; дочерние

клетки после первого делен ия мейоза содержат новые

комбинации хромосом и аллелей.
Как гомологи (и две разные п оловые хромосомы )
опознают друг друга, не до конца ясно. У многих орган из­

мов их исходное объединение
(pairiпg)

-

-

(А)

спаривание гомологов

(Б)

(В)

хиазма

оттосредуется взаимодействием между сход­

ными ттоследователr,ностями ДНК, которые рассею-Iы

РИС.

вдоль отцовской и материнской хромосом. Структура,

стринскими хроматидами бивалента. (А) В этой паре гомологов

образующаяся при спаривании удвое нны х хромосом, на­

единственное событие кроссинговера в профазе привело к формиро·

зывается бивалент (Ьiva l e n t) и соде ржит четыре хрома­

ванию одной хиазмы. (Б) На немного более поздней стадии мейоза нач·

19-8.

При кроссинrовере возникают хиазмы между несе·

тиды ( РИС. 19-7). Биваленты образуются и сохра няются

нется разделение отцовской и материнской гомологичных хромосом ;

в течение длительной профазы первого делеt~ия мей­

они остаются соединенными только в тех точках, где происходит рекам·

оза

-

стадии, которая у некоторых организмов

длиться ,· одами.

588

ГЛАВА 19. Генетика и пол

может

бинация . (В) Фотография бивалента кузнечика на этой стадии, видны
три хиазмы . (В

-

с разрешения

Bernard John.)


б ивале ~пе образуется более одной хиазмы; это означает,
что

между

гомологичными

хромосомами

может

ходить множественный кроссинговер (с м . рис.

прои с­

19-8,

Б, Б,

и РИС. 19-9) . Б с редн ем во время п ервого деле ния мейоза
между каждой парой гомо1югиLшых хромосом у ч еловека

происходи т от двух до трех событий кроссинговера.
Кросси нrове р во время м ейоза

-

главный и сто чник

генетической изме~rчивости у видов,

полов ым

ра з множа ющихся

п утем. П е реко мбинируя генетический состав

каждой хромосомы в гамете, кросси нговер способствует

г~оявлению особей с новыми н аборам и ге нов. Б ходе н е го
н е только создают ся новы е сочетания отцовских и мате­
ринских генов в отдельных х ромосом ах, но и выполня ет ся

еще одна важиая фу нкция при мейозе . Удерживая вместе
1·омологичные х ромосо мы в г~рофазе п е рвого деле ния ,

РИС. 19-9. Между гомологичными хромосомами может проис­

кроссинговер обесг~ечивает правильное расхождени е 1·0-

ходить множественный кроссинговер. Световая микрофотография

мологичных хромосом в процессе это го деле ния. Р асхож­

давленого препа рата х ромосо м ооцита (предшественника яйцеклет­

дение гомологов мы и рассмотрим в следу ющем разделе .

ки) человека на стадии , ко гда все четыре хроматиды - отцовские и
материнские

-

все еще прочно соединены. Каждая отдельная длин­

ная нить (окрашенная в красный цвет)

-

бивалент, содержащий чет ы ­

ре двойны х спирали ДНК. Зеленым о кра ш ен белок, присутствующий в

Спаривание хромосом и рекомбинация
обеспечивают правильную сегрегацию гомологов

сайтах рекомбинации и играющий ключевую роль в процессе реком­

У большиыства организмов рекомбинация при м е йозе

бинации . (С разрешения Elseiver из : С . Tease et а/., Ат. J. Нит . Jenet.,

необход има для прави л ьной сегрегации двух удвое 1н~ых

70: 1469-1479, 2002.)

гомологов и их ттопадаиия в до черни е я д р а. Хиазмы, воз­
никающие при кроссингов е р е, играют главную роль в со­

единении гомоло гов до того момента, как веретено деле­

(А)

ния разделит их в анафазе

метафаза

I.

До анафаз ы

I

нити верете на

от двух полюсов тянут гомоло ш в противополож ных на­

1деления мейоза

правле ниях ,

и

хиазмы

противостоят этому

растяже нию

( РИС. 19-10, А). Таким путем хиазм ы г~омогают прави льно
расположить и з акре пить гомологи в м етафа зной пласт ин­
кинетохоры сестринских

хроматид функционируют
как одно ц елое

веретена

(Б)

теринский гомологи, действуют белки когезины, склеи ва­
ющие пл еч и сестринских хроматид Вll.ОЛЬ всей их дл ины

хроматид тянутся
к одному пол юсу

ке. Кроме хиазм, удерживающих вместе отцовский и ма­

1 ПЛ Е ЧИ С ЕСТ РИНСКИХ

(см . рис.

~ ХРОМАТИД РАЗДЕЛЯЮТСЯ

разделяются, когда в начале а нафаз ы

анафаза

1деления мейоза

19-8

и рис .

18-15).

Плечи сестринских хроматид

I

когез ю-1ы н а них

раз рушаются; г~ осле этого закончившие рекомбинацию го­
мологи расходятся (рис.

19-10, Б) .

В результате второго деления мейоза

образуются гаплоидные дочерние клетки *
Образовав шиеся при п ервом делении ме йоза клетки со­
держат одинарный набор хромосом, но количество ДНК в

РИС. 19-1 О. Хиазмы обеспечивают правильное расхождение хро­

них составляет 2с (хромосомы двухх роматидные ). Клетки

мосом при мейозе . (А) В метафазе I хиазмы, возникшие при кроссин­
rовере , удерживают вместе отцовский и материнский гомологи . На этой

с количеством ДНК 1 с и однохроматидными хромосома­

стадии белки когезины (не показаны) склеивают сестринские хромати­
ды вдоль всей их длины. Кинетохоры сестринских хроматид функциони­
РУют в мейозе I как единое целое , и прикрепленные к ним микротрубоч­

оз

ки тянутся к одному полюсу веретена . (Б) В анафазе I когези ны , склеи­
вающие плечи сестринских хроматид, разрушаются . Когезины в центра­
Мерном участке сохраняются и по-прежнему соединяют сестринские
Хроматиды . Это позволяет сестринским хроматидам двигаться вместе ,
когда после рекомбинации гомологи расходятся и движутся к разным
Полюсам веретена деления . При митозе , напротив , и плечи, и центра­
Меры сестринских хроматид разделяются одновременно.

Формируется веретено, хромосомы выстраиваются по эк-

ми образуются в резулыате второго деления мейоза (мей­

II) , которое прои сходит без репликации ДНК и без за­

метной инте рфазы [тем не м е н ее пе рвое и второе деления

могут быть сиJIЬно разн есены во времени.

- При..м. перев.].

* На самом деле клетки с гаплоид 1·1ым набором х ромо со м об разу­
ются уже при п е рвом деле нии мейоза. Р е чь в за~:оловке и далее

идет о коли ч естве ДНК (с) , а н е о числе н або ров хромосом

(n). -

Пpu.11t. перев.

Мейо з и оплодотворение

589


(А)

метафаза

11

ВОПРОС

деления мейоза

19-1

А Почему для организма было бы невыгодным использовать

rl' такой

кинетохо р

8

процесс, как первые этапы мейоза (до завершения

первого деления включительно) не только для мейотическо­

го, но и для обычного митотического деления клето к?

центром ера

Во- п е рвых, как мы уже отмечали, перемешиваются
и п о п адают в гаметы в случайных со ч е та ниях отцовские

КОГЕЗИНЫ В ОБЛАСТИ

(Б)

и материнские хромосомы. Хотя хромосом ы р ас пр еде­

СЕСТРИНСКИЕ ХРОМАТИДЫ

ляются

РАЗДЕЛЯЮТСЯ

лучает одну и только одну копию каждой хромосомы,

1

анафаза

11

ЦЕНТРОМЕРЫ РАЗРУШАЮТСЯ ;

деления мейоза

акку р ат но , так что

каждая гамета в норм е

по­

выбор м ежду двумя копиями одного гомолога делается

случайным образом. Поэтому каждая ,·амета содержит
какое-то

количество

отцовск и х

хромосом

и

какое-то

количество материнских ( РИС. 19- 13, А) . Попадание кон­
креп-JОго гомолога в гамету зависит исключительно от

того, как располагается бивалент при прикр епле нии к
веретену в м етафазе

или материнскому
РИС.

19-11 .

При мейозе

11,

как и при митозе, кинетохоры каждой

I.

К какому гомологу

-

отцовскому

прикрепятся микротрубочки вере­

-

тена от данного п олюса, зависи т от расположения би­

сестринской хроматиды функционируют независимо, что позво­

валента в момент прикр е пл е ния микротрубочек к кине­

ляет сестринским хроматидам расходиться к разным полюсам

тохору (см . рис .

клетки. (А) В метафазе

кинетохо ры сестринских хроматид направле­

гомолога в момент лрикрепления к нему микротрубочек

ны в противополож ные стороны . (Б) Когезины , соединяющие сестри н ­

случайная, сочетания отцовских и материнских хромо­

ские х роматиды в районе центромеры , уже разрушены , и кинетохор ны е

сом в га.метах тоже случайны е.

11

19-1 0) . Поскольку

ориентац ия каждого

Благодаря одному только этому способу р еаранжи­

ми кротрубочки растаскивают сестринские хроматиды к противоп олож­

ровки генов данная особь теоретически может произве­

ным полюсам .

сти

2"

разных типов гамет, где

n-

гаплоидное число хро ­

мосом. Например , каждый человек теоретически может
ватору, и теперь расходятся уже хроматиды; в р езультате

произ вести

образуются клетки с количеством ДНК 1 с. В мейозе

случай ному расхож де нию отцовских и матер инских хро·

11

223 = 8,4

х

106 разных

типов rам ет благодаря

ки н етохоры сестринских хроматид соединяются с кинето­

мосом при м ейозе. Но на самом деле каждый индивид мо­

хорными микротрубочками, тю{ущимися к двум полюсам

жет произвести намного большее число типов rам ет, чем

стринские хроматиды попадают в раз ны е дочери ие клетки

происходящий во время мейоза, - это
второй источник н овых слу чайны х генетических комби­

( РИС. 19-11 ) . Когда внезапно разрушаются специфичные

наций. При мейозе на каждой пар е хромосом человека

веретена, как при митоз е. В р езультате в анафазе

II

се­

223. Кроссинговер,

для мейоза когезины, соединявшие сестринские хромати­

происходит в с реднем от двух до трех событий кроссин­

ды в районе центроме ры , х роматиды разделяются.

говера. В р езультате кр оссинговера отцовские и мате ­

Подведем итоги. При мейозе за единственным раун­

рин ск и е аллели геиов, п е рвоначально рас по ложен ны е в

дом ре пликации ДНК следуют два деления клет ки ; в ре­

раз ных хромосомах, попадают в од н у хромосому, как по­

зультате из одной исходной диплоидиой клетки образуют­

казаио на рис.

ся четыре неидентичные гаплоид1-1ые клетки ( ВИДЕО 19.1 ).

ходит в более или м енее случайных точках на хромосоме,

В противоположность этому, при обычном митотическом

при каждом м ейозе образуется четыре набора хромосом

клето чном цикле из одной диплоидной клетки образуется

совершен но нового состава.

две идентичные диплоидные клетки . Срав нение схем ми ­
тоза и мейоза показано на РИС . 19-12.

19-13, Б.

Поскольку кросси н говер проис­

Пе ретасовка хромосом при мейозе вместе с изменени­
ем их аллельного состава в р езультате кроссинговера

-

это

практически безграничный и сточник генетической измен·

Клетки, образующиеся в результате мейоза,
содержат перетасованную генетическую информацию
Однояйцевые близнецы, развивающиеся из единствен1-юй з иготы, генетически идентичны; в остальных случаях

рождение двух генетически идентичных потомков у одной
пары родителей невозможно . Причина этого состоит, в
частности, в двух типах рандомизи р ованных генетических

пе р естр оек в ходе мейоза, е ще до оплодотво р е ния.

590

ГЛАВА 19. Генетика и пол

ВОПРОС

19-2

А Если не учитывать влияние кроссинго вера , каждый человек
теоретически может произвести 223 = 8,4 х 106 генетически

rl'

8

различных типов гамет. В какой степени эта возможность

может реализоваться в течение реальной жизн и (А) женщины и
(Б) мужчины?


(А)

МЕЙОЗ

(Б)

митоз

отцовский

гомолог

-:..-...~ -

материнский
гомолог

♦

УДВОЕНИЕ ДНК

УДВОЕНИЕ ДНК

♦

1 СПАРИВАНИЕ УДВОЕННЫХ
♦ ГОМОЛОГОВ И РЕКОМБИНАЦИЯ

1 ПАРЫ ГОМОЛОГОВ
♦ ПРИСОЕДИНЯЮТСЯ К ВЕРЕТЕНУ

(")

о
,:s;

УДВОЕННЫЕ ХРОМОСОМЫ

ш

~

ПО ОТДЕЛЬНОСТИ

1 РАЗДЕЛЕНИЕ ГОМОЛОГОВ
В АНАФАЗЕ 1

l

ПРИСОЕДИНЯЮТСЯ
К ВЕРЕТЕНУ

ЗАВЕРШЕНИЕ ПЕРВОГО ДЕЛЕНИЯ

РАЗДЕЛЕНИЕ СЕСТРИНСКИХ

l

ХРОМАТИД В АНАФАЗЕ

11

РАЗДЕЛЕНИЕ СЕСТРИНСКИХ
ХРОМАТИД В АНАФАЗЕ

=

(")

о

,:s;
ш

~

диплоидные дочерние клетки

гаплоидные дочерние клетки

РИС.

19-12. При мейозе образуются четыре неидентичные гаплоидные клетки, а при митозе 19-4, Б , показана только одна пара гомологичны х

две идентичные диплоидные клетки. Как и на рис .

х ромосом. При мейозе четыре гаплоидные клетки образуются в результате двух клеточных делений
после одного цикла репли ка ции ДНК . Та ки м образом , при мейозе из одной исходной диплоидной клет­
ки образуются четыре гаплоидных , а при митозе

-

две диплоидных. Митоз и второе деление мейоза

обычно длятся не более не сколь ких часов , но первое деление мейоза может длитьс я сутками, месяца­
ми и даже годами из-за большой продолжительности профа зы .

Мейоз и оплодотворение

591


три п ары

одн а па р а

гомолог ичных х р омосом

гомол огичных х р о м осом

d i sjun ct i oп) . В результате в н екоторых образовавш ихся

' '( §)'

1

га п ло и дны х

мате р инск и е

С

материнекая

отцо вские

С

отцовская

1

1
КРОССИНГОВЕР

НЕЗАВИСИМОЕ РАСХОЖДЕНИЕ

В ПРОФАЗЕ

МАТЕРИНСКИХ

I МЕЙОЗА
•

И ОТЦОВСКИХ ХРОМОСОМ
ВО ВРЕМЯ МЕЙОЗА 1

~

ВТОРОЕ ДЕЛ~НИЕ МЕЙОЗА

~

~~

1

из х р омосом, а в

ч е м в ол н ой копии. По­

сле о плодотво р ения с у ч астием таких гамет возникают

дефектные зародыш и, и бол 1, шинство и з ни х п1б 11 ет. 0 1\ н ако некоторые все же в ы живают. Напри м е р, сиидро,и
Дауиа

(Daw n

ждаю щая ся

sy пdюm e )

болез~, ь ч ел овека , сопрово­

-

у мстве нн ой отста ;юстыо и хар актер 11 ы ми

фи зи ч ескими

нару шениями

-

в ызывается

1-1 ал ичи ем

л ишней копии 2 1 - й хр омосомы. Эта ош ибка про и схо­
дит и з-за 11 е расхожде н ия х ромосом 21-й па ры во в ремя
мейоза; в р езул ьтате возни ка ю т rамет ы , соде ржащие две

х ромосомы 2 1 -й п ар ы вместо од н ой ( РИС. 19-14) . Когда
эта rамет а с ан омаль ны м чи слом х р омосом сольется nр и

оплодотворе н ии с нормал ьно й rам етой, у об разовав ш е­

П ЕРВОЕ И ВТОРОЕ

\:::::::;,) \:::::::;,)

~ ~

гося зар од ыш а будет три коп ии 2 1- й х ро м осомы вм есто

ДЕЛЕНИЯ М ЕЙОЗА

\:::::::;,) 'с!

двух. При таком хромосо мно м д и сбала нсе воз ни кает из-

1

@@/Э8

ОТЦО ВСКИЙ ГОМ ОЛОГ

возмо ж ны е типы гамет

21 - й хром осом ы

д ипл о ид на я клетка
за р одыш е вого

@) @)Е) Е)
(А )

клетках отсутствует од н а

д ругих он а при сутствует боле

пути

-

мате рин ский гомоло г

пр едш ест ве н н ик

21 - й х ром о с о мы

га м ет

♦ УДВОЕНИ Е ДНК

в о з можн ы е ти пы га м ет

( Б)

РИС.

19-1 З. Два способа перетасовки создают новые комбинации

аллелей в ходе мейоза. (А } Н еза ви с им ое расхожде ни е отцовски х и

1 ~ Е РВОЕ ДЕЛЕНИ Е МЕЙОЗА

мате р инс ки х хромосом в дочерние клетки создает 2" гамет с их раз н ыми
соч етаниям и , где п

Н а схеме п

-

~ НЕ РАСХОЖДЕНИЕМ

га пл оидное чи сло х ромосом да н ного о р ганизма .

= 3, и об раз уется 2" = 8 разн ы х ти п о в га мет. Дл я простоты

к росси нго вер н е по казан. ( Б} При кроссин говере п о время п рофазы

1

м ейоза гомол о ги ч н ы е х ромосом ы об м е н иваются участками , и в каждой
х ромосоме возни кают новые сочетания аллел ей . Дл я простот ы п оказа ­
на одна пара гомол огичных хромос о м . Реально п р и мейозе происход ит
и н езависимое расхождение хромосом , и крос с ин говер .

ч ивост и rамет, производ и м ых од ной особ ыо. Та к как каж­
ды й человек л оявляется в резул ьтате сл ия ния двух таких
rамет, отцовской и материнской, нас не должно удивлять,
сколь не гт охожи д р уг н а д р у га ок ружа ющие нас люди

-

а н е уплоидные гаметы ,

га м ет ы , лиш ен н ые

несущ ие д ве копии

2 1 -й хромосомы

21 - й хром осо м ы

даже <rлены одн ой семьи .

РИС . 19-14. Ошибки в сегрегации хромосом при мейозе моГ)'1'

При мейозе нередко происходят ошибки

приводить к появлению гамет с нарушенными хромосомными
од ~rн из про­

числами. В данном примере было нарушено расхождение удвоенных

цессов клеточн ой бухгалте рии , т ребу ющих бол ытюrо и с­

отцовской и материнской 21 -х хромосом в первом делении мейоза.

Со ртиров ка хромосом во в ре мя мейоза

-

r<усства. Каждая исход ная клетr<а человека при мейозе

В результате две из четырех гамет не получили ни одной копии данной

должн а следи ть за

п ары , каждая из

хромосомы , а другие две гаметы получили по две копии (вместо по·

кото ры х удваи вается) , ч тобы обеспечить попадание и х

лагающейся в н орме одной коп ии) . Гаметы , в которых ч исло хромосом
отклоняется от нормы , называются анеуплоидными (aneuploid} . Есл и

92

хромосо мами

(23

п олного набо ра в каждую гам ету. Неудив и тель н о, что в
ходе этого сложного процесса не редко про исходят ошиб­

какая-то из них примет участие в оплодотворении , то в образовавшей·

ки в рас пределе нии хромосом .

ся зиготе ч исло хромосом тоже будет отклоняться от нормал ьного . П рИ

(11 on-

И н огда rомоло 1·и не могут пр а ви ль но раздел ить ся

это явле ни е извест н о как иерасхождеиие хромосом

592

ГЛАВА 19. Генетика и пол

слиянии гаметы с двумя 21-ми хромосомами и нормальной гаметы по·
явится р е бе н ок с синдромом Дауна .


быток доз ы белков , за I<одиров а1-11-1ы х rе пам и 21 - й хромо­
сомы , и 11 арушается норм ал ьный ход развития э мбри о н а.

Частота ошибоI< се гр ега ции при образовании гамет у ч е­
Jювека в с 1, ма высока, особенно у же нщин: н ера сх ожде­

ние прои схо;~ит при м е йозе прим е рно в

10% ооцитов,

в

результате ч его образуются яйцеклетки с откло н ениями

числа хромосом. Э то наруш е ни е называ ется аиеуплоидия

(aп euploidy) . У с п ерматозо и дов человека а н еу плои д ия
1-ii:tбл юда ется реже; воз мож1ю , это с вя за но с более жест­
ким << 1<01-прол е м I<ачества » при образовании м ужск их п о­
Jювых кл еток . Если хо11 ме йоза в кл етках мужчины нар у­
ш ается, активизируется ко нтролы-~ый м еха низ м одного

из ч е кпойнтов, м ейоз останавливается, и клетка гибн ет
путе м апопто за. Н е расхожд е ни е хромосом и в яй ц еклет­
ках, и в сперматозоидах, в е роятно , О!\ Н а и з о с новных при­

чин высокого проц е нта спонтанных выкидыш е й н а ран­

них стадиях беремен 11о сти у чел овека.

РИС.

19-15.

Сперматозоид связывается с плазмалеммой яйце­

клетки. По казана ска нирующая эл ектро нн ая микрофотография спер­
матозоида человека, соприкасающегося с поверхностью яй цекл етки

При оплодотворении восстанавливается

хомячка . Яйцеклетка бы л а освобождена от

полный диплоидный геном

zona pellucida, так что видна

ее пл азмалемм а, покрытая п альцевидными микроворсинками . Так и е

Раз обрав , как распределя ются хромосомы в ходе мейоза,

лиш енн ы е обол оч ки яй цеклетки хомячка иногда используются в клини­

мы теп е рь кратко обсудим, как они вновь объед иняются

чески х тестах бесплоди я , чтобы проверить, с пособны ли сперматозои­

в результате оплодотворения (fe rtili zatio п) , когда форми­

ды мужчины сливаться с я йцеклеткой. О бразую щи еся зи готы н е разви­

руется зигота с пош,ым ди п лоидным набором хромосом.

ваются. ( С разрешения

Из

300

David М . Phillips.)

млн сперматозо идов челове ка, выбрасывае мых

при половом акте, только около

200

достигают области
Оплодотворенная

оплодотворения в яйцеводах. Е сть свидетельства в пользу

того, что в ещества , которые выделяют ю1 етки, окружающие

(zygote).

яйцеклетка

называется

зиготой

Однако оплодотворение нельзя считать за кон­

овулировавшее я-йцо, привлекают сперматозоиды. Но при ­

че нным, пока два гаплоидных ядра

рода этих моле кул-хе моаттрактантов у человека не выяс­

clei) -

нена. После того как сперматозоид наход ит яйцеклет ку, он

ядре. С оп лодотворения начинается один из самых удиви­

Мигрирует сквозь слой окружающих ее клеток, а затем дол ­

тел ьных феноменов во всей биологии

жен связаться с оболочкой, которая называется

rенеза, в ходе которого зигота дел ится, дает большое число

zona pellu-

cicla ( иногда ее называют блестящей оболо lпюй) , и проник­

-

проиуклеусы

(pro nu -

не объединят свои хромосомы в одн ом диплоидном

-

процесс эмбрио­

д иплоидных кл еток и раз вивается в новый орга 1шз м.

нуть сквозь нее. Нако н ец, сп е рматозо ид долже н связаться с

м е мбраной яйцеклетки , а затем слиться с н е й (РИС. 19-15).

Хотя обычно оплодотворение происходит в результате сли­

МЕНДЕЛЕВСКИЕ

я н.11я сперматозоида и яйцеКJ1етки, rrpи искусствешюм опло­

ЗАКОНЫ НАСЛЕДОВАНИЯ

дотворении можно таюке ввод ить сперматозоид внутрь яй­

Це 1слетки с помощью микропил етки. Так иногда п оступают

У организмов , лишенных полового раэмножеиия , в есь

ltJ1я преодоления б сшюдия, есл и спе рм атозо иды н е могут

ге н етич еск ий материал родител я перед ается е 1·0 п отом­

сл иться с яйцеклеткой самостоятел ьно.

ст ву. Род ител ь оди11 , и потомство генетически и де нтично

Хотя с поверхностью яйцеклетки часто связ ывается
М~-южество сперматозоидов, в норме только оди 11 из них

томков будет ге н етически отлична от родителя.

СJ~ивается с яйце кл еткой и вводит сво ю ДНК в цитоплаз­

перев. J. В то вре мя ко 1·да Мендел ь начал св ои иссл едо ва­

му яйца . Ко 11 троль этого этапа оплодотворения особенн о
важе н. 0 11 обеспеlшвает попадание в з иготу двух и только
двух наборов хромосом . Несколь ко м еха ни з мов предотвра ­

жет пе редаваться 1-1аследствен 1-1ая информация и у ЛЮ!\еЙ

ему

[в

этом случае тоже происходят мутации и ч асть по ­

-

Прим.

ния на горохе, н екоторы е биологи пола 1:али , что так мо­
( РИС.

19-16) .

ll(ают множестве нное оплодотворени е. О;~ин из них состоит

Но, хотя дети и похожи на своих родителей, они не ко­

13 том, что первый s1 удачливый» с перматозо и д при с;~иянии

пия отца ил и матери, сделан ная s1 под копирку » . У р аз мно­

с яйцею1 еткой вызывает вол ну вхождения ио~юв кальция
0 ее цитоплазму. В свою очерсдъ, Са 2 + зап ускает секре цию

жающихся половым путем организмов потомство обычно

Ферм ентов, вызывающих <<затвердевание,> zona pellucida.
Это не дает проникнуть сквозь zona pell ucida другим спер­
~1 атозо ида м , п оэтому в <<ГО1·1 ке за оплодотворением ,> побе­
д 11.т Jtь тол ько один . Вол иа вхождения ионов калъция при
оплодотворении гюказа1-1 а на ВИДЕО 16.4 и 19.2.

обладает с месъ ю при з ~1аков обоих родителе й. Этот факт
помог ранним ген етикам (ученым , и зу чающим наслед­
ственность) в нх попытках раз rадать за коны наследова­

ния . Чтобы понятъ эти законы , нужно прослед ить за тем,
как отдель11ые призн аки передаются (или н е передаются)

от ро11ителя к ребе нку. Та кие приз наки должны обладать

Менделевские законы наследования

593


Благодаря только ч то о пи саш 1 ым механиз м а м мейоза
при лоловом процессе

р азрушаются

куrшости генети ч еской

с1ю жио ши еся сово­

информации . Аллели сме шива­

ются, образуются новые их комбинации, и в резуJ11,тате
появляются особи с раз1fыми лри з 1-1 аками. Поэтому не­
уд ивит ельн о, что им е нн о изуче1-1ие н аследова н ия при по­

ловом раз множе н ии дало п ерв ые важнейшие результаты в
п онима 11 ии механизмов насл едстве нно сти.

У людей, как и у других видов, им еются просты е
при з ~1 аки, за которыми можно просJ 1 едить в течение н е­

скольких покол ений. Например, у одних людей мочка

уха приросшая, а у других

свободная [приросшая или

-

свобод 1-1 ая мочка уха, в отличие от способности LJувство­
вать вкус фенилтиомочеви ны, ~1 е относится к прост ы м

(моногенным) менделевским признакам .

-

Прим. перев. ] ;

од ни люд и р азлиqают оп р еделе иные за пахи или вкус хи­

мических веществ, а д ругие

нет ( РИС .

-

19-17) . Но раз­

меры семей челове ка малы, а длительность е 1·0 развития

так велика, что для анализа всего одной пары поколений

требуется
РИС.

19-16. Сторонни ки одна и з ошибочных теорий

наследов а н и я

40 лет.

Поэтому люди

-

1-1е лучший объект для

ге нетическ и х о пы тов.

пр едполагал и, чт о генетические признаки передаются исклю чи ­

Законы наследова ния были открыты на таких видах,

тельно от отца . В по,одержку этой теории унипарентного наследования

которые легко культивировать и которые имеют большое

не которые ранние ми к рос кописты заявляли, что они могут разглядеть

число л отом ков. Гре гор М ендель, отец-основатель ген ети­

крошечного, вполне сформированного скрючившегося человеч ка вну­

ки, в ыбрал горох; но сходны е эксперименты можно про­

три гол овки каждого с перматозоида.

водить на плодовых мушках , червях, собаках, кошках и ли

любых д ругих животных и растениях, обладающих из­
уqаемым и при знаками. Теперь мы з нае м , '-!ТО од ни и те же

изменчивостью. Если каждый голубоглазый

родитель

основные законы н аследова ния nриложимы ко вс ем жи­

имеет только голубоглазых детей, и это происходит из по­

вым организмам, размножающимся половым путем,

коления в поколение, то наблюдения за такой семьей не

микроскопич еских дрожжей до гороха и человека .

по зволят сделать ни каких выводов , кроме того, что голу­

бой цвет глаз наследуется.

-

от

В данн ом разделе мы опишем логику наследования
приз наков у двупол ы х организмов. Мы увидим, как п о­
веде ни е х р омосом при мейозе

-

их распределение п о га­

метам, а затем их объедине ни е в слуL1айш,1х комбинаци ях

при появлении генетически у никальных п отомков
яс ня ет в ы явлен ные

в экс п е риме шах законы

-

объ­

наследова-

1 1 ия. Но с н ачала м ы п оз накомимся с тем , как М ендел ь в

XIX в., скрещивая

горох в своем монастырском садике, от­

кр ы л э ти зако ны .

Мендель изучал
дискретные наследственные признаки

При п ланировании биоло гического экс периме нта для ре·
шения какой-л и бо науlшой проблемы очеи ь важен пра­

вильный выбор подходящего объекта. Мендель вы б рал
го рох. Горох легко выращивать, он достато'-!1-ю б ы стро
растет, и большое LIИ CJJO расте ний можно выраст ить н а не­

большой площади, н априме р в монастырском садике. Еще
РИС .

19-17.

Не которые люди чувствуют этот вкус , некоторые

-

важн ее,

по М ендель мог контрол и. ровать скре щивани:я

нет. Способность ощущать в кус фенилтиомочевины (фенилтиокарба­

расте ни й. Каждый цветок гороха соде ржит и пестики, и

мида, ФТК) определяется единственным геном. Хотя генетикам с 1930 -х

тычинки, и в норме самоопыляется. Но Мендель мог про·

годов было известно , что способность чувствовать вкус ФТК наследует­

изводить и п е р ек р естное о пылени е . Для этого

ся « по Менделю », отв етственный за это ген
щи х рецепторы горького в куса ,

-

-

один из ге нов , кодирую ­

был идентифицирован лишь в

2003 г.

011 удаляJI

и з цв етка незр ел ы е ты'-!ю-1ки , а затем п е р е носил на 11 ести 1<
такого кастрироваю-ю 1·0

цв етка

пылы.1.у с другого

рас ·

У людей , не чувст вующи х вкуса ФТК , происходят аминокислотные за­

тения. Таким образом, М е ндел ь знал родителей каждого

мены в бел ке-рецепторе, уменьшающие его активность.

р асте ния, которое он исследовал.

594

fЛАВА 19. Ге н етика и пол


Форма

Окраска

Окраска

Расположение

Форма

Окраска

Высота

семян

семян

цветков

цветков

бобов

бобов

растения

//

Один вариант
проявления
признака

(доминантный)

круглая

(R)

желтая (У)

пурпурная

пазушны е цветки

проявления
признака

о

(рецессивный)

морщи- зеленая (у)
нистая (г)

РИС .

зеленая

нормальный ро ст

желтая

ка рли ковый рост

/

Другой
вариант

гладкая

белая

вер х ушечны е

с п е рех ватами

цветки

19-18. Мендель изучал семь пар альтернативных признаков гороха.

У каждого растения н а­

блюдался один из двух ч етких вариантов признака . Ин аче говоря , данное растение имело либо желтые ,
либо зелен ы е горошины, но н е встречались растения с желто-зелеными . Как мы вскоре увидим , один

из вариантов этих при знаков был доминантным , друго й

-

рецессивным.

Не менее важным для Менделя было наличие мнтке ­

кал е нии и расщепление во втором поколении гибридов)

ства сортов гороха. Налример, один сорт им ел пурпурные
цветки, а дру гой - белые. У од 110го сорта горо11жны были
гладкие, у другого - морщинистые. Ме ндель решил иссле­
доватr, только такие признаки - вроде окраски цветков или

были и з в естны до опытов Мен11 еля. Однако Менд ел ь
п е рвым подвел пр авилыrую теоретическую базу под
эти р езул ьтаты.

-

При.м. пер ев. ] . Он решил , что будет

наблюдать за наследовани е м одного дискретного при­

Формы горошин, - которые легко в ыявлялись, Lfетко раз­

знака. Его пр едшественники nыталис1, изучать оргаииз ­

.11и:ча.тrись у раз 1tЬ1х сортов, а главное, были представлены
дискретным и, алътернативными вариа нтами ( РИС. 19-18).

безуспешно старались охарактеризовать потомков с та­

вариа11т1,1 отсутствовали.

было сравнить с родителями. Мендел ь же в своих опы­
тах брал две чистые линии, разл ичающиеся по одному

Другими словами, всегда мож но было о предел ить, какие
цветки у растения - красны е или белы ; промежуточные

мы, различающиеся по множеству признаков. Часто они
кими с;южными со ч етаниями признаков, что их трудно

изу чаемому при з наку, и п е р е крестно опылял их. Затем

Мендель смог опровергнуть

он наблюдал, как наследу ется этот при з н ак растениями

альтернативные теории наследственности

следующего поколения . Например, Менделъ скр щивал

Отть,ты по скрещиванию, которы е проводил Мендел ь, были
оче н1, прост ыми . 01·1 начал с выявления чистых ли ни й го­

ниями и з чистой линии с зеле ными семенами . Он уста­

Роха. Когда расте ния чистых лию1й самоо пыляются , все
их потомки сохраняют приз~rак и сорта. Наприме р, при из ­

Учении окраски семян Мендел ь испол1,зовал две LJистые ли ­
нии. Растения Lfистой линии с желтыми семе 1-rами при са­
моопылении всегда давали потомков с желтыми семенами.

Uри самоопылении растений из чистой линии с зелеными

семенами потомки всегда имел и зеленые семена.
М е н дел ь прим е ~~ ил совершен н о новый подход к изу ­
Че ~, ию насл едст ве нности [на этом пути у М е нделя были
11

Редwестве 11ники . Описанны е ниже результаты мо 1 ю­
~·· нбрид 1юго скрещивания (доминировани е в пе рвом п о-

растения и з чистой линии с желт ыми семенами с расте ­

новил , что в этом случае все п олучен ные гибриды перво­
го поколения, или

F 1,

имеют желтые семена ( РИС . 19-19).

Тот же результат быJ1 получ е н для всех признаков, ко ­
торы е изучал Мендель:

nce

гибриды

F 1 имели

признак

только одного из родит еле й.

В результате опытов по скрещиванию чистых линий
с желтыми и зелеными семенами Мендель убедился, что
при насл ед овании цвета семян н е происходит сме ш ения

насл едстве нных задатков . Если бы оно прои сходило, все

гибриды

F 1 должны

были иметь желто-зеленые семена.

Однако при пове рхностном вз гляде могло показаться,
что эти результаты подтв е рждают теорию у н иnарентного

Менделевские законы наследования

595


скре щи ваний и аккурат но учитывал резул1,таты. Он об­
наружил, что 4 исчеза ющий » при знак возвращается: око­

ло ¾ 1·ибридов
чистая линия
с желтыми се м е нами

F2 имели

желтые сем е на , около¼ п,rбридов

имели зеленые семена (см. рис .

чистая линия
с зелеными семенами

19-19).

П олу ч е н ный р езультат с очевид1-юстыо опровергал
теорию сл итного н аследования. Эта теория явно

в

1ie

ПЕРЕКРЕСТНО Е

состоя нии объяс~1ить , как лри скрещива нии двух рас­

ОПЫЛЕНИЕ

тений с желтыми семе нами может rюяв1,rться потомок с

зелеными семеиами. Но М ендель получил ключ
ГИБРИДЫ ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ

(F 1 )

r<отве­

ту на следую щи е во просы. Хотя зеленая окраска семян

временно пропала у гибридов

F 1,

в следую щем поколе­

нии 0~1 а вновь поя вилась. Это о знач.ает, что хотя бы у

н екото рых гибридов
100%

F 1 должен

присутствовать наслед­

ств е ииый фактор , отвечающий за зеленую окраску се­

растений с желтыми семенами

мян: он просто скрыт, н е проявляется. То же поведение

1САМООПЫЛЕНИЕ

про демо нстриров ал и и остальные ш есть при з наков , из­

ученных М е н делем.

Чтобы объяснить свои результаты , Мендель предпо­
ГИБРИДЫ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

(F 2 )

ложил, что за н аследовани е п ризнаков отве ч ают наслед­

ствеиные факторы (которые сейчас мы называем генами),
и эти факторы действуют как дискрет ные частицы, ~1е
смешивающиеся

при

соседстве,

а

остающиеся

р аздель­

ными . Он предположил , что существуют альте рн ативные

75%

растений

в ариа нты 1·е н ов, отвечающие за разл ичия в на следствен­

25% растений

с ж елтыми

с зелеными

семенами

семенами

ных при знаках. Наприм ер , ген, отвеl1ающий за окраску
горошин , существует в виде двух 4 разновид ностей » : одна
определяет желтую окраску, а д ругая направ ляет р азвитие

РИС.

19-19.

Простые опыты доказали дискретную природу на ­

зеленой окраски. Сейчас такие альтернативные варианты

следственности. При скрещивании чи сты х линий гороха с желтыми

гена мы называем аллелями , а вся совокупность аллелей

и зелеными семенами гибриды первого по кол ени я

данной особи

желтые семена . Но при ск рещивании гибридов
результате их са моопыл е ния)

(Fi)

F1 между

всегда им еют

собой (или в

25% их потом ков (гибридов F2) им е ют зе­

генотипом

- ее генетический
(genotype).

-

называется

М ендель предположил, что за каждый признак рас­
тения отвечают две копии гена,

лены е семена .

состав

ва 1-шы е от ро дителей

-

или аллеля, унаследо­

по одному от отца и от матери.

У растений чистых ли ний оба эти аллеля идентичны

-

н аследова ния, в соо тв етст вии с которой потомки долж­

растения << желтой л инии>> соде ржит два аллеля желтой

ны быть похожи ли шь на одного из родителей. Если бы

окраски, растения <<Зеленой линии>>

М ендель оста ,-ювился на изуl1ении гибридов

и ой окраски. Особи, имеющи е два одинаковых аллеля

F 1,

он мог

-

два аллеля зеле·

бы выдвинуть ошибочные идеи о природе наследствен­

даююrо гена, называются гомозиготами

ности . К С LJа стью, он осу щест ви л следующий эта п экс­

по данному гену (признаку ) . Напротив, гибриды

периментов

-

скрещивал между собой гибридов (или

давал им самоопыляться) и изучил лотом1<ов СJ1 едующих

чают по два разных аллеля

-

от другого. Таким образом, эти расте ния

терозиготы

Опыты Менделя впервые выявили
дискретный характер наследственности

аллель, отвечающий за ж ел­

тую окраску семя н, от одного родителя, и аллель зеленой
окраски

покол ений .

-

(homozygous)
F 1 полу­

(hete1·ozygoLLs) по аллелю

Внешние при з наки, или фенотип

- re·

окраски семя н.

(pl1enotype),

расте­

ния зависит от того, какие аллели оно получит от родите­

лей. Чтобы объяснить <Фrсчезтюве1-1и е>> одного и з призна­

Опыт Ме нделя с гибридами был поставл е н так, что он

ков у гибридов

мог ответить на важный вопрос: что происходит с такими

паре аллелей есть домииантиый

Fi, Мендель предположил, что в каждой
(dominant), т. .преобла­
рецессивиый (гесеs ive), т. е. прячущийся, от­

признакам и (наприм е р, зеленой окраской rорош ин), кото­

дающий и

рые внешне не проявляются у гибри дов этого поколе ния

ступающий . При наличии домина нтного аллеля :именно

(см. рис.

19-19)? Вносят ли растения с зелеными семенам и

он всегда определяет фенотип. В случае окраски семя н

и з и сходной чистой линии какой-либо ееиетический вклад

аллел 1, желтой окраски - дом инантный , а аллель зеленой

в потомство? Чтобы выяснить это, Мендель позволил рас­

окраски

тениям

F 1 самоопыл иться.

Если бы наследственный зма­

-

р е цессивный.

Одно и з важных следств ий наличия доми н антных

aJ!·

ток, отвечающий за зелен ый цвет, был уте рян, то растения

лелей и г те ро зиго тно сти состоит в том, что не все алле·

F 1 должны были дать при самоопыле ни и ТОЛЬJ(О растеиия
F2 с желтыми семенами. Мендель провел большое число

ли, присутствующи е у данной особи, легко определить

596

ГЛАВА 19. Генетика и пол

ее фе 1-ютилу. У человека около

25

rio

ООО генов , и каждый из


нас rсте роз итоте 1-1 по очень большому ,1ислу генов. Таким

РОДИ ТЕЛЬСКО Е ПОКОЛЕНИЕ

образом , за м етный процент 11аше~1 ге нетич ес кой инфор­

о

мации н е влияет н а наш собств 1н1 ый фе нотип, ~IO может
проявиться у следую щи х п околений.

фенотип: желтая

фенотип : зеленая

окраска горошин

окраска горошин

ге нотип: УУ

Каждая гамета содержит

гаметы ♦

один аллель данного гена

с аллелем

геноти п : уу

гаметы ♦

у

с а л лел ем

у

Теоретический постулат Ме н деля о том, что да нная особь
насл едует по одной копии каждого ге на от отца и от ма­

П Е Р ЕКРЕСТН О Е

тери, пощ1имал некоторые вопросы о материальной при­

О ПЫ Л ЕН И Е

роде наследствен ~~ости. Если оргш 1 и з м имеет по две копии
ПЕРВОЕ ПОКОЛЕНИЕ

каждого 1'ена , почему он п ередает 11 отомкам толы<о одну

ГИБРИДОВ

из них? И как наборы генов с нова объединяются в гено­

(F 1 )
фенотип: желтая окраска горошин
генотип: Уу

типе потом ка?

Менделъ постулировал, что при образовании сперма­

jСАМООПЫЛЕНИЕ

тозоидов и яй цеклеток в каждую гамету попадает только
по одному аллелю из п ары аллелей да нного гена. Так, каж­

дая яйцеклетка (а следователь но, и семяпочка) и каждый
спе рмий (а следовательно , пыль цевое зе рно) полу<1ают
у

только одии из аллелей, отвечающих за окраску семян

ЯЙ ЕКЛЕТКИ

(либо зеленую, либо желтую) , за их форму (гладкую или
Морщинистую), окраску цветков (пурпурную или белую)

у

" G
25%

!:/

И т. д. В ходе оплодотворения сп е рмий , содержащий какой­

"

то из двух аллелей, может объединиться с яйцеклеткой,
тоже н есу щей любой из аллелей. Таким образом, в зи го­

СПЕРМИИ

!1

уу

о
25%

те вновь оказываются два аллеля, отвечающие за данный

JI

С)

уУ

25%

JI

Уу

rrризнак. То , какой из аллелей находится в спермии и яйце,
НИ1<ак не влияет на вероятность их сл ияния
ходит случай ным образом.

-

оно проис ­

25% уу

ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ
ГИБРИДОВ (F2 )

Этот принцип наследования с формули рован М е 11делем в виде гипотезы чистоты rамет (позди ее назва н­

ной закоtюм чистоты гамет ) . [ Авторы наз ывают этот

РИС.

зако н << первым законом М енделя ,>. Однако в русско ­

щие лишь один аллель из пары аллелей данного гена; фенотип

язычной литературе так часто обозначают либо за кон

потомков зависит от комбинации получ е нных аллелей . Здесь по­

19-20.

Родительские растения образуют гаметы , содержа ­

единообразия гибридов первого покол ения ( зако н до­

каза ны и генотипы , и фенотипы тех же растений гороха, скрещивание

мннироваиия), либо закон расще плен ия 3:1. Сам М ен ­
делъ не называл открытые им принци пы насл едовани я
зако нами и н е нумеровал их. - Прим . перев. 1 Этот за­
кон: rласит, что два аллеля да ниого геиа при образова­
нии rамет расходятся (сегр еги руют), и в каждую t'аме­
ту попадает толы<о один и з них. При оплодотво р ении

которы х изображе но на рис .

11.роисходит слу <~айиая встреча аллелей (по одному от
каждо 1'0 род ителя ) . В соответствии с законом чи стоты
rамет, каждое расте ние F 1 с желтыми с м н ами даст в
Ра вном количестве два типа гамет: половина l'амет по­
Jtучит аллель желтой окраски, д р угая полов ина - aл­
JJeJiъ зеле ной окраски. При са моопыл ении гиб ридов F 1
эти два типа гамет встречаются случайным образом.

lUансы на о п лодотворе~1и е яйцеклетки, несущей аллель

)!(едтой ок р аски, спе рмиями с аллелем зеленой и желтой
окраски равны. То же относится и r<яйцеклетке с алле­
Jtем зеленой окраски. При этом в F2 возникают четы р е
Разных варианта комбинаций аллелей ( РИС . 19-20) . Ч ет-

13ерть всех потомков F 2 получат два аллеля, отвечающих
з а зеле ную окраску се мян ; они и дадут зеле ны е семена .

Четверть потомков получат два аллеля желтой окраски

И дадут желтые семена. Но половина все х растений F2

19- 19. Растения

чистой линии с желтыми

семенами дают тол ько гамет ы , несущие ал лель У; растения чистой ли ­
нии с зелеными семенами дают только гаметы с аллелем у . И х потомки

( г ибриды

F1 с желты ми семенами) имеют генотип Уу . П ри скрещивании
F1 между собой около 75% их потомков имеют желтые семе­
на, о коло 25% - зеленые. Выделенный серым квадрат в ниж ней части
рисунка - решетка П еннета , названная так в честь а н глийского матема­
гибридов

тика и одного из последователей Менделя . Эта форма графическо й за­
писи позволяет проследить за сегрегацией аллелей в ходе образован и я
гам ет и предсказать численные соотношения разных генотипов , воз­

ни к ши х после оп л одотворения. В соответствии с правилом , введенным

Менделем , заглавными буквами обозначаются доминантные аллели , а
ст рочными

-

ре цессивные .

унаследуют один аллелъ желтой окраски и один аллель

зеле ной окраски. Пос кольку аллелъ желтой окраски
до минантный , эти растения

-

как и гетерозиготные

растения F 1 - будут им еть желтые семена. В целом ¾
растений F2 будут иметь желтые семена и ¼ - зеленые
сем е на. Таким образом, закон чистоты rамет объясняет
соотношени е

3:1 , наблюдаемое среди

гибридов

F2 •

Менделев с кие закон ы насл едования

597


Менделевские законы сегрегации аллелей
приложимы ко всем организмам ,

первое

поколение

размножающимся половым путем

второе

поколение

За t<о н у рас ще плен ия

3:1

соответствоваJ11,1 данные огrытов ,

получе нны е Менделем при и зу ч ении в сех выбран1-1ых им
приз1-1аков гороха. Основны е резул ьтаты этих опытов 0 11

третье
поколение

••

смог та кже повторить н а кукурузе и фасол и. Но открыты е
им законы наследов ания при з наков спр аведл ипы ,-, е толь­

четвертое

ко для растений . Ме нделе вское представле ни е о ге н ах как

поколение

2

д искр етных ед иницах 11а следования, з акон LJистоты гам ет

3

4

4

6

5

7

8

9

10

и за ко1-1 рас щепле ния относятся ко всем организ мам , раз­

РИС .

множающимся половым путе м , включая и чел овека [н а са­

следственных заболеваний при браках между двоюродными

мом деле закон расщепления

19-22.

Родословная демонстрирует увеличение риска на­

выполня ется тол ько для

братьями и сестрами . Показана реальная родословная семьи , среди

диплоидн 1, 1 х организмов . При скрещивании двух чи стых

членов которой есть носители редкой рецессивной мутации, вызываю­

линий гаплоидны х ор ,-анизмов , наприм е р хламидомонад,

щей глухоту. Квадратами изображаются мужчины , кругами

уже в .п е рвом поколении вновь появятся чи сты е лю-,ии в

Чл ены семьи , страдающие глухотой,

соотношении

мальным слухом

3:1

Прим. перев. ].

1:1 . -

Рассмотрим для .прим е ра фе нотип ч елов ека, за воз­

-

-

-

же нщины.

синие к руги и квадраты; с нор­

серые. Одна горизонтальная линия , соединяющая

мужчину и же нщину, обозначает брак между неродственными индиви­

никнов ение которого отв е ч ает один ге н . Основная фор ­

дуумами ; двойная горизонтальная линия

ма альбинизма

ред кий признак,

ственниками (кузенами и кузинами). П отомство от каждого брака пока­

~rаследуемый по рецессивному тигrу у многих животных,

за н о под горизонтальной линией , дети располагаются слева направо в

в том числ е у LJеловека. Как и расте 1-1ия гороха, произ­

порядке их рождения . Пр едставители каждого поколения пронумерова­

водящие зеле 1-1ые сем ена, альбиносы гомозиготны по

ны слева направо. Н апример , в третьем поколении этой семьи индивид

-

альб ини з м

II

типа

-

рецесс ивному аллелю (а) определе нного ге на. Их rе но-

номер

2,

-

брак между кровными род­

мужчина с нормальным слухом, женитс я на своей кузине (ин­

дивид номер

3, также с нормальным слухом). Трое из их пятеры х детей
7, 8 и 9 в четвертом поколении) глухие . Кроме того ,
индивид номер 1, брат номера 2, также женится на своей кузине - ин­
ди в иде номер 4, сестре номера 3. Оба родителя имеют нормальный
слух, но двое из их пятерых детей глух ие . (С разрешения ВМС Medical
Geпetics из: Z.M. Ahmed et а/. , ВМС Med . Geпet ., 5: 24, 2004.)
(индивиды номера

мужчина-

« нормальная»

«норма льны й»

женщина-

альбинос

женщина

мужчина

альбинос

~

~

тил

-

аа. Доминантный аллел ь этого гeJra (А) кодирует

фе рм ент, у ч аств у ющий в сиитезе меланина
определяющего

черную

ил и

-

пигм ента ,

коричн евую .пигм е н тацию

волос, кожи и сетчатки глаза . Ре цессивный аллель ко·
дирует м е н ее активный или вовсе н еактивный вариант

ферме нта . У лиш е нных активного фе рмента ал ьбиносов

белые полосы, белая кожа и з рачки , которые кажутся ро ·
з овыми, так как и з-за отсутствия питм е 1-1тации сетLiатки

просве чивает красный r-емоглоб ин , находящий ся п сосу·
дах глаз ного д н а.
все потомство «нормальное»

все потомство « нормальное »

~

При браке такого мужчию"1-ал ьбиноса (аа) с женщи·
1-ю ~1-ал ьби1юсом (аа) все их дети также будут алъбююсам.и
(аа) . А что будет, есл и в брак вступает, наприм ер , же нщина ·
альбинос и мужчина с норм алъной пигм е нтаци ей? Пред·
положим, LJТO ге r-ютил мужчию,r
редок, и если 11и у

r<o ro из

-

АА ( альбиниз м вес ьма

родстве нников он н е наблюдался ,

скор е в се го, LJ е.J ювек гомоз иготен по домина нтному алле·

лю). В этом случае все и х дети будут им еп, нормальную

пигм е нтацию

75%

« нормальных »

25%

альбиносов

-

среди них не окажется альбиносов. Этот

р зультат наломина ет с кре щивание двух чистых род ител ь·

с ких ли ний, проводившееся Менделем. В каждую гамету
РИС .

19-21.

Закон расщепления Менделя относится ко всем ор ­

отца попадет оди 11 доминант ный аллель А , а в кажду ю гам е·

ганизмам, размножающимся половым путем. Здесь показано на­

ту мате ри

следование альбинизма

и доми нантны й фен отип ( РИС .

II типа -

рецессивного моногенного признака

человека .

598

ГЛАВА 19. Генетика и пол

-

аю, ель а. Все потомки будут иметь ге нотип Аа

19-21 ). Если оди11 и з таю,~

потомков образует пару с чело веком такого же ге нотила


(оди н из родителей которого был альбиносом), то среди

дый из и зу ч аем ы х пр изнаков н аследуется н езависимо: ал­

их детей будет наблюдаться расщеллен не в соответствии с

лели, отвечаю щие за цвет се м ян, сегреrируют н езав и си мо

законом Менделя: в среднем на каждых трех нормальных

от аллелей, отвечающих за фо рму се м ян. В

детей будет рождат ься оди н ребен ок-альбинос. Ин аче гово­

ся р асте ни я с четы рьмя р аз ны м и фен отип ам и: желты ми

F2 появляют­

ря, вероятность альбинизма (получеиия двух рецесс и в ных

гладк и ми семенам и , желты ми мор щини сты ми, зелены ми

аллелей) для дан наго ребенка составит

гладкими и зелены ми морщ и нист ыми ( РИС.

25%.

19-23) . М ен -

Обыlшо у людей не столь большие семьи , чтобы в них

наблюдалось хоро шее соответст вие ме нделевскому рас­
щеплению. (Ме нделю удалось открыть расщепление

3: 1

за счет того, LJТO в бол ьш инстве своих о п ытов он скрещи­

вал и подсчитывал ты сячи растений. ) Ге н етики, изуча­

РОДИТЕЛЬСКИЕ

о

ЧИСТЫЕ ЛИНИИ
фенот ип : желтые

ющие наследование отдель ных п ризн а ков ч еловека, ре­

фенот ип : зел ен ы е

круглые

генотип:

ш ают эту проблему, изу чая большое число семей или ряд

мор щин исты е

г е н от ип :

YYRR

yyrr

поколеиий нескол ьких больших семей. Чтоб ы соб рать
такую ин формацию и устан ов ить ха рактер н аследован ия,
Уч еные составляют р одословные ( pedig гee) , где изобра­

гаметы УR

жены фенотипы всех членов семьи по изучаемому при­

yr

гаметы

1..

)

т ПЕРЕКРЕСТНОЕ

з наr<у. На РИС . 19-22 п оказан п ример такой р одослов ной,
иллюстрир ующий важное практи ч еское следствие за ­

О ПЫЛ Е НИЕ

кон ов Менделя: брак с двоюр одны м б ратом или сест рой

ПЕРВОЕ ПОКОЛЕНИЕ

резко повышает вероятность рождения детей, гомози гот­

ГИБРИДОВ

нь1х по вредной рецессивной мутации и страдающих от

СО)

ф енот ип: желтые круглые

соответствующего заболевания.

генот ип:

Аллели генов, отвечающих за разные признаки,

Y!:I Rr

lСАМООПЫЛЕНИЕ

наследуются независимо
YR

Мендель намеренно сузил проблему изучения наслед­
ственност и, проводя мо1-югибридны е скрещиван ия - опы­
ты , в которых изучалось наследование одного признака.

Продолжая исследован ия, он изучил наследование двух и
более в нешне н е связанных между собой приз наков.

"'

ЯЙ

ЕКЛЕТКИ

мы. семян. Как ему уже б ыло известно, желтая ок раска
дом ин ирует над зеленой. Гладкая фор ма доми н ант на по

"'
yr

"'

С)

Как и ожидалось, все гибриды F, были единообразны: го­

6

ъи1и получены результаты, четко показавшие, что каж-

/

YYRR

YYRr

о

YyRR

ВТОРОЕ
ПОКОЛЕНИЕ

Yr

СПЕРМИИ

о

G
YYRr

YYrr

l!/R

/

о

!lr

YYRR

о

о

о

Yy Rr

Yy Rr

Yy Rr

!IYRГ

/

о

!:IYRR

Yyrr

Yy rr

!l!IRr

ГИБРИДОВ

wrr

совместно, как взаи м освязан 1-1 ый <, 11 акет,>. Тогда все расте­

Р0 LПи:ны у всех растений были желтые и гладкие. Но это
О)кидаем ый резулыат независимо от того, с цеплен ы ли
aJrJreли изу чаемых генов. После самоо пыле ния ги б ридов

о

YR

G

оба признака будут передаваться от родите11 ей потомкам

ния будут и мет ь либо желт ые гладк ие, либо зеле ны е мор ­
Щн нисты е семена. Вто рая возможностъ состоит в том, ч то
0
r<раска и форма семян будут наследоваться незави симо
друг от друга. Это означает, что могут появиться растен ия
с Новыми сочетаниями признаков - желтыми мо рщини­
с·rь1м и или зелеными гладким и семенами . Ск рещивая рас­
тения, Ме 1-1 дель акку ратно учи тывал результаты опы тов.

С)

YyRr

0

тно1нению к морщинистой. Что же 11 роизойдет при скре­
щивании: расте 1-1 ий, различающ ихся по обоим этим 11 ри­
знакам? Менделъ вновь на ч ал со скрещи ва ния родитель­
ских чистых л иний: у одной из лин ий оба признака были
домннант и ые ( желт ые гладкие семе и а, генотип YYRR) , а
У д ругой - рецессив.ны е (зеле ные морщинистые семена,
генотип ууп'). Одна из возможностей состояла в том, что

"'-

yR

В простейшем случае, при диzибридиом скрещиваиии

(dihy bгid cross), Мендель следил за одновременным на­
следован ие м двух пр изнаков - например, окраски и фор­

Yr

/

РИС.

19-23. Дигибридное скре щивание показывает, что отвечаю­

щие за разные признаки аллели могут наследоваться независи ­

мо. Когда алл ели расходятс я во время м ей оза н ез а висимо друг от дру­
га , в га метах дол ж ны во з никать все их сочетания. Н априм е р, алл ель У с

ра в н ой вероят н остью попадет в гаметы с аллелями

Rи

г . Это же с п ра­

ведливо и для ал л еля у . Таким образом , пра ктичес к и в равны х количе­

ствах образуются четыре типа гамет :

YR, Yr, yR, yr. П ри самоопылении
F1 эти гаметы сливаются случайным образом , неизбиратель­
но ; в р езультате в F2 п оявляютс я расте ния с фе нотипами желтые глад к и е
семен а: желты е морщини стые : зеле н ые гладки е : зелены е мор щ ини ­
стые в соотно ш ении 9:3:3: 1.
гибридов

Мендел ев ск ие з аконы наследования

599


дель и зучил наследова1-1и е выбран1-1 ых им семи при з н аков
в разл ичны х попарных со ч ета ния х, и во в сех случ аях н а­

блюдал характерное расщелл еиие

генотип родительского

во вто ром по ко­

растения :

лении 1·ибридов . Независимое расхождение каждой пар ы

!

9:3:3:1

аллелей при образовании 1·ам ет лежит в основе второ 1·0 за­
кона Менделя - закона независимого
of indepe11de11t а Ol'trnent).

наследова н ия

(law

Законы Менделя объясняются

д и пло ид ная клетка за р од ы ш евой

поведением хромосом при мейозе

л инии р одительского р асте ни я

УДВО Е ННЫ Е ГОМОЛО ГИ

До сих лор мы говорили про аллел и и гены как про

СЛ УЧАЙНЫМ ОБ РАЗОМ

какие-то абстрактные понятия. Однако н ам, как биоло ­

ОРИ ЕНТ ИРУ ЮТСЯ
НА В Е Р ЕТЕН Е Д ЕЛ Е НИ Я

гам, должна быть интересна наследственно сть не только

В М ЕТАФАЗЕ М Е ЙОЗА 1

к ак совокупность математич.еск их пропорций и в е роят­

-

но стей

Y!JRr

~

ве роятности появл е ния раст ения гороха с пу р ­

пурными цв етками или ребенка- альбиноса. Нам хотелось

б ы поt1ять, что представляет собой наследстве нно сть, за­
кшочею-rая в с перматозо и де, яйцеклетке и образующейся
з иготе. М е н дел ь пр едполагал, что ге ны находятся внутри

или ~

клеток, но он не знал, из ч е го они состоя т и где их и с кать.

Сегодня мы зна ем, что ме нделевские факторы (которые
мы н азываем генами) находятся в хромосомах, а х ромо ­
со мы расходятс я по одной из пары в каждую гамету при

их формировании, а зате м вновь объединяются в з иготе
после оплодотворения, но уже в новых комбинациях . Та­

ким образом , пов едение хромосом

-

это материальная

л

основа законов Мен деля . Как мы сейчас увидим, пов еде­
ни е хро мосо м при мейозе и оплодотвор е нии в точности

соответствует пов едению менделевских факторов.
Во время м ейоза, как уже отмечалось выше, мате­

л

МЕЙОЗ 11

1

л

л

®®®®®®®®
Ry

RY

RY

ходятся по одному в каждую гамету. Эти гомологичны е

РИС .

19-24.

хромосомы могут содержать р азн ы е аллели многих со­

менделевские законы чистоты гамет, расщепления

де ржащи хся в 1-rих генов. Рассмотрим , наприм е р , расте­

симого наследования . Н а рису н ке п оказано независимое н асл едова ­

ни е гороха, гетеро з иготное по rену желт ой 01<раски се­

ние алл ел ей окраски (желтой У и зеленой у) и формы семян (гладкой

мян (Уу) . В ходе мейоза его х ромосомы , соде ржащ ие ал­

и мор щинистой

лели У и у , разойдутся в разны е rаметы; образуется два

мол о г и ч ных х ромосом . Дл я п ростоты рекомбина ция между отцовским и

рински е
а за т е м

и

-

отцовские

сначала

-

-

Г!J

rY

rY

с пари ваю т ся,

вместе с н аходя щимися в ни х генами

тип а гаплоидных rамет

а в д ругих

гомологи

-

рас­

в одних содержится аллель У,

у. При самоопылении. rаметы Т<о мбюrиру ­

ются случайным образом, и и з з игот развиваются особи

Расхождение хромосом в ходе мейоза объясняет

r).

3:1

и незави ·

R

Алл ел и этих ге н ов находя тся в двух раз н ых па р ах го­

материнским гомологами не показана ; на исход с крещивания

-

неза­

висимое расхождение аллелей, лежащи х в разных парах хромосом,

-

отсутствие рекомбинации не влияет.

нового поколения; они могут иметь ге нотип УУ, Уу или
уу . М еханизмы мейоза, за с ч ет которых в гаметы попа­
дает по одному аллел ю , и слу ч айн ые со ч етания гаме т
при о п л одотворении да ют тот са мы й р езультат, который

н аблюдал Ме н дель.

шин

Во время мейоза каждая п ара гомологичных х ромо ­

(YyRr) .

П а ра хромосом, несу щая аллели окраски ,

в определ еино й ориеt1 тации прикрепится

r<

мейот иче­

сом независимо прикрепляется к веретену деления. Это

ско м у в е р тен у деления . То , к какому гомологу

случайное расположение хромосом в метафазе пе рвого де­

щему аллет, У или у

-

-

несу­

прикр е ттятсн микротрубочки от

ления ме йоза отражено в менделевском законе независи­

о пр еделен ного полю са в е р ете н а, завис ит от ориентации

мого наследо в ания: гены , находя щи еся в раз ных х ромо со­

гомологов в моме нт прикрепления ( см. рис.

мах, могут наследоваться н езави симо. Хотя каждая гам ета

относится и к п аре х р омосом, н есу щи х аллели формы се·

полу•rает в норм е одну и только одну копию гомолога , в

мян. Таким образом , комбинация аллелей в гаметах

конечно м с ч ете rамета получает смесь отцовских и мате­

Yr, yR и ли у1")

ринских гомологов ( см. рис.

х р о мо сом при прикрепл нии к нитям в е р ете н а

Н а РИС.

19-24

19-13, А) .

роха , гете роз иготного по ген а м окраски и формы

600

1·0ropo-

по1< аза н этот процесс дл я расте ния

ГЛАВА 19. Генетика и пол

19-24). То же

(YR ,

пол ност ыо зависит от ориентация двух пар

-

а эта

о риен тация столь же случай на, как исход при подб расы­
вании м о н етТ< и.


Кроссинговер можно использовать для определения

не обязательн о требуется, ч тобы отве ':!а~о.щие за них гены

порядка расположения генов в хромосомах

находились в разных хромосомах . Ге ны , находящиеся в од ­

Ме ндель изучал сем ь при знаков, за кажд ы й из которы х от­

могут наследовать ся н ез ависимо из -за кроссииговера при

ной хромосоме, но достато':!но далеко д руг от друга, тоже
вечал один rен ; все они н аследовал ись незав исимо друr от

мейозе. Как о пи са но выше, когда удвоенн ые хромосомы

друга. Впоследствии оказалось, '-ПО большинство изу ':!ен­

образу ют биваленты, обычно происходит несколько собы­

ных и м генов расположе ны в разных парах х р омосом; этим

тий рекомбинаци·и между отцовским и материн ским гомо ­

И объясняется их независимое наследование . Но для опи­

логами, в результате чего о ни обме 1-1. иваются генетическим

санного Менделем независимого наследования приз наков

матер иалом. События при кроссинго вере могут разделить
аллели, ране е находившиеся в одной хромо соме, что вы ­
з ывает их попадани е в р азные гам еты ( РИС .

19-25) . Сейчас

известно , что ген ы , отвечающи е, наприме р, за форму горо­

F

шин и окраску, изученные Менделем, находятся в одной

хром осоме. Но они расположены достаточно далеко друг
Е

от друга, поэтому наследуются независимо.

е

Естественно, не все гены наследуются независимо ,

между этими двумя

в соответстви и со вторым законом М енделя . Если гены

генами в среднем

произойдет несколько

D

лежат на х ромосоме близко д руг к другу, они с высокой

событий кроссинговера

d

вероятностью будут наследоваться совместно. Из -за этого
часто совместно наследуются ген ы ':!еловека, отвечающие

с

с

в

ь

А

а

за дальтони з м (красно-зеленую цветовую слепоту ) и гемо­
филюо . Изучая частот ы совместного наследования генов ,
можно установить, расположены ли они в одной х ромо со­
м е, а если располож ены , то насколько далеко д р уг от друга.

вероятность кроссинговера между

Из мерения сцепления генов

этими двумя генами мала

(genetic lirtkage)

был и испол ь­

з ованы для ка рти ро вания взаимного расположения генов

в хромо сомах многих организмов. Эти генетuчес-кuе -кар ­

РИС. 19-25. Гены, расположенные на одной хромосоме достаточно

ты

далеко друг от друга, могут наследоваться независимо. Поскольку в

генов, чьи мутации от вечают за генети':!еские забол еваыия

(genetic maps) очень важны для выявления и изучения

Профазе мейоза I происходит несколько событий кроссинговера, случай­
но Распределенных вдоль хромосомы, - находя щиеся достаточно дале­
ко друг от друга гены одной хромосомы будут подчиняться закону неза­
висимого наследования . Так, например, на большом участке хромосомы
между генами С/с и F/f вероятность кроссинговера очень велика . Поэто­
му практически с одинаковой вероятностью в гамету с аллелем F может
nоnасть и аллель С, и аллель с. Напротив , гены А/а и В/Ь расположены

нию на активность гена или его пр одукта и х можно раз­

близко друг к другу, и вероятность кроссинговера на участке между ними

делить на несколько основных категорий ( РИС.

мала. Поэтому аллель А с большей вероятностью будет наследоваться
вместе с аллелем В , чем с аллелем Ь . По частоте рекомбинации можно
определить расстояние между генами в хромосоме.

Мутации, сн ижающие или элиминирующие активность

нормальный белок

мутация с потерей функции

(аллель «дикого типа»)

РИС.

точковая

укорочение

делеция

мутация

белка

гена

человека, таки е как муковисцидоз .

Мутации в генах могут вызывать
потерю функции или ее избыток
Мутации можно классифицировать по-разному. По влия­

19-26).

гена ( или его продукта) , называются мутациями с потерей

функции

(loss-of-function

шutatioп s ) . Если организм по-

мутация с избытком
функции

условная мутация

37 °С

19-26. Генные мутации могут по-разному влиять на активность белкового продукта.

25 °С

В дан ­

ном абстрактном примере нормальный белок осуществляет определенную клеточную функцию (крас ­
ные лучики) . По казаны мутации, при которых белок становится сверхактивным, полностью утрачивает
эту функцию или утрачивает ее при повыш енной температуре . Температура-чувствительные мутации

(temperature-sensitive mutation) -

разновидность условных мутаций

мере белковый продукт мутантного аллеля активе н при

(conditional mutation). В этом при ­
25 ·с , но неактивен при повышенной температу­

ре . В данном случае замена одной из аминокислот ( красная) не мешает белку нормально сворачивать­
ся при

25 ·с ,

но препятствует формированию активной конформации при

37 · с.

Менделевские законы наследования

601


ВОПРОС

Подавляю щее бол 1,шинство случайных мута циi,i либо

19-3

А П редп оложим, что каждая хромосома п ретерпевает только

rl' одно событие кроссинговера на каждой хроматиде

8

в ходе

каждого мейоза . Каким будет наследование признаков, зако­

дированных генами , лежа щ ими н а разн ы х кон цах этой х р омосомы ,
п о сравнению с наследо в а н ием генов, лежа щих на раз н ых хромо­

сомах? А как оно изменится по сравнению с реальной ситуацией?

11 е йтра.11ы1ы и н е влияют на фенотип, либо вред 11ы . В1 ед­
н ая доми нантн ая мутация , проявляющая свое 11 ега тив11ое

действ и

даже в е1tинствен н ой ко пии , будет элиминиро­

ваться практически сразу в момент воз 1-1иююв е ния . На1 1рим ер, если мутантный органи з м нс может р азмн ожатъ­

ся, мутация и сLJезн ет и з популяции в момент его гибел и.
В случае вредных рецессивных мутаций дело обсто­
ит н ест<ш1ько сложнее . Когда та~<ая мутация впервые воз­

лучает два таких мута нтны х аллеля, фенотип у н е 1·0 обыч ­
но тоже мутантный

-

никает и з-за химических и з ме~1ений молекулы ДНК, о.на

отличающийся от ~ нормального ~,

обычно присутствует только в од1-rой копии; носител ь та­

наиболее Lracтo встречающегося фенотипа. Гетерозиготы,

кой м утации оставит с только же потомства, сколько лю­

имеющие один мутантный аллель и один аллель дико го

ба.я другая особь. Многие из эти х потомков унаследуют

типа, обычно прои зводят достатоlrно активного генного

один мутантный аллель. Они тоже будут впол не приспо­

продукта дл я норма.11ъ~юго осуществления е 1·0 функции

соблеиными и здоровыми. Но когда они и их потомки нач­

и имеют фенотип дикого типа ( ВКЛАДКА 19-1 , с .

Та ­

нут ск р е щиваться д руг с другом , н е которые потомки унас­

ким образом, мутации с лоте рей функции обычно ре цес­

ледуют по две копии мутантного аллеля и будут иметь

сивные, посколы<у для большинства генов половины нор­

мутантный фе нотип и пониженн ую приспособленность .

603).

малъноrо количества ген ного продукта достаточно , чтобы
клетка функциониров ала норма.1ты-ю.

Если такой rомозиrотный организ м

tr e оставляет

ло­

томства, то две копии мутантного аллеля ИСLJез1-1ут и з по­

В качестве приме ра рассмотрим и зученную Менделем

пуляции. Тогда ч е р ез какое-то время уста новит ся равно ­

морщинистую форму горошин . Ге н , определяющий форму

весие: скорость появ ле ния 1-rовых копий р е цессивного

семян, кодирует фе рм е нт, участвующий в пр евраще нии

аллеля за CLteт вновr, возникающих мутаций сравняется

сахаров в разв етвлен ные молекулы крахмала. Аллель ди­

со скоростью пот е ри этих аллелей при скрещиваииях,

кого типа (доминантный аллель

дающих рец есс ивных ~-омозигот. Как следствие этого ,

R) кодирует акт ивный

ферм е нт, а рецесс ивный мутаюный аллелъ 1· -

неактив ­

многие вр ед ны е р ецессив ны е мутации

присутствуют в

ный. У рецессивных гомозигот ~тнормальный фермент от­

популяциях и имеют удивительно высокую LJа стоту, хотя

сутствует. Их семена содержат больше сахаров и меньше

особи с мутанпrым ф е нотипом встречаются редко. На­

R; это придает

пример , одна из наибол ее обычных форм наследственной

крахмала, чем у растений, имеющих аллель

горошинам сморщенную форму. (Замороженный горох,

глухоты ( свя за нная с мутацией белка щелево го контакта,

продающий ся в супермаркетах, Lracтo имеет морщи~~ истую

см. рис.

форму, хотя отвеlrающие за нее аллели могут быть други­

около

ми, чем у и с пользова нных Менделем сортов.)

терю функции да нного белка, присутствует у каждого

Другой класс мутантных аллелей кодиру ет белки с

20-29) встречается у новорожденн ых с частотой
1:4000. Но мутантный аллель, вызывающий по ­

тридцатого из на с.

повыш е нной активностью либо активные в н е подходя­
щих обстоятелъствах. Такие мутации с избытком функ ­
ци и

(gain-of-fu11ction

rnнtation s) обыч~rо доми нантны е.

Наприм е р , как описано в гл.

гене, кодирующем

Ras -

16,

ГЕНЕТИКА КАК НАУЧНЫЙ ИНСТРУМЕНТ

н екото ры е мутации в

белок, участвующий в р егуля­

ции ро ста и пролифер а ции клеток,

-

Осоз нание того факта, что гены передаются от одного по­

приводят к появ-

коления д ру гом у в составе хромосом, не 1.1ро сто р азвенча­

11е 1-rию постоянно активного белка, ~ п е ресиливаю ще го >>

ло мифич еские представления о природе на следственно·

дейст ви е аллеля дикого типа. Продукт мута нтного алле­

сти . В результате воз никла взаимосвязь генетики с други­

ля

Ras

может стимулировать деление [(Л еток даже в от­

сутствие сипrалъных факторов. Около

30% всех

раковы х

опухолей. Lrеловека содержат такие до минантн ы е актив и­

рующие мутации гена

ми науками: клеточной био1ю1·ией, биохимией, фи иоло­
rией и м е;~ициr-rой . Впоследств ии это прив ело к открытиJО
ДНК

-

веr_цества, и з которого состоят гены. Та.к rенетиr<а

проложи ла до ро 1:у к 1-rовым научным открытиям. ИзучаЯ

Ras.

ДНК и м а нипулир уя ее молекулами, мы с могли постепен­

Каждый из нас

-

носитель множества потенциально

вредных рецессивных мутантных аллелей
Как описа~rо в гл.

9, мутации

обеспечивают материал для

но понять , как функцио1-rируют г ны , совместно созд ав;1Я
наш ф еtrотип , и как различи. я в генах определяют разли­

чия между ин див идуумами. Более того, генетические зна­
ния позвол или нам усовершенствовать диаг ностику и ле·

приспособле нностъ

ч е н и е болезней человека, а также детальнее nонятъ сход­

организма , понижая или повышая его шансы на выжива­

ства и различия как между раз 1-1 ыми л юд 1,ми, так и между

ни е и оставление потомства. Естественный отбор опреде­

ч еловеко м и другими видами.

эволю ции . Мутации могут влиять

rra

ляет, какие из мутаций останутся. Изме11ения , повыш а ю­

В данном разделе мы опишем ю~асси ч еский генетиче­

щие селект ивны е преимущества организма, обычно сохра­

с1<ий подход к и д нтификании генов и определению того,

няются, а изменения, снижающие его приспособле нност ь ,

как о н и влияют н а фенотип организма. Для это го требу­

как правило , утрачив аются.

ется гюлучюъ боль шое число индуцированных мутаций

602

ГЛАВА 19. Генет ика и пол


ВКЛАДКА

19-1

Некоторые основные положения классической rенетики
ГЕНЫ И ФЕНОТИПЫ
фун к ционольная единица наследственности, обычно
соответствующая участку ДНК, к одирующему один белок
все по следовательности ДНК данного орагнизма
участок генома, в котором находится данны й ген
1

____ ____

Мутант : особь,

нормальный ,

отличающаяся

наиболее
распространенный

/

альтернативные варианты одного гена ,

расположенные в идентичных локусах гомологичны х х ромосом

_...

Дикий тип:

Гетерозигота Аа

Гомозигота АА

из-за генетического

изменения (мутации)

вариант

..:,·~ -----

от дикого типа

Гомозигота аа

ГЕНОТИП : специфи ч еский
набор аллелей , образующих
геном данной особи

ФЕНОТИП : набор
п ризнаков данной особи

алл ель А доминантный (по отношению к а ); ал л ель а рецессивный (п о отношению к А)

В приведенном выше примере фенотип гетерозиготы такой же , как и у доминантной гомозиготы .
Если он отличается от фенотипов обеих гомозигот, говорят о кодоминировании аллелей.

ДВА ГЕНА ИЛИ ОДИН?

этот вопрос может дать комплементационный тест . В простейшем

Как можно определить, являются две мутации, дающие одинако­

варианте комплементационного теста особи , гомозиготные по од­

вый фенотип, мутациями одного и того же гена или разных генов?

ной мутации , скрещиваются с гомозиготами по второй мутации.

Если мутации рецессивные (как чаще всего и бывает), то ответ на

Фенотип потомства дает ответ на заданный вопрос .

КОМПЛ Е М ЕНТА ЦИЯ :

ОТСУТСТВИЕ КОМПЛ Е М ЕНТАЦИИ :

МУТАЦИИ В ДВУХ РАЗНЫХ ГЕНАХ

ДВЕ РАЗЛИЧНЫЕ МУТАЦИИ В ОДНОМ И ТОМ ЖЕ ГЕНЕ

rо мо зигот н ая мута нтн а я

гомозиготн ая мутантная

самка

са м ка

у гибридного потомства нормальный
фенотип: при сутствует одна

у г ибридного потом ств а мутантный
ф е нотип: н ет нормальны х ко пий

нормальная ко пия каждо г о гена

мутантного г е~1 а

МЕйоз и ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ

Чем больше расстояние между дву­
мя локусами в хромосоме, тем выше
вероятность,

что

сцепление

между

ними будет нарушено из-за кроссин­
М ЕЙОЗ
отцовская х р омосома

И РЕКОМБИНАЦИЯ

говера в каком-либо участке, распо ­
участоккроссинговера

1/,;

разделяются

а

в х о/о гамет,

что генетическое

диплоидная клетка

говорят,

расстояние между

ними составляет х сантиморганид .

зародышевого пути

генотип

ложенном между ними . Если два гена

АВ

гаплоидные гаметы

00

(яйцеклетки или сперматозоиды)


у лабораторного организма, осуществить их скринин,- и

замена

выбрать редк и е экземпляры с интересующим нас ф ноти­
пом. Такой zeuemuчec1<.uй

нуклеотида

(субституция)

C1<.pu1tu1tZ (geпetic sс гее п) поз во­

ОБРАБОТКА

ляет выявить носителей мутаций в генах, определяющих

этот фенотип. Изучая мутантных особей и их потомство ,
мы можем отыс1<ать и охарактеризовать сами ге ны
конец,

установитъ

приl1инно-сл

-

вставка

АГЕНТОМ ,

нуклеотида

ПОВРЕЖДАЮЩИМ
ДНК (МУТАГЕНОМ)

(инсерция)

и на­

выпадение

нуклеотида
(делеция)

==:.-..i..:..::,
G---

дственные связи м ежтtу
нормальная

работой этих генов и мутантным фен отипом.
Современные технологии дают до п олнителы'IЫС воз­

ген ная

инсерция

последователь­

ATGTGCCTTAG---

ность

мож1-юсти для выявления генов с важными функциями . В

нескольких
нуклеотидов

завершающей Liасти этого раздела мы обсудим, как можно

делеция

исследовать ДНК, собранные в популяциях человека по

--

ААССТТАG ---

нескольких
нуклеотидов

всему миру, чтобы выяснить основы наследования слож­
ных приз наков, в том числ е насл едстве нную пр ед распо ­

РИС.

ложенность к болезням, за которые отвечает н е оди н ген.

ний в ДНК. Н а рису н ке по каза ны не которые распростране нны е ва ·

Мы таюке обсудим, как эт и методы позволяют проследить

рианты мутаций . Разны е мутагены могут вызывать ра з л ичные тип ы

эвол юцию нашего собственного вида.

изменений Д НК.

19-27.

При мутациях возникают различные типы измене·

пригодных для эксп е рим е нтирования. А ч еловеческие гены

При классическом подходе работу начинают

в далы-rей ш ем можно исследовать на культуре клеток чело­

со случайного индуцированного мутагенеза

века. Во-вторых, многие 1-1 елетальны е мутации (наприм ер,

До внедрения технолоши рекомбин антных ДНК (см .

обсуждавшаяся выше мутация, приводящая к п1ухоте),

гл.

спонтанно возникают в человеческих популя циях . Прич ем

10)

большинство генов были идентифицированы бла­

годаря изучению процессов, прерывающихся при мутации

они появляются многократно, посколъку численностъ на ­

даю-юго гена. Анализ начинали с и золяции мутантов, име­

ших лопуляций оче 1-1ь велика. Анализ фе нотипов носите­

ющих инте рес ные, необычные признаки, наприм ер плодо­

лей таких мутаций, вместе с изучением культуры их клеток,

вых мушек с белыми глазами или скрученными крылr,ями.

обеспечивает много у1-rикалыrых возможностей для изуче-

Отталкиваясъ от этого фенотипа, можно было определитъ

1-1 ия функций человеческих генов. Хотя мутации встреча­

и генотип такого организма. Этот классический генетиче­

ются редко, они легко выявляются благодаря уникальной
особеююсти человека: мутантные особи привлекают к себе

ский подход

-

поиск мутантных фенотипов и посл едую­

щая изоля ция генов, отвечающих за их появл ение,

-

наи­

более применим к быстро размножающимся организмам ,

внимание вследствие своих особе1-11-юстей и из-за того, что
им часто требуется медицинская помощь.

при годным для ~-енетических манипуляций (бактериям ,
дрожжам, мелким н ематодам или плодовым мушкам).

Можно обнаружить и спонтанные мутации, исследуя
очень болъшие выборки

-

в тысячи или миллионы осо­

бей. Но эффективность поиска «и итересных ,> мутантов
можно повысить ,

вызывая мутации искусств е нно с

мощыо повреждающих ДНК агентов - мутаzе1-юв

по­

(muta-

Генетический скрининг
позволяет выявить мутации, вызывающие
нарушение определенного процесса в клетке

При генетическом скрининrе (geлetic

screen)

обычн о ис·

следуют многие тысячи особей, лодвергт-rутых мутагенезу,

ge п s ). Различ ные мутагены могут вызывать раз ные виды

чтобы найти несколь1<их с изме~1е нным фенот ипом. На­

изменений ДНК ( РИС . 19-27) . Обрабатывая популя цию

пример, в поисках генов , отвечающих за клеточиый мета­

мута~-енами, можно быстро получит,, большое число му­

болизм, мож 1-10 проводюъ скрининг клеток, на которые по·

тантов, а затем, как вскоре будет описано, провести скри­

действовали мутагеиом, и искать клетки, потерявшие ело·

нинг, чтобы найти интересующие ученых фенотипы.

собность расти в отсутствие определе1-шой аминокислоть 1

Мутагенез

-

мощный ииструмент для

ид ентифи­

или иного питател ьного вещества.

определениых генов с

Однако возникают проблемы, если мы хотим найти

фенотипом у н ематод или мух. Но 1<ак же идентифици­

гены, отвечающие за какой-либо жизненно важный лро­

ровать и изучить ,-ены ч ел ов е ка? В отличие от вышео­

цесс, налрим ер синтез РНК или регуля цию клеточного

кации

генов и выявления связи

писа~1ных организмов, человек размножается м едле нно ,

цикла . Дефекты та1<их генов обычно летальны. Это озна·

а индуцированный мутагенез у Liеловека даже не обсуж­

чает, что для поддержания линии особей

дается. Кром е того, любой человек с серьезным наруш е­

кой мутации нужны слециальные методы. Если н е удается

-

носителей та­

~1и ем такого процесса, как, наприм ер , репликация ДНК,

размиожатъ мутантов, нельзя исполъзовать их для и зуче­

умрет задолго до рожд е ния.

ния мутантного гена.

Существует два основных ответа на вопрос <<Т<ак и з ­
учатъ гены человека?~. Во - первых, гены и их функции ча­

Если изучаемый организм диплоидный, 1-rапримеР

мышь или горох, а мутация рецессивная, то реш е ни е этой

сто весьма консервативны и мало меJ-1яются в ходе эволю­

проблемы про стое. Можио соде ржать и ск рещивать ме)!{­

ции . Поэтому мы можем многое уз нать о генах человека,

ду собой гетерозигот, имеющих одну дефектную и однУ
нормалъную копию гена. Ф енотип гетерозигот будеr

и зучая соответствующие гены дру гих организмов, более

604

ГЛАВА 19. Генетика и пол


1 'Юрмальным,

но при их ск рещивании

25% потомства ока­

жутся l'Омозиготными мутантами. Они будут иметь му­
тантный летальный фенотип, а еще

50% лотомков

будут

t'етерозиrотными носителями мутации , как и и х родите­

ли. Это позволит продолжа1ъ скрещивания и изучение
дан1-ю ,,о гена.

Но как быть , если изучаемый вами органи з м гапло­
иден? Один из методов , используемых в этом случае,
приме нени е

те.мпературо-чувствuтелыtых

-

.мутаитов

(te mpe ratшe-seпsitive 1ш1 taots) . У таких мутантов белко­

(А)

L__J

(Б)

1 мм

въrй продукт гена только условно дефектен: он нормалы-ю

работает в определенных пределах температуры, которая

РИС .

называется пер.мuссuвиой, или раз ре шающей (p e гшissive).

явления мутаций, влияющих на поведение животных. (А) С.

Но при небол ыuом сдвиге температуры за эти рамки бе­

дикого типа кормятся группами . Черви плав ают, по ка не нат к нутся на со­

лок инактивируется (см. рис.

седе й, и толь ко потом приступают к питанию . (Б) Мутантные черви кор­

19-26). Благодаря тому мож­

19-29.

Генетический скрининг можно использовать для вы­

но вызывать нарушение и восстановление функции белка,

мятся поодиночке . (С разрешения

nросто изменяя температуру. Клетки с температуро-чув­

ла Се//,

ствителыюй

e/egans

Cornelia Bargmann, с обложки жу рн а­
94, 1998. С разрешения Elseiver. )

мутацией жизненно важного гена можно

кулъти:вировать при пе рми ссив ной темлературе; затем,

Изменив температуру, можно вызывать появление мутант­

зовал и также для идентификации многих белков, задей­

ного фенотипа ( РИС. 19-28).

ствованных в регуляции клеточного цикла (см. гл.

Многи е темnературо-чувствителъные мутанты были
nолучены для изучения бактериальных белков, отвечаю­

ответственных за движе ние белков дрожжей по секретор­

щих за удвоение ДНК Для этого среди больших популя­

Ге ны, вносящие свой вклад в развитие сложных фена­

ций бактерий, обработанных мутагенами, искали клетки,

типических призиаков (наприме р, способность к обуt1е­

в которых синтез ДНК ш ел лри

ному пути (см. гл .

18) или

15).

° С, но останавливался

н:ию и поведение), тоже можно выявить с помощью гене­

При 42 ' С. Температура-чувствитель ных мутантов исполъ-

тического скринюrга у модельных организмов . Например ,

30

ученым удалось обнаружить ген, влияющий у нематод на
<< социалы-юе ловедение »; для этого они искали животных,
мутантная клетка делится

при более низкой пермиссивной

кормящихся поодиночке ( РИС.

19-29).

температуре , но не делится

при более высоко
рестриктивной температуре

Комплементационный тест позволяет установить,
произошли ли две мутации в одном и том же гене

При широкомасштабном генетическом скри нинге н еред­
ко
колонии переносят

клетки ,

обработанные

выявляется

множество

раз ных

мутантов,

имеющих

одинаковый фенотип. Нарушения у них могут возникать

методом реплик

в разных генах, участвующих в каком-то общем процессе;

на две идентичные

также это могут быть разные мутации одного гена . Как

чаш к и и выращивают

при разной температуре w~--_:_.--

мутагеном ,
высевают

на чашку Петри ;
выращивают
колонии

можно разлиttить два таких варианта? Допустим, мутации
р ецессивны и выз ывают потерю функции конкретных ге­

нов. Тогда определить, произошли они в одном гене или
в раз ных, можно с помощью комплементационноrо теста

(coшp leшentation

Рис, 19-28. Температура-чувствительные мутанты используются
Мя идентификации генов и белков, выполняющих жизненно важ­
l1Ые клеточные функции. Клетки дрожжей инкубируют с ве ществом ,
вь~зывающим мутации в их ДНК . Далее их высевают на твердую среду
При Умеренной температуре и позволяют вырасти колониям . Затем ко­
лонии с помощью метода репли к, обеспечивающего перенос колоний
на те же участки, пересевают на две одинаковые чашки. Одну из них
инкубируют при умеренной температуре, а другую - при повыше нной .

Так можно выявить клетки с температура-чувствительными мутациями

в генах, необходимых для размножения . Такие клетки делятся при бо­
лее низкой пермиссивной температуре , но не делятся при высокой ре­
сrриктивной (restrictive), т. е. ограничивающей температуре .

test).

В простейшем

При 23°С

варианте

комплементационного те­

ста особь, гомозиготную по одной рецессивной мутации
(имеющую два идентичных мутантных аллеля ) , скрещи­

вают с особью, гомозиготт-юй по другой мутации. Если обе
мутации произошли в одном и том же ген е, то потомство

будет иметь мутантный фенотип, так как получит толь-

ВОПРОС

19-4

А Когда скрещиваются особи из двух изолированных инбред­

rl' ных субпопулsщий одного вида , у их потомства часто наблю-

8

дается « гибридная мощность»: они более сильные, здоровые

и плодовитые , чем их родители . Как вы думаете , чем может объяс­

няться это явление?

Генетика как научный инструмент

605


Однонуклеотидные полиморфизмы

(SNP)

служат маркерами при генетическом картировании

Теперь, когда ге н ом ч еловека п ошюстr,ю расшифрован,

мож но изу чать 1·е1-1 етику ч еловека такими с пособам и , ко­
торы е е ще 11 ескол 1>1<0 лет назад был и н едосту пны. Испол r,­
зуя последо вател ьность генома ч еловека как от11равной
п у нкт, мы можем с помощью секве 11ир ова н ия ДНК напря ­

мую выявлять р азл ичия ДНК, связанные с ин дивидуаль­

ными особе н11 остями людей .
На Земле нет двух людей с одинаковыми геномами

( за ис клю,1 нием однояйцевых близиецов) [ видимо, в

больши н стве случаях моноз иготны е близнецы также ге­
нетически не иде нтичны ; у них набл юда ются вариации в
числе копий разл ичных У'Jастков ДНК и другие прояв­

ления соматического мозаици з м а.

-

Прим. перев. ~ . Каж­

дый из нас имеет особенности ~,уклеотидных r юследова­
тельно ст ей, дела ющи е нас у никал ьными. В н еко торых
у частках геном а р азли чия встречаются часто и с равни­

телыю безвредны; в та ких случаях высока ве роятность ,
что люб ые два человека, выбранные наугад, будут раз­
л ичаться по эт им участкам ДНК. В случаях когда в по­

пуляции при сутствуют два ил и более вариантов даююй
последовател r, ности и хотя бы некоторы е из ни х часто
встречаются, эт и варианты наз ыва ют полиморфизмами

(polymo r· pЬism s ). Н е которые из полиморфиз мов выража­

ются в деле циях и л и вставках больших участков ДНК.
но наиболее обыч ный тип полиморфиз мов

-

это за м е ны

ед иничных нуклеот идов.

Как правило, любые два человека разл и,rаются в
РИС.

19-30.

Комлементационный тест показывает, что мутации

с ред нем по

0,1% своих

нукл еот и д ных последовател ьно­

разных генов могут приводить к появлению одинаковых фено­

стей (приме рно на один н уклеотид из

типов. В этом скрещивании курица рецессивной белой линии (вверху

ствует прим ерно 3 ООО ООО однонуклеотидных различий

1000).

Это соответ­

слева ) скрещивается с петухом шел ко вистой породы (не показан) , так­

между ге номами двух людей. Таки е однонуклеотидные

же имеющим белую окраску. Полученное пото мство (внизу) имеет нор­

полиморфизмы ,

мальную окраску. Это означает, что скре щ иваемые белы е линии имеют

pl1.ism.s)

белую окраску из - за мутаци й в разны х генах . Курица ш елковистой по ­

для постро е ния ге н ет ич еск их карт. Их также использу ­

роды показана вверху справа. (С разрешения

ют для п оиска мутаций , коррелирующих с разли чными

Cambridge University Press
st
из : W. Bateson, Mendel's Principles of Heredity, 1 ed. Cambridge, UK: Cam bridge University Press, 1913.)

или

с.

603).

( siп g l e- лL1 c1 eot id e

poly111oг­

болезнями и л и вызывающих гrред располож е 11н ость к за­

болева 11и ям. На вкладке ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ ( с. 607- 609)

-1000
ко дефектные коп ии изучаемого гена (см. вкладку

SNP

( РИС . 19-31 ) можно использовать как маркеры

нуклеотидных пар

19-1 ,

Если, напротив , мутации произошли в разных ге­

иах, то потом тво будет ,юрмальным, с признаками <<дико­
го типа,>, поскольку будет иметь одну нормальную (и одну
мутант н ую) копию каждого гена.

Когда в таком тесте наблюдается восстановл ни е
н ормального фенотипа, говорят, что происходит компле­

.меитацш~
от двух

(to co111ple111ent)
родителей

наборов аллелей, гюлуче шr ых

( РИС . 19-30).

Комплем е нтационное

индивид

GJ.I..__ __ - _G. д .с__ _ - г -_ ---I[
----mcrn---_--с- т ~- __

t

SNP1

t

SNP2

G~ : :

t

SNPЗ

тестирование мутаr-rтов, иде нтифицирова 1н1ы х во время
ген етич еских скрининтов, показ ало , что в усвое ни и дрож­

РИС . 19-31. Однонуклеотидные полиморфизмы (SNР) -сайтьr ге·

жами сахара галактоз ы участвуют

нома , в которых в данной популяции с высокой частотой встреча ·

нов ; а в разв итии взрослой не матод ы из оплодотворенной

ются несколько разных нуклеотидов. Большинство таких вариантов
в геноме человека встречаются в тех местах , где замены нуклеотидов

яйцеклеп<и задействованы мноr·ие сотни ге 1-t0в .

слабо влияют на функцию гена .

5 генов; для постро ния
функционирующею жгутика бактерии Е. coli нуж1-ю 20 ге­

606

rЛАВА 19. Генетика и пол


РИС.

19-32.

Гены, влияющие на предрасположенность к распро­

страненным болезням, можно выявить благодаря их сцеплению

индивид д

с
в

SNP.

В данном прим ере сра внивается карти н а распределения

в двух групп ах людей

SNP

здоровы х (контроль) и страдаю щих распро­

-

стра н ен ным забол ева ни ем. По казан типичный участок хромосом ы .

с

Для большин ства сайтов п олиморфизма н а личие одного (красный) или

D

друго го (синий) вариа нта

SNP не с в яза н о ни с вариантами в других сай­

тах, ни с подве рженностью болезни . Одн ако в одной ч асти хромосом ы

Е

(выделена темно-серым) н аблюда ется н еслуч ай ная карти н а: большин­

ство здор овых люде й имеют одни в ар и а нты
ство больны х

-

SNP

(синие), а большин ­

другие (красные). Скорее всего, в этом или соседн ем

участке содержится ген, сце пл е нный с «красными » вариантами

SNP

и

определяющий пр едра с п оложенн ость к данной бол ез ни . Используя ак­
куратно п одобра нную ко нтрол ьную группу и большие выборки (тысячи
индивидуумов), можно выявить связа нны е с бол ез нью гены , даже если
их обычные алл ели

(SNP)

лишь очень сла бо влияют н а риск развития

данного заболевания.

объясняется, какими способами для этого можно исполь­
зовать

SNP.

Для этого уL1е ные собирают пробы ДНК у бол1,шой

Мутации, возникающие многократно и неиз-

выборки паци ентов. Затем сравнивают эти пробы с

111енно приводящие к определенным нарушениям, такие

ДНК, собранной у 1·руппы здоровых людей . Предполо­

1

<ак альбинизм и ли врожде1-шая глухота, часто можно вы­

жим, например, что определенный аллель н екоего гена

явить с помощыо изучения генеалогий. Но распростра­

повы 1.1.1ает риск 111-1 фаркта миокарда. Люди, имеющие

ненные болезни с более сложными .причинами, такие как

этот аллель, наследуют вместе с ним и набор генетиче­

диабет или арт рит, требуют д pyroro подхода. С этими за­

ски сцепленных с данным аллелем

болеваниями не связаи какой-то один главный ге~,: мно-

SNP.

Поэтому

SNP,

особенно распространенные среди паци ентов с инфар­

1'Ие гены и различные факторы с р еды влияют на ри ск их

ктом, могут служит метками, показывающими, что свя­

Развития. Но с помощью анализа

зан ны й с риском инфаркта аллель лежит в геноме где-то

SNP

можно выявить и

таю,~е ге ны.

поблизости ( РИС. 19-32) .

ИспопьзовАНИЕ SNP КАК ИНСТРУМЕНТА
ДИАГНОСТИКИ ЗА&ОЛЕВАНИЙ ЧЕЛОВЕКА
для болезней, обусловленных генетически, первым ша­
t'о111 I< лравилы-юй диагностике и даже лечению может

Создание карты
Оди~-1 из способов использования

SNP для поиска ассоции­
SNP де­

?Ьrть обнаружение отвеL~ающих за данный недуг генов.
Это задача непростая, и изучение SNP нередко помогает
n ее решении. В 1999 r. группа исследователей поставила
!.\CJJь - выявить и каталогизировать 300 ООО SNP, одно­

рова.1t1-1ых с болезнями генов

нуклеотидных полиморфизмов, наиболее обьNных для
Чезювека (см. рис. 19-31). Сегодня базы да нных содержат

наследования разных геиов. Иногда можно определить это

Y)t<e более 10 млн SNP [к настоящему моменту известно
У)Ке более 20 млн SNP. - Прим. перев. ]. Они не толъко по­

-

создание с помощью

талыrых генетических карт. Генетические карты (карты сце­
пле.ю,~я) показывают взаимное расположение генов в хромо­

сомах. Они составляются на основании частот сцепле1-пюго
по фенотипу, оцею,ш совместную встречаемостт, признаков,
за которые отвечают 01тределенные аллели изучаемых генов.

Гены, расположенные рядом на одной хромосоме, будут на­

i11огают выявить различие между людьми. Для генетиков
01
-rи служат метками, которые позволяют выявить гены,

друг от друга. Определяя частоту рекомбинации м ежду ге­

ответственные за распространенные заболевания , - диа­

нами, мы можем выявить их взаиМRое расположение и гене­

бет, ожирение, артрит и даже желчекаменную болезнь и
с нндром бесnоrшйных ног.

следоваться совместно 1·ораздо LJaщe, чем более удаленные

тическое расстояние между 1шми (см. вкладку

19-1, с. 603).
608

Продол.жеиие иа с.

Генетика как научный инструмент

607


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

SNP

КАК ИНСТРУМЕНТА ... {продолжение)

сце п лен ие между о пр еделе ш1ым гено м и

бол ыu е размер такой семьи, тем лучш е. Мето;1 луч ше
всего работает, когда есть пр о тая причи нн о-следствен­

(выявл я емо го с п омо щ ь ю секве нир о в ания Д НК) и да н -

се м 1,е всегда присутствует да н 1-юе заболева н и

11 ого аллеля ( выя вляе мого по ф е нотипич ес1<о м у приз н а­

больши н ству на и более р аспростране н ных болез ней это

Такой же метод мож н о ис п ользовать, чтобы в ыя витъ

SNP. Мы долж­
н ы пр осто проследить за совместн ы м н аследо в а~ t ием NP

ная связь

-

у нос и телей конкретной мута ции в данной

.

Но к

ку, за кото рый о н отве ч ает ) . Если он и н аследуются с ц е­

н е относ и тся. Н а риск разв ития заболева ни я влияют

плено, ге н рас положе н рядом с данны м

SNP ( РИС . 19-33) .

многие факто р ы: trасть из н их генетические, д р угие сре­

П осколь ку известно точное расположени е каждого и з

дов ые, а н екоторые представляют собой ч и сто случай-

изу че нны х

SNP,

с цеплени е с н и ми может п одсказа ть

нам, какие участк и Д НК расположены п о соседству с

пара хромосом

та ж е пара хромосом

ген ом. Более детальный а н ализ этого участка ген ома н а

гетерозиготной матери

гетерозиготного отца

нал ичие в н ем делеций, инсерц ий и других фу шщ и о ­
налъ н о значим ых из ме н е ни й Д НК п оз в оляет уве р е 1-1н о

рецессивная

иде н ти фи цир о в ать ге н , от в етственный за ра звит и е за­

мутация

болеван ия.
Такой а нал из с це пления об ычн о проводят в семьях,

чле ны кото ры х особен но подв ерже ны заболе ванию. Чем

рецессивная

""'-

__.

------

SNP 6

вариант

SNP

19-33.

Анализ

SNP

вариант

а

SNP

яйцеклетка

РИС .

мутация

вариант ----.

а

- - - - - . - - - сперматозоид

позволяет выявить локализацию мута­

ций, вызывающих генетические заболевания. Метод основан на
изучении совместного наследования фенотипического призна ка чело­

века (в данном случае генетической болезни) и определенного набора
вариантов

SNP.

На рисун ке показана логика такого анализ а для рас ­

пространенного случая

-

семьи , в которой оба родителя гетерозигот ­

+

ны по рецессивной мутации . Если больные и только больные потом к и
практически всегда гомозиготны по определенным вариантам

это означает, что скорее всего данные

SNP

SNP,

бб

аа

+

аб

ба

бб

аб

АНАЛИЗ ГЕНОТИПОВ СЕМИ ДЕТЕЙ

и отвечающая за болезнь

наличие

болезни

аа '"i'енотип
noSNP

рецессивная мутация расположены рядом на одной х ромосоме . Чтобы

Болезнь обнаруживается только у потомков с генотипом аа по данному SNP.

доказать статистическую достоверность такой взаимосвязи , часто тре­

ВЫВОД : Рецессивная мутация , вызывающая заболевание, наследУется

буется изучить нес колько десятков членов подобной семьи . Чем больше
изучено потомков и исследовано

SNP -

тем точнее можно определить

совместно с вариантом

SNP

а . Если та же за кономерность выявляется в

други х изученных семьях , значит, вызывающая болезнь мутация лежит в
той же х ромосоме , что данный

SNP, причем

сравнительно близ ко от него .

расположение мутантного аллеля .

Этот п одход б ыл исп ользован для

п оиска

ге н ов,

влияю щих н а предрасположе 1-1н ост ь к н а и более р ас про­

Сцепленные группы

SNP

позволяют выявить гаплотипы

ст ра н ен ны м болезням человека

- диабету, ишемической
болезни серд ца, ревматоид 1-ю му а ртр и ту, маниакы1ы-ю­

Чем бол ,, ше

де п рессив н ому психозу и н екото рым д р у ги м. В разв итии

положе н ия ге на, тем это предприятие становится более

всех этих заболева н ий играют важную рол ь н е только ге­

дорогим и трудоемким. К счастыо, для ге н ети ч еского кар­

н етическ и е, но и средо вы е факто р ы ( РИС.

19-34) . Кро м е

SNP м ы

ис п ол 1,зуем для о п ределе н ия место·

т и рова н ия не обнзат льна а нализировать все 3 мл н SNP

эти гены и п олиморфизм ы , взаимосвязат-, ые с болез н ью,

челове ч еского генома . Этого 11 е п р иходится делать, так
как 11 е все SNP н ез,шисим ы друг от друга: они с це п лены с
сосед 1-1и ми SNP в блок и , которые н аз ,,шают гаплотипамff
(11aplotype Ьl ocks) . Блоки обыtшо наслелуются какедн н ое

мож но в ы явитr, людей с повы ш е 11н ы м риском заболева­

целое. Человек, и м ею щий о пр еделе нн ый ва риан т в од­

ния и помочь им с ни зить этот риск, а также гюд роб н ес

но м rтолимо рфи ом сайте ге н ома, с высокой ве роятн остr,ю
обладает кон крет ны ми вариа н тами всех соседн их полн ·

то го, п ри р ода ге н етических влияний на эти состоя н ия
тоже слож н ая: вклад в пр едрас п оложе нн ость к каждому

такому заболеван ию в ,-юсит м н ожест во ге н ов. Н аходя

изучип молекуляр н ые механизмы развития болез н и.

608

ГЛАВА 19. Генетика и пол


Обнаруженный

11ыс события. Для изуче1-1ия таких болезней требуется

комплемеита Н

иной подход.

SNP расположен в гене Cfh, фа-к.тор
(comp]ement facto ,· Н) . Но он располо­

жен внутри одного из интронов да н но 1' 0 1:ена и вряд ли

влия т на свойства его белкового продукта. Таким об ­

Установление взаимосвязей

раз ом , исследуемый

SNP

сам по себе едва ли влияет на

Изучеиuе геиетuчес-к.ой взаимосвязи (genetic associatioп
studies) поз воляет выявит~, варианты генов , влияющие
на риск развития. распространенных болезней , даже если

н о секвенировали данный участок, чтобы обнаружить

влияние каждого из сенов очень невелико. Мутации, на­

другие вариа~пы лолиморфизмов , которые тоже могут

предрасположенность к болезни. Но он привлек вни­

мание исследователей к гену

Cfh.

Поэтому они повтор­

рушающие активность какого-либо важного гена, обычно

чаще встречаться у больных с ВМД . В результате были

силъно снижают приспособлеш-юсть мутантной особи .

найдены три варианта, приводящие к изменению ами ­

Поэтому они, как правило, элимюrируются из популя­

нокислотной п оследовательности белка

ции естественным отбором и обнаруживаются редко. Го­

таких аллелей, у носителей которого в белке СfЬ l'И­

раздо чаще встречаются мутации, лишъ слабо влияющие

стидин в конкретиой точке заме н ен на тирозин, сильно

Cfh.

Один из

на функцию гена. Изучение генетических взаимосвязей

коррелировал с болезнью (и поч ти всегда наследовалсн

позволяет выявить мелкие, но широко распространенные

совместно с исходным

изменения; при этом можно обнаружит~, ,,ены, играющие

гена

глав н ую роль в предрасположенности к распространен­

в

ным болезням. При изучении генетической взаимосвязи

гих аллелей данного гена.

SNP, наведшим ученых на след
Cfh). У обладателей двух копий << Опасного ,> аллеля
5- 7 раз чаще развивалась ВМД, чем у носителей дру­

сравнивается ДНК двух выборок: страдающих данной

Несколько других групп исследователей, использо­

болезнью и здоровых людей. Затем выявляются генети­

вавших аналогичный п одход к выявлению генетических

ческие маркеры, налример

SNP, Lraщe

ассоциа ций, также обнаружили варианты гена

присутствующие у

Cjh,

по­

больных, чем при их случайи ом рас п ростра н ении в попу­

вышающие вероятность развития ВМД. Значит, данный

ляции. Эти варианты

ген почти наверняка как-то связан с п ричинами болез -

SNP

могут сами повышать вероят­

Ностъ развития болезни. Они также могут быть сцеплены

1ш.

с другими полиморфи з мами или мутациями, влияющи­

ствующих в иммунных (в частности, воспалительных)

Cfh -

оди н из белков системы комплемента, уча­

реакциях. Нормальный белок сде рживает активацию

ми на предрасположенностъ к болезни.

других белков системы комnлеме нта, предотвра щая ее

Рассмотрим в качестве примера возрастную макуляр­

ную дегенерацию (ВМД). Эта дегенеративная болезнъ

rиперактивацию. Интересно , что все средовые факторы

-

ГJrавная причи н а потери зрения у пожилых тодей. Чтобы

риска, связанные с развитием ВМД

Найти генетические вариан ты , ассоциированные с ВМД ,

ние и пожилой возраст

Исследователи изучили набор из

мы ком племента. Поэтому, какими бы ни были деталь­

100

ООО

SNP,

разбро­

-

-

куре н ие , ожире­

влияют на активностr, систе­

санных п о всему геному. Они определили нуклеотиды в

ные механизмы воздействия гена

Каждом из этих

ВМД, сам фаю того, что для ВМД важна система ком­

Cfh на

риск развития

SNP у 96 больных с ВМД и у 50 здоровых
100 ОО О SNP был найден один конкрепr ый

ллемента , позволяет разработать новые методы ранней

вариант, встречающийся со значJ1мо большей частотой у

диаг ностики ВМД и открывает пути для разработки но­

больных по сравнению со здоровыми.

вых м е тодов лечения.

лrодей. Среди

серд ечно­

р ассеянный

сос уд и ст ы е

скле ро з

за бол е вания

коэфф и ци е нт

диабет

интеллекта

(IQ)

клиниче ск ая
депрес с ия

СИЛЬНОЕ
ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ

СЛАБОЕ
ВЛИЯНИЕ ГЕНОТИПА

СИЛЬНОЕ
ВЛИЯНИЕ ГЕНОТИПА

СЛАБОЕ
ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ

он к ологич еск и е

забол е ва ни я

РИС .

19-34.

аст м а

н е вроти чно сть/
э кстравертность

шизофрения

п с ориа з

те мпер а м ента

На некоторые признаки человека среда влияет очень сильно, на другие слабее.

Изучение монози готных и дизиготных бл изнецо в п озволяет в ы я ви ть относител ьную рол ь среды и ге но ­
ти п а в ф о р м и ро вание различ ны х пр из н аков ч ело века .

Генетика как научный инструмент

609


морфиых сайтов , входящих в тот же гал лотип ( РИС. 19-35).
Поэтому достаточ н о иссл едоватr, один -два

SNP для каж­

дого га п лоти па.

Чтобы понять, почему существуют гаплотилы, м ы
должны обратиться т< эволю ц ионной истории нашеL'О
вида. Считается, что все современн ые люд и

потом 1ш

-

с равнител ь но неболь ш ой по п уляции, существоваn ш ей в
Африке около

60 ООО

лет назад. Среди небольшой гр у п ­

п ы наших общих предков некотор ы е особи несли оди~-1
набор генети ческих вариантов, а некоторые

-

другой.

Хромосомы совреме н ных людей состоят и з

переме­

ВОПРОС

19-5

А С помощью новых а втомати зирова нных методов б ыл и пpo ­
анализированы тысячи SNP и з ге номной ДНК люде й ра з -

rl'

8

наго возраста . Для подавляющего большин ства сайтов не

было на йдено ни к а к и х разл и ч ий, з а ви с ящ их от во з р а ста , в ча стоте
вариан тов . Однако изр ед к а наблюдало с ь по степенное с ни же н и е
частоты одного и з вариантов кон к рет н о го

50 лет.

SNP

у люде й старше

Какое из объяснений этого явления ка ж ется вам наиболее

вероятным.

А. Нуклеотиды в этом сайте более нестабил ь ны , и в н е м с возрас­
том накап л иваются мутации .

Б . Л юди , рожде нные более

50 л ет на з ад,

проис ходят из другой по­

шан н ых фрагмен тов хромосом разных членов этой не­

пуляции , в которой отсутствовал « утрачиваемый » вариант

большой предковой группы людей . От этой предковой

В. У людей из - за данного варианта

по пуляции нас отделяет всего около

сцепленном с ним г енном локусе нарушено функционирование

2

ООО поколений.

SNP

SNP.

или из-за мутации в

Крупные ф р агменты ~ лр едковых ,> х ромосом передают­

какого-то ва ж ного генного продукта , и это сни жает и х продол ж и­

ся от р одителей к детям, п оскольку и х ещ е не успел р аз­

тельность жизни .

рушить к россингове р . (Вс п омн ите, LfТO в ходе мейоза в
каждой х р омосоме человека про исходит лишь несколь­

ко актов кроссинговера.) В результате некоторые набо­
ры аллелей и генетических маркер ов (таких, как

SNP)

наследуются в виде сцепленны х груп п . Эти сегменты

Гаплотипы дают ключ

предковых хромосом

к нашей эволюционной истории

-

набо ры аллелей и маркеров, на­

следующиеся в виде кластеров и п ретер п еваю щ ие лишь

-

и есть

Детальное исследование гаплотипов позволяет сделать

гаплотиnы. Так же как l'ен ы и ге н етические марке р ы су­

важные выводы об истории человеческих по пуляций.

р едкие пе р ест р ойки от поколения к поколению,

ществуют в виде разны х аллельных фо р м, имеется ог р а­

В резул 1,тате мутаций постоянн о п оявляются новые ал·

ничен ный набо р вариантов галлот иn ов, рас пространен­

лели. Многие из них оказываются селективно н ейтраль­

ных в человеческих п опуляциях. Кажды й гаnлотип

-

н ыми; это означает, что они н е оказывают влияния н а р е­

это определен ная комбинация аллелей, унаследованная

пр одуктивный успех их носителей. Такие аллели могут

от какого-то далекого п редка.

в силу случайиых процессов стать обычн ы ми в какой-то

популяции . Чем больше в ремени про ш ло с момента по­
явления такого аллеля, тем меньше будет размер блока
с цепленной с н и м ДНК, т. е . гаплотипа: ведь в течение

большего LJисла поколений из-за кроссинговера с вы­

сокой вероятность ю будет наруше н о сцепление между
соседними аллелями и
индивид А

SNP

1 2

3 4

5

6

7

8

91011

1213 1415

и ндивид Б

чества до исходной маленькой популя ции африканских
предков. Мы можем даже восстановить наиболее веро­
ятн ы е пути мигр ации при расселении наших предков из
Африки ( РИС . 19-36) .

индивид д

Селективно нейт р альные аллел и распространяют­

индивид Е

15

6

7

8

91011

12,

блок полиморфиэмов (гаплотип)

обы чн о н а следуютс я крупным и бло ками . Бол ее

темным цв етом выдел е ны
ф из мы

(SNP). Например ,

15 са й тов ,

в которы х наблюдаются полимор ­

SNP 1, у ч асти ос о ­
б е й популяции находи тся А (синий) , у остальных - G (кра сный ) . Раз ны е
люди н асл едуют раз ные наборы вари а нтов , но SNP с 5-го по 12 -й, как

в са йте , пом еч е нном ка к

правило , насл едуются как единый бло к. Это о з начает, что х ромосом а,
с оде ржащая один из ва ри а нтов ( «красн ый» ) любого и з этих
с одержать «к расны е» ва риан ты всех остальных
справ едливо и для «с иних» вари а нтов) .

61 О

сколь ко в р емени пр ош ло с момента появления той или
ологическими, мы можем п р оследить истор и ю L1елове­

индивид г

19-35. SNP

Сравнивая размер гаnло­

иной мутации. Сравнивая генетические данные с архе­

индивид в

РИС.

SNP.

типов в разных п о п уляциях людей, можн о определить ,

ГЛАВА 19. Ге н етика и пол

SNP, будет
SNP этого набора ( то же

ся в п опуля ции медленио, но аллель , находящийся rroд
сильным положительным воздействием естественного
отбора, быст р о достигнет высокой частоты. Нап р:имер,

если мутаци я повышает устойчивост 1, ее носителя к
инфекциям, то отбор будет благопри ятствовать ей - ее

носители будет иметь более высокие шансы выжить И
п ередать эту мутац ию п отомству. В этом случае гаnл 0 -

ти п ы могут помочь установить время появления таких
ге н етических изменений. Если полезная мутация но­
явилась в популяции с р ав н ительно недавно, то у реком­

бинации было мало возможностей 11арушить сцепле н не
в окружающих участках. П оэтому такая мутация будет
входить в состав крупного rаплотипа. Так дело обстон ·r


•

В ходе мейоза 1·омоло1·ичные (парные) отцовские и мате­
ринские хромосомы исходной диплоидной клетки распр е­
деляются по rаметам так, что каждая гамета получает по

одной копии хромосомы из каждой пары. Поскольку при

этом образуются случайные сочетания ощовс1шх и мате­
ринских хромосом из разных пар, у одной особи образует­
ся множество генетически различающихся rамет.

•

Кроссинrовер обеспечивает правильное распределение
гомологичных

хромосом

и

увеличивает

генетическую

изменчивость, так как в результате в ходе мейоза проис­

ходит обмен аллелями между отцовским и материнским
гомологами.

•

РИС. 19-36. Все современные популяции человека - потомки
африканской популяции, существовавшей 60 ООО - 80 ООО лет

Хотя большинство внешних черт мейоза и митоза схо­
жи, поведение хромосом различается. При мейозе в ре­
зультате двух последовательных делений из исходной

назад. На карте показаны предполагаемые пути наиболее ранних

диплоидной клетJСи образуется четыре генетически раз­

Успешных миграций людей за пределы африканского континента. Пун­

л ичных гаплоидных клетки,

ктирные линии - возможные альтернативные варианты нач ального

одного

этапа миграции . Изучение размеров гаплотипов по казывает, что со­

идентичные друг другу и с тем же набором хромосом,

временные европей цы - потомки небольшой предковой популяции ,

прошедшей через «бутылочное горлышко» 30-50 тыс . лет назад . Раз­

а при митозе в рез ультате

-

две клетки,

генетически

что и материнс1,ая.

•

меры гаплотипов в нигерийской популяции значительно меньше; это
говорит о том , что нигерийская популяции более древняя. Эти данные
согласуются с археологическими находками, свидетельствующими ,

клеточно1· 0 деления

Мендель открыл за1шны наследственности, изучая на­
следование

несJСольких дискретных при знаков у

гороха

пос евного.

•

Согласно менделевскому закону чистоты гамет, отцовский

что предки австралийских аборигенов (сплошные красные стрелки)

и материнский аллели, отвечающие за один и тот же при­

и современных жителей Европы и Ближнего Востока (пути миграции

зна~,, попадают в ра зные rаметы (в каждой rамете содер­

не показаны) достигли районов своего нынешнего расселения около

жится только один аллель), а затем вновь объединяются в

45 ООО лет назад. (С разрешения AAAS из: S.Matsumura, Science 308:

965-966, 2005.)

случайных сочетаниях при оплодотворении.

•

Согласно менделевскому закону независимого наследо­
вания, во время формирования гамет аллели, отвечаю­
щие за ра зные признаки, сеrреrируют независимо д р уг
от д руга.

с двумя разными мутациями, повышающими устойчи­
вость к малярии. Аллели, повышающи е устойчивость,

обычны в популяциях африканского континента, где

•
•

м.алнрия широко распространена. Они входят в состав
Необычайно крупных rа плотипов; это еоворит об их не­
давнем возиикновении в генофонде Африки. Видимо,
одна из этих мутаций возникла около 2500 лет назад, а
другая - около 6500. Так, анализ rеномов современных
JIIoдeй может выявить историю распространения раз­

Открыты е Менделем законы объясняются поведением
хромосом во время мейоза.

Если два гена расположены в одной хромосоме близко

друг от друга, они обычно наследуются совместно

( сце­

пленно). Частоту рекомбинации между генами одной
хромосомы можно использовать для генети•1ескоl'О кар­
тирования

-

определения взаимного расположения генов

в хромосоме.

•

Мутантные аллели могут быть

JCaJC

домЮJантными, так и

JIИчных болезней человека и появления у людей устой­

р е цессивными. Если у гетерозигот мутантный фенотип

ч.ивости к болезням.
Выявляя пути эволюции челове ка, карты челове­

значит, мутантный аллель доминантный; если гетерозиго­

ты имеют нормальный фенотип, то мутантный аллель ре­

ч.еских гаплотипов и SNP открывают новое окно в пpo1.UJioe. Помогая выявить гены, делающие нас устойчивы­
м.и I< болезням или подверженными им, эти исследова­
r-гия могут помочь и в решении сов ременных медицин­

•

ских проблем.

•

цессивный .

Комплеметационные тесты показывают, произошли ли две
мутации, отвечающие за появление одинакового феноти­
па, в одном и том же гене или в разных.

Мутантные орrа~шзмы можно получить с помощью воз­
действия

химических

веществ,

повреждающих

ДНК.

Скрининг таких мутантов позволя ет обнаружить интере­

ОсновныЕ ПОЛОЖЕНИЯ

•

-

сующие ученых фенотипические признаки и, в коне•шом
счете, идентифицировать отвечающие за них гены .

При половом размножении происходит циклическое че­
редование диплоидных и гаплоидных стадий: диплоидные

•

За исключением монозиrотных близнецов, не бывает mо­
дей с одинаковыми rеномами. Каждый из нас

-

носитель

Клетки делятся мейозом, формируя гаплоидные rаметы, а

уникального набора полиморфизмов, т. е. особенностей

гаплоидные гаметы двух особей сливаются при оплодотво­

нуклео1'идных последовательностей, определяющих мно-

рении, образуя новую диплоидную клетку

rие наши фенотипические признаки.

-

зиготу.

Основные положения

611


учасши ДНК с высокой и зме нчивостью

Б. В ходе мейоза хромосомы так распределяются по дочерним

нуклеотидных последовател ыюстей. Это означает, что у

клеткам, что каждая клетка зарод ышевого пути получает одну и

двух юодей, выбраю{ых наугад из даЮIОЙ популяции, эти

только одну копию каждой хро мосомы .

Полиморфизмы

•

•

-

участки с высокой вероятностыо будут разли•шться.

В . Мутации , возникающие в ходе мейоза, не передаются следу­

Однону1,леотидные замены

ющему поколению .

(SNP) -

полиморфи з мы, в

случае которых различия заклю чаются в наличии в да нном

сайте ДНК д вух или более разных нуклеотидов у разных

ВОПРОС

людей, причем все эти варианты часто встречаются в по­

Что может быть причиной нерасхождения хромосом

пуляции.

когда обе гомологичные хромосомы оказываются в одной из до­

SNP -

полез ные маркеры для rенетичес1соrо 1са1>­

SNP

человека обычно наследуются в составе крупных

блоков

-

-

случаев ,

черних клеток? Каковы могут быть последствия этого события,

тирования.

•

19-8

если оно произошло : (а) при митозе и (б) при мейозе?

rаплотипов; это участ1си генома, которые унас­

ледованы в неизменном виде от отдале нных предков и у

ВОПРОС

многих людей еще не разруше1fы кроссинrовером. Раз­

П очему сестринские хроматиды не должны разделяться при пер­

19-9

мер и состав rаплотипов позволяет изучать эволюционну~о

вом делении мейоза? Может ли ответ на этот вопрос подсказать

историю человечества .

правильную стратегию при стирке носков? (Какое отношение от­

вет на этот вопрос имеет к проблемам , возникающим при стирке
носков?)

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

SNP (однонукnеотиднwе nопимор-

фиsмм)

rомопоrичнwе хро-

мосомw
rомоаиrота

ОМ8111t

ДИМОИД

бесnопое раsмно-

аакон неаа1исимоrо

••ни•

би1аnент
rамета
rамоид

rамотнn
rенетика
rенетическа1 карта

насnедоаани1

сомw

рекомбинацн1

19-1 О

В чем состоят различия между генетическими терминами:
А. Ген и аллель .
Б. Гомозигота и гетерозигота .
В. Генотип и фенотип .

ЮрОД111W81111Й nyn,

сестринские храма-

Г. Доминантный и рецессивный.

аиrота
кnетка аарод111wеао-

rоnути
кроссинrонр

roмonor

омодотаорение

rенотнn

ROJI081118 хромо•

ВОПРОС

радосnо1на1

rетерозиrота

нинr

••ни•

закон чистотw rамет

мейоз
мутаЦНА с иабwтком
функции
мутацн1 с nотерей
функции

rенетический скри-

nопиморфизм

nono1oe раsмно-

тидw

cnOQWЙ nризнак
соматическа1

кnетка
сnариаание хромосом
хиазма

ВОПРОС

19-11

У вас есть три сморщенных горошины, которые мы назовем А,
Б и В . Вы посадили их и вырастили взрослые растения гороха .
П ри самоопылении каждое растение дало только сморщенные
семена .

А . Что вы скажете о генотипе каждого растения, если известно,

что сморщенные семена - рецессивный признак , вызванный
потерей функции гена из-за мутации?

Б. Можно ли утверждать, что все три растения несут мутацию в

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

одном и том же гене?
В . Если нет, как можно исключить возможность того , что эти му­
тации произошли у всех трех растений в разных генах?

ВОПРОС

19-6

Легко понять, как вредные мутации удаляются из популяции бак­
терий , имеющих единственную копию каждого гена : носители

ВОПРОС 19-12
Дедушка Сьюзен был глухим и передал наследственную форМУ

данной мутации погибают, и она исчезает из популяции . Однако

глухоты некоторым членам ее семьи (см . РИС . В19-12 ) .

большинство видов эукариот имеют по две копии большинства

А . Как вы думаете , эта мутация

генов

доминантная?

они диплоидны. Часто особь с двумя нормальными ко­

-

- скорее всего рецессивная или

пиями гена (нормальная гомозигота) неотличима по фенотипу от

Б . Находится мутировавший ген в аутосоме или половой хромо·

особи с одной нормальной и одной мутантной копией (гетерози­

соме? Ответ обоснуйте .

гота

-

носитель вредной мутации) . В таких случаях естествен­

ный отбор может действовать только против особей с двумя ко­
пиями мутантного гена (рецессивных гомозигот) . Рассмотрим

случай , когда в гомозиготном состоянии мутация летальна , а в
гетерозиготном не оказывает влияния на фенотип . Может ли та­
кая мутация исчезнуть из популяции благодаря действию есте­

ственного отбора? Ответ обоснуйте .
ВОПРОС

т

19-7

Какие из приведенных утверждений верны? Ответ обоснуйте .

сьюзан

А . Яйцеклетки и сперматозоиды животных содержат гаплоидные
геномы.

612

РИС. В19-12

rЛАВА 19. Генетика и пол


В . Для 11 внуков (четверо из них глухие и семеро - здоровые)
был проведен полный анализ SNP. Как вы думаете, насколько

ВОПРОС

длинный гаплотип, включающий мутантный ген , можно будет вы­

ной рецессивной мутации (дети , гомозиготные по этой мутации ,

явить по результатам этого анализа? Как вы его выявите?

19-15

Предположим, что один человек из

100 -

носитель очень вред­

умирают вскоре после рождения) . Если в популяции за год рож­
дается

ВОПРОС 19-1З

1 ООО

ООО детей , сколько родится гомозигот по этой му­

тации?

Каков наиболее вероятный генотип каждого из четырех детей во
втором поколении семьи , изображенной на рис .

19-22, если

му­

тация, вызывающая глухоту в этой семье , очень редкая?

ВОПРОС

19-16

Некоторые мутации называются доминантно-негативными . Как

вы думаете , что означает этот термин? Как могут действовать

ВОПРОС 19-14

эти мутации? Объясните разницу между доминантно-негативны­

В родословной, показанной на РИС. В19-14 , в каждом поколении

ми мутациями и мутациями с потерей функции .

только первенец страдает заболеванием, которое вызывается
доминантной мутацией

D. Ваш

приятель сделал вывод , что шанс

Унаследовать мутантный аллель
У последующих.

D выше у первого

ребенка, чем

ВОПРОС

19-17

Обсудите следующее утверждение: «Сейчас мы бы не имели
представления о важной регуляторной роли инсулина как гормо­

на , если бы его отсутствие не приводило к губительной болезни
человека

-

диабету. Именно серьезные последствия отсутствия

инсулина заставили исследователей сосредоточить усилия на
его идентификации и на изучении его нормальной физиологиче­
ской функции » .
дети

ВОПРОС

19-18

Ранние генетические исследования дрозофилы заложили ос­
нову современных представлений о строении и работе генов.
Генетики, изучавшие дрозофилу, смогли получить мутантных

мух с разнообразными , легко различимыми внешними фена­
типическими признаками . У изучения мутаций, меняющих цвет

Рис. В19-14

глаз (по сравнению с обычным кирпично-красным)

А. Как вы думаете, справедливо ли это заключение, исходя из

С тех пор были выявлены мутанты с глазами различных рас­

-

особен­

но длительная история . Первая мутантная муха, обнаружен­

Менделевских законов наследования?

ная Томасом Гент Морганом, имела белые глаза ( РИС . В19 - 18 ) .
цветок , названия которых бросают вызов вашему умению раз­

Б. Какова вероятность того, что наблюдаемый характер наследо­

личать цвета: гранатовые , рубиновые , киноварно-красные,

вания - результат случайности?

вишневые, коралловые, абрикосовые , светло-коричневые и

В . Какие дополнительные данные можно использовать для про­

верки гипотезы вашего приятеля?

Г. Можно ли представить себе механизм , при действии которого

гипотеза вашего друга подтвердится?

кирпично-красные глаза

алые. Все мутации , отвечающие за глаза таких расцветок, ре­

цессивны (как и мутация белоглазости). Чтобы определить ,
происходят ли эти мутации в одном и том же гене , гомозигот­

ных по этим мутациям мух попарно скрещивали между собой

мухи с глазами других цветов

белые глаза

Рис. в19. 1а

Вопросы в конце главы

613


ТАБЛИЦА В 19-18. Комплементационный анализ мутаций
Мутация

белый

гранатовый

рубиновый

Drosophila,

киноварно-

влияющих на цвет глаз
вишне в ый

коралловый

абрикосовый

красный

белый

+

гранатовый

+

+

+

+

рубиновый

+

киноварно-красный

светл о -

алый

коричневый

+
+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

вишневый

+

коралловы й

+

абрикосовый

+

светло - коричневый

+

алый
«+» -

потомство от скре щивания таких мутантов имеет кирп и чно-крас ные глаза, «- » -

п отомство от такого скрещива ния им еет гл аза ино го цвета.

и определяли цвет глаз их потомства ( ТАБЛ. В19-18 ) . В та ­

ВОПРОС

блице знаком( + ) отмечены скрещивания между мутантами , чей

Что такое однонуклеотидные полиморфизмы

цвет глаз показан в левой колон ке и верхней строке , потомство

но использовать для картирова ния генов с помощью ан ализа

от которых имело глаза дикого типа (кир п ично-красного цвета) ;

сцепления?

(- ) показывает,

19-19

(SNP) и ка к их мо ж­

что потомство имело глаза иного цвета .

А. В каком случае все потомки от с к рещивания мух с разным цве­

ВОПРОС

том глаз

Секвенированы полные геномы Тима и Джона . Это позволило

-

например , белым и рубиновым

-

могут иметь кир­

19-20

пично-красную окрас ку глаз?

составить список 3 млн сайтов , где последовательности их ДНК

Б. Какие из перечисленных в таблице мутаций являются аллеля­

различаются одним нуклеотидом . Почему многие из этих сайтов

ми одного гена , а какие

бесполезно ис пользовать как маркеры для генетического карти­

-

разных генов?

В . Благодаря чему разн ые аллели одного гена могут вызывать

рования? Какие опыты нуж но поставить , чтобы отлич ить полез ­

появление разной окраски глаз?

ные для картирования сайты от бесполезных?

614

ГЛАВА 19. Генетика и п ол


ВНЕКЛЕТОЧНЫЙ МАТРИКС

И СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ТКАНИ
ЭПИТЕЛИАЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ

И МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ КОНТАКТЫ

ПОДДЕРЖАНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ
ТКАНЕЙ И ИХ САМООБНОВЛЕНИЕ
РАК

скелет ны х элементов (см. гл.

матрикса ( extгacel1н1ar

17), но и из внеклеточного
111at1·ix), который клетки секр ети­

руют, замуровывая себн внутри него. Именно этот матрикс
придает опорным тканям , например костям, их прочность .

Матрикс обесп еLшвает один из способов объединения кл е­
ток в ткань , но кле тки могут соединяться друг с другом и

напрям ую. Поэтому мы рассмотрим также межклеточиые

коитакты ( се \1 j нnctions ), соединяющие клетки животных
в гибкие, растяжимые ткани и позволяющие п ередавать
ус илия с цитоскел ета одной кл етки на цитоскелет сосед­
них клеток или с цитоскелета 1-1а вне кл еточный матрик с .

для многш<леточноrо орга низма кл етки служат строи­
тедыtыми блоками. Это утверждение кажется банальным ,
Но оно поднимает сложные вопросы. Клетки не похожи на
<ирлиL1и: они не тол 1,ко меJ11,ч е, но и мягче. Как же из них

1

Может бьпъ построе н организм жирафа или гигантского

Мамонтова дерева? Каждая клетка окружена хл ил кой м ем­

браной мен ее 1/ 100 ООО мм тол щиной, и от цел остности

этой м ембра 1-1ы зав и сит выживание клетки . Как при этом
Клетки могут соединяться так прочн о, что образуют мыш­

цы, с пособные поддерживать тело сло н а? Однако главная
за гадка в следующем: если клетки представл яют собой
строител1,ны е блоки, то где сам строител 1,, и где находится
гrлан постройки? Как образуются стол ,, разл ич1-1 ы е типы
1

<Jtеток в телах расте ний и животны х и как они занимают
Правильное пол ожение в с;юж 11 0.й общей структуре орга­
ни з ма ( РИС. 20-1 )?
Большинство кл еток м1-югокл етоL1ного орга1-1 и з ма объ­
един ено во вза имодейству ющие ансамбли - ткани; на-

11РИм с р , у позвоночны х есть н е рвная, мыш ечны е, со едини ­
те;1ы-1ые и. эпителиальны е ткани ( РИС. 20-2 ). Эту главу мы
начн ем с о пи са ния структур, обеспе чивающих меха нИLJ е ­
с r,ую прочн ос1ъ тка н е й . Мы ув ид им , что ткани состоят н е
только из клеток со сложными в11утренними сетями 1.{ито-

500
РИС.

мкм

20-1. Многоклеточный организм - это упорядоченная со­

вокупность клеток. Окрашенный поперечный срез сосновой х воинки ;
видно строго упорядоченное расположение раз ны х типов клеток .


эпителиальная

ПРОСВЕТ К И ШЕЧНИКА

клетка

РИС.

20-2 . Кл ет к и

о бъединены в тка н и. Упроще нное

изображение среза через участок стенки кишечника
млекопитающего. Этот длинный трубчатый орган состо­
ит из эпителиальных (розовые), соединительных (зеле­
ные) и мышечны х тка ней (желтые). Каждая ткань

эпителий -С

-

это

упорядоченная совокупность клеток, соединяющихся с

соединительная [

помощью межклеточных контактов и/или объединенны х

ткань

межклеточным веществом.

кольцевые [
гладкая

мышеч н ая

ткань

м ы шц ы

[

пр одольные [
мышцы

соед инител ь н а я

[

ткань

эпителий ;,с
гладкомышечная

эпителиальная

клетка

клетка

Но для понимания строе ния ткане~1 важно рассмот рет ь

менять форм у. Растения, напротив , ведут прикрепле rшый

не только их м еха ническ и е свойства. Как зданию нужен во­

образ жизни; ткан и у них более ил и м ен е жестк и е, а клет­

до провод, телефонные линии и д руги е коммуникации, так

ки •1асто хрупкие, если их и золи ров ать из состава поддер ­

и организму животного требуются крове носны е сосуды, не­

живающего их ткаиевоrо каркаса.

рвы и другие комгюненты тканей, развиваю щи еся и з спе­

Прочность растительных тканей обеспечивают JСле­

циализированных типов клеток. Все компон енты тканей

то чн ые стенrш

должны быть упорядоче 1-шо рас положе ны , и большинству

жают каждую клетку, защищают ее и определяют ее форму

(cell waJls), похожие

на ящики . Они окру­

и з них требуется постоянное самообновление. Клетки по ­

( РИС.

гибают и должны замещаться новыми ед иницами того же

стыо внеклеточного матрикса, который сек р етирует рас­

типа, образующимися в нужном месте и в требуемых коли­

тительная клетка, окружая им себя. Кл етка ко нтролиру ет

ч ествах. В третьем разделе главы мы обсудим, как проис ­

состав клето•1ной стенки: она мож т быть толстой и жест-

20-3) . Клеточн ую стенку можно считат ь раз нови д но­

ходит этот процесс, и разберем ре шающую рол 1,, которую
играют в самообновлении и регене рации тканей стволовые

к.летки (steш cel ls)

-

нед иффере 1щированные, образующие

самоподдерживающуюся популяцию клетки.

Наруше ни е процесса обновления тканей

-

одна из

главных медицинских проблем. А наруш ение в поведе нии
м утант ны х

кл еток ведет

к развит ию

онкологических за­

болеваний (сапсег). Эту тему мы рассмотрим в заклю чи­

тельной части главы. Изучение рака требует объединения
наших з н а ний о клетках и тканях н а всех уровнях

-

от

молекулярно-биологических да 1-1 ных о репарации ДНК до

принципов естеств нноrо отбора и со циального поведе ния
клеток при объединении в ткани. Исследования рака при­
вели ко многим фундам нталытым открытиям в клето ч ­

но й биологии ; мы ув и д им , что фу ндам е нтальная наука, в
свою очередь, обеспе•1ила более глубокое поним ани е этой
болезни и дает надежду на ее более ус пешное ле ч е ни е .

РИС. 20-3. Ткани растений усилены кл еточными стенками кле ·
ток . (А) Поперечный срез части стебля цветкового растения АrаЫ·
dopsis . Срез окрашен двумя флуоресцентными красителями для вы·

явления двух компонентов клеточных стенок: целлюлоза окра шена

ВНЕКЛЕТОЧНЫЙ МАТРИКС

в синий цвет, а другой полисахарид (пе ктин) в зеленый. Клеточное
содержимое не окрашено и не видно на препарате . Участки, богатые

И СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ТКАНИ

и целлюлозой , и пектином , кажутся белыми . П ектин п реобладает во

Многоклеточность у животных и у расте ний возникла

внешних слоя х клеток, имеющих только первичные оболочки (они от·

по ­

клады ваются во время продолжающегося роста клеток). Целлюлоза

разному. Живот11ые часто охотятся на добычу или служат

обильна во внутренних слоях , клетки которых имеют более толстые и

же ртвам и д ругим животным; поэтому о н и долж ны б ыть

нерастяжимые вторичные оболочки (образующиеся после окончания

с илыrыми и проворными; ткани животных долж ны обе­

роста клеток). (Б) Кл етки и клеточные стенки четко видны на электрон·

спечивать быст рое движе ни е, а составляющие и х кл тки

ной микрофотографии молодых клеток корня того же растения. (С раз·

долж ны уметь ге н е рировать и пе редавать усилия и быстро

решения

в

xo;ie

616

эвол юции

1-1 езав и с имо ,

и

их тка н и

устроены

Paul Linstead.)

ГЛАВА 20. Много клеточны е сообщества : ткани, стволовы е кл етк и и рак


ское набухани е клетки, ограниче нн ое сопротивле ни ем кле­
тоtrной ст нки , позволяет подде рживать в стенках напряж е­
ние; множество таких раздут ых камер, склеенных вместе,

обес 11 ечивают упругост ,, ткани . В таком состоя.~-,ии t1 ахо­
дится гюказаю-шй на ри сунке лист салата ( РИС.

20-4). При

потере воды клетки уме ньшаются в объеме, и лист увядает.
Большинство молодых клеток м1-t0гою1 еточ ного рас­
те ния с начала окружаются оп-юсителъно тонкой первич­

ной оболочкой (р1·i111 а гу се!!

wa ll ), способной

медле.1-11-t0 рас­

тягиваться по м е ре роста клетки. Рост обеспечивает та же
с ила , что при дает форму упругому листу
сте нку давление, н азыва

-

растягивающее

мое тургорным, и

возникающее

и з-за осмотического дисбаланса м ежду внутри 1<J1 еточ ной
и окружающей кл етку средой (см . ,-л.

12). После

оконча­

ния ро с та , когда клеточная сте н ка уже н е долж н а растя ­

гиваться, часто образуется более г1роt1н ая и н ерастяжимая

РИС. 20-4. Сканирующая электронная микрофотография клеток

вторичная оболочка ( secondaгy се!] wall ). Она формирует­
ся либо за счет отложения новых слоев ино1·0 состава под
п ерви чной оболочкой, л ибо за счет ее утол ще ния. У спе­

листа салата . Сте н ки клеток, раздутых осмотическими силами, плотно

циализированных клеток часто образуются особые типы

прижаты друг к другу. (С разрешения

клето чны х сте иок: пропитанны е восками, водо и е проница­

Kim Findlay.)

емые стенки эп идермиса листа; прочны е и толстые одр е­
весневшие стенки клеток ксилемы и т. д.

кой, как в древесине, или тонкой и гибкой, как в листьях.

Но принцип построения тканей в обоих слуtrаях одинаков:
Множество кроше чн1,1х ящичков склее ны между собой, и
внутри каждого живет нежная клетка. Как мы уже отмеча­
J~ и в гл .

1, именно

эти тесно упакованные микроскопиче­

Целлюлозные микрофибриллы придают
растительной клеточной стенке прочность на разрыв
Как и все типы внеклеточного вещества, клеточная стен ­

ские камеры, которые увидел Робе рт Гук на срезе пробки,

ка растений пр иобретает прочность на раз р,,m благодаря

Исходно и дал и нач ало термину « клетка >> .

дл инным волою-1ам (микрофибри ллам) , ориентированным

Ткани животных более разнообразны. Как и расти ­

п о ли ниям растяжен ия. У высш их растений микрофибрил-

тельные, они состоят из клето r< и внеклеточноео матрик­

са. Но эти ком11оненты соч ета ются более раз нообразными

пектин

способами . В таких органах, как кость или сухож или е, вне101 еточный матрикс обиле 1-1 и и.грает л е рвосте п енн.ую роль
0

обеспечении прочности ткани. В д ру 1·их тканях, на при­

Мер мышечной ткани или э пидермисе кожи, внекл еточ­
ного матрикса мало и меха 1-t иL1ескую 1-~а1·рузку при нимает
Н а себя цитоскелет самих клеток. Мы 11аt11-1 ем с краткого

обзора растительиы х клеток и тканей, а затем п ерейдем к
Рассмотрению тканей животных .

Растительные клетки
ИIVlеют жесткие клеточные стенки

первичная
клеточная

оболочка

плаэмалемма

О~·ол е11ная растителы-rая кл етка, искусствен но ли шенн ая

50

ее стенки , - неж н ая , ле гко уязвимая структу ра. В благо­
приятных условиях можно подде рживап, ж изнеспособ ­
н ость так и х клеток в культуре. Но они оче н ь легко по-

13Реждаются: 1-1априм ер, даже при 1-1 ебол ьшом снижении
осмотического давле , rия культуральной с ред ы клетки раз­

бухают и лопаются . В растительных клетках н ет пром е­

)l<уточ ных филаментов, обеспечивающих механич ес кую
ll])очност,, ж ивотны х тканей; поэтому он и практически н е
Моr-ут со противляться растяже 1-1 ию. Ясно, что им необхо7.\има прочная наружная сте 1-1ка .
Клеточная сте н ка растений должна б ыт,, прочной , но

При этом нс обязательно жесткой и негибкой. Осмотиче-

нм

гли кан овый
полисахарид ,

образующий
поп ереч ные

сшивки между
волокнами

РИС .

20-5.

Модель, на которой в масштабе показаны компонен­

ты первичной клеточной оболочки растительной клетки. Зеленые
цилиндры

-

целлюлоз ны е волокна , обеспечивающие прочность на раз ­

рыв . Другие полисаха риды (красные полоски) соединяют целлюлозные

фибриллы . Поли сахарид пектин (синие п ол оски) заполня ет простран­
ство между ними, обес п ечивая усто й чивость к сжатию. Срединная пла­
стинка (желтая) богата пектином ; она скрепляет между собой клеточны е
стен ки соседн их клеток.

Внеклеточный матрикс и соединительные ткани

617


тургорное

n уте м э кзо цитоза ( с м . гл .

•
. -+ •
•
. -+ •
давление

15).

Цею,юлоза с ию з ирустся

н а вн е н,н ей пове рх ности клетк и за CLreт работ ы ф рм снт­

ны х ком пле ксо в , встро нных в н а ружну ю м мб ран у. Эти
комп ле кс ы н е ре но сят саха ра- м о номер,,, ч е рез мем б ра н у и
в кл юч а ют и х в с о ста в н

с коль ки х р асту щих под им е рны х

це пей там, где они прикрепле ны к м ембран е. Кажл ый та­
кой набор цел е й об разует целл юлоз иую микрофиб ри ллу.

(А)

Фе рме11тные компдекс ы д вижутся по л ипи дном у б и сл ою
м ембраны, присоеди 11 яя новые пол име рные це пи и откл а-

( Б)

РИС.

20-6.

Ориентация целлюлозных волокон в клеточной стенке

влияет на направление растяжения растительной клетк и при ро­

сте . Клетки на рис . (А) и ( Б ) в начале роста имеют одинаковую кубиче­
скую форму, но разную ориентацию целлюлозных волокон в клеточных
стенках . Хотя тургорное давление одинаково рас п ределяется во всех
на п равлениях, каждая клетка удлиняется в направлении, перпендику ­

лярном ориентации микрофибрилл. Микрофибриллы обладают боль­
дистальные ко нц ы целлюлозных

шой прочностью на разрыв. Конечная форма органа (на п ример , п обега)

микрофибрилл встраиваются
в п редсуществующие слои клеточной стенки

определяется направлением, в котором вытягиваются клетки .

ВН ЕКЛЕТОЧНОЕ

/ \

ПРОСТРА НСТВО

лы обычно состоят из пол исахарида ЦеJLЛюлозы ( cel] ulose) -

наиболее распространенного на Земле органич еского веще­
ства. Целлюлозные волокна

(cellL1lose

mi cгofibгiJ s) заклю­

чены в дру гие полисахариды и структурны е белки. Все они
объедин е ны в сложную структуру, способную пропгвосто­

лемма

ять и сжатию, и растяже нию ( РИС. 20-5). В од ре вес н е ваю ­

щих тканях богатая поп е речными сшивками сеть из л игни­

на (который н е относ ится ни к полисахаридам, ни к бел ка м ,
а представляет собой особый тип пол имеров) откладывает­
ся в матриксе ,тетоlпюй сте ,-,ки, делая ее более жест кой и

цел люлоэосинтаэные
ком п лексы

0,1 мкм

водон епроницаемой .

микротрубочка,
прикрепленная
к плаэмалемме

При росте или из м ене нии формы клетки растения

клеточн ая сте нка дол жна растягивап,ся и ли деформиро ­

РИС. 20-7. Микротрубоч ки определя ют ориентацию целлюлознь~)(

вать ся . Поскольку целлюлоз ные вол окна противостоят

волокон в клеточной сте нке расте ни й. (А) Ориентированные цел­

р астнже ии ю, их орие нтация з адае т напр авле н ин , в кото­

люлозные микрофибриллы в клеточной стенке растительной клетки ,

рых вытнгива етсн расту щая клетка: на приме р , е сл и во л ок ­

выявленные с помощью электронной микроскопии.

(6) Ориентирован·

при ро сте клетке

ные микротрубочки под наружной мембраной растительной клетки. (В)

л е гч е будет увел ичивать длину, ч е м 11и а метр ( РИС. 20-6) .

Одна из моделей того , как ориентация синтезируемых вне клетки цел·

Контролирун структу ру клеточной стенки при ее се кре­
стве 1-11-1 у rо форму, а значит, и направле ни е роста ткани , к

люлозных волокон может определяться ориентацией микротрубочек
внутри клетки . Крупные ферментные комплексы целлюлозосинтетазЫ
(cellulose synthase) - это интегральные мембранные белки, постоянно

которой она прин адлежит .

синтезирующие новые целлюлозные волокна на внешней стороне плаэ·

на о хватывают клетку по окружност и,

ции , растител ,, н ая кл етка попутно контрол ирует и соб­

Целл юлоза образуется сове рше нно иным с пособом ,

малеммы . Свободные концы тянущихся от них микрофибрилл включа·

чем большинство дру 1: их вн еклеточных макромолекул .

ются в текстуру клеточной стенки , а удлинение с концов, прикрепленных

Она н е с интез ируется вн утри 1шеш и и нс экспортир уется

к ферментным комплексам , вызывает движение комплексов в плоско­
сти мембраны (красные стрелки). Кортикальные микротрубочки при ·
креплены к плазмалемме изнутри , и их расположение заставляет феР·

ВОПРОС

20-1

А В клетках стебля проростка, выращенного в темноте, микро­

rl' трубочки

8

ориентированы в горизонтальной плоскости. Как

это должно повлиять на характер роста растения?

618 rЛАВА 20. Мно го кл еточ н ые с ообществ а :

ментные комплексы двигаться по определенным траекториям . таким
образом, расположение микротрубочек определяет ориентацию вновь
·th
образуемых целлюлозных волокон. (А - с разрешения Brian Wells и Ке 1
Roberts; Б - с разрешения Brian Gunning.)

т кани , ствол овы е кл етк и и рак


дывая гюзм и себя тяжи из ориентированных целл ю110з­
ных волокон.

М ар. шруп,1 дв иже ния ферментных комплексов опре­
деляют ориентацию целл юлоз ных волокон в клеточной
стенке; н о что н аггравляет сами ферментные комплексы?

Оказывается, прямо под п.11азмалеммой лежат пучки ми­
кротрубочек, ориентированных в точности так же, как цел ­
люлозные волокна вн е !(Летки ( РИС .

20-7, А, Б ) . Вероятно ,

эти микротрубочl(и служат н аправляющими устройствами,
которые определяют движение фе рм е нтных компл е ксов

(рис.

20-7, В). Таким оригинальным н е прямым способом

цитосl(елет контролирует форму ра ст ител ыюй клетl( и и

участвует в построении раст ител ы1ых п<а 11 е й. Как мы уви­
дим, цитоскелет животных клеток коюролируст архите к­

I_J

туру тканей более н епосредст ве нным образом.

100
РИС.

20-8.

мкм

Внеклеточный матрикс обилен в соединительных тка­

Соединительные ткани животных

нях, в частности в костной. Клетки на этом поперечном срезе костной

состоят в основном из внеклеточного матрикса

ткани по хожи на мелки х черных муравьев, замурованных внутри матрик­

Традиционно выде11 яют Liетыре основных типа животных
ткан е й : соединительн ы е, э пителиальные, н е рвную и мы­
ш ечные Тl(ани. По своему ст ро е нию соединительные Тl(ани

наиболее рез ко отличаются от всех остальных. В соедини­
те;1ьны:х шанях (coлпectiv e tissн es ) много вн еклеточного

матрикса, и име нно он обеспечивает м еханическую проч­

са, который занимает большую часть объема ткани и полностью обеспе ­
чивает ее механическую прочность. Ч ередующиеся светлые и темные
полосы

-

концентрические слои матрикса, содержащие упорядочен­

ные волокна коллагена (выявлены с помощью поляризованного света) .
Кристаллы фосфата кальция за полняют промежутки между коллагено­

выми волокнами; это делает кость похожей на железобетон и обеспечи­
вает ее устойчивость как к сжатию, так и к растяжению.

ность. В других тканях (наприм ер , в э пител иях) внекл еточ­
ного вещества мало, клетки непосредстве нно соединяются

друг с другом и сами выдерживают механические нагрузки.

в наибольшей степени, от других молекул, перемешанных с

Сначала мы рассмотрим соединительные ткани.

коллагеном в разиых пропорциях . Среди них резиноподоб­

Соединительные ткани животных чрез вычайно изме н­

ный белок эластин (он придает упругосп, стенкам артерий,

чивы. Они могут быть прочными и гибкими, как сухожилия

п озволяя им растягиваться и сок ращатъся при прохожде­

11Jrи дерма ( соединителыrотканный слой кожи); твердыми и

нии пульсовой волны), а также множ ество разных полиса ­

Плотными,

харидов, которые мы вскоре кратко рассмотрим.

l(aK кость; упругими и смягчающими удары,

как

Хрящ; мягкими и проз рачными, как студень стекловидного
тела, заполняющего внутре ннюю каме ру глаза. Во всех эти,t

СJГучаях б6лъшую часть объема ткани составляет внекл е­

точный матрикс; клетки , образующи

матрикс, разбросаны

в н ем, как изюмины в пудинге ( РИС. 20-8). Во всех таl(их

Соединительным тканям животных
прочность на разрыв придает коллаген

Коллаген (colJageл) найден у всех многоклеточных жи­

тканях большую или меньшую механ~,rческую прочност 1,

вотных и представлен множеством вариантов . У мл е копи ­

обеспечивают главным образом не полисахариды , как у рас­

тающих есть около

тений, а фибри лл ярный белок коллаген. Специфичные ч е р-

личные варианты которых присутствуют в разных тканях.

1ъ1 разновидносте й соединительных Тl(аней за висят от типа

Коллагены

Коллаген а, который в них содержится, от его количества и,

l(ОЖИ (кожаны е издел ия состоят из выдубленного колла­

-

20 генов,

кодирующих коллагены, раз­

главны е белки костной ткани, сухожилий и

гена) . Общее содержани.е коллагена в теле м лекопитаю­
щего больше, чем любого другого белка,

ВОПРОС20 - 2

. . . Мутации генов, кодирующих коллагены, часто вызывают тя ­

rl' желые заболевания. К особенно тяжелым последствиям при-

8 водят замены глицинов, которые должны находиться в каж­

дом третьем положении этих белков и необходимы для образования
характерной трехспиральной структуры (см. рис . 20-9) .

А . Как вы думаете, будут ли такие мутации доминантными (т. е . будут
llИ они вызывать заболевание, если только одна из двух копий гена
дефектна)?

Б. Странная особенность таких замен глициновых остатков состоит
8

том, что они особенно вредны, если происходят вблизи от N-конца

Формирующего трехспиральную структуру домена. Попробуйте
объяснить, с чем это может быть связано .

-

около

25% от

массы всех бел ков .
Характерная черта типичной мол екулы коллагена

-

ее вытянутая форма и жесткая, трехспиральная структу­
ра. Три полипептидных цепи l(ОЛлаге на в такой мол куле
скручены, каJ< в ве ревке, в сверхспираль (см . рис.

4-25,

А).

Эти молекулы, в свою очередь, образуют упорядоче нны е
полим еры

-

коллагеновые волок1-1 а ( РИС.

20-9 ).

Другие

коллаге новы е молекулы деl(орируют пов е рхность колла ­

ге 110 вых JЗолокон и связывают их м ежду собой и с осталь11ыми компонентами в 1·1еютеточного матрикса.

Клетк и соединительной ткани, производящи е вн екле­
точный матрикс и 1-1 асел яющие его , называют по-разном у
в за ви с имости

от ткани:

в

коже, сухожилиях

и

Внеклеточный матрикс и соединительные ткани

многих

619


отдельная

других ткан ях они наз ыоаются фибробласты (fibгoЬla st

п оли пептидная

цепочка

- - - ,--__,.,,...,,....,,....,,.....,.....~,"""""""',---,

д ру ги е орга1-1ические компон е н т ы матрикса . Почти вес мо­

коллаген а
трехспиральная

)

( РИС. 20-10) ; о костной ткани 0 11и н аз ы ваются остебласты

(о tcoЫasts). Эт и клетки произ оодят как коллаге 11 , так и

молекула '---_,,...,.,...,..---'-.,,...__~,,.._,..._,.....,,.._____.

лекулы с интез ир у ются

коллагена

внут ри клеток , а зате м сек р ст иру­

ются обычным с пособом

коллагеновая .,..,...1"'""'.,....."""""-т------

фибрилла ~~:.;.:,-::-;;.: .;,:,:,:,~;,:,:.:.:.-:;,: ,:,;,:,"j

-

п утем э кзоцитоза (см. rл .

15).

В 11 е кл еток они собираютс я в гигантс кие с кре п ленн 1,rе
силами когезии апре1·аты. Если б ы сбо рка прои сход ил а
11 реждевре м е11 но , до секреции, клетка оказалась бы заб ита
своей собстве нноi,i продукци ей . В слу ч ае коллаге н а кл ет­

ки избе гают катастрофы благодаря
предшественника
жат на каждом

-

прокол ла гена .

ero секре ции в
Ero мол е кул ы

конц е дополнительные

участки

форм е
содер­

п е птид­

ной це пи, препя тствующие образованию коллаrеновы х

фибрилл. Вн екл еточны е ферм енты
коллагена

-

-

протеиназ ь1 про­

отр еза ют эти те рм и 1-1 аль ны е д ом е ны , по э том у

сбо рка фибрилл возмож1-1 а тол ько посл е выхода молекул
коллаr на во внею1 еточ1юе пространство.

У людей встре ч аются ге н етич ес ки е дефекты протеиназ

LJ

1 м км
РИС.

20-9.

Коллагеновые волокна формируют пучки. На рисунке

показаны эта пы самосборки коллагеновых структур

-

образование

коллагена или самих мол екул лроколлаrе на, и з-за ч его бы­
вает наруше н а сбо рка коллаге новых фибрилл. В результа­

те сое;~инительны е ткани таки х людей обладают меньш е й
прочно ст ью и чр ез вычайно растяжимы ( РИС.

Кл етки

20-11 ).

соед инительных ткан ей долж ны у меть н е

тройных с пирал ей коллаге на из полип е птидных цепей, затем форми ­

только сек ретировать матрикс, но и раз рушать его. Эта

рование фибрилл и , наконец , тол стых волокон ( пучков из фибрилл) . Н а

с пособность необходима для роста, реген ерации и само­

эл ектронной микрофотографии видны п ол н остью сформированн ы е

обновл е ния ткани; она н еобходима также мигрирующим

кожи куриного

кл еткам, таким как макрофаги, чтобы пробирап,ся сквозь

эмбрио н а. Фи бри ллы собра ны в пучки (волокна), н екоторые из котор ы х

толщу коллаге на и других полим еров матрикса. Проте ина ­

залегают в плоскости среза, а другие

з ы, рас щепляющи е вн е клеточные белки матрикса, играют

ко лл аге н ов ые волокна в соединительнотканном слое

Клетка на фото

-

-

почти перп ендикуля рн о к ней.

фи бробла ст, секретирую щи й коллаген и другие ком­

поненты внеклеточного матрикса . (С разре ш ени я
а /. , J. Struct.

Elseiver из : С . Ploetz et

важную роль в раз витии разлиL11-1ы х болез~1 е й

-

от артри­

та, при котором они у ч аствуют в ра з руш ении хря ща по ­

раженных суставов, до рака, при котором они гю з вошлот

Biol. 106: 73- 81 , 1991 .)

злокачеств е нным кл ет кам в н ед ряться в зд оровы е тк а ни.

0,1

мкм

20-1 О. Фибробласты образуют внеклеточный матрикс соеди ­

РИС. 20-11. Нарушение сборки коллагеновых фибрилл может

нительной ткани . Н а сканирующей электронной микрофотографии вид­

приводить к сверхрастяжимости кожи. Джеймс Моррис , «человек с

ны фибробласты и коллаге н и з соединительно й ткани хрусталика крыс ы .
Другие ком п оненты, формирующие в норме гидратированный гель , за­

эластичной кожей » , на фотографии , сделанной около 1890 г. Необычай·
но растяжимая кожа - один из компонентов генетического синдрома ,

полняющий промежутки между коллагенов ыми волокнами, удалены пу­

возникающего из-за нарушения в сборке или соединении в вол окна кол·

РИС.

тем обработки ферментами и кислотой. (С разрешения

ARVO из : Т. Nishida et а/., lnvest. Ophthalmol. Vis. Sci. 29: 1887- 1890, 1988.)

620

ГЛАВА

лагеновых фибрилл . У некоторых людей этот синдром возникает из-за
дефекта фермента , превращающего проколлаге н в колл аген .

20. Многоклеточные сообщества : ткани, стволовые клетки и рак


Клетки структурируют коллаген ,
который они секретируют

Для выпол н е 1-1и я сво их фун кций волою rа коллаге н а доюк­
ны б ыть правил 1, 1-1О ориентированы. Например, в коже
они сплете ны в сет ч атую структу р у или рас положе н ы ч е­

редующими ся слоя ми раз н ой ориентации. Благодаря это­
му кожа им еет высокую пр очносп, н а раз рыв во всех на ­

правле н иях ( РИС.

20-12). В сухожилиях , котор ыми мышцы

крепятся к костям, коллагеновые волокна р асположены

п араллель ными п усrками, вытянутыми вдоль дл инной оси
сухожилия.

Кл етки соед инител ,,ных тканей контролируют ориен­

1 мм

тацию пучков коллагена, откладывая их в о пр еделе нных

направлениях и п озд нее пе рест раивая п о мере н еобход и­

РИС .

мости. В ходе разв ития ткани фибробласты работают н ад

волокон. На микрофото графии показан участо к между двумя кусочками

Укладкой секрет ируемого ими коллагена . Они ка рабкают­

э мбриональной т ка ни сердца цыпленка (богатой н е только мышечными

ся по пучкам волокон и вытягиваются вдоль 11и х, способ­

клетками , но и фибробластами) , растущи х в культуре н а коллагеновом

20-13. Фибробласты влияют на расположение коллагеновых

ствуя образованию слоев и л и толст ы х кабелей и з отдель­

геле в течение четырех суто к. Между эксплантатами сформирован гу­

ных волокон. Это механическое воздействие фибробл а­

стой пучо к упорядоченны х коллагеновых волокон , по всей видимости ,

стов на структуру коллагена во вне клето чн ом матрик се

благодаря вытягиванию коллаге н а фибробластами . В остальны х частя х

было наглядно продемонстрировано в клеточных куm,ту­

кулыуральной чашки коллаген остается н еупорядоченным и выглядит

рах . Когда фибробласты сме шивают с сеть ю слу ч ай но ори­

как равномерно серый фон . (С разрешения

ентированных коллаге но вых волокон , образующих гель в

А. К .

Elsevier

из:

D. Stopak and

Harris, Dev. Biol. 90: 383-398, 1982.)

культу ральной чашке, фибробласты растя гива ют сеть, вы­
тягивая и з н ее и комлактизи руя волок н а кол лаге н а . Если
на коллагеновый гель далеко д ру ,, от друга помест ить дв а

мал еньких кусо чка эмбриональной ткани, содержащей

срибробласт ы , то м ежду этими тканев ыми э ксплантатами
об разуется густой пучок из параллел ьно о ри енти рован ­
ных коллаге новых волокон ( РИС . 20-13). Фибробласты
в ыползают

и з экс п лантатов, д вигая с ь

вдол ь

в ытян ут ы х

коллагеновых воло кон . Таким образом, фибробласты уп о­
рядочивают

рас положе ни е

коллагеновых

волокон,

а

те,

в сво ю очередь, влияют на р ас пределение фибробластов.

В е роятно , фибробласты играют сход н ую роль в созда нии
круп,-юмасштабной упорядоче нн ости внеклетосrного ма­
трикса внутри орган изма. Они участву ют в создаи ии су­
хожилий и просrных , плотных слое в соед инител ьной тка­
~,и , окружающих и с креп ляющих бол ,,шин ство орга н ов.

Миграция фибробластов играет важную рол ,, также при
заж ивлении ран (ВИДЕО

20 .1) .

Интегрины связывают внеклеточный матрикс
с цитоскелетом клеток

Если кл етк и MOL'YT тя нуть за ,-,ити матрикса и п олзать по

5

мкм

Рис. 20-12. Коллагеновые волокна в коже образуют слоистую
сrруктуру с упорядоченной ориентацией. Эле ктронная микрофото­
графия поперечного среза кожи головастика. Последовательные слои

Волокон откладываются практически во взаимно перпендикулярных на­
правлениях ( см. также рис. 20-9) . Та кое их расположение характерно
Tal<)l(e для сформированной костной ткани и хрустали ка. {С разрешения
Jerome Gross.)

н ему, они долж ны уметь прикре пляться к н е му. К 1'0Jюм у

коллагену ю, етк и прикрепляются слабо. Их взаимосвяз. ь

обеспечивает другой белок в н еклеточ н ого матрикса, фи­
бронектин (fibl'Oп ectin) . Одним ко ,-щом молекула фибро­
,-, ектина при крепляется к коллагену, а другой конец образу ­
ет у qасток прикрепл е 1-1 ия для клеток ( РИС.

20-14, А).

Клетки прикрепляются к специальному участку фи ­
бронекти н овой молекулы с п омощью трансмембран н о­

го белка-ре це птора интеrрина (iпteg ,·iп) . Внеклетос1ный

Внеклеточный матрикс и соединительные ткани

621


домен инте rрин а с вяз ывается с фибронектином , а вну ­

ро 1·1 е, причем акт ивация может прои зойти по обе сто роны

триклето4 1-1ый

от м ембраны ( РИС . 20-15).

акrиновыми

(ри с.

20-14,

через набор адаптор 11 ых мол кул

-

-

с

цитоплазме кл етки

Такие конформацио1 1 1 1 1,1 е и з м е н е ния и 11 те 1- ринов ю1.ет-

В). Когда возн икает натяж ни е между клет­

1< и и с поль зу ют дл я п ереда чи химических и меха нич еск и х

микрофилам ентами

в

кой и матриксом, инте rрин н е выде ргивается из хлипкого

сигналов че рез пл аз малем му. В11утриклеточ11 ы е сигналь­

липидио 1-о бислоя, а передает напряжени е более прочном у

ны е молекулы могут активировап, интегрин, и этот с иr-

цитоскелету.

1-1 ал п е р едастся наружу, заставляя клетку прикр е п лят ь с я к

Интегри_ны не просто пасс ивно п е редают усилие, а

вн е кл еточном у матриксу. А с вязыва ние интег рина с вне­

активно р еагируют на механич еский стресс и н а химиlfе­

клеточ 11ым и структурами может а ктивировать вн ут рикле­

ские сигналы, поступающие снаружи и из нутри клетки. В

точный сигнальный каскад с участием п роте инкиназ, свя­

зависимости от получаемых сигнал ов они либо остаются

зывающихся с виутрикл еточ1rым у частком интегриновой

прикрепленными к матриксу, либо открепляются от него .

молекул ы. Таким путем прикре плени е кле ток к внекле­

Нап ример, ин тегрины формируют и разбирают контакты

точному матриксу помогает р егул ировать их выживание

с матриксом, когда клетка ползет сквоз ь тканъ , хватаясь за

и смерть, а в случае выживаиия

матрикс своим пе редним к раем и откре пляя задний

ре ~щ ировку.

р ис.

( см.

-

рост, деление и диффе­

У человека имеется как минимум

17-32).

24 разных интегрина,

Выполняя эти функции, интегрюrы сильно из м еняют

распоз нающих разл ичн ы е компоиенты внеклето4 1-юго ма­

свою конформацию. Когда ю-пегрин связывает какую-ли ­

три кса и выполняющих раз ные функции в зависимости от

бо молекулу на одной из сторон мембраны , он приобретает

того, на каких тил ах клеток они располагаются. Наприме р,

активированную вытянутую конформацию . Это поз воля­

интегрины лейкоцитов помо ,-ают им вылезап, и з кровенос-

ет ему связать другую молекулу на противоположной сто-

1-1ых сосудов в инфицированные участки тела, чтобы рас-

N

N

колла геновая фибрилла

сайты связывания
коллагена

фибронекти н
клеток

фиброне ктин

с

(А)

s-s
s-s

интегриновый дим е р

плазмалемма [

с

L_J

5

актиновый

( В)

50
РИС.

20-14. Молекулы фибронектина и

филам е н т

нм

интегринов служат для прикрепления клеток к внекле­

точному матриксу. Моле кулы ф ибро н ект ин а в матр иксе с вя за н ы с колл а ге но в ыми вол о к н а ми. Тр а нс­

м е мбра нны е мол екулы инте грин о в при кр е пляются к фи б роне ктину и соединяют е го с цитоскел етом ,
лежа щи м внутри клето к . (А) Схе м а и ( Б) эл ект ронн ая м и к рофото графи я мол екул ы ф иб ронекти н а .
(В) Тра н с м е м б ра нны й контакт, об раз ованн ый мол екул а ми инте грин а ( сине-зеленый дим е р) . Мол екула
инте грин а п е редает ус или е че рез ме мб р а ну кл етки : он а с вя за н а внутри клетки с ц итоскел етом , а в н е

клетк и

-

с фи б рон ектином и чер ез н е го с др угими бел ка м и вн еклеточно го м атри кса. С а м а пл аз м але м ­

ма достаточ но н е п роч н ая . П оказанный н а схе м е интегри н свя з ывает фи б рон екти н с внут риклеточ н ы ми
актиновыми филам е нтами . Дру г и е интег р ины мо гут соединя ть с цитоске л етом ( об ычн о с актиновы ­
ми ми к роф ил аме нта ми , но и н о гда и с про межуточными ф ил аментами) и н ые бел ки матр и кса. ( Б

J. Engel et а/., J. Мо/. Biol. 150: 97- 120, 1981 . С р аз ре ш е ни я Elsevier.)

622

ГЛАВА

20.

Многоклеточные сообщества : ткани, стволовые клетки и рак

-

из

НМ


проч ное связыван и е

ство цепей ГАГ прикре пляются к одному сердцевинному

с внеклеточным матриксом

белку, а он может быть одним концом соединен с другим
ГАГ. В результате образуется еигантская макромолекула,
наломииающан ершик, с молекулярной массой в миллио­

ны дальтон ( РИС .
ный
инте ­

20-17).

В плотных, комrта1<тных соединительных тканях, та­

неа ктив-

ких как сухожилия или кости, процент ГАГ н евелик, и ма­
трикс состоит поlпи целиком из колла 1·е на (в случае кост­

грин

ной ткани

-

из коллагена и кристаллов фосфата калъция).

Другая крайность

желеподобное вещество внутренней

-

камеры глаза; оно состоит почти целиком из воды и одной
(А)

ко1-rкретной разновидности ГАГ и содержит очею, мало

ц-субъ­
еди ница

Р-субъ­
единица

АКТИВАЦИЯ
« ИЗН УТ РИ
НАРУЖУ»

/ 111'
прочно е

связывание
с цито скелетом

коллагена. В целом ГАГ весьма rидрофильны, и их моле­
кулы, принимая вытянутую, расправленную конформа­

цию , занимают гигаитский объем относительно своей мас­
сы ( см. рис.

20-17). Даже

при очень низкой концеитрации

РИС . 20-15. Молекула интегрина переходит в активную конфор­

они формируют гель. Их множественные отрицателъно

мацию, связывая молекулу лиганда любым из концов. (А) Мол еку­

заряженные еруппы притягивают <, тучи~ катионов (на­

ла интегрина состоит из двух субъединиц а и ~ и может переходить из

пример, ионов

изогнутой, неактивной формы в вытянутую , активную. Переход в акти­

свою очередь, притнгивают в матрикс большое количество

Na+).

Эти осмотически а1<тивные ионы, в

вированное состоя ни е может запускаться связыванием молекулы вн е­

воды. Тем самым происходит набухание и развивается дав­

клеточного матрикса (например, фибронектина) или внутриклеточных

ле ни е, уравновешиваемое натяжением коллагеновых во­

белков, связывающих интегрин с цитоскелетом. В обоих случаях кон­
формационны е изменения молекулы таковы , что на ее противополож­

локон, переплетенных с протеоrликанами. Когда матрикс

ном конце образуется сайт для связы вания подходящего лиганда . Так

богат коллагеном, а в сеть из его волокон вплете1-rо много
протеоглика.нов, и 1-1 абухание, и противостоящее ему на­

интегрин создает механическую связку, пронизывающую мембрану. (Б)

тяжение чрезвычайи.о сильны. Такой матрикс плотный и

Электронные микрофотографии отдельной мол екулы интегрина . Вид­

упругий; он прекрасно противостоит сжатию. Подобными

но, как меняется форма молекулы при связывании небольшого пептида ,

свойствами обладает матрикс хряща, выстилающего ко­

имитирующего внеклеточный лиганд интегрина (сам пептид слишком

ленный сустав. Он может выдерживать давле ни е в сотни

мал, и на фото его не видно). (А - с разрешения Macmillan PuЫishers Ltd

килограммов иа квадратный сантиметр.

из: Т. Xiao et а/., Nature 432: 59-67, 2004; Б - с разрешения Elsevier из :

J. Takagi et а/., Се// 110: 599- 611 , 2002.)

Протеогликаны н е только создают вокруг клеток
гидратированную среду, но и выполняют другие, более
сложные функции. Они могут создавать гели с разными
размерами пор и разной плотностыо заряда, которые дей-

Правиться с <<мародерствующими~ микробами. В результа­
те утраты этого типа интегринов у человека развивается бо­
Jiезнь, называемая дефицит адгезии лейкоцитов, или <~син­
дром Jiенивых лейкоцитов>> (leu.cocyte ad hesion deficiency);
такие люди страдают от постоянных бактериальных ин­

Фекций. Другой тип интеrринов есть на мембра1-1е тромбо­

N-ацетилглюкозамин

р
сн 2 он

цитов. При их отсутствии развивается кровоточивость, так
J(ак у таких больных тромбоциты не могут свнзывать один

Нз Факторов свертывания в плазме крови.

соо•

Гели из полисахаридов и белков

заполняют объем и противостоят сжатию

Устойчивость к сжатию . Это протеоrликаны (proteog!ycans) - внеклеточные белки, связа 1шы е со сложиыми, от­
Рицателы-ю заряженными полисахаридами, rлИiюзамино­
ГJ111канами (ГАГ) (glycosaшinoglycan , GAG) ( РИС . 20-16).

l1ротеоrmшань1 имеют чрезвьr<rайио разнообразиые раз­

мер!,[, форму и химический состав. Как правило, множе-

о

NHCOCH 3

он

NHCOCH 3

н

13 то время как коллаген об спеlrивает прочность матрик­
са и позволяет противостоять растнжению, совсем другая
груп па макромолекул внеклеточного матрикса животных
l'J<аней, заполняя промежутки между коллагеновыми во­
J!ОJ( 1-тами, обеспечивает комплементарную функцию -

но
О

~
соо• 0 нg
ОН

глюкуроновая кислота

повторяющееся

ОН
РИС .

20-16.

дисахаридное звено

Гликозаминогликаны (ГАГ) заполняют объем внекле­

точного матрикса соединительных тканей. По казана гиалуроновая

кислота, относительно простой ГАГ. Она состоит из одиночной длинной
цепи, содержа ще й до

25

ООО повторяющихся ди сахаридны х звеньев.

Каждое звено несет отрицательный заряд. Как и в других ГАГ, один из
мономеров-сахаров каждого дисаха ридного звена

-

аминосахар (со­

держит аминогруппу вместо одного из гидроксилов) . Многие ГАГ соде р ­
жат дополнительные отрицательно заряженные боковые группы (чаще
всего сульфатные) .

Внеклеточный матрикс и соединительные ткани

623


... 1

мкм

.

агрегат аrгрекана

молекула

гиалуроновой
кислоты

____,r..- -

хондоитинсульфат

(Б)

1 мкм
РИС.

20-17.

Протеоrликаны и ГАГ могут формировать крупные агрегаты. (А) Электронная ми­

крофотография агрегата из хряща , помещенного на плоскость . Видно множество отдельны х субъе­
диниц , каждая из которых также представляет собой крупную молекулу проте огли ка на. (Б) Схе матич ­
ное изображение гигантского агрегата, пр едставле нного на фото (А) . Пока зано, как этот комплекс
образуется из ГАГ (красные и синие) и белков (зеленые и черные). Молекулярная масса такого ком­

плекса может достигать

108 далыон и более , а занимаемый им объем достигает объема клетки бак­
терии (около 2 х 10· см ) . (А - с разрешения Lawrence Rosenberg .)
12

3

ствуют как фильт ры , р егулирующие про хождение мол е­

кул через межкл еточ1-1ое вещество . Они могут связывать

секретирова нны е факторы роста и д ругие белки, служа­
щи е с игн алами для кл еток. О1-1 и могут уп равлять мигра ­

ЭПИТЕЛИАЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ
И МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ КОНТАКТЫ
В тел е позвоиоч1-юго су ществует более двухсот разл ичи­

цие й клеток Lre peз матрикс, блокировать ее или уско ря тъ.

мых по стро ению типов кл еток. Большинство и з них со·

Всеми этими способам и состав матрикса вл ия ет н а пове­

ставляют эпителии

дение кл еток

-

часто тех же самых, LJТO секрет ир уют его.

(epi t l1elia, singt1!a1· epith e liшn).

Клетки

в них рас п оложены бок о бок, формируя многокл ето LrJ-1ь1е

Эти рециг1рою1ые вза им одействия играют важную роль в

пласты , и соеди н е ны друг с другом. В 1-1 е которых случа­

диффере нцировке клетоrс Многое е ще предстоит узнать

ях этот пл аст состоит из многих слоев кл еток, наприм ер ,

о том , как клетк и ткут ковры и з молекул матрикса, и как

создаются и действуют химические метки, оставляемые на
этих издел иях .

в миогослоииом эпителии

(stratified

e pit!1 e liш11)

кожи.

В друг.их случаях об разуется пласт толщиной л ишь в однУ
клетку, как в одиослойиом эпителии (simple epitl1elit1m) вы·
стилки ки~.11 еLrни ка. Э пи телиаю, 11ые клетки разнооб раз ньr
по форме. Они могут бытъ в ытян утыми, цилиндрич ески ·
ми ; могут быть кубич ес кими; могут бып, плоскими, похо·

ВОПРОС20-З

А Протеогликаны несут на боковых цепях множество отрицатель­

rl' ных зарядов. Как изменятся свойства этих молекул, если отри-

8

624

цательные заряды не будут столь многочисленными?

жими на пл астинки ( РИС. 20-18). Внутри одного пласта все
клетки иногда похожи , а ино1·да опюсятся к раз 11ым т11пам­

Не которые эпители и (например, эпител ий кожи) служаr
просто за 1_цип1ы ми ба рьерами ; д ругие имеют сложные

биохимические функции. Некото ры е секретиру ют особы~
ве1.цества - гормоны, молоко или слезы, другие (э тт.итеJrИН

ГЛАВА 20. Многоклеточные сообщества : ткани, стволовые клетки и рак


•

••••

,

многослойный

однослойный

••• r.J.r-J ~
цилиндрический

''
\

базальная пластинка

кубический

соединительная ткань

плос к ий

РИС. 20-18. Клетки, формирующие эпителиальные пласты, могут

РИС.

соединяться по-разному. Представлены пять основных типов э пите­

сти. Базал ьная поверхность соприкасается с особым слоем вн еклеточ ­

лиев [на рисунке по казаны не основные т и пы э пителие в , а две их ос­

ного матрикса

новны х классифи ка ции
клеток.

-

-

дел е ни е по числу слое в клеток и по форм е

20-19.

Эпителий имеет апикальную и базальную поверхно­

-

базальной пластин кой, а апикальная поверхность сво­

бодная .

Прим . перев.].

кишечника)

-

всасывают питательные вещества. Третьи

воспринимают раздражители: свет

-

их число входит белок ламииии

(laminin), имеющий

сай­

слоем фоторецеп­

ты адгезии для интегринов, раслоложенных на мембране

эпителием, содержащим во­

клеток эпителия; таким образом, его роль в прикрепле­

Jtосковые клетки внутреннего уха. Несмотря на большое

нии клеток к межклеточному веществу аналогична роли

число разновидностей, практически все эпителиальные

фибронектина в соединительных тканях .

торов сетчатки глаза, звук

-

ткани животных имеют общие особенности строения.

Аттикалы-~ая и базальная поверхности эпителия раз­

Объединение клеток в эпителии так широко распростра­

личаются по составу молекул, что обусловливает поля­

liено, что кажется само собой разумеющимся. На самом

ризован н ую внутреннюю организацию отдельной клетки

деле, как мы еще увидим, для него требуется набор специ­

эпителия. У каждой из них есть вершина и основание с

аль,-rых устройств, сходных для разных типов клеток

Эпителии покрывают поверхность тела и выстилают
все его внутренние полости. Вероятно, они возникли на

эпите­
лиальные

Ранних этапах эволюции многоклеточных животных. Их

клетки

Роль для организма животных очевидна. Клетки, объеди­

ненные в эпителиальный пласт, создают барьер, имеющий
то же значение для многоклеточного организма, что и
11
Jtазм:алемма для отдельной клетки. Этот барьер удержи­
вает некоторые молекулы внутри тела, а д ругие - снару­
)!(и; он поглощает питательные вещества и выделяет про­
дукты обмена; в нем находятся рецепторы для восприятия
сигналов из окружающей среды; он создает защиту от по ­
терь жидкости и проникновения болезнетворных микро­

базальная
пластинка

организмов.

Эпителиальные клетки поляризованы
и лежат на базальной пластинке

колла ге новые

фибриллы

Э11йтелиальный пласт имеет две стороны: апикальная

(apica]) поверхность свободна и соприкасается с воз­
духом или омывается жидкостью; базальная (basal) по13ерхность соприкасается с какой-либо другой тканью,
'tаще всего с соединительной , к которой она прикреплена

(Рис. 20-19). Под базальной поверхностью эпителия нахо­

дl1тся тонкий, плотный слой внеклеточного матрикса -

~аз~з1ьная пластиюса, или базальная мембрана (basal

1

ain ina) ( РИС. 20-20), состоящая из особой разновидности
< 0 лзrагена (коллаген IV тила) и других макромолекул. В

РИС.

20-20.

Базальная пластинка лежит под слоем эпителиаль­

ных клеток. С канирующая эле ктрон н ая микрофотография базальной
пластинки хрусталика кур иного эмбриона . Н екото ры е э пител иальны е
клетки удалены ; видна н а руж ная поверхность базальной пл асти н ки,
напоминающе й коврик, с пл ете нный из белков ,

-

коллагена

IV

ти па

и л аминина . С еть из волокон других коллагенов в подл ежащей со­
единительно й ткани взаимодействует с нижней стороной пл астинк и .
(С разрешения

Robert Trelstad.)

Эпителиальные пласты и межклеточные контакты

625


ПР ОС В ЕТ
КИ Ш Е ЧНИ КА

няющих друг с Jtpy,-oм и с базаль1-1ой мембра н ой кл етки

бокал овидные
(секретирующие сл изь)
клетки

э 11ителиалыюго пласта.

ти ко 11 такты связа 11ы с ко11тро ­

лем расположения и сбо рки сложноi,i систем ы свя за1-11-1ых
с мембраной внутрикл ето ч11ы х белков, у правляющих п о­
ляризован11ой организацией цитоплаз м ,,,.
микро­
ворсинки

Плотные контакты препятствуют прохождению
веществ между клетками эпи телия и разделяют их

на апикальную и базальную поверхности
Можно раздел ить межклеточные ко1-пакты клеток эпите­
лия на ~, есколько категорий в зав исимости от их фу11кций .

Некоторые контакты предста вляют собой герметичные
швы ,

nр ед отвращающие

проникнов е ни е

мол е кул

ч е р ез

э пителиаль ный пл аст, сквозь просв еты между е го клет­

ками. Другие типы контактов обесл е trивают механически
проt11-юе соединение клеток . И 1-1 ако н е ц через контакты
может осуш:ествляться межклеточная химическая с игна­

лизация. В большинстве э пител иев присутствуют все эти
типы ( РИС. 20-22). В контактах каждого типа лрисутствует

всас ы ваю щи е клетки

специфичный класс м емб ра1-11-1ых белков, соединяющих

20-21. Функционально поляризованные типы клеток выстил­

клетки. Бар1,ер1-1ую функцию выпою,яют (у позвоноt1ньrх)

ки тонкого кишечника. Всасываю щие клетки, кото р ые п огл ощают п и­

плотны е контакты [в м1югочислениых работах показа ~IО,

РИС.

тательные ве щест ва из просвета кишечника, череду ются в его выстилке

что плотные коитакты и ,-омо;ю,-и клауд инов есть и умно­

с бокал овидными жел езистыми клетками (коричневые) , секретирую­

гих групп бесnоз воночных, а также у низ ших хо рдовых.

щими слизь. Всасываю щие клетки ч асто называют клетками со щеточ­

Прим . перев.] .

-

ной каемкой : на их апикальной п оверхности находится масса микро­

Эти контакты сшивают соседние клетки , и водорас­

ворси н ок, н а п оминаю щих щетку и сл ужа щих для увеличения п л о щади

творимые молекулы не могут свободно просачиваться

мембраны , через которую в клетку трансп ортируются мал ы е молекулы.

между ними. Если меч еное вещество добавляют по одну

Бокаловидные клетки приобретают свою бокаловидную форму из-за

сторону эпителиального п ласта,

массы секретор н ых пузырьков , растягивающих их апикал ьный участок.

проходят через плотны е контакты ( РИС.

(С разре ш ения

контакты состоят из белков 1<Лаудииов и окклюдииов, кото­

Springer-Verlag из: R. Krstic, Human Microscopic Anatomy.
Berlin: Springer, 1991 .)

ero

молекулы обычно не

20-23). П лотные

рые выстроены 13 полосы вдоль линий контакта и образу ют
швы между клетками. При отсутствии плотных контактов
всасывающая активносп,

раз ными свойствами. Это поляризова1-1ное ст рое1-1и е к ри ­

кл еток (например, в

нике) оказалась бы бесполезной

кишеч­

- состав вн е клеточиой

тически важно для функционирования эпителия. Рас­

среды оставался бы одинаковым по обе сто ро1-1ы э пи те­

смот рим

лиалы-юго пласта . В rл.

для

прим е р а однослойный

цилиндрический

эпителий, выстилающий тон1<ий кишечник млекопитаю­

11

уже говорилосr,, что плотные

контакты также и,-ра~от ключевую рол,, в поддержаниr,r

щего. Он состоит в основном из двух LJередующихся ти ­

поляри з ованного строе ния отд льных клеток э пител ия,

пов клеток: это всасывающие клетки, лог1ющатощие пи ­

причем двумя р азными 11 утями. Во - п е рвых , п; юп1ые кон ·

тательные вещества, и бокаловид11ые (названные так из­

такты, находящи еся на а пик аль 11ом крае каждой кле тю1 ,

за своей формы) железистые клетки, выделяющи е сл и зь,

препятствуют диффузии мембран11ых белков tre peз этот

которая

ки111еч1-1ика

у ч асток мембраны; в результате состав белков различается

за щищает

и

увлаж1-1я ет

выстилку

( РИС. 20-21 ). Клетки обоих типов поляризова1-1ы. В сасы ­

на апикальном участке м ембраны и на базаль ном (точнее,

вающие клетки поглощают молекулы пищи и з про света

базо -латсралы-юм

кишечника через апикальную поверх1-1ость , а затем выде­

э пителиях ттлоп-1 ы е контакты служат участками сборки

ляют их через базальную поверхность в кровь или лимфу.

ком плексов внутриклеточ1-1ых белков, уп равляющих али­

Для это ,-о н а их апикальной и базал ьной пов е р хностях

кал ,,но-базальной полярностью внут ренностей кл етки.

-

см. рис.

11 -34).

Во-вторt,rх, во м1-ю 1-нх

долж 1-1ы находиться разные н або ры м ембрааt1ых транс­
портных белков (см. рис.

12-17).

Бокаловидные клетки

тоже должны быть поляри зован ы , но иным образ ом: они
при званы синтези ровать слизь, а затем сек р ет иров ать ее

только на апикальной сто ро11 е (см. рис.

20-12).

Чтобы

Контакты, связанные с цитоскелетом ,
прочно соединяют эпителиальные клетки

друг с другом и с базальной мембраной

это обеспеLJИть, необходимо асимметричное строение и

Су ществует три основных ти11а контактов, которые удер·

расположение аппарата Гольджи , сек реторны х везикул и

живают эпителиальны е клетки вместе, ск ре пляя их м еха·

цитоскелета. Созда1-rие и поддержание поляризован rюго

~,ич ес ки. Адzезивные котпакты и деслюсомы соедн 11 яJ0f

ст ро ения

клетки эп ителия дру ,- с другом, а полудес.мосо.мы связыва-

626

зав и с и т

ГЛАВА

от

межюrеточных

контактов,

соеди-

20. Много клеточные сообщества : тка ни, ст воловы е клет ки и р а к


Функция
Скрепляют соседние клетки в

Плотные

эпителиальных пластах, препятствуя

контакты

прохождению молекул между ними

Соединяют актиновые

Адгези вные
п ромеж уто ч н ые

контакты

пучки соседних

(пояски адгезии)

клеток

фил а м е нты

Соединяют промежуточные филаменты

Десмосомы

соседних клеток

Образуют каналы , через которые из клетки

Щелевые

в клетку проходят малые водорастворимые

контакты

молекулы и ионы

Заякоривают промежуточные филаменты
клетки на базальной пластинке

Полулесмосомы

базальная пласти н ка

РИС .

20-22 .

Некоторые типы межклеточных контактов, присутствующие в эпителиях живот ­

ных . Пл отн ые контакты с п е ци ф и чны для э пител ия. О стал ьн ые т и п ы ко нтактов в моди ф и циро ва нны х
формах пр исутст вуют и в други х тка н ях .

пл аз м а л е ммы

о браз ующи х контакт клето к

меченое

веще ство

~ плотный
контакт
клетка

клетка

(А)
ск р е пл яю щи е кл ет к и

поло сы мол екул

бел ко в

-

кл а удин а

и о кклюди н а

тич ески й
моно сло й
липидн ого

(В )

б исл о я

0,3
РИС.

20-23.

м км

Плотные контакты позволяют эпителиальным пластам служить барьером для

диффузии жидкостей . ( А ) Н а схеме показа н о , что мечен ы е мол екулы, добавл е н ные с одной сто р о н ы
от э п ител иал ь н ого пл аста , не могут п р ойти сквоз ь пл отные ко н такты , ск ре пл яю щие соседн ие кл етки .

( Б) Электронн ы е микрофотографии кл еток эпители я , к кот орому добавл ена метка

-

н ебол ь ш ая в н е ­

клето ч на я молекула (темная окраска ) л ибо с а п икаль ной сторон ы (слева), л ибо с базол ате р ал ь н ой
стороны (справа); в обоих сл уч аях мет ка н е п роходит через пл отн ые ко нтакт ы . ( В) М одел ь ст рое ни я
пл от н ого контакта , демонстрирующая, как клетки скреп л яются бел ками кл ауди н ам и и оккл юди н ами
(зеленые) , встроен ны ми в н аруж ны й слой бисл оя п лазмал емм ы ( Б

-

с разре ш е н ия

Daniel Friend. )

Эпителиальные пласты и межклеточные контакты

627


нити

пла з малемма

цитоскелета

от остаJ 1ы-юrо п ласта. Э пителиальны е лвижения, гюдоб 11 ые 011иса111-1ым выше , играют оа.жную рол 1, в э мбриональ-

1 юм развитии. За сч ет ни х образуются такие структур ы ,

как 11е рв~1 ая трубка, даю щая н ачало це ~пралыюй не рв ной
системе (рис.

20-26,

Б), и зачаток хрусталика, превращаю ­

щий ся в хрусталик ,·лаза (рис.

В образовании десмосом

20-26, В).
(des1110s0111e)

участвуют мо­

лекулы других кадгеринов. В 11 утри клетrш 011и соед ин ены
с промежуто<111ь1ми филаментами , а имени о с кератинами,
из которых состоят пром ежуто<шые фил аменты э пители­

алы-1 ы х клетш< ( РИС. 20-27). Толст ые пучки похожих н а ве­
ревки кера.тиновых филаментов пересекают цитоп лазму
КЛЕТКА

КЛЕТКА

1

2

кл еток и , как ч ерез точечный сварной шов , соеди няются
ч е р ез десмосомные контакты с такими же филаментами

Молекулы кадгеринов обеспечивают прикрепление

соседних клеток. Такое их расположение обеспечивает

клеток друг к другу. Сходные молекулы кадгеринов , закре пленны е на

большую прочность э пителиального пласта на раз рыв.

плазмалемма х соседних клеток, связываются друг с другом во внекл е ­

Оно характерно для nро<rны х, исг,ы тывающих механи­

РИС.

20-24.

точном пространстве . Внутри клеток они при кре плены через лин ке рные

ч еское воздействие вне шн ей сред ы э пителиев, н апр имер

белки к нитям цитоскелета

э пиде рмиса кожи.

-

актину или ке ратину. Когда клетки сопри­

Волды ри служат болезне 1-1ным на.поми 1-1 анием о том,

касаютс я , кадгерин ы кон центри руются в участке контакта ( ВИДЕО 20.2).

<по для э п ителиаю,ных клеток недостаточ ио толъко проч ­
но ггрисоединяться друг к другу: он и должны заякоривать­

ют эпителиальные клетки с базальной мембраной. Все эти

ся на п одлежа щ их тканях. Как мы уже отмечали, заяко­

контакты обеспечивают механическую прочность сход­

ривание обеспе<швают и нтегри1-1ы на базальной стороне

ным способом, который мы уже разбирали на примере

nлазмалеммы клеток эпителия. Снаружи интегрины п ри­

соедю-rителъной ткани (см. рис.

соеди няются к белку в н еклеточно го ма.трикса лам инин у в

20-14,

В): молекулы, ко­

торые прикрепляются к <rему-либо вне клеток, прони зы­
вают мембрану и внутри клетки соединяются с п рочными
микроворсин к и

н итями цитоскелета. Таким путем цитоскелет ные воло ,ша

соединяются в общую сеть, тянущуюся из клетки в клетку

а ктиновые филаменты

на апикальной

в микроворсинках

поверхности

и объединяющую весъ э пителиалы-гый п ласт.
И адгезивные контакты, и десмосомы образуются
при у<Jастии трансмембранных белков семейства кадrе­
ринов

(cad herin).

Молекула кадгерина, пронизываю щая

мембрану од1юй клетки, непосредственно соединяется с
идентичной молекулой кадгерина в мемб ране соседней

КJ1етки (РИС. 20-24). Такое связыван ие п ОJ~об~юго с подоб­
ным н азывается го.л,юфшtыtым (hoп10pl1ili c) связ ыва нием .
В случае кадгери н ов для образования контакта требуется
также прису тствие во внеклеточной с р еде ионов кальция

(отс юда название этих белков).
В адrезивных контактах каждая молекула кадгери­
на в н утри

клетJ<и

плазма ­

леммы

св я зана через несколько линкер ны х

боковых

белков с актиновыми фил а.ментами. Часто адrезивны е

сто рон

контакт ы представляют собой непрерывный поя сок ад­

соседних

гезии, окружающий каждую из взаимодействующих кле ­

клеток

ток эпителия. Пояски расnоложе 11ы возле апикалъ н ых

эпителия

ко,щов клеток, 11рямо под областью плотны х контактов

( РИС. 20-25 ) . Через контакты соединяются между собой
актиновые пучки сосед 1-1их

клеток в пр еделах всего э пи ­

поверхно сть

телия. Актиновая сетъ может сокращаться, и это дает воз ­

клеток

можность э пи телиаль ном у пласту создавать натяжение и

приме <1ателы-1ым образом менять форму. При сок ращении

РИС.

апикал ,, ны х поверхностей клеток вдоль одной оси э пите­

имеют вид поясков адгезии, окружающих эпителиальные клетки ,

20-25. Адгезивные контакты в эпителии тонкого кишечника

лиалы-1ый пласт может свернуться и прев ратиться в труб­

Со к ратимые пуч к и актиновых филаментов вытянуты вдоль цитопл азма·

ку ( РИС.

20-26, А). Или , сокращая апикал1,.ную поверхность

тической сторо ны плазмалеммы возле а пи кального конца каждой клет·

одновремен,ю вдоль обеих осей, пл аст может образоватъ

ки. Пуч ки соседних кл еток соединяются друг с другом с помощью моле·

чашевидное впячивание, а затем пузырек, отделившийся

кул кадгерина, пронизывающих плазмапеммы клеток (см. рис. 20-24).

628

ГЛАВА 20. Многоклеточные сообщества: ткани, стволовые клетки и рак


РИС. 20-26. Эпителиальные пласты могут сворачивать­

пл ас т клеток э пителия

ся, формируя трубку или пузырек. (А) Схема , показываю­
щая, как сокра щение пучков актиновых филаментов соседних
ВПЯЧИВАНИЕ ЭПИТЕЛИАЛЬНОГО ПЛАСТА ,

клеток, связанных адгезивными контактами , может приво­
дить к суже ни ю апикальных ко нцов эпителиальных клеток . В

зависимости от того, происходит сокращение вдоль одной

ВЫЗВАННОЕ ОРГАНИЗОВАННЫМ

по яски адгезии и связанные

с ними актиновые филаменты

СОКРАЩЕНИЕМ ПОЯСКОВ АДГЕЗИИ

1

В ОПРЕДЕЛЕННЫХ ЕГО У ЧАСТКАХ

оси или равномерно во всех направления х , эпителий может
сворачиваться в трубку или впячиваться , формируя п узырек.

(Б) Формирование нервной трубки. Н а сканирующих элек­
тронных микрофотографиях п оказан поперечный срез через
тело двухдневного куриного зароды ш а. Ч асть эпителиально­
го пл аста, п окр ывающего тел о зароды ш а, после утолщения

l

свернул ась в трубку за счет а пи каль н ого сокращения и вскоре
отделится от пов ерхн ости , чтобы дать отде льную в нутр ен нюю

ЭПИТЕЛИАЛЬНАЯ ТРУ БКА ОТДЕЛЯ ЕТС Я
ОТ ВЫШЕЛЕЖАЩЕГО ПЛАСТА КЛЕТОК

структуру. (В) Формир ование хрусталика. Участок п оверх­
ностн ого эпители я, лежащий над зачатком сетчатки глаза ,
впячивается и отделяется в виде пузырька

- за чатка хруста­
- в н утри глазного бокала. ( Б - с разрешения Jean-Paul
Revel ; В - с разрешения K.W. Тоsпеу .)

лика

трубка из э пителия
(А)

(В)
нервная труб ка

базальной мембране. Внутри клеток они при крепляются
I< кератиновым филаментам, образуя структу ру, внешне
Напоминающую половинку десмосомы. Такие контакты
3
11Ителиальных клеток с лежащим под ними внеклеточ.1-!Ьтм матриксом называются полудесмосомы (hemidesmosoтnes) ( РИС. 20-28).

клеток тесно сближены и лежат стро го п араллель но друг
другу. Между ними видна очень узкая, шириной

2- 4 нм,

щель ( РИС . 20-29, А). Щелъ между мембранами пронизана
выступающими краями множества и дентичных белко­
вых комплексов, лежащих

в плазмалеммах двух сосед­

них клеток Эти комплексы, называемые 1С01-mе1Ссоиам.и
(conнexons), формируют каналы, проходящие ч е рез две

Щелевые контакты позволяют клеткам

плазмалеммы. Они соединяются конец в конец, так что

l1осдедний тип межклеточных контактов, присутствую­

примерно до

Обмениваться ионами и малыми молекулами

образуется узкий проход. Неорганические ионы и малые
водорастворимые молекулы

1000

(с

молекулярной

массой

Да) могут проход ить ч е рез канал из

tцих практически во всех эпителиях и во многих других
<анях, выполняет совершенно особые задачи. Это ще­
Jtевь1е контакты (gap junctions). В электронный микро­

му другой (рис.

Сl<оп они выглядят как участки, где мембраны соседних

Например, щелевые контакты между мышечными клет-

11

цитоплазмы одиой клетки непосредственно в цитоплаз­

20-29,

Б). Тем самым обеспечивается

электрическая и метаболич.еская связь между клетками.

Эпителиальные пласты и межклеточные контакты

629


РИС .

20-27.

Десмосомы соединяют кератиновые

белки семейства
кад гер инов

филаменты соседних клеток. (А) Электронная ми­

пла стинка в
цитопла зме,
состоящая из

внутриклеточных

крофотография десмосомы , соединяющей две клетки

за я коривающих

эпидермиса тритона. Хорошо видно прикрепление

белков

кератиновых филаментов. (Б) Схема строения десмо ­
сомы. На цитопл азматич еской сторон е плазмал ем­

мы каждой из взаимодействующих клеток находится
плотная пластинка , состоящая из смеси разных зая­

ко ривающих белков . К поверхности каждой пластинки
прикреплен пучок кератиновых фила ментов . Транс­

мембранные белки семейства кадгеринов связаны с
внешней стороной каждой пластинки и соединяются
сво ими внеклеточными домен а ми , скрепляя сосед­

ние клетки . (А- с разрешения

sity Press ИЗ о .

Е.

Kelly, J.

Се//.

The Rockefeller UniverBiol. 28: 51 -72, 1966.)
кератиновые

филаменты,

заякоренные на

_

цитоплазматическои

L_J
0,1 мкм

(А)

А Аналоги десмосом - фокальные адгезивные контакты, onи­
санные в гл . 17. С помощью контактов клетки также прикре-

rl'

межклеточное

пространство

пластинке
плазмалеммы
(Б)
взаимодействующих клеток

ками серд ца обеспечивают электрич ескую связь, что

ВОПРОС20 - 4

8

V

пляются к внеклеточному матриксу. Контакты преобладают

на фибробластах, но практически не встречаются на клетках эпите­

позвол я ет элект рическим волнам возбуждения быстро
распространяться по ткани. Эти волны возбужде 1-1и я за­
пускают координированное сок раще ни е клетоL<, обеспе­
чивая р е гуляриы е сокращения се рд ца.

лия . Точно так же десмосомы преобладают на эпителиальных клет­

Во многих тканях щелевые контакты открываются и

ках, но отсутствуют на фибробластах . Изнутри клеток к фокальным

закрываются в ответ на внеклеточные сигналы. Напри­

контактам прикрепляются актиновые филаменты , а к полудесмосо­

м е р , нейром едиатор дофамии с иижает проницаемостr, ще­

мам

промежуточные филаменты . Как вы думаете, почему фибро ­

левых контактов между определенными и ейро нами сет ­

бласты и клетки эпителия прикрепляются к внеклеточному матриксу

ч атки при увеличе11ии интенсив н ости света ( РИС. 20-30) .

по-разному?

Изменение прониц ае мости щелевых контактов меняет

-

карти н у элект рической сигнализации и позволяет сет­
чатL< е п ер екл юlt аться с исполт,зова ния пало ч ек, хо роших

детекторов слабого света, на L<олбочки, с пособные разли­
кератиновые

фила менты

плазмалемма

чать цвета и тонкие детал и изображения при ярком свете .

базальной стороны

Как это ни ст ранно , р астител ьны е ткани , в которых

эпителиальной клетки

отсутствуют все р а н ее описанные типы контактов , им еют

фу нтщионал ы-rъrй а н алог щелев ы х контакто~з. Цитопл аз ма

сосед ни х растител ьны х клеток сооб щается Lre peз тонкие
L<ан а.111, цы, которые Nаз ываются плазмодесмы

des111ata); они

(plasino·

прони з ывают соприка саю щи еся клеточ ные

стенки ( РИС. 20-31 ). В отличие от щелевых контактов,
п лаз модесмы

молекулы

------------t

интегринов

базальная
пластинка

РИС.

20-28.

Полудесмосомы прикрепляют кератиновые фила­

менты эпителиальных клеток к базальной пластинке. Эту связь
обеспечивают интегрины .

630

-

это цитоплаз матически е каналы , ограни·

ВОПРОС20-5

А Щелевые контакты - динамические структуры. Как обычные

rl' ионные каналы, они имеют воротный механизм и могут за-

8

крываться при обратимых конформационных изменениях в

ответ на изменения условий в клетке. Например, проницаемость
щелевых контактов падает в течение нескольких секунд после по­

вышения внутриклеточной концентрации ионов кальция . Как вы

думаете, почему эта ответная реакция может быть важна для под ­

держания ж изнеспособности ткани?

ГЛАВА 20. Многоклеточные сообщества : ткани, стволовые клетки и рак


маленький

мембраны
кру п ный
щелевой контакт

мембра н ы

щелевой

взаимодействующих

вза им одействующих

клеток

клеток

канал

д и аметром

1,5 нм

щел ь

шириной

2-4

нм
к онн ексон ,

два со п рикасающихся

состо ящий из шести

конн е ксо н а образуют

субъед иниц

ка н ал, напрямую

соединяющий две клетки
(Б)

100
РИС .

20-29.

Щелевые контакты

-

НМ

каналы , напрямую соединяющие соседние клетки и позво -

ляющие им обмениваться сигналами. ( А ) Электронная микрофотография тонкого среза , на котором
виден щелевой контакт (красные стрелки) между дендритами (Д) двух нейронов в неокортексе мыши.
(Б) Модель щел евого контакта . На схеме п оказа н ы плазмал еммы двух взаимодействую щих клеток.
Сближе н ные фосфолипидные бислои (красные) прониза н ы белковыми комплексами

-

коннексонами

(зеленые). Сч итается , что каждый коннексон состоит из ш ести иденти ч ных белковых субъединиц . Два
коннексона соединяются во внеклеточном простра н стве, формируя соединяющий две клетки водный
канал . (А

-

из

Atlas of Ultrastructural Neurology, http:// synapses .clm.utexas.edu/atlas/ 1_7_4.stm.)

ч енные плаз малеммой. Таким образом , у расте ний , строго
говоря , цитоп лазма всех клеток сообщается . Ч ерез ттлаз­

Модес мы могут прох од ить ионы , малые моле r<ул ы и даже
Макро молекулы (некоторые белки и микроРНК) . Ре гул и­

десмотрубочка

РУемый тра11спорт факторов тра 1-1 скрипции и з од ной клет-

1<11

гл адкая

в д ругую играет важну ю роль в раз витии растений.

эндо пл азматическая
ц итозол ь

сеть

стенк и сосед н их

плазматическа я мембрана , клеток расте н ия

в ыстилающая плазмодесму

и соединяющая две соседние клетки
до воздействия
дофа м и н а

(Б)

посл е воздействия
дофамина

РИс. 20-30. Внеклеточные сигналы могут регулировать прони­
цаемость щелевых контактов. (А) Нейрон сетчатки кролика , в кото­
Рый введен краситель Люцифер желтый, свободно проходящий через
Щелевые контакты. Краситель метит нейроны того же типа , связанные
с окрашенной клеткой щелевыми контактами . (Б) Перед введением

Люцифера желтого на сетчатку подействовали дофамином . Видно, что
воздействие дофамина резко снизило проницаемость щелевых контак­
тов . (С разрешения David Valey.)

(Б)

(А)

РИС.

L_j
100 нм

20-31.

Растите л ьны е клетки соединены плазмодесмами.

(А) П лазмодесмы пронизывают клеточные сте н ки растительных клеток
и соединяют внутреннее содержимое всех клеток растения . (Б) Каждая

плазмодесма ограничена п лазматической мембраной , общей для двух

сообщающихся клеток . Обычно плазмодесма содержит труб ч атую
структуру

-

десмотрубочку, производное гладкой эндоплазматиче­

ской сети .

Эп ителиаль н ы е пла сты и м ежклеточные ко н та кт ы

631


ПОДДЕРЖАНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ ТКАНЕЙ

Хотя

строение

тела

взросло г о

животного

может

И ИХ САМООБНОВЛЕНИЕ

быть чрезвычайно сложным, оно образуется благодаря
огра н иченному набору вариантов активности клеток.

Невозможно nонять организацию тканей, не задавшись

пр едыдущи х главах этой книги . Клетки растут, делятся

Примеры всех видов активности клеток рассмотрены в
вопросом, как возникают эт и уд ивительно упорядоченные

и умирают. Они об р азуют механические связи и генери­

структуры. Ответ на него приводит к одному из наиболее
старых и фундаментальных вопросов всей биологии: как

включая и выключая продукцию определенного набора

из оплодотворенной яйцеклетки возникает сложиый мно­

белков. Они образуют сигналь ные вещества, влияющие

гоклеточный организм?

на соседние клетки, и сам и

В процессе развития,

в результате повторяющих­

10

отвечают на сигналы сосе­

дей. Они запоминают воздействие р анее полученных

в теле

сигналов, поэтому могут приобретать все более и более

ООО ООО ООО ООО. Все они содержат

сп е циализированные признаки, двигаясь по избраиному

ся делений яй цеклетки, возникает клон клеток

человека их около

руют силы для передвижения. Они дифференцируются,

-

одинаковый геном, но по-разному дифференцированы.

ими пути. Ге ном , одинаковый во всех клетках, определя­

Такой клон может иметь разное строение. Он может при­

ет правила, по которым вступают в игру все эти формы

нять форму маргаритки или дуба, морского ежа, кита или

активности. Хотя в каждой клетке геном действует п о­

мыши ( РИС. 20-32). Принимаемая форма дете рминируется

свое му, в цело м он управляет всем сложным проц ессом

геномом, заложенным в яйце. Линейная nосл едователь­

развития многоклеточно го организма из оплодотворен­

ность нуклеотидов А, Т,

ного яйца. ВИДЕО

Gи

С в ДНК управляет образо­

1. 1, 20 .3 и 20.4 демонстрируют некото­

вани ем множества различных типов клеток, в каждом из

рые примеры того,

которых эксnрессируется определенный набор генов, и

дрозофил ы и рыбки данио .

детерминирует образование точной, сложной трехмер 1-юй

как

прои сходит

развитие лягушки,

Задача биологов, изучающих развити е , состоит в том,

чтобы объяснить в терминах, описывающих активность

структуры организма .

клеток, всю цепь взаимосвязанных событий , пр иводящих
к появле нию взрослого оргаиизма из яйца. Мы не пыта­
емся сделать это в данной к ниге, несмотря на то что мно­

гие этапы такого пр оцесса сейчас понятны: для этого нам
не хватит места. Но те же варианты активиости клеток,

комбинация которых создает организм в ходе развития,
осуществляются и в теле взрослого организма. В н ем по ­
стоя нно появляют ся новые клетки, прич ем процесс этот

строго контроли руется. Именио такой более частный про­

цесс мы и разберем, сосредоточившись на поддержании
организации тканей позвоночны х.

Ткани состоят из смеси многих типов клеток
(Б)

Хотя специализированные ткани нашего тела различают­

ся во многих отношениях, у всех них есть некото рые базо­
вые потребности. Обычно они обеспечиваются наличием
смеси разных типов клеток, как показано на РИС. 20-33
на примере кожи . В этой главе уже говорилось, что всем

тканям требуется механическая прочность, и часто ее обе­
спечивает подстилающий слой или сеть из соединитель­

ной ткани, населенной фибробластами. Сеть капилляров,
выстланных .клетками эндотелия, обеспечивает эту ткань
кислородом и питатель ными в еществами , удаляет из нее

вредные продукты обмена. Большинство шаней иннер­
вированы аксонами нервных клеток, а аксоны ок ружают
(Г)

РИС.

20-32.

Геном яйцеклетки определяет структуру развиваю­

шванновски е
изоляцию

клетки,

[мембрана

обеспечивающие
аксонов

электрическую

пре1<расный изолятор,

-

так что роль шванновских клеток иная: они ускоряют

-

щегося из него клона клеток. (А , Б) Из яйце клетки морского ежа раз­

проведение нервных импульсов.

вивается морс кой еж. (В, Г) Из яйце клет к и мыши развива ется мышь .

фаги убирают остатки погибающих клеток и другие не­

(А

David McClay; Б - с ра з решения М. Gibbs, с раз­
Oxford Scientific Films; В - с ра з решения Patricia Calarco, из
G.Martin , Science 209: 768- 776, 1980, с раз решения AAAS; Г - с раз­
реш е ния О . Newman и Oxford Scientific Films. )
-

с разр еше ния

решения

632

Прим. перев .]. Макро­

желател ьные частицы, а лимфоциты и другие лейкоциты

борются с инфекциями. Большинство типов клеток воз­

никают не внутри данной ткани, а проникают в нее либо
на р анних стадиях ее развития (клетки эндотелия сосудов,

ГЛАВА 20. Многоклеточные сообщества: ткани, стволовые клетки и рак


(А)

(Б)
рыхлая - [ ~

r

соединительная

, -t-- + - -1-- L

ткань дермы

чувствительные
нервные волокна
кровеносные
сосуды

аам,т

1.

~~-.,_.;и,..&:.О.1

" ' ' [ .......
.· •

100

мкм

воло к но

клетка Лангерганса
макрофаг
(Участвует в иммунном ответе)
РИС.

20-33.

фибробласт

лимфоцит

клетка эндотелия ,

формирующая стенку капилляра

Кожа млекопитающего состоит из смеси разных типов клеток. (А) Схе ма клеточного

строения в сех слое в кож ного по к ро ва . (Б) Световая ми крофотография поперечного среза чер ез ступ­
ню челов ека . О к раска ге м ато кс илином и зо з ином . Видн о, что кожа - к рупны й орган , состоящи й и з двух
ос новны х ткане й : н а ружной э пителиальн ой, или эпидермиса
тельно й, или д ермы

(dermis)

(epidermis) и

л ежаще й глубже со едини ­

(у ж ивотных и з нее изготавливают к ожа ные изделия). Под дерм ой л ежит

сло й подк ож но й ж ирово й т ка ни , или гиподермы

(hypodermis) . Каждая и з этих ткан е й со стоит и з р аз ны х

типов клето к . Дерма и под кожна я ж ировая тка нь богато с н абже ны сосудам и и н е рвными вол окнами .
Н екото ры е н е рвны е в ол окна прони ка ют в э пидермис .

аксоны нервных клеток и шванновские клетки), либо в те­
чение всей жизни (макрофаги и другие лейкоциты) . Этот
сложный <<аппарат поддержки ~ нужен для поддержания
)(,изнеспособн ости основных клеточных типов ткани: со­
кратимых клеток мышц, секреторных клеток желез или

МЕЖКЛЕТОЧНАЯ
1 КОММУНИКАЦИЯ

l<роветворных клеток красного костного мозга.
Таким образом, почти все ткани - это сложная смесь
Разных типов клеток, которые должны сохранять свои
Различия, хотя и обита.ют в одной и той же среде. Более
того, почти во всех тканях взрослого организма клетки по­
с·гоянно умирают и замещаются новыми . В этой сумятице
замещения клеток и обновления ткани должна сохранять­
ел ее организация. Требующуюся стабильность обеспечи­
вают три главных фактора ( РИС. 20-34).

2

3

ИЗБИРАТЕЛЬНАЯ
АДГЕЗИЯ КЛЕТОК

КЛЕТОЧНАЯ

ПАМЯТЬ

1· Межклеточная коммуникация: каждый тип специ­

а..Jrизированных клеток постоянно следит за своим
окружением, воспринимая сигналы соседних клеток

РИС.

и, в свою очередь, влияя на их поведение . Фактически

организацию тканей.

20-34.

Три ключевых фактора, поддерживающих клеточную

Поддержание целостности тканей и их самообновление

633


даже само выживание болыни н ства клетоl( зависит от
таких ~ социальных>> сигн алов (см . rл.

16). Подоб 1 юе

общеt1ие клеток гарантирует, что новые клетl(и будут
появляп,ся и выж ив ать тольl(О там и тогда, где и 1(0Гда

это н еобходимо.

2.

Избирательная

поте ря воды организмом, характерные для острой луlrевой

болезни.
Яс 1-ю, что должен существовап, механизм, который

в норме ура 1товешивает образование и потерю клетоl( в
на

теле взрослого животного. Раковые заболева н ия возника­

плазмалемме разных типов клеток находятся раз ные

клеточная

адгезия:

посколы<у

ют при отказе этого меха 1-1 и зма ко 11 троля, когда начинается

I<адrерины и другие молекулы адгезии, клетки LJacтo

и збыточное размн ожение клеток в самообновляющихся

избирательно склеиваются (при п омощи гомофиль­

тканях. Чтобы понять причину таких заболева ний, важно

ного сшrзывания) с другими клетками того же типа.

разобратr,ся в нормальном процессе самообновления тка ­

Кром е того они могут избирательно лриl(репляться

н ей, который t1арушается при раке.

к 1-1екоторым дру гим типам l(JJeтoк и

1< сп ецифич ным

I<омпоне нтам внеклетоlrного матрикса. Селектив н ость
адгезии предотвращает хаотичн ое сме ши вание клеток
разных типов внутри тка ни .

3.

l(ИШ чника , из-за чего возниl(ают с и ль ней шая диарен и

Клеточная память: каI< обсуждалось в гл.

Стволовые клетки

-

постоянный источник

терминально дифференцированных клеток

клетки

Многие дифференцированные клетки, иуждающиеся в

могут длитель н о сохранять паттери геt1ной экспрес ­

постояниой замене, сами не могут делиться. К ним отно­

8,

сии, вызванный воздействием оттреде11 енных сигналов

сятся , например, эритроциты, клетки верх 11 их слоев э пи ­

в ходе эмбрионального развития. Поэтому клеткам

дермиса, всасываю щи е и бокаловидные клетки эпителия

свойственно авто н ом н ое поддержание своих особых

кишечника. Такие клетки называют термииа;~ыю диффе­

свойств и способность п ередавать их потомству. При

реицироваииы.ми (teгmiпally diffeгeнtiated): они уже зако н­

делении фибробластов об разуются фибробласты, при

чили свой путь раз вития .

делении клеток эидотелия

-

клетки эндотелия, и т. д.

Этот принцип (с уточнениями, которые мы разберем
ниже) , сохраняет разнообраз ие типов клеток в ткани.

стволова я клетка

Различные ткани обновляются с разной скоростью
Клетки разных тканей чрез вычайно сильно различаются

по скорости и характеру обновления. В одном крайнем
случае большинство нервных клеток существуют без за­
мещения в течение всей жизни организма. В другом край­
нем случае

-

клетки выстилки

кишечника замещаются

за несколько суток. Между этими вариантами лежит весь

спектр темпов и типов замеще ния клеток и обновления
тканей. Например, замеще 1-1 ие костной ткани у человека
происходит примерно за десять лет, причем замеюrются

и клетки , и матрикс: старый костный матрикс медленно
« подъедают,> клетки-остеокласты (родственню<и макро­
фагов) , а новый матрикс откладывают клетки другого

типа, остеобласты (родственники фибробластов). Новые
эритроциты у человека постояш-JО образуются в красном
костном мозге (из е ще одного типа 1<летоl() и высвобожда­
ются в кровяное русло, отк у да они выходят и разрушаются

через

120 дней.

д е лящи ес я
клетки-предшественницы

В коже наруж ные слои э пиде рмиса посто­

яано слущиваются и замещаются за сч.ет деления клеток

нижних слоев, так что эпидермис полностыо обновляется
прим ер1-10 за два месяца, и та!( далее.

Наша жиз нь зависит от нормальных процессов за­
ме щ е ния клеток. Большая доза иони з ирующей радиации

блокирует делеиие клетоl(, останавливая обновление тка­

терми н ально

дифференцированные
клетки

ней: при этом за несколr, 1<0 дней гибнут клетки выстилки

ВОПРОС20 - б

А Поч е му ионизирующая радиация останавл и вает деление

rl' клеток?

•
634

РИС. 20-35. Когда стволовая клетка делится, каждая из дочерни"
клеток может либо остаться стволовой , либо вступить на путь, ве·
дущий к терминальной дифференцировке. Термин ально дифферен·
цированные клетки обычно развиваются из клеток-предшественниц,
кото ры е перед дифференцировкой делятся ограниченное число раз .

ГЛАВА 20. Многоклеточные сообщества : ткани, стволовые клетки и рак


направление
миграции эпителиальных

ПРОСВЕТ КИШЕЧНИКА

клеток от их рождения

на дне крипты до гибели

ворсинка

на вершине ворсинки

(ее клетки

(время перемещения

не делятся)

у человека

- 3- 6

суток)

эпителиальные
клетки

всасывающие
клетки

- - -- .

с щеточной

каймой

рыхлая
соединительная

слизистые

ткань

бокаловидные ~-~
клетки

нап~=:~=~~=

клеток

о

!

неделящиеся
терминально

дифференцированные
клетки

дифференцированные

••ж--- секреторные

,-.......,.iJ,f11;rm,_..;~

клетки

клетки-предшественники

стволовые клетки

(Б)

100

мкм

неделящиеся терминально

дифференцированные
секреторные клетки Панета

РИС. 20-36. Клетки выстилки кишечника постоянно обновляются во взрослом организме.
(А) Фотография среза части выстилки тонкого кишечника млекопитающего. Видны ворсинки и крипты.

Слизистые бокаловидные клетки (окрашены в красный цвет) чередуются в эпителии ворсинок с вса­
сывающими клетками с щеточной каймой . В составе эпителия присутствуют также немногочисленные
секреторные клетки други х типов

-

энтероэндокринные клетки, секретирующие кишечные гормоны

(на препарате не видны) и клетки Пан ета , секретирующие антибактериальные белки ; они образуются
из тех же стволовых клеток . (Б) Схематичная картина обновления клеток и деления стволовых клеток
в эпителии , формирующем выстилку тонкого кишечника млекопитающего. Все дифференцированные

клетки имеют ограниченную продолжительность жизни . Они погибают, вступая в апоптоз , и постоянно
замещаются потомками стволовых клеток . Как будет объяснено позже , разделение на клеточные по­
пуляции кри пт и ворсинок , видимо , контролируется сигналами от окружения крипт, которые поддержи­

вают их клетки в пролиферирующем состоянии.

Замена терминально дифференцированных клеток
11 Роисходит

за счет популяции пролиферирующих клеrпо1,­
nредшестве1-mиков (prolife гating prec шsor cells), а их про­
изводят не многочисленные делящиеся стволовые клетки

(stem cells). И стволовые клетки, и пролиферирутощие

клетка может либо остаться стволовой, либо вступить
на н еоб ратимый путь, ведущий к терминальной диффе­
ренцировке и обычно втопочающий н есколько делений
клеток-предшественников ( РИС . 20-35). Роль стволовых

клеток и ~<леток- предшественниц, таким образом, заклю­

){JJ ещи -предшественники сохраняются в тканях наряду с
д11ффе ренцированными клетками. Стволовые клетки не

чается не в вьшолн ении разл ичных функций д иффе р е н ­

ЯВJiятотся терминалы-ю дифференцированными и могут
деJtиться неограниченно долго ( по крайней мере в тече­
}tие жизни организма). Однако после деления стволовой

будут эти функции выполнять . Стволовые клетки обычно

101

но идентифицировать. Хотя стволовые клетки взрослых

етки ее потомки становятся перед выбором: до ч ер няя

цированных клеток,

а

в

производств е тшеток,

которы е

присутствуют в ткани в небольших количествах и имеют
ничем не приме чател ьную вн ешность , так что их труд­

Поддержание целостности тканей и их самообновление

635


ВОПРОС20 - 7

А Как вы думаете, почему скорость обновления клеток выстил­

rl' ки

8

кишечника так велика, а большинство нейронов живет

столько же, сколько сам организм?

тканей не дифференцированы терминально, обычно они
специализированы: в нормальных условиях в них посто­

янно экспрессируются определенные наборы регуляторов
тра1-1 ск рипции , поэтому они производят нужные для да н ­

ной ткани разновидности клеток-потомков.

Картииа обновления при участии стволовых клеток
варьирует от одной ткани к другой. Например, в выстилке
тонкого кишечника всасывающие и секрето рны е клетки

(как образующие слизь бокаловидные клетки, так и неко­
торые д ругие типы секреторных клеток) формируют еди­
ный однослойный эп ителий, покрывающий пов ерх ность
пальцевидных

выростов, торчащих в просвет кишки,

-

ворсинок. Этот эпителий составляет одно целое с э пите­

-

РИС.

20-38.

В крови циркулирует множество типов клеток, потом·

выемок, погруженных в подстилающую со­

ков одного типа стволовых клеток. На этой сканирующей электрон­

един ителы-rую ткань. Стволовые клетки лежат в глубине

ной микрофотогра фии более крупные сферические клетки с неров­

лием крипт

крипт. Новые всасывающие и секр еторные клетки
томки стволовых клеток

-

-

по­

начинают дифференцировать­

ся в криптах. Большинство дифференцирующихся клеток

движутся вверх, к ворсинкам, за счет бокового перемеще­

ной поврехностью

- лейкоциты; более мелкие , гладкие , уплощенные
- эритроциты (С р азре шения W.H . Freeman and Company из:
R.G . Ressel abd R.H. Kardon , Tissues and Organs: А Text-Atlas of Scanning
Electron Microscopy. San Francisco: Freeman, 1979.)
клетки

ния в плоскости эпителиального пласта. В конце концов

они достигают свободной поверхности ворсинок . На кон­
цах ворсинок клетки погибают и слущиваются, попадая в

слое и прикрепляются к базальной пластинке. Дифферен­

просвет кишки ( РИС.

цирующиеся клетки перемещаются к поверхности в на­

20-36).

Противоположный пример представляет собой э пи­
дермис. Это многослойный эпителий, и его стволовые

клетки и клетки-предшественницы ~1аходятся в базальном

правлении, перп ендикулярном плоскости эпителиаль ного

пласта ( РИС. 20-37).
Часто единственный тип стволовых клеток дает на­
чало нескольким разным типам диффер енцированных

клеток-потомков. Например, стволовые клетки кишеч­

ного эпителия поставляют всасывающие клетки, бока·

,.

КЛЕТКИ
СЛУЩИ ­
ВАЮТСЯ

ловидные клетки и н есколько других типов секреторньrх

клеток. Яркий прим ер такого явления

-

образование кле­

ток крови, или гемопоэз. Все типы дифференцированных
клеток крови

-

и эритроциты, п ере но сящие кислород , и

множество типов лейкоцитов, борющихся с инфекциями
( РИС. 20-38), -

ЭПИДЕР­
МИС
(эпителий)

ствует в красном костном мозге ( РИС. 20-39).

ДЕРМА
(соедини

КЛЕТКИ
ДЕЛЯТСЯ

тельная

ткань)

исходно возникают из общей гемопоэти­

ческой стволовой клетки; поп уляция таких клеток суще­

Длs~ поддержаниs~ популs~ций стволовых клеток
служат специальные сигналы

,
fo-30

МКМ-+!

базальная
пласт инка

делящая ся клетка
базального слоя

Каждую систему стволовых клеток нужно контроли·

ровать, чтобы обеспечить образование новых клеток в
Эпидермис обновляется за счет стволовых клеток ,

нужных местах и в необходимых количествах. Контроль

лежащих в его базальном слое. Базальный слой соде ржит смесь

осуществляется с помощью молекулярных сигналов, ко·

стволовых клеток и делящи хся клеток- предше ствен ниц , образующихся

торыми обмениваются стволовые клетки, их потомки и

из стволовых. При выходе из базального слоя клетки перестают делить­

окружающие ткани. Эти сип,альные вещества и биохи·

РИС.

20-37.

ся и дифференцируются по мере продвижения к поверхности эпидер­

мические пути, че р ез которые они действуют, относятся

миса . Затем они претерпевают особую форму клеточной смерти: ядро

к удивительно небольшому числу семейств. Существует

распадается, а вся клетка сжимается и формирует уплощенную пла­

около полудюжины основных сиг~iальных механизмов,

сти н ку, за полн енн ую кератин ом . Впосл едствии пластин ки слущиваются

некоторые из которых мы подробно разбирали в гл. 16.

с поверхности тела .

Все они в разных комбинациях используются вновь И

636

ГЛАВА 20. Многоклеточные сообщества : ткани, стволовые клетки и рак


вновь, как в э м б ри он алы1 ом развитии , так и в вз р ослом
о р га ~1 изме , вызывая р аз ны е реакции в зависимости от
с ит уа ц ии.

Почти все семейства сигналь ных м олекул участвуют в
п одде ржани и слож ной си сте мы стволовых клеток, такой,
нап р и ме р , как в ки ш ечнике. Так, оди н и з классов сигн аль­

ны х молекул

-

белки

Wnt (Wnt

pгote ins )

-

служат для

сигнальный
путь

Уде ржан и я стволовы х клеток и rшеток- пр едш ест ве 1-11шц

Wnt

не

действует :

У основания каждой ю-lш еч1-юй крип т ы в пролифе риру­

клетки не

ющ е м состоянии. В этих участ ках клетки и секр етируют

делятся

белки Wнt, и экспресс ируют ре цепторы к ним. В ероятно,
че рез меха ни з м п олож ительной обратной с вязи они л од­
держ ивают свое деление ( РИС . 20-40) . Одновр е м е нно те
же клетки выделяю т дру гие сигн альн ые в ещества, ко то­

ръrе действуют на большем расстояни и и предотвращают

а1пи ва цию пути

Wnt в не

кри пт. Клетки внутри крипт об­

ме ниваются дру г с д р у го м и д ру гими р аз н ыми с и г н алами,
1 <онтр олирую щими

с м е щ ен ия

их диве рсифи ка цию, в результате чего

кл е т ок

сигнальный путь

Wnt действует:
клетки делятся

Т-л и мф о ц ит
ст в олов а я
кл ет ка

В -л им фоци т

РИС.

J

20-40. Сигнальный путь Wnt участвует в контроле образова ­

ния дифференцированных клеток из стволовых клеток в кишечни ­

~ эозинофил

ке . С и гн ализа ция с п омо щью Wnt п одцерж ивает п ролифера цию клеток

~

в кри птах , где находятся стволо в ые кл етки и их п отомки , коммитирован ­
ные к развит ию в раз ны х на п равл ения х.

базоф ил
одни становятся всасывающими, а другие

-

секр етор н ы ­

ми клет ками.

rем оп оэтическая

~.-.~z

ней тр оф и л

Отказы этих сиг нальных механизм ов вызывают нару­
шения структуры кишечного э пител и я. В частности, как

стволовая клетка

мы ув идим, нару шен и я сигналь н ого пу ти Wп.t у ч еловека

связаны с наиболее рас простра н енн ыми формами рака ки­
ш ечника.

~-

Стволовые клетки можно использовать

тромбоциты

для восстановления поврежденных тканей

о

Поскольку стволовые клетки могут постоя нно раз мно­
жатъся и дают д иффе ренцмроваиных потомко в , о н и уча ­
ствуют не только в постоя нно м об новле нии но рмалыrых

~ эритроцит

тканей, но и в восстановлен ии повреждений после трав м.

На пр и ме р, пересадив несколько гемопоэт ических стволо­

Рис. 20-39. При делении гемоnоэтических стволовых клеток об­

в ых клеток м ыши, чьи собственные стволовые клет ки кро­

ви б ыли уничтожен ы облу чен ием, можно полн остью вос­

Разуются стволовые клетки и клетки - предшественницы (не nо1<азаны) , которые размножаются и дифференцируются в зрелые
l<riетки крови , циркулирующие в кровяном русле . Макрофаги, при­
СУтствующие во многих тканях тела , и остеокласты , разрушающие кост­
нь~ й матри кс , происходят от общих п редшественников (их же потом ки и не которые другие ти п ы тканевых клеток , не показанные на схеме ) .
Мегакариоциты дают начало тромбоцитам ( ВИДЕО 20 .5). На разных
этапах этого пути дифференциров ки клеток действует большое число
Разных с игнал ьных молекул , контролирующих образование клеток каж­

тканей взрослого о р га низма. Но еще большие надежды

дого ти па и сохране н ие нужного ч исла стволовых клеток.

возлагаются на д ругой т ип стволовых клеток, первона-

ста н ов итъ популя цию клеток кр ови ж ивот ного и с пасти

его от сме рти из-за анеми и и инфек ций. Сходный подход
ис пользуется при ле ч ен ии у л юдей лей ке ми и с по м о щ ью

облу чени я или применения ц итотокси ческих пре п аратов
с п оследующей пересадкой костного мозга.

Не исюпоч н о, что для восстановле ния тканей можно

будет исп ользовать стволовые клетки, взятые прямо из

Поддержание целостности ткане й и их самообновление

637


чально обнаружен ных благо1щря опытам 1-!а мышах. Из

п огибшие 11 ерв 1-1 ые клетки у больных паркинсонизмом,

ранних эмб рионов мышей можно выделить в культуру

клетки, секретирую щи е и li сулин ( они ПОL' ибают у больных

особый класс стволовых клеток

диабетом

-

эмбриональные ство­

ловые клетки , или ЭСК (einb ryo пi c

или

I типа),

и кардиомиоциты, гибнущие в результа­

ES

те инфаркта миокарда. Возможно, в один прекрасный де нь

При подходящих условиях эт и клетки могут бес­

удастся даже вырастить и з ЭСК целые орt-а 11ы, заставив

КО!i е ч:но долго разм н ожаться в культуре, сох раняя н еогра­

их повторить пут 1, эмбрион а.11 ьно1:о развития [сейчас с ис­

cells).

stern cells,

ниче1шые сл особ н ости к диффере !iц ировке; такие клетки

п ользованием стволов ых клеток уже удается выращиватъ

наз ывают плюрипотеитиыми (p l uгipoteпt). Если клетки

многие органы (крове носны е сосуды, мочевой

из культуры поместить обратно в ранний эмбрион, 0 1ш мо­

трахею и др.), но не 4 П Овторением эмбрионального разви­

гут дать начало любым тканям и люб ы м клеточ 1tы м типам

тия~, а с nомощыо заселе ния иску сств е нных каркасов из

организма, включая клетки зародыше вого пути ( РИС. 20-

биодеградируемых материалов.

-

11узыръ,

Прим. перев. ] .

41 ). Потомки этих клеток в за родыш е могут встраиваться

Однако до то 1'0, как эти мечты станут реалы10стыо,

в любые его участки и лриоб ретать иорма.11ьliое строение и

nредстоит 11р еО/\олеть множество препятствий. Одна из

главных лроблем состоит в иммунном отторжении: есл и

поведе ни е, ха рактерные для клеток да нного участка.

Уже мож но получать ЭСК, похожие по их характери­

пересажив аемые клетки ге н етически от;н1 t1 1-1ы от клеток

стикам иа мышиные, и из ранних за родышей человека. Это

паци ента, которому их пер есаж ивают, они, скорее всего,

создает практически не исчерпаем ый источник клеток, ко­

будут отторгнуты и уничтожены иммунной системой.

то р ые можно использовать для за мещеиия и починки по ­

Один из возможны х путей преодоления этой пробл емы

врежденных взрослых псаией человека . Оnыты на мышах

использова ни е так называемого <<т ера п евти ч еского кло­

показывают, что можно будет замещать, н а прим ер, скелет­

нирования ~ .

-

иые мышеч ные волокна у жертв мышеч 110й дистрофии,

С помощью терапевтического клонирования
можно получать персонализированные

эмбриональные стволовые клетки
Исл ользоваиие термина <-\Кло нировани е,> часто привод ит

к путанице: е ео приме няют для обозначения весьма раз­
ных процедур, особеино при публичных дебатах об эти­
Ltеских сторонах иссл дований стволовых клеток. Важно
пр авилыю п о 1-1имать разные з наче ни я этого термина.

внутренняя

В биологии термин << клон>> означает просто rруллу

клеточная мас са

особей, ге и етически иде нтич ных в силу своего проис­
хождения от одного предка . Наиболее простой вариант
клонирования

-

кло 1-1ирование клеток. Так, можно взят1,

еди нств енн ую стволовую клетку эnиде рмиса и дат ь ей ра­

сти и делиться в кулътуре, чтобы получить болъшой клон
генетически идентичных э пиде рмальных клеток. Их мож­

культивируемые

ранний за родыш
(бластоциста)

но использовать , наприме р, для восстановле 1-1ия кожи У

зек

пацие нта с тяжелыми ожогами. Этот вариант клонирова­
иия
гладкомышечная клетка

..глиальные~
~~
клетки

-

всего лишь инте н с ификация искусств енными мето­

дами процессов nролиферации клеток и восстановления
ткан ей, в норме происходящих в теле человека.
Клониро вание ц елых организмов, многою~ точных

живот ных

- репроду ктивное клонирование (1·e pгodL1 c­
tive clon ing) - совершенно и н ое пред приятие, гораздо

боле радикально отли ч ающееся от обычного хода собы­
тий в природе. Как обсуждалось в гл .

19, каждое

живот­

ЭСК, полученные из зародыша, могут давать начало

~юе в норме имеет отца и матъ и генетически отличается

всем тканям и любым типам клеток организма. Эмбрион альны е

от обоих родителей. При релродуктивном ю1 онировании

РИС.

20-41.

стволовы е кл етки (ЭСК) , полученные из внутренней кл еточной масс ы

надобность в двух родителях и nоловом процессе отпа­

раннего эмбриона, могут неограниченно долго размножаться в куль ­

дает. Среди млекопитающих этот слож 1-11,1 й трюк удалось

туре, сохраняя свои свойства. Если пом естить и х обратно в зароды ш ,

осуществип, для мьш1и, овцы и н екото рых других до·

они включаются в его состав и дифференцируются в зависимости

машних живоп-1ы х с помощью техники пересадки ядер

от того , в какие условия п опали. Во здействуя на ЭСК в культур е раз ­

(nLJcleai-

личными гормонами и ростовыми факторами , можно также вызвать

дотвореююй яйцеклетки удаляют гаnлоид1-1ое ядро, а на

и х дифференцировку и превраще ние в определенны е типы кл еток

е 1'0 место помещают ядро из обычной диплоидной клет­

( ВИДЕО

ки. Диплоидную клетку

20.6). (С разрешения Elseiver из:
100: 143- 155, 2000.)

638

Е.

Fuchs and J.A. Serge,

Се//

t1·ап pl aпtation). Для этой nр оцедуры у н еолло­

-

до1-1ор ядра

-

можно взять ,

наприме р , из какой-либо ткани взрослого животного.

ГЛАВА 20. Многоклеточные сообщества : ткани, стволовые клетки и рак


РЕПРОДУКТИВНОЕ
КЛОНИРОВАНИЕ

теленок

клетки из взрослой ткани,
содержащие клонируемый
геном

мейотическое

СЛИЯНИЕ о о~

iE.~

/

---<

ДЕЛ Е НИЕ

КЛ ЕТОК ИЛИ

верете н о

/

э м брио н подса жи в а ют
су р р о гатной мате ри

КЛЕТКИ

клетки р а нн его за р о дыш а

ИНЪ ЕК ЦИЯ

ран н ий

ЯДРА

зародыш

пе р е н ос я т в к ул ьт ур у

\

эмбри он ал ьн ы е
ст воловы е клетки
нео п лодо тв о ренна я

уда л ение ДНК ,

я й цеклетка

содержащейся

в зросл о й самки

l •дt• J

в яд ре кле т ки

ТЕРАПЕВТИЧЕСКОЕ
КЛОНИРОВАНИЕ

РИС .

20-42. Клетки из тканей

взрослого организма можно использовать для « клонирования » в

двух очень ра з ных значениях этого термина. П ри ре п родуктив н ом клонировании пол учают новый
многоклеточный организм . П ри терапевти ч еско м клонировании п олучают тол ько клетки. П ри испол ь ­

зовании одной и з методи к, показа н ной на рисун ке , обе процедуры н ачинают с пересадки ядер . Ядро ,
взятое и з клетк и взросло го органи з ма, п е ресаживают в цито плазму яйцеклетки . П ол уч ается клетка ,
котор ая сохраня ет э мбриональ ны е признаки , но нес ет ге ны взросл ой клетки-донора .

Ги. б ридная клетка, состоящая из ди плоидн ого ядра до­

Длн операц ии требуется получение яйцеклеток от жен­

нора и цитоплазмы реципиен та, некоторое вре м я разви ­
вается в культуре. В небольшом кол и честве случаев она

блемы . В результате в некоторых странах пересадка ядер в

дает наLJало раннему э мбриону, который можно поме­
стить в матку сурро t·атной матер и ( РИС. 20-42 ) . Если экс­
nе римент усп е ше н , развитие пр одолжается , и рождается
1-!о р малыrый новый организм . Полученная с л омощью
Реnроду ктивноrо клонирова ни я особь будет генетически
идентична вз рослой особи, кото р ая служила дон ор ом ди1111оидиого ядра ( за исключением небольш ого колиLtества
1
·енетической инфо рмации митохондрий, наследуемых
вместе с цитоплазмой яйдеклеши ) .
Совсем иная процедура, отличающаяся от обе их тол ь ­
ко что о писанных, - ис пользован ие трансплантации яде р
Мя получе ния кул ьту ры ЭСК ( см. р ис. 20-42) . В этом слу ­

чае яйцеклетка с п е ресаженным ядром проход и т ранние
стадии развития и дает начало о чень ранн ему зарод ышу,
состоящему примерно из 200 клеток. Однако зароды ш
I·r:e переносят в мат ку сур ро ,·атн ой матери . Вместо этого
его нсполr,зуют как исто чник культу ры ЭС К, из которых
MO}[<J-ro п олуч ить раз ные тип ы клеток для репараци и по­
в режденных тканей. Эту техн ологию терапевтического

щи н-донор ов, а это пощшм ает серь ез ные эт ические пр о­

яйцеклетки человека зако нодател ьно запреще на.

В озникающие этические проблемы можно преодо­
леть благода ря н едавно разработанному алъте рнативно му
подходу. Клетки берут из ткани взрослого ор ганизма, а
за те м получают из них клетки, н апоми нающи е ЭС К , пу­

тем п ерепрограмм ирова ния. Для этого в них искусстве нно

вводя т сп е ци фи чески й иабор генов, исполъзуя в каLt ест ве
вектора генетически изме н енны х вир усов. Исследования
показали, что экспр ессия всего т р ех генов

(Oct 3/ 4, Sox2

и К\f4) достаточна для превращения фи б робластов в клет­
ки, обладающие практически всем и хара ктеристиками
ЭСК, вклю чая способ ность к дифференцировке в клетки
любых тканей ( РИС. 20-43) . Похожие на ЭС К клет ки б ыли
названы

индуцированными

плюриrютентными

ствол о ­

выми клепшми, И П СК (iнdu ced pl шipotent steш cells,
i.PS cel]s). Однако эффективиостъ прев ращения взрослых
клеток в И П СК н евелика - только неболr,ш ое количество
фибробластов стано вятся ими. Существуют также серьез­
н ые сомнения в безо п асности импланта ции болъным та­

\(Jtопирования ( tЬ eгapeu ti c clo11ing) можно испол ьзовать

ких трансформиро ва нных вирусами клеток Предстоит

дJLЯ: п олуLJения персонализированн ых ЭСК, а не целого
Организ м а. Поскольку клетк и , п олученные таким спосо­

еще проделат ь большой объем работы, чтобы этот п одход

М.ожно подсаживатъ во вз рослый о рганизм, из кото рого

ч еловека м огут оказаться полез ны м и для д р угих ц елей.

бом, ге нетически идентичн ы исходной клетке до нора, их
бъrзrа взята эта клетка, без риска иммун н ой реакци и от­

торжения . Пересадка ядер технически оч ень сложна, и ее
no1<a не удаетсн осуществлять с яйцеклетками человека.

стал применим для лечения болез ней человека.

Нес м отря на это, уже сейчас ЭСК и особенно И П СК
На при м е р , для создания больших п о пуляц ий диф ф е­
р ен ц и р ованн ых клеток о пр еделен н ого типа в культу р е.

Н а таких популяциях можно испытывать действ и е мно-

Поддержание целостности тканей и и х самообновление

639


и Северной Америке один из каждых четырех умерших

клетка

ж и ровой ткани

введение
трех

Рак возникает из-за нарушений базовых принципов

нейрон

ключевых

-

умирает от р ака.

со циалъиого повед иия клеток. Чтобы понять возникно­

генов

макрофаг

вение и развитие этой болез ни и подходы к ее лечению,

фибробласты ,

индуцированная

гладко мыш еч ­

получ ен ны е

плюрипотентная

ная клетка

с помощью

ст волов ая

биопсии кожи

клетка (ИПСК)

вестно про работу I<леток и их взаимодействие в тканях.

Верно и обратное: многое из тоrо, что нам известно про

др уг ие т ип ы

биологию клеток и тканей, было открыто попут но при из·

клеток

взрослого организма

нам придется вс помни тъ практи ч ески все, что нам уже из­

учении рака. В данном разделе мы разберем причины и ме·

Индуцированные плюрипотентные стволовые клет­

ханизмы раковых заболеван-ий . Мы рассмотрим наруше·

ки (ИПСК) можно получить путем прямой трансформации клеток

ния в пов едении клеток, которые в но ся т вклад в развитие

РИС.

20-43.

взрослых тканей . Процедура начинается с получе ния кл еток и з взрос­

рака , и п ути использования наших зна ний, которые могут

лой тка ни , например , фибробластов с помощью биопсии кожи, и по­

помочь нам побед итъ эти ](Jlеши с неправильным поведе­

мещения их в культуру. С помощью ге нетичес ки измене нны х вирусов

ни ем, а значит, и саму болезнь.

в качестве векторов исследователи вводят в эти клетки искусственно

сконструированный набор определ енных гено в , кодирующих регуля ­
торы транскрипции и обычно экс пр есс ирующи хся в ЭСК . Эти гены экс­
пресс ируются в фибробла стах, образуя соответствующие бел к и . Через
не сколько недель культивировани я часть фибробластов превращается

Раковые клетки размножаются,

проникают сквозь ткани и образуют метастазы
Чтобы при росте тела и обновлении ткаией поддержи ·

в клетки , которы е вы глядят и ведут себя как ЭСК . Как и ЭСК , трансфор­

вался порядок, поведение отдельных клеток должно быть

мированные клетки способны дифференцироваться во в се типы клето к

подчинено общим потребностям организма. Клеши опре·

организма.

деленного типа должны делиться, если воз1-rикает необхо·

димостъ, и воздерживаться от деления, когда такой необ·
ходимости нет; они должны жить стол ъко, сколъко требу­
жества химических веществ при поиске н ов ы х лека рств ,

целенаправленно

воздействующих

на

ется, и конt~ать жизнь самоубийством, когда надо умеретъ;

определенные

они должны сохранять свои специализированные призна­

клетки ч еловека. Кром е того, можно создать ИПСК, со­

ки; наконец, они должн ы занимать правильное положение

держащие геном ы пациентов с конк р етными генетиче­

и ~не лезтъ, куда r-т е н адо>.'>.

скими болезиями. Такие специфичные для данной груп­
пы

пациентов клетки

мож н о исполъзоватъ для поиска

Кон ечно, неправильное поведение одной-единствен­
ной клетки не может нанести вред крупному организму.

лекарств, помогающих при данном заболевании . Эти

Поте нциально смертельное нарушение ко~rтроля

клетки будут полезны и для расшифровки м ехани змов

такая ситуация, при которой в одной клетке происходят

-

это

болезней. В общем п ла не работа с культивируемыми

ге н етическ ие из мен ения , позволяющие ей выживать и

ЭСК

делиться, когда не надо, и образовыватъ доt~е рни е клеп<~!,

~r

ИПСК поможет нам разре шить м н огие загадки

ведущие себя столь ж асоциал r, но. Организац ия тканей

биологии стволовых клеток.

и весъ организм моrут оказаться под угрозой из-за безжа­
лост ной экс п ансии клон а н е нормалъных клеток. Именно

РАК

эта катастрофа происходит при раке.

Раковые кл етки имеют две наследуем ы е особенно·
Мы платим высокую це ну за то, что наши тела могут

сти

обновляться и залеtшват1, поврежде ния . Тонко настро­

нормальными оrраниче 1-111ями и

е шrы е механизмы, контролирующие эти процессы, мо­

тории, обычно заним аемые другими клетками, колонизr,r­

-

они и их потомки

(1)

размножаются , пренебрегая

(2)

проникают на терри­

гут разладиться, и это ведет к катастрофическим на­

руя их ( ВИДЕО 20.7). Име1-п-ю комбинация эти х черт соз·

руш ениям в строении тка н ей. На первом месте с р еди

дает смертел 1,ную onaCJ-1oc1ъ. Клетки, обладающие только

всех болезией, связанных с обновлением тканей, стоят

п ервы м качеством, делятся избыточно,

онкологические заболевания

ся соединенными в един ую массу; образуется опухоль, 110

рак [рак

-

(cancer),

в просторечии

-

жаргонное название для о н колоt' ИLrеских за­

болеваний; в строгом смысле рак

1-10

все они остают­

доброкачествеииая (be nigл) , и обычно ее можно полно­

это злокач. ествен ны е

ст ыо и без вредных последствий удалить хирургическим

опухоли из э пителиальн ых тканей. Мы вслед за автора­

лутем. Опухол 1, является раковой, толы<0 есл и се клетки

-

ми книги будем ис пользовать этот те рмин в широком ,

способны лро1-1икап, в окружающие ткани; в таком случае

хотя и не точном значе нии.

ее называют злокачестветюй (ma li gnaлt) . Клетки злока­

-

Прим. перев. ] . Раковые

заболева ния наряду с ииф екциоииыми болезнями, го ­

чествеююй опухоли, обладающие снособностью к инва­

лодом, войнами и болезнями сердца входят в число

зии , могут отделяться от первичной опухоли, проникатJ,

главных причин сме ртности в сов р еме нных популя ци ­

в кровоток или в лимфатические сосуды и формировать

ях человека [голод и вой1-rы, по официальиъrм данным
ООН , не входят в число ведущих причин смертности в

вторичные опухоли - метастазы (metastases) в д ругих:
участках тела ( РИС . 20-44). Чем шире рас пространяются

сов р емеи ном мире. - Прим. перев. ] . Например, в Европе

раковые клеп<и, тем сложнее от 1-1и х нзбавиться.

640

ГЛАВА 20. Многоклеточные сообщества: ткани, стволовые клетки и рак


нормальные
нормальная

клетки п ечени

раковые клетки

(А)

(Б)

РИС .

20-44.

L____J
20 мм

(В )

l.__J

200

мкм

Раковые клетки распространяются, проникая в окружающие ткани. (А) Чтобы обра ­

зовать опухоль в новом участке тела , клетки первичной опухоли эпителиального происхождения обычно
должны пересе чь базальную пластин ку, мигрировать через соединительную ткань и прони кнуть в кро­

веносные или лимфатичес кие сосуды . Затем они дол ж ны выйти из кровотока или лимфотока , осесть на
новом месте и вы жить там . (Б) Вторичная опухоль в печени человека , возникшая из первичной опухоли
кишеч ника . (В) Вид одной из вторичных опухолей при большем увеличении. Дифференциальное окра­
шивание позволяет обнаружить различия между нормальными клетками печени и ра ков ыми клетками .
(Б , В

-

с разрешения

Peter lsaacson.)

Эпидемиология выявляет причины

пове71,е ния наибол ее важны , а м11огие из них остаются и во ­

онкологических заболеваний,
8 некоторых случаях позволяя их предотвратить

точно ид нтифицированы. Налрим ер, уже лавно было из­

11рофилактика всегда лучше лечения ; н о, чтобы предот-

телии шей1ш матки) гораздо чаще встречается у замужних

11Ратить рак, мы долж ны знать, что его вызыва ет. Могут л и

женщи11, ч ем у ОJ(иноких . Это MOl'JIO говорить о причин ах ,

все н еи звестными, н екоторы е факторы были совершенн о
вестно, что рак ш е йки матки (опухол1,, возникающая в э пи ­

Фа1<торы среды или особенности наше го образа жиз ни за-

связа~1 ных с сексуаль ной активностью. Б лагодаря совре­

11Ус1<ать болезнь и уско рять ее разnити е? Если да, что это за

менным эпидемиологическим иссл дова ниям , уже из в ест ­

Факторы'? Ответы н а такие nонросы 1~ает главным образом
эnидемиолоrия - в дан ,-юм случае им еется в виду стати­

стнч ески й анали з 11 опуляций ч ело века, поз воляю1.1 (ИЙ вы51nнть коррел я 1( ИЮ м ежду определе1ты ми фа кторами и ча­
стотой забо11 ева ний . Этот подход уб дител ы-ю п оказал, что

Среда игра т роль в раз витии большинства случае в онколо­
гн,1 еских заболева 11 ий. Наприм ер, в раз11ых странах более
0

бъ1ч1-1ы разные тилы раковых заболеваний, а изучение ми­

но , что большинство случаев рака ш ейки матки связа н ы с
заражение м кл еток цервикального э пи телия опр еделе нны ­

ми ра зновидностями обыlJН ого вируса

-

вируса п апилло ­

мы ч ело века. Он пе редается при половых контактах и ино­

гда, прн н ебла 1-оприятном сте ч е 1-1ии обстоятел ьств, вызы­
вает неко нтролируемое ра зм нож е ние зараженных кл еток .

З ная это, мы можем попытаться предотвратить рак, пре­
дотврш_цая за раже ни е

-

наприм е р , с п омощью вакцю-1ации

''Рантов показало, что ве роятност 1, заболет ь определенным
1
·11пом рака обычно сильнее за ви с ит от м еста жительства,
'lем от м еста рожде ния . Хотя во многих случ аях трудно

против папи лломави руса . Сейчас такие вакцины уже при­

Установит~,, как ие име нно факторы среды или о ·обенности

начала половой жизни.

м е няются и обеспечивают высокий у ровень за щиты, есл и
ва 1щинир ова ни е де вочек проводится в юном возрасте, до

Рак

641


Но в большинстве случаев, видимо, вирусы н е игра ­

1 1ых деJJений. Так LJТO у каждого человека в сред~-, см каж­

тоже неин­

д ый ген доJJже 11 мутировать за вре мя жиз1-rи около 109 раз.

фекционное заболева ,-,и е. Эпидемиологи выявили дру ги е

Если л осмотрет,, 11а проблему рака с этой точки зр ния , то

факторы риска. Например, ожиреиие коррелирует с по­

ГJJавный вопрос

вышенным рис1<ом развития рака, и взаимосвязь эта, воз ­

прои сходит так редко. Объяснение состоит в том , что для

-

ют роли в развитии рака у людей ; сам рак

-

н с поч ему он случается , а почему это

можно, приtrинно - следственная. Но самый главный ср едо­

пр ев ращения нормал ьной клетки в р аковую недостато чно

вой фактор, вызывающий рак в современном мире,

одной мутации. Скол 1,ко именно мутаций ДJJЯ этого требу ­

-

это

курение. Курение не только является причиной почт.и

ется, до сих пор остается предметом дискуссий, но точно

всех случаев рака легких, но и повышает ч астоту некото­

больше двух ИJJИ трех . Эти мутации происходят н е одно­

рых других видов рака, наприм ер рака моч

временно, а посл едователъ но , нередко долгие годы.

вого луз ыря.

Если бы мы могли прек ратить потребление табака, то, по

Рак, таким образом, ч аще встречается в пожилом воз­

оценкам, число случаев смерти от рака сократилось бы на

расте, поскольку в данной линии клеток большое число му­

30%. Неизвестна ни одна другая отдельная мера или метод
лечения, которые могли бы оказать столь же сильное вли­

таций т-rакапливаетсн за длителы-юе время ( см. рис. 6-20).
В действитель ности большинство раков ых клеток челове­

яние на смертность от рака.

ка не только содержат большое число мутаций, но еще и

Хотя факторы среды и влияют 1-1а частоту раковых

генетически нестабильны. Генетическая нестабильность

заболе ваний , а на развитие некоторых форм рака оказы­

(geпetic i11staЬi lity) возникает из-за мутаций, нарушаю­

вают критически важное воздействие, было бы ошибкой
заключить, что именно они

-

основная причина рака в

щих точностъ р е пл икации и р епарации генома и, таким

образом, ловышающих общую частоту мутаций. Иногда

целом. Как бы мы ни старались предотвратить разви тие

повышенный

рака, ведя здо ровый образ жизни,

это не привело бы к

из-за повреждения ощ-юго или нескольких белков, н еоб­

его полному исчезновению. Мы все равно сталкивалисъ

ходимых для ре парации повреждею-ю.й ДНК и и справле­

-

уровень мутирования

может

возникнуть

бы со случаями этой болезни, требующими ле ч ения. И

ния ошибок репликации ДНК В ряде случаев возникает

чтобы лечение было успешным, мы должны понимать

дефект в механизме ч екпойнтов , обычно предотвращаю­

биологию раковых клеток и мехаиизмы роста и распро­

щих попытки деле ,шя клеток с поврежденной ДНК до ее

странения опухолей.

полной репарации (см. гл.

18). Иногда возникают сбои в

механизме митоза. По следствия таких дефектов

раковые клетки обращаются со своей ДНК,

Онкологические заболевания возникают

-

то, ка~<

ражаются в разрьшах и п ерестройках хромосом, что при ­

из-за накопления мутаций
В основе своей рак

-

часто вы­

-

водит к сильно и змененному и нестабильному кариотипу

это генетическое заболевание: оно

( РИС.

20-45).

развивается из-за патологических изменений информа­
ции, заложенной в ДНК Рак отличается от других гене­

тических болезней тем, что вызывающие его мутации в
основном соматические . Они происходят в отдельиых

/

клетках вз рослого ор1·ышзма, в отличие от генеративных

мутаций, п ередаю щих сн через клетки за родыш евого пути,

и з которых разв иваетсн целый многоклеточ ный организм.

-~

Большинство известных агентов, вносящих вклад в

развитие раковых заболеваний , в том числе ионизирую­
щая радиация и химические канцерогены,

-

\

'

это мутаге-

1-1ы : они вызывают изменеиия в нукл е отидных посл едо ­

вателъностях ДНК Но даже в среде, где н ет табаtп-юго

•,

•

tl

.,,.

--•,

~

ды ма, радиации и других действующих на нас мутагенов,
мутации

все равно происходят спонтанно, в р езультате

фундаментальн ых ограничений точности репликации и
р е п арации ДНК (см. гл.

гены среды

6).

(Б)

(А)

В действительности канцеро­

(1-re считая табачного дыма) отвечают лишь за

н ебольшую долю мутаций, вызывающих рак, и устране­

РИС.

20-45. Раковые клет ки часто имеют сильно измененный хро ·

мосомны й набор , что отражает их генетическую неста бильност ь ,

ние всех этих внешиих ф акто ров риска н е устранит н а­

В данном случае показаны давленые препараты метафазных хро~,10-

шей лодверженности раку.

сом клеток рака груди , окрашенные (А) общим красителем на ДН К и

Хотя ДНК удваивается и репарируется с высокой

(Б) комбинацией флуоресцентных красителей, по-разному окрашива­

точностью, в среднем все же происходит одна ошибка на

ющих хромосомы человека. Окрашивание (показаны не истинные цве·

каждые 109 - 10 10 копируемых нуклеотидов (см. гл.

6). Это

та) выявляет множественные транслокации, в том числе хромосому с

означает, что спо нтанные мутации происходят с частотой

двойной транслокацией (белая стрелка) , состоящую из двух фрагмен·

около 10- 6 - 1О- 1 на ген за од1-ю клеточное деление, даже без

тов хромосомы В (зеленые) и фрагмента хромосомы 17 (пурпурная) . ка­
риотип содержит 48 хромосом вместо нормальных 46. (С разрешения
Joanne Davidson и Paul Edwards).

всякого воздействия внешних мутагенов. На протяже нии

жизии trеловека в его теле происходит около 10 16 клеточ -

642

rЛАВА 20. М н огокл еточные сообще ства : т кани, стволовы е клетк и и ра к


Трансформированные клетки приобретают свойства,

мутация дает

эпителиальные

которые дают им конкурентное преимущество

преи~ущество
однои из клеток

клетки , прикрепленные
к базальной пластинке

Вызывающие рак мутации не выводят мутантные клетки

~ ± G ± J~~~I•I-1•1

из строя . На п ротив , они дают им ко н курентное п ре и му­

щество по срав неиию с соседними . Имен н о это преиму­

И РАЗМНОЖЕНИЕ

!

щество мута н т н ых клеток ведет к н ару ш ениям в целом

орга ни зме. Естестве нны й отбор благо п р и я тствует клет ­

МУТАНТНОЙ КЛЕТКИ

кам с тем и мутац иями, котор ы е ускоряют деле ние и по­

вторая мутация увеличивает преимущество

вышают выживаемость, независимо от их воздействия

(~IтiтEl~G~~~-E!~I •[~1~1 •1•Б-:1

на соседей; такой про цесс и приводит к появлению ра­
ковых клеток, которые бесчинствуют в по п уляции кле ­
ток, составляю щ их тело, и нарушают его структу ру. По

третья мутация

мере роста и сход н ой по п уляции мута н тн ы х клеток они

еще сильнее

Медле нно эволюцио ни руют. У отдельн ы х клеток про-

увеличивает

11сходят но вые случайные мутаци и, и н екоторые и з них

преимущество

п одде рживаются естествен ным отбо р ом ( РИС. 20-46). Не­

и придает клетке

В Ы Ж И ВАНИ Е
И РАЗМНОЖЕНИЕ

МУТАНТНОЙ КЛЕТКИ

способность--.___________

мутагенные факто ры среды или особенн ост и орга низма

к инвазии

11 образа жизни, нап риме р ожи рение, могут благоприят­
ствовать развитию рака, ме н яя давление отбора, кото ры й

действует на клетки организма. Так, ц иркулирующие в
Крови питательные вещества или го р моны могут п о м о­

ся
ют

гать клеткам с оп асн ыми мута циями выживать и размн о­

ЕЖАЩИЕ

>каться . В кон це концов, появляются клетки, имеющие

все п риз н аки настоя щих раковых .

Чтобы имет ь ус п ех, раковые клетки должны приоб­
- набор новых,

рести целый н або р отклонений от нор мы

губительных свойств . Напр имер, э пителиаль ные стволо­
вьrе клетки кише чника должн ы нау читься продолжать

деле н ие даже тогда, когда следует остановит ься. Такая
1
<летка и ее потомство должны также уметь вытеснять п о
Мере деле н ия н ор мальных соседей и п ривлекать к себе
Расту щ ие r<р овеносные сосуд ы , чтобы обес п ечить п ита­
liИе увеличивающейся опухоли. Чтобы опухоль стала
инвазивной, клетки должны научиться п робивать доро ­

гу сквоз ь базальную пласти нку эпителия и прон икать в
l1одлежащие ткаии. Для .метастазироваиил (metasta-

РИС.

20-46. Опухоли эволюционируют благодаря повторяющимся

мутациям и размножению мутантных клеток. В результате появля­

sis) - про никновения в другие ткани - клетки опухоли

ется клон полностью зло качественных раковых клеток. На каждом этапе

доJ1жны науч иться проникать в к р овоток или ли мфоток

в одно й и з клето к происходит мутация , увеличивающая ее способность

11 выходить из него , закр епляясь и выживая в н овых
Участках тела ( см. рис. 20-44).

раз множаться и/или вы ж иваемость , и ее потомство становится доми­
нирующим клоном в опухоли. Пролифераци я это го клона увеличива ет

Для развития раз н ых ти п ов опухолей требуются раз-

ве роятно сть сл едующего этап а опухол е вой прогресс ии , та к ка к пр и уве ­

11 11Чн ые сочетания свойств. Тем не ме нее мы можем соста­
вить список ключевых общих признаков поведен ия рако­

л ич е ни и размеров клеточной популяции растет ри ск повторных мута ци й.

Вьrх клеток, котор ые отличают их от н ор маль н ых.

1- У раковы х клеток уменьшена зависимость от сигналов
других клеток, в норме необходимых для роста, выжи­

нию даже в отсутствие в н еклеточных си г н ал ьны х ве­

ван ия и деления. Часто это происходит из-за мутаций

ществ, которые в норме необходимы для его запуска.

в каких-то компонентах клето чн ых сигнальных путей,

О на действует как ис п орчен ный две рной звонок, зво­
нящий даже тогда, ко гда н икто не нажимает на ююпку.

с помощ ью котор ых клетка отве ч ает н а социальные

стимулы. Например , мутация гена

Ra,s (см.

гл.

16)

мо­

жет в ызывать в нутри клеточны й сиги ал к размноже-

ВОПРОС 20-8

~ За время жизни человека происходит около 10 16 клеточных
rl' делений, хотя тело взрослого человека состоит всего из 10 13
•

клеток. Почему эти два числа так сильно различаются?

2.

Раковые клетки менее, чем обычные, склонны кончать
жизнь самоубийством путем апоптоза. Это отв ра ще1ше к самоубийству часто вызывается мутация ми ге1юв, отвечающих за внут р иклето ч ную программу за­

пуска апоnтоза (см. гл.

18). Например,

в клетках

50%

всех р аковых опухолей человека отсутствует или му­

тантен ген р53. В норм е белок рSЗ действует как часть
механизма чекпойн та, заставляюще го клетки либо

Рак

643


прек ратить делен ие (см. рис.

3.

18-13),

либо по1·иб11 уть

чи ть н о рм ал ьн ое поведение клеток, клетки таких людей

мер, н езалече нный разр ыв хромосом, как правило, за­

от 1юлноi,i

ставляет r(летки вступить в а поптоз; но есл и у клетки

л ишь оди II шаг ( в отличие от клеток бот,ши 1-1 ства людей,

еена-су 11рессора отделяет

где н еобходимы две мутации). Коеда чи сJIО добавочн ы х

порождая вес 1,ма у родливы е дочерние !(летки, с пособ­

мута ци й, необход имых для разви тия рака, ме 1-tьш е, то

ны е стап, е ще более злокач естве нными.

болез н ь воз ни кает чаще и в с ред 11 мв более ра~1нем воз­

В отличие от большинства н ормалы-1ых клеток ч ело­

ра сте, иногда в детстве. Семъ и , где рас пространена такая

века, раковы е ч асто способн ы дел итъся н ео граниче нно

мутация, из-за этого н еобыююве 1-t110 с ильно подв е рже ны

долго. Большин ство н о рмальных соматичеСТ(ИХ кле­

раков ым заболева ниям .

ток 'Jеловека делятся в кулътуре лишь оrраниt~ еююе

Протоонкоrены и ге11ы-супрессоры о п ухолей отно­

Lшсло раз, после ч его деления пр е кращаются. Видимо ,

сятсн ко множеству р аз ных гр упп , связанных с ра з ными

это пр оисходит и з-за отсутствия в клетках акти вного

особенностями н е прав ильного поведен ия рако вых кле­

фермента теломеразы, в результате ч е го теломе ры на

ток. Некоторы е такие гены кодируют факторы роста, их

концах хромосом становят ся слип.rком короткими

5.

потери функции

деф l(Тен белок р53, она может выжип, и поделит 1,ся,

с.

4.

одной н ормалъ н ой копии гена достаточно , чтобы обеспе­

путе м апо птоза, если и х ДНК повреждена. Напри­

208). Раковые клетки

( см .

рецепто ры и л и

-

Ras -

как

компот-rеиты вJ-lутриклеточ­

обычно обходят этот баръер; в

ных сигн ал ы-1ы х путей, активируемых факторами роста.

них р еа ктивиру ется си1Пез теломераз ьr, п оддержива­

Другие кодируют белки, участвую щи е в ре п арации ДНК,

ющей определен~rую дли ну теломер.

ил и белки-посредники ответов на п ов реждение ДНК (ка~<

Большинство раковых клеток, как уже отмечалось,

р53), или регуляторы клеточного цикла и алоптоза. Еще

1·енетически нестабилъны; в них резко повыш е н темп

одна группа таких ге нов , о которой мы уже упоминали, ко­

мутирования .

д ирует мол е кулы кл еточной адгезии

Раковые l(JieTl(И способны к активной инвазии в окру ­

РИС . 20-49 п оказана часп, этого разнообразия.

кадге р ины и др. На

-

жающие ткани; часто это связано с утратой специфи­
ческ их молекул клеточной ад гез ии , таких 1(ак кадrери­
ны, удерживающих нормальны е кл етки на месте .

6.

Раковы е клетк и часто могут выживатъ и размножап,ся
в чуже родных тканях, формируя вторичные о п ухол и

(А) доминантная мутация (избыток функции)

(м етастазы), в то в ремя как болъшин ство нормальных

единственная

превращает

/ /

=

в онкоген

для приобретен ия этой способн ости.
Чтобы разоб раться в молекуля рной биологии рака, нуж но
формам поведения.

\. \

,:- _~:::~~:::::

протоонкоген '(Ш
I

но неизвестно, какие мол екулярные и з м ене ния н ужны

идентифицировать мутации, пр иводящие к ано малы-r ым

I

мутация

клеток в чуждом окружении погибают. До сих пор то ч­

_,,,

'

/

нормальная

/

6

клеток

1 \ \.

активирующая мутация

клетка

позволяет

онк о гену

стимули ровать выживание

В развитии злокачественных опухолей

и размножение клетки

принимают участие многие группы генов

(Б) рецессивная мутация (потеря функции)

Для выявления 1·е 11 ов и мутаций, ответственн ы х за р азв и­
т и е рака, 1триме 1-1 яли множество подходов. Хотя многи е из

наибол ее важных таких генов уже н айде ны , охота за дру­
гими продолжается.

В некоторых случаях опасные мутации делают генный
продукт мутировавшего гена сверхактивным. Такие мута­
ции до минантны : достаточно од н ой мута ,-пн ой копии гена,

чтобы Dызвать проблем ы. Возникший в результате такой
мутации ген наз ыва ется онкоrен (oncoge п e ) ( РИС.

вторая

@:ft®;;;ф~~~~:::
опухолей

нормальная

клетка

20-47, А) .

1 \

одной ко пии

две инактивирующие

мутации подавляют функцию

на поведение

гена-супрессора опухолей ,

клетки

стимулируя выживание

и размножение клетки

тоонкоrен (proto-oпcogene). На РИС. 20-48 показаны неко­
В других случаях опасность представля ют м ута ции ,

/

гена не влияет

Соответствующая нормаль ная форма 1·е н а наз ывается про­
торые п ути пр ев ращения пр отоонкогенов в онкоrены .

гена

мутация

РИС.

20-47.

Гены, критичные для развития рака, относят к про·

тоонкоrенам или rенам-суnрессорам опухолей в зависимости or

нарушающие работу гена. Таr( и е мутации обычно ре цес­

того, доминантны или рецессивны опасные мутации. Мутации про ·

сивны: эффект воз 1-шкает только при утрате или и н акти­

тоонкогенов доминанты : мутация с избытком фун кции одной копии гена

вации обеих копий ге на. Соответствующие гены называ ­

продвигает клетку по пути опухолевой трансформ а ции . Мута ции генов ·

ют rены-супрессоры опухолей (tumoг s uppгesso г

gene)

су прессоров опухолей , напротив , обычно реце сс ивны : чтобы стимули ·

Б) . Пе рвон аtrально они б ыли выявлены

ровать превращение клетки в раковую , нужны мутации с утратой фун к·

(см . рис .

20-47,

при изучении генетики ч ело века. Изредка встречаются

ции обеих копий гена . На схеме активирующие мутации показаны в виде

люди, унаследовавшие мутацию rе н а-су прессо ра. Хотя

крас ны х к вадрати ков, инакти вирующие

644

ГЛАВА 20. Многоклеточные сообщества : ткани, стволовые клетки и рак

-

в виде белых квадратиков .


протоонкоген

ИЗМЕНЕ НИ Е КОДИРУЮ ЩЕЙ

ХРО МОСОМНАЯ П ЕРЕСТРОЙКА

АМ ПЛИ ФИКАЦИЯ ГЕНА

ПОСЛЕДОВАТЕЛ ЬНОСТИ

i

+

или

ДНК

РНК

ДН К

+

.~
j

белок

'°'"

п роизводство

+

i

j

j

•

• •

+

Р НК

j

j

сверхпродукция нормал ьн о го белка

'/"''"

бл изл ежа щая регуляторная

слияние с актив н о

сверхактивного

последовательность ДН К

транскрибируемым

белка в нормальных

вызывает сверхпродукцию

геном выз ы вает

количествах

нормаль н ого белка

образова н ие
сверхактивного

гибридного белка

РИС.

20-48.

Разные типы мутаци й могут превращать протоонкогены в онкогены . В каждом слу-

ч ае мутация приводит к усилению активности гена.

РИС.

20-49.

Мно ги е группы ген о в уч аствуют в ра звитии рака . На схеме показаны основные сиг­

нальные пути клето к человека, связанные с развитием ра ка . По каза но положе ние некоторых белков,
которые меняются при раке из-за мутаций . П родукты онкогенов и генов-супрессоров опухолей часто

участвуют в одном и том же пути. Отдельные сигнальные белки

-

красные кружки ; названия белков,

изменение которых наиболее тесно связано с раком , и механизмы , обсуждающиеся в книге,

- на зе­

леном фоне. Активи рующие и ингибирующие взаимодействия показаны, соответственно , стрелками
и линиями с перпендикулярной чертой (см . обозначения) . (С разрешения

Elseiver

из :

D. Hanahan and

R.A. Weinberg, Се// 100: 57- 70, 2000.)

Ра к

645


Рак кишечника

-

иллюстрация того,

и н е им е ют яв ны х причин , связа 111-1ы х с 11асл едст в е н1-ю­

как утрата функции гена может приводить

ст1,10 _ О;1~1 ако н еболь шое число случаев выявля ется в се­

к развитию злокачественной опухоли

мьях, особе нно по;1в е рже 1111ы х этому заболе ванию, 1 1 ричем

1-rаблюдается его ранн с
Рак толстой и прямой кишки

-

начало. В од ной и з гру пп семей

хо рошо и зуч ешrый при ­

удалось выявить связь предрасполож е нности к рак у с му­

м е р , позволяющий продемонстрировать , во-первых , как

таци е й в r·сн е одного из ферм е нтов репарации ДНК (см.

можно идентифициров ать 1·е 1 1 ы-супрессоры опухолей , а

r·л.

во-вторых, как их иде нтификац ия приводит к расшиф ­

мой рака кишечника присутствовала иная мутация с ха­

ровке

ра с простра ­

ракте рным фенотипическим эффе ктом. У се носителей

неrнюго типа опухолей. Раковые опухоли воз ~rикают и з

рак кише lшика раз вивался в ранн е м в з рослом воз расте,

молекулярных

механи з мов

развития

э пителия, выстилающего толстую и

прям ую ки~ш<у. В

большинстве случаев они выявляются у пожил ых людей

6).

У другой r· ру ппы больных с н аследстве111rой фор­

и началу болезни предшествовало появлени е сотеr-1 или

тысяч неболr,ших опухолей

-

так н азываем ых полипов

-

ВЫЯВЛЕНИЕ ГЕНОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ РАЗВИТИЕ

ОНКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
Поиск генов, играющих критическую роль в развитии

другим белком , второй белок тоже будет гrреципитирован.

рака, иногда н а чинается с обнаружения семьи с наслед­

Именно такой подход был и спользовш-r при изучении АРС.

раз­

Две группы уlrеиых использовали аr-rтитела к АРС , что­

ген-супрессор опухолей, от­

бы выделит ~, ею из экстрактов кулътуры юr еток человека.

ственной предрасположенностью к

~ювидности болезни. АРС

-

определенной

сутствующий или инат<Тивированный у многих больных с

Антитела улавливали АРС вместе со вторым белком. Затем

раком толстой и ттрямой кишки,

исследователи

-

был обнаружен им е нно

при изучен-и и генетических дефектов в таких семьях. Но
идентификация r·е на

-

шаг

устш-rовили

аминокислотную

последова­

тел r,ност r, этого белJ<а-партнера, им оказался ~-катен-ин.

это только полдела . Следующий

Тот факт, что АРС взаимодействует с ~ -кате r-rином ,

выявление его функции в нормалы-r ых клетках и

сначала привел к н ев рным выводам о его роли в развит ии

-

рака толстой и прямой ки r ш<и . У млекопитающих наибол ее

выясн ение того, почему и з меr-r ения гена вызывают рак.

изуlrеиа роль ~ -катени на в образовании адгезивных меж­
клето1н1ых контактов, где он служит лиш<ерным бел rФМ

Виновны в соучастии

между трансмембра1111ыми молекулами кадrери~юв и вну­

Определение функции rеи а или белка, который он коди ­
рует, внутри клетки

триrотеточ1-1ым актнr-ювым цитоскелетом (см. рис. 20-24).

непростая задача. Представьте себе,

Поэто му н екоторое время ученые считали, что АРС уча­

что какой-то белок выделен в чистом виде и и звестно, LfТO

ствует в клетоlшой адгезии. Но через несколько лет въr­

это протеинкиназа. Н ет информации о том, что же делает

яснилосr,, что ~-кате 1-1и1 1 выполняет еще одну, совсем иную

-

этот белок в живой клетке. Каки е белки служат для иего

функцию, и взаимод йствие с ним АРС важно для разви­

мише нями? В ка1<их тканях он активен? Какую роль 01:1

тие рака по совершенно д р у гим причинам.

играет в росте и развитии организма? Чтобы понять кон­
текст, в котором проявляется его биохимическая актив ­
ность, нужна дополнительная информация.

Бескрылые мухи

Больши11ство бет<ов не работают в изоля ции: они вза­

Незадолго до открытия тоr·о факта, что АРС связывается

имодействуют в клетке с другими белками. Поэтому один

с ~- 1<атени1-юм, биологи развития , работающие с п лодовой

из путей расшифровки биологической роли белка

это

мушкой д розофилой , установили, что ~-катениr-1 челове­

идентификация белков, с которыми 01-1 связывается. Если

ка очень сходен r ю ами r-rокислотной последовател ы-юст 1 1

-

Jfеохарактеризованньrй белок взаимодействует с бетсом,
чья роль в клетке известна,

-

ско рее всего, их функции ка.к­

то взаимосвяза ны. Вероятно, простейший метод выявлеr-rия

белков, связывающихся друг с другом,
питация (см . вкладку

4-3,

с.

140- 141).

-

коиммуноnре r~ и­

В этой методике ис­

с белJ<ом дрозофил ы лод названи ем Aгmadi ll o. Было из­
веспю, что Aппad ill o

-

ключевой белок в сигнальном пути,

играющем важную роль в нормалыюм развити и мухи. Это'Г
путь активируется сигн альными молекулами из бедковоrо

сем ейства

Wnt. Первый из открытых 1·е 1-юв семейства Wnt
wingless: его мутация вызывает отсутстви кръr­
Белки W11t свя зываются с рецепторам:и на пове рхно­

пользуют антитело, связывающее (лреципитирующее) кон ­

был назва н

кретный белок- мишенъ из э кстракта, п олученного из разру ­

лъев.

ше н ных клеток. Если даю-rый белок прочно связывается с

сти клеток и активируют в~rутриклеточный сиrнальны.й ка-

646

ГЛАВА 20. Многоклеточные сообщества : ткани, стволовые клетки и рак


13 вы тилке толстой и п рямой кишки. Благодаря генеало­

11 ой сем ейн ой истории ? Когда бы л и п роа н ал изирова ны их

гич ески м и сследова ни ям у ; ~ алось уста 1-ювит 1, связ ,, между

о п ухол и, о казалось , ч то в

это й формой болез н и и делецией и ли инактива цией ге на

утра ч е н ы обе калии ген а А РС ( вид им о, и з-за двух н еза ви ­

А РС ( от аигл. adenomato L1s polyposis coli - аде н оматоз­

с и м ых со м ат ич еск их мута ци й ) , хотя в ок ружающих здо ро­

ный п олипоз ки 1u еlш ика) . Бол 1,1-1 ы е н аследовали од н у му­

вых т ка нях обе о ни фу н ющо нируют.

та н тн ую ко п ию гена и одну 1-10рмалы-1ую ; рак развивался

60% случаев

в ра ковы х клет)(ах

В се эти да н ны е показ ы вают, что ге н А РС

это rен­

-

У ни х из-за того . LJТO в ~1екото ры х клетках пр ои сход и ла

су прессо р оттухолей . З ная

сомати ч еская м ута ци я, и1-1 а)(т и в и ру ющая ед и н ств н н у ю

та нтный фе н отип , м ожн о н ач ать разбираться в том , ка к

ero

последовател ън осп, и м у­

работа ющую ко пию гена АРС. А как же обсто ит дело с

п оте ря

о ,·ром ны м боль ши н ством бол ьны х раком ки н , е чн ика, н а­

яс няется в разделе ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ ( с.

следую щ их д в е 1-ю р мал 1, ны х ко п ии АРС и н е и мею щи х ни -

код ирует белок -инги б и то р , в н о рм е с н ижающий актив ­

1<ат<ой н аследстве нной пред рас п оложенности и отяго щен -

ность с ип-~ал ьн о го лути Wп.t, вовлече н ного в ст им уля цию

ero фу н к ции с п особствует раз витию рака.

Как объ­

646- 648), ге н АР С

скад, вюночающии ,·ены, кото рые влияют н а рост, деление и

ка к это вы зы вает рак толстой и пря мой кишки ? Чтоб ы это

дифференцировку клеток. Мутации тобого и з белков этого

установитr,, у че иы е за нял и сь мыша ми с отсу тству ющим

каскада вызывают о шибки в развитии , вл ияющие 1, а общий

TCF4,

ПJiан строения м ух и. Наим ен е

вы сти лке киш ечн ика .

вред н ы е и з м утаций ведут

rеиом семей ства

TCF,

которы й э кс прессируется в

к появле , rию бес крылых мух; большинство же нарушений

Продолжеиие иа с.

648

приводят к см е рти зародыша. Но во всех случ аях н ару ш е­

ння, видимо, воз и икают из-за из м енений э кспрессии генов.

Это заставляло предположить, что Armadi llo, а значит, и его

(А) В ОТСУТСТВИЕ СИГНАЛА

Wnt

болтов и гаек в а ппарате клеточ1-10й адгезии, ,ю и r<ак-то
У'-lаствуют в контроле генно й экспрессии.
Сигналы-п,rй пут,, Wп.t был открыт и инт нси в 1-ю изучал­
ся У плодовых муш е1.<, но оказююсъ, что сход ный набо р бел-

, -t~

1<ов контролирует и многи е процессы развития у позво1-юч -

11ьтх, в том числе мьшm и чело ве ка . Выя снилось, что фу н к1-0111 некоторых белков сигн ю,ьно rо пути Wnt у дрозофилы
11 п озвоноЧJ-п,rх практичес!(И потюстыо со впадают. Прямая
связ ь ме:жду р-катенином и ге шюй экспресси е й был а в ы ­
явлен а бла,·ода ря работам на ю,етках мле ко 1титающих . Ка!(

АРС мож,ю использо ват~, в качестве <<нажив r<И>> для поиrvп<и

•

н еактивный

неактивный акт~вирова н-

сигнальны й ныи рецептор

рецеnтор

бело к
акти вны й

-

·а1< и Р-катенин м ожн о использовать как наживку для вы ­

активный
сигнальный
бело к
и н активи ­

рова нный
АРС - содер -

жащий

\..._

~- катенин а

комnлекс

стабильны й

его п арти ера р-катенина с помощью имму11опрецип.итаци11,
1

1
,

1
_ _.,,

АРС -соде ржащий
комnлекс

деградация

Wnt

(Б) ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ

'Ч еловеч ески й гомолог Р-катенин, играют не тот,ко роль

1

неа кт ивны й комnле кс

~- катенин

~ а ктивный комnлекс TCF

TCF

J1аю1 и ва1-~ия следу ющего бе.т1ка в це пи передачи с итала. Им
0

1\азался регулятор тран скри пции LEF- 1fГCF, сокраще н­
но - просто TCF. ОТ(азалось, что у него тоже естъ гомолог в
снп-1 ю1ы-юм п ути Wп.tдрозофилы . Меха~m зм ко 1 1 троля рабо­
ты r нов удююс,, расшифровать, о четая изуче ии е генетики

ДНК

Wnt- ЗАВИСИМЫЕ
ГЕНЫ ВЫКЛЮЧЕНЫ

дрозоф илы и клеточт-rо й б иоло гии млекоrrитающих.

ДНК

ТРАНСКРИПЦИЯ
Wnt-ЗАВИСИМЫХ ГЕНОВ ПРИВОДИТ
К ПРОЛИФЕРАЦИИ СТВОЛОВЫХ

_ ___,, .:Е:.,liс:::О"'"
К.:.,:
КИШЕЧНИКА

Wп t передает сигнал , способствуя Шll<О П лен ию «сво­

бод~ юrо,> р- кате 1-шна (или AгmadHlo у мух) - белка, не свя 3а нно 1·0 с адгез ив н ыми ко нтакта ми . Этот свобол ны й белок

РИС.

ll ерем ещается и з цито плаз мы в яд ро. Та м 01-1 связы вается с

лок Wnt не действует на клетку. АРС ускоряет деграда цию сигнальн о­

Регулятором тра1-1 с1< рипции TCF, и и х компле кс актюзиру­
ет разл ичные Wn t-за ви симые гены, в том чи сле ге ны , 'LЬИ
Продукты стимул иру ют пролиферацию клеток (РИС. 20-50) .
Поте ря акти вност и АР С в ы з ывает рост конце 11 тра­
Цнн ~ - катенин а, в резул ьтат а кти в иру тся TCF, и Wпt­
зависимые ге ны вкл юч а ются даже в отсутст ви Wп t. Но

го белка ~-катен и на . В присутствии Wnt ил и в отсутств ие активного АРС

20-50. Белок АРС блокирует сигнальный путь Wnt, когда бе­

~ - кате нин н ака пливается , об разует компл екс с ре гулятором тра н скр ип ­
ции

TCF, в кл юч ает

т р а н ск р и пци ю Wпt -за в исим ы х ген ов и, в ко н е ч но м

счете , размноже н ие стволовых клеток в кри п тах кишечника. Ин акти в и­

рующие АРС м ута ци и выз ывают развитие оп ухолей толстого ки шечн ика
из-за избыто чн ой акти ва ции сигн альн о го пути

Wnt.

Рак

647


ВЬIЯВЛЕНИЕ ГЕНОВ •.. (продолжение)
· я в и збыточ н ы х кол ич ест вах , с вя зывается с регулятором

Байки из склепа *

т ра н с кр ипции

TCF4 и

в резул ьтате избытоLJНО активирует

Это может звучап, п арадоксалы rо, но один из наиболее

Т

прямых способов установить фу н кцию ге на

-

это воз ­

п ов , ус коряя избыточное раз мн оже н ие стволо вых кл еток

мож н ость по с мотр еть, что п ро и сходит,

t·

н в о р га­

киш е lлшка . Диффер ен цироваш1 ые клетки - потомки тоже

низм е н е работает. Если уда тся в ыл овить пре рван ные

образу ются и слущиваются в п рос вет кишки , н о п о п уля ­

ели

F4 - зависимые ге ны. Это вы з ывает образова 1-1 и е 1 юл и ­

или и з м е н е н ны е кл еточны е п роце ссы, можно начать р ас­

ция кл еток крипт раст т сJ1 и ш ком б ы стро, и механи з м за ­

ш иф ровку функции ге на.

мещен ия н е может подде ржив ать равновесие. В резул ьта­

Дл я этого уче ные создали <mокаут11ы х ,> мыш е й с н е­

работаю щим геном

без

TCF4

TCF4.

Мутац ия эта летал ь на : мы т и

еиб нут вско ре п осле рожде ния. Но у мышат

н аблюдаются и нте ресны е откло н е ния в стро е нии ки ш еч­

те ув ел ичиваются ра з м е р и числ о крипт. Расту щая масса

ткани вып ячи вается в просвет кишки в виде поли гюв ( см.

р ис .

20-51 ).

Следую щие мутации могут преврат ить эти

первиlн-~ы е о пухоли в и н ваз и вн ы й р а к.

ника . Крипты кишечника и их по п уля ции стволовых кле ­

Бол ее 60% всех раковы х о п ухолей толстой и прямой

ток, служащих для обновления ки шечн ого эпителия ( см .

ки ш ки человека соде ржат мутац ии гена А Р С. Интересно ,

рис.

вообще не развиваются! Бы л сделан вывод,

что приме рн о четверть более редких опухолей, в кото ры х

отвеlrает з а п оддержа~1 и е п ула стволо ­

сохраня ется активность АРС , содержат активиру ющие

20-36),

что в норме

TCF4

м утаци и ~ - катеню-1а. Эти мутации повышают устой ч и­

вых клеток ки ше чн ика .

П ри отсутствии АРС выясняется сл едующее : когда
АРС 1-1 е ускоря е т деградацию ~ - катен ина, тот накапл ивает-

вость ~ -катенина к деградации , в ызывая тот же э ффе 1<т,
ч то и утрата АРС. В дей ствительности мутации, повыша­

ющие акгивностr, ~ -кате ни н а, были на йдены и во мн огих
других ти пах раковых опухоле й: п р и м ела н оме, раке же­

* Здес1, 1-1 е п е ре водимая игр а слов

-

<i c гypt » оз н а чает с клад к у

к ише'i!·t ика (кри пту ) и скле п ; <~ Б а йки из с кл еп а ,>
ам ери[(а н с кий ф ит,м ужасов .

-

-

популя рны й

Прим . перев .

лудка и раке пе ч ени. Таким об разом, сигнюп,ный путь Wлt
вклю ч ает разл ичны е ге ны , мутац ии которых могут вызы ­
вать раз витие р ака.

деле 1-1ия клеток крил т вы ст ил ки киш е чника ( см . вы ш е ) .
Ко пщ активность АРС утрач е н а, данный путь гип е ра1<­
тивир ует с я , и э п ител и ал ь н ы е клетки сл ишком а1пив н о

дел ятся , об разуя п ол и п ы ( РИС . 20-51 ) . Внутри растущей
м асс ы тка ни могут пр ои сх одить дал ь н е й ши е м утаци и , что

пр иводит к раз витию ин ва з ивной о пухоли ( РИС. 20-52).

Изучение клеточной биологии
трансформированных клеток п озволяет

разработать новые способы лечения
Ч е м лучше мы п о н има е м улов ки , и с л ользуе мы е рако­
вы м и кле тк а ми дл я

в 1, 1 жив а н ия ,

п р ос тра н е ния 1ю о рг а ни з м у,

-

ра з м н оже н ия

и

р ас·

т е м в ы ш е н а ши ша н с ы

Ра к толс то й и прямой кишки ч а сто начинается с утр а­

п о бедип, и х. З адача это тяжелая , по скольку р ако в r,1 е

ты а ктивности гена АРС , приводящей к росту полипов. (А) Ты сячи

кл етк и мути р уют и , ка к п а раз иты, б ыст ро приоб р етают

небольших поли п ов и немногоч исл е нны е к рупны е поли п ы в вы стилке

устойчиво сть к л е карств а м , и с пол ьзуе мым для бор 1,бы

тол сто го ки ш ечни ка па циента с унасл едова нн ой мута ци ей АРС (у ге н е­

с н ими . Бол ее того, 1 1 о скольку м утации сл у ч а й н ы , в а·

тич ески н о рм ал ьны х людей ин о гда в ыявляются один -два полипа). Если

ри а н ты раз н ови д н о ст и рака мосут им ет ь соб ств енн у ю ,

н е уда лить эту т ка н ь х ирургич еск им пут ем , н ек ото ры е и з п олип о в мо гут

у н икал 1, н у ю ко м б ин а цию м у та нтны х ге нов. П оэтомУ

РИС.

20-51.

из - за п осл едую щи х мута ций пр е в ратиться в злока ч ест в е нны е о п ухол и .

вря 11 л и на й дется м етод, э фф е ктивны й дл я ле ч ения в сех

( Б ) П о п е речный с р ез ч е р ез оди н из п олип о в . Об ратите в ним а ни е н а из­

бол ь н ы х . К тому же ра к об ы ч но н е выявл я ется , по ка

б ы точно раз ви т ы е глубоки е вп яч ива ни я э пители я , соответств ующи е

п е р в ичная опухол ь 1-1 е до стигн ет д и аметра 1 см ил и бо ­

кр и пта м , зап олн е нн ые и зме н е нн ы ми пролифе рир ую щи м и кл етка ми .

л ее, а к этом у мом е н ту о на со стоит из сотен милл ио н оJJ

(А

-

с р аз ре ш е ния

ш е ния Апп е

648

John Northover
Campbell.)

и Сапсег

Research UK; Б -

с р аз р е ­

кл еток, котор ы е уже ге н етич ес ки раз нообраз ны и не р ед·
ко у же м етаст аз иру ют ( РИС.

ГЛАВА 20. Мно го кл еточн ые сообще ств а : тк ан и, ствол о в ы е клетки и ра к

20-53 ) .


яичников приобретают генетическую нестабильность из-за

нормальны й э пители й

утраты белков

ПОТЕРЯ АКТИВНОСТИ

j
!АКТИВАЦИЯ ОНКОГЕНА
!
!
!

(Bcl'a 1 или

Ве га

2), участвующих в точной
6). Раковы е

реларации двунитевых раз рывов ДНК ( см. гл.

ГЕНА-С У ПРЕССОРА

клетки выживают, и слодьзуя друтие механизмы, обеспечи­

ОПУХОЛЕЙ (АРС)

вающие альтернативные способы ре парации ДНК Лекар­

избыточное размножение клеток эпителия

ство, отключающее один из этих альтернативных механиз­

мов, убивает раковые клетки, повышая их генет ическую

(Ras)

нестабиль ность до такого уровня, что клетки при попытке

небольшая опухоль

поделиться логи.бают из-за фрагментации хромосом. На

ПОТЕРЯ ДРУГОГО

нормальные клетки, имеющи е не поврежденный основной

ГЕНА-СУПРЕССОРА ОПУХОЛЕЙ

крупная опухоль

ПОТЕРЯ ТРЕТЬЕГО

ГЕНА-СУПРЕССОРА ОПУХОЛЕЙ (р53)

опухоль становится инвазивной

механизм репарации двунитев ых р азр ывов , это лекарство

влияет слабо, поэтому оно дает мало побочных эффеюов.
Другая многообещающая ст ратегия - блокирование
образования новых кровеносных сосудов, которые обыч­
но проникают в расту щую опухоль ( ВИДЕО20 . 8). При этом
ро ст опухоли останавливается, так как она не по лучает

БЫСТРО~ НАКОПЛЕНИЕ

кровоснабжения. Еще одна гру пп а методов предполагает

МУТАЦИИ

ис пользование механизмов иммунной защиты для унич­

тожения раковых клеток. М етоды основаны на том, что на

метастазирование

п оверхности раковых клеток ест ь опухолесnецифичные

РИС. 20-52. Полипы выстилки кишечника, появившиеся из-за мута­

молекулы, а они моrут служить мишенями для иммун­

ции гена АРС, могут превратиться в раковую опухоль из-за накопле­

ной атаки. В ведение таких олухолеспецисj:>ичных молекул

ния последующих мутаций. На схеме показана возможная последова­

больному может стимулировать его собствеиную иммун­

тельность мутаций , вызывающих типичный случай рака толстой и прямо й

ную систему, ориентируя ее на борьбу с опухолью. Мож­

кишки. Показанные на схеме события обычно растягиваются на

но также получить

10-20 лет

in vitro

антитела против специфичных

и более . Хотя большинство случаев рака толстой и прямой кишки, види­

молекул опухолевых клеток, а затем ввести их пациенту,

мо, начинают развиваться с потери активности гена-супрессора опухолей

АРС, последующая очередность событий может сильно варьировать; мно­

вызвав гибель связавших эти антитела клеток.
При некоторых формах рака становится возможным

гие полипы вообще никогда не превращаются в раковые опухоли .

напрямую воздействовать на продукты н екоторых онко-

Несмотря на сложности, многие виды рака эффектив­
но излечиваются, и перспективы более успешного излече-

100

1·r11Я все болыuего их числа хорошие. Хирургическое уда­
ление остается наиболее эффективной тактикой, и хирур­

r11ческие методы постоя 1шо сове рше нствуются. Во мно­
rих случаях , есл и опухоль н е метастазировала, рак можно

~10

ИЗJ1ечить, просто вырезав ее. Коrда хи рургия ке помогает,

~
:s:

И.слользуется

лечение,

основанное

на

использовании

с:;

о

~

свойств раковых клеток . Например, потеря нормальн ых

с::;

о

Механизмов контроля клеточного цикла может сделать

опухоль можно

,_

а.

Раковые клетки особен н о ч увствительными к поврежде­
ниям ДНК Если норм аль ны е клетки останавливают деле­
нне до тех лор, пока повреждения ДНК не ре11 арированы ,
Раковые клетки делятся несмотря ни на LJТO, и доч ерние

обнаружить

ф

::;;

при пальпации

ro

(10 9 клеток)

:s:

c:t:

опухоль можно

0,1

обнаружить на
рентгенограмме

~,летки могут л огибнуть , унаследовав поврежденный, не ­
полный набор хромосо м. Видимо, благодаря этому рако ­

(10 8 клеток)

вые .r,летки часто удается убить такими дозами радиации
HJrи лекарств, повреждающих ДНК, которые оставляют
l·tормальные клетки более-менее невредимыми .
Эти способы лечения используются давно, но в по­
СJiеднее время активно разрабатываются и новые подходы.

В некоторых случаях (напр имер, при утрате механизмов

10

20

30

40

число удвоений клеточной
популяции опухоли

РИС .

20-53. Опухоли обычно не диагностируются,

пока не достиг­

контроля клеточного цикла) то же свойство, которое делает
Раковые клетки опасными, делает их и более уязвимыми,

нут размеров в сотни миллионов клеток. Здес ь в логарифмиче ском

flозволяя у ниLпожитъ их с помощью направленного воз­
действия. Например, некоторые формы рака груди и ра ка

чем опухоль достигает заметных размеров . Например , типичное вр е мя

масштабе показан рост типичной опухоли. Могут пройти годы , прежде
удвоения для опухолей при ра ке груди

-

около

100 дней .

Рак

649


(А)
ОНКОГЕННАЯ КИНАЗА АКТИВНА
бело к- м и ш е нь

сигнал

-

-

выживания и

ЛЕЙКОЗ

-

пролиферации
клеток

ф

о н ко ген н а я киназа

ОНКОГЕННАЯ КИНАЗА БЛОКИРОВАНА ИМАТИНИБОМ

бело к-миш е нь

_

сигнал

_

отсутствует

ЛЕЙКЕМИЯ НЕ
РАЗВИВАЕТСЯ

о нк оге нная
ки н аза

РИС .

20-54 . Лекарство иматиниб подавляет активность онкогенного белка и останавливает раз ­

витие некоторых видов рака. ( А } При х ро н ическом миел оидн ом лейкозе п роисходит сверхактивное
размножение лейкоцито в . Ан омаль н ое п оведе н ие клеток п о чти всегда с в язано с определе н ной мутаци­
ей (хр омосом но й тра н сл ока цией}, вли яю щей н а акт и вность ге н а А Ы, кодирую ще го ре це птор н ую тиро­

зинкиназу. Пр и мутации возникает онкогенная форма АЫ, ее белковый продукт ги п ерактивен; он фос­
форилирует друг и е бел ки, п остоян н о ге н ерируя в нутриклеточн ый сиг н ал , п ро воцирующий изб ы точное

разм н оже ни е л ейко цитов. И матиниб разме щается в АТФ -с в яз ываю щем уч астке ги п е р актив н ой к ин азы и
предотвращает перенос фо сфатной группы с АТФ на тирозин белков-ми ш еней. П ода вл ение акти в ности
ки н азы бл оки рует дал ьнейшую переда ч у си гнал а, стимул и рую щего выживание и деление клеток . Има­
ти н иб эффективен и п ри других формах рака, связа нны х с мута ц иями о н когенов, кодирую щих похожие
на АЫ тироз ин к и назы. ( Б ) Ком пл екс иматиниба (темно-синий) с тирози н ки н азным доменом белка АЫ
( л енточная модел ь} п о данным рентгенострукту р ного анал иза. (Б

-

с разрешения

AAAS из Т . Schindler

et а/. , Science 289: 1938-1942, 2000. )

генов, блокируя их вредоносное действие. Например, при

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

хроническом ми елоидном лейкозе (ХМЛ) раковы е клеши

неправ ильно ведут себя из-за мутации в ге1-1е сигналь1-1ого

•

белка (тироз иновой протеиюшназы), вызывающей несво­

•

евремен1-1 у ю прол иферацию ю1 еток. Было создано лекар­

ство

Gleevec (иматиниб) -

ном из 1.tеллюлоз ы и д р ушх полисахщ>Идоо.

•

взошел все ожидания: у многих больиых раз множе ни е и

ческое да11лен и е, поддержи11ая упругость т1са н ей р астен:ия,

•

ным и при не которых других формах рака, при которых

ных сте н ок обес п ечивают устой ч ивость к сжати ю.

•

ром време ни , вооружившисr, знаниями по мо лекул ярной

биологии рака, мы сможем разработать эффе 1<тиш 1 ые и

•

У ж ив отных меха ни чес,сую прочность тела обес печиваю'f
соед 1н~ительные т1са пи; о них много онеклеточ 1юrо матрик·

вариаюов этой болезни. В е рно и обратное: изу l1 ени е рака
гии . Примен ени е получ енных зн аний далеко н е ограничи ­

Орие н тация целлюлозных волоко н контролирует налра11·
ле1-rия 11 ы тяжения клеток при р осте растений.

рацион ал 1,ные методы лечения для более широкого кру га

многое дало для понимания основ молекулярной биоло­

Целлюлозные 11олок на клеточных сте 1ю1С расте ний обесnе·
чив а ют пр о •11ю сть н а разрыв; другие компоне н ты клеточ·

активны схощ1ые о~rкоrены.

Судя по эт им лрим е рам , можн о надеяться, что в ско­

Ли ш е н н ы е клеточных стенок раститель н ые клетки хру п ·
к и е, н о на кдеточ11ую сте нку о ни мо ,·ут оказы11ать осмоти ·

выживание раковых клето к было подавле но, наблюдалас 1,
длительная ремиссия . Это лекарство оказалось эффектив­

У растений каждая клетка окр ужает себя онеКJ1 ето чн ы111
матри ксом в в иде 1Слето ч ной сте 1ши, состоящей о основ·

н ебольшая молекула , блокиру­

ющая активность этой ки1-1аз ы ( РИС. 20-54). Результат пре­

Т1са н и состо я т из клеток и онеклето •шоrо матрикса .

са и мало клето к .

•

Клетки соединительн ых тка ней окружены бедко11ым.и •1
полисахаридными компонентами матрикса, которые 01111

вается ле чени ем раковых заболева ний ; они дают нам по­

сами секретируют; в бодьшинст11е соединительных тканей

иима~-~и е того, как работают все живые с истем ы.

эти клетки назы11аются фибробластами.

650

ГЛАВА 20. Многоклеточные сообщества : ткани, стволовые клетки и рак


•
•

Про•жость на разрыв внеклеточного матрикса животных

обесnе•швают воло1ша белка коллагена.
Трансмембранные белки интеrрюrы связывают белки вне1,леточноrо матрикса, та1сие 1сак коллаген и фибронектин, с

•

внутриклеточными белками цитоскелета .

клето•uюм матри~ссе роль наполнителя и обеспечивающие

•
•

•

В эпителиальных пластах, в отличие от соединительных
к клет~се через меж~слеточ1rые ~сонтакты.

Бешен семейства кадrеринов пронизывают мембраны эпи ­
ми на соседних клетках эпителия .

В адrезивных конта~стах 1садrерины связаны с внутрюсле­

•

-

с

Соедине1шые пучки актина в клетках эпителиального пла­
ста могут сокращаться, вызьшая изгибание пласта .

Полудесмосомы прикрепляют базальные концы клеток
слою внеклето•шого матрюсса.

Плотные контакты сшивают соседние клетки эпителия,
создавая барьер для диффузии водорастворимых веществ

•

через эпителий.

Щелевые 1сонтакты образуют каналы, через которые из
одной клетки в другую могут проходить малые молекулы
и ио~rы; плазмодесмы растительных клеток имеют ту же

•

•

Мутации могут вызывать рак, превращая протоонкоrены в
rиперактивные он~соrены или инактивируя гены-супрессо­

ры опухолей.

•

Гены-супрессоры опухолей иногда удается идентифици­
ровать, изуча11 подверженные ра1еу семьи, в которых одна
мутантная копия гена наследуется.

•

Знания моле1сулярных нарушений в ~слетках опухолей
определенного типа позволяют на,1ать разработку эффек­

тивных специфичных методов лечения.

кератиновыми промежуточными филаментами .

эпителия к базальной пластинке, специализированному

•

Большинство ра1совьrх ~слеток челове1еа несут мутации гена
личии поврежденнй ДНК

точными актиновыми филаментами, а в десмосомах

•

ляет им неограниченно долго делиться.

Все внеuгние и внутренние поверхности тела животных вы­

телиальных ~слето~с и связываются с похожими кад1·ерина­

•

В раковых ~слетках обычно активна теломераза, что позво­

устойчивость к сжатию.

тканей, нап1жение 11ередается непосредственно от ~слет~си

•

Раковые клетки генетичес~си нестабильны, для них харак ­
терен повышенный темп мутирования; многие имеют ано­

р53, позволяющие им выживать и делиться даже при на ­

стланы клет~сами, соединенными в эrштелиальные пласты.

•

Рак воз,rnкает из-за накопления многих мутаций в одной
линии соматичес1еих 1елеток.

мальный 1,ариотип.

Глюсозаминоглюсаны (ГАГ), ковалентно связанные с бел ­
~сами, формируют nротеогш1каны, вьшол11яющие во вне­

•

•
•

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ
адrезианwй контакт

интеrрин

апикаn1онwй

кадrерин

баэаn1онан мембрана
баэаn1он111й
бenoкWnt
анекnеточнwй ма-

биnьноm
rен-супрессор опу-

хоnей

функцию, 1ю иное строе,rие.
Большинство тканей позвоночных - сложная смесь посто­
янно обновляющихся ~слеток разных типов.

Для поддержа1rия строения и для обновления тканей

rnикозаминоrnикан

(ГАГ)
десмосома
индуцироааннwе

взрослого организма используются те же основные формы

м~орипотентнwе

клеточной шстивности, которые обеспечивают развитие

cтaonoawe кnетки

зародыша: размножение, движение и дифференцировка

(ИПСК)

ткан~,

кnеточнан стенка

стаоnоаан кnетка

комаrен

терапевтическое

межкnеточнwй контакт

кnониравание
ткан~,

метастаэw, метаста-

трикс

rенетическан неста-

соединитеn1онОJ1

эироаание
онкоrен
маэмодесма

мотнwй контакт
поnудесмосома
протеоrnикан
протоонкоrен
рак
репродукти1ное

фибробnаст
фибранектин
Ц8МIOJ103HOR

микрофибрима
щеnеаой контакт

.мбрионаn1он111е
cтaonoawe кnетки

(ЭСК)
sпитеnий

кnонироаание

сиrнаnьнwй путь Wnt

клеток. Как и в развитии, эти процессы ~сонтролируются

межю1еточной ~соммуникацией, избирателыюй клето•rной

•

адгезией и ~слеточной памятью.

Новые терминально дифференцированные ~слет1си обра­

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

зуются из потомков стволовых 1елето1е, обычно через ста­
дию образования а~стивно делящихся 1елето1е-предшест­

•

•
•

•

веюшц

ВОПРОС20-9

Какие из следующих утверждений верны? Ответ поясните.

.

Эмбриональные стволовые ~слетки (ЭСК) могут неограни­

А. Щелевые контакты соединяют между собой цитоскелет сосед­

'tенно долго размножаться в культуре, сохраняя способ­

них клеток или цитоскелет с внеклеточным матриксом.

ность к дифференцировке в любой тип клеток организма .

Б. Увядший лист растения можно уподобить сдувшейся велоси­

Индуцированные

педной шине .

плюрипотентные

стволовые

1елет1еи

(ИПСК), напоминающие ЭСК, можно получить из 1СЛето1е

В. Благодаря жесткой структуре молекул протеогликаны могут

взрослого челове1са, искусственно вызвав в них э1еспрес­

противостоять сильному сжатию .

сию небольшого числа 1слючевых генов .

Г. Базальная пластинка

Раковые клет1еи не подчиняются социальным ограничени­

ного матрикса, к которому прикрепляется пласт эпителиальных

ям, 1соторые поддерживают нормальную структуру тка­

клеток .

ней: они размножаются и выживают, когда не надо, и про­

Д. Клетки кожи постоянно слущиваются и полностью обновля­

-

специализированный слой внеклеточ­

никают куда не надо .

ются в течение нескольких недель; поэтому при н анесении по­

Табачный дым вызывает больше случаев ршсовых заболе­

стоянной татуировки краска должна проникать глубже слоя эпи­

ваний, чем любой другой средовой мутаген.

дермиса.

В опрос ы в ко н це глав ы

651


Е. Хотя стволовые клетки не дифференцированы , они специали ­

ВОПРОС

зированы, и поэтому дают начало только определенным типам

У акти вных курильщи ков или рабочих промышленных предпри­

клеток.

ятий, в теч ен ие корот кого времени контакт иров ав ши х с ка нцеро­

20-17

генами , которые вызывают мутации , ч астота раковых заболева ­
ВОПРОС

ний , связанных с воздействием эт их канцерогенов, обычно воз­

20-1 О

Какие из перечисленны х веществ могут перемещаться из клет­

растает только ч ерез

ки в клетку (а) через щелевые контакты и (б) через плазмодес ­

столь длительную задержку?

1О , 20

и более лет. Чем мож но объяснить

мы : глутаминовая кислота, иРНК, цАМФ , ионы кальция , G -белки ,
фосфолипиды плазматической мембраны?

ВОПРОС

20-18

Высокий уровень женского полового гормона эстрогена увеличи ­
ВОПРОС

вает вероятность развития не к оторых форм рака . Поэтому неко·

20-11

Обсудите следующее утверждение : « Если бы клетки растений

торые ранние варианты оральных контрацептивов, содержавшие

содержали промежуточные филаменты, способные противосто­

большое количество эстрогена, были выведены из употребле ·

ять силе растяжения , то клеточные стенки были бы для них бес­

ния

полезны ».

суалы мужского пола, использующие эстроген для придания себе

-

оказалось , что они повышают риск рака матки . Транссек ·

женс кой внешности, чаще страдают от рака груди . Высокий ура·
ВОПРОС

вень андрогенов (мужских половых гормонов) увеличивает риск

20-12

Щелевые контакты, пропуская малые молекулы и ионы, обеспечи­

некоторых других форм рака

вают метаболическую и электрическую связь между клетками . Как

ли сделать вывод, что эстроген и андрогены

-

например, рака простаты . Можно

-

это мутагены?

вы думаете , почему нейроны при этом соединяются главным об­
разом через химические синапсы , а не через щелевые контакты?

ВОПРОС

20-19

Является ли рак наследственной болезнью?
ВОПРОС

20-13

Желатин состоит в основном из коллагена, который обеспечи­
вает необычайную прочность на разрыв многих соединительных
тканей . Желатин

-

один из основных компонентов желе; как вам

180

должно быть известно из опыта поедания клубничного желе , оно

обладает очень малой прочностью на разрыв . Чем это объясня­
ется?

160

ВОПРОС

20-14

«Строение организма определяется геномом , содержащимся в

яйцеклетке» . На чем основано это утверждение? Друг возражает
вам и говорит: « Попробуй заменить ДНК в яйце аиста на челове ­
ческую, и посмотрим, получится ли человеческий детеныш! » Что
вы ему ответите?

140
о
о
о

о
о

120

ro
::i:
ro
"'ro 100
а.
а)

ф

ВОПРОС

ro

20-15

Лейкемия

-

разновидность онкологического заболевания, при

S,

80

5

котором из-за мутаций слишком быстро размножаются лей ­

<:;

коциты. Обычно ею заболевают в более раннем возрасте , чем

:s:

о

u

60

т

другими видами рака . Предложите возможные объяснения этого

40

факта .
ВОПРОС

20-1 б

20

Внимательно рассмотрите график на РИС. В20- 16 . На нем по ­
казана зависимость от возраста числа случаев возникновения

о -----1О 20 30 40

рака толстого кишечника (впервые диагностируемых ежегодно

на

100 ООО женщин).

Почему кривая на графике так резко изогну­

652

60

70

80

возраст (годы)

та , если мутации происходят примерно с одинаковой частотой в
течение всей жизни человека?

50

РИС. В20 - 16

ГЛАВА 20. Многоклеточные сообщества: ткани, стволовые клетки и рак


Ответы

Глава 1

более удобной обуви. Этот пример показывает, что случайные
измене н ия могут привести к заметным усовершенствованиям

ОТВЕТ 1-1

конструкции, если существует давление отбора , а число по п ыток

Попытка определить понятие жизни путем перечисления ее

достаточно велико .

свойств

-

довольно безнадежное занятие , как показывают ре­

зультаты этого упражнения (ТАБЛ. А 1-1 ). Пылесосы

-

объекты

ОТВЕТ

1-3

со сложной организацией , они получают вещества и энергию из

Весьма маловероятно , что в таком эксперименте вы наблюдали

окружающей среды , преобразуют энергию в движение , отвечают

самозарождение. Гораздо более вероятно, что в ваш бульон по­

на внешние стимулы (команды оператора) . С другой стороны, они

пала спора из воздуха , проросла там и дала начало клеткам, ко­

не размножаются , не растут и не развиваются - но этого не дела­

торые вы наблюдали. В середине XIX в . Луи Пастер п ридумал из­

ют и старые особи животных. Для томатов не характерны быстрые

ящное устройство , чтобы опровергнуть широко бытовавшую в то

ответные реакции на стимулы и т. п. Занятно, что в стандартных

время веру в возможность самозарождения жизни . О н показал,

определениях жизни обычно не упоминается химическая основа

что в напол ненных питател ьным бульоном сосудах никогда не

земной жизни - то , что живые организмы состоят в основном из
органических молекул (соединений углерода) . Как нам теперь из­
вестно, главные « информационные молекулы » - ДНК, РНК и бел­

лизовать нагреванием. Ем у удалось обойти возражения тех , кто

ки - имеют сходное строение у всех живых существ.

появляются микробы, если их перед этим тщательно простери­
утверждал, что при стерилизации в сосуде остается мало кисл о­

рода или что стерилизация уничтожает « жизненную силу ». Для

ТАБЛИЦА А 1-1. Сходство признаков «живого " у пылесоса ,
томата и человека

этого он использовал специал ьный сосуд с тонким изогнутым
горлышком, которое препятствовало по п аданию в среду спор из

воздуха ( РИС.

01-3 ). В кулыуральной жидкости в таких сосудах

Признак

П ылесос

Томат

Человек

никогда не появлялись микроорганизмы; однако легко было про­

Сложное строение

Да

Да

Да

демонстрировать , что они могут в ней развиваться, смыв нем н о­

Гомеостаз

Да

Да

Да

го п ыли из изгиба горлышка в сосуд .

Размножение

Нет

Да

Да

Развитие

Нет

Да

Да

Потребление энергии

Да

Да

Да

Быстрые ответы

Да

Нет

Да

Нет

Да

Да

на раздражители

Приспособляемость

ОТВЕТ 1-2

60льшинство

случайных изменений в конструкции обуви приве­

дут к очевидным дефектам . Туфли с несколькими пятками , без
подметок или с нелепыми пропорциями , очевидно не вызовут
спрос; против них будет направлено действие отбора (рыноч­
нь~х механизмов) . Другие изменения (например, небольшие

Вариации цвета или размера) могут оказаться нейтральными.

Однако небольшая часть изменений может привести к появле­

нию более покупаемых моделей : например, глубокие борозды на
Ранее гладкой подметке могут придать лучшие качества , полез­
нь~е при сырой погоде ; утрата высоких каблуков - к созданию

РИС.

обычный сосуд

сосуд с изогнутым

(контроль)

горлышком (опыт)

01-3

ОТВЕТ

1-4

Массу, равную массе Земли , имеют 6 х
12

10-

г) . А

6 х 10 = 2
39

1120

1039 бактерий( = 6 х 10 27 г/

в соответствии с уравнением экспонен­

циального роста . Решение этого уравнения дает

t = 2642

(44 ч) .

3,5

Это всего

сменилось уже

132 поколения(!) ;

5 х 1014 поколений

а за последние

мин

млрд лет

бактерий . Н о , конечно , общая

масса бактерий на планете вовсе не близка к массе Земли . Это
показывает, что экспоненциальный рост может иметь место


лишь в течение нескольких поколений

-

в кратчайшие моменты

живые объекты и легко проходит сквозь воду, что позволяет рас­

времени по сравнению с временем эволюции . В любых реальных

сматрив,,ать живые клетки. Электронная микроскопия

условиях нехватка пищевых ресурсов быстро начинает ограни­

более сложный метод как в плане приготовления препаратов

-

гораздо

(требуется полностью обезводить образец, изготовить очень

чивать рост.

Этот простой расчет показывает также, что способность
быстро расти и размножаться при обилии пищи

тонкие срезы и окрасить их с помощью электронно-плотного

лишь один

тяжелого . металла), так и по уровню сложности инструментария .

из факторов , обеспечивающих выживание вида. Обычно пищи

В электронный микроскоп нельзя наблюдать живые клетки . Од­

-

мало , и особи одного вида конкурируют друг с другом за ограни­

нако разрешение электронного микроскопа гораздо выше; лег­

ченные ресурсы. Естественный отбор благоприятствует мутан­

ко различать объекты величиной всего в

том, выигрывающим в этой конкуренции или приобретающим

детали строения микротрубочек , митохондрий или бактерий, их

1О

нм . Чтобы увидеть

способность использовать источники пищи , недоступные для их

нужно изучать с помощью электронного микроскопа. Но их ме·

соседей.

стоположение можно определить и с помощью светового микро·
скопа, если окрасить их специальными красителями.

ОТВЕТ

1-5
См . РИС. 01-5 [видимо, обе мембраны митохондрий (как и хло­

ОТВЕТ

ропластов) имеют бактериальное происхождение: предками

Поскольку основы жизнедеятельности всех клеток очень схожи ,

1-8

их были грамотрицательные бактерии , имевшие две наружные

можно многое узнать о раке на основе изучения модельных си·

мембраны .

стем. Пекарские дрожжи

-

Прим. перев.] .
пространство, предположительно
соответствующее цитозолю

предковой аэробной бактерии

мембрана, предположительно

(содержит ДНК)

соответсующая мембране

-

хорошая модельная система, так как

их клетки устроены намного проще, чем раковые клетки челове·

ка. Дрожжи дешево культивировать и можно получать в больших
количествах, с ними гораздо проще проводить генетические и

биохимические опыты, чем с человеческими клетками. Это по·
зволяет использовать дрожжи для расшифровки основных зако­

аэробной бактерии

номерностей, управляющих делением и ростом клетки . Раковые

клетки делятся когда не надо (и поэтому дают начало опухолям),
так что понимание общих механизмов деления напрямую связа­

но с проблемой рака.

Society и

National Cancer lnstitute, American Cancer

многие другие учреждения и организации , занятые по·

иском средств борьбы с раковыми заболеваниями, активно под·
держивают фундаментальные исследования многих аспектов

клеточного деления, проводимые на различных модельных объ·
ектах, включая дрожжей.
ОТВЕТ

1-9

Проверьте свои ответы, используя словарь терминов и вклад·
мембрана . предположительно
соответствующая клеточной

ку

1-2 (с. 35).

мембране предковой
эукариотической клетки

РИС.

ОТВЕТ

1-10

А. Неверно . Наследственная информация закодирована в ДНК

01-5

клетки , и она, в свою очередь , определяет состав клеточных бел·
ков.

ОТВЕТ

Б . Верно . У бактерий нет ядра .

1-6

Заглатывая твердые частицы (например , частицы пищи), клетки

В . Верно . Число хромосом различается у разных организмов , но

эукариот могут присваивать и более эффективно использовать

постоянно во всех клетках данного организма [у многих орган из·

их в качестве пищевого ресурса . Бактерии, напротив, не могут
захватывать куски пищи; они вынуждены выделять пищевари­

мов клетки отдельных тканей полиплоидны (содержат более двух
наборов хромосом). Встречаются и другие отклонения от этоrо

тельные ферменты во внешнюю среду, а продукты переварива­

правила.

ния могут доставаться и соседним клеткам.

Г. Неверно . Цитозоль

-

Прим. перев.].

-

это цитоплазма минус органеллы.

Д . Верно . Ядерная оболочка
ОТВЕТ

-

это двойная мембрана. Митохон·

дрии также окружены наружной и внутренней мембранами .

1-7

Световую микроскопию гораздо проще использовать, для нее

Е. Неверно. Protozoa - одноклеточные организмы, и у них нет

не нужны столь сложные инструменты . Легко можно рассма­

разных тканей . Однако их клетки имеют сложное строение и мно·

тривать объекты размером в

1 мкм;

нижний предел разрешения

го разных специализированных структур.

составляет 0,2 мкм (теоретический предел, накладываемый дли­

Ж. Отчасти верно . Пероксисомы и лизосомы содержат фермен­

ной волны видимого света) [в настоящее время с помощью не­

ты, которые могут расщеплять вещества цитозоля или вещества ,

скольких разных методов этот предел превзойден и достигнуто

поглощенные клеткой. Но следует отметить , что многие из этих

разрешение в

веществ используются как источники пищи , и их нельзя назвать

10-15 нм (см . http://elementy.ru/lib/431109?page_
design=print). - Прим . перев.]. Видимый свет не повреждает

654

Основы молекулярной биологии клетки

« ненужными » .


ОТВЕТ 1-11

ОТВЕТ

Отдельная клетка моз га среднего размера весит 10-9 г
(=1000 г/ 10 1 2 ) . Поскольку объем одного грамм а воды - это

10 13 = 211111. Так что

1 мл = 1 см 3 (= 1о- 6 м 3 ) , объем одной клетки - 10-15 м 3
(= 10-9 г х 1О- 6 м 3 /г) . Извлечение кубического корня дает длину
стороны в 10-5 м , или 1О мкм (106 мкм = 1 м) для каждой клетки .
Страница книги имеет площадь 0,057 м (= 21 см х 27,5 см) , а
каждая клетка имеет проекцию в 10-10 м 2 ( 10-5 м х 10-5 м) . Сле­
довательно, на этой странице в один слой поместится 57 х 107
клеток( = 0,057 м 2 ; 10- 10 м 2 ). 10 12 клеток, таким образом , займут
1750 страниц( = 10 12 /[57 х 107]) .

1-16
пройдет всего

43 дня (t = 13/log(2)). Это объ­

ясняет, почему некоторые виды рака столь стремительно про­

грессируют. Однако многие раковые клетки делятся гораздо

медленнее или погибают из-за внутренних нарушений или недо­
статочного кровоснабжения ; поэтому обычно рак прогрессирует
гораздо медленнее.

ОТВЕТ1-17

Живые клетки возникли иэ неживой материи , но они растут

и размножаются . Как и материя, из которой они возникли ,
клетки подчиняются законам физики (в частности , термо­

ответ 1-12

динамики) и химии. Например , они не могут создавать энер­

В этой растительной клетке А - это ядро , Б - вакуоль, В - кле­

гию

точная стенка и Г - хлоропласт. Масштабная линейка - около 1О

трат свободной энергии . Мы можем описать практически все

мкм (диаметр ядра) .

клеточные процессы, такие как метаболизм, катализ, сборку

de novo

или строить упорядоченные структуры без за­

мембран или удвоение ДНК как сложные химические реак­

ОТВЕТ 1-13

ции , которые можно воспоизводить в эксперименте, видоиз­

Три главных разновидности цитоскелетных нитей - это актино­

менять и изучать в пробирке .

вые филаменты , промежуточные филаменты и микротрубочки .

Несмотря на фундаментальную сводимость к более про­

Актиновые филаменты задействованы в быстрых движениях

стым явлениям, живая клетка

клетки , таких как сокращение мышечной клетки. Промежуточ­

ставных частей . Например , из случайной смеси белков , нукле­

ные филаменты обеспечивают механическую прочность (на­
пример, в клетках эпидермиса кожи) . Микротрубочки играют

иновых кислот и других веществ в пробирке живая клетка не

Роль «железнодорожных магистралей » для внутриклеточного

структуре , которая возникла в процессе эволюции. Клетки

транспорта, а также растаскивают хромосомы во время деле­
ния клетки. Другие функции элементов цитоскелета рассма­
триваются в гл . 17.

лении дочерним клеткам передаются как химические компо­

ОТВЕТ 1-14

увеличению площади предсуществующей мембраны ; всегда

Мутантные клетки станут в культуре более многочисленны­

передаются и рибосомы, частично состоящие из белков и вы­

ми меньше чем за сутки - всего через 20 ч . Используя при­
веденное в вопросе уравнение , можно рассчитать , что число
исходных бактериальных клеток («дикого типа » ) через время t

которых состоят рибосомы.

-

это не просто сумма ее со­

возникнет. Клетка работает благодаря своей упорядоченной

всегда образуются из предсуществующих клеток , и при де­
ненты , так и структуры материнской клетки. Например, плаз­
малемма никогда не возникает заново , но растет благодаря

полняющие функцию синтеза новых белков, включая и те, из

(мин) после возникновения мутации составит 106 х 21120 . Число
Мутантных клеток в момент времени t составит 1 х 21115 . Чтобы

ОТВЕТ

определить , когда мутантные клетки « перерастут» клетки дико ­
rо типа, нужно просто приравнять друг друга эти два выраже­
ния (т. е. составить уравнение 106 х 21120= 21115 ) . Взяв десятичный
логарифм каждой части уравнения и решив его для t, получим

ализированные функции и взаимодействуют друг с другом. Бла­

t = 1200 мин (20 ч) . В этот момент культура будет содержать

2 х 1024 клеток (106 х 260 + 1 х 280 ) . Между прочим , 2 х 1024 бакте­
Риальных клеток, каждая из которых весит 10- 12 г, будут весить
2 х 10 12 г (= 2 х 109 кг, или 2 млн тонн!) . Ясно, что этот экспери­
мент может быть только мысленным .

1-18

В многоклеточном организме разные клетки выполняют специ­
годаря этому многоклеточные организмы могут использовать

источники пищи , недоступные одноклеточным . Например, рас­
тение проникает корнями в почву и одновременно поглощает ли­

стьями световую энергию и углекислый газ из воздуха. Защищая
свои репродуктивные клетки с помощью других специализиро­

ванных клеток, многоклеточные организмы приобретают новые

способы выживания в неблагоприятных условиях или борьбы с
хищниками. При исчерпании пищи многоклеточный организм
моет сохранить свои репродуктивные клетки , позволяя им ис ­

ОТВЕТ 1-15

В ДНК бактерий постоянно возникают мутации. Если на попу­

ляцию клето к действует яд, одна или несколько клеток могут
Приобрести мутацию, делающую их устойчивыми к r;щу. Анти­

пользовать ресурсы соседних клеток или даже поедать их (что

нередко и происходит) .
ОТВЕТ

1-19

биотики действуют на бактерий как яд, поскольку они связы­

Рассчитанные объем и площадь поверхности бактериальной

ваются , например , с определенными бактериальными белка­

клетки составляютсоответственно5,24 х 1о- 1 9 м 3 и3, 14х 1о- 1 2 м 2 ;

ми ; если поверхность белка слегка изменится , то антибиотик

для животной клетки

будет связываться с ним слабее или не будет вовсе. Такие
Мутантные бактерии будет продолжать быстро делиться , а
темп размножения их сородичей замедлится. Вс коре культура

будет в основном состоять из бактерий , устойчивых к анти ­
биотику.

- 1, 77 х 10-15 м 3 и 7,07 х 10-10 м 2 • Исходя из
этого , отношение площади поверхности к объему - 6 х 106 м - 1
для бактериальной клетки и 4 х 105 м - 1 для животной . Иными
словами, хотя объем животной клетки больше в 3375 раз. пло­
щадь ее мембраны больше только в 225 раз. Но если учесть
при расчете внутренние мембраны, то окажется, что отноше-

Ответы

655


ние площади мембран к объему обеих клеток примерно оди­

тельно стабильной среде и имевшая повышенные шансы раз ­

наковое . Таким образом , благодаря внутренним мембранам

множения и дальнейшей эволюции .

эукариотические клетки могут достигать более крупных раз­
меров , сохраняя при этом достаточно большую относитель­

ОТВЕТ

ную площадь мембран , что

См . РИС .

ющих главах

-

-

как будет показано в последу­

1-21
01-21 .

необходимо для выполнения многи х важных

функций .

ОТВЕТ

1-22

При кратком осмотре на поверхности клетки можно заметить
ОТВЕТ

бьющие реснички ; и х наличие говорит о том , что это эукари­

1-20

Существует множество свидетельств происхождения от об ­

отическая клетка . Если реснички не обнаружатся , что весьма

щего предка . Анализ ныне живущих клеток показывает уди ­

вероятно , придется искать другие отличительные черты. Мо­

вительное сходство их основных компонентов, выполняющих

жет быть , посчастливится увидеть деление клетки . Рассма ­

внутриклеточные функции, при всем разнообразии самих кле ­

тривая его с помощью подходящей оптики , можно заметить

ток . Например , многие метаболические пути разных клеток

конденсированные митотические хромосомы, опять - таки ха­

сходны . У всех живых клеток одинаковы мономеры нуклеино­

рактерные для эукариот. Можно зафиксировать клетку и по ­

вых кислот и белков , несмотря на то что другие компоненты

красить ее красителем, избирательно окрашивающим ДНК .

(например, аминокислоты с иными радикалами) , вероятно,

Если она содержится в четко отграниченном ядре, это эука­

могли бы функционировать столь же успешно . Нередко так­

риотическая клетка , а если четко выраженного ядра не видно ,

же оказывается, что важные белки у прокариот и эукариот

клетка может оказаться про ка риотической . Другой вариант

имеют сходную до деталей структуру. Теоретически белки ,

покрасить клетку красителем, связывающим актин или тубу­

-

выполняющие определенную функцию, могут быть устроены

лин (эти белки у эукариот высоко консервативны, а у бактерий

по - разному. Совокупность фактов неопровержимо показыва­

отсутствуют) . Можно после заливки изготовить тонкие срезы

ет, что наиболее важные процессы были « изобретены » только

и рассмотреть клетку с помощью электронного микроскопа :

однажды , а затем в ходе эволюции претерпевали лишь тонкую

проверить, будут ли видны в ней органеллы , например , мито ­

настройку, чтобы соответствовать конкретным нуждам разных

хондрии? Можно покрасить ее с помощью красителя Грамма ,

по специализации клеток.

специфичного для молекул клеточной стенки некоторых групп

Тем не менее маловероятно, что первая живая клетка вы­

бактерий. Но все эти тесты могут и не дать окончательного от­

жила и стала общим предком современного мира живой при­

вета . Чтобы получить точный ответ, нужно попытаться (с ис­

роды. Так как эволюция не является направленным процессом

пользованием сложных методик , описанных в последУющих

с предопределенным прогрессивным усложнением, гораздо

главах этой книги) проанализировать последовательности мо­

более вероятно, что осуществлялось множество неудачных

лекул ДНК и РНК , содержащихся в клетке . Последовательно­

проб : ранние клетки некоторое время размножались , а затем

сти высоко консервативных молекул , например РНК , состав­

вымирали, поскольку не могли адаптироваться к изменениям

ляющих скелет рибосом , служат « молекулярной меткой », по

среды или проигрывали в конкуренции с другими клетками .

которой можно определить, относится ли клетка к эукариотам ,

Мы можем , таким образом , предполагать , что общая пред­

бактериям или археям . Если обнаружить РНК не удается

ковая клетка

-

это « счастливая » клетка, возникшая в относи -

цитоскелет

~----

рибосомы

транскрипционны й

митохондрия

х ромат ин комплекс

РИС .

656

возможно , перед вами не клетка , а комочек грязи.

Основы молекулярной биологии клетки

01 -21. С разрешения D. Goodsell .

-


Глава

2

1 л воды - 1 кг. Таким образом ,
55,6 М (= 1000 [г/л][18 г/моль]) , и

концентрация воды в воде

-

искомое отношение числа ио­

0ТВЕТ2-1

нов нр• к числу молекул нр-

Вероятность очень высока из-за огромного значения числа

начает, что в нейтральной среде только две молекулы воды из

Авогадро . Исходная чашка содержала один моль воды , т. е .

миллиарда диссоциируют на ионы .

6 х 1023 молекул, а объем мирового океана в кубических санти­
метрах - 1,5 х 1024 . После смешивания в каждом кубическом
сантиметре окажется в среднем 0,4 молекулы « греческой » воды
(6 х 1023/ 1,5 х 1024 ), или 7,2 молекулы в каждых 18 г воды Тихого

1,8 х 10-9 (= 10·7/55,6);

это оз­

ОТВЕТ2-6

Ошибки на рисунке нет. Обратите внимание , что маленькие
атомы водорода соединены с атомом кислорода , а показанные

океана .

более крупными атомы водорода

с атомом углерода . Это от­

0ТВЕТ2-2

лярная, а связь Н-O полярная . Кислород сильнее оттягивает об­

-

ражает полярность соответствующих связей: связь Н-С непо­

А. Атомное число

- 6; атомная масса - 12 (= 6 протонов+ 6 ней­

щие электроны от водорода, в результате радиус электронного

облака атома водорода уменьшается.

тронов) .

Б. Число электронов - шесть (равно числу протонов) .
В . На первом уровне может разместиться два электрона, а на

ОТВЕТ2-7

втором

восемь . Таким образом , углерод для заполнения

Для синтеза макромолекулы с уникальной структурой необхо­

внешнего уровня должен принять (или отдать) четыре электрона.

димо , чтобы в каждой позиции в ней находился строго опреде­

Атом углерода наиболее стабилен , когда он обобществил четыре

ленный стереоизомер. Замена одной L-формы аминокислоты на

-

электрона с другими атомами (включая другие атомы углерода)

О-форму приведет к изменению структуры белка. Поэтому при

при образовании четырех ковалентных связей .

использовании случайной смеси

Г. Изотоп углерода

ения белка его аминокислотная последовательность не опре­

14

С имеет два дополнительных нейтрона в

L- и О-аминокислот для постро­

ядре. Поскольку химические свойства атома определяются чис­

деляла бы единственную структуру

ей соответствовало бы

лом электронов , углерод 14 С химичеки идентичен углероду

множество разных структур

структур , где

12

С.

(2Nразных

N-

число

аминокислот в белке).

ОТВЕТ 2-3

Почему в ходе эволюции в качестве строительных блоков

Утверждение правильное . И ионные, и ковалентные связи фор­

для синтеза белков были выбраны именно L-аминокислоты

мируются на основе одних и тех же принципов. Электронная

загадка ; легко можно представить себе, что в какой-то клетке

плотность может быть равномерно распределена между двумя

некоторые или даже все белки могли бы синтезироваться из

-

взаимодействующими атомами при образовании неполярной

О-аминокислот, если бы для синтеза этих белков использова­

ковалентной связи ; электронная плотность может быть смещена

лись только такие стереоизомеры.

к одному из взаимодействующих атомов при образовании по­
лярной ковалентной связи; наконец, один атом может полностью

ОТВЕТ2 - 8

Уrрачивать электроны , а другой

приобретать их при образо­

Термин « полярность» можно использовать в двух разных значе­

вании ионной связи . Существуют все промежуточные варианты

ниях . В первом варианте он обозначает дирекциональную асим­

-

Между этими типами связей , и для пограничных случаев вопрос

метричность, например линейных полимеров вроде полипепти­

остается дискуссионным, какой считать данную связь

дов , у которых есть N-конец и С-конец, или нуклеиновых кислот,

-

очень

Полярной ковалентной или ионной.

имеющих 3 ' -конец и 5 ' -конец . Поскольку связи в полипептиде
формируются только между амино- и карбоксигруппами ами­

ОТВЕТ 2-4

нокислот, а в нуклеиновых кислотах

Утверждение правильное . Связь водорода с кислородом в мо­

цами нуклеотидов , нуклеиновые кислоты и полипептиды всегда

лекуле воды полярная , и атом кислорода заряжен более отрица­
тельно, чем атомы водорода. Эти частичные отрицательные за­

ленную химическую полярность .

Ряды притягиваются к положительно заряженным ионам натрия
И оnалкиваются от отрицательно заряженных хлорид-ионов .

личиям электрических зарядов химической связи или молеку­

-

только между

3' - и 5' -кон­

имеют два различающихся конца, что придает их цепям опреде­

Второе значение термина « полярность » относится к раз­

лы . Такая полярность обеспечивает формирование водородных

ответ 2-s

А. Ионы гидроксония що•) образуются в результате диссоциации
Молекул воды на протоны и гидроксид-ионы и связывания каждого
протона с молекулой воды (2 нр ➔ нр + н• + он- ➔ нр• + ОН· ) .

При нейтральном значении рН , т. е . без добавления кислоты , даю­

Щей дополнительные ионы нр+, или основания , дающего допол­
нительные он·-ионы , концентрации ионов будут равны. Мы знаем,
~то в нейтральной среде рН = 7,0, т. е . концентрация протонов равна

10·7 М. Концентрация нр• равна концентрации протонов.

Б. Чтобы вычислить отношение числа ионов нр• к числу моле­

кул Н 2 O , нужно знать концентрацию молекул воды. Молекуляр­
ная масса воды - 18 (т. е. молярная масса-18 г/моль) , а масса

связей с молекулами воды , а поскольку растворимость в воде

(гидрофильность) молекулы зависит от ее полярности (в этом
втором значении) , термин « полярность» показывает также рас­
творимость в воде .

ОТВЕТ2-9

Главное преимущество реакций конденсации в том, что они лег­

ко обращаются при гидролизе (а вода всегда доступна в клетке).
Это позволяет клеткам расщеплять собственные макромолеку­
лы (или макромолекулы других, съеденных , организмов) , при­

чем их субъединицы остаются интактными и пригодными для
повторного использования

-

построения новых макромолекул .

Ответы

657


ОТВЕТ2-10

ОТВЕТ2-13

Многие фун к ции , выполняемые ма к ромолекулами , основаны на

А . На трех внутренних эле ктронных уровнях расположено 2,8 и 8

их способности легко объединяться и разделяться . Это позволя­

электронов .

ет клеткам , например , перестраивать свою внутреннюю струк ­

Б . гелий

внешни й уровен ь уже цели ком заполнен

туру при дви жении или делении , а та кже транспортировать ком ­

кислород

приобретает

поненты и з одной органеллы в другую. Ковалентны·е свя з и из-за

углерод

приобретает

натрий

отдает

хлор

приобретает

своей прочности и постоянства препятствовали бы этому.
ОТВЕТ

2 электрона
2 или отдает 4

1
1

В . Гелий с его полностью заполненным внешним электронным

2-11

А. Верно . Все ядра атомов состоят из положительно заряженных

уровнем химичес ки инертен . Натрий и хлор , напротив , весьма

протонов и незаряженных не й тронов (единственное исключе­

реакционноспособны и легко превращаются в стабильные ионы

ние

-

ядро атома водорода , состоящее только из одного про­

тона) .

Na• и С!· , образующие ионные связи (например, в поваренной
соли) .

Б. Неверно. Атомы электрически нейтральны . Число положи­
тельно заряженных протонов всегда уравновешено соответству ­

ОТВЕТ

ющим числом отрицательно заряженных электронов.

Диаметр атома серы гораздо больше, чем атома кислорода , и

В . Верно , но только в отношении клеточного ядра (см . гл .

1),

а не

2-14

из-за больших размеров атома электроны внешнего уровня У

ядра атома , обсуждаемого в этой главе.

серы не так сильно притягиваются к ядру атома , как у кислорода .

Г. Неверно . У многих элементов есть изотопы, различающиеся

Соответственно , связь между серой и водородом намного менее

только числом нейтронов .

полярная , чем между водородом и кислородом. Из-за меньшей

Д . Верно. Большое число нейтронов у некоторых изотопов деста­

полярности сера в молекуле

билизирует ядро , и оно распадается (радиоактивный распад).

атомам водорода в соседних молекулах

H2S не

так сильно притягивается к

Е . Верно . Примерами могут служить гранулы гликогена, запасае­

зи , столь характерные для воды, не образуются .

H2S, и

водородные свя­

R2 -

радикалы амино ­

мые в клетках печени , или жировые капли , состоящие из тригли­

церидов и запасаемые в клетках жировой ткани .

ОТВЕТ2-15

Ж. Верно . Каждая такая связь слабая и легко разрывается в

Реакции изображены на РИС .

результате теплового движения . Но , поскольку при взаимодей­

кислот.

02-15; R, и

ствии между макромолекулами формируется множество таких

связей , общая сила связывания может быть весьма велика, а по­

R1

скольку водородные связи образуются только между правильно

1

H2N - C - COOH

ориентированными группами взаимодействующих ма кромоле­

ОТВЕТ2-12

+ 2 х 1[Н] + 16(0)). Нам

неизвестно п , но мы можем вы­

R1 О

числить относительный вклад каждого элемента в массу целлю­

лозы . Вклад атомов углерода

H2N - C - COOH

ГИДРОЛИЗ 11 КОНДЕНСАЦИЯ

Молекулярная масса одной молекулы целлюлозы равна

п (12[С]

1

+

~ н,о JLн,o ~

кул, они весьма специфичны .

А.

R2

- 40% (= 12/(12 + 2 + 16) х 100%).

1

R2

11

1

H2N - C - C - N -

Таким образом , содержание углерода в целлюлозе , из которой

1

н

состоит эта страница

1

н

C - COOH
1

н

- 2 г (40% от 5 г) . Атомная масса углеро ­
да - 12 г/моль , а в моле содержится 6 х 10 23 атомов или молекул .
Следовательно , в этой странице содержится 1023 атомов углеро­
да[= (2г/ 12[г/моль]) х 6 х 1023 (молекул/моль)].
Б. Объем одной страницы - 4 х 10-5 м 3 (= 21 ,2 см х 27,6 см х 0,07
мм) ; это объем куба с ребром длиной 1,6 см 3 (= 3,/4 х 1Q· 6 м 3 ).
Поскольку из ответа А нам известно, что страница содержит 1023

А. Неверно. Свойства белка зависят и от аминокислотного со ·

атомов углерода, из геометрических соображений следует, что

става, и от того . в каком порядке эти аминокислоты соединень~

ОТВЕТ2-16

между собой . Разнообразие белков определяется тем , что 20

(=3,/1023) . Таким образом , в молекулах целлю­

аминокислот могут соединяться практически бесчисленным ко­

4,6

х

лозы , насквозь пронизывающих эту страницу, содержится около

200 ООО атомов углерода( = 4,6 х 107 х 0,07 х 1о-э м/ 1 , 6 х 10-2 м) .
В. Если атомы углерода (их диаметр 0,2 нм) плотно упаковать, то
толщину страницы (0,07 мм) составят 350 ООО атомов.
Г. Различие в 1,7 раза в двух подсчетах связано с тем , что ( 1) цел­
люлоза состоит не только из атомов углерода и (2) бумага - это
не кристаллическая решетка , где все молекулы расположены

строго упорядоченно (как атомы углерода в кристалле алмаза), а
неупорядоченная сеть с многочисленными пустотами .

658

02-15

107

вдоль каждого ребра такого куба можно разместить

атомов углерода

РИС.

Основы молекулярной биологии клетки

личеством способов, образуя линейные последовательности .
Б . Неверно . Липиды объединяются в бислои благодаря некова·

лентным взаимодействиям . Таким образом, мембрана не явля ­
ется макромолекулой .

В. Верно . Остов молекул нуклеиновых кислот состоит из череду·
ющихся остатков рибозы (или дезоксирибозы в ДНК) и фосфат·
ных групп. Рибоза и дезоксирибоза

- сахара .
Г. Верно . Примерно у половины из 20 природных аминокислот
гидрофобные радикалы . В свернутых молекулах белков многие


радикалы обращены внутрь бел ковой глобулы , поскольку они

разворачиваются (денатурируют) при нагревании, когда усили­

«отталкиваются » от воды .

вается тепловое движение .

д . Верно . Гидрофобные углеводородные хвосты содержат толь­
ко неполярные связи. Поэтому они не участвуют в образовании

ОТВЕТ2-21

водородных связей и выталкиваются из воды. Более подробно

У амфифильных молекул имеются гидрофильные и гидрофоб­

принципы их взаимодействия с водой обсуждаются в гл .

11 .
Е. Неверно. РНК действительно состоит из четырех перечислен­

ные части :

гидрофильные могут образовывать водородные

связи с водой, а гидрофобные «отталкиваются » от воды , так как

ных оснований, но в ДНК вместо У содержится Т. Однако Т и У

нарушают ее структуру. Соответственно. гидрофобные концы

очень схожи

амфифильных молекул обычно обращены в воздух на границе

-

они различаются только одной метильной группой .

раздела вода - воздух или собираются вместе , чтобы минимизи­

0ТВЕТ2-17

ровать контакт с молекулами воды

А. (а) 400 (= 20 2) ; (б) 8000 {= 20 3); (в) 160 ООО(= 20 4).
Б . Белок с молекулярной массой 4800 дальтон состоит примерно
из 40 аминокислот ; значит, существует 1,1 х 1052 (= 2040 ) разных

(см. РИС.

'

8 х 10- г (= 4800/6 х 10

в том числе в толще воды

]

гидрофильная часть молекулы

I ]гидрофобная часть молекулы

вариантов его построения . Каждая молекула такого белка весит

если взять по одной молекуле каждого
1031 г (= 8 х 10-21 г х 1,1 х 1052 ) ,
что в 15 ООО раз больше массы Земли (6 х 10 24 кг). Да , для этого
потребуется действительно большая емкость ...
В. С учетом того что большинство клеточных белков даже круп ­
21

-

02-21 ).

23 ) ;

варианта, их смесь будет весить 9 х

нее, чем рассмотренный в данном примере , ясно , что в живых
клетках используется только исчезающе малая часть возможных
аминокислотных последовательностей.

0ТВЕТ2-18

Поскольку все живые клетки состоят из химических веществ, а
все химические реакции (как в клетках, так и в пробирках) сле­
дуют одним и тем же правилам , понимание основных законов
химии имеет фундаментальное значение для понимания биоло­
гии . В этой книге мы будем часто возвращаться к этим законам,
на которых основаны все более сложные процессы и реакции в
клетках.

0ТВЕТ2-19

А. Для образования водородных связей необходимо взаимодей­
ствие специфичных групп; в них всегда принимает участие атом
водорода, соединенный полярной связью с атомом кислорода и
азота , и другой атом - обычно атом кислорода или азота . Ван­
дер - ваальсовы взаимодействия более слабые, они происхо­
дят между двумя любыми атомами , находящимися достаточно

близко друг от друга. И водородные связи , и ван-дер-ваальсовы

РИС.

02-21

ОТВЕТ2-22

силы - близкодействующие взаимодействия, вступающие в
Игру только когда две молекулы уже сблизились . Поэтому можно
Рассматривать оба типа связей как способ «тонкой настройки »
взаимодействия : они могут помочь установить правильное вза­

А , Б . (А) и (Б)

имное расположение молекул после того , как те о казались ря­

лотными свойствами карбоксигруппа отдает протон.

дом из -за диффузии .

Б. Ван-дер-ваальсовы силы будут действовать во всех трех слу­

~аях; водородные связи образуются только в случае (в).

-

правильные формулы аминокислоты фенилала ­

нина. Формула (Б) показывает ионизированную форму фенила­
ланина , существующую в водном растворе , где аминогруппа с ее

основными свойствами принимает протон , а обладающая кис­

В. Неверно . В структуре пептидной связи отсутствует атом водо­
рода , присоединенный к азоту.

Г. Неверно . В этой формуле аденина изображена лишняя двой­
ная связь, из-за чего один из атомов углерода пятивалентен , а

Оl'ВЕТ2-20

Нековалентные взаимодействия происходят между субъедини­

цами макромолекул - например , между радикалами аминокис­
лот в полипептидной цепи - и заставляют молекулу принимать
Уникальную форму. Эти взаимодействия включают водородные
связи, ионные связи , ван-дер-ваальсовы силы и гидрофильно­
rидрофобные взаимодействия. Поскольку все они слабые, их
сравнительно легко разорвать ; так , большинство макромолекул

один из атомов азота четырехвалентен .

Д. Неверно. В этой формуле нуклеозидтрифосфата не хватает
двух атомов кислорода, по одному между каждыми двумя атома­

ми фосфора .

Е . Это правильная формула этанола.

Ж. Неверно . Вода не образует водородных связей с атомами водо­
рода , присоединенными к углероду. Отсутствие таких связей дела­
ет углеводородные цепочки гидрофобными (боящимися воды) .

Ответы

659


3.

Неверно. Натрий и хлор образуют ионную связь ,

NaCI , а

изо­

концентраций О и Р создает движущую силу, и для этой реа кции

бражена ковалентная связь.

Л G" О , пока не будет достигнуто равновесие , т. е . пока не срав·

И . Неверно . Атом кислорода сильнее притягивает электроны ,

няется число монет О и Р.

чем атом углерода ; поэтому полярность двух связей должна быть

Б . Частоту встряхиваний можно сравнить с температурой , так как

обратной .

встряхивание приводит к « тепловому дви жению » монет. Энергия

К. Эта структура глюкозы правильная.

активация реакции

Л . В основном верно. Было бы правильнее показать , что группа

монету перевернуться (т. е . достаточная , чтобы поставить моне·

-NH 2 теряет только один водород , а группа - СООН -

ту на ребро , с которого она может упасть обратно любой старо·

Глава

ОН-группу.

-

это та энергия , которая может заставить

ной кверху). Фермент сотрясаза должен ускорять переворачива­
ние монет, снижая необходимую для этого энергию активации .

3

Его роль , например , мог бы выполнять магнит, подвешенный над
коробкой и помогающий поднимать монеты . Сотрясаза не мо·

ОТВЕТ

жет влиять на положение равновесия (оно наступает при равном

3-1

В вопросе приведено итоговое уравнение большого набора от­

числе О и Р) , но ускоряет достижение положения равновесия ,

дельных реакций, каждая из которых катализируется своим

поскольку в присутствии сотрясазы больше монет переворачи­

ферментом . Поскольку сахара

вается за единицу времени .

-

более сложные молекулы , чем

СО 2 и нр , реакции создают внутри клетки более упорядоченную
среду. В соответствии со вторым началом термодинамики , на

ОТВЕТ3-4

многих этапах длинного пути, ведущего к приведенным в урав­

См . РИС . 03-4. Обратите внимание , что ЛG'x-v положительная ,

нении конечным продуктам, выделяется тепло.

а ЛG\ _ z и ЛG\ _ z отрицательные. На графике также видно , что

ЛG'х
рис .

ОТВЕТ3-2

По определению , окисление
из этого, (А)

-

онные барьеры, поэтому они показаны на произвольной высоте

это отдача электронов . Исходя
восстановление. Черный

(сплошные линии). Энергию активации снижают ферменты , ка­

атом углерода на (В) остается неизмененным ; однако соседний

тализирующие эти реакции и тем самым повышающие их ско·

атом углерода теряет атом водорода, т. е . протон и электрон , а

рость (пунктирные линии).

-

это окисление, а (Б)

_ z =. ЛG'х _ v + ЛG'v _ z· Информация , представленная на
3-12, ничего не говорит о том, насколько высоки активаци­

-

следовательно, окисляется . Черный атом углерода на (Г) окис­
ляется, поскольку теряет атом водорода, а черный атом угле­

ОТВЕТ3-5

рода на (д) восстанавливается , поскольку присоединяет атом

Скорости реакций могут лимитироваться (1) концентрацией суб·

водорода.

страта, т. е . тем , насколько часто молекулы СO 2 сталкиваются
с активным центром фермента ;

(2)

тем, насколько часто энер·

гии таких столкновений достаточно , чтобы привести к реакции ;

ОТВЕТ3 - 3

А. Оба состояния монеты , орел (О) и решка (Р), имеют равную

и , наконец,

вероятность. Поэтому для перехода из О в Р и обратно не тре­

от продуктов реакции и может вновь связать субстрат. График

(3)

тем , насколько быстро фермент освобождается

буется движущей силы, т. е. расхода энергии. Следовательно ,

на РИС. 03-5 показывает, что при снижении энергии активации

для этой реакции ЛG'

= О . Однако реакция будет идти, если в ко­

больший процент молекул взаимодействует с достаточной энер·

робке неравные количества монет О и Р. В этом случае разность

гией , чтобы вступить в реакцию. Площадь под кривой от точки А

+

х

л G ox-v

Л G °y _ z

L

Л G \_ z

z

РИС .

660

Основы молекулярной биологии клетки

z

03-4


ОТВЕТЗ-8

Свободная энергия ЛG, выделяющаяся при гидролизе АТФ, за­
висит как от ЛG' , так и от концентраций субстрата и продуктов.

t

Например, при определенном наборе концентраций

~

молекулы с достаточной
энергией, чтобы вступить

Q)

§

в реакцию в присутствии

::;

ЛG=

-12 ккал/моль= -7,3 ккал/моль+ 0,616 ln [АДФ] х [Ф] /[АТФ]

фермента

о

5:s:

ЛG' может оказаться меньше, чем ЛG', главным образом из-за

т

энергия
молекул

-

того, что концентрация АТФ в клетке велика (порядка миллимо­

----А

лей) , а концентрация АДФ мала (порядка 1О мкМ) . Поэтому сла­

молекулы с достаточной

гаемое этого уравнения, представляющее собой соотношение

энергией , чтобы вступить

концентраций, меньше единицы, а его логарифм

в реакцию в отсутствие

ное число .

фермента

РИС. 03-5

ЛG' для данной реакции

-

-

отрицатель­

это константа, не зависящая от

условий проведения реакции . Напротив, ЛG зависит от концен­

траций АТФ, АДФ и фосфата , которые в разных клетках могут
слегка различаться.

до бесконечной энергии и от точки Б до бесконечной энергии
соответствует общему числу молекул, которые будут вступать в
Реакцию , соответственно, в отсутствие или в присутствие фер­
мента. Соотношение двух площадей составляет 107 (масштаб на
Рисунке не соблюден).

ОТВЕТЗ-9

Реакции Б, В, Г и Д должны сопрягаться с другими, энергетиче­
ски выгодными реакциями. В каждом из случаев формируются

структуры более высокого порядка, более сложные и содержа­
щие более высокоэнергетические связи , чем исходные веще­
ства. Напротив, реакция А - катаболическая реакция , в ходе нее

ОТВЕТЗ-6

образуются продукты с более низким содержанием энергии , и

Все реакции обратимы . Если вещество АВ может диссоцииро­

она пойдет самопроизвольно.

вать с образованием А и В, значит, А и В могут соединяться, об­
Разуя АВ . Какая из двух реакций будет преобладать - зависит от
константы равновесия и концентраций А, В и АВ (см. рис. 3-19).

А . В целом верно; строго говоря , неверно. Поскольку ферменты

Видимо, после изоляции данного фермента его активность

ОТВЕТЗ-10

увеличивают скорость реакции, не смещая положение равнове­

определяли , добавляя в относительно больших количествах А

сия, реакция всегда будет происходит и в отсутствие фермента,

и В и измеряя количество образующегося АВ. Можно, однако,
Предположить, что в клетке велика концентрация АВ, поэтому

хотя часто и с ничтожной скоростью . Кроме того, конкурирующие

при нормальных условиях фермент в действительности катали­
зирует реакцию АВ .... А + В . (Этот вопрос основан на реальном
примере, когда фермент был выделен и назван по реакции, иду­
Щей в одном направлении , а потом оказалось, что в живых клет­
ках он катализирует обратную реакцию.)

самым еще сильнее снижать скорость необходимой реакции.

реакции могут более быстро использовать тот же субстрат и тем
Поэтому на практике без участия ферментов реакции никогда не
происходят с заметной скоростью .

Б. Неверно . Электроны с высокой энергией легче переносятся ,

т. е . более слабо связаны с молекулой-донором . Но это не зна­
чит, что они быстрее движутся.

ОТВЕТЗ-7

А. Камни на рис. 3-30 обеспечивают энергию для подъема бадьи
с водой . АТФ служит источником энергии для реакций; таким об­
Разом, АТФ можно сравнить с камнями на вершине скалы. Оскол­
ки камней соответствуют АДФ и неорганическому фосфату Р;,
Продуктов , образующихся из АТФ после высвобождения энергии
и выполнения работы . Реакция гидролиза АТФ сопряжена с пре­
вращением Х в У. Таким образом , Х- исходный материал (бадья ,
стоящая на земле) , а У- продукт превращения , бадья в наивыс­
LUей точке .

В. Верно. При гидролизе АТФ до АМФ образуется также мо­
лекула пирофосфата (РР 1 ) , которая затем при гидролизе рас­
падается на две молекулы фосфата . При второй реакции вы­

свобождается почти такое же количество энергии, что и при

гидролизе АТФ, и конечный выход энергии почти удваивает­
ся .

Г. Верно . Окисление

-

это отдача электронов, при этом диаметр

атома углерода уменьшается .

Д. Неверно. В живых клетках условия химических реакций та­

ковы, что при большинстве реакций окисления энергия дей­

Б . (1) Падение камня на землю можно сравнить с «холостым» ги­

ствительно выделяется . Однако при других условиях, напри­

дролизом АТФ в отсутствие фермента, использующего энергию
гидролиза для осуществления энергетически невыгодной реак­
ции ; в этом случае энергия, запасенная в фосфодиэфирной свя­
зи , будет рассеяна в виде тепла . (2) Энергию , запасенную в ве­
ществе У, можно использовать для проведения другой реакции .

мер в атмосфере водорода, энергия выделяется при восста­

Например , если У представляет собой активированную форму

аминокислоты Х, она может вступить в реакцию конденсации с

Образованием пептидной связи в ходе синтеза белка .

новлении.

Е . Неверно. Все клетки
организмов

-

-

и холоднокровных, и теплокровных

выделяют сравнимое количество тепла в ре­

зультате метаболических реакций [возможно, это справедли­
во для клеток в условиях культуры , но не для клеток организма

животных . Теплокровные (гомойотермные) животные потре­

бляют в десятки раз больше пищи и кислорода , чем холодно-

Ответы

661


кровные (пойкилотермные) того же размера , и вырабатывают

в десятки раз больше тепла .

-

Прим. перев. ] . Например , бак­

можному в том случае , если бы вся энергия , запасенная в

глюкозе, превращалась в энергию химических связей АТФ

териальные клетки выделяют так много тепла , что могут на­

(57

греть кучу компоста .

В . При окислении

.= У остается

Ж. Неверно. Константа равновесия реакции Х

не ­

изменной . Если У удаляется в ходе второй реакции , то больше

322

молекул).

ккал (те

1 моля глюкозы
47% от содержащихся

в виде тепла выделяется

в моле глюкозы

622

ккал ,

которые не запасаются в виде химической энергии АТФ) . Та ­

Х превращается в У, так что соотношение Х и У остается посто­

кое количество энергии может нагреть тело человека на 4,3'

янным .

С(=

322

ккал/75 кг) . Это значительное количество тепла , если

учесть , что повышение температуры на
ОТВЕТ

желой лихорадке , а

3-11

Разность свободных энергий (ЛG' ) между У и Х в связи с наличи ­

1 моль (180

4'

С привело бы к тя­

г) глюкозы

-

это всего лишь

стакан сахара .

ем трех водородных связей в У составляет-3 ккал /моль. (Обра­

Г. Если бы запасаемая энергия составляла всего

тите внимание, что свободная энергия У ниже , чем Х , поскольку

не

нужно затратить энергию на разрыв связей для превращения У

ла , которое нужно было бы выводить из тела. Продукция тепла

в Х . Поэтому значение ЛG' при превращении Х

оказалась бы повышена более чем в

-

У отрицатель­

47%,

а

80% всей

20%,

тогда

энергии высвобождалось бы в виде теп­

1,7

раза по сравнению с

ное . ) Константа равновесия для данной реакции составляет

нормой , и ваше тело наверняка перегрелось бы [при ходьбе

около

теплопродукция повышается в

в

нем основного обмена , однако это не приводит к перегреву,

100 (см. табл. 3-1, с. 98) , т. е. молекул Упри равновесии
100 раз больше, чем молекул Х. Три добавочные водородные
связи увеличат ЛG' до -6 ккал/моль, а константу равновесия еще в 100 раз , до 104 . Таким образом, даже сравнительно не­
большие различия в энергии могут вызывать сильный сдвиг
равновесия .

ОТВЕТ3-12

А. Константа равновесия определяется как К= [АВ]/([А] х [В]) .
Квадратными скобками обозначены концентрации . Таким обра­

зом, если каждого из веществ (А, В и АВ) по
К равна

6

10

м-

1

6

6

[= 10- /(10-

Б. Аналогично, если А,

х

1 мМ (10-6

М), то

10В и АВ по 1 мкм (10-9 М) , то к равно 109 м- 1 •

3- 4 раза

по сравнению суров­

так как включаются дополнительные физиологические меха­

- Прим . перев.]. Химическая формула
- C10 H1p 13N5P3; таким образом, ее молекулярная мас­
са - 503 г/моль . За сутки человек гидролизует около 80 молей
АТФ (= 40кг/О,503 кг/моль) , при этом высвобождается около
1ООО ккал энергии химических связей. Поскольку каждый
моль глюкозы обеспечивает синтез 30 молей АТФ, это коли­
чество энергии можно получить при окислении 480 г глюкозы
(= 180 г/моль х 80 молей/30) .
низмы теплоотдачи .

АТФ

6 )).

В . Этот пример показывает, что взаимодействующие белки, при­

ОТВЕТ

3-15

ваться друг с другом с высокой аффинностью, чтобы в состоя­

- явный фальсификатор. 57 молекул [опечат­
- должно быть 57 молей . - Прим. перев.] АТФ содержат
684 ккал энергии(= 57 х 12 ккал); поэтому эффективность син­

нии равновесия заметная часть молекул находилась в связанном

теза АТФ при окислении глюкозы должна была бы составлять

состоянии . В данном конкретном случае снижение концентрации

более

на три порядка (с

не рассеивалась бы в виде тепла , как того требуют законы тер­

сутствующие в клетке в низких концентрациях , должны связы­

1 мкм до 1 нМ) требует изменения

на три по­

рядка и константы равновесия, чтобы сохранить комплекс АВ
(соответствующий

-4,3

ккал свободной энергии, см . табл .

Этот ученый

ка

99% . При таком

немыслимом уровне КПД энергия почти

модинамики .

3-1) .

Это соответствует примерно четырем-пяти лишним водородным

ОТВЕТ

3-16

А. Из табл . 3-1 нам известно , что разница свободных энергий
в 4,3 ккал/моль соответствует константе равновесия 1о-з, т. е .
[А* ] / [А] = 10-з. Отсюда следует, что концентрация А* в 1000 раз

связям .

ОТВЕТ3 - 13

Утверждение правильное . Критерий того, пойдет ли реакция

ниже, чем А.

это ЛG, а не ЛG' (при этом принимаются

Б. Соотношение концентраций А и А* не изменится. Снижение

во внимание концентрации взаимодействующих веществ). На­

энергии активации увеличит скорость реакции, т. е. позволит

пример, реакция с отрицательным значением ЛG' не пойдет

большему числу молекул в единицу времени претерпевать пре­

самопроизвольно,

-

самопроизвольно в условиях достаточного избытка продуктов

вращения А

реакции

весия .

-

большего их содержания, чем при состоянии равно­

-

А* и А*

-

А , но не повлияет на положение равно·

весия . В то же время реакция с положительным значением ЛG'

может идти самопроизвольно в условиях значительного избыт­

ОТВЕТ3 - 17

ка субстратов .

А . Вероятно , такой мутантный гриб можно будет есть. Гидро·

лиз АТФ обеспечивает выход энергии примерно в - 12 ккал/
моль . Такое количество энергии смещает положение равно ·

ОТВЕТ3-14

Б. Средняя эффективность синтеза АТФ составляет около

весия на огромную величину - примерно 108 (в табл . З-1 ,
с. 98, указано, что - 5,7 ккал/моль соответствует константе
равновесия 104; значит, -12 ккал /моль соответствует при·
мерно 108 • Обратите внимание, что энергии сопряженнЫ)(

ее можно рассчитать как отношение реального чис­

реакций аддитивны , поэтому константы равновесия пере·

А. Максимум

57

молекул АТФ

(=686/ 12)

соответствуют общей

энергии, высвобождающейся при полном окислении глюкозы до
со 2 и нр.

53%;

ла синтезированных молекул АТФ

662

(30)

к максимально воз-

Основы молекулярной биологии клетки

множаются). Поэтому, если фермент не использует энергию


100

АТФ , то гриб производит в 108 раз меньше яда . Этот пример
по каз ывает, что сопряжение реакции с гидролизом активиро­
ванной молекулы - носителя может резко смещать положе ние
Равновесия.

Б . А такой мутантный гриб употребля ть в пищу будет опасно .
Снижение скорости реакции не повлияет на положение равно­
весия , и если реа кция будет протекать достаточно длитель­

ное время, то гриб может накопить яд . Возмож но , положе ние
Равновесия и не будет достигнуто , но лучше не испытывать

~
~

"'

~
s
s

~ 50

ro

ф

.,,...

а.

L)

о

а.

о

"'

L)

судьбу.

о

5

10

концентрация субстрата (мМ)

0ТВЕТ3-18

Фермент А полезен . Он обеспечивает взаимные превращения
двух молекул-носителей энергии , каждая из которых в форме

0.07

трифосфата необходима для многих реакций обмена веществ .

Образующийся АДФ быстро превращается в АТФ , что позволяет
клетке поддерживать высокое отношение АТФ/АДФ . Благодаря

Ферменту А, который называется нуклеотидфосфокиназа , часть
АТФ используется для того, чтобы поддерживать такое же высо­
кое соотношение ГТФ/ГДФ .
Фермент Б был бы губителен для клетки. Клетка исполь­
зует НАД• как акцептор электронов в реакциях катаболизма
и должна поддерживать высокую концентрацию этой молеку­
лы-носителя , например , чтобы синтезировать АТФ при рас­
щеплении глюкозы . НАД · Н используется , напротив , как донор

.,,...

0.05

L)
о
а.

fi1

~

0.03

..-

0.01
о

2

электронов; поддержание его высокой концентрации в клет­

ках необ ходимо для синтеза нуклеотидов , жирных кислот и

3

4

5

1
[S]
РИС.

03-21

других важных молекул . Поскольку фермент Б уменьшил бы
клеточные запасы как НАД• , так и НАД · Н , это привело бы к
снижению скорости катаболических реакций и реакций био­
синтеза .

ОТВЕТ3-21

0ТВЕТ3-19

лить путем подстановки значений в уравнение , но проще за ­

Концентрация субстрата

- 1 мМ .

Эту величину можно вычис­

Поскольку ферменты - это катализаторы, ферментативные

метить , что желаемая скорость

Реакции термодинамичес ки возможны . Фермент лишь сни­
жает энергию активации, поэтому в его отсутствие реакция
идет медленнее. П ри повышении температуры возрастает
кинетическая энергия молекул субстратов , поэтому более вы­
сокий процент моле кул может преодолет ь стандартный акти­
вационный энергетический барьер . Однако многие субстраты
способны реагировать множеством различных способов, и
при повышении температуры ускоряются все эти реакции , в
то время как фермент обладает избирательностью и ускоряет
только одну определенную реакцию; в ходе эволюции это ока­
залось выгодным для клетки . Таким образом , нагревание не
Может заменить ферменты , и куриный суп должен оказывать
свое благоприятное воздействие с помощью других механиз­

половине максимальной скорости ,

(50 мкМ /с) в точности равна
Vma,· Значит, концентрация

субстрата практически равна Км. Два графика , которые надо
было построить , показаны на РИС. 03-21 . График зависимости
1 /скорость от

1/[S] -

прямая линия , поскольку из стандарт­

ного уравнения мо ж но получить уравнение , приведенное в во­

просе

3-23,

Б.

ОТВЕТ3-22

Если

[S]

намного меньше , чем Км, то активный центр фермента

большую часть времени не занят. Если же

[S]

намного больше ,

чем Км, скорость реакции лимитируется концентрацией фермен­

та (поскольку большинство каталитических центров постоянно
заняты) .

мов, которые пока еще не открыты .
ОТВЕТ3-23

ответ3.20

А. При [S]

« Км выражение ([S] + Км ) приближается к Км · Поэто­

му уравнение сводится к виду: скорость = vmaxlKм [S] ; это означа­
ет, что скорость пропорциональна [S].

А , Б. По данным таблицы были построены красная кривая и крас­
ная прямая на РИС. 03-23. Видно , что Км равно 1 мкм , а Vmax 2 мкМ/мин . Обратите внимание , что гораздо проще анализиро­
вать линейные графики ; кривая на (А) стремится к V , но никогmа,

Б . При [S] = Км выражение [S]/ ([S] + KJ равно ½ . Поэтому ско­

да не достигнет ее .

Рость реакции равна половине ма кс имальной скорости Vmax·

В . Важно , что образуется лишь небольшое количество продукта ;

В . При (S] » Км выражение ([S] + Км ) приближается к S. Поэтому
[S]/ ([S] + Км) равно единице , и скорость реакции максимальна ,

дования субстрата и образования продукта. Тогда измеренные

т. е . равна V .

скорости реакции будут ниже , чем необходимо .

тах

в противном случае скорость реакции снизится по мере расхо­

Ответы

663


Г: При увеличении Км увеличивается и концентрация субстрата ,

Глава

4

при которой скорость реакции составляет половину от макси­

мальной. Так как для обеспечения той же скорости требуется

ОТВЕТ

больше субстрата, катализируемая ферментом реакция инги­

Мочевина

бируется при его фосфорилировании. Ожидаемые графики для

донором (благодаря группе

фосфорилированного фермента

даря группе -С= О) водородной связи . Она может внедряться

прямая на рис .

-

зеленая кривая и зеленая

4-1

-

очень мелкая молекула , которая может быть как

-NH 2) ,

так и акцептором (благо­

между водородными связями, стабилизирующими молекулы

03-23 .

белков , и нарушать структуру белков . Кроме того, в норме не­
полярные радикалы аминокислот удерживаются

во внутрен­

ней части свернутого белка , так как они нарушают структуру
воды . При высокой концентрации мочевины нормальная струк­

тура водородных связей в воде оказывается нарушенной , и
сила

гидрофобных

взаимодействий

заметно

уменьшается.

В результате двух таких воздействий мочевины белки в ее рас­
творе денатурируют.

ОТВЕТ4-2

Имеются две а-спирали, обе правозакрученные. Три цепочки,

формирующие наиболее крупный участок ~-слоя (показан зеле­
ным), антипараллельны. Узлы на полипептидной цепи отсутству­

ют, вероятно, потому, что они мешали бы сворачиванию белка и
приобретению им окончательной трехмерной конформации по­
сле завершения синтеза.

ОТВЕТ4-3
Аминокислотная последовательность из чередующихся непо­

лярных и заряженных или полярных аминокислот. В результате

5

10

концентрация субстрата (мкМ)

полоса [3-слоя на одной стороне полярна, а на другой

-

ги­

дрофобна. Такая полоса с двух сторон должна быть окружена
похожими полосами , и вместе они формируют ~-слой с гидро­

фобной и полярной поверхностью. В белке ~-слой (называе­
ДАННЫЕ ДЛЯ А И Б

J

1 ~ 1
[S] (мкМ) [S] мкМ
0 ,08
о , 12
0,54
1,23
1,82

2,72
4,94
10,00

12,50
8,30
1,85
0,81
0,56
0 ,37
0,20
О, 10

скорость
реакции

(мкМ/мин)

0,15
0,21
0,70

1, 1
1,3
1,5

1,7
1,8

мый амфипатическим, от греч.

1

скорость

6,7
4,8
1,4
0,91
0,77
0,67
0,59
0,56

[ мин ]
мкм

и

pathos -

amphi -

« двух разных качеств »,

«любовь», поскольку две его поверхности имеют

столь разные свойства) располагается так, что его гидрофоб­
ная сторона обращена внутрь белковой молекулы, а полярная
сторона находится на ее поверхности и взаимодействует с
окружающей водой .
ОТВЕТ4-4

Мутации, полезные для организма, отбираются в ходе эво­

люции , так как повышают его выживаемость или шансы
оставить потомство . Примерами могут служить повышенная

эффективность усвоения пищи , повышенная устойчивость к
воздействиям среды (например, к жаре или высокой концен­
трации солей) или повышенная привлекательность для по­

ловых партнеров. Напротив, накопление бесполезных белков

вредно для организма. На производство мутантных нерабо ·
тающих белков затрачивается лишняя энергия . При избыточ­

ном производстве таких мутантных белков пострадает синтез
нормальных белков, так как возможности клетки ограничены .
В более тяжелых случаях мутантный белок может нарушать
нормальное функционирование клетки. Например, мутант­
о

12

ный фермент, способный связывать субстрат, но не катали­

зирующий соответствующую реакцию, может конкурировать
за ограниченное количество субстрата и ингибировать нор­

мальную реакцию . Таким образом, действие естественного
отбора приводит к исчезновению бесполезных и вредных
РИС.

664

03-23

Основы молекулярной биологии клетки

белков .


курчавые волосы

ОТВЕТ4-7

А. Ингибирование с помощью

Z по

принципу отрицательной об­

ратной связи реакции В ➔ С приведет к ускорению превращений
по пути В ➔ Х ➔ У ➔

Z, поскольку превращение

В в С подавлено .

Поэтому в данном случае чем больше образуется

Z, тем сильнее

будет стимулироваться его выработка. Это может привести к не­

контролируемому усилению данного метаболического пути.
Б . Если

Z ингибирует

рость образования

i

Z.

реакцию У ➔

Z, то

это контролирует ско­

Однако при данной схеме сохраняется

прежний уровень образования Х и У, несмотря на то что прежние

мягкое восстановление

количества этих промежуточных продуктов уже не нужны. Таким
образом, эта схема регуляции менее эффективна, чем показан­

ная на рис .

4-34.

Z служит положительным регулятором стадии В ➔ Х , то
больше образуется Z, тем больше В будет превращаться в

В . Если

чем

i окисление

,_
. . .___2:
___

~
~

!

11 ~

прямые волосы

Рис. 04-5

Х , т. е . направляться по пути, ведущему к образованию

Z.

Это

приведет к неконтролируемой амплификации , сходной с опи­
санной для (А).
Г. Если

Z служит положительным регулятором стадии В ➔ С , то
Z направляет процесс в сторону образования боль­

накопление

шего количества С . Это второй возможный способ , в дополне­

ние к показанному на рисунке , сбалансировать распределение
веществ по двум разветвлениям метаболического пути .
ОТВЕТ4-8

И связывание нуклеотидов , и фосфорилирование могут вы­

зывать аллостерические изменения белков . Это может приво­

ОТВЕТ 4-5

дить к разным последствиям , например изменению активности

Сильный восстанавливающий агент, способный разорвать все
S-S-связи, вызовет разделение всех кератиновых филаментов.

ферментов , резким изменениям формы белка и изменению

При этом волос распадется на части . И действительно, именно

ханизма достаточно универсальны. Преимущество связывания

его сродства к другим белкам или малым молекулам . Оба ме­

-

сильные восстановители используются в кремах для удаления

нуклеотидов

волос , которые продаются в магазинах косметики . Однако более

большой нуклеотид , достигая белка. Например, для изменения

высокая скорость , с которой диффундирует не­

слабые восстанавливающие агенты используются для распрям­
ления или для завивки волос (в последнем случае требуются

формы при работе моторных белков требуется быстрое заме­

Щипцы для завивки) (см . РИС. 04-5).

ных белков контролировались фосфорилированием , протеин­

щение нуклеотидов . Если бы изменения конформации мотор­
киназа либо должна будет на каждом этапе диффундировать в

ОТВЕТ 4-6
См. РИС. 04-6 .

определенную точку (гораздо более медленный процесс), либо
должна будет оставаться все время связанной с каждой моле­

кулой моторного белка. Одно из преимуществ фосфорилиро­
субстрат

зеркальное

вания состоит в том , что для него необходим лишь один остаток
определенной аминокислоты на поверхности белка, а не спец­
ифичный сайт связывания . Поэтому фосфаты могут присоеди­

няться к радикалам многих аминокислот одного и того же белка
(если только существуют протеинкиназы с соответствующей
специфичностью). За счет этого резко возрастает сложность

регуляции работы одного белка .
ОТВЕТ4-9

Работая как единый комплекс, все три белка вносят вклад в спе­
цифичность (непосредственно связывая ключ или сейф), спо­

собствуют правильному взаимному расположению и обеспечи­
вают механическое усиление , позволяющее им выполнять зада­

чу, которую не смог бы выполнить каждый из них по отдельности
(например, ключ захватывается двумя субъединицами). Кроме
активный сайт фермента

активный сайт фермента

того, их работа обычно скоординирована во времени (например ,

для связывания АДФ с одной субъединицей другая субъединица

Рис. 04-6

должна сначала гидролизовать АТФ до АДФ).

Ответы

665


ОТВЕТ

а -спирали , а все радикалы гидрофобных амино к ислот

4-10

А . Верно . Только несколько радикалов аминокислот принимают

-

с дру­

гой . Можно предполож ить , что такая амфипатическая спираль

участие в формировании активного центра . Остальная часть бел­

располагается на поверхности белка , а ее гидрофобная сторона

ка необходима для поддержания правильной формы полипептид­

обращена к внутренней части бел ка. Другой вариант - две таких

ных цепей , обеспечивает наличие дополнительных регуляторных

спирали могу закручиваться друг вокруг друга , как показано на

центров и отвечает за правильную локализацию белка в клетке.

рис.4-13.

Б. Верно . Некоторые ферменты образуют промежуточные сое­

динения со своими субстратами с помощью ковалентных связей

ОТВЕТ4-14

(см . рис.

А. ФС - это фермент-субстратный комплекс .

Однако во всех случаях фермент после оконча­

13-5).

ния реакции возвращается к исходному состоянию.

Б . Фермент и субстрат находятся в равновесии между свобод­

В. Неверно. В принципе Р-слой может содержать любое число

ными и связанными состояниями : после связывания с фермен­

цепей, поскольку две цепи, образующие края слоя, могут обра­

том молекула субстрата может либо снова отделиться (поэтому

зовывать водородные связи с другими цепями (р - слои в извест­

показаны стрелочки в двух направлениях) , либо превратиться

ных белках содержат от

в продукт. Однако при превращении субстрата в продукт (с со·

2 до 16 цепей).

Г. Неверно . Справедливо, что специфичность антитела целиком

путствующим выделением свободной энергии) часто идет пре­

определяется формой петель на его поверхности ; однако в фор­

имущественно прямая реакция , что показано однонаправленной

мировании этих петель участвуют домены и легких, и тяжелых

стрелочкой .

цепей (см. рис.

В. Фермент

4-29).

-

это катализатор, и в результате реакции он оста·

Д. Неверно. Существует так мало линейных последовательно­

ется неизменным ; поэтому Ф присутствует в обоих концах урав­

стей аминокислот, способных формировать стабильные свер­

нения.

нутые белковые домены, что большинство новых белков в ходе

Г. Часто продукты реакции весьма схожи с субстратами и тоже

эволюции появляются за счет изменения старых.

могут связываться с ферментом. Любая молекула фермента ,

Е . Верно. Аллостерические ферменты могут связывать одну или

связанная с продуктом (являющаяся частью комплекса ФП), не

несколько молекул, действующих как регуляторы, в специальных

участвует в катализе; поэтому избыток продукта ингибирует ре·

регуляторных центрах, расположенных вне активного центра .

акцию , снижая концентрацию свободного фермента .

Ж. Неверно . Основной вклад в формирование трехмерной струк­

Д . Вещество Х

туры макромолекул вносят нековалентные связи.

рует комплекс с ферментом ФХ. Однако поскольку П еще должен

3.

Неверно. В ходе аффинной хроматографии отдельные макро­

молекулы разделяются из-за связывания со специфичными ли­

ингибитор реакции; оно , как и продукт, форми·

-

образоваться в ходе реакции, он начинает ингибировать реак·
цию позже, чем вещество Х , присутствующее с самого начала.

гандами, а не из-за различий в зарядах .
И . Неверно. Чем крупнее органелла , тем сильнее действует на

ОТВЕТ4-15

нее центробежная сила и тем быстрее она осаждается , несмотря

Полярные аминокислоты

на большую силу трения в жидкости, через которую она движет­

го, находятся на поверхности белка, а гидрофобные аминокислоты

Leu, Phe, Val, lle

ся .

и

Met -

Ser, Ser-P, Lys, Gln, His и Glu, скорее все·
в его внутренней части. Окисление двух

остатков цистеина с образованием дисульфидного мостика ли­
ОТВЕТ 4-11

шает их способности образовывать водородные связи , т. е . дела·

При формировании а-спирали и центральных частей р-слоя все

ет еще более гидрофобными . Дисульфидные связи обычно рас·

и С=О группы полипептидного остова задействованы в об­

полагаются внутри белков . Независимо от природы их радикалов ,

разовании водородных связей. Это придает данным элементам

N-концевая и С-концевая аминокислоты содержат заряженные

вторичной структуры значительную стабильность и допускает их

группы (аминогруппу и карбоксигруппу на концах полипептидной

формирование из множества аминокислотных последователь­

цепи) и поэтому обычно находятся на поверхности белка.

N-H

ностей .
ОТВЕТ 4-16
ОТВЕТ

Многие элементы вторичной структуры нестабильны сами по

4-12

Нет, это не будет та же или хотя бы сходная структура , посколь­

себе, но стабильны в присутствии других частей полипептид·

ку пептидная связь обладает полярностью . Из двух соседних

ной цепи . Гидрофобные участки, в норме находящиеся внутри

аминокислот в полипептидной цепи та , что расположена ближе

свернутого домена , окажутся на поверхности. Поскольку такие

к N-концу, предоставляет карбоксильную группу, а вторая ами­

участки в водном растворе энергетически невыгодны, фрагмен·

нокислота

пептидной связи. Если поменять их местами , поменяется и по­

ты неспецифично агрегируют друг с другом . Поэтому у таки)(
фрагментов не будет определенной структуры , и они не смоГVТ

ложение их радикалов по отношению к пептидному остову, а зна ­

специфично связывать лиганды, даже если содержат все ами·

-

аминогруппу для формирования связывающей их

нокислоты, в норме образующие сайт связывания лиганда . На·
против, белковый домен - это единица сворачивания белка , И

чит, и их химическое окружение.

3,6 аминокислотных

фрагменты полипептидной цепи, соответствующие интактным
доменам, часто способны правильно сворачиваться. ПоэтоМУ

аминокислот образует

отдельные белковые домены часто сохраняют свою активность ,

витка . Она необычна тем , что все ра­

например связывают лиганд, если центр связывания целиком от·

ОТВЕТ4-13

Так как на один виток а-спирали приходится

остатка , эта последовательность из
почти в точности

4 полных

14

дикалы ее полярных аминокислот расположены с одной стороны

666

Основы молекулярной биологии клетки

носится к данному домену. Таким образом, наиболее вероятный


участком , где можно разорвать полипептидную цепь изображен­

от самого сайта связывания . Поэтому даже небольшое измене­

ного на рис.

ние сердцевины может нарушить работу белка , изменив конфор­

4-16

белка , чтобы получить стабильные фрагмен ­

ты , служит граница между двумя доменами (петля между двумя

мацию удаленного сайта связывания .

а-спиралями в нижней правой части).

ОТВЕТ 4-17

Глава

5

Инактивация фермента при повышенной температуре говорит
о том , что мутация снизила стабильность структуры фермента .

ОТВЕТ

Например , могла исчезнуть водородная связь между радикала­

А. Неверно. Полярность цепи ДНК обычно относится к ориента­

5-1

ми двух аминокислот, так как в результате мутации произошла

ции ее сахара-фосфатного остова.

замена одной из них на аминокислоту, не способную к образо ­

Б. Верно. Пары оснований

ванию связи . Утрата такой связи , в норме помогающей белку

ми связями , а А- Т

-

G-C удерживаются тремя водородны ­

только двумя .

правильно сворачиваться, приводит к тому, что мутантный белок
денатурирует при более низкой температуре, при которой нор ­

ОТВЕТ5-2

мальный белок сохраняет стабильность. После температурной

Масштабная линейка на рис.

денатурации полипептидные цепи обычно образуют агрегаты и

тидов. Используя ее для оценки количества ДНК. содержащейся

5-11 дана в миллионах пар нуклео­

Редко способны ренатурировать с образованием активного бел­

в хромосоме

ка при понижении температуры.

тидных пар. Это дает оценку общей длины ДНК примерно в 8,7 см

ОТВЕТ 4-18

(256 х 106 х 0,34 нм ; 1 нм= 1/ 109 м) , и компактизация оказыва­
ется 8700-кратной (8,7 см/10 мкм) .

1,

мы получаем примерно

256

миллионов нуклео­

Изображенный на рисунке моторный белок с равной вероятно­
стью может двигаться и вправо , и влево , и поэтому вряд ли будет

ОТВЕТ5 - З

двигаться направленно . Однако если только один из этапов со­
пряжен с гидролизом АТФ (например , открепление одной « ноги»

ядра составляет

Гистоновые октамеры занимают около

зависит от связывания АТФ , а ее прикрепление сопряжено с ги­

ядра . Объем

V=4/ 3 х 3,14 х (3 х 103 нм)З,
V= 1,13 х 10 11 нм 3 .

дролизом АТФ), белок будет двигаться однонаправленно, посто­

янно потребляя АТФ. Обратите внимание , что неважно, какой из
этапов сопряжен с гидролизом АТФ ( РИС. 04-18).

9% объема

Объем гистоновых окамеров

V= 3, 14 х (4,5 нм) 2 х (5 нм) х (32 х 106) ,
V= 1,02х 10 1 0 нм 3 .
Отношение объема гистоновых октамеров к объему ядра равно

0,09; таким образом , гистоновые октамеры занимают около 9%
объема ядра. Поскольку ДНК также занимает около 9% объема
ядра , вместе они занимают около 18% объема ядра.
Рис. 04-18

ОТВЕТ5-4

В отличие от большинства белков , в которых в ходе эволюции на­

ОТВЕТ 4-19

капливаются аминокислотные замены, изменения почти любой

Мелкие молекулы медленнее мигрируют сквозь колонку при

аминокислоты в гистонах вредны для клетки, так как в выполнении

гель-фильтрации, поскольку они могут проникать в гораздо

функции гистонов участвуют практически все их аминокислоты .

большее число полостей в пористых шариках, заполняющих ко­
лонку, чем более крупные молекулы . Однако, чтобы проникнуть
туда за счет диффузии, мелким молекулам нужно время . При
очень высоких скоростях протока все молекулы будут двигаться

быстро , огибая шарики , при этом мелкие и крупные молекулы
будут выходить из колонки одновременно.
ОТВЕТ 4-20

Гистоны великолепно отлажены для выполнения своей функции .
ОТВЕТ5-5

У мужчин только одна Х-хромосома; находящийся в ней де­
фектный ген не имеет второй копии . Женщины получают две
Х-хромосомы (по одной от каждого родителя), поэтому наличие

дефектного гена в одной Х-хромосоме чаще всего компенсиру­
ется наличием его нормальной копии во второй хромосоме . Это

а-Спираль правозакрученная, а двуспиральная структура лево­
закрученная . Реверсия происходит из-за шахматного порядка
Расположения гидрофобных радикалов в а- спирали.

ходе развития женского организма транскрипция генов одной из

ОТВЕТ 4-21

Х-хромосом происходит случайным образом в каждой клетке ,

относится и к гену, вызывающему цветовую слепоту. Однако в

Х-хромосом выключается , так как она компактизуется и превра­
щается в гетерохроматин (рис.

для связывания определенных молекул атомы в сайтах связы­
вания белков должны иметь строго определенное взаимное по­
ложение. Это, в свою очередь, требует точного распределения
Многих аминокислот и их радикалов в сердцевине белка, вдали

5-30) . Выключение одной из двух

поэтому некоторые клетки женского организма экпрессируют

дефектный мутантный ген, а другие

-

нормальную копию гена .

В результате в среднем лишь каждая вторая колбочка сетчатки
имеет функциональные белки , отвечающие за цветовое воспри-

Ответы

667


ятие , и женщины-носительницы мутантного гена воспринимают

соответствуют структуре дво йной спирали . Так, угол , под кото ­

цветовые образы с меньшим разрешением .

рым остаток А крепится к сахара-фосфатному остову, в А - С паре ,

Женщины, страдающие цветовой слепотой, должны унас­
ледовать две дефе ктные копии гена

-

по одной от каждого ро­

ре зко отличается от обычного , а расстояние между двумя саха­
ра-фосфатными цепями сильно увеличено в районе

A-G пары ,

дителя . Таким образом , их оте ц должен нести данную мутацию

где взаи моде йствуют два крупны х пуриновых кольца . Соответ­

в своей Х-хромосоме; поскольку у него это единственная копия

ственно , включение неправильных оснований в цепь ДНК энер­

гена , он будет страдать цветовой слепотой . Мать должна нести

гетически невыгодно , и такие ошиб к и встречаются очень редко .

дефектный ген в одной Х-хромосоме или в обеих. Поэтому она

будет либо страдать цветовой слепотой (если дефектные копии

ОТВЕТ5-8

присутствуют в обеих Х -хромосомах) , либо воспринимать цвет­

А . Основания

ные изображения с меньшим разрешением , как описано выше . В

спиральные молекулы , практически идентичные по свойствам

V, W, Х и У могут формировать ДНК-подобные двух­

популяциях человека описано несколько разных типов цветовой

настоящей ДНК .

слепоты ; этот вопрос описывает ситуацию с одним из них.

образом , эти макромолекулы могут быть выделены из живого

V всегда будет спариваться с Х, а W-

с У. Таким

организма , использующего известные механизмы репликации
ОТВЕТ5 - 6

генома . В принципе

А . Комплементарная последовательность записывается как

эволюции в качестве строительных блоков для ДНК и на Земле.

5'-TGATTGTGGACAAAAATCC-3'. Парные
тивоположную

полярность,

а

цепи ДНК имеют про­

последовательности

одноце­

почечных молекул принято записывать в направлении от

5'

к

V, W, Х

и У могли бы быть отобраны в ходе

(Сходным образом, существует гораздо больше аминокислот с
разными радикалами , тем те

20,

что были отобраны в ходе эво­

люции для построения всех белков . )

Б. Ни одно из оснований V, W, Х или У не может заменить А, Т, G

3 '-концу.
Б . ДНК состоит из

z%C. Поскольку

4 нуклеотидов . 100% = 13%А + х%Т + y%G +

А спаривается с Т, эти нуклеотиды всегда при­

или С. Для сохранения стандартного расстояния между сахаро­
фосфатными цепями в двойной спирали пиримидин всегда дол ­

сутствуют в ДНК в эквимолярном соотношении. Следовательно ,

жен спариваться с пурином (см. рис .

рассматриваемая бактериальная ДНК содержит

можных комбинаций - это V-A, V-G, W-A, W-G, Х-С , Х-Т, У-С и У-Т.

5-6). Поэтому восемь

воз·

13%тимидинов .
На долу G и С приходится 74% [= 100% - (13% + 13%)] ; они тоже

Одна ко из-за расположения доноров и акцепторов водородны х

образуют пары оснований , и их соотношение тоже эквимолярно .

связей ни в одной из этих комбинаций не образуется стабильных

Поэтому у =

z = 37%.

пар оснований (это показано на РИС.

В. Одноцепочеченая молекула ДНК длиной

N нуклеотидов

может

05-8 для варианта V-A, где

образуется только одна водородная связь) .

иметь 4Nразных последовательностей , но число возможных после­
довательностей двухцепочечной ДНК рассчитать сложнее . Многие

ОТВЕТ5-9

из

4Nодноцепочечных молекул будут взаимно дополнять другие ;
например , 5'-AGTCC-3' и 5'-GGACT-3' образуют одинаковые двух­

Так как цепи удерживаются вместе благодаря водородным связям

цепочечные молекулы ДНК и должны рассматриваться как одна

ляется тем, сколько водородных связей может образоваться. Та ·

двухцепочечная последовательность . Если

нечетное число ,

ким образом , стабильность определяют два параметра : число ну­

то для любой одноцепочечной последовательности найдется ком­

клеотидных пар и число водородных связей , образуемых каждой
парой . Как показано на рис . 5-6, пары А-Т образуют две водород·

N-

лементарная ей вторая последовательность , и общее число двух­
цепочечных молекул составит 0,5 х

4N. Если же N -

между основаниями, стабильность спирали в основном опреде­

четное число,

двухцепочечных молекул будет немного больше : некоторые после­
довательности окажутся комплементарны сами себе (например ,

5'-ACTAGT-3'),
сформируется

и в действительности двухцепочечных молекул

0,5 х 4N+ 0,5 х 4Nt2•

Г. Чтобы определить уникальную последовательность длиной

N
3 х 106• Отсюда сле­
дует, что N должно быть больше ln(З х 106)/ln(4) = 10,7. Таким об­
разом, в среднем последовательность из 11 нуклеотидов пред­
нуклеотидов ,

4Nдолжно

быть больше, чем

ставлена единственный раз в геноме бактерии . Проделав те же
вычисления для размеров генома животной клетки, мы получим

длину цепочки в

16 нуклеотидов.

Отсюда видно , что относитель ­

но короткая последовательность может маркировать уникаль ­

ный участок генома и достаточна для того , чтобы служить, напри­
мер , идентификационной меткой определенного гена .
ОТВЕТ5-7

Если при репликации ДНК в нее часто включались бы непра ­
вильные основания, генетическая информации не могла бы без­
ошибочно наследоваться . Жизнь в том виде , в котором она из­

вестна нам сейчас , не могла бы существовать. Хотя основания
могут формировать водородные связи так, как показано , они не

668

Основы молекулярной биологии клетки

РИС.

05-8


ные с вязи , а пары

G-C - три водородные связи . Поэто му спираль
В (содержа щая всего 34 водородные связи) расплетается при
наиболее низкой температуре , спираль Б (содержащая всего 65
водородных связей) - при более высокой , а спираль А (содержа­
щая 78 водородных связей) наиболее стабильна в основном из-за
высокого содержан ия G-C пар. Действительно , ДНК организмов ,

гося рядом с теломерой, может быть обратимой , а его активация
с охраняется в следующих поколениях. Возможно , изменение

экспрессии гена

Ade2

связано со спонтанной деконденсацией

хроматина в соседних участках.

ОТВЕТ

5-15

Растущих при экстремально высокой температуре (например , не­

На электронной микрофотографии можно обнаружить участки

которых бактерий, живущих в геотермальных источниках на дне

х роматина разной плотности : более темно окрашенные участ­

океана) имеют необычай но высокое содержание

G-C пар .

ки соответствуют плотному гетерох роматину, а менее к онден­

сированный х роматин окрашен светлее . Большая часть хрома­

ОТВЕТ 5-10

тина в ядре А

ДНК увеличится в 2,5 х 106 раз( = 5 х 10-3/ 2 х 10-9 м). Таким об­
разом , ее длина достигнет 2500 км. Это примерно равно рассто­

активный гетерохроматин. В ядре Б большая часть хроматина

-

это конденсированный, транскрипционно не

деконденсирована и может быть транскрипционно активной .

янию от Лондона до Стамбула , от Сан-Франциско до Канзас-Си­

Ядро А принадлежит ретикулоциту

ти, от Токио до южной оконечности Тайваня или от Мельбурна до

троцита , в котором в основном синтезируется единственный

Кэрнса. Расстояние между соседними нуклеотидами составит
0,85 мм (что примерно соответствует толщине всего лишь 12
страниц этой книги). Ген , состоящий из 1000 нуклеотидных пар ,
будет иметь длину 85 см.

белок , гемоглобин . Ядро Б

-

-

предшественнику эри­

это ядро лимфоцита , в котором

транскрибируются многие гены .
ОТВЕТ5-16

Спираль А правозакрученная . Спираль В левозакрученная . У спи­

0ТВЕТ5-11

рали Б одна цепь правозакрученная и одна

А. Для обозначения каждой нуклеотидной пары требуется два
бита (например, 00, 01 , 10 и 11 - бинарные коды для четырех

Существует несколько способов определить направление закру­

-

левозакрученная .

ченности спирали. Если спираль расположена вертикально, как на

Разных нуклеотидов , каждый из которых спаривается с компле­

рис .

ментарным ему партнером) .

то она правозакрученная ; если они направлены вверх налево, то

Б. Весь геном человека (3 х 109 нуклеотидных пар) можно запи­
(3 х 109 х 2 бита/4 , 8 х 109 бит (емкость

она левозакрученная. Научившись различать направление закру­

85-14, и витки на переднем плане направлены вверх направо ,

сать на двух СО-дисках
одного диска)) .

спиралей «ДНК» на рекламных проспектах

0ТВЕТ5-12

это ни удивительно , вариант изображения спирали Б был исполь­

ченности спиралей , вы с изумлением обнаружите , что почти

-

50%

левозакрученные . В

книгах такие изображения тоже встречаются сплошь и рядом. Как

А. Верно .

Б. Неверно . Белки коровой части нуклеосомы имеют диаметр
11 нм. Модель их сворачивания при формировании фила­
Мента диаметром 30 нм показана на рис . 5-25.

зован в объявлении об авторитетной международной конферен­
ции , посвященной 30-летней годовщине открытия ДНК .

около

ОТВЕТ5-17

Степень компактизации ДНК на нуклеосомах

0ТВЕТ5-13

Определения терминов можно найти в словаре. ДНК соединяет­
ся с особыми белками , формируя хроматин. На первом уровне
Укладки гистоны формируют основу нуклеосом. Вокруг коровой
части нуклеосомы дважды обернута спираль ДНК . Между двумя
делениями ядра, в интерфазе, хроматин интерфазных хромосом
относительно деспирализован и распределен по ядру, хотя неко ­
торые его участки - гетерохроматин - остаются плотно упако­
ванными и транскрипционно не активны . Во время деления ядра,
При митозе , удвоенные хромосомы конденсируются. Образую ­

щиеся митотические хромосомы транскрипционно не активны и
Предназначены для распределения по дочерним клеткам.

х

- 4,5 ((146 п.о . х
0,34 нм/п . о . )/(11 нм) = 4,5) . Если учесть наличие 54 п.о. линкер­

ной ДНК, то уровень компактизации ДНК при укладке в «бусины на
нити» -2 , 3[(200п.о . х 0 , 34нм/п . о . )/(11 нм+{54п . о. х 0 ,34нм/п .о.}) =

= 2,3). Этот первый уровень укладки дает только 0,023%(2,3/ 1О ООО)
от общей степени компактизации ДНК во время митоза .
ОТВЕТ

5-18

Все известные механизмы изменения структуры хроматина лег­

ко обратимы . Так , при ответе на определенные стимулы любые
ковалентные модификации радикалов лизина , аргинина или се­

рина в гистонах могут быть удалены. Эта обратимость важна для

сохранения необходимой гибкости механизмов развития , кото­
рой было бы гораздо сложнее достичь , если бы реализовалась

ОТВЕТ 5-14

Колонии - скопления клеток, возникающие из одной клетки-ос­
новательницы . Они разрастаются по мере того , как клетки вновь
И вновь делятся . В нижней колонии на рис . 85-14 ген Ade2, пере­
местившись в теломерный участок , был инактивирован . Но за­
тем он , видимо , спонтанно активировался в некоторых клетках

гипотетическая схема , основанная на изменениях ДНК .

Глава

6

ОТВЕТб-1

(они приобрели белую окраску) . Спонтанно активированный в

А. Расстояние между реnликационными вилками

определенной клетке Ade2 остается активным в ее потомках ; в

ло

Результате в колонии образуются скопления белых клеток (бе­
ль1е сектора) . Это показывает, что инактивация гена , оказавше-

4 и 5 - око­
(= 280/0,34).
Две репликационные вилки столкнутся примерно через 8 с . Вилки
7 и 8 движутся в разные стороны и поэтому никогда не столкнутся.
280

нм , что соответствует 824-м нуклеотидам

Ответы

669


Б. Общая длина ДН К, по казан ной на электронной микрофотогра ­

фии

около

обратной транскриптазы . Это приводит к частым мутациям в ви­

1 мкм , что соответствует 4400 нуклеотидам . Это всего около 0,002% (= (4400/ 1,8 х 108) х 100%) всей ДНК клетки

сто присутствует несколько генетических разновидностей ВИЧ,

мухи.

отличающихся от исходного варианта , которым заразился боль·

-

русном геноме. Фактически в организме больного СПИДом ча­

ной. Возникают большие сложности в лечении инфекции : ле·
ОТВЕТб - 2

карства , блокирующие работу вирусных ферментов , дают лишь

Хотя процесс может показаться бесполезным , но сделать исправ­

временный эффект, поскольку из -за мутаций быстро появляются

ления невозможно во время исходной стадии синтеза праймера .

новые штаммы вируса , устойчивые к этим лекарствам .

Чтобы начать синтез нового праймера на участке одноцепочечной

РНК-репликазы (ферменты , синтезирующие РНК по матри­

ДНК , необходимо поставить в нужную позицию один нуклеотид.

це РНК) тоже не « вычитывают» нуклеотидные тексты . Поэтому

Затем присоединить к нему второй, третий и так далее. Даже если

РНК -с одержа щие вирусы , реплицирующие свой геном напря·

первые нуклеотиды были поставлены на правильные позиции от­

мую (без использования ДНК в качестве промежуточного про·

носительно матрицы , их сродство будет очень низким, и из-за

дукта) , тоже быстро мутируют. У таких вирусов мутации часто

этого будет очень трудно отличить правильные основания от не­

приводят к изменениям белков их оболочки, из-за чего вирус

правильных с помощью гипотетической праймазы , обладающей

воспринимается нашей иммунной системой как « новый », и его

коррекционной активностью . Работа такого фермента застопори­

размножение не подавляется иммунитетом, выработавшимся к

лась бы . Задача праймазы

-

всего лишь « соединять нуклеотиды,

предыдущему варианту вируса . Это частично объясняет, почему

которые достаточно хорошо связываются с матрицей, и не особо

так часто появляются новые разновидности вирусов

беспокоиться о точности их соответствия ». Позже эти последова­

телей гриппа и ОРВИ.

-

возбуди·

тельности удаляются и замещаются с помощью ДНК-полимеразы,
которая использует вновь синтезированную (нуждающуюся в кор­

ОТВЕТб - 6

Если бы старая цепь была « репарирована » с использованием в

ректировке) ДНК в качестве праймера .

качестве матрицы новой цепи, содержащей ошибку, то ошибка
закрепилась бы в геноме в качестве мутации . Старая информа·

ОТВЕТб - 3

А. Без ДНК-полимеразы репликация вообще не может идти .

ция в процессе такой « починки » была бы утрачена. Поэтому, если

РНК-праймеры останутся в ориджинах репликации.

бы ферменты репарации не умели различать новую и старую

Б. ДНК-лигаза соединяет фрагменты ДНК, образующиеся на

цепи, каждая ошибка репликации исправлялась бы лишь с веро·

отстающей цепи . В отсутствие лигазы вновь синтезированные

ятностью

50%.

цепи ДНК останутся фрагментированными, пропусков нуклеоти­

дов не будет.

ОТВЕТб - 7

В . ДНК-полимераза без подвижного зажима будет часто отвали­

Рассуждение совершенно безосновательное. Из одного вида

ваться от ДНК- матрицы . В принципе она может вновь связывать

нельзя получить другой, просто внеся 1% случайных изменений

ДНК и продолжать синтез , но постоянное открепление и прикрепле­

в ДНК. Совершенно невероятно, чтобы

ние потребует затрат времени и сильно замедлит репликацию ДНК.

ющихся за день в отсутствие репарации ДНК, возникли именно в

5000 мутаций , накаплива·

Г. В отсутствие ферментов эксцизии РНК сохраняться фрагмен­

тех точках , в которых различаются последовательности ДНК че·

ты РНК, ковалентно присоединенные к вновь синтезированным

ловека и шимпанзе . Зато весьма вероятно , что при таком высо·

фрагментам ДНК. Их лигирования не произойдет, поскольку ли­

ком темпе мутирования будут инактивированы какие-то важные

газа не может присоединять ДНК к РНК. Таким образом, отстаю­

гены, что приведет к гибели клетки. Кроме того , тело человека

щая цепь будет состоять из фрагментов РНК и ДНК.

состоит примерно из

Д. Без ДНК-хеликазы ДНК-полимераза остановится , поскольку

панзе , должна измениться не одна клетка , а множество , причем

10 13 клеток . Чтобы

вы превратились в шим·

не сможет разделять цепи ДНК- матрицы перед собой. Синтез

именно в период развития , чтобы вызвать изменения в строении

ДНК сразу или почти сразу остановится.

тела (например , чтобы ваши руки стали длиннее , чем ноги) .

Е. В отсутствие праймазы не будут синтезироваться РНК­
праймеры ни на лидирующей, ни на отстающей цепи . Поэтому

ОТВЕТб-8

репликация ДНК не начнется .

А. Неверно . Синтез ДНК на лидирующей и отстающей цемх
бактериальной репликационной вилки катализируют идентич ·
ные молекулы ДНК-полимеразы . Репликационная вилка асим·

ОТВЕТб-4

Повреждение ДНК путем деаминирования и депуринирования

метрична из-за того . что ДНК отстающей цепи синтезируется в

происходи самопроизвольно . Эти повреждения

виде фрагментов , которые затем сшиваются .

-

не результат

ошибок репликации , поэтому они могут с равной вероятностью

Б . Неверно. Только РНК-праймеры удаляются РНК - нуклеазой ;

возникать в любой из цепей . Если ферменты репарации ДНК

фрагменты Оказаки - это участки вновь синтезированной ДНК,

распознают эти повреждения только во вновь синтезированных

которые впоследствии соединяются, образуя отстающую цепь .

цепях ДНК, половина дефектов останутся неисправленными. Та ­

В . Верно . Частота ошибокДНК-полимеразы

ким образом , утверждение неверное .

ризованных нуклеотидов .

-

одна на

107 полиме·

99% ошибок исправляют ферменты мис·

мэтч-репарации , так что итоговая частота ошибок - одна на 109.
ОТВЕТб-5

Г. Верно . Мутации будут быстро накапливаться , разрушая гены.

Вирус СПИДа (вирус иммунодефицита человека , ВИЧ) относится

Д. Верно . Если поврежденные нуклеотиды встречаются в ДНК и

к ретровирусам, он синтезирует ДНК по матрице РНК с помощью

в естественных условиях , то фермент репарации не будет спосо ·

670

Основы молекулярной биологии клетки


бен обнаружить повреждение . Поэтому правильная цепь сохра­
ниться лишь с вероятностью 50%.
Е. Верно. Обычно должно накопиться несколько специфичных

3'- к

мутаций , чтобы клетка превратилась в раковую. Мутации в гене,

того, что трифосфатные группы находились бы на правой сто­

5 ' -концу. Исправление ошибок в принципе могло бы про­

исходить за счет

5'-,

3 ' -нуклеазной активности. Этот вариант

соответствовал бы показанному на рис .

6-15

за исключением

кодирующем фермент репарации ДНК , может повысить пред­

роне цепи ДНК и справа от присоединяемых нуклеотид-три­

расположенность клетки к накоплению следующих мутаций , тем

фосфатов.

самым увеличивая вероятность возникновения рака .
ОТВЕТ6-12

0ТВЕТ6-9

См. РИС .

06-12.

При наличии одного ориджина репликации, от которого в проти­
воположные стороны движуются две молекулы ДНК-полимеразы

R

со скоростью 100 нуклеотидов в секунду, число удвоившихся за
сутки нуклеотидов составит 1,73 х 107 ( = 2 х 100 х 24 х 60 х 60).

Чтобы за сутки удвоились все 6 х 109 нуклеотидов гено­
ма, потребуется как минимум 384 ориджина репликации
(= 6 х 109/1 ,73 х 107) . Таким образом, существующих в человече­
ском геноме 1О ООО ориджинов репликации с избытком хватает

rt

1. Начало синтеза
фрагмента Оказаки

,-1.J

~

: -,....J

для соответствия этому минимальному требованию .

... ...
,

0ТВЕТ6-10

А. Вещество А - дидеоксицитозинтрифосфат (дцЦТФ), идентич­
ный дЦТФ, за исключением отсутствия 3' -гидроксильной группы
в кольце сахара. дцЦТФ узнается ДНК-полимеразой как дЦТФ и
включается в ДНК; однако из-за того, что у него нет необходимой
для синтеза 3 ' -гидроксильной группы , его добавление создает
« мертвый конец», к которому не могут присоединяться последу­

ющие нуклеотиды . Если дцЦТФ добавлен в большом избытке, но­
вые цепи будут синтезироваться до первого G (нуклеотида, ком­
плементарного С) на матричной цепи. Затем вместо дЦТФ будет
присоединен дцЦТФ, и удлинение этой цепи закончится.

Б. Если дцЦТФ добавлен в концентрации, равной 10% от обще­

го числа доступных дЦТФ, то шансы его присоединения к G на
Матричной цепи составляют 1 из 10. Поэтому образуется набор
Разных фрагментов ДНК , и по их длине можно выяснить , где в
Матричной цепи находятся остатки G. Эта стратегия лежит в ос­
нове метода, используемого для определения последовательно­
стей нуклеотидов в цепях ДНК (см . гл . 10).
Тот же химический механизм лежит в основе действия ле­

карства 3' -азидо-3 ' -деокситимидина (азидотимидина), кота­
Рое сейчас широко используется для лечения СПИДа у ВИЧ­
Инфицированных пациентов. Азидотимидин в клетках превра­
щается в трифосфат, а затем включается в растущую вирусную

дНК. Поскольку у азидотимидина отсутствует 3' -ОН группа, он
блокирует синтез ДНК и репликацию вируса . Репликация вируса
Подавляется избирательно, поскольку обратная транскрипта­
за обладает более высоким сродством к азидотимидину, чем к
тимидинтрифосфату, а клеточная ДНК-полимераза человека не

Обладает этим свойством.
В. Вещество Б - это дидеоксицитозинмонофосфат (дцЦМФ),
У которого отсутствует как 5'-трифосфатная группа, так и 3 '-ги­
дРоксильная группа сахарного кольца. Таким образом, он немо­
)Кет обеспечить энергией полимеризацию нуклеотидов в ДНК и
Не включается в растущую цепь ДНК. Добавление этого компо­
нента не повлияет на репликацию ДНК.
0 твет6-11

Чтобы использовать энергию 3'- трифосфатной группы, цепь

должна была бы расти в противоположном направлении - от

2. Срединная точка синтеза фрагмента Оказаки
РИС .

06-12

ОТВЕТ6-13

Обе цепи бактериальной хромосомы содержат 6 х 106 нуклеоти­
дов . В ходе синтеза ДНК из трифосфат-нуклеотидов на каждый
присоединенный к ДНК нуклеозид рвутся две фосфоангидрид­
ных связи : трифосфат-нуклеотид гидролизуется с образова­
нием нуклеозид-монофосфата, присоединяемого к растущей

цепи ДНК, и пирофосфата, гидролизуемого до фосфата. Таким

образом, во время каждого раунда репликации бактериальной
ДНК гидролизуется 1,2 х 107 высокоэнергетических связей . Для
этого требуется 4 х 105 (=1 ,2 х 107/30) молекул глюкозы, веся­
16
щих 1,2 х 10- г (=4 х 105 молекул х 180 г/моль/6 х 1023 молекул/
моль) , что составляет 0,01 % общей массы клетки .
ОТВЕТ6-14

Утверждение верное. Если ДНК соматических клеток недоста­
точно стабильна (т. е . в ней слишком быстро накапливаются му­
тации), то организм погибнет (например, от рака), а поскольку
гибель с высокой вероятностью может произойти до того, как
организм оставит потомство, это может привести к вымиранию

вида . Если недостаточно стабильна ДНК репродуктивных кле­
ток, то множество возникших мутаций будет передаваться сле­
дующим поколениям, и вид не сможет существовать .

Ответы

671


кольцевая ДНК

линейная ДНК

ОТВЕТ6-15

Как показано на РИС .

06-15 , у тимина и

урацила нет аминогрупп,

матричная цепь

и они не могут быть дезаминированы . При дезаминировании

ОН З'

5'

аденина и гуанина возникают пуриновые кольца , не входящие в

состав обычных нуклеиновых кислот. Напротив, при дезаминиро­

РНК- праймер

вании цитозина образуется урацил. Поэтому, если бы урацил в

!

норме входил в состав ДНК, ферменты репарации не смогли бы

УДАЛЕНИЕ

РНК-ПРАЙМЕРА

отличить нормальный урацил от возникшего в результате спон­
танного дезаминирования цитозина . Однако этой дилеммы не

ОН З '

5'

!

«

!

5'

но))
З'

С,. но))

РЕПАРАЦИЯ ДНК

!

З'

ОН З '

5'
УТРАЧЕННЫЕ

НУКЛЕОТИДЫ!
(А)

(Б)

аденин

РИС.

06-16

возникает, поскольку в состав ДНК вместо урацила входит ти·

мин . Поэтому, если в составе ДНК обнаруживается урацил , он
автоматически распознается как поврежденное основание, вы·
резается и заменяется на цитозин .

ОТВЕТ6-16

А. Поскольку ДНК-полимеразе требуется для синтеза ДНК з• -ОН
группа, без теломер и теломеразы концы хромосом будут укора·

чиваться при каждом раунде репликации ( РИС. 06-16). Для бак­

NH 2

H
r
N
I
Н N,,,lO цитозин

1

о

:(1:
рацил

1

териальной хромосомы, не имеющей концов, такой проблемы

не возникает; всегда найдется З'-ОН группа, доступной для ДНК·
полимеразы, замещающей РНК-праймер на ДНК. Теломеры и те­

ломераза предотвращают укорачивание хромосом, поскольку за
счеттеломер удлиняется З ' -конец цепи ДНК (см . рис. 6-18). Такое
удлинение отстающей матричной цепи обеспечивает « место», с
которого начинается синтез концевых фрагментов Оказаки .

Б . Как показано на рис . 06-16, теломеры и теломераза нужны
даже в том случае , когда синтез последнего фрагмента отстаю·

о

HC
rI N/H-

щей цепи инициируется праймазой на самом конце З ' -цепи хро·
мосомной ДНК , так как РНК-праймер должен быть удален .

3

Н N,,,lO

тимин

НЕТ ИЗМЕНЕНИЙ

ОТВЕТ6-17

Вирусы не бывают свободноживущими : у них нет метаболизма ,
они не взаимодействуют с другими вирусами и не могут самосто­

1

ятельно размножаться . Таким образом , у них нет многих призна·
ков живого . И в самом деле , их даже можно закристаллизовать.

Только внутри клеток они могу перенаправить нормальные про·

о

H:CN/H
I
Н N,,,lO

цессы клеточного биосинтеза, заставляя клетку копировать ceбsi .

Так что единственный признак живого у вирусов - это их способ·
НЕТ ИЗМЕНЕНИЙ

1

ность обеспечивать собственное размножение внутри клетки.
ОТВЕТ6 - 18

При каждом включении новой копии транспозона в хромосоМУ
могут возникать полезные, нейтральные или вредные для орга ·

низма изменения. Поскольку отбор будет действовать против
РИС.

672

06-15

Основы молекулярной биологии клетки

особей, для которых инсерции оказались вредными , размноже·


ние транспозонов контролируется естественным отбором . Если

ОТВЕТ7-З

появится неконтролируемо размножающийся транспозон , вряд

На первый взгляд каталитическая активность РНК-полимеразы ,

ли сохранится жизнеспособность организма -хозяина . Поэтому

используемой при транскрипции, может вполне адекватно за­

в ходе эволюции большинство транспозонов приобрели способ­

менить праймазу. Однако при дальнейшем рассмотрении вы ­

ность перемещаться лишь изредка . Например , многие транспо­
зоны лишь изредка и в очень небольших количествах синтезиру­
ют транспозазу, необходимую для и х перемещения .

являются серьезные проблемы.

ОТВЕТб-19

Таким образом , или инициация должна быть промотор-неза­

А. Если бы строго по центру хромосомы возникал единственный

висимой , или потребуется гораздо больше промоторов в ДНК .

(1)

При использовании РНК­

полимеразы в качестве праймазы потребуется инициировать
синтез каждых нескольки х сотен нуклеотидов ; точки инициации

гораздо более многочисленны , чем промоторные участки ДНК .

0

Риджин репликации , репликация ДНК заняла бы более

8 дней
[::: 75 х 106 нуклеотидов /(100 нуклеотидов/секунду)] . Таким об­

Разом, скорость репликации резко ограничивала бы темп кле ­
точных делений . Если бы ориджин возникал на конце хромосо­
мы , то время репликации увеличилось бы еще примерно вдвое .

Б . Конец хромосомы, не защищенный теломерой, будет терять
нуклеотиды , постепенно укорачиваясь при каждом раунде ре­
пликации ДНК . В конце концов будут утрачены важные гены , что
приведет к смерти клетки.

В обоих случаях возникнут проблемы с контролем транскрипции.

(2)

РНК-праймеры , используемые при репликации , гораздо ко­

роче, чем иРНК, Поэтому терминация работы РНК-полимеразы
должна была бы происходить гораздо чаще, чем при транскрип­
ции. Или терминация должна происходить спонтанно , без спе­
циальных терминирующих последовательностей ДНК , или таких

последовательностей должно быть гораздо больше . Оба этих
варианта тоже породят проблемы при контроле транскрипции .
Возможно , проблемы можно преодолеть , если во время ре ­

В. Без центромер, прикрепляющих их к нитям веретена деле­

пликации к РНК-полимеразе будут присоединяться специальные

ния, две образовавшиеся при репликации новые хромосомы не
смогут аккуратно распределиться по дочерним клеткам . Поэто­
му многие дочерние клетки погинут, не получив полного набора

дания разных специализированных ферментов . Тем не менее ,

Хромосом.

полимеразу хозяев для изготовления праймеров при своей ре­

регуляторные белки ; но эволюция решила эту задачу путем соз­
некоторые мелкие ДНК-содержащие вирусы используют РНК­
пликации .

Глава 7

ОТВЕТ7-4

0ТВЕТ7-1

лоту, прикрепленную к тРНК. Если уж аминокислота присоедине­

Возможно , лучший ответ был дан самим Фрэнсисом Криком ,
Придумавшим этот термин в середине 1950-х : « Как мне кажется,
я назвал эту идею центральной догмой по двум причинам . Я уже
Использовал банальное слово гипотеза в отношении гипотезы ,
Предполагающей , что генетическая информация закодирова­
на в последовательности нуклеотидов ДНК , и поэтому я хотел
подчеркнуть , что это новое допущение - более центральное и

более мощное ... Как оказалось, использование слова догма вы­

звало больше проблем , чем того заслуживало . Много лет спустя

>как Моно указал мне на то, что я не понимал правильного зна­

чения слова «догма» как убеждения , которое нельзя подвергать
сомнению. В общем , я это понимал , но поскольку я считал, что
все религиозные верования не имеют серьезных оснований, я
Использовал это слово в том смысле , который сам ему прида­
вал, а не в общепринятом : я просто обозначил им важнейшую
гипотезу, хотя и правдоподобную , но имеющую тогда мало пря ­
Мь1х экспериментальных свидетельств ». (Фрэнсис Крик . «Что

Эксперимент показывает, что рибосома не проверяет аминокис­
на к тРНК , рибосома « вслепую» ставит ее в ту позицию , которая
определяется соответствием между кодоном и антикодоном.

Отсюда следует, что правильное прочтение генетического кода,
т. е . установление соответствия между кодоном и аминокисло­

той , в основном зависит от ферментов-синтетаз, соединяющи х
тРНК с нужной аминокислотой .
ОТВЕТ7-5

и РНК будет иметь

5'-3' -полярность,

довательность РНК будет читаться как 5'-GAAAAAAGCCGUUAA-3'.

N-концевая аминокислота , кодируемая кодоном
таминовая кислота .

UAA -

GAA -

это глу­

стоп-кодон , поэтому С-концевая

аминокислота кодируется кодоном

CGU; это аргинин .

Обратите

внимание, что при описании последовательности нуклеотидов

гена принято приводить последовательность цепи ДНК , не ис­

пользуемой в качестве матрицы для синтеза РНК . Это последо­

ищет сумасшедший : Личный взгляд на научные открытия ». Basic

вательность (с заменой

Books, 1988).

сти РНК-транскрипта .

0ТВЕТ7-2

ОТВЕТ7-6

В действительности РНК-полимеразы вообще не двигаются , по­

противоположную полярно­

сти цепи ДНК , которая служит матрицей . Таким образом , после­

U на Т) соответствует последовательно­

Первое утверждение фактически правильно : считается, что мо­

скольку они были зафиксированы и напылены металлом при из­
готовлении препарата для электронной микроскопии . Однако до

лекулы РНК были первыми самореплицирующимися катализато­

пенное удлинение РНК-транскриптов .

«утрата ». Сейчас РНК в клетках выполняет множество функций

Фиксации они двигались слева направо, что показывает посте­

рами, а в современных клетках утратили способность к самоуд­

воению . Можно, однако , поспорить с тем , что это действительно

-

Транскрипты РНК короче , так как они начали по мере син­

переносчиков информации от ДНК к белку, адаптеров при син ­

теза сворачиваться , приобретая трехмерную структуру (см .
Рис. 7-5), в то время как ДНК - вытянутая двойная спираль .

теза белка , праймеров при удвоении ДНК и катализаторов для
некоторых важ нейших реакций.

Ответы

673


(А)

ОТВЕТ7-7

СИНТЕЗ
ПОСМЕШИНА

А. Неверно . Рибосома может синтезировать любой белок, это

В НОРМЕ

173

зависит от и РНК , транслируемой в данный момент. После транс ­

ляции рибосома отделяется от и РНК и затем может начать транс­
ляцию другой и РНК .

1

1
сплайсинг

Б . Неверно . иРНК транслируются ка к линейные полимеры. Для

этого не нужна какая-либо свернутая структура молекулы . На са­

~

5'

мом деле такие структуры (если иРНК их образует) могут инги­

кэп

бировать трансляцию , поскольку для считывания информации с

и РНК рибосома должна ее развернуть .
В. Неверно . Субъединицы рибосом объединяются заново после

Е1

кэп

каждого раунда трансляции . После отделения рибосомы от иРНК

малых и больших субъединиц, из которых на новой и РНК образу­
ются новые рибосомы.

-

!
!
!

_

цитоплазматические органеллы, но

нормальный ген

сплаисинг

ААА
пре - иРНК

Е2

две ее субъединицы разделяются и пополняют пул свободных

Г. Неверно. Рибосомы

п .о.

ЕЗ

ААА

иРНК

белок посмешин

каждая из них не окружена мембраной .
Д. Неверно . Положение промотора определяет направление

(Б)

транскрипции и то , какая цепь ДНК служит матрицей. Транскриц­
пия в противоположной направлении приведет к синтезу совер ­

шенно другой (и , возможно , бессмысленной) последовательно ­

СИНТЕЗ
ПОСМЕШИНА

1

11

Е . Неверно . РНК содержит урацил, а не тимин.

5'

Ж . Неверно . Количество белка в клетке зависит от скорости его

кэп

синтеза и распада , а не от ферментативной активности .

•

1 ■-8!!+111!1--

1

12

~

мутантный ген

1

!
!

ОТВЕТ7-8

З'

ААА

мутантная пре- иРНК

кэп - Адд

Поскольку делеция возникла во внутреннем участке иРНК посме­

-

З '-сайт сплайсинга

ПРИ МУТАЦИИ

сти иРНК .

шина , вероятно, эта делеция

мутация , инактивирующая

мутантная иРНК

результат нарушения сплайсин­

га . Простейшая интерпретация состоит в том , что ген посмешина

содержит экзон длиной
РИС.

07-8 ),

173 нуклеотида

(обозначенный как Е2 на

который утрачивается при процессинге мутантной

мутантный белок

пре-иРНК. Это может произойти , например, если при мутации
изменяется и больше не опознается сплайсирующими механиз ­
мами

РИС.

07-8

3' -сайт сплайсинга в предшествующем интроне («11 ») (к это­

му может привести , например , изменение в последовательности

CAG, как

показано на рис .

7-19). snRNP будет искать следующий
3'- сайт сплайсинга , находящийся на конце следую­
щего интрона («12»), и при сплайсинге будет удален Е2 вместе с 11
и 12, что приведет к укорочению иРНК. С такой иРНК будет считы ­

А. Неверно. Связи не ковалентные , а их формирование не требу·

ваться дефектный белок , возникнет дефицит посмешина.

ет затрат энергии .

подходящий

Поскольку

173

нуклеотида не соответствует целому числу

кодонов , утрата экзона в иРНК приведет к сдвигу рамки считы­
вания в точке сшивания экзонов . Поэтому последовательность

посмешина будет нормальной только на протяжении экзона Е1 .
Последовательность экзона Е3 будет считываться в рибосоме со
сдвигом рамки , и аминокислотная последовательность не будет

ОТВЕТ7-10

Б . Верно . Аминоацил -тРНК входит в рибосому в А-сайте .

В . Верно . Когда рибосома движется вдоль иРНК , тРНК, отдавшие
свои аминокислоты растущей полипептидной цепи , отделяются
от рибосомы и иРНК . Их отделение происходит через два шага

рибосомы после того , как данная тРНК присоединилась к рибо ·
соме (см . рис . 7-33) .

напоминать нормальную последовательность , кодируемую экзо ­

ном ЕЗ . Скорее всего , вскоре рибосоме попадется стоп - кодон ,

ОТВЕТ7-11

который в молекуле РНК , не кодирующей белок , должен встре ­

Репликация . Словарное определ е ние : создание точной копии ;
молекулярно-биологическое определение : процесс удвоения
ДНК . Транскрипция. Словарное определение : процесс создания
копии путем переписывания , в частности с одного физического
носителя на другой; молекулярно - биологическое определение:
процесс копирования информации с ДНК на РНК . Трансляция.

чаться в среднем чере з каждые

приходятся на

21

кодон (та к ка к три стоп - кодона

64 кодона генетического кода).

ОТВЕТ7-9

И последовательность

1, и последовательность 4 кодируют пеп ­

тид Арг-Гли-Асп . Поскольку генетический код вырожде нны й ,
разные

нуклеотидные

последовательности

моугт

одну и ту же аминокислотную последовательность .

674

Основы молекулярной биологии клетки

кодировать

Словарное определение: процесс пе ревода слов на другой язык;
молекулярно-биологическое определение: процесс синтеза
определенной линейной полипептидной цепочки из аминокис·


лот с использованием информации , закодированной в линейной

соединяющие три фосфатные группы. В показанной реакции

последовательности нуклеотидов иРНК. (Обратите внимание ,

высвобождается пирофосфат, состоящий из двух фосфатных

что термин «трансляция » как в обыденном языке, так и научной

групп , соединенных одной из таких макроэргических связей . Та­

терминологии может использоваться совсем в другом смысле ,

ким образом, пирофосфат можно гидролизовать со значитель­

обозначая перемещение из одного места в другое . )

ным выигрышем в свободной энергии , т. е . эффективно удалять .

0ТВЕТ7- 12

следующим гидролизом пирофосфата практически необратимы

В клетках эта реакция протекает быстро, и такие реакции с по­

Кодом из двух нуклеотидов можно закодировать 16 разных ами­
нокислот(=

42),

(см . гл .

3).

а триплетным кодом , в котором расположение

нуклеотидов не имеет значения

ОТВЕТ7-16

та триплетов из трех одинаковых нуклеотидов

- 20 аминокислот(= 4 вариан­
+ 12 вариантов
отличающегося + 4 варианта из

А. Молекула титина состоит из

из двух одинаковых и одного

ной молекулы титина в мышечной клетке длится около

25

ООО аминокислот. Синтез од­

3,5 ч.

трех различающихся) . В обоих случаях это максимальное число

Б . Из-за большого размера вероятность отсутствия ошибок

аминокислот нужно уменьшить по крайней мере на одну, так как

при синтезе титина составляет всего

для трансляции требуется стоп-кодон. Сравнительно просто

означает, что только

представить себе, как дублетный код мог бы транслироваться с

не содержит ошибок. Для сравнения , около

8 из 100

0,08 (= (1 - 10·4 ) 25000 ]; это

синтезируемых молекул титина

вновь син ­

97%

помощью механизма, сходного с существующим , за счет тРНК

тезированных белков среднего размера синтезируются без

с всего двумя значащими нуклеотидами в антикодоне . Сложнее

ошибок .

Представить , как бы мог транслироваться триплетный код, в

В . Процент ошибок при синтезе лимитирует размер белков,

котором не учитывается порядок нуклеотидов в триплете , по­

которые могут синтезироваться достаточно аккуратно . Напри­

скольку при этом уже нельзя было бы использовать спаривание

мер , если бы все белки рибосом эукариот синтезировались

оснований : например ,
тикодоном , что и

AUG

не мог бы спариваться с тем же ан­

UGA.

как одна молекула, то значительная доля

(87%)

молекул ги­

гантского рибосомального белка содержала бы как минимум
одну ошибку. Более выгодно синтезировать рибосомальные

0ТВЕТ7-13

белки по отдельности , поскольку при этом способе лишь не­

Возможно, на ранних этапах эволюции клеток соответствие меж­

большая доля молекул каждого белка будет содержать ошиб­

ду антикодонами и аминокислотами было менее строгим, чем в

ки, и эти немногие дефектные молекулы можно удалить с по­

современных клетках . Особенность генетического кода, описан­

мощью протеолиза, обеспечив отсутствие ошибок в структуре

ная в вопросе , могла позволять ранним клеткам выдерживать эту

рибосомы как целого .

нечеткость, сохраняя нестрогие соответствия между наборами

Г. Чтобы вычислить время , необходимое для транскрипции гена

примерно одинаковых кодонов и примерно одинаковых амино­

титина , вам нужно знать размер гена, который , вероятно , содер­

кислот. Легко можно представить себе , как соответствие между
кодонами и аминокислотами становилось шаг за шагом все бо­

жит множество интронов . Для транскрипции одних экзонов по­

лее строгим по мере эволюции механизмов трансляции и их при­

весьма значительной , на транскрипцию всего гена , вероятно , за­

ближения к современным.

трачивается намного больше времени .

требуется около

42 мин . Поскольку длина интронов может быть

0ТВЕТ7-14

ОТВЕТ7-17

Кодон для триптофана - 5'-UGG-3'. Следовательно, нормаль­

Типы мутаций, описанные в (Б) и (Г) , часто наиболее вредны.

ная триптофановая тРНК содержит в качестве антикодона по­
следовательность 5 ' -ССА-3 ' . Если эта тРНК содержит мута­
цию , изменившую ее антикодон на UCA, она будет распозна­

сдвиг рамки происходит в начале или в середине кодирующей

В обоих случаях будет изменена рамка считывания, а поскольку
последовательности , большая часть белка будет содержать

вать в качестве кодона UGA, Это приведет к включению остат­
ков триптофана в точки , где синтез должен был бы останавли­
ваться . Многие другие последовательности , кодирующие бел­
ки, также содержат кодоны UGA в качестве стоп-кодонов, и на
них тоже окажет влияние эта мутантная тРНК . В зависимости
от исхода конкуренции между мутантной тРНК и нормальными

бессмысленную последовательность аминокислот или белок

Факторами терминации трансляции (см . рис. 7-37) в некото­

аминокислоты, но не вызовет сдвига рамки. Утраченная ами­

Рые из этих белков могут включаться дополнительные амино­
кислоты на их С-конце . Их избыточное число будет зависеть
от того, какое расстояние пройдет рибосома до следующего
Кодона , отличного от UGA и находящегося в рамке считывания

нокислота может оказаться важной или не очень важной для

для организма или оказывают лишь слабое влияние . Замена

данной иРНК.

одного нуклеотида на другой в случае (д) часто совершенно

0ТВЕТ7-15

Один из эффективных способов заставить реакцию идти до кон­
ца - удаление одного из продуктов; при этом обратная реакция
Невозможна. АТФ содержит две высокоэнергетические связи,

будет сильно укорочен. Напротив , сдвиг рамки считывания в
конце кодирующей последовательности

в (А)

-

-

вариант, описанный

приведет к синтезу почти нормального белка, который

может оказаться функциональным. Делеция триплета из трех
соседних нуклеотидов , вариант (В) , приведет к делеции одной

правильного сворачивания или активности белка; во многих

случаях такие мутации нейтральны, т. е . не имеют последствий

безвредна. В одних случаях она не приводит к изменению ами­
нокислотной последовательности белка: в других

-

приведет

к замене единичной аминокислоты; в худшем же случае может

возникнуть новый стоп-кодон , что приведет к синтезу укорочен­
ного белка .

Ответы

675


Глава

8

ОТВЕТ8-2

Связи могут возникать м ежду бел ком и краями пар оснований ,
ОТВЕТ

которые высовываются в большую бороздку ДНК ( РИС. 08-2 ).

8-1

А . Транскрипция триптофанового оперона больше не будет ре ­

Связи , отвечающие з а специфичность взаимоде й ствия с опре­

гулироваться наличием или отсутст вием триптофана ; ферменты

деленными нуклеотидами ,

все время будут синтезироваться при ваиантах

фобные взаимодействия с метильной группой тимина . Обратите

янно отсутствовать при варианте
Б . При вариантах

(1)

и

(1) и (2)

и посто­

(3).

это водородные связи и гидро­

внимание , что расположение доноров и акцепторов водородных

нормальные молекулы триптофа­

(2)

-

связей различается в парах Т-А и

C-G . Сходным образом ,

распо ­

нового репрессора полностью восстановят регуляцию фер ­

ложение доноров и акцепторов водородных связей пар А-Т и

ментов биосинтеза триптофана. При варианте

напротив,

будет отличаться друг от друга и от расположения , показанного

экспрессия нормального белка не окажет никакого влияния ,

на рис. В дополнение к связям , показанным на рисунке , связи

3,

G-C

поскольку триптофановый оператор будет постоянно занят

между белками и ДНК обычно стабилизируются электростати ­

мутантным белком .

ческими взаимодействиями между положительно заряженными
радикалами аминокислот и отрицательно заряжененными груп ­

пами сахара-фосфатного остова ДНК .

гидрофобное
взаимодействие

ОТВЕТ8-3

Сгибающие белки помогают сблизить удаленные участки ДНК ,
которые в их отсутствие не могут эффективно взаимодейство­

вать ( РИС. 08-3 ). Такие белки есть и у прокариот, и у эукариот;
они участвуют в регуляции транскрипции во многи х изученных
случаях.

ОТВЕТ8-4

А. Ультрафиолетовый свет вызывает переход от профага к лити­

;:
~

1

~

%
<г,

~

~

1

ческому состоянию ; когда разрушается белок cl, синтезируется
Cro, подавляющий дальнейшее образование cl . Образуются бел­

1
~

Н Y i) :°"'NN ' Н 111111

или 111111

а

\.м•: {ill l lH~

Б. Когда ультрафиолетовое освещение отключается, вирус оста ·
ется в литической фазе . Таким образом ,

1

N

ки оболочки и новые вирусные частицы .

cl

и

Cro формируют ре·

гуляторный генный переключатель , « запоминающий » предше ­
ствующие условия .

В . Это переключение имеет смысл для нормального осущест­

~n~

ил и

вления жизненного цикла вируса : ультрафиолетовый свет часто

t!

111111

11
энхансер и связанный

с ним транскрипционный
фактор

бел о к

сгибающий белок

РИС .

676

08-2

Основы молекулярной биологии клетки

РИС .

08-3


повреждает ба ктериальную ДН К (с м . рис .

6-24) , делая

бакте­

этого расстояния. Удивительная особенность данных (взятых

рию неподходящим хозяином для вируса . Поэтому переклю­

из реального эксперимента)

чение от профага к литическому состоянию выгодно : оно по ­

мости: максимальная активность энхансера наблюдается при

зволяет вирусу покинуть «тонущий корабль», найти и заразить

определенных расстояниях от промотора

новых хозяев .

отидов) , но почти нулевая

ОТВЕТ 8-5

ставляет предположить, что эта загадка связана со структурой

Неверно . Морковь можно вырастить из единственной клетки

двойной спирали ДНК, в которой

моркови , а головастика можно получить , введя ядро диффе­

один оборот. Возможно, расположение энхансера на противо­

ренцированной клетки лягушки в лягушачью яйцеклетку. Но

положной промотору стороне спирали (РИС.

морковь нельзя каким-либо способом получить из лягушачьей

взаимодействие белков-активаторов , связанных с энхансером,

(55

яйцеклетки.

или

65

-

-

периодичность этой зависи­

(50, 60

или

70

нукле­

при промежуточных расстояниях

нуклеотидов). Периодичность в

1О

10

нуклеотидов за­

нуклеотидов приходится на

08-7) затрудняет

и белков, связанных с промотором. При больших расстояниях
легче компенсировать изгиб ДНК, и эффект снижается.

ОТВЕТ 8-6

А. Верно . иРНК прокариот - это часто транскрипт целого опе­

ОТВЕТ8-8

рона . Рибосомы могут начинать трансляцию с внутренних старт­

Можно назвать такие два преимущества образования димеров

кодонов AUG таких « полицистронных» иРНК (см . рис .

ДНК-связывающими белками:

7-36 и 8-6).

(1)

формирование димера рез­

Б . Верно . Главная борозда двухспиральной ДНК достаточно

ко повышает специфичность и силу ДНК-белковых взаимодей­

широкая, чтобы поверхность белка (например, одна сторона

ствий, удваивая число связей белка с ДНК;

а-спирали) могла контактировать с парами оснований.

ницы могут образовывать различные комбинации, что повышает

В. Верно . Выгодно установить контроль на самом раннем этапе

число возможных сайтов связывания на ДНК. Три наиболее рас­

(2)

разные субъеди­

метаболического пути . Это позволяет сэкономить энергию, так

пространенных белковых домена, отвечающих за связывание с

как прекращает производство всех ненужных продуктов.

ДНК,

Г. Неверно . Атомы цинка в доменах « цинковых пальцев» нужны

пальцы » . Каждый из них вызывает образование стабильного из­

-

это лейциновые застежки, гомеодомены и «цинковые

для правильного сворачивания белка ; они находятся внутри до­

гиба определенной формы в полипептидной цепи, в результате

менов и не контактируют с ДНК.

чего а-спираль располагается так , что может вставляться в боль­

OТВЕТ8-7

стых оснований (см . рис.

шую бороздку молекулы ДНК и контактировать с краями азоти­

8-5) .

Из того что нам известно об энхансерах, можно заключить, что
их работа относительно независима от их расстояния до про­

ОТВЕТ8-9

Мотора , возможно , их активность несколько падает с ростом

Сродство димерного л.-репрессора к его сайтам связывания

-

это совокупность взаимодействий , обеспечиваемых каждым их

двух его ДНК-связывающих доменов. Один ДНК-связывающий
энхансер и связанный с ним
регулятор транскрипции

домен может образовать вдвое меньше связей и обеспечивает
вдвое меньшую энергию взаимодействия по сравнению с диме­

ром. Поэтому, хотя концентрация ДНК-связывающих доменов
и остается неизменной, они больше не связаны друг с другом .

Из-за этого индивидуальное сродство доменов к ДНК очень

слабо , и они не могут оставаться в связанном с ДНК состоянии.

50

...

В результате гены литического роста включаются .

РНК-полимераэа

п.о.

ОТВЕТ8-10

Функция Аrg-генов

-

синтез аргинина . Когда аргинина мно­

го , экспрессия генов, отвечающих за его биосинтез , должна

подавляться. Если

ArgR

действует как репрессор этих генов

(что он и делает) , тогда связывание аргинина должно повы­
шать его сродство к регуляторным сайтам, позволяя ему свя­

зываться с ДНК и выключать экспрессию генов. Если бы

55

п.о.

ArgR

действовал как активатор экспрессии генов , аргинин должен

был бы уменьшать его сродство к регуляторным участкам
ДНК, предотвращая его связывание и выключение экспрессии
Аrg-генов.
ОТВЕТ

8-11

Результаты этого эксперимента говорят в пользу роли изгибания

60

Рис . 00-1

п.о .

ДНК и отсутствия влияния природы белкового мостика (он дол­
жен только позволять ДНК изгибаться , что он и делает) . Напро­
тив, модель сканирования или « входного сайта » предполагает,

Ответы

677


что характер соединения между энхансером и промотором ва ­

Глава

9

жен. Если белки , связавшись с энхансером, сканируют ДНК в по­
исках промотора, они должны пересечь белковый мостик . Если

ОТВЕТ9-1

белки соединяются с ДНК при сканировании , такой барьер дол ­

Ответ состоит в необходимости для клетки поддерживать баланс
между стабильностью и способностью меняться. Если темп му­

жен создавать для них сложности .

тирования был бы слишком высоким , вид в конце концов вымер
ОТВЕТВ-12

бы из-за того , что его особи накапливали бы слишком многому­

Наиболее определенный результат состоит в том, что из един­

таций в генах, необходимых для выживания . Для того чтобы вид

ственной дифференцированной клетки, взятой из специали­

был успешен в эволюционном смысле , необходимо , чтобы его

зированной ткани , можно воссоздать целый организм. Это до­

особи имели хорошую генетическую память , т. е. точность ре­

казывает, что клетка должна содержать всю информацию , не­

пликации ДНК . В то же время эпизодические изменения нужны ,

обходимую для создания целого организма, включая все его

если вид должен приспосабливаться к меняющимся условиям .

специализированные типы клеток. Такого рода эксперименты

Если изменение приводит к улучшению, оно сохранится благо­

изображены на рис.

даря отбору; если же оно окажется вредным , особь, которая ока­

8-2.

залась неудачливым объектом природного эксперимента , умрет,
ОТВЕТВ - 13

но вид сохранится .

Вы можете создать с помощью
крипции

16

4

разных регуляторов транс­

разных типов клеток (все

8 типов

клеток, показан­

ОТВЕТ9 - 2

типов, создаваемых бла­

У одноклеточных организмов генбм можно считать зародышевой

годаря добавлению других регуляторов транскрипции) . Сам

линией : любые его изменения передаются следующим поколе­

ные на рис .

8-19,

плюс еще

8 других

MyoD может индуцировать специфичную для мышц экспрессию

ниям. У многоклеточных же организмов большинство клеток

генов только в некоторых типах клеток , например, в некоторых

соматические, и они не вносят вклада в следующее поколение;

типах фибробластов . Таким образом, действие

согласу­

поэтому изменения этих клеток из-за горизонтального переноса

если мышечные

генов не будут иметь значения для следующих поколений. Клет­

ется с моделью, изображенной на рис.

8-19:

MyoD

-

клетки специфицируются , например, комбинацией регулято­

ки зародышевого пути обычно находятся внутри многоклеточ­

ров транскрипции

ного организма , что минимизирует их контакт с чужеродными

1, 3 и MyoD,

то добавление

только два из изображенных на рис.

8-19

MyoD

превратит

типа клеток (Е и

3)

в

клетками , вирусами и ДНК, таким образом уменьшая влияние на
виды горизонтального переноса генов . Тем не менее горизон·

мышечные клетки.

тальный перенос генов встречается и у многоклеточных орга·

низмов . Например, геномы некоторых насекомых содержат ДНК,

ОТВЕТВ-14

Индукция белка-активатора генной экспрессии, который стиму­

полученную путем горизонтального переноса от заражающих их

лирует свой собственный синтез , позволяет создать петлю поло­

бактерий .

жительной обратной связи, обеспечивающую клеточную память .
Самостимулируемый синтез активатора А в принципе может

ОТВЕТ9 - З

продолжаться в течение многих клеточных поколений и служить

Маловероятно , что может появиться ген , максимально оптими·

постоянным напоминанием о каком-то прошлом событии . Ин­

зированный для выполняемых им функций. Ведь среда , в кото·

дукция репрессора , подавляющего свой собственный синтез ,

рой обитает организм , изменчива , и ни один ген не может быть

напротив, создает петлю отрицательной обратной связи , гаран­

оптимальным вне зависимости от условий . Поскольку рибосо·

тирующую лишь короткий ответ на короткий стимул. Поскольку

мальные РНК , как и продукты других высоко консервативных

клетка быстро

генов , участвуют в базовых процессах в клетке, у них меньше

возвращается к состоянию, в котором находилась до воздей ­

простора для изменчивости . Тем не менее существуют заметные

ствия сигнала.

межвидовые различия в строении рРНК .

ОТВЕТ

ОТВЕТ9-4

репрессор

Rподавляет свой собственный синтез ,

8-15

Многие регуляторы транскрипции синтезируются в клетке по­

Мобильные генетические элементы могут обеспечивать воз·

стоянно : их экспрессия конститутивна, а активность контроли­

можности для гомологичной рекомбинации , тем самым вызывая

руется сигналами из внеклеточной или внутриклеточной среды

перестройки генома . Они могут встраиваться в гены , разрушая

(например , наличием питательных веществ , как в случае трипто­

сигналы сплайсинга и таким образом изменяя кодируемые ге·

фанового репрессора, или гормонами, как в случае глюкокорти­

ном белки. Они могут также встроиться в регуляторный участок

коидного рецептора) . Таким способом программа транскрипции

гена ; например , встраивание между энхан сером и сайтом нача·

подгоняется под физиологические нужды клетки . Кроме того ,

ла транскрипции может блокировать работу энхансера и снизить

данный регулятор транскрипции обычно контролирует экспрес­

уровень экспрессии гена . Кроме того , сам мобильный генети·

сию множества разных генов. Транскрипционные регуляторы

ческий элемент может содержать энхансер и изменить время и

часто используются в разных комбинациях, благодаря чему рас­

место экспрессии гена у данного организма .

ширяются возможности регуляции с помощью ограниченного

набора белков . Тем не менее заметная часть генома клетки вы ­
делена для контроля транскрипции: около

10% всех

генов эука­

риотической клетки кодируют транскрипционные факторы .

678

Основы молекулярной биологии клетки

ОТВЕТ9-5

Не так-то просто определить функцию гена по его секвенирован ·

ному фрагменту, и универсального рецепта на этот счет не суще·


ствует. Одна к о есть нес коль ко стандартны х вопросов , ответы на

Они могут вы з ывать появление новых генов путем перетасовки

которые могут сузить к руг воз мож ны х в ар и а н то в . Ни ж е мы при­

интронов и облегчать дупликацию генов , а также изменять экс­
прессию существующи х генов. Хотя иногда т ранспозиция мо­

водим ряд таких вопросов .

В каких тканях ген экспрессируется ? Если во всех, с корее

бильного генетического элемента вредна для конкретного орга­

всего , он имеет некую общую для все го организма функцию .

ни з ма , например , если она нарушит работу важного гена , те же

Если в одной или нес кольких - его фун кция , скорее всего , более

фа кторы генетических изменений вполне могут оказаться полез­

специализированная (возможно , связанная со специальными

ными для вида в целом.

функциями данных тканей) . Если ген экспрессируется у эмбри­
она , а не у взрослого организма , возможно , он играет какую-то

ОТВЕТ9-7

роль в развитии .

Около

В каком компартменте клетки обнаруживается белок? Зна­
ние того , где внутри клетки находится б елок
малемме , в митохондриях и т. п. ,

-

-

в ядре , на плаз­

также помогает выдвинуть

предположение о его возможных функциях . Например , белок,

7,6% каждого гена транскрибируется в иРНК [(5,4 экзона/
266 пар оснований (п.о . )/экзон)/(19 ООО п . о ./ген) = 7,6%].
Белок- кодирующие гены занимают около 28% хромосомы 22
[(700 генов х 19 ООО п . о ./ген)/(48 х 106 п . о . ) = 27,7%]. Одна ко бо ­
лее 90% этой ДНК представляет собой интроны.
ген х

локализованный на плазмалемме , может быть либо транспор­

тером , либо рецептором , либо играть роль какого-то еще ком­

ОТВЕТ9 - 8

понента сигнального пути , либо служить моле кулой клеточной

Вероятно , это утверждение верно . Например , почти половина

адгезии, и т. п .

нашей ДНК

-

это вышедшие из строя мобильные генетические

Каковы последствия мутаций в данном гене? Мутации , на ­

элементы . Возможно , однако, что будущие исследования при­

РУшающие или видоизменяющие работу генного продукта , тоже

ведут к открытию функций этой ДНК , которая кажется нам бес­

могут дать ключ к разгадке его функций . Например , если генный

полезной .

продукт играет важную роль в определенный период развития ,

в результате мутации эмбрион может погибнуть на этой стадии ,

ОТВЕТ9-9

или у него возникнут серьезные аномалии . Но если нарушения не

Кластер генов Нох-O снабжен сложными и протяженными регу­

Узкоспецифичны , определить по ним функцию гена часто труд­

ляторными последовательностями , которые заставляют каждый

но ; их взаимосвязь может о казаться непрямой и нередко выяс­

ген экспрессироваться в нужное время и в нужном месте во вре­

няется уже после установления генной функции .

мя развития . Предполагается , что против инсерций мобильных

С какими еще белками взаимодействует кодируемый дан­

генетических элементов в кластер

HoxD

действовал отбор, так

ным геном белок? Выполняя свою функцию , белки часто взаи­

ка к он мог нарушать правильную регуляцию экспрессии относя­

модействуют с другими белками , вовлеченными в тот же или в

щихся к нему генов .

близкий процесс . Если белок, взаимодействующий с нашим ,
Удалось выявить , а его функция уже известна (благодаря преды ­

ОТВЕТ9-10

дущим работам или поиску в базе данных ) , то спе ктр возможных

А. Экзоны в гене В -цепи гемоглобина человека соответствуют

Функций нашего белка резко сужается .

по положению участкам со сходной (в данном случае идентич­

Могут ли мутации в других генах изменить результат мута­

ной) последовательностью в кДНК , которая является непосред­

ции неизвестного гена? Поиск таких мутаций может оказаться

ственной копией мРНК и не содержит интронов . Интроны соот­

очень мощным инструментом для изучения функции гена, осо­

ветствуют участкам между экзонами. Положение интронов и эк­

бенно у организмов с простыми генетическими системами бактерий или дрожжей.

зонов в р -глобиновом гене человека показано на РИС. 09-10, А.

Хотя этот подход труднее осуществлять на мышах, тем не

Менее , он используется. Смысл стратегии тот же , что и при по­
исках взаимодействующих бел ков : взаимодействующие гены
часто вовлечены в один процесс или в тесно взаимосвязанные
Процессы. Выявление взаимодействующих генов с известны­
ми фун кциями даст важные сведения о фун к ции неизвестного
гена .

И зучение каждого из этих вопросов требует специальны х

экспериментов и значительных затрат времени . Не удивитель­
но , что успех может быть достигнут гораздо быстрее, если про­

сто Удается найти сходный ген с известной функцией в базах
данных . По мере того как выясняются функции все большего
числа генов , этот подход будет становиться все более эффек­
тивным .

Показаны также последовательности , присутствующие в зрелой
р- глобиновой иРНК (и в гене), не транслируемые в белок (белые
прямоугольни к и) .

Б. По положению экзонов (см . рис .

09-1 О ,

мышином р- глобиновом гене (рис.

09-1 О ,

Благодаря своей способности облегчать генетическую реком­
бинацию мобильные генетические элементы почти наверняка
сыграли важную роль в эволюции современных организмов.

Б) . Однако только

первая половина третьего экзона человеческого р-глобинового

гена сходна с соответствующей последовательностью мышино ­

го гена . Сходная у двух видов часть третьего экзона

-

это по­

следовательность , кодирующая белок , а различающаяся

-

это

3 ' -нетранслируемый участок гена . Поскольку эта часть гена не
кодирует белок и не содержит важных регуляторных участков , ее
последовательность не консервативна .

В . У человеческого и мышиного р -глобиновых генов гомологичны
также 5 ' - концы

-

об этом говорит группа точек , лежащих на диа­

гонали , в районе первого э кзона (см. рис.

0ТВЕТ9-6

А) понятно , что у пер­

вых двух экзонов р -глобинового гена человека есть гомологи в

09-1О ,

Б). Эта после­

довательность соответствует регуляторным участкам , лежащим

перед точкой начала транскрипции . Функциональные последо­
вательности , находящиеся под давлением отбора , дивергируют
гораздо медленнее нефункциональны х.

Ответы

679


(Б) ГОМОЛОГИЯ МЕЖДУ
ГЕНАМИ МЫШИ

(А) ЭКЗОНЫ В ГЕНЕ р- ЦЕПИ ГЕМОГЛОБИНА ЧЕЛОВЕКА

с<)

И ЧЕЛОВЕКА

~

/

ф
а,

о
с:;

ф

т

~

I

~

/

"'ro
а,

о

I

s

\О
о

/

Е
с6.

i:n

(")

s
3

Jj

::;
I

/

~
>S

Jj
а,

о

I

s

\О
о

Е

с6.

1

i:n
р- глобиновый ген человека

5'

З'

РИС.

5' р-глобиновый ген человека З'

09-10

Г. Н аклон диагонали показывает, что длина первого интрона у

7.

генов человека и мыши почти одинаковая , но длина второго ин­

тельность (чаще всего МТААА) для разрезания и полиаденили­

трона заметно различается (рис.

рования недалеко от его 3'-конца .

09-10, Б) .

Если бы все интроны

Терминальный экзон должен иметь сигнальную последова­

имели одинаковую длину, то отрезки графика, показывающие

сходные последовательности, лежали бы на одной прямой . Про­

ОТВЕТ9-12

стейший способ проверки коллинеарности линейных отрезков -

В очень длинной , случайной последовательности ДНК каждый из

наклонить страницу и.посмотрев сбоку, проследить ход диагона­

64

ли. Н а основе этого способа сравнения невозможно узнать, про­

ностью . Поскольку стоп-кодонов

изошло ли изменение длины из-за укорочения интрона мыши ,

среднем один раз на каждый

существующих кодонов будет встречаться с равной вероят­

21

3 из 64, они будут встречаться в
(64/3 = 21 ,3).

кодон

удлинения интрона человека или сочетания этих процессов.

ОТВЕТ9-13

ОТВЕТ9-11

На первый взгляд устойчивость генетического кода к мутациям

Как нетрудно догадаться, создание компьютерного алгоритма

заставляет думать , что он сформировался под воздействием

для поиска экзонов

сложная задача. Чтобы найти неизвестные

естественного отбора. Связанное с этим вероятное допуще­

гены, такие программы используют статистическую информа­

ние - устойчивость генетического кода к мутациям является вы­

цию об известных генах.

годным признаком . Подобная аргументация предполагает, что

1.

-

Экзон , кодирующий белок , должен иметь открытую рамку

настолько защищенный от ошибок код, как наш собственный

-

считывания. Если аминокислотная последовательность, задан­

результат счастливой случайности , и он мог возникнуть с веро­

ная этой открытой рамкой считывания, соответствует белковой

ятностью ОДИН на миллион .

последовательности, имеющейся в базах данных- велика веро­
ятность, что это настоящий экзон .

На самом деле все не так просто . Если устойчивость к
мутациям

-

особенность кода, важная для сложных организ­

Рамка считывания соседних экзонов данного гена должна

мов, таких как человек , то мы должны видеть вокруг только

служить продолжением найденной рамки (после исключения по ­

такие устойчивые генетические коды . Менее защищенный

следовательностей интронов).

от ошибок код мог бы ограничивать сложность живого и не

2.

Внутренние экзоны (все, кроме первого и последнего) долж­

привести к возникновению форм жизни, способных расшиФ·

ны иметь на каждом конце сигналы сплайсинга ; с высокой веро­

ровать собственный генетический код . Здесь напрашивается

3.

(98,1%) это будет AG на 5' -конце и GT на 3 ' -конце .

параллель с антропным принципом в космологии: возможно

Множественные кодоны для отдельных аминокислот исполь­

существование множества вселенных , но лишь в немногих ,

зуются не с равной вероятностью . Это так называемое « сме ­

вероятно , существует жизнь , способная к познанию природы

щение частоты употребления кодонов» может быть учтено при

вселенной .

ятностью

4.

Кроме этих соображений существует множество призна­

опознании настоящих экзонов .

5.

Экзоны и интроны имеют характерное распределение по

ков того, что код не статичен и может отвечать на воздействия

120 ну­

естественного отбора. Измененные варианты стандартного ге­

клеотидных пар. Интроны обычно гораздо длиннее , их средняя

нетического кода обнаружены в митохондриальных и ядерных
геномах некоторых организмов . В каждом таком случае один или

длине . Средняя длина экзонов в генах человека

-

около

длина

- около 2 кБ в участках генома с содержанием G-C пар в
30-40% и около 500 пар нуклеотидов в участках, где содержание
GC превышает 50%.
6. Старт-кодон (почти всегда это ATG) часто окружен характер­

несколько кодонов приобрели новое значение .
ОТВЕТ9-14

ными нуклеотидами, которые, видимо , улучшают его опознава ­

Правильный ответ - Б . Считается, что возникновение новых бе­

ние факторами трансляции .

лок-кодирующих генов из некодирующей ДНК , большие количе-

680

Основы молекулярной биологии клетки


ства которой присутствуют в эукариотических геномах , не игра­

Глава

10

ло важной роли в эволюции генов .
ОТВЕТ

10-1

0ТВЕТ9 - 15

Наличие мутации в гене не обязательно означает, что считываемый

А. Поскольку синонимичные замены не меняют аминокислотную

с него белок дефектен . Например, мутация может привести к за­

последовательность белка , они обычно не влияют на общую при­

мене одного кодона на другой , кодирующий ту же аминокислоту, и ,

способленность организма и не отбраковываются отбором . На­

таким образом, не изменить аминокислотную последовательность

против, несинонимичные замены , из-за которых на месте одной

белка. Или мутация может привести к замене одной аминокислоты

аминокислоты оказывается другая , могут изменить работу ко­

на другую в положении , не играющем важной роли в сворачивании

дируемого белка и повлиять на приспособленность организма .

или функционировании белка . Для оценки вероятности того, что

Поскольку большинство аминокислотных замен с высокой веро­

подобная мутация приведет к появлению дефектного белка , важна

ятностью повредит белок, отбор в целом действует против них .

информация об известных мутациях гена ~-глобина человека . Вам

Б . Гистон НЗ так точно подогнан для выполнения своей функции ,

было бы необходимо точно знать, какой именно нуклеотид был из­

что практически любые аминокислотные замены вредны , и от­

менен в мутантном гене и имеет ли эта замена какие-либо пред­

бор действует против них. Крайняя консервативность гистона НЗ

сказуемые последствия для работы кодируемого белка . Если ваш

говорит о том, что условия его функционирования очень жестко

партнет имеет две нормальные копии глобинового гена , то

заданы, возможно , из-за многочисленности взаимодействий с

ших детей будут носителями вашего мутантного гена.

50% ва­

другими белками и с ДНК.

В. Ген гистона НЗ - явно не особый « привилегированный » сайт

ОТВЕТ

генома , так как синонимичные нуклеотидные замены происходят

А. При расщеплении с помощью

в нем с такой же частотой, что и в других генах .

10-2

5 '- AAGAAТТGCGG
З ' -ТТСТТААСGССТТАд

0ТВЕТ9-16

А. Данные , приведенные на филогенетическом дереве
(рис. В9-16), заставляют отвергнуть гипотезу о том, что гены

EcoRI образуются два продукта :

AAТТCGAGCТТAAGGGCCGCGCCGAAGCТТTAМ -3 '
GCTCGAAПCCCGGCGCGGCПCGAAATТТ-5 '

Б . При расщеплении с помощью

Alul

образуются три продукта :

5 '- AAGAAТТGCGGAAТТCGAG

CТТAAGGGCCGCGCCGAAG

СТТТААА -3 '

З '-ТТСТТААСGССТТААGСТС

GAAПCCCGGCGCGGCТТC

GАААТТТ-5 '

Растительных гемоглобинов были приобретены путем горизон­

В . В данной последовательности нет сайта расщепления для

тального переноса . Глядя на более близкую к нам часть дерева ,

Г. При расщеплении всеми тремя ферментами образуются сле­

мы видим , что гемоглобины позвоночных (от рыб до человека)

дующие продукты:

имеют примерно те же филогенетические взаимосвязи, что и

5 ' - AAGAAПGCGG

сами виды . Растительные гемоглобины тоже формируют четкую
группу, в которой сохраняются признанные эволюционные взаи­
мосвязи - ячмень (однодольное) отделяется от общего ствола
Раньше , чем бобы, люцерна и лядвенец (двудольные из семей­
ства бобовых) . Таким образом, исходный ген гемоглобина су­
ществовал у растений уже давно . Филогенетическое дерево на
Рис . В9-16 показывает, что гемоглобиновые гены современных
видов растений и животных были унаследованы ими от общего

З ' -ТТСТТААСGССТТАА

Предка .

Notl.

ААТТСGАG

GCTC

CПAAGGGCCGCGCCGAAG

CffiAМ- 3 '

GAAТТCCCGGCGCGGCПC

GAМffi-5 '

ОТВЕТ10 - З

Биохимия белков по-прежнему очень важна, так как она позволяет
установить взаимосвязи между аминокислотной последователь­

ностью (которую можно установить по последовательности ДНК)
и функциональными свойствами белка . Мы пока еще не можем
безошибочно предсказать характер сворачивания полипептид­
ной цепи по ее аминокислотной последовательности . Точно так

Б . Если бы гены растительных гемоглобинов были получены ими

же во многих случаях информацию , касающуюся функции белка ,

nvтем горизонтального переноса от паразитической нематоды ,
последовательности растений образовали бы кластер с после­
довательностями нематоды на филогенетическом дереве, изо­

только по последовательности его гена . Вместо этого приходится

браженном на рис. В9- 16 .

например его каталитическую активность, нельзя предсказать

получить такую информацию путем экспериментального изучения

биохимических особенностей белков . Кроме того, получаемые на
основе последовательностей ДНК сведения о структуре белков

0ТВЕТ9-17

всегда неполные . Мы не можем , например , точно предсказать

возникать новые мутации со скоростью 10- 10 на нуклеотид за
клеточное поколение, а различия между двумя эволюционными
линиями будут накапливаться со скоростью вдвое большей . Та­
ким образом , чтобы накопить 1о-з различий на нуклеотид, потре­

синг, наличие прочно присоединенных к нему малых молекул или

В каждой независимо эволюционирующей линии людей будут

буется 10·3/(2 х 10-10) клеточных поколений , что соответствует
(1/200) х 10-3/(2 х 10-10 ) = 25 ООО поколениям людей, или про­

межутку времени в 750 ООО лет. На самом деле мы не являемся
Потомками одной пары генетически идентичных людей ; ясно ,
что все мы - потомки относительно небольшой предковой по ­
пуляции , в которой уже существовал некоторый уровень генети ­
ческого разнообразия. Более сложные методы анализа показы­
вают, что эта популяция существовала около 150 ООО лет назад .

ковалентные модификации белка, его протеолитический процес ­

объединение данной белковой цепи с другими субъединицами.
Более того, мы не можем точно предсказать возможные воздей­
ствия этих модификаций на активность белка .
ОТВЕТ

10-4

А . После дополнительного раунда репликации будет
та , показанных серым ,

4-

зеленым ,

4-

цветом . После второго дополнительного раунда

серым ,

2 фрагмен ­
22 - желтым
- 2 фрагмента

красным и

5 - зеленым, 5 - красным , 52 - желтым цветом. Таким

образом , число фрагментов ДНК, показанных желтым , растет
экспоненциально и в конце концов сильно превысит количество

Ответы

681


други х продуктов реакции. Их длина равна длине последова­

Вероятно , кажды й из типов клеток , составляющих данную ткань ,

тельности ДНК , расположенной между двумя праймерами , плюс

характеризуется определенным уровнем генно й экспрессии.

длине двух праймеров .
Б . Масса одной молекулы ДНК длиной в

ОТВЕТ

на

500 пар нуклеотидов рав­
5,5 х 10-19 г (= 2 х 500 х 330 (г/моль)/6 х 1023 (молекул/моль)] .

Как подавляющее большинство генов млекопитающих , ген ат­

10-8

Если пренебречь сложностями нескольких первых шагов реакции

трактазы , скорее всего , содержит интроны. У бактерий нет ме­

амплификации (во время которых образуются более длинные

ханизмов сплайсинга, необходимых для удаления интронов ,

продукты , в конечном счете вносящие незначительный вклад в

и поэтому нормальный белок не будет считываться с гена . Для

общее количество амплифицированной ДНК), то можно считать .

экспрессии большинства генов млекопитающих в бактериаль­

что это количество удваивается при каждом шаге амплификации .

ных клетках приходится использовать кДНК-версию гена.

Поэтому

100 х 10-9 г = 2 N х 5,5 х 10-19 г, где N- число этапов ампли­
фикации . Решение этого уравнения для N = log(1 ,81 х 10 11)/log(2)
дает N = 37,4. Итак, требуется всего 40 циклов амплификации,

А . Неверно . Сайты рестрикции разбросаны по геному случайным

ОТВЕТ

10-9

чтобы из одной молекулы получить количество ДНК, достаточное

образом, как внутри генов , так и между ними .

для биохимического анализа. Вся эта процедура автоматизирова­

Б . Верно . Каждый фосфат в ДНК несет отрицательный заряд, что

на и занимает в лаборатории всего несколько часов .

придает отрицательный заряд и всей молекуле ДНК .

ОТВЕТ

промоторных последовательностей . Эти последовательности не

В. Неверно. Клоны, изолированные из библиотек кДНК, не несуr

10-5

Если ферменты репарации подействуют на плазмиду до ее ре­

транскрибируются и поэтому не являются частью молекул иРНК ,

пликации, плазмида действительно будет репарирована. Однако

служащих матрицами для создания кДНК .

ферменты репарации не могут определить , какая цепь ДНК соде­

Г. Верно. При каждом цикле полимеризации образуются двухце­

жит мутацию , а какая

почечные молекулы ДНК, которые должны быть денатурированы,

-

нормальный нуклеотид. Таким образом,

в половине клеток, трансформированных содержащей ошибку

чтобы с ними могли гибридизоваться новые праймеры и могли

плазмидой, будет восстановлен нормальный ген, а в другой по­

синтезироваться новые цепи ДНК .

ловине нормальная цепь ДНК станет комплементарна мутантной

Д . Неверно. При расщепление геномной ДНК рестрикционны­

цепи . Клетки, содержащие плазмиду с желательной мутацией,

ми эндонуклеазами, опознающими тетрануклеотидные после­

можно идентифицировать путем гибридизации с одноцепочеч­

довательности, образуются фрагменты со средней длиной 256

ным ДНК-зондом, выявляющим различия между нормальным и

нуклеотидов. Однако длина реальных фрагментов может сильно

мутантным геном .

отличаться от средней в любую сторону.

ОТВЕТ

вать одноцепочечную ДНК по матрице иРНК, а затем понадобит­

Е . Верно . Сначала обратная транскриптаза должна синтезиро·

10-6

Если количество дидезоксирибонуклеозидтрифосфатов увели­

ся ДНК-полимераза для синтеза второй цепи ДНК.

чить по отношению к количеству дезоксирибонуклеозидтрифос­

Ж. Верно . Используя достаточное число SТR , можно получить

фатов, полимеризация ДНК будет прерываться чаще , и начнут

генетические « отпечатки пальцев » любого индивидуума (см .

образовываться более короткие цепочки ДНК. В таких условиях

рис .

удобно определять нуклеотидные последовательности, распо­

3.

ложенные близко к используемому в реакции ДНК-праймеру. На­

тересующий нас ген , то он не будет представлен в библиотеке

10-19).

Верно. Если в клетках данной ткани не транскрибируется ин·

против, при пониженном отношении дидезоксирибонуклеозид­

кДНК, полученной из этой ткани. Однако в библиотеке геномной

трифосфатов к дезоксирибонуклеозидтрифосфатам образуются

ДНК, приготовленной из той же ткани, он будет присутствовать.

более длинные фрагменты ДНК, что позволяет определить нукле­
отидные последовательности , более удаленные от праймеров.

ОТВЕТ

10-10

А. Последовательность ДНК , от
ОТВЕТ

5' -конца

к 3 ' -концу, прочитыва·

ется начиная с нижней части геля, куда попадают самые карат·

10-7

Хотя возможны несколько объяснений, простейшее из них со­

кие фрагменты ДНК . Каждая полоска образуется в результате

стоит в том, что ДНК-зонд гибридизовался в основном с соответ­

вкд. чения подходящего дидезоксирибонуклеозидтрифосфата,

ствующей иРНК, которая обычно присутствует в гораздо боль­

и двух полосок с одинаковой подвижностью быть не должно .

шем числе копий на клетку, чем ген . Разные уровни гибридиза­

Это позволяет определить последовательность ДНК по очереди

ции, возможно, отражают разные уровни генной экспрессии.

считывая все полоски , начиная с нижней части геля, и опреде·

(А)

5'-TATAAACTGGACAACCAGПCGAGCTGGTGПCGTGGTCGGTTTTCAGAAGATCCTAACGCTGACG-3'
3'-ATATПGACCTGПGGTCAAGCTCGACCACAAGCACCAGCCAAAAGTCПCTAGGAПGCGACTGC -5 '

(Б)

5'

верхняя цепь ДНК

З'

TAJМACTGGACAACCAGTTCGAGCTGGTGTTCGTGGTCGGTTTTCAGMGЛTCCTAACGCТGACG

РИС.

682

010-10

1 LeuLysLeuGluAsnGlnPheGlnLeuValPheValValGlyPheGlnLysileLeuThrLeuThr
2 IleAsnTrpThrThrSerSerSerTrpCysSerTrpSerValPheArgArgSer
Arg
3
ThrGlyGlnProValArgAlaGlyValA.rgGlyArgPheSerGluAspProAsnAlaAsp'

Основы молекулярной биологии клетки


ляя правильный нуклеотид в зав исимости от того, на какой из

Notl

4

дорожек находится полоска. Нуклеотидная последовательность
верхней цепи (рис . 010-10, А) была получен а непосредственно
из данных рис . В 10-1О , а последовательность нижней цепи была
определена по правилу комплементарности .

Б . Последовательность нуклеотидов ДНК можно перевести в
аминокислотную последовательность , используя генетический
код. Одна ко имеется две цепи ДНК , которые могут транскри­

бироваться в иРНК , и три рам ки считывания для каждой цепи .
Таким образом , существует шесть амино к ислотных последо­

РИС .

010-12

вательностей , которые в принципе могут быть закодированы в
данном отрезке ДНК . И з трех рамок считывания , возможных для

верхней цепи , только одна не прерывается стоп-кодонами (жел­

появлению одного фрагмента длиной

тые прямоугольники на рис .

010-1О , Б) .
Из трех рамок считывания нижней цепи в двух тоже есть стоп­

сайты рестри кции на кольцевой ДНК , чтобы они соответство ­

кодоны (не показаны) . Третья рамка дает следующую последо­

изображенная на РИС. 010-12.

1О

кБ . Если расположить

вали наблюдаемым размерам фрагментов , то получится карта ,

вательность :

SerAlaleuGlySerSerGluAsnArgProArgThrProAlaArgThrGlyCysProVaille

ОТВЕТ

10-13

А. Генетически й код вырожденный , и каждую аминокислоту ко­

На основе имеющейся информации нельзя точно сказать ,

дирует более чем один кодон (за исключением метионина и

какая из двух открытых рамок считывания действительно коди­
РУет белок , закодированный данным участком . Подумайте , какие
дополнительные эксперименты нужно провести , чтобы это уста­

довательность по кодируемой ею аминокислотной последова­

новить .

ДНК

триптофана). Поэтому, чтобы определить нуклеотидную после­

тельности белка, нужно создать и смешать множество молекул
тогда среди них обязательно найдется какая -то , в точ­

-

ности соответствующая последовательности ДНК гена. Для трех

ответ 10-11

пептидных последовательностей , приведенны х в вопросе , нужно

А. Расщепление ДНК генома человека с помощью рестриктазы
Haelll даст около 11 х 106 фрагментов разной длины[= 3 х 109/44] ,
с помощью EcoRI - около 730 ООО разных фрагментов
[= 3 х 109/46] , а с помощью Notl - около 46 ООО разных фрагмен­
тов[= 3 х 109/48] . Некоторое добавочное число фрагментов об ­

создать следующие зонды (возможные варианты нуклеотидов ,

Разуется из-за того , что отцовская и материнская хромосомы
Имеют сходные , но не идентичные последовательности ДНК.

Б. Образуется набор перекрывающихся фрагментов ДНК . Би­
блиотеки, составленные из набора перекрывающихся фрагмен­
тов, полезны , так как они позволяют расположить клонирован­
ные фрагменты в соответствии с их реальным расположением в
геноме и таким путем определить последовательности длинных
УчастковДНК(см . рис . 10-27) .

занимающи х одно и то же положение, даны в скобках):
П е птид

1:

5' -TGGATGCA (С , Т) СА (С , Т ) М (А , G)-3'

Поскольку тут существует три двойных неопределенности (вы­
рожденности) , потребуется смесь из восьми

разных после­

довательностей ДНК .
П е птид 2:

5' -('Г, С ) Т (G, А , Т, С) (А , Т)
(А , С)

(G, С) (G, А , Т,

С) (А, С)

G (G, А , Т, С) (Т,

Смесь для определения последовательности №
на

-

С) Т

(G, А , Т,

С)

G (G, А , Т, С)-3 '

нее . Каждая из трех аминокислот

ответ 10-12

(2 3 )

-

2 гораздо слож­

лейцина , серина и аргини­

кодируется шестью разными кодонами . Поэтому понадо­

Сравнивая положение наших фрагментов в геле с положением

бится синтезировать смесь из

Маркеров известного размера , мы обнаруживаем , что обработ­
ка EcoRI дает два фрагмента длиной 4 к Б и 6 к Б , обработка Notl
дает один фрагмент длиной 1О кБ , а обработка EcoRI + Notl дает
1
РИ фрагмента длиной 6 кБ , 3 кБ и 1 кБ. Это дает общую длину
8
10 кБ , вычисленную как сумма длин всех фрагментов на каж­
дой дорожке . Таким образом , исходная молекула ДНК долж на
иметь длину 10 кБ (10 ООО пар нуклеотидов). Обработка Notl
дает фрагмент длиной 10 кБ; это может означать , что исходная

Однако этого нельзя сделать , просто используя более чем один

дНК - линейная молекула , в которой нет сайтов рестрикции

АЛя Notl . Но данный вариант можно исключить из-за резуль­
rаrов рестрикции с помощью EcoRI + Notl. Мы знаем , что при
Обработке одной EcoRI образуются два фрагмента длиной 4 кБ
И 6 кБ , а при обработке двумя рестриктазами Notl расщепля ­
ет Фрагмент длиной 4 кБ на два фрагмента длиной 3 кБ и 1 кБ .
Значит, молекула ДНК содержит один сайт рестрикции для Notl ,
И 0 на должна быть кольцевой , так как обработка Notl приводит к

7 776 (= 65 ) разных молекул ДНК .

нуклеотид в каждом положении , так как разные основания од­

ного кодона не независимы . (Например , в кодонах для серина

первое основание

-

А или Т, второе

Т или С . Но если первое основание
а третье

-

- G или С , а третье - G, А ,
- А , то второе - всегда G,

Т или С . )

П ептид 3:

5' -ТА (С , Т) ТТ (С , Т)

GG (G, А , Т,

С)

ATGCA (А , G)-3'

Из-за трех двукратных и одной четырехкратной вырожденности

потребуется 32 (= 23 х 4) разных последовательностей в смеси .
Видимо , для скрининга вашей библиотеки путем гибриди­
зации имеет смысл сначала использовать смесь № 1.Поскольку

в ней всего

8 возможных последовательностей ДНК,

отношение

количества одно й правильной последовательности к неправиль­

ным будет наивысшим , что даст наилучшие шансы найти соот-

Ответы

683


ветствующий клон . Зонд №

1/7 776

2

практически бесполезен : лишь

часть ДНК в смеси будет четко гибридизоваться с инте ­

ресующим вас геном . Вы можете использовать смесь №

дидезоксирибонуклеотидов терминирует реакцию полимериза·
ции данной цепи . Разделение с помощью гель-электрофореза

3, чтобы

даст серию полосок , каждая из которых отличается на один ну·

убедиться , что вы получили нужный клон. Любые клоны из библи ­

клеотид, и последовательность можно будет определить по по·

отеки , гибридизующиеся с зондами

1 и 3, скорее

всего , содер­

рядку расположения цветов ( РИС. 010-14) . Описанный здесь

жат нужный ген .

метод лежит в основе стратегии секвенирования ДНК , исполь·

Б . Информация о том, что полипептидная последовательность

зуемой в большинстве автоматических ДНК-секвенаторов (см.

№

рис.

3 содержит последнюю аминокислоту в белке свидетельству­

10-22).

ет, что две других полипептидных последовательности ей пред­

шествуют, т. е. они должны быть расположены ближе к N-концу

ОТВЕТ

белка. Знание этого порядка расположения важно, так как Д Н К­

А. Клоны кДНК нельзя использовать , так как между клонами кДНК

праймеры могут достраиваться ДНК-полимеразами только с

соседних генов нет перекрывания .

10-15

3 ' -конца; поэтому для проведения П ЦР 3' -концы двух праймеров

Б . Такие повторяющиеся последовательности ДНК могут поме·

должны «смотреть друг на друга » (см. рис .

ПЦР-праймер

шать « прогулке по хромосоме», так как окажется , что маршрут

10-16).

3, таким образом, должен
3 (чтобы его

« прогулки» разделяется на несколько направлений в одной точ·

быть комплементарен последовательности зонда №

ке. Общая стратегия для решения этой проблемы

3 ' -конец соответствовал первому нуклеотиду последовательно­

вание достаточно длинных геномных клонов, перекрывающих

сти, комплементарной триптофановому кодону):

участки повторяющихся последовательностей ДНК.

на основе последовательности №

5' -(ТС)

TGCAT (G, А , Т,

С) се

(G, А) М (G, А) ТА- 3 '

Как и прежде, этот « праймер» должен содержать

32

разных

посл едовательности ДНК, и только одна из них будет в точности
соответствовать гену. В качестве второго праймера вы можете
выбрать зонд №

1. Зонд

№

2 из-за своей

высокой вырожденно­

монозиготными близнецами. Дети 3 и 6 также имеют идентичный
паттерн STR и тоже являются монозиготными близнецами. две
другие пары близнецов - дизиготные, поскольку их паттерны STA
одной пары родителей, идентично около половины генома. По·

нуклеотидов. Таким образом , амплифи­

этому около половины пол иморфизмов STR у дизиготных близ·
нецов будут идентичными . Используя этот признак, мы можем

цирован был участок кДН К гена длиной
дирует

ОТВЕТ 10-16
А. Дети 2 и 8 имеют идентичный паттерн STR и поэтому являются

это производные

В . Концы итогового продукта амплификации

15

использо·

неидентичны. У дизиготных близнецов, как у любых двух потомков

сти будет менее удачным выбором.
праймеров длиной

-

90 аминокислот.

-

270 нуклеотидов.

Он ко­

Добавление аминокислот, кодируемых

установить, что пары дизиготных близнецов - дети 1 и 7 и 4 и 5.

100

Б . Установить, какие дети каким родителям принадлежат, мож·

аминокислот. Вряд ли это составляет весь ген. Однако к вашему

но с помощью того же варианта анализа SТR-полиморфизма.

праймерами, дает белковую последовательность длиной

удовлетворению вы можете отметить, что последовательность

Каждая полоска на картине STR должна соответствовать полосе

нуклеотидов CTATCACGCmAGG кодирует белковую последова­

одного из родителей . В среднем каждый ребенок будет иметь

тельность №

2.

Эта говорит о том, что ваш продукт ПЦР действи­

тельно кодирует фрагмент исходного белка , выделенного вами .

половину полиморфизмов, характерных для каждого из родите·

лей . Таким образом , уровень сходства между каждым ребенком
и каждым родиелем будет примерно таким же, как между дизи·

ОТВЕТ

готными близнецами .

10-14

Продукты будут представлять собой большое число различных
одноцепочечных молекул ДНК, по одной для каждого нуклеоти­

да в последовательности . Однако каждая молекула ДНК будет
одного из четырех цветов, определяемого тем, какой из четырех

ОТВЕТ

10-17
Мутантные бактерии, не образующие айс-белка, вероятно, мно·

го раз возникали в природе . Однако бактерии, образующие
айс-белок, имеют небольшое преимущество в скорости роста
по сравнению с мутантными, поэтому найти мутантов в есте·

----

-

РИС .

684

010-14

--

G
А

с
с
т

G
А

с
т

G
т
А

Основы молекулярной биологии клетки

ственных условиях будет трудно. Технологии рекомбинантны~
ДНК сделали получение таких мутантов гораздо более простои
задачей . Однако в данном случае последствия использования
генетически модифицированного организма - как благоприят·
ные, так и неблагоприятные - практически неотличимы от по·
следствий использования природного мутанта . Действительно,
линии бактерий и дрожжей, обладающих желательными гене·

тическими свойствами, отбирались столетиями, что позволило
использовать их в промышленных масштабах , например в про·
изводстве сыра или вина. Однако возможности генной инжене:

рии поистине безграничны, и , как и в любой технологии, в неИ

присутствует риск непредсказуемых последствий . Поэтому ра·

боты в области генетической инженерии регулируются , и риск
отдельных проектов тщательно оценивается экспертами пере~
выдачей разрешений на их проведение . Наших нынешних знании


хватает, чтобы последствия некоторых изменений (например ,
нарушения работы бактериального гена в рассмотренном выше
примере) можно было достаточно надежно предсказать . Другие
приложения генной инженерии , например изменение клеток за­
родышевой линии человека для лечения наследственных болез­

ней, могут иметь гораздо более сложные и непредсказуемые по­
следствия , и потребуется еще длительный период исследований

и дебатов по этическим вопросам, чтобы определить , будут ли
такие вмешательства когда-либо использованы .

н

н

Глава 11

'о
/

валин

ОТВЕТ 11-1

РИС.

изолейцин

аланин

011-5

Вода - жидкость, и поэтому водородные связи между молеку­
лами воды нестатичны: они постоянно образуются и снова раз­
Рываются при тепловом движении . Оказавшись по соседству с
гидрофобной , молекула воды более ограничена в движении и
имеет меньше соседей , с которыми она может взаимодейство­
вать , поскольку она не способна формировать водородные свя­
зи в направлении гидрофобной молекулы . В результате она об­
Разует меньшее число водородных связей с соседними молеку­
лами воды . Связывание с меньшим числом партнеров приводит

полярны ; они могут образовывать водородные связи с водой и
поэтому тоже гидрофильны . Напротив , показанные синим части
молекул

-

это или углеводородные цепи , или ароматические

кольца. В них нет полярных групп , и они не способны образовы­
вать водородные связи с молекулами воды , так что являются ги­

дрофобными (см . РИС. 011-5).

к большей упорядоченности структуры воды , представляющей
собой ячеистую структуру, показанную на рис . 11 -9. Эта структу­

ОТВЕТ

ра Уподобляется структуре льда, хотя она менее постоянная , ме­
нее упорядоченная и менее протяженная , чем даже в крошечном
кристаллике льда . Формирование любой упорядоченной струк­
туры снижает энтропию системы (см . гл . 3) и потому энергети­

Эти структуры хорошо подходят для данной задачи , так как

11-6

Белки часто пронизывают липидный бислой в виде а -спиралей.
в них гидрофобные радикалы аминокислот обращены к ги­
дрофобной внутренности липидного бислоя и закрывают по­
лярные пептидные связи от гидрофобной фазы (см . рис .

чески невыгодно .

1122- 11-25). Существуют, однако , и другие , менее регулярные,

ОТВЕТ 11-2

достичь того же результата , как видно на примере малой пет­

варианты сворачивания полипептидных цепей , позволяющие

В пункте (Б) дана корректная аналогия со сборкой липидного
бислоя , поскольку в ней задействовано вытеснение из воды , а

ли фотосинтетического реакционного центра . Этот пример
демонстрирует важность определения трехмерных структур ,

не силы притяжения между липидными молекулами . Если бы ли­
пидные молекулы образовывали связи друг с другом , липидный

которые к настоящему времени известны лишь для нескольких

зависело бы от силы взаимодействий) .

ОТВЕТ

бислой стал бы менее жидким и даже мог бы стать твердым (это
ОТВЕТ 11-3

Жидкие свойства бислоя жестко ограничены одной плоскостью:
Молекулы липидов могут диффундировать латерально в пределах
Собственного монослоя , но не могут свободно перескакивать из
одного монослоя в другой . Поэтому специфичные молекулы липи­
дов, включенные в один монослой, остаются в нем до тех пор, пока

их активно не переместит специальный фермент - флиппаза.
ОТВЕТ 11-4

И в а-спирали, и в ~-бочке полярные пептидные связи полипеп­

rидного остова могут быть полностью заэкранированы от гидро­

Фобного окружения липидного бислоя гидрофобными радикала­
ми аминокислот. Внутримолекулярные водородные связи между
аrомами, участвующими в образовании пептидных связей , ста­

мембранных белков.

11-7

Какая-то часть молекул двух разных трансмембранных белков
заякорена на спектриновых филаментах клеточного кортекса .

Эти молекулы не могут свободно диффундировать в плоскости
мембраны или вращаться. Однако существует избыток транс­
мембранных белков по отношению к сайтам связывания в кор­
тексе , так что некоторые их молекулы могут свободно вращать ­

ся и диффундировать в плоскости мембраны . Действительно,
измерения подвижности трансмембранных белков показывают,
что существуют две популяции молекул каждого трансмембран­

ного белка : заякоренные и незаякоренные .
ОТВЕТ

11-8

Способы , с помощью которых можно ограничить определен­
ными участками мембраны подвижность мембранных белков ,
представлены на рис .

11-33.

Подвижность мембранных белков

билизируют а-спирали и ~-бочки .

резко снижается , если они связаны с другими белками , напри­

ОТВЕТ 11-5

мер белками цитоскелета или внеклеточного матрикса . Неко­
торые мембранные белки удерживаются в определенных до­
менах мембраны барьерами , такими как плотные контакты . На

Сульфатная группа додецилсульфата натрия заряжена и пото­
му гидрофильна. ОН-группа и С-O-С группы в Тритоне Х-100

текучесть липидного бислоя заякоривание мембранных белков

Ответы

685


существенного влияния не о казывает: море мембранных моле­

Е . Сформировавшийся липидный би слой приобретет практи­

кул плещется вокруг зая коренны х мембранных бел ков , как вода

чески те же свойства . Теперь каждая липидная молекула будет
пронизывать весь бислой , а две ее гидрофильные головки будут

во к руг свай пирса.

экспонированы на разных поверхностя х бислоя . Такие липидные
ОТВЕТ

моле кулы присутствуют в мембранах термофильны х бактерий

11-9

Все утверждения правильные .

[присутствие таких липидов характерно для архей , а не для бак·

А, Б , В , Г: Липидный бислой жидкий , поскольку липидные молеку­

терий .

лы в нем могут претерпевать эти движения .

близкой к температуре кипящей воды . Такие бислои не разделя·

-

Прим. перев . ] , которые могут жить при температуре,

Д. Гликолипиды в основном приурочены к монослою, обращен­

ются при повышенной температуре , при которой разрушаются

ному от цитозоля. Не которые особые гликолипиды , такие как

обычные бислои , в которых два монослоя не соединены кова·

фосфатидилинозитол (см . гл .

лентными связями .

16),

находятся в цитозольном

монослое .

Е . Разрыв двойных связей (при гидрогенизации) позволяет мо ­

ОТВЕТ

лекулам липидов упаковываться плотнее и поэтому повышает

Форма молекул липидов близка к цилиндрической. Форма мо­

вязкость , иными словами , превращает растительное масло в

лекул детергента , напротив , коническая или клиновидная . Что­

маргарин .

бы превратить молекулу липида в детергент, нужно либо увели­

Ж. Примерами могут служить ферменты , участвующие в переда­
че сигналов (см . гл.

чить размеры ее гидрофильной головки , либо удалить один из
ее хвостов , чтобы такие молекулы могли формировать мицел ­

16).
основные составляющие мукуса и слизи.

лы . Обычно молекулы детергентов также имеют более короткие

Гликокаликс (углеводная оболочка клетки , состоящая из полиса­

углеводородные хвосты, чем липидные молекулы . Это делает их

3.

Полисахариды

11-12

-

харидов и олигосахаридов)

очень важный любрикант (напри­

слегка водорастворимыми , так что молекулы детергента в во­

мер , для клеток , выстилающи х кровеносные сосуды или цирку­

дном растворе часто покидают мицеллы и возвращаются в них.

лирующих в крови).

Из - за этого в водном растворе всегда присутствуют в некотором

-

количестве отдельные молекулы детергента, которые могут про·
ОТВЕТ11-10

никать в липидный бислой и солюбилизовать мембранные белки

В двумерной жидкости молекулы могут двигаться только в одной

(см . рис . 11-27) .

плоскости . Напротив , молекулы в обычной жидкости могут дви­
гаться в трех измерениях.

ОТВЕТ

11-13

Если выстроить молекулы липидов в линию, то от одного до дру­
ОТВЕТ

11-11

гого конца бактериальной клетки их уместится около

щина каждой молекулы

раздо больше диаметра углеводородных хвостов , так что форма

одна из этих молекул начинает двигаться относительно других,

молекул будет конической, а не цилиндрической , и они будут об­
разовывать мицеллы , а не бислои .

обмениваясь с соседями местами раз в 10-1 с , то всего за 4 х 10- с
(= 4000 х 10-1 с) она достигнет другого конца клетки . Однако 8

-

около О,

5 нм) .

4000 (тол·
Таким образом , если

А. Вы получите детергент. Диаметр головок липидов будет го­

4

Б . Сформировавшиеся липидные бислои будут гораздо более

действительности липидные молекулы двигаются по случайным

жидкими. Бислои будут также менее стабильными , так как бо­

траекториям, а не в определенном направлении , и чтобы до ·

лее короткие углеводородные хвосты станут менее гидрофоб ­

стичь другого конца клетки, им требуется гораздо больше вре ·

ными, и силы, отвечающие за формирование бислоя, окажутся

мени (около

меньше.

ми с соседями шарик для пинг-понга диаметром 4 см , он будет

1 с) .

Если раз в

10-1

с будет обмениваться места·

В. Сформировавшиеся липидные бислои будут гораздо менее

двигаться со скоростью 1 440 ООО км/ч (= 4 см/10-1 с) . Если бы

жидкими . В то время как нормальный липидный бислой имеет

он двигался в одном направлении, он достиг бы противополо)I(·

вязкость как у оливкового масла , бислой , состоящий из тех же

обладать консистенцией свиного жира .

ной стенки за 1,5 х 10-5 с и , продолжая двигаться , обогнул Землю
по экватору примерно за 2 мин . При хаотическом движении он
достиг бы противоположной стенки комнаты за заметно больwе

Г: Сформировавшиеся липидные бислои будут гораздо более

время (около

липидов , но с насыщенными углводородными хвостами , будет

2 мс).

жидкими . Также, из-за того что липиды будут менее плотно упа­
кованы , между ними будет больше щелей , и бислой будет более

ОТВЕТ

проницаемым для малых водорастворимых молекул .

Мембранные белки заякоривают липидный бислой на цитоске·

Д . Если предположить, что липидные молекулы полностью пе­

лете, укрепляя плазмалемму, за счет чего она может противо·

ремешиваются , текучесть мембраны не изменится . Однако на

стоять силам , действующим на эритроциты при прокачивании

самом деле в таком бислое насыщенные липидные молекулы

крови сквозь тонкие капилляры . Мембранные белки также транс·

начнут агрегировать друг с другом, поскольку они могут упако­

портируют сквозь плазмалемму питательные вещества и ионы .

11-14

вываться плотнее, и будут формировать пятна с пониженной те­
кучестью. Таким образом , свойства бислоя не будут одинаковы­

ОТВЕТ

11-15

ми на всем его протяжении . Поскольку в норме к гидрофильной

Предполагается , что гидрофильные стороны пяти а-спиралей,

головке каждого мембранного липида прикреплена одна насы­

каждая из которых является частью отдельной субъединицы , со·

щенная и одна ненасыщенная углеводородная цепь, в клеточных

прикасаются и образуют пору, пронизывающую липидный бис·

мембранах такой сегрегации не происходит.

лой и выстланную гидрофильными радикалами аминокислот

686

Основы молекулярной биологии клетки


ГИДРОФИЛЬНАЯ ПОРА

ОТВЕТ

гидрофиль на я

11-19

(А) Антарктические рыбы холоднокровны и живут при температу­

повер х ность

ре воды, близкой к О ·с . Чтобы их мембраны оставались жидкими
липидный бислой

при такой температуре , в них содержится высокий процент нена­
сыщенных фосфолипидов .
ОТВЕТ

11-20

Более вероятно, что трансмембранную спираль образует по­
следовательность Б. Она состоит в основном из гидрофобных

аминокислот, и потому может быть стабильно интегрирована в
липидный бислой . Последовательность А, напротив , содержит
гидрофобная поверхность

много полярных аминокислот
В

РИС.O11-15

-

(S,

Т,

N, О) , а последовательность
R, Н, Е, D) , и их включе­

много заряженных аминокислот (К ,

ние в гидрофобное окружение липидного бислоя будет энерге­
тически невыгодным .

( РИС. 011 -15 ). Ионы могут проходить через эту пору, не соприка­
саясь с хвостами липидов бислоя . Гидрофобные радикалы ами­
нокислот взаимодействуют с гидрофобными хвостами липидов .

Глава

12

ОТВЕТ 11-16

ОТВЕТ

На каждую молекулу белка в этой мембране приходится око­

А. Движение молекул , опосредуемое транспортером , можно

ло

описать с помощью иллюстративного уравнения :

100 липидных молекул (т. е. фосфолипидов + холестерина)

12-1

[== (2/50/000)/(1 /800 + 1/256)]. Сходное белково-липидное соот­

(1) П + Р ~ ПР -,. П + Р *,

ношение характерно для многих клеточных мембран .
где Р

ОТВЕТ 11-17

растворенное вещество , Р *

-

-

растворенное вещество

на другой стороне мембраны (это та же самая молекула, но те ­

Слияние мембран не изменяет ориентации мембранных белков

перь она находится в ином окружении), а П

и прикрепленных к ним цветных меток : часть белка, обращенная

лок-переносчик) .

к цитозолю, всегда обращена к цитозолю , а обращенная к внеш­

Б. Это уравнение полезно, так как оно описывает этап связыва­

-

транспортер (бе­

к внешней среде ( РИС. 011-17). При О ·с текучесть

ния , за которым следует этап высвобождения. Математическая

Мембраны снижается , и перемешивание мембранных белков за­

трактовка этого уравнения очень сходна с той, что давалась для

метно замедляется.

ферментов (см. рис .

ней среде

-

3-24);

в частности, транпортерам также

свойственно значение Км , описывающее их сродство к перено­
симому веществу, и

Vmax '

характеризующее максимальную ско­

рость переноса . Для большей точности следовало бы включить в
схему реакции конформационные изменения транспортера :
(2а) П

где П *

-

+ Р ~ ПР -,. П + р н
(26) П ~ П * ,

белок-переносчик после конформационного измене­

ния , когда его сайт, связывающий переносимое вещество, экс ­

РИС.011-17

понируется на другой стороне мембраны . Это уточнение требует

ввести второе уравнение

(26) , показывающее ,

что белок-пере­

носчик возвращается к исходной конформации.

OТВЕТ11-18

В . Уравнение не описывает поведения каналов, так как веще ­

kонтакт гидрофобных радикалов аминокислот с водой энерге­

ства, проходящие через каналы, не связываются с ними так , как

тически невыгоден. Существует два пути экранирования таких

с ферментами .

Радикалов от воды, позволяющие достичь более энергетиче­
ски выгодного состояния. Во - первых , они могут формировать

ОТВЕТ

1 Рансмембранные

Если Nа+-к+-насос работает не в полную силу, поскольку частич­

участки, пронизывающие липидный бислой .

12-2

для этого требуется , чтобы около 20 таких радикалов были рас­

но блокирован оуабаином или дигитоксином, то он создает ме­

положены друг за другом в полипептидной цепи. Во-вторых,
гидрофобные радикалы аминокислот могут находиться внутри

нее крутой электрохимический градиент

свернутой полипептидной цепи . Это - одна из главных сил , при­
водящих к стабилизации уни кальной для каждого бел ка трехмер­
ной структуры. В обоих случаях - и внутри липидного бислоя , и
внутри свернутого белка - действие гидрофобных сил основано

антипортер, и ионы Са 2 + медленнее выводятся из клетки . Когда

На одних и тех же принципах .

их содержанию по сравнению с нормой , а это, в свою очередь,

Na•,

чем в интактной

клетке . Соответственно, менее эффективно работает Са 2 +-Nа•­
начинается следующий цикл мышечного сокращения , в цитозо­

ле все еще повышен уровень Са 2 + . Вхождение того же количества
ионов Са 2 + в клетку, таким образом , приведет к повышенному

Ответы

687


вызовет более длительное и сильное со кращение . Поскольку

казанном на рис.

Nа•-к+-насос во всех животных клетках выполняет важные фун к­

омываетс я раствором , находящимся вне микроэлектрода.

ции

-

подцерживает осмотический баланс и создает градиент

используемый многими транспортерами ,

-

12-23, цитоплазматич еская сторона мембраны

,

эти лекарства в бо­

ОТВЕТ

лее высокой концентрации являются смертельными ядами .

12-5
Равновесны й потенциал для к• равен - 90 мВ[= 62 мВ log 10 (5 мМ/

ОТВЕТ

10
лиевые ка налы постоянного тока в плазмалемме клетки в состо­

140 мМ)] , а для Na+-+72 мВ[= 62 мВ log (145 мМ/10 мМ)]. Ка·

12-3

А. Эти признаки свойственны симпорту.

янии покоя позволяют установиться равновесию по к• ; поэтому

Б. Дополнительных сведений указывать не надо . Важная особен­

мембранный потенци ал клетки близок к

ность, обеспечивающая совместный транспорт двух веществ , в

ются натриевые ка налы ,

том , что белок не может изменить свою конформацию, если с

тате мембранный потенциал меняет полярность ; его значение

ним связано только одно из них. Вещество Б, обеспечивающее

становится ближе к равновесному потенциалу для Na+, +72 мВ .

транспорт вещества А , находится в избытке на той стороне мем­

После закрывания натриевы х каналов калиевые ка налы постоян ­

- 90 мВ. Когда открыва­
Na• устремляется в клетку, и в резуль­

браны , откуда начинается транспорт, и занимает свой сайт свя­

ного тока позволяют К+, который уже не находится в равновесии ,

зывания большую часть времени . В этом состоянии транспортер

выходить из клетки до тех пор , пока не восстановится равновес­

не может изменить свою конформацию и ждет, пока к нему в

ное значение для К+, около

-90 мВ .

какой-то момент не присоединится молекула вещества А. Когда

заняты оба сайта связывания, транспортер меняет конформа­

ОТВЕТ

цию. Теперь, когда сайты находятся по другую сторону мембра­

Когда мембранный потенциал аксона превышает порог, в не­

ны , сайт связывания для вещества Б практически все время пуст,

посредственной близости от этого участка открываются потен·

12-6

поскольку в растворе с этой стороны мембраны данного веще­

циал-зависимые натриевые каналы, и внутрь входит Na+. Это

ства мало . Хотя сайт связывания для А его молекулы занимают

деполяризует соседние участки мембраны , и там тоже открыва­

гораздо чаще , транспортер может изменить конформацию на

ются Nа+ -каналы . Создается волна деполяризации , быстро рас ­

исходную только после того , как молекула А тоже отделилась.

пространяющаяся по аксону (потенциал действия) . Поскольку

В. Антипортер как трансмембранный белок имеет сходные свой­

натриевые каналы вскоре после открывания переходят в инак­

ства . Он имеет два сайта связывания

для вещества А и для ве­

тивированное состояние, вхождение к• через потенциал -зави­

щества Б . Белок может претерпевать конформационные изме­

симые калиевые каналы и калиевые каналы постоянного тока

нения , принимая одно из двух состояний: оба сайта связывания

быстро восстанавливает потенциал покоя после прохождения

находятся одновременно либо по одну сторону мембраны , либо

потенциала действия.

-

по другую . Белок переходит из одного состояния в другое только
когда занят один из сайтов, но не может осуществлять этот пере­

ОТВЕТ

ход ни когда оба сайта заняты , ни когда оба они свободны .

Если число работающих ацетилхолиновых рецепторов уменьши ­

Обратите внимание , что эти правила описывают модель,

12-7

лось из - за воздействия на них антител , нейромедиатор (ацетил·

альтернативную той, что показана на рис . 12-17. Таким образом ,

холин), выделяющийся из нервных окончаний , не сможет стимУ·

имеется два способа обеспечить сопряженный транспорт двух ве­

пировать сокращение мышц или будет вызывать лишь слабые

ществ :

сокращения .

(1) обеспечить кооперативные сайты для

их связывания и

позволить насосу случайным образом переключаться между дву­
мя состояниями , как показано на рис.

12-16; (2)

позволить осу­

ществиться независимому связыванию двух веществ и сделать
переключение между двумя состояниями зависимым от занято­

ОТВЕТ

12-8
По аналогии с работой натрий-калиевого насоса , показанной на
рис. 12-11 , АТФ может гидролизоваться и передавать фосфатную

сти сайтов связывания . Так как пока не определена структура ни

группу белку-переносчику (транспотеру) тогда и только тогда, коr·

одного белка , осуществляющего сопряженный транспорт, мы не

да переносимое вещество связано с ним на внутренней стороне

знаем, какой из механизмов используют подобные насосы .

мембраны (шаг

1 -> 2). Присоединение фосфата немедленно вы ·
2 -> 3), связывание пе·

зовет конформационное изменение (шаг
ОТВЕТ

12-4

реносимого вещества и его перенос « наружу» . Фосфат отделится

Каждый из прямоугольных пиков соответствует открыванию еди­

от белка тогда и только тогда , когда отделится переносимое ве·

ничного канала, который пропускает небольшой ток . Можно за­

щество ; и тогда свободный , нефосфорилированный транспортер
вернется в исходное состояние (шаг 3 _, 4) ( РИС. 012-8).

метить , что находящиеся на данном участке мембраны каналы
часто открываются и закрываются . Каждый канал остается от­

крытым очень небольшое , хотя и слегка непостоянное время,

1О мс. Через открытый канал проходит ток
постоянной величины (4 пА ; один пикоампер = 10- 1 2 д) . В одном
из случаев сила тока вдвое больше - это показывает, что на дан­

ОТВЕТ 12-9
А. Неверно . Плазмалемма содержит белки, обеспечивающие

ном участке мембраны одновременно открылись два канала.

для всех ионов.

в среднем примерно

избирательную проницаемость для многих ионов . Напротив ,

чистый липидный бислой, не содержащий белков , непроницаем

Если ацетилхолин не добавлен или добавлен в раствор вне

Б . Неверно. Каналы не связывают проходящие через них ве·

пипетки , вы измерите только базовый уровень тока . Чтобы канал

щества. Селективность каналов обеспечивается размерами и)(

открылся , ацетилхолин должен связаться с внеклеточной частью

поры и заряженными участками у входа в пору, которые притяrи·

молекулы рецептора ацетилхолина. На участке мембраны , по-

вают или отталкивают ионы с соответствующим зарядом .

688

Основы молекулярной биологии клетки


оО
ВНЕШНЯЯ
СТОРОНА

-

т

РИС. 012-8

В. Неверно . Переносчики работают медленнее. Их свойства по­

В . Оба термина описывают превращения энергии при переме­

хожи на свойства ферментов - во время рабочего цикла они
связывают вещества и претерпевают конформационные изме ­
нения. Это ограничивает их максимальную скорость транспорта
примерно тысячью молекул в секунду, в то время как через канал
Может проходить до 1 ООО ООО растворенных молекул в секунду.

щении ионов с одной стороны мембраны на другую . Мембран­

Г. Верно. Бактериородопсин некоторых фотосинтезирующих
бактерий транспортирует протоны, используя энергию видимо­
го света.

д. Верно. Большинство животных клеток содержит в плазмалем­
ме калиевые каналы постоянного тока , которые большую часть
времени открыты . Концентрация к• внутри клетки все равно
выше , чем снаружи , поскольку отрицательный мембранный по­
тенциал препятствует выходу к•. Кроме того , к• постоянно зака­
чивает внутрь клетки натрий-калиевая АТФаза.

ный потенциал относится к изменениям электрической энергии.
Электрохимический градиент отражает изменения электриче­
ской и химической энергии , связанный с движением частиц меж­

ду областями с высокой и низкой концентрацией. Мембранный
потенциал определяется вне зависимости от выбора конкрет­

ного иона , а электрохимический градиент зависит от градиента
концентрации конкретного иона .

Г. Насосы

-

особый тип переносчи ков , потребляющих энергию

для транспорта веществ против электрохимического градиента .

Д . В обоих случаях сигналы передаются за счет электрической
активности . Провода медные , а аксоны нет. Сигнал передается

по аксону без затухания , так как он самоумножающийся , в то
время как по проводам сигналы передаются с затуханием (за

Е. Неверно. Симпортер связывает два переносимых вещества

счет утечки через изоляцию) .

на одной стороне мембраны . Его переворачивание не превратит
его в антипотер, который также связывает два вещества , но по
Разные стороны мембраны .

Ион

*· Неверно. Пик потенциала действия соответствует времен ­

Ной смене мембранного потенциала с отрицательного значения
На положительное . Вхождение Na• вызывает сначала смещение

Потенциала до нуля , а затем перемену знака , так что внутренняя
Среда клетки приобретает положительный заряд по отношению
к наружной . Затем потенциал покоя восстанавливается за счет
вхождения к• через потенциал-зависимые калиевые каналы и
калиевые каналы постоянного тока.

Е. Оба типа частиц влияют на осмотическое давление в клетке .

-

ОТВЕТ

частица, несущая заряд .

12-12

Мост позволяет машинам двигаться через реку постоянным пото­
ком. Можно сконструировать въездные ворота так, чтобы через них
не проходили , например , машины больше определенного размера ;
их также можно временно закрыть, чтобы перекрыть транспортный

поток . По аналогии , каналы пропускают ионы потоком через свои
ворота, накладывающие ограничения по заряду и размерам .

Паромная переправа, напротив, загружает машины на од­
ной стороне реки и после переправы самого парома разгружает

ответ 12-10

Проницаемость для N2 (маленькая и неполярная молекула) > эта­

нола (маленькая и слабо полярная молекула) > Са 2• (маленький и
заря женный ион) > РНК (очень большая и заряженная молекула) .

ответ 12-11

А. Обе группы белков сопрягают движение двух разных веществ

на противоположном . Этот процесс более медленный. В ходе

загрузки из общей очереди можно выбирать определенные ма­
шины , наиболее удачно размещающиеся на автомобильной па­
лубе . Аналогично , переносчики связывают транспортируемые
вещества на одной стороне мембраны , а затем , после конфор­
мационных изменений, высвобождают на другой стороне. Изби­
рательность связывания ведет к выбору транспортируемых мо ­

Через мембраны . Симпортеры транспортируют оба вещества в

лекул . Как в случае сопряженного транспорта , иногда приходит­

одном направлении , а антипортеры - в противоположных .

ся ждать, пока паром заполнится , чтобы попасть на другой берег.

Б. Оба типа транспорта обеспечиваются мембранными транс­

портными белками . Пассивный транспорт осуществляется по
Градиенту концентрации или электрохимического потенциала ,
а активный транспорт - против , поэтому он требует затрат
энергии . Активный транспорт осуществляют бел ки-переносчи­
ки , но не каналы ; пассивный транспорт могут осуществлять оба
типа белков .

ОТВЕТ

12-13

Ацетилхолин транспортируется в везикулы с помощью н•-аце ­
тилхолинового антипортера в мембране везикул . Градиент Н +,

обеспечивающий этот транспорт, создается протонным АТФ­
зависимым насосом в мембране везикул , закачивающим прото­

ны в пузырек (отсюда зависимость реакции от АТФ) . Повышение

Ответы

689


рН в растворе , окруж ающем пузырек, увеличивает градиент н•:

здесь сценарий немного упрощен : на самом деле в клетках мле ·

при повышенном рН в растворе вокруг пузырька меньше ионов

копитающи х натрий- калиевы й насос перемещает три иона на·

н• , в то время как внутри пузырька их концентрация не меняется .

трия из клетки на кажд ые два иона калия , з а качиваемые в клетку,

Этим объясняется наблюдаемое повышение скорости транспор­

так что он создает электричес к ий то к через мембрану и вносит

та внутрь пузырьков .

небольшой дополнительный вклад в создание потенциала покоя

ОТВЕТ

равновесному потенциалу для К+, двигающегося через калиевые

на мембране (который поэтому лишь примерно соответствует

12-14

Градиент напряжения на мембране

-

около

150 ООО

В/см. Это

каналы постоянного то ка).

чрезвычайно мощное электрическое поле почти достигает пре­
дельных значений, при которых изолирующий материал

пидный бислой

-

-

ли­

пробивается, т. е . уже не может действовать

как изолятор . Сильное поле соответствует большому количеству

ОТВЕТ

12-16

Ионные каналы могут быть лиганд-зависимыми , потенциал-за­
висимыми или ме ханочувствительными .

энергии, которая может быть запасена на мембране в виде элек­
трического градиента , а также экстремальным электрическим

ОТВЕТ

воздействиям , оказываемым на мембранные белки. При напря­

Объем клетки

жении в

150 ООО

В будет возникать постоянный дуговой разряд

через щель шириной

1 см

(т. е . воздух будет недостаточно эф­

фективным изолятором при такой силе электрического поля).

12-17

- 10-12 л (= 10-15 м 3 ) и содержит 6 х 104 ионов каль·
ция (= 6 х 10 молекул/моль х 100 х 10-9 моль/л х 10- 12 л) . Зна·
23

чит, чтобы внутриклеточная концентрация Са 2 • повысилась в пять

раз , в клетку должно войти еще 2 940 ООО ионов кальция (обра­
тите внимание , что при концентрации

ОТВЕТ

3 х 106 ионов ,

12-15

А. Ничего . Для приведения в действие Nа•-к+-насоса требуется

АТФ .
Б . АТФ гидролизуется , и

Na+закачивается в пузырьки; генерирует­
Na+на мембране. В то же время к+ вы­

из которых

60

5 мкм в клетке содержится

ООО уже присутствовали до откры·

вания каналов) . Поскольку любой из 1ООО каналов пропускает за
секунду 106 ионов, каждый канал должен оставаться открытым
всего

3 мс.

ся градиент концентрации

качивается из пузырьков, и возникает концентрационный гради­

ОТВЕТ

ент к+ противоположной направленности . Насос остановится, ког­

В клетках животных большинство процессов транспорта через

12-18

да весь к• будет выкачан из пузырьков или когда закончится АТФ .

плазмалемму осуществляются с использованием электрохими·

В. Натрий-калиевый насос пройдет через стадии

ческого градиента

рис.

12-11 ).

1, 2 и 3 (см.

Однако поскольку все стадии реакции должны про­

Na•. АТФ используется для

лиевого насоса , поддерживающего градиент

работы натрий-ка·

Na•.

ходить строго последовательно, дефосфорилирование и соот­
ветствующее конформационное переключение не может про­

изойти в отсутствие к•. Поэтому натрий-калиевый насос засто­

ОТВЕТ 12-19
А. Если н• закачивается через мембрану в эндосомы , возникает

порится в фосфорилированном состоянии , бесконечно ожидая

электрохимический градиент Н+, состоящий как из электрическо·

связывания иона калия . Число перенесенных ионов натрия будет

го потенциала , так и из концентрационного градиента , причем
внутренняя среда пузырька заряжена положительно. Оба этих
компонента вносят вклад в энергию, запасенную в градиенте и

пренебрежимо малым, так как каждая молекула насоса сработа­
ет лишь один раз.

Сходные опыты , с наличием одного иона и изучением по­

затрачиваемую на его создание. Таким образом , электрохимиче·

следствий, использовали для изучения последовательности эта­

ский градиент будет ограничивать перенос следующих порций Н',
Но если мембрана содержит также хлорные каналы , отрицательно

пов работы натрий-калиевого насоса.

к• будут транс­

заряженные ионы с1- будут входить в эндосому и уменьшать элек·

портироваться через мембрану, как описано в варианте (Б). Од­

трический потенциал . Таким образом, снижается энергетическая

нако молекулы насоса , расположенные в мембране в обратной

стоимость перекачки дополнительного количества протонов че·

Г. Будет происходить гидролиз АТФ, а ионы

Na• и

ориентации , будут совершенно неактивны (т. е. они не будут, как

рез мембрану, и внутри эндосомы среда становится более кислой.

можно ошибочно предположить, перекачивать ионы в обратных

Б . Да . Как объясняется в (А) , некоторое закисление будет проис·

направлениях), так как АТФ не будет иметь доступа к сайтам этих

ходить и в их отсутствие.

молекул , где происходит фосфорилирование . Такой сайт обыч­
но обращен к цитозолю. АТФ несет заряд и не может пересекать

ОТВЕТ

мембраны без участия специфичных переносчиков .

А. См . РИС .

12-20
012-20, А.

к+ будут транспортиро­

Б . Скорость транспорта вещества А пропорциональна его кон·

ваться через мембрану, как описано в варианте (Б) . Однако к• бу­
дет сразу попадать обратно в пузырьки через калиевые каналы

центрации; это говорит о том, что вещество А само может диФ·
фундировать сквозь мембрану. Скорее всего , вещество А - это

утечки . к• двигается по градиенту концентрации , создаваемому

этанол : его молекулы небольшие и слабо полярные , и они легко

натрий-калиевым насосом. С каждым ионом к+ , проходящим в

диффундируют сквозь липидный бислой .

пузырек через канал постоянного тока, через мембрану перено­

да мембранный потенциал уравновесит концентрационный гра ­

Напротив, скорость транспорта вещества Б характеризует·
ся насыщением при высоких концентрациях . Это говорит о том ,
что вещество Б переносится через мембрану каким-то транс ·
портным белком . Скорость транспорта не может превышать мак­

диент, к• перестанет двигаться через каналы утеч ки . Описанный

симальную скорость работы этого бел ка . Видимо , вещество 6 -

Д. Начнется гидролиз АТФ, а ионы

Na• и

сится положительный заряд; создается мембранный потенциал
с положительным зарядом внутри пузырька. В конце концов , ког­

690

Основы молекулярной биологии клетки


~200

0,06

:I:

:s:

вещество Б

{

а
~

-!

Yv

~

g- 100
5:I:
(\]

g.

s Ys

V

0,05 0,1 10,0
0,3 3,3
1,0 1,0
0,04 3,0 0,33
10,0 0,1
0,03

18
46
100
150
182
к

угол наклона = ~
max

0,02

~

~

а.

отрезок =Yv

~

u

max

00

2

4

6

8

10

2

4

6

8

10

концентрация вещества в растворе (мМ)

(А)

Ys

(Б)

РИС.

это уксусная кислота, так как ее заряженная молекула не может
проходить сквозь мембрану без помощи транспортного белка .

В . Для этанола мы установили линейную зависимость между

концентрацией и скоростью транспорта . Так, при концентрации

012-20

ОТВЕТ

12-22

Разнообразие медиатор-зависимых ионных каналов выгодно
для фармацевтической промышленности . Оно дает возмож­
ность поиска новых лекарств , специфично действующих на

0,5 мм скорость транспорта составит 1О мкМ/мин , а при концен­
трации 10 мМ - 200 мкМ/мин.
Для транспорта уксусной кислоты, опосредуемого перенос­

Эта узкая специфичность экспрессии позволяет в принципе

чиком , соотношение может быть описано уравнением Миха­

открыть или создать лекарства , действующие с большей спе­

элиса-Ментен, которое описывает простые ферментативные

цифичностью на определенные процессы в мозге благодаря

Реакции:

влиянию на определенный подтип рецепторов отдельной раз­

(1) скорость транспорта = Vmax х S/ [Км + S] .

Вспомните из материала гл . 3 (см. вопрос 3-20, с . 116), что для
определения Vmax и Км используется метод, при котором уравне­
ние Михаэлиса - Ментен преобразуется в линейную зависимость .

Простое преобразование дает
(2)

1/скорость

= (KJVma.J (1 /S) + 1/ Vmax

(уравнение вида у = ах + Ь) .

каждый тип каналов. Каждый из разнообразных подтипов та­
ких каналов экспрессируется в небольшой группе нейронов .

новидности нейронов.

Глава
ОТВЕТ

13

13-1

Чтобы мог идти гликолиз , клетке нужно регенерировать НАД•
из НАД· Н . Не существует эффективного способа сделать это
без брожения . В отсутствие восстановленного НАД• 6-я ста­

Вычисление 1/скорость и 1/Sпо приведенным данным и их пред­

дия

ставление в виде нового графика {рис. 012-20, Б) дает прямую
линию. Км (=1,0 мМ) и Vmax (= 200 мкМ/мин) определяется по от­
Резку оси у, равному (1/ Vm) , и по углу наклона , равному (Км/Vmax).

1,3-дифосфоглицерата , вкладка

Зная значения Км и Vmax , можно рассчитать скорость транспорта

Уксусной кислоты при 0,5 мМ и 100 мМ , используя уравнение (1).

Расчет дает, соответственно, 67 мкМ/мин и 198 мкМ/мин .

ОТВЕТ 12-21

Мембранный потенциал и высокая внеклеточная концентрация
Na• обеспечивают большую электрохимическую движущую силу

И большой запас ионов натрия , так что при открывании ацетилхо­
линовых рецепторов в клетку входят в основном ионы Na•. Ионы

гликолиза

осущест вляться ,

и

глицеральдегид-3-фосфата

до

13-1, с. 396- 397) не может

накапливается

промежуточный

продукт

глицеральдегид-3 - фосфат. То же самое происходит в клетках,

неспособных производить пируват или этанол: они тоже будут
неспособны восстанавливать НАД• , и гликолиз будет блокиро­
ван на том же этапе.

ОТВЕТ

13-2

Арсенат вместо фосфата на 6-й стадии гликолиза присо­
единяется

к

глицеральдегид-3-фосфату

с

образованием

1-арсено-3-фосфоглицерата { РИС. 013-2 ). Из-за чувствительо

Са 2•также будут входить в клетку, но их поток окажется меньше
Из-за меньшей внеклеточной концентрации. (Большая часть ио­
нов Са 2 +, попадающих в цитозоль при активации мышцы , выхо­
дит из внутриклеточных депо - см . гл . 17). Вследствие высокой
внутриклеточной концентрации, противоположного направле­
нию действия мембранного потенциала , ионы к• близки к состо­
янию равновесия на мембране . Поэтому перемещений ионов к•
При открывании катионных каналов практически не происходит.

(окисление

11

О

O WNIIAs- 0 '\,/

?

СН2О®

О

ОН
'\,/

о-

Н -у - ОН

РИС.

1

---,r--•
Н2 0

?

Н -у - ОН

+

As0 4

3
-

+

н•

СН 2 0®

013-2

Ответы

69 1


ности к гидролизу в водной среде эта высокоэнергетическая
связь рвется до того , как молекула успевает достичь путем

диффузии следующего фермента . Продукт гидролиза , 3-фос­
фоглицерат,

-

вещество, в норме образующееся на стадии

7

под действием фосфоглицераткиназы . Но из-за того, что ги­
дролиз происходит неферментативным путем , высвобождаю­

щаяся при разрыве высокоэнергетической связи энергия не
может быть использована для синтеза АТФ . Поэтому реакция ,
соответствующая на рис.

направленной вниз стрелке,

13-6

по-прежнему будет идти, но « колесо », обеспечивающее ее

сопряжение с синтезом АТФ, отсутствует. Арсенат вызывает
бесполезный расход метаболической энергии, разобщая с по­
мощью такого же механизма многие реакции переноса фос ­
фатных групп , именно поэтому он столь ядовит.
ОТВЕТ

13-3

При окислении жирных кислот их углеводородные хвосты расще­

метаболиты

пляются надвухуглеродные фрагменты (ацетильные группы) , со­
единяющиеся с Код . При биогенезе жирных кислот ацетильные

РИС.

013-6

группы, напротив, соединяются друг с другом. Поэтому в боль­
шинстве жирных кислот четное число атомов углерода .

ОТВЕТ
ОТВЕТ

13-7

Атомы углерода в молекулах сахара уже частично окислены , в от­

13-4

Поскольку функция цикла лимонной кислоты

-

запасание энер­

личие от всех атомов углерода в ацильной цепи жирных кислот,

гии, высвобождаемой при окислении, выгодно разделить общую

кроме первого . При превращении пирувата в ацетил-Код два

реакцию на как можно большее число этапов (см . рис .

13-1).

углеродных атомы глюкозы теряются в виде СО , и только четы·

Если использовать двухуглеродные компоненты , то вариантов

ре из шести атомов молекулы сахара восстанавливаются и могут
вступить в цикл лимонной кислоты , где улавливается большая

реакций будет гораздо меньше , и станет невозможным образо­

2

часть энергии. В противоположность этому, все атомы углерода

вание стольких промежуточных продуктов.

жирной кислоты входят в состав ацетил-Код.
ОТВЕТ

13-5

Атомы кислорода действительно возвращаются в атмосферу в

ОТВЕТ

составе СО 2 . Однако СО 2 , выделяющийся из клеток , не содер­

А. Неверно. Если бы дело обстояло так , реакция была бы беспо·

жит именно тех атомов кислорода, которые потребляются в ходе

лезной для клетки . Химическая энергия не запасалась бы в по­

окислительного фосфорилирования; они входят в состав воды.

лезной форме (например , АТФ) , которую можно использовать в
ходе обмена веществ . (Хотя клетка была бы приятно теплой!)
Б . Неверно . Ни один процесс превращения энергии не может
иметь КПД 100%. Вспомните , что энтропия во вселенной всегда
возрастает, и для большинства реакций это сопровождается вы·

Это можно доказать прямым методом, инкубируя живые клетки
в атмосфере с кислородом, в состав молекул которого входит

изотоп

18

0

вместо наиболее распространенного в природе

16

0.

В таком эксперименте обнаруживается, что весь выделяющийся

из клеток СО 2 содержит только

0 . Таким

16

образом , атомы кис ­

13-8

делением тепла .

не поступают непосредственно

В . Верно . Атомы углерода в глюкозе по сравнению с полностью

из атмосферы , а поступают из органических молекул, которые

окисленным атомом углерода в СО 2 находятся в восстановлен ·

лорода в выделяющемся СО

2

клетка сначала синтезирует, а потом использует как топливо (см.
вкладку

нам состоянии .

Г. Неверно . При реакции действительно образуется вода, но

13-2, с. 406-407).

воды в биосфере столько , что это всего лишь «к апля в море».
ОТВЕТ

Д . Верно . Если бы реакция шла в одну стадию , то вся энергия вы·

13-6

Цикл продолжает работать, поскольку промежуточные про­

делялась бы одномоментно , и ее было бы невозможно эффеК·

дукты возобновляются , как и должны , в результате реакций ,

тивно использовать для проведения других реакций , таких как

ведущих к циклу лимонной кислоты (вместо реакций , ведущи х

синтез АТФ .

от него) . Одна из важнейших реакций такого типа

-

превра­

Е. Неверно . Молекулярный кислород (0 2) используется только на

щение пирувата в оксалоацетат с помощью фермента пиру ­

самом последнем этапе реакции.

ваткарбокислазы :

Ж. Верно . Растения превращают СО 2 в сахара, используя энер·
гию света для фотосинтеза. При этом образуется 0 2, выделяю·

пируват + СО 2 +АТФ+ нр ➔ оксалоацетат + АДФ

+ Р; + 2н • .

щийся из растительных клеток .

Это один из примеров изящной скоординированности метабо­

3. Растущие в анаэробных условиях клетки используют глико ·

лических путей и их совместного функционирования для дости­

лиз для окисления сахаров до пирувата . Животные клетки пре·

жения нужных концентраций всех необходимых клетке метабо­

вращают пируват в ла ктат, и при этом СО 2 не образуется. Од·

литов (см . РИС.

692

013-6).

Основы молекулярной биологии клетки

нако дрожжевые клетки превращают пируват в этанол и СО2·


Именно этот газообразный СО 2 , выделяемы й дрожжевыми

одного гликолиза . Эта замечательная эффективность близка к

клетками, заставляет подниматься хлебное тесто и газирует

теоретическому пределу и потому практически исключает воз­

пиво и шампанское .

можности дальнейшего усовершенствования. Таким образом,

ОТВЕТ 13-9

увеличению эффективности роста, которое могло закрепиться

Дарвин выдохнул атом углерода , который входил в состав мо­

в ходе эволюции .

изобретение альтернативных путей не привело бы к заметному

лекулы СО • Проведя некоторое время в атмосфере , эта моле­

2

кула СО 2 должна была попасть в растительную клетку, где она

ОТВЕТ

была « фиксирована » при фотосинтезе и вошла в состав моле­

Как обсуждается в тексте,

кулы сахара . Хотя понятно , что ранние этапы были именно та­

каждой молекулы глюкозы , которая окисляется в соответствии

кими, дальнейшие пути этого атома углерода могли быть очень

13-13

30

молекул АТФ образуется за счет

с уравнением С 6 Н 1 р 6 (глюкоза)+

60 2 = 6СО 2 + 6Нр + энергия.

Разными . Сахар мог быть расщеплен в растительной клетке до

Таким образом , на каждые пять образующихся молекул АТФ

nирувата или , например , ацетил-Код , который мог затем ис­

0 2. Следовательно , клетка погло­
2 х 108 молекул О/мин , что соответствует потреблению
10-16 молей (= (2 х 108]/[6 х 1023 ]) или 7,4 х 10-15 л
(= 3,3 х 10-16 х 22,4) каждую минуту. Объем клетки составляет
10-15 м 3 [= (10-5)3], или 10-12 л . Таким образом , клетка каждую
минуту потребляет газообразного кислорода около 0,7%
(= 100 х 7 х 10- 15/ 10- 12 ) своего объема, или количество кисло­
рода , равное собственному объему, за 2 ч 15 мин .

пользоваться в пути биосинтеза аминокислоты. Аминокисло­
та могла быть включена в растительный белок

- фермент или
белок, участвующий в построении клеточной стенки . Вы могли
съесть вкусный лист растения в вашем салате и переварить бе­
лок в кишечнике, вновь превратив его в аминокислоты. После
цир куляции в вашей крови аминокислота могла быть поглощена

Развивающимся эритроцитом , чтобы построить свой собствен­
ный белок , например гемоглобин . Конечно , если мы захотим,
то сможем представить себе и более сложный путь атома по
пищевой цепи. Например , растение могло быть съедено жи­
вотным, которое вы затем съели за завтраком. Более того, по­
скольку Дарвин умер более 100 лет назад, атом углерода мог
Проделать подобный путь множество раз . Однако каждый цикл
он начинал в виде полностью окисленного атома в составе СO 2 ,
а попадал в живую материю после восстановления в ходе фото­
синтеза .

поглощается одна молекула

щает
3,3 х

ОТВЕТ

13-14

Каждая из реакций имеет отрицательное значение ЛG и потому
энергетически выгодна (см. РИС. 013-14 для диаграмм энергий) .
ОТВЕТ

13-15

А. Пируват превращается в ацетил-Код , и меченый атом
деляется в составе СO (см . рис.

2

14

С вы­

13-8, Б).

Б . Прослеживая за перемещением меченого атома

14

С по всем

13-2 (с . 406- 407),

стадиям цикла , которые показаны на вкладке

ОТВЕТ 13-10

Дрожжевые клетки гораздо лучше растут в аэробных усовиях.
При анаэробных условиях они не могут осуществлять окисли­
тельное фосфорилирование и поэтому образуют всю АТФ за счет
гликолиза, что менее эффективно. В то время как при гликолизе
одна молекула глюкозы дает две молекулы АТФ, дополнительное
Использование цикла лимонной ки слоты и окислительного фос­

СТАДИЯ

СТАДИЯ

2

1

СТАДИЯ

СТАДИЯ

4

3

форилирования дает выход энергии , достаточный для синтеза
Примерно 30 молекул АТФ ,
ответ 13.11

Количество свободной энергии , запасенной в фосфатной связи
Креатинфосфата, больше , чем запасенной в ангидридной связи

1

АТФ. Поэтому гидролиз креатинфосфата может быть напрямую
сопряжен с образованием АТФ :
креатинфосфат + АДФ

..... креатин+ АТФ .

14,2

для этой реакции ЛG' составляет около - 3 ккал/моль, т. е . она,

0,6-,-- - - ~

Как и указано в уравнении , сильно сдвинута вправо .
ответ 13.12

Чрезвычайный консерватизм гликолиза - один из доводов в
Пользу того , что все ныне живущие клетки произошли от од­
Ной предковой (см . гл. 1). Если это так , то реакции гликолиза
должны были появиться только один раз , а затем были унасле­
дованы всеми возникшими клетками . Более позднее изобрете­
ние окислительного фосфорилирования позволило получать в

15 раз больше энергии, чем это возможно при использовании

(А)

(Б)

РИС.O13-14

Ответы

693


соо1

С =О
1

2

соорадиоактивный

радиактивный

оксалоацетат,

оксалоацетат ,

добавленный
к экстракту

выделенный
после одного

оборота цикла
лимонной кислоты

РИС .

14-3

тонный градиент. Ионы н • , пере качиваем ые на одну из сторон

мембраны , свободно возвращаются обратно , и поэто му на мем·

14с н
1

ОТВЕТ

А. Динитрофенол полностью устраняет электрохимический про·

бране невозможно запасти энергию .
Б , Электрохимический градиент состоит из двух компонентов :
концентрационного градиента и электрохимического потенциа·

ла. Если мембрана под действием нигерицина стала проницав·
мой для к• , к• будет втягиваться внутрь за счет электрического

потенциала внутре t-tней мембраны (отрицательный заряд вну·
три , положительный снаружи) . В хождение положительно заря·
женных ионов калия снизит мембранный потенциал . На концен·
трационный компонент градиента н • (различия в рН) нигерицин ,

013-15

напротив, не влияет. Таким образом, теряется только часть дви·
жущей силы , заставляющей ионы н• проникать в матрикс .

мы обнаружим, что добавленная метка

14

С количественно выяв­

ляется в оксалоацетате . Кроме того , анализ показывает, что она

ОТВЕТ

присутствует уже не в кетогруппе, а в метильной группе щавеле­

А. Такая турбина , работающая в обратном направление

воуксусной кислоты ( РИС.

трический водяной насос . Его работа аналогична работе АТФ·

013-15 ).

14-4

-

элек·

синтазы , когда она гидролизует АТФ , качая протоны против

электрохимического градиента через внутреннюю мембрану

Глава

14

митохондрий .
Б. АТФ-синтаза должна « заглохнуть », когда энергия , которую она

ОТВЕТ

может извлечь из протонного градиента , в точности равна ЛG,

14-1

Делая мембраны проницаемыми для протонов , динитрофенол

необходимой для производства АТФ . В этой равновесной точке

устраняет или (в очень низкой концентрации) уменьшает про­

не будет ни чистого выхода, ни чистого потребления АТФ .

тонный градиент на внутренней мембране митохондрий . Клетки

В . При расходовании клеткой АТФ соотношение АТФ/АДФ в ма·

продолжают окислять молекулы пищи, чтобы поставлять высоко

триксе падает ниже только что описанной точки равновесия ,

энергетические электроны для электрон-транспортной цепи , но

и АТФ-синтаза использует энергию , запасенную в протонном

протоны , перекачиваемые через мембрану, возвращаются об­

градиенте, для синтеза АТФ , восстанавливая исходное соот·

ратно в митохондрию в холостом цикле . В результате энергия

ношение АТФ/АДФ. Когда электрохимический протонный гра·

электронов не может использоваться для синтеза АТФ и превра­

диент падает ниже равновесного значения , АТФ -с интаза , на·

щается в тепло. Пациенты, получающие маленькие дозы дини­

против , использует АТФ в матриксе для восстановления этого

трофенола , теряют вес, поскольку их жировые запасы быстрее

градиента.

используются для обеспечения электрон-транспортной цепи , а
весь процесс дыхания попросту растрачивает энергию .

Сходный механизм теплопродукции используется специ­

ализированной тканью

-

бурым жиром (ее объем велик у ново­

ОТВЕТ

14-5

Пара электронов, передающихся от НАД· Н до кислорода через
три дыхательных комплекса , обеспечивает выкачивание десяти

рожденных и у млекопитающих , впадающих в зимнюю спячку).

протонов через внутреннюю мембрану. Для синтеза каждой мо·

Клетки бурой жировой ткани набиты митохондриями , которые

лекулы АТФ требуется четыре протона: три - для синтеза АТФ из
АДФ и один - для экспорта АТФ в цитозоль. Таким образом , на

впустую растрачивают часть протонного градиента с единствен­

ной целью

-

согревать организм . Бурая окраска этих клеток

каждую молекулу НАД· Н синтезируется

2,5 молекулы АТФ .

определяется обилием митохондрий , содержащих пигментиро­
ванные белки (в частности, цитохромы).

ОТВЕТ

14-6

Можно назвать четыре важных аспекта участия белков в этом
ОТВЕТ

процессе . Во-первых , радикалы аминокислот обеспечивают хи ·

14-2

На внутренней мембране митохондрий происходит окислитель­

мическое окружение , так влияющее на окислительно-восстано·

ное фосфорилирование , и там образуется большая часть АТФ в

вительный потенциал каждого иона

клетке . Кристы

участки внутренней митохондриальной мем­

редаваться в определенной последовательности от одного ком·

браны, впяченные внутрь. В митохондриях с многочисленными

понента к другому, отдавая свою энергию маленькими порциями
и более прочно связываясь по ходу передачи . Во-вторых, за счет

-

кристами больше площадь внутренней мембраны и активнее

Fe, что электроны

могут пе ·

идет окислительное фосфорилирование. Сердечная мышца за ­

белков ионы

трачивает много энергии в ходе постоянных сокращений , а у

тивно передаваться от одного к другому. В- третьих , белки пре·

Fe располагаются так, что электроны могут эффек·

клеток кожи потребности в энергии ниже . Таким образом , уве­

дотвращают перескакивание электронов через промежуточные

личение числа крист повышает способность клеток сердечной

этапы; таким образом , как и в случае других ферментативных ре·

мышцы производить АТФ . Это замечательный пример того, как

акций (см . гл. 4) , они направляют электроны по определенномУ
пути . В-четвертых , белки сопрягают движение электронов вниз
по энергетическим уровням с перекачиванием протонов через

клетки приспосабливают количество отдельных компонентов к

своим потребностям .

694

Основы молекулярной биологии клетки


мембрану, таким способом улавливая выделяющуюся энергию и

рилирования в их митохондриях для синтеза АТФ , а также ис­

запасая ее в виде протонного градиента , затем используемого

пользуются в качестве строительных блоков для многих других

для образования АТФ .

метаболитов.

ОТВЕТ 14-7

АТФ с помощью окислительного фосфорилирования клеткам,

Использовать один и тот же переносчик на двух этапах было бы

содержащим хлоропласты. Глицеральдегид-3-фосфат, образую­

невыгодно . Если бы убихинон, например , мог передавать элек­

щийся в хлоропластах при фотосинтезе, выходит в цитоплазму

Б . Даже в дневные часы митохондрии нужны для обеспечения

троны напрямую к цитохромоксидазе , то они при передаче от

и затем используется как источник энергии для синтеза АТФ в

НАД- Н-дегидрогеназы часто проскакивали бы мимо комплекса

митохондриях .

цитохрома Ь-с 1 • Учитывая большую разницу в окислительно-вос­

становительных потенциалах убихинона и цитохромоксидазы,

ОТВЕТ

большое количество энергии будет выделяться в виде тепла

А. Это необходимое условие. Если бы оно не выполнялось, не­

и теряться . Транспорт электронов напрямую между НАД·Н­

возможно было бы удалить электроны из воды, и реакция, при

дегидрогеназой и цитохромом с также позволил бы им миновать

которой разлагаются молекул воды (Н 2 0

комплекс цитохрома Ь-с 1•

14-11

-

2н•

+ ½ 0 2 + 2е· )

не

пошла.

Б . Этот перенос позволяет использовать энергию фотона в виде

ответ 14-В

энергии, пригодной для химических превращений.

Протоны , выкачанные через внутреннюю мембрану в межмем­
бранное пространство, находятся в равновесии с цитозолем ,

которые пришлось преодолеть в ходе эволюции фотосинтеза :

В. Можно сказать, что это было одним из главных затруднений,

который работает как гигантское депо протонов. И в матриксе

частично восстановленные молекулы кислорода, такие как супе­

митохондрий, и в цитозоле идет множество метаболических ре­

роксидный радикал

акций , для которых нужен близкий к нейтральному рН. Поэтому

реакционной способности; они атакуют и могут уничтожить прак­

Разность концентраций н• , ЛрН , которая может быть достигнута

тически любую биологически активную молекулу. Поэтому такие

между матриксом митохондрий и цитозолем , относительно не­
велика (менее одной единицы рН) . Б6льшая часть энергии, за­

ными с атомом металла в активном центре фермента , пока все

0 2· ,

представляют опасность из-за высокой

промежуточные продукты должны оставаться прочно связан­

пасенной в митохондриальном электрохимическом градиенте,

четыре электрона не будут удалены из двух молекул воды. Это

связана поэтому с электрическим потенциалом на мембране

требует последовательного поглощения четырех фотонов одним

(см. рис. 14-10).

и тем же реакционным центром .

В противоположность этому, в хлоропластах имеется мень­

Wий по объему, отграниченный компартмент, в который закачи­
ваются протоны . Здесь может быть достигнута гораздо б6льшая
Разность концентраций (до тысячекратной , в три единицы рН) , и

ОТВЕТ

14-12

А. Верно. НАД• и хиноны

-

примеры веществ , которые не содер­

жат ионов металлов, но могут участвовать в переносе электронов.

б6льwая часть энергии , запасенной в градиенте н• тилакоидов,

Б. Неверно . Потенциал возникает из-за протонов (Н• ) , перека­

связана с разностью концентраций н• между внутритилакоид­
ным пространством и стромой.

чиваемых через мембрану из матрикса в межмембранное про­
странство. Электроны остаются связанными с переносчиками
электронов во внутренней мембране митохондрий.

ОТВЕТ 14-9

В . Верно . Оба компонента вносят вклад в движущую силу, благо­

НАД,Н и НАДФ·Н различаются присутствием одной фосфатной

даря которой движение протонов (Н • ) обратно в матрикс стано­

группы . Фосфат придает НАДФ·Н несколько иную форму, чем

вится энергетически выгодным.

У НАД-Н , что позволяет разным ферментам распознавать эти

Г. Верно . Оба быстро двигаются в плоскости мембраны .

Молекулы и тем самым направлять их электроны на различные

Д . Неверно . Митохондрии для производства АТФ нужны не толь­

НуЖды. Такое разделение труда полезно , поскольку НАДФ · Н
Преимущественно задействуется в реакциях биосинтеза, где
высокоэнергетические электроны используются для синтеза

ко растительным клеткам , лишенным хлоропластов (таким , как

богатых энергией биомолекул. НАД· Н , напротив, задействуется

Е. Верно. Физиологическая функция хлорофилла требует, чтобы

в Реакциях окисления богатых энергией молекул пищи для син­
теза АТФ. Внутри клетки отношение НАД• к НАД · Н поддержи­
вается на высоком уровне, а отношение НАДФ• к НАДФ·Н - на
Низком. Благодаря этому НАД в больших количествах доступен
как окислитель, а НАДФ · Н - как восстановитель , а именно это
и требуется в связи с их ролью, соответственно , в реакциях ка­
таболизма и анаболизма.

он поглощал свет ; гем, придающий красную окраску крови, окра­

клетки корня) ; они производят б6льшую часть АТФ цитозоля во
всех растительных клетках.

шен вне связи с выполняемой функцией .

Ж. Неверно. Хлорофилл поглощает свет и превращает его энер­
гию в энергию возбужденных электронов , а железо в геме - про­
сто переносчик электронов .

3. Неверно . Б6льшую часть сухой массы дерева составляет угле­
род , получаемый из углекислого газа , фиксированного в ходе
фотосинтеза .

ОТВЕТ 14-10

А. При фотосинтезе образуются сахара, что наиболее важно сахароза, доставляемая из фотосинтезирующих клеток по фло­
эме к клеткам корня . Там сахара окисляются в ходе гликолиза в
Цитоплазме клеток корня и с помощью окислительного фосфо-

ОТВЕТ14 - 13

Требуется три протона. Точное значение ЛG для синтеза АТФ
зависит от концентрций АТФ , АДФ и Р; (см. гл .

3) . Чем

выше от­

ношение концентрации АТФ к АДФ, тем более энергии требу-

Ответы

695


ется для про и зводства добавочного количест ва АТФ . Ни жне е

сквозь АТФ -си нтазу, что обеспеч ивает в окружающей растворе

з н аче н и е

си нтез АТФ в ответ на ос вещение .

(11 ккал/моль) относится , так им образом ,

к условиям ,

когда кл ет ка рас тратил а уйму э нергии и снизил а норм альное

Б. Если м е м брана пуз ырьков п рон и цае м а, то протонны й гради ­

соотношение АТФ/АДФ .

е нт не воз ни кает, и АТФ- синтаза н е работает.

ОТВЕТ

быть мощны м экс п е рим ентальны м ин струм ентом . Поскольку

В , И с пользовани е ко мп оненто в стол ь разных о рган изм ов может

14-14

Если кислород недоступен, будут накапливаться восстановлен­

два бел ка получ е ны и з ра зных и сточни ков , малове роятно , что

ные формы всех компонентов электрон-транспортной цепи ми­

м ежду ними есть прямое фун кцио нальное вза имодействи е . Та ­

тохондрий . Это происходит из-за того , что электроны от НАД·Н

ким образом , резул ьтат опыта, скорее всего , свидетел ьствует о

поступают в цепь переноса, но не переносятся на к ислород . По­

том , что тран спорт эле ктронов и синтез АТФ - разные процесс ы.

этому электрон-транспортная цепь прекращает работать , и все

Та к что этот подход оправдан .

ее компоненты остаются восстановленными. Если неож иданно

вновь добавляется кислород , переносчики электронов в цитох­

ОТВЕТ

ромоксидазе окисляются до таковых в НАД·Н-дегидрогеназе.

О кислительно-восстановительны й

Это происходит из-за того , что после добавления кислорода ци­

ком низок , чтобы обеспечить перенос электронов на НАД· Н·

тохромокисдаза будет отдавать электроны непосредственно на

дегидрогеназный компле кс , но достаточно высо к для переноса

кислород, переходя в окисленную форму. С течением времени

эле ктронов на уби хинон (ри с.

волна окисления распространяется от цитох ромоксидазы назад

от ФАД· Н 2 могут попадать в электрон-транспортную цепь тальк~

вдоль к омпонентов эле ктрон-транспорт ной цепи , по мере того

14-19
потенциал

14-20). Таким

ФАД· Н 2

слиUJ ·

образом , электроны

на этом этапе ( РИС. 014-19 ). Поскольку НАД· Н -дегидрогеназныи

как каждый компонент приобретает способность передавать

комплекс при этом минуется , через мембрану перекачивается

свои электроны следующим компонентам .

меньше протонов и производится меньше АТФ. Этот пример де ­

монстрирует гибкость электрон-транспортной цепи . Способ·
ОТВЕТ

ность использовать множество разных источни ков эле ктронов в

14-15

Когда окисленный убих инон восстанавливается , он принимает

о кружающей среде , чтобы питать эле ктронный транспорт

два эле ктрона вместе с двумя протонами от воды (рис .

роятно , важ ная черта ранни х этапов эволюции ж ивого .

14-19).

-

ве­

При окислении протоны высвобождаются . Если восстановление
происходит на одной стороне мембраны , а окисление

-

на дру­

ОТВЕТ

14-20

гой , то на каждый переданный электрон через мембрану пере­

Если эти бактерии будут использовать протонный градиент для

качивается один протон. Поэтому транспорт эле ктронов убихи­
ноном вносит непосредственный вклад в генерацию протонного

получения АТФ в той же манере, что сво й ственная другим бакте ­
риям (меньше протонов внутри , чем снаружи) , то им потребует

градиента .

поднять внутренний рН до еще более высо ких значений , чем во

ОТВЕТ

плазмы выше

внешней среде (рН

14-16

1О .

10). Клетки

не смогут выжить при рН цито·

Такие ба ктерии вынуждены использовать не

Фотосинтезирующие бактерии и растительные клетки использу­
ют электроны , получаемые в ходе реакции 2Нр ➔ 4е·+4н•+

02

для восстановления НАДФ• до НАДФ·Н, который затем ис ­
пользуется для производства полезных метаболитов . Если бы

электроны вместо этого использовались для производства Н 2 в

дополнение к

0 2, клетки

не получали бы ни какой выгоды от про­

ведения этой реакции , поскольку эле ктроны не могли бы прини­
мать участие в метаболически полезных реакция х .
ОТВЕТ

14-17

А. Смена растворов создает градиент рН на мембране тилакои­
дов. Поток ионов н• по эле ктрохимическому градиенту запус кает

АТФ-с интазу, которая превращает АДФ в АТФ .
Б. Свет не требуется , та к как градиент протонов уста навливается
искусственно, без участия светозависимой электрон -транспорт­
ной цепи .

В . Ничего . Направленность протонного градиента будет непра­

цикл

Г. Эксперимент предоставил ранние свидетельства в пользу хе ­
точно одного протонного градиента.

__...

14-18

А. Когда вези кулы освещают, ионы н • (получаемы е из воды) , за­

качанные в пузырьки бактериородопсином , выходят обратно

696

Основы молекулярной биологии клетки

\

ЛИМОННОЙ J
кислот/

миос мотической модели , по казав , что для синтеза АТФ доста­

ОТВЕТ

внутренняя

ат

вильной ; АТФ-синтаза не заработает.

РИС.

014-19

/

мембрана _
митохондрии


градиент протонов , а градиенты других ионов
триевый градиент

-

-

например , на­

для хемиосмотического сопряжения между

транспортом электронов и синтезом АТФ .

ОТВЕТ

15-2

Экспрессия эукариотических генов более сложная, чем генов
прокариот. В частности, у прокариот нет интронов , прерыва­
ющих кодирующие последовательности генов, так что иРНК

ОТВЕТ 14-21

может транслироваться сразу же после транскрибирования,

Утверждения А и Б корректны . Утверждение В некорректно , по­

не нуждаясь в процессинге (см. гл.

скольку все химические реакции , проте кающие в каждом цикле,

тических клетках рибосомы начинают трансляцию иРНК еще до

Различны, несмотря на то , что общий итог- тот же, что при про­

того, как транскрипция закончилась. Это имело бы нежелатель­

стой обратной реакции .

7).

Фактически в прокарио­

ные последствия в клетках эукариот, так как большинство РНК­
транскриптов нуждается в сплайсинге до начала трансляции .

ОТВЕТ 14-22

Ядерная оболочка разделяет процессы транскрипции и трансля­

Из этого опыта можно сделать вывод о двухстадийном механиз­

ции в пространстве и во времени; первичные транскрипты РНК

ме работы АТФ-синтазы . Согласно этой модели, поток протонов

находятся в ядре до тех пор, пока они не будут правильно про­

через основание синтетазы вызывает вращение головки , что в

цессированы и пока не образуется иРНК, и только потом иРНК

свою очередь обеспечивает синтез АТФ, В данном эксперименте

могут покинуть ядро, а рибосомы могут транслировать их.

авторам удалось разобщить две эти стадии .
Если механического вращения головки достаточно для син­

ОТВЕТ

15-3

теза АТФ в отсутствие какого-либо участия градиента протонов,

Молекула иРНК прикреплена к мембране ЭПР рибосомами, ко­

то можно считать АТФ-синтазу белковой машиной , действитель­

торые ее транслируют. Однако эта совокупность рибосом не

но работающей как « молекулярная турбина ». В реальности это

статична: иРНК постоянно двигается через рибосомы . Рибо­

был бы очень красивый эксперимент, так как он прямо показал
бы взаимосвязь между механическим движением и фермента­

сомы, завершившие трансляцию, отделяются от З ' -конца и РНК

тивной активность. Нет сомнений , что его результаты должны

были бы опубликовать, и он стал бы «классическим».

и от мембраны ЭПС, но сама иРНК остается связана с другими
рибосомами , мобилизованными из цитозольного пула, при­
крепившимися к 5' -концу иРНК и продолжающими трансляцию.

В зависимости от длины связанной с мембраной иРНК к ней при­

ОТВЕТ 14-23

креплено

10-20 рибосом.

Только при условии (д) наблюдается передача электронов , и
Цитохром с восстанавливается. В этой смеси воссоздан уча­

ОТВЕТ

сток электрон-транспортной цепи, и электроны могут переда­

А . Внутренняя сигнальная последовательность служит для за­

ваться в энергетически выгодном направлении от восстанов­

якоривания на мембране , как показано на рис .

ленного убихинона через комплекс цитохрома Ьс 1 к цитохрому

из-за отсутствия стоп-сигнала транслокации С-конец белка

с . Перенос электронов в случае (А) не может происходить (хотя

15-4

15-17. Однако

продолжает транслоцироваться в ЭПС . Поэтому N-конец об -

он энергетически выгоден) в отсутствие комплекса цитохрома

Ьс 1 , катализирующего эту реакцию . В других вариантах опыта

не наблюдается потока электронов, вне зависимости от того,
присутствует ли: в опытах (Б) и (Е) и убихинон , и цитохром с
окислен ; в опытах (В) и (Ж) оба они восстановлены; а в опытах

с

(В) и (3) поток электронов энергетически невозможен, так как
свободная энергия восстановленного цитохрома с ниже, чем у
окисленного убихинона .

N -~

'

(А)

Глава 15
ОТВЕТ 15-1

Хотя ядерная оболочка состоит из одной слитной мембраны , у

N
с

Нее есть специализированные участки , содержащие особые

белки и имеющие характерный вид. Один из таких специализи­
Рованных участков - внутренняя мембрана ядра . Мембранные
белки действительно могут диффундировать между наружной и
внутренней ядерными мембранами в участках , где они соединя­
ются - вокруг ядерных пор .
Однако белки внутренней мембраны, имеющие специфич­

ные для нее функции, обычно заякорены в ней благодаря взаи­
модействию с другими компонентами ядра - хромосомами или
ядерной ламиной (белковой сетью, подстилающей внутреннюю
Мембрану ядра и помогающую поддерживать структурную це­
nостность ядерной оболочки) .

РИС.

015-4

Ответы

697


разующегося белка находится в цитозоле , за ним следует один

протеидов , покидающи х кл етку. Гетерогенность воз ни к а ет глав ­

трансмембранный домен , а С- концевой домен находится в ЭПС

ным образ ом из -за огран иченного до ступа ферм е нтов к олиго­

( РИС. 015 -4, А ) .

сахаридным «деревьям », при крепленным к поверхности бел ков .

Б.

N-концевая сигнальная

последовательность инициирует

транслокацию N-концевого домена белка , которая продолжа ­

В связи с тако й гетеро ге нностью гл и ко п ротеиды трудн ее и зуч ать

и очищать , чем негли коз илированны е белки .

ется до того , как достигнет стоп-сигнала транслокации . Цито­

зольный домен синтезируется до тех пор , пока старт-сигнал

ОТВЕТ

транслокции вновь ее не инициирует. Теперь ситуация напо­

Аггрегаты сек реторных бел ков будут формироваться в ЭПС , ка к в

15-7

минает рассмотренную в пункте (А), и С-концевой домен белка

норме они формируются в сети транс-Гольджи . Так как агрегация

транслоцируется в просвет ЭПС. Таким образом , образующий­

специфична для се кретируемых бел ков , белки ЭПС не будут по­

ся белок пронизывает мембрану дважды. И его N-концевой, и

падать в аггрегаты. В конце концов такие аггрегаты деградируют.

его С-концевой домены находятся в просвете ЭПС , а петлео­
бразный домен между двумя трансмембранными участками
в цитозоле (рис .

-

015-4, Б) .
-

15-8

Трансферрин без связанного железа не взаимодействует со

В . Для этого потребуется отщепляемая сигнальная последова­
тельность, за ней

ОТВЕТ

внутренняя последовательность остановки

своим рецептором и циркулирует в крови , пока не присоединит

ион железа . После связывания железа комплекс трансферрин­

пары старт- и стоп-сигналов транслока­

железо может связаться с трансферриновым рецептором на

Эти примеры доказывают, что сложная топология белков до­

среде эндосомы от трансферрина отделяется железо , но транс·

стижима с помощью постых вариаций и комбинаций двух основ­

феррин остается связанным с трансферриновым рецептором ,

ных механизмов , показанных на рис .

который возвращается на клеточную поверхность, где рН крови

траслокации , а за ней
ции (рис .

-

поверхности клетки и поглощается путем эндоцитоза. В кислой

015-4, В) .

15-16 и 15-17.

нейтральный . Нейтральный рН вызывает отделение трансфер·
ОТВЕТ

рина от рецептора и возврат трансферрина в кровяное русло ,

15-5

А . Клатриновые оболочки не могут собираться в отсутствие

где он может захватить новый ион железа ; цикл повторяется .

адаптинов , соединяющих клатрин с мембраной. При высокой

Железо попадает в эндосому, как ЛНП на рис.

концентрации клатрина и подходящем содержании ионов кла­

лизосому, а затем в цитозоль .

15-33, оттуда -

в

пустые

Такая система позволяет клетке поглощать железо , даже

оболочки , не содержащие других белков и мембран. Информа­

если его концентрация в крови чрезвычайно низкая . Железо ,

ция о способе формирования клатриновых корзин содержится

соединенное с трансферрином , концентрируется на клеточной

в молекулах самого клатрина , поэтому они способны к само­

поверхности за чет связывания с трансферриновыми рецепта·

сборке.

рами ; затем оно дополнительно концентрируется в окаймленных

Б . Без клатрина адаптины тоже связываются с рецепторами

клатрином ямках , где собираются рецепторы трансферрина . Та·

мембраны, но клатриновая оболочка не образуется, и окаймлен­
ные клатрином ямки или пузырьки не возникают.

ким способом , за счет циклических перемещений трансферрина
между кровью и эндосомами , клетки получают необходимое для

В. На мембране образуются глубоко впятившиеся окаймленные

роста железо .

триновые ,, клетки » собираются в растворе , но это

-

клатрином ямки , но они не отпочковываются от мембраны и не
образуют замкнутых пузырьков (см. рис.

015-13) .

Г. Прокариотические клетки не осуществляют эндоцитоз . Поэто ­
му у прокариотических клеток нет рецепторов с подходящими

цитозольными «хвостами » , которые могут обеспечивать связы­

ОТВЕТ

15-9

А. Верно.

Б . Неверно . Сигнальная последовательность, направляющая

белки в ЭПС, содержит основу из восьми или более гидрофоб·

вание адаптина. Таким образом , клатрин тоже не может связы­

ных аминокислот. Показанная здесь последовательность содер·

ваться , и клатриновые оболочки не собираются .

жит много гидрофильных радикалов аминокислот, в том числе
заряженные гистидин , аргинин, аспарагин и лизин и незаряжен·

ОТВЕТ

15-6

ные гидрофильные глутамин и серин .

Предварительная сборка углеводной цепи позволяет лучше кон­

В. Верно . Иначе они не смогут стыковаться с нужной мембра·

тролировать качество. Точность сборки олигосахаридных цепей

ной-мишенью или рекрутировать стыковочный комплекс к местУ

можно проверять до того, как они присоединены к белку; если

слияния.

бы ошибка произошла при добавлении отдельных сахаров к бел­

Г. Верно .

ку, то пришлось бы пустить на слом весь белок. Поскольку для

Д . Верно. Лизосомальные белки отбираются в сети транс ·

синтеза белка требуется гораздо больше энергии , чем для син ­

Гольджи и пакуются в транспортные везикулы , доставляющие их

теза короткой олигосахаридной цепочки , эта стратегия гораздо

в позднюю эндосому. Если они не будут опознаны , то по умолча·

экономичнее . К тому же после того, как олигосахаридное «дере ­

нию попадут в везикулы , конститутивно направляемые к поверх·

во » присоединено к белку, ферментам труднее модифицировать

ности клетки.

его ветви, чем на свободном «дереве ». Эта сложность сильнее

Е . Неверно . Лизосомы перевариваюттакже внутриклеточные ор·

проявляется по мере движения белка к поверхности клетки: хотя

ганоиды путем аутофагии .

углеводные цепочки постоянно модифицируются ферментами в

Ж. Неверно. Митохондрии не участвуют в везикулярном транс ·

разных компартментах секреторного пути, эти модификации ча­

порте , и поэтому N-связанные гликопротеиды , образующиеся

сто неполные . Они приводят к заметной гетерогенности глико-

только в ЭПС , не могут транспортироваться в митохондрии .

698

Основы молекулярной биологии клетки


ОТВ ЕТ 15-10

Они должны содержать сигнал ядерной локализации . Белки с
сигналом экспорта из ядра курсируют между ядром и цитозо­

лем . Примером может служить белок А 1, который связывается в
ядре с и РНК и направляет их в цитозоль через ядерные поры . По ­

сле попадания А 1 в цитозоль сигнал ядерной локализации обе­
спечивает его реимпорт в ядро , так что он может участвовать в

экспорте очередны х иРНК .
Из J.H. Koenig и К. lkeda, J. Neurosci. 9:3844-3860,
С разрешения The Society fог Neuroscience.

ОТВЕТ 15-11

Вирус гриппа попадает в клетки за счет эндоцитоза и доставля ­

РИС .

1989.

0 15-13

ется в эндосомы , где попадет в кислую среду, активирующую от­

вечающий за слияние вирусный белок. Затем мембрана вируса
сливается с мембраной эндосомы , и вирусный геном высвобож ­

тического пузырька сливается с плазмалеммой нервного окон­

015-11 ). NH 3

небольшая молекула ,

чания . Чтобы создать новые синаптические пузырьки, мембра­

легко проникающая через мембраны . Она может проникать во

на должна отделяться от плазмалеммы путем эндоцитоза. Этап

все внутриклеточные компартменты, включая эндосомы, путем

эндоцитоза блокируется, если динамин дефектен , так как этот

дается в цитозоль ( РИС.

-

диффузии. В компартменте , где среда кислая,

NH 3 связывает

белок необходим для отпочковывания покрытых клатрином эн­

протоны с образованием Nн;, а этот заряженный ион не может

доцитозных пузырьков. Первые данные , позволившие устано ­

проходить сквозь мембрану путем диффузии . Поэтому ионы Nн ;

вить роль динамина , были получены с помощью электронных

накапливаются в закисленных компартментах , повышая рН вну­

микрофотографий синапсов мутантных мух { РИС .

три них . Когда рН в эндосомах повышен , вирусы по-прежнему

ратите внимание на большое число колбовидных впячиваний

015-13 ). Об­

Фагоцитируются , но из-за того , что вирусный белок слияния не

плазмалеммы , представляющих собой глубокие окаймленные

активируется, вирус не может попасть в цитозоль. Вспомните об

клатрином ямки, которые не могут отпочковаться . «Воротнич­

этом в следующий раз , когда будете болеть простудой и у вас бу­

ки », кторые окружают « горлышки » этих впячиваний, состоят из

дет доступ в конюшню.

мутантного динамина .

ОТВЕТ 15-12
А. Проблема состоит в том, что пузырьки , на мембране которых

ОТВЕТ15-14

есть два разных типа v-SNARE, могут пристыковаться к любой из

было бы звучать так: « Поскольку содержимое просвета ЭПС , как

двух различающихся мембран.

и любого другого компартмента секреторного или эндоцитозного

Б. Ответа на эту загадку в настоящее время нет, но можно по­

пути, никогда не смешивается с цитозолем , вступающие на этот

Первые два предложения правильные , третье

-

нет. Оно должно

лагать , что у клеток должны быть способы включать и выключать

путь белки нет нужды импортировать обратно в цитозоль. » Когда

стыковочную активность бел ков

ядерная оболочка распадается при митозе и отделяется от хро­

SNARE. Это

может достигаться

с помощью других белков , например, упакованных вместе со

матина , ее мембранные белки смешиваются с мембранными бел­

SNдRE в транспортные везикулы в ЭПС и облегчающих взаимо­
действие v-SNARE с t-SNARE в сети цис-Гольджи .

ками ЭПС , но содержимое образующихся мембранных пузырьков
остается отделенным от цитозоля интактной мембраной .

ОТВЕТ 15-13

ОТВЕТ

Синаптическая передача включает выделение нейромедиато­

Белок транслоцируется в ЭПС . Его сигнальная последова­

Ров путем экзоцитоза . В ходе этого процесса мембрана синап-

тельность для ЭПС опознается , как только высовывается из

15-15

рибосомы . Затем рибосома связывается с мембраной ЭПС , и
растущая полипептидная цепь переносится через канал-транс­

локатор на ЭПС . Таким образом, сигнал ядерной локализации
никогда не экспонируется в цитозоле . Он никогда не свяжется

ВНЕКЛЕТОЧНОЕ

ПРОСТРАНСТВО

плазмалемма

,,,,--:-с
ци
~т~о~з~о~л:'i:
ь------

не попадет.

~-.. ,. -(®1 =~~мы
н•
~ ~

L ___________,

эндоцитоз

активация

V \1)

вирусного

белка

слияние мембран

слияния

вируса и ЭНДОСОМЫ,

ОТВЕТ

(1)

15-16

Белки импортируются в ядро после того , как они синтези­

рованы, свернуты и, если требуется , образовали комплексы .

В ЭПС, напротив , транслоцируются развернутые полипептид­
ные цепи по мере их синтеза на рибосомах . Рибосомы соби­

раются в ядре , хотя функционируют в цитозоле , а ферментные

высвобождение

комплексы , катализирующие транскрипцию и сплайсинг РНК ,

вирусного генома

собираются в цитозоле , хотя функционируют в ядре. Поэтому
и рибосомы , и эти ферментные комплексы должны в интактном

в клетку

Рис. 015. 11

с рецепторами , служащими для импорта в ядро, и белок в ядро

виде проходить через ядерные поры .

(2)

Ядерные поры

Ответы

-

во-

699


рота , всегда открытые для малых молекул . Транслокационные

каналы на ЭПС, напротив, в норме закрыты (как показывает
наличие « пробки » на схеме на рис.

15-15);

они открываются

только после того, как рибосома прикрепляется к мембране ,
и транслоцируемая полипептидная цепь проникает в канал из

цитозоля. Важно , что мембрана ЭПС остается непроницаемой
для малых молекул в ходе транслокации, так как ЭПС

-

главное

депо ионов кальция в клетке , и выход Са 2 • в цитозоль должен
четко контролироваться (см. гл .

16). (3)

Сигнал ядерной лока­

лизации не отщепляется после того, как белок импортирован
в ядро; напротив , сигнальные пептиды, направляющие белки в
ЭПС, обычно отщепляются. Сигналы ядерной локализации нуж­
ны для повторного реимпорта ядерных белков после того, как
они попадают в цитозоль во время митоза, когда ядерная обо­
лочка распадается.

ОТВЕТ

15-17

Временное смешивание содержимого ядра и цитозоля в ходе
митоза поддерживает идею о том, что внутренность ядра и ци­

тозоль действительно эволюционно связаны друг с другом . Фак­
тически можно сказать, что ядро

-

субкомпартмент цитозоля,

который отделяется ядерной оболочкой и связан с цитозолем

РИС.

015-20

только через ядерные поры.

ОТВЕТ

15-18

Правильное объяснение состоит в том, что единичная ами­

ОТВЕТ

нокислотная замена слегка нарушает сворачивание белка.

Аппарат Гольджи мог возникнуть в ходе эволюции из специали·

Он все еще активен как ингибитор протеаз, но удерживает­

зированных участков мембраны ЭПС . Эти участки могли отпоч­

ся шаперонами внутри ЭПС. Поэтому белок накапливается в

коваться и сформировать новый компартмент (рис. 015-20),

просвете ЭПС и в конце концов деградирует. Возможны и аль­

который по-прежнему сообщается с ЭПС с помощью везикуляр·

тернативные объяснения :

(1) мутация

15-20

влияет на стабильность

наго транспорта . Чтобы новый компартмент мог быть полезным

белка в кровяном русле, и он деградирует в крови гораздо

для клетки, одновременно с ним должны были возникнуть транс­

быстрее нормального белка;

портные везикулы .

(2)

мутация инактивировала сиг­

нальную последовательность для ЭПС, и белок перестал по­
падать в ЭПС.

(3)

Еще одно возможное объяснение

-

мутация

ОТВЕТ

15-21

так изменила последовательность белка, что возник сигнал

Это вопрос о том, что было раньше: курица или яйцо. На самом

удержания в ЭПС , поэтому мутантный белок остается в ней .

деле подобная проблема никогда не возникает в современных

Можно выяснить, какое из объяснений правильное, используя

клетках, хотя это было серьезной проблемой для первых кле­

антитела с флуоресцентной меткой против данного белка или

ток , возникших в ходе эволюции . Новые клеточные мембра­

экспрессируя гибридный белок, соединенный с

ны образуются путем наращивания существующих мембран,

GFP,

чтобы

проследить за его транспортировкой в клетках (см. вкладку

и ЭПС никогда не возникает

« Откуда мы знаем», с.

какой-то участок мембраны ЭПС с транслокационными канала ·

471-472) .

de novo. Всегда предсуществует

ми, в который встраиваются новые транслокационные каналы .
ОТВЕТ

Таким образом, наследственность не ограничивается переда­

15-19

Критический отзыв: «Д-р Сногсшибайт предлагает изучить био­

чей генома: клеточные органеллы тоже должны передавать·

синтез форгеттина

интерес . Однако главная гипотеза, на которой основывается

ся от поколения к поколению. В действительности эволюция
транслокационных каналов ЭПС прослеживается до структурно

данное предложение , требует дополнительного обоснования.

сходных транслокационных каналов плазматической мембраны

В частности, не ясно, действительно ли форгеттин является

прокариот.

-

белка, представляющего значительный

секретируемым белком . Сигнальная последовательность для

ЭПС в норме находится на N-конце . С-концевая гидрофоб­

ОТВЕТ

ная последовательность окажется вне рибосомы только по­

А. Внеклеточное пространство .

сле того, как синтез белка почти закончился, и потому вряд

Б. Цитозоль .

ли будет опознана

SRP

в ходе трансляции . Маловероятно, что

15-22

В . Плазмалемма .

форгеттин будет транслоцироваться с помощью особого SRР­

Г.

независимого механизма; скорее всего , он будет оставаться

Д. Мембрана глубоких окаймленных клатрином ямок.

Клатриновая оболочка .

в цитозоле . Д-р Сногсшибайт должен учесть эти замечания,

Е. Захваченные частицы.

представляя исправленный вариант рукописи » .

Ж. Просвет глубоких окаймленных клатрином ямок .

700

Основы молекулярной биологии клетки


Глава

16

вы увеличиваете свой вклад в

10 раз ,

т. е . гораздо большее от­

носительно начальной суммы увеличение достигается при том

ОТВЕТ 16-1

же вкладе .

Большинство паракринных сигнальных молекул имеют очень
короткое время жизни после выделения из сигнали зирующей

ОТВЕТ

клетки : они либо расщепляются внеклеточными ферментами ,

Вспомните , что плазмалемма имеет относительно небольшую

16-7

либо быстро поглощаются соседними клетками-мишенями . Кро ­

площадь по сравнению с общей площадью поверхности мем­

ме того , некоторые из них прикрепляются к внеклеточному ма­

бран клетки (см . гл .

триксу и поэтому не могут диффундировать на слишком большое

бенно обилен , он пронизывает весь объем клетки в виде густой

Расстояние.

сети трубочек и цистерн . Поэтому Са 2 +, запасенный в ЭПС , вы­

Эндоплазматический ретикулум осо­

15).

свобождается по всему объему цитозоля . Это важно , поскольку

ОТВЕТ 16-2

при удалении Са 2 • из цитозоля с помощью кальциевых насосов

Полярные группы гидрофильны , поэтому холестерин , имеющий

он не успевает продиффундировать в цитозоле на сколь-нибудь

всего одну -ОН группу, будет слишком гидрофобным, чтобы

значительные расстояния .

Эффективно выполнять функцию гормона . Пос кольку он практи­
чески нерастворим в воде, он не может быстро передаваться в

ОТВЕТ

качестве мессенджера от одной клетки к другой через внекле­

Каждая реакция , задействованная в механизме усиления сигна­

точную жидкость .

ла, должна иметь механизм выключения, чтобы возвращать сиг­

16-8

нальный путь в состояние покоя . Все эти выключатели важны в

ОТВЕТ 16-3

равной степени .

Белок может быть ферментом , который образует одну из малых
внутриклеточных сигнальных молекул , вроде циклического АМФ

ОТВЕТ

или циклического ГМФ . Или он может оказаться ферментом , мо­

Поскольку у каждого антитела есть два антиген-связывающих

дифицирующим большое число внутриклеточных белков-мише­

сайта , оно может связывать вместе рецепторы и вызывать обра­

ней , например путем фосфорилирования .

зование их кластеров на клеточной поверхности . Кластеризация

16-9

способствует активации рецепторов с тирозинкиназной актив­

ОТВЕТ 16-4

ностью (РТА} , которые обычно активируются при димеризации .

В случае рецептора стероидного гормона, гормон и рецептор

Кластеризация РТА позволяет отдельным киназным доменам

связываются в соотношении один к одному, и такой комплекс

рецепторов фосфорилировать соседние рецепторы в кластере .

связывается с ДНК , включая или выключая транскрипцию ге­

Активация

нов ; поэтому амплификации сигнала от связывания лиганда до

должен вызвать определенные изменения конформации; только

Регуляции транскрипции нет. Амплификация происходит позже,

очень специфичные антитела могут достаточно хорошо имити­

Поскольку при транскрипции гена образуется множество иРНК,
каждая из которых при трансляции дает много копий кодируемых

ровать лиганды

GPCR -

более сложный процесс , поскольку лиганд

GPCR, чтобы

вызвать активирующие их конфор­

мационные изменения .

ею белков (см . гл. 7). В случае ионотропных рецепторов единич­
ный ионный канал за время, которое он остается открытым , про­
пускает тысячи ионов ; именно на данном этапе происходит ам­
плификация при этом способе передачи сигнала.

тем больше у клетки возможностей регулировать этот путь, ампли­

ответ 16-5

давать сигнал по различным разветвлениям пути (см. рис .

ОТВЕТ

16-10

Чем больше этапов во внутриклеточном пути передачи сигнала,
фицировать сигнал , интегрировать сигналы разных путей и пере­

16-13).

Мутантный G-белок окажется почти все время активированным ,
так как ГДФ будет спонтанно отделяться от него , позволяя ГТФ
связываться с ним даже в отсутствие активированного GPCR.

ОТВЕТ

Поэтому последствия для клетки будут сходными с воздействи­

сокращений клеток сердечной мышцы , связываясь с

ем холерного токсина , который модифицирует а -субъединицу G.
iак, что она не может гидролизовать ГТФ и выключаться. Однако
в отличие от случая , когда действует холерный токсин , мутант­
ный G-белок не будет оставаться активированным все время: он

стимулирует сокращение клеток скелетных мышц , связываясь с

16-11

А . Верно . Например , ацетилхолин вызывает снижение частоты

GPCR,

и

другим ацетилхолиновым рецептором .

Б . Неверно . Ацетилхолин

-

короткоживущее соединение и ока­

зывает местное действие . Действительно , увеличение длитель­

будет нормально выключаться , однако затем постоянно активи­

ности его действия может быть губительным . Вещества , пода­

Роваться вновь при отделении ГДФ и связывании ГТФ .

вляющие активность фермента ацетилхолинэстеразы, в норме
расщепляющего

ответ 16-6

Быстрый распад цАМФ позволяет поддерживать его низкую
внутриклеточную концентрацию. Чем ниже уровень цАМФ , тем

ацетилхолин

в

нервно-мышечном

синапсе ,

крайне токсичны ; например, нервно-паралитический газ за ­
рин, используемый как химическое оружие , ингибитор ацетил­
холинэстеразы.

больше и быстрее его подъем , достигаемый при активации аде­

В . Верно. ~у-Комплексы без связанных нуклеотидов могут акти­

нилатциклазы, синтезирующей новые порции цАМФ . Если у вас
лежит 100$ в банке и вы вкладываете еще 100$, то вы удваиваете
свой вклад; если сначала у вас всего 10$, а вкладываете вы $100,

вировать ионные каналы , а связанные с ГТФ а -субъединицы

-

активировать ферменты . ГДФ-связанная форма гетеротример­

ного G-белка

-

неактивное состояние .

Ответы

701


Г Верно . Инозитидные фосфолипиды , расщепляющиеся с об ­

так как вещества Х и У на односекундном интервале ст имуляции

разованием И-3Ф , содержат три фосфатные группы , одна из

клетки достаточно стабильны).

которых связывает

В . За счет пропорционально большего увеличения концентрации

са х ар

с

диацилглицерольным

липидам .

И-3Ф образуется в результате простой реакции гидролиза

использование У в качестве сигнальной молекулы имеет пре­

(см. рис.

имущества . Этот расчет иллюстрирует удивительный , но важный

16-25).

-

Д . Неверно . Кальмодулин чувствует, но не регулирует внутрикле­

принцип

точный уровень ионов кальция .

жизни сигнальной молекулы.

Е. Верно. См . рис .
Ж. Верно . См . рис .

16-39.
16-30.

ОТВЕТ

зависимость времени запуска сигнала от времени

16-15

Информация , передаваемая по клеточному сигнальному пути ,
ОТВЕТ

содержится в концентрации мессенджера, будь то малая мо ­

16-12

1. Можно предсказать высокий базовый уровень активности Ras,

лекула или фосфорилированный белок . Поэтому, чтобы можно

так как он не может эффективно выключаться .

было обнаружить изменения концентрации , образующийся мес­

2. Поскольку некоторые молекулы Ras уже связаны с ГТФ , актив­
ность Ras при воздействии внеклеточного сигнала будет выше ,

сенджер должен быстро разрушаться. Чем короче время жизни

мессенджера, тем быстрее система может отвечать на изме­

чем в норме, но эта активность достигнет насыщения, когда все

нения . Общение людей основывается на сообщениях, которые

молекулы

обычно отправляются только единожды и оцениваются не по ко­

Ras перейдут в ГТФ -связанную форму.

3. Ответ на сигнал

будет гораздо медленнее, поскольку завися­

щее от сигнализации увеличение количества

Ras, связанного

с

личеству, а по содержанию. Поэтому убивать гонцов неразумно ;
их можно использовать многократно .

ГТФ, будет происходить на фоне повышенного уровня предсуще­
ствующей ГТФ-связанной формы

4. Повышение активности Ras

Ras (см . ответ на вопрос 16-6).

в ответ на сигнал будет также бо­

ОТВЕТ 16-16
А . Мутантный рецептор с тирозинкиназной активностью (РТА),

утративший свой внеклеточный домен, неактивен. Он не мо­

лее длительным, чем в нормальных клетках .

жет связывать внеклеточные сигнальные молекулы , и его при­
ОТВЕТ

сутствие не оказывает влияния на работу нормальных РТА

16-13

А. Оба типа сигналов могут передаваться на большие расстоя­

( РИС.

ния: нейроны могут передавать потенциалы действия по очень

Б . Мутантный РТА, утративший внутриклеточный домен, также

016-16, А ) .

длинным аксонам (представьте себе, например , аксоны в шее

неактивен, но его присутствие будет блокировать передачу

жирафа), а гормоны разносятся по организму с током крови . По­

сигнала нормальными рецепторами . Когда сгнальная молеула

скольку нейроны выделяют большое количество нейромедиато­

связывается с обоими видами рецепторов , она индуцирует их

ров в синапсе

димеризацию. Два нормальных рецептора, соединяясь, акти­

-

небольшом , хорошо отграниченном простран­

стве между двумя клетками , концентрация сигнальных молекул

вируют друг друга путем фосфорилирования . Однако в при­

там высокая; поэтому рецепторы нейромедиаторов могут связы­

сутствии избытка мутантных рецепторов нормальные рецеп­

вать их с низкой аффинностью. Гормоны, напротив, сильно раз­

торы, как правило, будут формировать смешанные димеры , в

бавляются в кровотоке, где они циркулируют часто в ничтожных
концентрациях ; поэтому рецепторы гормонов обычно связывают
их с очень высокой аффинностью.

Б . Нейрональная организация

-

которых внутриклеточные домены не могут активироваться ,

так как их партнер - мутантный белок, утративший киназный
домен (рис . 016-16, Б).

частное дело , один нейрон об­

щается с ограниченной группой клеток-мишеней через специ­
фичные синаптические соединения ; гормональная же сигнали­

ОТВЕТ 16-17
Утверждение верное . После связывания лиганда присходит

зация

перемещение относительно друг друга трансмембранных спи­

-

публичное мероприятие, любая клетка-мишень с под­
реагирует на присутствие гормона в

ралей рецепторов , пронизывающих мембрану несколько раз,

крови . Нейрональная сигнализация очень быстрая, ее скорость

как, например , GPCR ( РИС. 016-17, А). Это конформационное

ходящими рецепторами

ограничена лишь скоростью пердачи потенциала действия и си­
наптической передачи ; эндокринная сигнализация медленнее ,

большие расстояния .
ОТВЕТ

1WW1,1 "
-- -- - - - -

16-14

А. В клетке присутствуют

100 ООО

молекул вещества Х и

1О

ООО

молекул вещества У( = скорость синтеза х среднее время жизни).

Б. Через одну секунду концентрация Х увеличится на

1О

(А)

протеинкиназный

домен

ООО

молекул . Таким образом , через одну секунду после усиления

синтеза Х его содержание достигнет
ку

-

11 О ООО молекул на клет­
10% от начальной . Со­

прирост концентрации составит

держание У тоже увеличится на

10

-------

ООО молекул, но , в отличие

от Х , это означает двукратное увеличение концентрации (для
простоты мы можем при этих расчетах пренебречь распадом,

702

•

• •

ее скорость ограничена скоростью кровотока и диффузии на

Основы молекулярной биологии клетки

РИС.

016-16

••

•


(А)
внеклеточная

трансмембранные

сигнальная молекула

ОТВЕТ

16-19

Поскольку концентрация Са 2 • в цитозоле столь низка, вхождение
относительно небольшого числа ионов Са 2 • приводит к ее значи­

спирали белка-рецептора

тельным изменениям . Так, для десятикратного повышения кон­

центрации Са 2• в цитозоле достаточно повышения его концентра­
ции в микромолярном диапазоне. Для этого потребуется гораздо
меньше ионов . чем для заметного изменения концентрации бо­
лее многочисленных ионов , таких, как

Na•. В

мышцах более чем

десятикратное увеличение цитозольной концентрации Са 2 • при
его выходе из саркоплазматического ретикулума достигается за

микросекунды; такую задачу было бы трудно выполнить, если бы
требовались изменения в миллимолярном диапазоне.
ОТВЕТ

16-20

Для многоклеточных организмов , таких как животные, важно ,
что клетки выживают только там и тогда, где и когда они нужны.
внеклеточная
сигнальная молекула

Зависимость клеток от сигналов , получаемых ими от других кле­

ток ,

- простой способ это обеспечить. Например , попавшая в

неподходящее место клетка скорее всего не получит необходи­

мых ей сигналов выживания (так как ее соседи окажутся непод­

ходящими) и поэтому покончит с собой . Такая стратегия помога­
ет регулировать и число клеток: если клеточный тип А зависит от
сигналов выживания клеток типа Б, то число клеток Б может кон­
тролировать и число клеток А , производя ограниченное количе­
ство факторов выживания, так что может выжить только опреде­
ленное число клеток А. Есть данные , говорящие о том , что такой

механизм действительно помогает регулировать число клеток
как в развивающихся тканях, так и в тканях взрослого организма

(см . рис.
ОТВЕТ

18-41).

16-21

Са 2 •- активируемые кальциевые каналы создают петлю положи­
тельной обратной связи: чем больше Са 2 • через них выходит, тем
активированный

Рис. 015.17

больше каналов открывается . Поэтому кальций-опосредуемый
сигнал в цитозоле распространяется взрывообразно по всей

мышечной клетке, обеспечивая практически одновременное со­
кращение всей актомиозиновой системы.
ОТВЕТ

16-22

изменение ощущается на внутренней стороне мембраны, так как

К2 активирует К1 . Если К1 постоянно активирован , то ответ на­

Меняется положение цитоплазматических петель . Одного транс­
Мембранного сегмента недостаточно для передачи сигнала че­
Рез мембрану напрямую - невозможна смена его положения
При связывании лиганда. После связывания лиганда большин­
ство рецепторов с одной трансмембранной спиралью , такие как

блюдается независимо от состояния К2 . Если бы порядок был

РТд, обычно димеризуются, так что их внутриклеточные сигналь­

ОТВЕТ

нь,е домены сближаются и могут кросс-фосфорилироваться и

А. Можно привести такие три примера длинных сигнальных пу­

активировать друг друга (рис. 016-17, 6).

тей, ведущих в ядро:

обратным, то К1 был бы необходим для активации К2, которая не
происходила бы , так как в нашем примере К2 содержит инакти­
вирующую мутацию .

16-23

торный белок

ответ 16-18

Активация в обоих случаях зависит от белков , которые катализи­
РУют обмен ГДФ на ГТФ на G-белке или белке Ras. В то время как
GPCR непосредственно выполняют эту функцию для G-белков ,
Рецепторы с ферментативной активностью при активации путем

Фосфорилирования собирают множество сигнальных белков в
сигнальный комплекс: один из белков этого комплекса - адап­
торный белок, мобилизующий белок-активатор Ras, выполняю­
LЦий данную функцию для Ras.

-

(1)

внеклеточный сигнал

Rаs-активирующий белок

- Ras -

РТА

-

адап­

МАР-киназа

киназы киназы

- МАР-киназа киназы - МАР-киназа - фактор
(2) внеклеточный сигнал - GPCR - G-белок фосфолипаза С - инозитол-3-фосфат - Са 2 • - кальмодулин СаМ-киназа - фактор транскрипции; (3) внеклеточный сигнал GPCR - G-белок - аденилатциклаза - циклический АМФ -

транскрипции;

протеинкиназа А- фактор транскрипции .
Б. Два примера прямых сигнальных путей , ведущих в ядро :

(1) цитокин - цитокиновый рецептор - JАК-киназа - STAT;
(2) Delta - Notch - отщепленный хвост Notch - транскрипция .

Ответы

703


ОТВЕТ

присоединения а~-тубулина , как на конце собранной микротрубоч ­

16-24

Когда Рl-3-киназа активируется активированным

RTK, она

фос­

форилирует специфический инозитидный фосфолипид плаз­

ки . Таким образом , кольца у-тубулина на центросомах можно рас­
смтаривать ка к постоянно существующие сайты нуклеации .

малеммы. Образующийся фосфорилированный инозитидный
фосфолипид мобилизует к плазмалемме

Akt

и другую протеин­

ОТВЕТ

17-3

Akt.

А. Микротрубочка распадается , поскольку потеряла свой ГТФ- кэп ,

Третья киназа , постоянно связанная с мембраной, также помога­

т. е. все субъединицы на ее конце находились в состоянии, когда

ет активировать Аkt (см . рис . 16-33).

с ними связан ГДФ . ГТФ-содержащие тубулиновые субъединицы

ОТВЕТ

в составе микротрубочки будет короткой

киназу, которая помогает фосфорилировать и активировать

из раствора по-прежнему добавляются к этому концу, но их жизнь

16-25

-

либо из-за того , что

Считается , что многоклеточность у животных и растений возник­

они гидролизуют свой ГТФ, либо из-за того , что они отваливают­

ла в ходе эволюции независимо, а потому у них могли появиться

ся, когда ободок микротрубочки вокруг них разрушается. Однако

разные механизмы межклеточной сигнализации. В то же время

если достаточное количество ГТФ-связанных субъединиц присо­

считается , что клетки животных и растений возникли из общей

единится достаточно быстро , то сформируется новый ГТФ-кэп и

предковой эукариотической клетки , а от нее животные и рас­

прикроет ГДФ-связанные субъединицы на конце микротрубочки ,

тения должны были унаследовать некоторые общие механизмы

что будет благоприятствовать ее росту.

внутриклеточной сигнализации, с помощью которых они реаги­

Б . Скорость добавления ГТФ-тубулина будет выше при высо·

руют на изменения среды обитания.

кой концентрации тубулина . Частота , с которой распадающиеся
микротрубочки будут превращаться в растущие , таким образом ,

Глава

увеличится с повышением концентрации тубулина. Последствие

17

такой регуляции состоит в том , что система самоуравновеши­

вается : чем больше микротрубочек распалось (повысив тем
ОТВЕТ

самым концентрацию свободного тубулина) , тем чаще микро·

17-1

Клетки, быстро перемещающиеся с место на место, такие как

трубочки будут снова начинать расти. И напротив, чем больше

амебы (А) или сперматозоиды (Е), как правило , не нуждаются в

микротрубочек выросло, тем ниже станет концентрация свобод­

присутствии промежуточных филаментов в цитоплазме, так как не

ного тубулина, и скорость добавления ГТФ-тубулина снизится ;

развивают большие тянущие усилия и не подвергаются им. Расти­

в некоторой точке скорость гидролиза ГТФ превысит скорость

тельные клетки (Ж) толкают и тянут ветер и вода, но они противо­

добавления добавление ГТФ-тубулина , ГТФ-кэп распадется , и

стоят этим силам с помощью жестких клеточных стенок, а не цито­

микротрубочка начнет разрушаться.

скелета. Цитоплазма эпителиальных клеток (Б) , гладкомышечных

В . Если присутствует только ГДФ , то микротурбочка будет про ·

клеток (В) и длинных аксонов нейронов (д) богаты промежуточны­

должать разрушаться и в конце концов исчезнет, поскольку ди­

ми филаментами, которые предотвращают их повреждения при

меры тубулина с ГДФ имеют очень низкое сродство друг к другу

растяжении и сжатии во время движения окружающих их тканей.

и не присоединяются к микротрубочкам достаточно стабильно .

Во всех вышеперечисленных эукариотических клетках про­

Г. Если присутствует ГТФ, но его гидролиз невозможен, то ми·

межуточные филаменты есть по крайней мере в ядерной ламине .

кротрубочка будет продолжать расти до исчерпания свободных

Бактерии , такие как

субъединиц тубулина .

ОТВЕТ

Escherichia coli (Г) , лишены и их .

ОТВЕТ

17-2

Два тубулиновых димера имеют более низкое сродство друг к

17-4

Если бы все динеиновые ручки были одинаково активны , не про·

другу (за счет меньшего числа сайтов связывания) , чем тубу­

исходило бы заметного смещения одних микротрубочек относи·

линовый димер к концу микротрубочки (где имеется множество

тельно других, требующегося для изгибания реснички (представь·

потенциальных взаимодействий , как конец-в-конец при образо­

те себе круг из девяти подъемников , каждый из которых старает­

вании протофиламента, так и бок-о-бок с тубулиновыми диме ­

ся оторвать соседей от земли; если это всем удастся , то система
будет левитировать!) . Поэтому лишь некоторые из динеиновых

рами , входящими в состав соседних протофиламентов , распо­

ложенных по периметру микротрубочки). Поэтому при сборке

молеул реснички должны избирательно активироваться на одной

микротрубочки с нуля достаточное число тубулиновых димеров

должны собраться вместе и оставаться связанными друг с дру­

ее стороне . По мере того как они продвигают соседние микротру­
бочки к вершине реснички , она изгибается в сторону, противоп 0 •

гом достаточно длительное время , чтобы другие молекулы ту­

ложную той , где находятся активные молекулы динеина .

булина могли к ним присоединиться. Только когда достаточно

много тубулиновых димеров уже собраны в микротрубочку, под­

ОТВЕТ

держивается присоединение новых субъединиц. Формирование

Любой актин-связывающий белок , стабилизирующий комплексы

исходных « сайтов нуклеации »

из двух или более мономеров актина без блокирования их кон·
цов, требующихся для роста филамента, будет облегчать иници·

-

редкое событие, и оно не проис­

ходит спонтанно при внутриклеточных концентрациях тубулина .
Центросомы содержат предсуществующие кольца у-тубулина

17-5

ацию роста новых филаментов (нуклеацию) .

(в которых субъединицы у-тубулина удерживаются вместе гораздо
более прочными боковыми связями друг с другом, чем способны

ОТВЕТ

формировать а~-субъединицы), к которым могут присоединиться

Только флуоресцентные молекулы актина , собранные в филамент,
будут видны , так как свободные молекулы актина диффундирУ·

димеры а~-тубулина. При этом возникают такие же условия для

704

Основы молекулярной биологии клетки

17-6


ют столь быстро, что создают равномерный слабый фон . Кроме

актинового филамента . Однако тропомиозин связывается с ак­

того, в вашем опыте помечена столь малая доля молекул актина

тиновым филаментом вдоль всей длины , обеспечивая молеку­

(1: 1О ООО) , что на каждый фила мент приходится максимум один
меченый мономер (см . рис. 17-29). Во всей ламеллоподии содер­

лярную « линейку», отмеривающую длину семи актиновых моно­

меров. Локализация тропонина обусловлена его связыванием с

жится множество актиновых филаментов , некоторые из которых

расположенными через равные промежутки концами тропомио­

перекрываются и создают случайный паттерн из пятен актиновых

зиновых молекул .

молекул, каждая из которых маркирует отдельный филамент.

Б. Ионы кальция влияют на развиваемое актомиозиновой систе­

Эта техника (называемая « неравномерной флуоресцен­

мой усилие , только если присутствует и тропонин (связывающий

цией » ) используется для наблюдения за движением полиме ­

ионы кальция) , и тропомиозин (передающий актиновому фила­

Ризованного актина в движущейся клетке . Если рассматривать

менту информацию о том, что тропонин связал ионы кальция).

эту картину во времени , мы увидим, что отдельные светящиеся

(1) Тропонин не может связываться с актином без тропомиозина .

пятна постепенно сдвигаются назад, от лидирующего края к вну­

Актиновые филаменты будут постоянно доступны для миозина ,

тренней части клетки ; движение происходит независимо от того ,

и система будет постонно активна , независимо от того. при­

двигается клетка на самом деле или нет. Попятное движение

сутствуют ли ионы кальция (мышечная клетка в этой ситуации

Происходит из-за того , что актиновые мономеры добавляются

будет постоянно сокращаться , без возможности регулировать

к Филаменту на плюс-конце и теряются с минус-конца , где про­

сокращение) .

исходит деполимеризация (см . рис.

блокирует его взаимодействие с миозином ; система будет по­

17-34,

Б) . В результате мо­

номеры актина «движутся » вдоль актинового филамента

- это

(2)

Тропомиозин свяжется с актином и полностью

стоянно неактивна , вне зависимости от наличия ионов кальция,

явление называется «тредмиллинг». Показано, что тредмиллинг

поскольку кальций не влияет на тропомиозин .

происходит в изолированных актиновых филаментах в растворе ,

сокращаться в ответ на действие ионов кальция.

(3) Система будет

как и в динамических микротрубочках (например , в микротру­

бочках , образующих митотическое веретено) .

ОТВЕТ

17-11

А. Верно . Требуется постоянное движение ЭПС наружу; в отсут­

0ТВЕТ17- 7

ствие микротрубочек ЭПС смещается к центру клетки .

Клетки содержат актин - связывающие белки , собирающие ак­
тиновые филаменты в пучки и сети (см . рис . 17-31 ). Филаменты

вающего физическое разделение двух дочерних клеток , а ми­

ламеллоподий и филоподий тесно связываются с сетью фила­

тотическое веретено, распределяющее хромосомы, состоит из

ментов клеточного кортекса , обеспечивая механическую опору,

микротрубочек .

Б . Верно . Актин нужен для создания сократимого кольца , вызы­

необходимую для деформации клеточной мембраны растущими

В . Верно. Оба выроста ассоциированы с трансмембранными

прямыми филаментами .

белками, которые торчат из плазмалеммы и позволяют клетке
формировать новые точки прикрепления к субстрату.

ОТВЕТ 17-8

Субъединицы действительно удерживаются вместе нековалент­
ными связями, каждая из которых в отдельности слаба, но этих
связей очень много, и они распределены по очень многочис ­
ленным филаментам . В результате напряжение , которое испы­
тьIвает поднимающий тяжести человек , распределено по столь

Г. Неверно . Изгибание вызывает гидролиз АТФ моторными дине­
иновыми белками , которые крепятся к наружным микротрубоч­
кам жгутика.

Д. Неверно . Клетки не могут делиться без перестройки их про­
межуточных филаментов , но многие терминально дифферен­
цированные и долгоживущие клетки, такие как нейроны , имеют

большому числу субъединиц, что сила их взаимодействия не

стабильные промежуточные филаменты, которые, видимо , не

Превышается. По аналогии , человек не может висеть на шелко­
вой ниточке , но может висеть на витой веревке из таких ниточек .

деполимеризуются .

Е . Неверно. Скорость роста не зависит от ГТФ-кэпа. Плюс- и
минус-концы имеют разную скорость роста из-за того, что у них

ОТВЕТ 17.9

совершенно разные сайты связывания для присоединяющихся

Оба типа филаментов состоят из субъединиц в виде белковых

субъединиц тубулина ; скорость добавления тубулиновых субъе­

димеров, части которых удерживаются вместе за счет спираль­
спиральных взаимодействий . Более того, в обоих случаях диме­
Ры nолимеризуются за счет своих спираль-спиральных доменов .

диниц различается на разных концах .

Однако димеры в промежуточных филаментах полимеризуются

выполнения разных функций .

• голова к голове», тем самым образуя филамент, лишенный по­

3. Неверно. Движение миозина активируется либо его фосфори­

лярности, все миозиновые молекулы в одной половине фила­
Мента ориентированы головами в одном направлении. Такая по­
лярность необходима для создания силы сокращения в мышцах .

лированием , либо связыванием кальция с тропонином .

Ж. Верно . Оба случая

-

хорошие примеры того , что одна и та же

мембрана может иметь высокоспециализированные участки для

ОТВЕТ

17-12

Среднее время , за которое малая молекула (такая как АТФ) про­

ОТВЕТ 17-10

ходит расстояние в

А. Последовательно расположенные молекулы актина в актино­

формуле

вом филаменте идентичны по положению и конформации. После
ioro как первый белок (например , тропонин) связался с актино­
вь1м фила ментом , не будет способа , с помощью которого второй

Диффузия белка на такое же расстояние в среднем занимает

белок сможет опознать каждый седьмой мономер оголенного

1с,

1О мкм

путем диффузии, рассчитывается по

(10-3)2 /(2 х 5 х 10-6) = О , 1 с .

а транспортной везикулы

- 1О с.

Везикула будет достигать

конца 30-сантиметрового аксона в среднем за

109 с,

или более

Ответы

705


чем за

30

лет. Эти расчеты демонстрируют, почему в ходе эво­

белок с равной вероятностью прикреплялся бы к филаменту, глR·

люции для транспорта по микротрубочкам возникли кинезин и

дя в сторону обоих его концов .

другие моторные белки .
ОТВЕТ

ОТВЕТ

17-16

Катан ин разрезает микротрубочки в разных точках вдоль их дли·

17-13

Животные клетки гораздо крупнее, более разнообразны по

ны , далеко от ГТФ-кэпов . Образующиеся фрагменты содержат

форме, и у них нет клеточной стенки . Элементы цитоскелета

на свободных концах ГДФ-тубулин и быстро деполимеризуютсR .

(1)

нужны , чтобы обеспечить механическую прочность и сохранение

Поэтому катанин обеспечивает очень быстрое разрушение име·

формы при отсутствии клеточной стенки .

ющихся микротрубочек .

(2)

Клетки животных

и все остальные эукариотические клетки имеют ядро; его фор ­
ма и расположение в клетке контролируются промежуточными

ОТВЕТ

филаментами . Ядерные ламины, прикрепленные к внутренней

Деление клетки зависит от способности микротрубочек полиме·

мембране ядра, поддерживают ее и придают форму ядру, а сеть

ризоваться и деполимеризоваться . Это наиболее очевидно, если

17-17

промежуточных филаментов , окружающая ядро , пронизывает

вспомнить, что для формирования митотического веретена сна·

цитозоль .

чала должны деполимеризоваться другие микротрубочки клетки ,

(3)

В процессе движения животных клеток требуется

изменение их формы . Для этого необходимы актиновые фила­

чтобы высвободился тубулин , необходимый для постройки вере·

менты и миозиновые моторные белки.

(4) Геном клеток животных

тена. Такая перестройка невозможна в клетках, обработанных так­

гораздо крупнее бактериального; он фрагментирован на множе­

солом; а в клетках, обработанных колхицином , деление невозмож·

ство хромосом . При делении клетки необходимо аккуратно рас­

но из-за того, что не может собраться веретено. На более тонком ,

пределить эти хромосомы по дочерним клеткам, для чего требу­

но не менее важном уровне оба яда блокируют динамическую не·

ется работа микротрубочек, образующих митотическое верете­

стабильность микротрубочек и потому препятствуют нормальной

но.

работе веретена, даже если оно может правильно собраться .

В клетках животных имеются внутренние органеллы. Их

(5)

локализация в клетке зависит от моторных белков, двигающих
их вдоль микротрубочек. Замечательный пример

-

движение

ОТВЕТ

17-18

мембранных везикул и других органелл на большие расстояния

Моторные белки двигаются в одном направлении : кинезин

по аксону, достигающему длины

всегда к плюс-концу микротрубочек , а динеин

1м

(если речь идет о нервной

-

-

всегда к минус·

концу. Поэтому, если молекулы кинезина прикреплены к стеклУ,

клетке, тянущейся от вашего спинного мозга до ступни).

только те моторы, которые имеют правильную ориентацию по
ОТВЕТ

отношению к садящимся на них микротрубочкам, могут к ним

17-14

прикрепиться и развивать силу для их продвижения. Так как ки·

Концы промежуточных филаментов неотличимы друг от друга ,

поскольку строятся путем сборки симметричных тетрамеров , со­

незин двигается к плюс-концу микротрубочки , микротрубочка

стоящих из двух взаимно закрученных димеров. Поэтому проме­

будет всегда двигаться по стеклу минус-концом вперед.

жуточные филаменты, в отличие от микротрубочек и актиновых
филаментов , лишены полярности .

моторный белок , прикрепившийся к середине филамента, мог

ОТВЕТ 17-19
А. Стадия А соответствует лаг-фазе , во время которой молекулы
тубулина образуют центры нуклеации ( РИС. 017-19, А) . За нукле·
ацией следует быстрый рост скорости добавления тубулиновых
димеров к концам растущей микротрубочки до выхода на плато
(рис. 017-19, Б). В фазе В достигается равновесие - некоторые

бы почувствовать определенное направление . Такой моторный

микротрубочки в популяции растут, а другие быстро распадают·

ОТВЕТ

17-15

Промежуточные филаменты не имеют полярности ; их концы хи­

мически неразличимы . Поэтому трудно себе представить, как

молекула тубулина

\.

с~ сео

с добавлением

~
Q)

f-"' """ро,рубо,е,

ro ~
:х:

а.

с:;

о

s: ...

а.

\D "

~~
Jj

ф

с:;

1D

fP"

агрегат
~ тубулина

нуклеация

равновесие

":r

о

>-

(А)

центросом

J__

_

(Б)

рост микротрубочки

"

у'

~~
ф

(.)

с:;

о

•

о(.)

:; 1D
\____J
нуклеация

время при

37 ° С
(В)

равновесие

РИС .

706

Основы молекулярной биологии клетки

017-19


ся (рис.

017-19, В) . В данно й точ ке конце нтрация свободного ту­

Глава18

булина постоянна , пос кольку полимериза ция и деполимеразия
уравновеш е ны (см . также вопрос

17-3, с . 524) .

ОТВЕТ

18-1

Б . При добавлении центросом возникают сайты нуклеации , и лаг­
фаза А исчезает, ка к показ ывает красная кривая на рис . 017-19.
Скорость роста ми кротрубочек ( т. е . угол наклона кривой в фазе

деление » относится к делению первой клетки-основательницы,

элонгации , Б) и уровень свободного тубулина в точ ке равнове ­

от которой , видимо, произошло все современные живые орга­

сия не меняются, поскольку присутствие центросом не влияет на

низмы.

Поскольку все клетки возникают при делении других клеток, это
утверждение правильное , если считать, что « первое клеточное

с корость полимеризации и деполимеризации .

18-2

ОТВЕТ

ОТВЕТ 17-20

На пике (Б) клетки содержат в два раза больше ДНК, чем на пике А.

Концы распадающейся ми кротрубоч ки выглядят растрепанны­

Значит, ДНК в них удвоилась , а в клетках на пике А - еще нет. По­

ми , отдельные протофиламенты разделяются и скручиваются по

этому пик А соответствует клеткам на стадии

мере деполимеризации концов. Таким образом , эта микрофото­

на стадии

графия показывает, что ГТФ-кэп ( который при распаде микро­

синтез ДНК ; поэтому в них содержатся разные промежуточные

трубочки утрачивается) обеспечивает правильную связь прото­

количества ДНК , они находятся на участке между двумя пиками .

G2 и

G1, а пик Б -

клеткам

митоза . Клетки в S - фазе начали, но не закончили

Филаментов друг с другом, возможно , усиливая взаимодействия

Большинство клеток находится на стадии

«сторона к стороне» между а~-субъединицами тубулина в свя­

самая длительная фаза клеточного цикла (см . рис .

G1; следовательно,
18-2).

это

занном с ГТФ состоянии .
ОТВЕТ

18-3

ОТВЕТ 17-21

Для многоклеточных организмов контроль клеточных делений

Цитохалазин нарушает образование актиновых микрофиламен­

чрезвычайно важен . Отдельные клетки не должны делиться ,

тов , и его воздействие на клетку показывает важность актина

если зто не приносит пользы целому организму. Стадия

для клеточной локомоции. Эксперимент с колхицином доказы­

спечивает защиту от случайной активации клеточного деления ,

G0 обе­

вает, что микротрубочки нужны для придания клетке полярности,

поскольку на этой стадии система контроля клеточного цикла в

определяющей , на каком из ее концов образуется лидирующи й

основном демонтирована . Если бы клетка просто выдерживала

край (см . рис .

паузу в

17-13).

В отсутствие микротрубочек клетка по­

G1, она содержала бы

все компоненты системы контроля

прежнему проделывает телодвижения , в норме связанные с кле­

клеточного цикла и в любой момент могла быть активирована к

точной подвижностью , например вытягивает ламеллоподии, но в

делению . Такая клетка к тому же должна была бы почти посто­

отсутствие клеточной полярности это пустые усилия, поскольку

янно принимать повторные решения « не делиться » . Чтобы снова

они ненаправленные.

вступить в клеточный цикл из G0 , клетка должна вновь синтезиро­

Антитела прочно связываются с антигеном (в данном слу­

вать все компоненты системы контроля , которые она утратила .

чае - виментином), против которого они получены (см . вклад­
ку 4-3, с. 140- 141 ). При связывании с антигеном антитело может

ОТВЕТ

нарушать его функционирование , мешая нормальному взаимо­

Клетка удвоит свою поврежденную ДНК и передаст мутации

действию антигена с другими компонентами клетки . Таким обра­

двум дочерним клеткам при делении . Такие мутации повысят

зом , на основе эксперимента с введением антител можно предпо­

шансы на то , что потом к и дочерни х клеток в конце концов пре­

лагать , что промежуточные филаменты не нужны для поддержа­

вратятся в раковые .

18-4

ния полярности клетки и не участвуют в механизмах ее движения.
ОТВЕТ

18-5

ОТВЕТ 17-22

Перед инъе кцией ооцит лягушки содержал неактивную

Варианты (б) или (в) - правильные. Прямой результат потен­
циала действия на плазмалемме мышечно й клетки - выход ио­

После инъекции цитоплазмы клетк и, находящейся в М-фазе , не­

большое количество находящейся в ней активной

нов кальция в цитозоль из саркоплазматического рети кулума .

вирует неактивную

Быстрый подъем концентрации Са 2 + в цитозоле вызывает со­

(Cdc 25) , которая удаляет ингибирующие фосфатные группы с
неактивной M-Cdk (см . рис . 18-17). Э кстракт второго ооцита ,

M- Cdk,

M- Cdk.

M-Cdk

акти­

включая а ктивирующую фосфатазу

кращение мышечной клетки . При высоко й концентрации ионы
Кальция связываются с тропонином , который , в свою очередь ,
вызывает движение тропомиозина ; в результате открываются
Миозин-связывающие сайты на актиновых филаментах. Вари ­
анты (а) и (г)- неверные , пос кол ьку Са 2 + не влияет на открепле­

ОТВЕТ

ние миозиновых головок от актина (это - результат гидролиза

Опыт демонстрирует, что кинетохоры не предпочитают опреде ­

АТФ) . Не играют роли ионы кальция и в поддержании структуры
Миозиновых филаментов .

который сам теперь находится в М - фазе , содержит столько же
активной

M- Cdk, что и

исходный экстракт, и так далее .

18-6

ленный полюс веретена ; микротрубочки прикрепляются к ки­
нетохорам , до к оторых могут дотянуться . Однако для того , что ­

бы хромосомы оставались прикрепленными к ми кротрубочке ,

ОТВЕТ 17-23

Только вариант (Г) правильный . При сокращении Z-диски сбли­
)l(аются , а длина актиновых и миозиновых филаментов не умень­
LUается (см . рис . 17-41 и 17-42).

должно возникать натяжение . В норме оно достигается за счет

тянущей силы от двух полюсов веретена. Необходимость тако ­

го натя жения обусловлена тем , что в результате , если обе се ­
стринские х роматиды при к репляются к одному полюсу веретена

Ответы

707


(и натяжения нет) , связь с веретеном одной из них или обеих бу­

ОТВЕТ

дет утеряна , и микротрубочки от другого полюса получать следу­

Поскольку апоптоз происходит в больши х масштабах в тканях

ющий шанс присоединиться правильно .

18-10

как развивающегося, так и взрослого организма , он не должен
запускать сигналы тревоги , в норме связанные с повреждением

ОТВЕТ

клеток . Например , повреждение тканей ведет к высвобождению

18-7

Вспомните (рис .

18-17), что новая ядерная оболочка собирается

сигнальных молекул , которые стимулируют размножение окру­

на поверхности хромосом . Тесное прилегание оболочки к хро­

жающих клеток и заживление раны . Оно также приводит к вы ­

мосомам препятствует попаданию цитозольных белков между

делению сигнальных веществ , которые могут вызвать повреж­

хромосомами и оболочкой. Впоследствии через ядерные поры

дающую ткани воспалительную реакцию . Кроме того, высво ·

избирательно импортируются ядерные белки, и ядро разбухает,

бождение клеточного содержимого может вызвать иммунный

приобретая характерный состав белков .

ответ против молекул , с которыми в норме иммунная система не

ОТВЕТ

бы происходили в ответ на массовую гибель клеток в ходе нор·

сталкивается . Такие реакции были бы саморазрушающими, если

18-8

Мембраны пузырьков, отделившихся от аппарата Гольджи ,

мального развития.

сливаются, образуя часть плазмалемм двух дочерних клеток .
Содержимое пузырьков, заполненных материалом клеточ­

ОТВЕТ

ной стенки, становится новым матриксом клеточной стенки,

Поскольку клеточная популяция растет экспоненциально , уд­

разделяющей две дочерние клетки. Белки мембран этих пу­

ваивая массу при каждом клеточном делении , вес скопления

зырьков становятся белками плазмалеммы. Части белков,

N клеточных делений составит 2N х 10-9 г. Следа·
70 кг (70 х 103 г) =2Nх 10-9 Г, или 2N=7 х 1013, Взяв ло­
гарифм обеих частей, вы можете определить N. Таким образом,
N = lп (7 х 10 13 )/lп 2 = 46; значит, данная масса будет достигнута
уже через 46 дней , если клетки размножаются экспоненциально .

смотревшие внутрь пузырьков , будут обращены к клеточной
стенке ( РИС .
ОТВЕТ

018-8 ).

18-9

У эукариот генетическая информация, необходимая для вы­

18-11

клеток после

вательно ,

Однако клеточное деление у животных жестко контролируется ,

живания и размножения, распределена между многими хро­

и большинство клеток человеческого тела перестают делиться ,

мосомами. Поэтому для каждой дочерней клетки жизненно

становясь высоко специализированными . Пример показывает,

важно получить копию каждой хромосомы при делении. Если

что экспоненциальное размножение клеток случается только в

клетка получит слишком мало или слишком много хромосом ,

течение очень коротких отрезков времени, даже во время эм·

эффект будет вреден или даже смертелен . При клеточном ци­

брионального развития.

кле с митозом образуется только по две копии каждой хромо­
сомы. Если клетка при делении будет распределять хромосо­

ОТВЕТ

мы случайным образом, то крайне маловероятно , что каждая

Яйцеклетки многих животных крупные и содержат достаточные

дочерняя клетка получит в точности по одной копии хромосом.

для многих делений запасы клеточных компонентов . Дочерние

Напротив, аппарат Гольджи распадается на мелкие пузырьки,

клетки, образующиеся в ходе первых клеточных делений после

18-12

и все они похожи друг на друга , и при случайном распреде­

оплодотворения , прогрессивно уменьшаются в размерах и по·

лении весьма вероятно , что каждая дочерняя клетка получит

тому могут формироваться без нового синтеза белков или РНК.
В то время как нормальные клетки постоянно растут в течение

примерно равное их количество .

фаз

G1, S и G2,

пока их размер не удвоится, при ранних деле·

ниях дробления роста клеток не происходит, а периоды
G 2 практически отсутствуют. Поскольку

G1 обычно длиннее ,

G1 и
чем

G2, этот период сокращается при делениях дробления особен·
но резко.
плазмалемма

ОТВЕТ

чекпойнта (опосредуемый р53 и р21 ; см . рис . 18-16), который

слияние пузырьков

·~ - .
бмо, J_!

дочерняя клетка

останавливает клеточный цикл до починки ДНК .

Б . Клетка удвоит поврежденную ДНК и потому передаст мутацию
В . Клетка сможет нормально делиться , но будет подвержена му·

тациям, поскольку какой-то уровень повреждений ДНК наблю·
дается всегда из-за естественных источников излучения , напри·
дочерняя клетка

с плазмалеммой

708

1

дочерним клеткам в ходе деления .

слияние пузырьков

РИС.

18-13

А. Радиация вызывает повреждения ДНК , активируя механизм

клеточная стенка

018-8

Основы молекулярной биологии клетки

2

мер, космических лучей . Контрольный механизм, опосредуемый

р53, нужен в основном как «страж генома» для защиты от вред·

ных воздействий накапливающихся повреждений ДНК , а не для
прогрессии клеточного цикла в неповрежденных клетках .

Г. У людей клеточные деления происходят постоянно, а не пре·

кращаются с наступлением половозрелости, так как необходимы


для выживания. Например , клетки кожи или клетки выстилки ки­

активации АРС, который убиквитинирует циклин, но с заметной

шечника постоянно образуются путем клеточных делений , чтобы

отсрочкой . Как говорилось в гл .

Удовлетворить потребности тела ; только эритроцитов в вашем

ки для последующей деградации в протеасомах.

7, убиквитинирование метит бел­

теле ежедневно образуется около 1О 11 •
ОТВЕТ

18-16

ОТВЕТ 18-14

М-циклин постепенно накапливается по мере его постоянного

А. Только клетки, которые были в S-фазе клеточного цикла (т. е.

синтеза . По мере накопления он будет формировать комплек­

клетки, синтезирующие ДНК) во время 30-минутного периода

сы с молекулами митотических

внесения метки, будут содержать радиоактивную ДНК.

ке . Когда достигается некоторый порог, образуется достаточ­

Б . Исходно митотические клетки не содержат радиоактивной
ДНК, так как в них не было синтеза ДНК в период мечения . В дей­

фосфатазами. После активации

ствительности пройдет около двух часов до появления первых

активирующей фосфатазы; эта положительная обратная связь

но

M-Cdk,

Cdk, присутствующими

в клет­

которые активируются подходящими киназами и

M-Cdk

повышают активность

меченых митотических клеток .

ведет к взврывообразной активации

В. Исходный подъем кривой соответствует клеткам, только что

Таким образом, накопление М-циклина действует как медлен­

закончившим удвоение ДНК в момент добавления меченого ти ­

но горящий запал, который в конце концов помогает запустить

мидина . Кривая поднимается по мере того , как все больше ме­

взврывообразную активацию

ченых клеток вступают в митоз . Пик соответствует клеткам , всту­

М-циклина ведет к инактивации

пившим в S-фазу в момент добавления радиоактивного тими­

унд накопления М-циклина .

M-Cdk

(см. рис .

18-18).

M-Cdk. Быстрое расщепление
M-Cdk, и начинается новый ра­

дина . Затем меченые клетки проделывают митоз и замещаются
немечеными митотическими клетками, которые еще не вступили

ОТВЕТ

18-17

в S-фазу во время мечения . Через двадцать часов кривая снова

Правильная последовательность

идет вверх , поскольку меченые клетки приступают ко второму

пять стадий называются митозом (е) . Ни на одну из стадий ми­

Раунду делений.

тоза фазы луны (д) не влияют. Цитокинез

Г. Исходный двухчасовой лаг-период до появления первых мече ­

М-фазы, перекрывающаяся с анафазой и телофазой. И митоз , и

ных митотических клеток соответствует G -периоду- промежут­

цитокинез

2

-

-

ж, в , б , а и г. Все вместе эти

-

последняя стадия

части М-фазы .

ку между концом S-периода и началом митоза. Первые меченые

клетки , вступившие в митоз

это те клетки, что в момент добав­

-

ОТВЕТ

18-18

ления меченого тимидина завершали S-период (синтез ДНК).

Если скорость роста микротрубочек одинакова в митотических

ответ 18-15

жизни . Таким образом, средняя длина микротрубочек во время

Утрата М-циклина ведет к инактивации M-Cdk. В результате бел­
ки-мишени M-Cdk дефосфорилируются фосфатазами, и клетки
выходят из митоза - в них разбирается митотическое веретено .

митоза
ОТВЕТ

восстанавливается ядерная оболочка, деконденсируются хро­

Как показано на РИС.

мосомы и т. д . М-циклин деградирует путем убиквитин-зависи­

межполюсных микротрубочек противоположных полюсов вере­

мого расщепления в протеасомах, а активация

тена смотрят в противоположные стороны. Движущиеся к плюс-

и в интерфазных клетках , то их длина пропорциональна времени

M-Cdk

ведет к

- 1 мкм(= 20 мкм х 15 с/300 с).

18-19
018-19 , плюс-концы перекрывающихся

+

+
+

полюса
веретена

перекрывающиеся межполюсные

микротрубочки митотического веретена

!

+

+

+
+
+

движущиеся к плюс-концам

моторные белки

РИС .

018-19

Ответы

709


концам моторные белки связ ывают соседние антипараллельные

ОТВЕТ 18-22

микротрубочки и раздвигают их , так что полюса веретена рас ­

Обе сестринские хроматиды могут оказаться в одной дочер­

талкиваются , как показано на рисунке. Движущиеся к минус ­

не й клетке по ряду причин .

концам моторные белки также соединяют антипараллельные

диняющие и х с кинетохором структуры разорвались во вр е мя

микротрубочки , но двигаются в противополож ном направлении ,

анафазы, обе сестринские хроматиды могут попасть к одному

сближая полюса веретена (не показано).

полюсу, и поэтому попадут в одну дочернюю клет ку.

( 1)

Ес ли микротрубочки или сое­

(2)

Если

микротрубочки от одного полюса верете на при крепились к
ОТВЕТ

обоим к инетохо рам , х ромосома будет притянута к этому по ­

18-20

Сестринские хроматиды вовлекаются в процесс , когда микро­

люсу.

трубочка от одного из полюсов веретена прикрепляется к кине­

градировали , пара х роматид мо жет попа ст ь к одному полюсу.

(3)

Если ко гезины , связывающие две хроматиды , не де ­

тохору хроматиды . Прикрепление микротрубочки обратимо до

(4)

тех пор , пока вторая микротрубочка от противоположного по­

трубочкам и осталась вне веретена , то она тоже может попасть

люса веретена не присоединится к кинетохору сестринской хро­

целиком в одну дочернюю клет к у.

Если удвоенная х ромосома так и не прикрепилась к микро ­

матиды и удвоенная хромосома не начнет испытывать механи­

Некоторые из подобных ошибок в ходе митоза должны акти ­

ческое натяжение из-за тянущей силы от двух полюсов . При на­

вировать проверочный механ изм , задерживающий наступление

личии натяжения обе микротрубочки остаются при крепленными

анафазы до момента, когда все х ромосомы правильно прикре­

к хромосоме. В зависимости от положения хроматиды в клетке

пятся к обоим полюсам веретена . Такой « контрольно-пропуск­

в момент распада ядерной оболочки хроматида будет двигаться

ной пункт сборки веретена» позволяет исправить большинство

к определенному полюсу веретена

ошибок прикрепления х ромосом , и это одна из причин того, что

-

с большей вероятностью к

тому, в сторону которого она была обращена в момент прикре­

подобные ошибки редки .
Последствия попадания двух сестрински х х роматид в одну

пления к веретену.

клетку обычно печальны. Одна из дочерних клеток будет вклю­
ОТВЕТ

чать только одну копию всех генов , содержащихся в данной х ро­

18-21

До сих пор неясно, как это работает. В принципе возможны

мосоме , а другая

две модели , объясняющие , как кинетохор может создавать

к соответствующим изменениям количества иРНК и белковых

тянущее усилие , направляющее хромосому к полюсу во вре­

продуктов, часто губительно для клетки . К тому же существует

мя анафазы А ( РИС .

018-21 ). На (А) показано, что моторные

микротрубочковые белки

-

это часть кинетохора; используя

-

три копии. Изменение дозы генов, ведущее

вероятность , что единственная копия х ромосомы содержит де­

фе ктный ген, выполняющий важную функцию; в норме это ком­

энергию АТФ , они тянут хромосому вдоль микротрубочек , с

пенсировалось бы наличием нормальной копии данного гена на

которыми та связана . Деполимеризация микротрубочки на ее

другой хромосоме, которая теперь отсутствует.

кинетохорном конце

-

результат этого движения . На (Б) пока­

зано , что движение хромосомы

-

следствие разборки микро­

ОТВЕТ

18-23

трубочки , которую катализируют ферменты, использующие

А. Верно . Центросомы удваиваютс я во время интерфазы , до на­

энергию гидролиза АТФ для удаления субъединиц тубулина

чала М-фазы .

с прикрепленного конца микротрубочки . По мере отделения

Б . Верно . Сестринские хроматиды полностью разделяются толь­

субъединиц тубулина кинетохор дол же н скользить вдоль ми­

ко в начале анафазы.

кротрубочки, чтобы сохранить связь с ее стенкой . Возможно,

В. Неверно. Концы межполюсных микротрубочек перекрываются

используются оба механизма , но современные данные гово­

и прикрепляются друг к другу с помощью белков (в том числе мо­

рят скорее в пользу модели (Б).

торных) , образующих между ними мостики.
направление

направление

движения

движения

хромосомы

хромосомы

АТФ-з ависимый
фермент, удаляющий

АТФ-зависимый моторный
белок , движущийся по

микротрубочке

субъединицы тубулина

~

хромосома

хромосома

(А)

РИС .

71 О

(Б)

АТФ-зависимое движение хромосомы
вызывает разборку микротрубочки

Основы молекулярной биологии клетки

0 18-21

разборка микротрубочки


Г. Неверно . Микротрубочки и их моторные бел ки не играют ника­

Кроме того, для активации комплекса циклин-Сdk требуется

кой роли в удвоении ДНК .

фосфорилирование по специфичному сайту и дефосфорилиро­

д . Неверно. Для того , чтобы утверждение было правильным , тер ­

вание по другим сайтам.

мины « центромера » и « центросома » нужно поменять местами .
ОТВЕТ

ОТВЕТ 18-24

18-27

Клетки животных должны вести себя так, чтобы приносить пользу

Антитела прочно связываются с антигеном (в данном случае -

целому организму в гораздо большей степени , чем люди обычно

миозином) , против которого они получены. Связавшись, антите ­

стремятся приносить пользу всему обществу. Антисоциальное

ла могут нарушать функционирование антигена, предотвращая

поведение в составе организма будет приводить к утрате нор­

его правильные взаимодействия с другими компонентами клет­

мальной организации и раку. Многие правила, которым повину­

ки. (А) Движение хромосом в анафазе зависит от микротрубочек

ются клетки , будут неприемлемыми для человеческого обще­

и их моторных белков и не зависит от актина и миозина . Поэтому

ства. Например , большинство людей не захотят убивать себя

введение в клетку антител против миозина не повлияет на дви­

ради блага общества, а наши клетки делают это постоянно .

жение хромосом в анафазе. (Б) С другой стороны , цитокинез за­
висит от сборки и сокращения кольца из актиновых и миозино­

ОТВЕТ

вых филаментов, которое формирует борозду деления , разделя­

Наиболее вероятный путь к успеху (если можно считать успехом

ющую клетку надвое. Поэтому введение антител против миозина

достижение поставленной цели)

блокирует цитокинез.

привести к увеличению числа клеток. Проблема состоит в том,

18-28

-

это план В, который должен

что число клеток разных тканей должно увеличиваться пропор­

ОТВЕТ 18-25

ционально, чтобы сохранился их баланс в организме; при этом

Плазмалемма клетки на рис . 18-38, А, погибшей путем некроза,

разные клетки реагируют на разные факторы роста. Как показа­

Разорвана; четко видна брешь, например в направлении

но на РИС .

12 ч

на

018-28, этот

подход , однако, действительно привел

циферблате. Клеточное содержимое , в основном остатки мем­

к некоторому успеху. Мышь, в организме которой производится

бран и цитоскелета , вытекает наружу через эти разрывы . Цитозоль

в очень больших количествах гормон роста (слева) , стимулиру­

светлоокрашенный, так как большинство растворимых компонен­

ющий секрецию тканеспецифичных белков, действующих как

тов клетки утеряны до фиксации. Клетка, претерпевшая апоптоз

факторы роста , факторы выживания и митогены, достигла почти

(Рис . 18-38, Б), напротив , окружена интактной мембраной, а ее

вдвое больших размеров , чем нормальная мышь (справа). Одна­

цитозоль темноокрашенный, что говорит о нормальной концен­

ко для достижения этого двукратного увеличения размеров при­

трации клеточных компонентов . Однако внутренности клетки явно

шлось добиться пятидесятикратного увеличения производства

отличаются от нормальных . Особенно характерны крупные « пузы­

гормона роста. И обратите внимание, что мышь при этом не до­

ри » , выпячивающиеся на поверхности ядра, видимо, в результате

стигла даже размеров крысы, уж не говоря о собаке.

Распада ядерной ламины. Цитозоль также содержит множество

Другие подходы столкнутся с принципиальными сложностями.

крупных, округлых , окруженных мембраной пузырьков неизвест­

(А) Полное ингибирование апоптоза приведет к дефектам в раз­

ной природы , которые в здоровых клетках отсутствуют. Картинки

витии , так как при нормальном развитии крысы происходит из­

иллюстрируют положение о том, что при некрозе происходи лизис

бирательная гибель многих клеток . Маловероятно, что будет по­

клетки. а при апоптозе клетки остаются относительно интактны­

лучено жизнеспособное животное.

ми , пока их не фагоцитируют и не переварят другие клетки.

(Б) Блокирование р53 элиминирует важный чекпойнт клеточного

цикла, позволяющий обнаружить повреждения ДНК и остановить

ответ 10-26

А . Неверно . Не существует перехода от G1 к М-фазе. Однако в
отношении перехода от G1 к S-периоду утверждение правильное;

в этот момент клетки коммитируются к прохождению клеточного
цикла .

Б . Верно . Апоптоз - активный процесс, в котором участвуют
особые протеазы (каспазы) .

В. Верно. Считается , что этот механизм обеспечивает соответ­
ствие между числом нейронов и числом специфичных клеток­

Мишеней , с которыми они соединяются.

Г. Верно . Удивительный эволюционный консерватизм!
д. Верно . В таких исследованиях используют так называемые ус­
ловные мутации , ведущие к появлению белков, обычно стабиль­
ных и нормально работающих при одной температуре , но неста­

бильных или неактивных при другой температуре. Клетки можно
выращивать при температуре, когда мутантный белок нормально

Функционирует, а затем можно перенести в такие температур­
ные условия , где функция мутантного белка утрачивается.

Е:. Верно. Соединение белка Cdk с циклином необходимо для его
активации (отсюда его название - циклин-зависимая киназа) .

С разрешения

РИС .

Ralph Brinster

018-28

Ответы

711


цикл, позволяя клетке репарировать повреждения . Удаление р53

генных пулов при половом размножении, и поэтому для гамет

повысит темп мутаций и приведет к раку. Действительно , мыши

выгоден немного разный состав генома. С другой стороны,

без р53 обычно развиваются нормально , но в раннем возрасте

роль соматических клеток

умирают от ра ка.

жа щего одинаковые гены во всех клетках, причем в каждой

(Г) С учетом всех обстоятельств смена профессии может ока­

клетке присутствует и отцовская , и материнская генетическая

заться неплохим вариантом.

информация .

ОТВЕТ

ОТВЕТ

18-29

Индуцированное, ограниченное выделение

PDGF в области раны

-

построение организма , содер·

19-2

Как правило , у женщины за всю ее жизнь образуются не более

запускает клеточное деление окружающих клеток на ограничен­

1ООО зрелых яйцеклеток (12 в год в течение примерно 40 лет), что

ное время, пока

составляет менее одной десятой процента от возможного чис·

PDGF

не разрушится. Эта ситуация отличается

от постоянного выделения

ла гамет (не считая эффектов мейотического кроссинговера).

дящими

У мужчин в норме в течение жизни образуются миллиарды спер­

того,

матозоидов , так что каждая из возможных хромосомных комби·

PDGF мутантными клетками, произво­
PDGF неконтролируемо и в больших количествах. Кроме
производящие PDGF мутантные клетки часто аномально

экспрессируют собственные рецепторы к нему, так что они мо­

наций выпадает много раз.

гут стимулировать собственное размножение, способствуя тем
ОТВЕТ

самым развитию рака.

19-3

Для простоты рассмотрим случай, когда отец несет гены двух
ОТВЕТ

доминантных признаков , Ми

18-30

из двух копий хромосо·

Все три типа мутантных клеток не смогут делиться . Клетки

а) вступят в митоз, но не выйдут из него;

цах хромосомы, и было бы одно и только одно событие кроссин­

б) остановятся на стадии

говера на хромосому, как постулируется в вопросе, то половина

G1, так как действующие в G1 комплексы

1. Если

N, на одной

мы

бы эти два гена находились на противоположных кон­

циклин-Сdk будут инактивированы;

его детей имела бы признак М, а другая половина - признак N;

в) не смогут активировать транскрипцию генов , необходимых для

детей , как и их отец обладающих обоими этими признаками , не

клеточного деления , поскольку нужные факторы транскрипции бу­

было бы . Эта ситуация сильно отличается от реальной , когда на

дут постоянно инактивированы нефосфорилированным

Rb.

каждой хромосоме происходит несколько событий кроссингове·

ра, в результате чего признаки Ми
ОТВЕТ

N наследуются , как если бы они

находились на разных хромосомах. Нарисовав решетку Пеннета,

18-31

При алкоголизме клетки печени размножаются из-за того , что

подобную изображенной на рис.

орган перегружен, и клетки повреждаются большим количе­

более реалистичном случае следует ожидать, что у четверти де·

19-23, можно понять,

что в этом

ством алкоголя, который нужно перерабатывать. Эта потреб­

тей, как у отца, оба признака будут доминантными , одна четверть

ность в большем числе клеток печени включает механизмы

унаследует только признак М, одна четверть - только признак N,

контроля, в норме регулирующие клеточную пролиферацию .

и одна четверть не унаследует ни одного из этих признаков .

Если нет тяжелых повреждений и массы рубцов из соедини­
тельной ткани, печень обычно уменьшается до нормальных

ОТВЕТ

размеров, когда пациент перестает злоупотреблять алкого­

При инбридинге появляются особи, гомозиготные по боль·

лем . При раке печени, напротив, мутации нарушают нормаль­

шинству генов. Чтобы понять , почему это так , рассмотрим

19-4

ный контроль клеточной пролиферации . В результате клетки

крайний случай инбридинга

продолжают делиться неконтролируемо , что обычно приводит

страми (как в династиях египетских фараонов) . При таких бра·
ках из -за близкого родства родителей высока вероятность, что

к летальному исходу.

-

браки между братьями и се·

отцовский и материнский аллели , унаследованные потомком ,
окажутся одинаковыми. Инбридинг, продолжающийся в тече­

Глава
ОТВЕТ

19

ние многих поколений, приводит к появлению особей , похожих

друг на друга и гомозиготных практически по всем генам. Из·
за вероятностного характера наследования велик шанс , что

19-1

Хотя каждая дочерняя клетка заканчивает первое деление

некоторые вредные аллели при этом закрепятся в популяции ,

мейоза с двойным количеством ДНК (2с) , каждая клетка со­

из-за чего приспособленность всех особей будет пониженной .

держит только гаплоидное число хромосом (двуххроматид­

В другой, отдельной инбредной популяции развитие событий

ных) , по одной из каждой пары гомологов (несколько « переме­

будет сходным, но повысится частота другого набора вредных

шавшихся » в результате кроссинговера) . Поскольку отцовская

мутаций. Когда особи из двух отдельных инбредных популяций

и материнская хромосомы данной пары несут разные вариан­

скрещиваются между собой, их потомки наследуют, например ,

ты многих генов, дочерние клетки не будут генетически иден­

от матери вредные мутации А , Б и В, но получат от отца нор·

тичными; каждая из них утратила либо отцовскую, либо мате­

мальные аллели этих генов; а от отца они, наоборот, унаследУ·

ринскую хромосому каждой из пар . Напротив , соматические

ют вредные аллели генов Г, Д и Е , зато получат хорошие аллели

клетки , делящиеся митозом, содержат диплоидный набор

этих генов от матери. Большинство вредных мутаций рецес·
сивны . Таким образом , потомки, гетерозиготные по всем та­

хромосом, и все дочерние клетки генетически идентичны и на­

следуют как отцовскую, так и материнскую копии гена . Роль

ким генам , избегнут их вредного эффекта, наблюдающегося

гамет, образующихся при митозе,

у родителей.

712

-

смешение и перетасовка

Основы молекулярной биологии клетки


ОТВЕТ 19-5
Хотя любое из трех объяснений может в принципе соответство­

как разделились сестринские хроматиды. Другой вариант с тем же

результатом возможен, если к обоим кинетохорам хромосомы при­

вать наблюдаемому результату, варианты А и Б можно исключить

крепятся микротрубочки от одного полюса веретена . В результате

как совершенно неправдоподобные.

этой грубой и редкой ошибки одна дочерняя клетка будет содер­

А . Не существует прецедентов столь большой нестабильности
ДНК, чтобы ее можно было обнаружить с помощью такого анализа

жать только по одной копии всех генов, которые несет эта хромосо­

SNP. В любом случае, гипотеза предсказывает постепенное сни­
жение частоты SNP с возрастом , а не резкое ее падение в 50 лет.

ответствующим изменениям количества иРНК и белковых продук­

тов , часто губительно для клетки. Если ошибка произошла во время

Б. Генетический состав человеческих популяций меняется во

мейоза , в процессе формирования гамет, она будет передана всем

времени очень медленно (кроме случаев , когда массовая мигра­

клеткам будущего организма. Например, одна из форм умствен­

ма, а другая

по три копии . Изменение дозы генов, ведущее к со­

-

ция создает приток генетически отличающихся особей) . Люди ,

ной отсталости

Родившиеся

21-й хромосомы во всех ядросодержащих клетках тела .

50 лет назад,

в среднем практически не будут отли­

-

синдром Дауна - связана с наличием трех копий

чаться по генотипам от тех , что рождаются в наши дни.

В. Эта гипотеза правильная. SNP с такими свойствами использова­

ОТВЕТ

ли для обнаружения гена , который, как оказалось, вызывает значи­

Перед началом мейоза ДНК удваивается и образуется тетрапло­

тельное повышение риска смерти от сердечных заболеваний.

идная клетка , содержащая по четыре копии каждой хромосомы

ОТВЕТ 19-6

идными. В тетраплоидной клетке могут присутствовать четыре

Одного естественного отбора недостаточно, чтобы элиминиро­

аллеля одного гена; в клетке с удвоенными хромосомами, всту­

19-9

[распространенная ошибка

-

называть такие клетки тетрапло­

вать рецессивные летальные гены из популяции. Рассмотрим сле­

пающими в мейоз , их всегда только два, и содержится по че­

дующую логическую цепочку. Гомозиготные особи с летальным

тыре копии каждой хроматиды , но только по две гомологичных

Фенотипом могут появиться только в потомстве от скрещивания

хромосомы .

двух гетерозигот. В соответствии с законами Менделя , среди по­

в результате двух последовательных делений попадет в четыре

Прим. перев. ] . По одной из этих четырех копий

-

томков от такого скрещивания будет наблюдаться расщепление

гаплоидные клетки. Сестринские хроматиды в первом деле­

1 нормальная гомозигота : 2 гетерозиготам : 1 гомозигота поле­

нии остаются спаренными, так что

тальному аллелю . Итак, гетерозигот в силу характера наследова­

первом делении, получают по полному набору хромосом и

ния всегда будет больше, чем гомозигот с летальным признаком.

хромосомы могут поровну распределиться во втором делении.

(1)

клетки , образующиеся в

(2)

И хотя естественный отбор успешно элиминирует вредные гены

Если бы сестринские хроматиды не оставались спаренными,

гибнущих гомозиготных особей, он не затрагивает вредные гены

то во втором делении было бы невозможно определить, какие

гетерозигот, поскольку они не проявляются в фенотипе. Есте­

из хроматид принадлежат одной хромосоме, и сложно достичь

ственный отбор будет поддерживать низкую частоту летальных

того , чтобы ровно по одной копии каждой хроматиды попадало

генов в популяции , но в отсутствие каких-либо иных факторов их

в дочерние клетки . Удержание вместе двух хроматид в первом

Резерв всегда будет сохраняться в генотипах гетерозигот.

делении

-

простой способ определить , что они идентичные .

При низкой частоте летального гена на его судьбу оказывает

Биологические принципы подсказывают, что имеет смысл

влияние другой важный фактор - случайность. Случайные изме­

скреплять носки перед загрузкой в стиральную машину, чтобы

нения могут повысить или понизить процент гетерозигот (и , та­

не перепутать пары . Таким способом можно в дальнейшем избе­

ким образом, частоту летального аллеля) . Случайно все потомки

жать обременительного процесса их сортировки и, по-видимому,

от с крещивания двух гетерозигот могут оказаться нормальными .

неминуемых ошибок в ходе этого процесса.

что вызовет исчезновение летального аллеля из данной линии.

Повышению частоты летального аллеля препятствует естествен­

ОТВЕТ

ной отбор; однако понижению ничего не препятствует, и по воле

А. Ген

случая летальный ген может исчезнуть из популяции. С другой

РНК . Аллели

стороны , постоянно появляются новые мутации , хотя и с низкой

часто присутствует несколько « нормальных » аллелей, функцио­

скоростью , и из-за них появляются новые копии вредного рецес­

нирование которых неразличимо. В дополнение к этому может

сивного аллеля . В большой популяции будет достигнуто равно­

присутствовать множество редких аллелей , в различной степе­

19-10

-

отрезок ДНК, кодирующий белок или функциональную

-

альтернативные варианты гена. В популяции

весие между появлением новых копий аллеля за счет мутаций и

ни дефектных . Особи диплоидных организмов, однако , в норме

их исчезновением за счет гибели гомозигот.

имеют максимум два разных аллеля одного гена.

ОТВЕТ 19-7
А . Верно .

вых аллеля данного гена , гетерозиготной

Б. Особь называют гомозиготной, если она имеет два одинако­

-

если два аллеля дан­

ного гена у нее разные.

Б . Верно.

В . Генотип

В. Неверно . Мутации , возникающие в ходе мейоза, могут насле­

ном особи. Это список всех конкретных форм всех генов в ге­

-

специфический набор аллелей, формирующих ге­

доваться , если только они не приводят к появлению нежизнеспо­

номе. На практике для лабораторных объектов генотип обычно

собных гамет.

определяется как список известных отличий особи от «дикого
типа »

ОТВЕТ 19-8

-

стандартного, чаще всего встречающегося в природных

условиях варианта. Фенотип

-

это описание реальных характе­

две копии одной и той же хромосомы могут оказаться в одной до­

ристик особи. На практике фенотипом обычно называют пере­

черней клетке, если одна из микротрубочек разорвалась до того,

чень различий в признаках особи и дикого типа.

Ответы

713


Г. Аллель А называется доминантным (по отношению к аллелю

ОТВЕТ

а) , если наличие даже одной копии данного аллеля влияет на

Индивид

фенотип , т. е . если гетерозигота (с генотипом Аа) отличается от

той по нормальному аллелю

19-13

1 может быть либо гетерозиготой ( +/- ) , либо гомозиго­
(+/+ ). (Оба родителя дол жны быть

гомозигот аа . Аллель а рецессивен (по отношению к другому ал­

гетерозиготами , та к как у ни х есть гомозиготный по мутантно­

лелю А) , если присутствие одной его копии не влияет на фено­

му аллелю ребенок) . Индивид

тип , т. е . гетерозиготы Аа не отличаются от гомозигот М. Если

рецессивному аллелю глухоты( -/- ). Индивид

фенотип гетерозигот отличается от фенотипов обеих гомози­

няка гетерозигота

(+/- )

2 должен

быть гомозиготой по

3-

почти навер­

и отвечает за передачу рецессивного

гот, говорят, что наблюдается кодоминирование [если фенотип

аллеля своим детям и внукам . С учетом того что рецессивны й

строго промежуточный (например, розовая окраска при красной

аллель редок, индивид

и белой окраске двух гомозигот) , часто говорят о неполном до­

мальному аллелю

минировании .

-

скорее всего , гомозиготен по нор ­

Прим. перев . ] .
ОТВЕТ

ОТВЕТ

4-

(+/+).

19-14

Ваш друг ошибается . (А) Законы Менделя и современное ясное

19-11

А . Поскольку растения гороха диплоидны , любое гомозиготное

понимание механизмов, лежащих в основе их выполнения, за­

растение должно нести две мутантных копии одного гена , утра­

ставили отказаться от многих ложных идей, касающихся наслед­

тивших свою функцию.

ственности человека . Одна из них состоит в том , что перворож­

Б . Нет, сходный фенотип часто наблюдается при нескольких раз­

денный ребенок имеет иные шансы унаследовать определенные

ных генотипах .

признаки от своих родителей , чем его браться и сестры . (Б) Веро·

В . Если все растения несут мутации в разных генах, это можно

ятность появления такого потомства

обнаружить при помощи комплементационного теста (см . вклад­
При скрещивании растения А с растением Б у

или 1/ 64 для трех поколений . (В) Данные по большей выборке чле­
нов семьи или по большему числу поколений быстро покажут, что

будут только круглые семена . Тот же результат

регулярная картина наследования , выявленная при анализе этой

ку

19-1,

с.

603).

всех потомков

F,

-

¼для каждого поколения ,

получится при скрещивании растения Б с растением В и расте­

родословной

ния А с растением В. Напротив , скрещивание любых двух гомо­

если бы он имел высокую статистическую достоверность, говорил

зиготных растений , несущих мутацию с потерей функции в од­

бы о действии отбора: например, родители , чей первый ребенок

ном и том же гене (даже если это разные мутации) даст только

был болен , могли регулярно использовать скрининг при следУЮ·

потомство с морщинистыми семенами .

щих беременностях и избирательно прерывать те беременности ,

-

случайность . (Г) Противоположный результат,

при которых плод также имел данную мутацию . В таком случае
ОТВЕТ

меньшее число последующих детей имели бы данную аномалию.

19-12

А. Вероятно, мутация доминантная, поскольку примерно по­

ловина потомства больного родителя глухи в каждом из трех

ОТВЕТ19-15

браков со слышащими супругами . Маловероятно , что все эти

Каждый носитель

три партнера были гетерозиготными носителями данной му­

яйцеклеток несут плохой аллель . При браке двух носителей ве·

тации .

роятность того, что ребенок унаследует плохие аллели от обоих

-

гетерозигота , и

50% их

Б . Мутация аутосомная . Если бы ген располагался на половой

родителе и умрет - 25%. Поскольку носители

хромосоме, то признак проявился бы либо только у потомства

брак двух носителей

-

это один брак из

сперматозоидов и

- каждый сотый , то
1О ООО (100 х 100), если

женского пола (если бы мутация возникла на Х-хромосоме

допустить, что выбор партнеров случаен . Поэтому при прочих рав­

деда), либо только у потомков мужского пола (если бы мутация

ных один ребенок из

возникла на У-хромосоме деда) . В действительности же анализ

или

40 ООО будет рождаться с данным дефектом ,
25 детей в год из общего числа в миллион родившихся.

родословной показал, что некоторые потомки как женского, так
и мужского пола унаследовали мутантную форму гена .

ОТВЕТ

В . Предположим , что мутация присутствовала на одной из двух

Доминантно-негативные мутации приводят к появлению генного

копий дедушкиной хромосомы

12.

Каждая из двух хромосом

12-й пары несет своеобразный набор

SNP, так как одна из них
- от матери . Каждая из

19-16

продукта , который мешает работе нормального генного продУК­

та и дает фенотип с потерей функции гена даже в присутствии

копий 12-й хромосомы , переданной внукам , прошла через два

его нормальной копии . Способность единственного дефектного
аллеля определять фенотип - причина , по которой такие аллели

мейоза

доминантны . Мутация с избытком функции повышает активность

была унаследована от отца , а другая

-

по одному мейозу на поколение .

Поскольку за время мейоза на хромосоме происходит два­

гена или делает его активным в неподходящих обстоятельствах .

три события кроссинговера, на каждой из унаследованных вну­

Изменения активности часто влияют на фенотип, и поэтому та·

ками хромосом должно было произойти порядка пяти кроссин­

кие мутации обычно доминантны .

говеров после передачи от деда, т. е. они разделились на шесть

фрагментов . Идентичный паттерн

SNP

будет окружать ген , вы ­

звавший глухоту у любого из четырех внуков . Кроме того, этот
паттерн будет иным у каждого из семи нормальных внуков . Эти

- каждый протя­
1/6 хромосомы 12. Каждый внук унасле­
дует от деда четверть своей ДНК в виде примерно 70 фрагмен­
тов, рассеянных по 46 хромосомам внуков .
SNP

образуют необычно длинные гаплотипы

женностью примерно в

714

Основы молекулярной биологии клетки

ОТВЕТ

19-17

Это утверждение в целом верное. Диабет

- одна из первых опи·

санных болезней, известная по крайней мере со времен Древней
Греции . Самоназвание диабет происходит от греческого слова,

означающего «сифон » , в соответствии с главными симптомами :
« Болезнь была названа диабетом , так как считалось . что она по·
добна сифону и превращает тело человека в трубу для перека·


БЕЛОГЛАЗАЯ

М УХА С РУ БИНОВЫМИ

МУХА

ГЛАЗАМИ
локус гена

ло кус гена

локус ге на

локус гена

белых глаз

рубиновы х глаз

белых глаз

рубиновых глаз

неактивный

работающий

работающий

неактивный

неактивный

работающий

работающий

неактивный

продукт гена

белы х глаз

ВСЕ ПОТОМКИ КРАСНОГЛАЗЫЕ
ло кус гена

локус гена

белых глаз

рубиновы х глаз

неактивный

работающий

работающий

неактивный

от белоглазого
родителя
от родителя

с рубиновыми
глазами

i

i
продукт гена

продукт гена

белы х глаз

рубиновы х глаз

РИС.

019-18

чивания жидкостей » (иными словами, нелеченые пациенты по­

тации в различной степени нарушают функционирование генного

стоянно испытывают жажду, что сопровождается выделением

продукта , в зависимости от положения мутации . Аллели , которые

большого количества мочи) . Если бы не было этого заболевания ,

вообще не производят работающего продукта (нуль-аллели), даже

Роль инсулина не привлекла бы к себе такого внимания , связанно­

если они возникают из-за разных изменений в последовательности

го с насущными потребностями. Мы должны были в конце концов

ДНК, дают одинаковый фенотипический эффект.

Установить его роль

- и к настоящему моменту смогли это сде­

лать. Поэтому трудно переоценить роль этой болезни в привлече­

ОТВЕТ

нии внимания к поискам молекулярных механизмов. Даже в наши
дни поиски причин и способов лечения болезней человека - глав­
ная движущая сила биомедицинских исследований .

SNP -

19-19
это однонуклеотидные различия между особями , если

каждый из двух или более вариантов встречается в популяции
с достаточно высокой частотой . В человеческой популяции

встречаются приблизительно через каждые

1000

ОТВЕТ 19-18

Многие

А. Как показано на РИС. 019-18, если скрещиваются мухи , му­

организмов , в том числе несколько миллионов

тантные по разным генам , то их потомство будет иметь один
Нормальный аллель в каждом локусе . В случае скрещивания мух

ловека .

SNP были

SNP

нуклеотидов .

идентифицированы и закартированы у разных

- в геноме че­
SNP, которые можно обнаружить методом гибридизации

с олигонуклеотидами, служат физическими маркерами , положе ­

с рубиновыми и с белыми глазами каждый потомок унаследует

ние которых в геноме известно . Следя за наследованием мутант­

одну нормальную копию гена белоглазости от одного родителя и

ного гена при разых скрещиваниях и выявляя корреляции между

одну функциональную копию гена рубиновых глаз от другого ро­

присутствием гена и совместным с ним наследованием опреде ­

дителя . Так как оба мутантных аллеля рецессивны по отношению

ленных вариантов

к аллелю дикого типа, потомство будет иметь фенотип дикого
типа - кирпично-красные глаза .

на хромосоме до участка , который содержит всего несколько

5. Мутации гранатовых , рубиновых , киноварно-красных и алых

SNP, можно сузить вероятное положение гена

генов . Эти кандидатные гены затем можно протестировать на
присутствие мутации , которая может отвечать за конкретный му ­

глаз комплементируют друг друга и различные аллели гена бе­
лых глаз (т. е. когда мутантные мухи скрещиваются друг с дру­
гом , их потомки имеют нормальный цвет глаз) ; таким образом ,
каждая из этих мутаций затрагивает отдельный ген . Напротив ,
Мутации белых, вишневы х, коралловых, абрикосовых и светло­
Коричневых глаз не комплементарны ; они представляют собой
аллели одного гена , который был назван геном white. Таким об­
Разом , девять мутаций , влияющих на цвет глаз , затрагивают
nять генов .

установить , какие из них встречаются в данной популяции с ча­

В. Разные аллели одного и того же гена, как, например, пять алле­

стотой не менее

лей гена white, часто обладают разным влиянием на фенотип . Му-

зовать как полезные маркеры для будущего картирования генов .

тантный фенотип (см. рис.
ОТВЕТ

19-32).

19-20

Что вы сразу же узнаете

-

это все различия в нуклеотидной

последовательности между Тимам и Джоном. Однако редко
встречающиеся в человеческой популяции вариации не прино­

сят пользы при большинстве методов картирования . Проверка
частоты каждого варианта в большой выборке людей поможет

10%.

Это и есть

SNP,

которые можно исполь­

Ответы

715


Глава

20

ОТВЕТ20-6

Ионизирующая

(высокоэнергетичес кая)

радиация

проника·

ОТВЕТ20 - 1

ет сквозь вещество , выбивая электроны с их орбит и разрывая

Горизонтальная ориентация микротрубочек приведет к горизон­

химические связи . В частности, она создает разрывы и другие

тальной ориентации целлюлозных микрофибрилл в клеточных

повреждения в ДНК , и поэтому вызывает остановку клеточного

стенках. Поэтому клетки будут расти в вертикальном направле­

цикла (см. гл.

нии, увеличивая расстояние между целлюлозными микрофи­

удается репарировать , клеточный цикл полностью останавлива·

бриллами , но не растягивая их . Таким способом стебель быстро

ется, и клетки претерпевают апоптоз, т. е . запускают программу

удлиняется. В обычных природных условиях это обеспечит вы ­

самоубийства .

18).

Если повреждения столь серьезны , что их не

ход из темноты к свету.

ОТВЕТ20-7

Клетки эпителия кишечника находятся в довольно враждеб·

ОТВЕТ20-2

А . Так как все три цепи коллагена должны объединиться , чтобы

ном окружении, содержащем пищеварительные ферменты и

сформировать тройную спираль, дефе ктная молекула будет на­

другие вещества , состав которых резко меняется изо дня в

рушать сборку, даже если в клетке одновременно присутствуют

день в зависимости от потребляемой организмом пищи. Клет­

нормальные молекулы кол лагена . Поэтому мутации коллагена

ки эпителия также составляют первую линию обороны от по­

доминантны, т. е . имеют вредный эффект даже в присутствии

тенциально опасных веществ, в том числе мутагенов, постоян­

нормальной копии гена .

но присутствующи х в среде. Их быстрое обновление защища·

Б. Различия степени вредности мутаций объясняются поляр­

ет организм от вредных последс твий, так как поврежденные

ностью процесса сборки . Мономеры коллагена собираются в

и больные клетки уничтожаются . Если эпителиальная клетка

трехспиральные структуры, начиная с их N -концов . Поэтому

начинает неконтролируемо делиться , например, в результате

при мутации в « раннем » глицине оразуются только короткие

мутации, то она и ее нежелательные потомки в большинстве

тройные спирали , а при мутации , дальше отстоящей от этого

случаев просто погибнут при естественном замещении на кон­

конца, образуются более длинные, сходные с нормальными

це ворсинки; даже если подобные мутации возникают часто ,

структуры.

они редко будут приводить к раку.

ОТВЕТ20 - З

лированной от внешнего мира . Их функционирование зависит от

Замечательная способность разбухать и занимать большой

сложной системы взаимосвязей с другими нейронами

объем определяется отрицательными зарядами . Они притяги­

мы , создающейся в ходе развития, которую нелегко восстано·

вают облака положительно заряженных ионов, главным обра­

вить, если нейрон погибает.

Нейроны , напротив , живут в очень безопасной среде, изо­

зом

Na•, которые за счет осмоса

-

систе·

притягивают большое количе­

ство воды, тем самым придавая протеогликанам их уникальные

ОТВЕТ20-8

свойства. Незаряженные углеводы , такие как целлюлоза , крах­

При каждом клеточном делении дополнительно возникает одна

мал или гликоген , напротив , легко образуют компактные волок­

клетка; если бы клетки никогда не гибли и не удалялись из тела,
их число в организме равнялось бы числу делений плюс один .

на или гранулы .

Число делений в

1ООО

раз больше числа клеток, так что на ка>К·

ОТВЕТ20-4

дую клетку тела приходится

Фокальные контакты обычны в соединительных тканях, где

чение жизни клеток .

1ООО

погибших и замещенных в те·

фибробласты оказывают механические воздействия на меж­
клеточный матрикс, и в культурах клеток, где клет ки ползают.

ОТВЕТ20-9

Силы , с помощью которых клетка тянет матрикс или ползет,

А. Неверно . Щелевые контакты не связаны с цитос келетом ; их

генерируются актиновым цитос келетом . В зрелом эпителии

роль

фокальные контакты, видимо, не нужны, так как клетки сидят

скания малых молекул из одной клетки в другую.

-

обеспечение межклеточной комм уникации путем пропУ·

на месте, а не ползают по базальной пластинке и никуда не

Б . Верно . При увядании тургорное давление в клетках растения

тянут ее .

падает, и, соответственно, клеточные стенки. устойчивые к рас·

тяжению , но неустойчивые к сдавливанию, как резиновая шина ,
не могут обеспечить жесткость .

ОТВЕТ20-5

Представьте себе, что из-за повреждения клетки в ее плазма­

В . Неверно . Протеогликаны могут противостоять сильному дав·

лемме возникли бреши . Ионы, концентрация которых высока в

лению, но н е имеют жесткой структуры . Их способность запол·

межклеточной жидкости, например,

нять пространство связана со способностью поглощать большое

Na• и Са 2• ,

ринутся в клет­

ку, а важные метаболиты будут выходить из нее. Если сохра­

количество воды.

нятся контакты между клеткой и ее здоровыми соседями, они

Г. Верно .

тоже пострадают. Но вхожде ние Са 2 • в больную клетку немед­

Д . Верно .

ленно вызывает закрывание щелевых контактов ,

Е. Верно . Стволовые клетки постоянно экспрессируют контроль·

ч то изоли­

рует клетку и предотвращает распространение повре ждений

ные гены, обеспечивающие превращение дочерних клеток в

этим путем.

определенный тип дифференцированных клеток .

716

Основы молекулярной биологии клетки


0ТВЕТ20-10

ны , именно план , содержащийся в геноме , определяет построе­

Малые молекулы цитозоля, такие как глутаминовая кислота, ци­

ние организма .

клический АМФ или ионы Са 2 +, свободно проходят и через щеле­
вые контакты , и через плазмодесмы ; крупные молекулы цитозо­

ОТВЕТ20-15

ля , такие как иРНК или G-белки , через щелевые контакты не про­

Лейкоциты циркулируют в кровотоке, выходят в ткани и возвра­

ходят. Фосфолипиды плазмалеммы диффундируют в плоскости

щаются обратно в ходе выполнения своих нормальных функций

мембраны через плазмодесмы, поскольку плазмалеммы разных

по защите организма от инфекций; они по своей природе спо­

клеток в области этих контактов переходят друг в друга . Через

собны к инвазии в ткани . Если происходит мутация , нарушающая

щелевые контакты такой транспорт невозможен , так как мембра­

нормальный контроль образования этих клеток, то дополнитель­

ные мутации , обеспечивающие их распространение по телу, не

ны соседних клеток разделены .

требуются. Таким образом, число мутаций, которые необходимы
0ТВЕТ20-11

для возникновения лейкемии , меньше , чем для других типов он­

На растения действуют резкие колебания условий среды, которые

кологических заболеваний.

часто сопровождаются быстрыми изменениями осмотических ус­

ловий. Как нам известно на примере животных клеток , сеть про­

ОТВЕТ20-16

межуточных филаментов не может полностью обеспечить осмо­

Форма кривой отражает необходимость в накоплении множе­

тическую устойчивость клеток. Редкие , похожие на заклепки точки

ства мутаций, чтобы произошла злокачественная трансформа­

прикрепления не способны защитить мембрану от разрывов при

ция клетки . Если бы было достаточно одной мутации, график

действии изнутри клетки огромного осмотического давления.

представлял бы собой горизонтальную прямую: вероятность

0ТВЕТ20-12

одинаковой в любом возрасте . Если бы требовались две спец­

Нервный импульс действительно может передаваться от клет­

ифические мутации, график представлял бы собой прямую с

ки к клетке через щелевые контакты. Клетки сердечной мышцы

наклоном вверх : появление второй мутации в любой момент

соединены таким способом, что обеспечивается их синхронное

времени равновероятно, но вторая мутация превратит клетку в

сокращение при стимуляции . Однако использование этого ме­

раковую, только если в данной линии клеток уже произошла пер­

ханизма межклеточной передачи сигналов находит довольно

вая мутация, а вероятность этого пропорциональна возрасту.

ограниченное применение. Как обсуждалось в гл .

Резко восходящий график , показанный на рисунке , пропорцио­

возникновения определенной мутации , а значит, и рака, была бы

12, синапсы -

гораздо более сложные устройства , позволяющие модулировать

нален примерно пятой степени возраста, и это показывает, что

и интегрировать сигналы , получаемые клеткой. Можно сравнить

для возникновения рака должно накопиться гораздо больше двух

Щелевые контакты с простыми запаянными соединениями меж­

мутаций . Сколько именно

ду проводами, а синапсы

ных механизмов развития рака . Последовательные мутации мо­

-

со сложными релейными станциями,

-

трудно точно оценить из-за слож­

позволяющими системе нейронов проводить вычисления .

гут менять число и поведение клеток и тем самым изменять как

0ТВЕТ20-13

ствующего в ходе развития раковой опухоли.

вероятность последующих мутаций, так и давление отбора, дей­

Чтобы сделать желе , желатин кипятят в воде; при этом волокна
коллагена денатурируют. После охлаждения неупорядоченные

ОТВЕТ20-17

Фибриллы образуют спутанную кашу, которая застывает и пре­

В период воздействия мутагена индуцируются мутации, но число

вращается в гель . Этот гель на самом деле похож на коллаген в

подходящих мутаций в каждой клетке обычно недостаточно, что­

том виде , в котором его исходно секретируют фибробласты , то

бы непосредственно превратить ее в раковую . За многие годы те

есть до того , как собираются и формируют поперечные сшивки

клетки , которые приобрели предрасположенность к превраще­

волокна .

нию в раковые из-за индуцированных мутаций , накапливают все

больше дополнительных мутаций . В конце концов одна из них пре­

0ТВЕТ20-14

Представление, что ДНК -

вратится в раковую клетку. Из-за длительного промежутка между

это чертеж, определяющий все

воздействием мутагена и появление·м рака чрезвычайно сложно

структурные признаки организма , основано на том , что при не­

привлечь в судебном порядке к ответственности производителей

больших изменениях в ДНК меняются признаки организма.
Хотя ДНК содержит планы, определяющий строение, эти планы

сигарет или владельцев предприятий , загрязняющих среду про­
мышленными мутагенами за вред, причиненный их продукцией.

должны быть реализованы в ходе развития . Для этого требуется

nодходящая среда (ребеночек не вылупится из яйца аиста) , под­

ОТВЕТ

ходящее питание, подходящие инструменты (такие , как факторы
транскрипции, обеспечивающие раннее развитие) , подходящая

По определению , канцероген

20-18

-

любая субстанция, повышаю­

щая частоту возникновения одного или нескольких видов рако­

nространственная организация (например , асимметричность

вых заболеваний. Таким образом , половые гормоны можно счи­

яйцеклетки, обеспечивающая специализацию клеток при первых

тать природными канцерогенами. Хотя большинство канцеро­

клеточных делениях) и т. д . Поэтому наследование не ограничено

генов действует, напрямую вызывая мутации, их влияние часто

nередачей ДНК ; для развития необходимо, чтобы родитель обе­

осуществляется и многими другими путями . Половые гормоны

сnечил подходящие условия. Но если все эти условия соблюде-

увеличивают как частоту клеточных делений , так и число клеток

Ответы

717


в гормонально чувствительных органах , таких как грудь, матка и

ющих в наших собственных соматических клетках, а не из-за

простата . Первый эффект увеличивает число мутаций на клетку,

мутаций , унаследованных от наших родителей. Однако при не­

так как мутации независимо от условий среды спонтанно воз­

которых редких ти пах рака существует высокий генетический
риск , так что родители и их дети обладают наследственной

никают в ходе удвоения ДНК и расхождения хромосом . Второй
эффект повышает число клеток, подверженных риску. Этими,

предрасположенностью к одной и той же специфичной форме

а возможно , и другими способами гормоны могут способство­

болезни . Это наблюдается , например , в семьях , несущих мута­

вать развитию рака, даже если они непосредственно и не вы­

цию, отключающую одну из двух копий гена-супрессора опухо ­

зывают мутаций .

лей АРС ; дети наследуют склонность к раку толстой и прямой

ОТВЕТ20-19

блюдается также в случае некоторых других раковых заболева­

кишки . Гораздо более слабая наследственная склонность на­
Краткий ответ

-

нет; рак обычно не является наследственным

заболеванием. Он развивается из-за новых мутаций, возника-

718

Основы молекулярной биологии клетки

ний , включая рак груди; но большинство генов, отвечающие за
эти эффекты, все еще неизвестны.


Словарь

С-конец, карбоксильный конец (C-termious, carboxyl

terminus)

in vitro
Термин , употребляемый биохимиками при описании

Конец полипе гпидиой цепи, несу щий свободную кар­

процессов, происходящих в и золи рованных бескле­

боксильную группу последней аминокислоты.

точных экстрактах. Клето ч ными биологами исполь­
зуется для о п нсания клеток, расту щих в культуре

Escherichia coli (Е. coli)
Палочковидная

бактерия,

( << В

стекле ,> ) в противополож ность клеткам, находящимся

в

в организме

(in vivo) .

норме присутствующая в тол­

стом

кишечнике

человека

in vivo

и

д ру 1·и х м леко питающих и ши ­

В ю1 тактной клетке или в организме (от лат . ~в

роко используемая в биомедицинских и сследованиях.

ЖИЗНИ>>).

G/S- Cdk (G/ S-Cdk)
Цю<лин-зав исимая протеинкиназа, активность кото­
рой запускает переход к S-фазе клеточного цикла .

IP:1 -

с.м. инозитол 1,4,5-трисфосфат

M- Cdk
Активный белковый комплекс, образуемый в на чал е

G,-Cdk (G 1-Cdk)

М-фазы клеточного цикла М-циклином и митотиче­

Циклин-зависимая протеиикиназа, активность кото­

рой способствует прохождению

G1 -фазы.

G,-фаза, G 1 -период (G 1 phase)

ской циклин-за висимой протеи нкиназой

(Cdk).

НАД Ф· н+ ( никотинамидадениндинуклеотидфосфат)

(NADPH+, oicotine adenine dinucleotide phosphate)
фаза клеточ­

Молекула, близко родстве нная НАД·Н ; использует­

ного цикла эука риот между окончаиием цитокин еза и

ся как донор электронов в реакциях биосинтеза. При

началом синтез а ДНК.

этом окисляется до НАДФ+ (см . рис.

G1 (от аигл. gap -

пром ежуток) п ериод

-

G 2 -фаза, G 2 -период (G 2 phase)

Фаза клеточного цикла эукариот м ежду окончанием

си,пеза ДНК и нач алом митоза.

3-35).

НАД+ ( никотинамидадениндинуклеотид) (NAD+,
nicotine adenine dinucleotide)
Активированная молекула-переносчик, участвующая
в реак ции оки сления . Принимает гидрид-ион (Н- ) от

G, ЛG, ЛG 0

-

см. свободная энергия, изменение

свободной энергии

молекулы-донора с образованием НАД·Н. Участвует
во многих реакциях рас щеп ле ния сахаров с получ е ни­

ем энергии ( см. рис.

3-34).

G-белок ( G protein)
Представитель од ного из боль ши х семейст в ПФ -свя­

зывающих белков; состоит из трех разных субъединиц,

Ион натрия

-

один и з основных ионов живых клеток.

участник промежуточных этапов внутриклеточной

пе реда<1и с игнала . Обычно актив ируется при связыва­

Nа+-к+-насос (натрий-калиевая АТФаза, натриевая

нии гормона или другого лигаида с трансмембранным

помпа) (Na+ -к+ pump, Nа+ -к+ ATPase,

sodium pump)

Трансмембранный белок-переносчик, присутствую­

р е ц епто ром.

щий в плазмалемме боль шю1 ства клеток живот ных.

in situ гибридизация (in situ hybridizatioo)
М етод, при котором одноцепочеч1-1ый РНК- ил и ДНК­
зонд используется для определения

П ере качивает

Na+

положения гена

или молекулы иРНК в целой клетке или ткани .

из клетки и к+ в клетку, используя

эне ргию гидролиза АТФ.

NO -

см. оксид азота


N-конец

а-спираль

(N terminus, amino terminus)

Конец

n олипе п тид н ой

цели ,

н есущий

~-слой

а-ами н огрупп у.

RаЬ-белки

-

с.м. альфа-спираль

свобод н ую

(Rab protein)

-

с.м. бета-слой

у-тубулиновое кольцо

(y-tubulin ring)

Семейство малых ПФ-связывающих белков, при ­

Бел ковый комплекс 11 а це н тросомах, г;tе происход и т

сутств у ющи х н а п ов

н уклеа ция сбо рки микротрубочек.

р хно сти тр анспортны х везикул и

органелл и служа щи х молекулярными мар1<е рами дл я

идентификации каждо й раз новид ности их мембран.

Авогадро ч:исло

(Avogaclro's number)

Обес п ечивают слияние транспортных вез икул только

Число м олекул в колич ест ве вещества, р а вн ом е го мо ­

с нужными мембранами.

лекулярной массе в сраммах , прибл и з итель н о

Ras

6 х 10 23 .

адаптация (adaptatioп)
Одно и з больших семейств малых ПФ-с вя з ывающих

белков (также наз ываемых мономерными ПФазами) ,
участвующих в п е реда че с и ен ал ов от клеточной ло­

в е рхности в ядро. Назван по наиме нованию rе н а

Ras,

впервые иде н т ифицированного у вирусов, вызываю ­
щи х са ркому у крыс .

RTK -

тирозинкиназной активностью

см. малая интерферирующая РНК

-

при с пособле ни е организ м а, популя ции или

знаки .

-

Прил1. перев.]

( adherens juoctio11)

матич ес кой сторо11 е мембраны соед ин ены с а~пи новы ­
ми филаме нтами.

Одно из семейств мембранных белков, отвечающих за
нями внутри клетки .

аденилатциклаза

(adenylyl cyclase)

Ф е рме нт, катализи рую щий сюпез цАМФ и з АТФ.
Важный компонент некото рых внутри юrето •111ы х сиг­
н ал ьных путей.

см. однонуклеотидный полиморфизм

snRNP -

зо вом у ровне стимуля~1ии . [В э волюцио1-1ной био­
ло гии

Межклеточный контакт, белки которого на цитоплаз­

избиратель ное слияни е везикул с м емб ранам и -м ише­

snRNA -

повторяющейся стимуля ции. Поз вол я ет

адrезивный контакт

SNARE

SNP -

~1и зма при

реа гировать н а разд раж ител ь /\аже при высоком ба­

вида к среде обитания; может затрагивать люб ы е r~ри ­

см. рецепторная тирозинкиназа, рецептор с

siRNA -

Корректировка чувств ител ьности кл етки или орга­

см. малая ядерная РНК

АДФ (аденозин-5'-дифосфат)

см. малая ядерная рибонуклеопротеидная

частица

(ADF, adenosine

5'-diphosphate)
Нуклеотид, образую щи йся лри от ще пл ении путем ги­
д рол иза концевого фосфата от АТФ (см. рис.

S-фаза, S-период

(S phase)

Пе риод клеточ ного цикла эукариотической клетки , во
врем я кото роrо синтезируется ДНК

азотфиксация

3-31).

(nitrogen fixation)

Прев ращение атмосферного азота в азотсодержа щие

ор 1·а ническ и е молекул ы ба кте риями лочвы и циюю­
бактериями.

Vmnx
Ма ксимал ьная

скорость

ф ерментативной

реак ции ,

достига ем ая с разу же после добавления субстрата в

аксон ( ахо11)

конце нтрации , достаточной дл я з агрузк и активных

Длинный тоикий вырост н е рвиой клетки, по которому

це н тров всех при сутст ву ющих молекул ф е рме и та.

могут проводитъся н е рвны е импул ъс ы к клеткам -м н ­

ш ня м иа боль шие расстоя ния с высокой скоростью .

Wлt-белок

(Wnt protein)

Член сем ейства Wn t - вн еклеточных сип1 альн ых бел­

активированный переносч_ик

( activated carrier)

ков , выполняющих раз нообраз ные функции в разви ­

Неболь шая молекула, ис пол ьзуе м ая дл я п е реноса

тии, в том числ е п оддерживающих ст воло вы е клетки в

эн е ргии ил и х имич еских групп во многи х р азли~.r­

прол иферирующем состоянии.

ных реак ция х обме и а ве щест в. В •rи сло активирован ­

ных п е р е нос•шков входят АТФ, а цетилкоэнзи м А Н
У-хромосома (У

chromosome)

НАД · Н .

Одна и з двух половых хромосом м лекопитающих [то
же наз вание служит для обозиа ч ения поло вы х хромо­

активный транспорт

(active tra11sport)

сом н асекомых, 1-1 апример дрозо фил ы, и мног их д ру­

Переме ще ние молекул (или ионов) ч е рез мембрану,

гих живоп-1ы х

осуществляемое с расходо ванием эн е ргии АТФ илн

-

Прим. перев .] . Клетки женщин содер­

жат две Х-хромосомы.

720

Основы молекулярной биологии клетки

другого источника метаболической энереии .


активный центр

амид

(active site )

( amide)

фер­

Мол екула, сотtержащая карбонильную

ме н та, с которым связыва тся молекула субстрата,

группу, св я за 1нrую с ами н ом ( см. вклад­

прежд

ку

п 1 tиали з ирова нны й

участо к

11оверхности

ч е м вступить в катализируемую фе рментом

2-1 , с. 70- 71).

реа 1щию .

амин ( amiлe)

а1стинооый филамент (actiл

Мол екула,

filament)

Бе; 1 ковый фи ламент диаметром около

7

нм , форми­

рую щийся и з цепочки глобуляриых молекул акт ина.
О1tин из ос 11 овных компонентов цитоскелета всех эу­

кариотических клеток; особс1ню обиль 11 ы акти новы е
филам е н т ы в мышечных клетках.

вкладку

содержа щая

ами ногруппу

(- NH 2)

(см.

2- 1, с . 70- 71).

аминоацил-тРНК-синтаза

(aminoacyl-tRNA synthetase)

Ф е рм е нт, присоеди няющиi,i правильную аминокисло­

ту к тРНК с образова~-~ием аминоацил-тРНК.
аминогруппа

( amino group)

Слабощелочная фун 1щи онал1, ная группа

(- NH 2),

про­

изводное аммиака. В водных растворах аминогруппа

акцептор электрона

может прини мать пр отон и н ест и положитель ны й за­

( electroo acceptor)

Атом или мо лекула, охотно при1iимающие электроны ,
т. е. восстанавливающиеся .

алкильная группа

аминокислота

( alkyl group)

у 1:лерода

и

водорода,

( - СН 3 ) или этил 1,ная (- СН 2

обозначается как

2-1, с. 70- 71).

( amino acid)

Органич еская молекула, содержащая аминогруппу и

Общее обозначеиие дл я групп ковалент но связанных
атомов

ряд (см. вкладку

R.

таких

ка 1<

метильная

Н 3 ) группы. Иногда

карбоксигруппу. а- Аминокислоты (в которых амино­
и карбоксиrруппа присоедине1-1ы к од н ому и тому же
атому углерода) служат строительными блоками бел­
ков (см .вкладку

2-5, с. 78- 79).

амина-концевая часть белка
аллель

( allele)

-

с~,. N-конец

(amino

terminus, N terminus)

Одии и з алъте рнативных вариа нтов

re~1a.

В ди плоид­

ной ~<летке к аждый ге н имеет два аллеля , н аходя щи еся

АМФ (аденозин-5'-монофосфат) (АМР,

в идентичных локусах гомологич 11 ых хромосом.

5'-monophosphate)

adenosine

Один из четырех нуклеотидов в моле1<уле РНК Об­
аллостерический

разуется при э нергети ч ес1<11 выгодном гидролизе АТФ

( allosteric)

Те рмин относится к белку, имеющему две или более
разных конформаций , приобрете ни е которых зави­
с ит от связыва1·1 ия молекулы (лиеа нда ) в каком-то
участке, отлич ном от каталитического 1tе 1-пра. Алло­

стерическ и е белки, состоя щи е и з несколышх субъе­
диниц , ч асто харакrеризуются кооперативным отве­

том 11 а связыва 11 ие лиганда

(см.рис.

3-40).

амфипатический

( amphipathic)

Имею щ ий еи д рофильный и гидрофобный участки,
как молекула фосфолипида и л и дете ргента.

анаболизм (aпabolism)

го связ ывани е с одной

Це почки биохимических реак ций , с помощью кото­

из субъеди ниц облегчает связ ывани е с другими субъ­

рых крупные молекулы созда ются из более мелких

ед иницами.

(биоси11тез ).

альдегид

-

анафаза

( aldehyde)

Ор1-а11ическое вещество, со;tе ржащее группу -НС = О ,
на11рим е р глицеральдегид (см . вкладку

альтернативный сплайсинr

2-1, с . 70- 71).

(alter11ative sp\icing)

С плайс инr РНК-транскрилтов одно 1-о 1-е 1-1а разл и-чны ­

ми способами, в результате ч го образуется н есколько

вариа 11 тов мРНК, кодирующих разные белки.
альфа-спираль, а-спираль

(alpha \1elix, а helix)

Обычный ст рукту рный мотив в белках, образующий­

( anaphase)

Стадия митоза, в ходе которой два набора хромосом
разделяются и двигаются в противоположные сторо -

1-1ы . Состоит из анафазы А (хромосомы двигаются к
двум полюсам верете на) и а нафазы Б (полюса удаля­
ются друг от друга ).

анаэробный ( anaeroЬic)
Определе ние клетки или организма, способных су ще­
ствоват 1, в отсутствие мол еку 11ярн о1-о кислорода , и ли

метаболи ч еский процесс, который может протекать в
его отсутствие.

ся при сво ра чивании лин ей 11ой ~tе почки аминокислот

в правосторои11юю спираль, стабилизи рованн у ю вну­

анион

( anion)

тре~1ни ми водородн ыми связя ми м ежду атомами в со­

Отрицател ьио за ряжен ны й ион , 11 а пример,

ставе ее скеJ1 ета.

снзсоо- .

CI-

Словарь

или

721


антиген

археи

( antigen)

Молекула, вы з ыва ющая об раз ова н и е с п е цифичны х
не йтрал и зующих а нтител при имм у нном ответ е.

антикодон

(arcbaea)

О;1на и з двух глав ны х гру пп нрокариот. Часто об ита­
ют в экст р е м аль 11 ы х усло ,тя х

-

го рячих и сто чник ах ,

с ве рхсоле ны х во11ое м ах и д р. (с.м . та1с:же ба кте рии) .

(anticodon)

Посл едовательно сть и з трех н у кл еотидов в молекул е

атом

(atom)

тРНК, комплеме нтарная трем нут<л еоти дам кодона

Наиме 11ьш ая ч астица х имич еского элем е н та, сох раня ­

моле кул ы иРНК Кажд ый а нтикодон соответствует

ющая е го х им и ч ес кие с во й ст ва .

определ ен ной аминокислоте , ковал е нпю присоед и­
н е нной к дру гому уч астку тРНК

антипараллельный

(antiparallel)

Термин используется при описании

д вух сходных струюур , им е ющих про-

11

тивоположну ю направл е нность, напри-

Б елок-транспортер , осу ществляющий сопряженный
противопол ожных

направле ниях ,

одновр е­

м е юю или последовательно .

антитело

в ответ

на

проникновение инородиой моле1<улы или организ ма.
Прочно и с пецифично связ ы вается с и~юродной моле­
кулой или кл еткой, инактивируя ее или маркируя для
последующе го у ничтожения .

используемый

д ругой

ходится

на

кл етки,

щий синтез АТФ в ходе окисл ительного фосфори л и ­
рования и фотосин теза. Содержится в митохонд ринх,

хлороп л астах и кл етках бакте рий.
ацетил-КоА (ацетилJСоэнзим А)

(acety\CoA)

мой тиоэфирной свя зью.

ацетильная группа

На­

( acetyl group)

Химич еская группа , образу ющаяся и з

структуры .

уксус ной ки слоты.

Наприм е р , апикальная пов ерх­

ность кл еток эпителия - свободн ая пове рх но сть,
противопол ожная базальной.
апоптоз

synthase)

групп у, с вяз анну ю с ко э н зимом А ле гко ги д ролизуе­

при

oprai1a

структуры.
конце

2-23-, 3-31).

в кл етках ацетил ьны е группы. Содержит ацетию,ную

описании одной из сторон или
или

ждается вы деле нием большого колиqества свободной
э н е ргии (см . рис.

Н ебольшая водорастворимая молекула, переносящая

(apical)

п о верхно ст е й

дроли зе ил и пер ено с н а д ругую молекулу с опрово­

Мембранный ферме нтный компле кс, катализ ирую­

(antibody)

Те рмин,

Нуклеоз и дтрифосфат, состоящий из аде нина , рибоз ы

АТФ-синтаза, АТФ-синтетаза (АТР

Б елок, прои зводимый В -лимфоцитами

аnиJСальный

adenosine

вы соко реа кционноспособна ; ее отщеп ление при ги ­

(antiport)

в

АТФ (аденозин-5'-трифосфат) (АТР,

5' -triplюsphate )

ской э н е ргии в клетках. Конце вая фосф атная гру ппа

тран спорт через мембрану д вух ионов или малых мо­
лекул

(atomic weight)

М асса а том а, выр аже 1н1 ая в дал ьто11 ах .

и трех фосфа тных групп . О с новной носител ь химич е­

ме р две цепи ДНК в д войной слирали.

антипортер

атомная масса

ацильная группа

(acyl group)

Фу1-1 1щио 11 ал ьная гру ппа, пронзводное

ка рбоновой 1ш слоты

( apoptosis)

Нормал ы-1 ый, <.\доброкачественный>> тип программи­
руемой клетоq1юй гибели. При аnоптозе I<летка смор­
щивается , фрагментирует свою ДНК, а ее нове рхности
м е няются так, ч то стимулируют фагоцитоз о статков
клетки макрофагами.

(R -

ал кил ьная

грутша , наприм р м етильная).

=

базальная пластинJСа, базальная мембрана (basal lamina)

Тонкий сл ой вн е клеточиого матрикса, отделяющий эпители ал ьны е пласты и многи е ти пы кл е_ -

аппарат Гольджи, 1юмпле1Сс Гольджи

(Golgi apparatus)

Мембранная органелл а эукариоти­

ток (налрим е р, мыш ечны

•••

и жи -

ровы е кл етки) от окружающе й со ед инительн ой ткани .

ческой клетки, где синтезирован­

базальный

ные в ЭПС белки и липиды моди­

(basal)

Находящий ся в ос нов аш1и ч его- л и бо . Б аз аJ11, ная по·

фицирутотся и сортируютсн п еред
отпра вкой в д ругие части ю1 етки .

верхно сть клетки противоположн а апикальной по­

(Назван в честь пе рвооткрывате­

в е рхно с ти .

ля

-

Камилло Гольджи.)

АРС, стимулирующий анафазу комплеJСс
promoting complex, АРС)

баJСтерии

(anaphase-

Комл ле кс белков , обесrте чивающи й де града цию с п еци ­
фичных белков путем их убиквитинирования . Од и 1-1

(bacteria, singular bacterium)

В широком смы сл е термин служит для обозначения

всех прокариот; в бол ее строгом смысле относится 1'
эубакте риям ( <.\ 1-шстоящим бакте риям>> ) , одном у И~
трех гла вных дом енов жи зни . Большинство бакте рИН

из важных компон е нтов си стемы контроля кл еточно ­

ощюклеточны е. Некоторые бакте рии вызывают забо·

го цикла.

л е ва 1шя ( с.м. также архе и).

722

Основы молекулярной биологии клетки


баl\териородопсин ( bacteriorhodopsin)

белок-переносчик, транспортер

( transporter)

Пигментирова1н1ый белок, входящий в состав наруж­

М е мбранный белок , транспортирующий ионы или мо­

ной м ембраны галофильных бактерий Halobacteтium

лекулы ч ерез клеточную мембрану.

haloЬium; выкачивает из клетки протоны, используя
э н ергию света f бактериородопсин остречается у мно­

белок-рецептор

( receptor protein)

гих видов и родов кJJacca Halobacte гi a, который отно­

Белок , воспринимающий стимул (обычно изменение

сится к археям.

кон цент рации специфичной молекулы) и запускаю­

-

При.м. перев.].

щий КJ 1 еточ ный ответ. Рецепторы клеточной пов ерх ­

белl\овая машина (protein mashine)

но ст и, такие как ацетилхолиновый или инсулиновый

Набор беJJковых моJJекул, связывающихся друг с другом

рецепторы, находятся в плазмалемме; их лиганд-свя­

опредсJJен н ым образом, таJС что согласованные движе-

з ывающи е

1-~ия внутри белково t'О комплекса могут осушествлять

среде. Внутриклеточные р еце пторы (наприме р, р е ц е п­

последовательность реакций с необычай но высоJСой СJСО­

торы стеро ид ных гормонов) связывают лиганды, про-

ростыо и эффективностью. Такими бет<овыми маши­

1-1 икающие внутрь клетки через плазмалемму.

участки

р ас положены

во

внеклеточной

н ам и катализируется значительное L[ИCJLO важнейших

реакций в клетке (синтез белка и удвоение ДНК

-

осо­

бенно хорошо изуч е 1шые прим еры их действия).

бесполое размножение

(asexual reproduction)

Любой тип размножения (почкование гидры, деление

бактерий надвое или митотическое деление клеток

белl\овое семейство (protein family)

эукариоти:ческих микроорганизмов), при котором н е

Группа белков организма со сход ными аминокислот­

происходит формирования и слияния гамет. Образу­

ными последовательностям и. Это сходство отражает

ются особи, генетически идентичные родител ьским

эволю цию ге,юв, кодирующих белки, т. е. их проис­

[при бесполом раз множении растений спорами проис ­

хожде ни е

ген­

ход ит мейоз, и образующиеся гаметофиты генетиче­

от

исходного

предкового

гена

путем

ной дупликации и последующей диве рге ,щии генов.

ски н е идентич:ны родительским расте ниям. У многих

Обычно разные члены белкового семейства имеют

видов с 110ловым размноже ни ем (водоросли-сце п ля н ­

сходн ые, но специфичные функции. Например, каж­

ки и др.) нет гамет.

-

Прим.. перев. ] .

дый сrле н семейства проте инкиназ осуществляет сход­

ную реакцию фосфорилирования, но субстраты и ре­

бета-слой, ~-слой

(beta sheet, ~-sheet)

Определенный тип укладки,

гуляция у этих ферментов различны.

присутствующий во многих

белковое семейство Rho (Rho protein family)

белках, при котором сосед­

Семейство малых ПФаз, участвую щих в передаче

~rи е

ситналов, вызывающих п е рестройку актиновоrо цито­

связаны боковыми сторона­
ми

скелета.

полипептидны е

с

помощью

цепи

водородных

связей и образуют жесткую уплощенную структуру.

белковый домен - см. домен
библиотека ДНК

белковый комплекс - см. комплекс

(DNA library)

Коллекция клонироваю-, ых молекул ДНК, представля ­

ющих либо весь геном (ге номная библиотека), либо ко­

бело1( (protein)
Основ,юй

пии иРНК, образуем ы х клеткой (библиотека кДНК).
макромолекуляр~1ый

компонент

клеток.

Каждый белок состоит из одной или более линейных

бивалент (Ьivalent)

ц епочек аминокислот, соеди н енн ых пептидными свя­

Удвое 1-1 1-1 ая хромосома, спа ренная с гомологич,юй уд­

зями в определенном поря дке. Аминокислотная це­

военной хромосомой (обычно в начале мейоза).

по rка прю1имает трехмерную форму, уникальную для

данного белка и определяющую его функцию .

биориентация (Ьi-orientation)
Симметричное расположеиие пар сестринских хро­

бело1(-активатор ( activator)

матид на митотич еском веретене, при

котором одна

Белок, связ ывающийся с определенным регулятор­

хроматида присоед инена к одному полюсу веретена, а

ным участком ДНК и включающий транскрипцию

друга.я

-

к противоположному.

близлежащего гена.
биосинтез (Ьiosynthesis)

белок-канал ( channel)
Водная пора в липидной мем­

•••

Образовани е живыми клетками сложных молекул из
более простых.

бране со стенками из белка, ч е­
рез которую MO L'YT и зби рательно
проходить

о п ределенные

или молекулы .

ионы

брожение

(fermentation)

Расщепление органических молекул без участия мо­
лекулярного кислорода. Эта форма окисления м енее

Словарь

723


пол н ая, ч м аэроб ны е н ро1(ессы, и дает ме,-н,ший вы­

б лком - рец птором. Некоторые сигналь ны е молеку­

ход э н ер,, ии.

л ы , н а прим ер, стероидны

гормоны , могут про ни кат 1,

внутрь клеток и действовать н а внутриклеточные ре­

буфер

цепторы; друr·ие (например, белки) действуют 1-1 а ре­

(buffer)

Любая слабая кислота или основание, которые могут

це пторы , встро е нны е в лла змалемму и - кс11O 11. ирован­

как 11ри1-1и матъ, так и отдавать протоны и таким об­

ны е н а клеточной поверхности .

разо м поддержиоап, постоянство рН при измене нии

внекл еточный матрикс

условий.

( extracellular шatrix)

Слож н ая сеть из полисахари 11ов (таких как г1н,rкоза­
валентность

миноrликаны или целлюлоза) и белков (таких как

( valence)

Для атома

-

число электронов, которые он с наиболь­

коллаген), сек ретируемых

клетками.

Структурный

шей вероятностью может приобрести ил и н отерять

компонент тканей, влияю щи й также на их разв итие и

(путем обобществления и л и передачи) для полною

фи зиологию.

заполнения внешнего электронного уровня. Так , на­
пример, валентность

Na - 1,

электрон; валентность

CI -

он долже н отдап, оди н

тоже

I, он

должен приоб­

рести один электрон. Валентиость атома равна числу

одинарных связей, кото рые он может образовать.

внутриклеточная сигнальная молекула

(intracellular

signaling шolecule)
Молекула (обычно белковая), фующионирующая ка1(
часть механизма передачи и ум н ожения сиг налов вну­
три клетки .

ван-дер-ваальсова сила

(van der Waals force)

Сила притяжения, связан н ая с флуктуациями элек­

внутриклеточный сигнальный путь

трическо го за ряда и вступающая в действие, если два

signaling pathway

(intracellular

н м. На

Набор белков и малых молекул (вторичных посредни­

меньшем расстоянии н ачинают действовать силы от­

ков), вза имодействующих между собой в ходе переда­

талкивания .

чи сигнала от клеточной мембраны к конечному п ун­

атома находятся на расстоянии от

0,3

до

0,4

кту назнаl1е ния в цитопла з ме и ли ядре.

везикула, пузырек

(vesicle)

Мал е нькая мембранная сферическая органелла в ци­
топлазме эука ри отической кл етки.

водородная связь

(hydrogen bood)

Слабая н ековалентная химическая связь между элек­
троотри цателы,ы м

везикулярный транспорт

(vesicular transport)

Транспорт веществ между орга неллами в эукариоти­

атомом

(например,

азотом или

кислородом) и атомом водорода, связанным с другим
электроотрицател r, ным атомом.

ческой клетке с помощью мембранных пузырьков.
восстановление ( reduction)
вектор

Добавление эле. ктро,-rной плотности к атому, LIТO про­

( vector)

В ге~1етике

генет иl1ес кий элемент, обычно бактери­

исходит, наприм ер , при добавле нии атома водорода к

офаг или плаз мида , используемый для переноса фраr­

атому угле рода или при удале н ии от не 1·O атома кисло­

меита ДНК в клеп(у ре ципи е нта с целью клонирова­

рода. Противоположно окислению (см . рис.

-

3-11).

ния ге на.

вторичная структура
взаимное за~(ручивание спиралей

( coiled-coil)

Особенио стабил ,,ная палоlrковид1-шя белковая струк­

( secondary structttre)

Регуля рный характер укладки п олимерной молекулы.

В белках

-

ал ьфа-сnираJ1ь и Jги бета-слой.

тура, образующаяся при зак ручивании двух или более

вторичный мессенджер, вторичный посредник (second

а-с пиралей дру 1· вокруг друга .

messenger)
вирус

Малая мол екула, образующаяся или выходящая в ци­

( virus)

тозоль в ответ на внеклетоLtны й сигнал и помогаюшаЯ

Частица, состоящая из ную1еино­
вой кислоты (ДНК или РНК) , за­

п ереда вать его в н утрь клетки. Примеры - цАМФ ,

кточенной в белковую оболочку
и способной размножаться вну­

иноз итолтрифосфат и ионы кальция.
ГАГ - см. rлиrюзаминоrликан

три клетки-хозяина и распростра­

няться из клетки в клетку. Часто

являются причиной болезней.
внеклето'IНая сигнальная молекула

гамета

( extracellular signal

molecule)

-

C.ht . клетка зародышевого пути

гаплоид, гаплоидный

(haploid)

Клетка или организм с одним набором хромосом

-

Любая молекула, при сутствующая вне клетки и спо­

наприме р, сперматозоид или бактерия (с.м. также ди­

соб н ая вызывать клеточный ответ при связывании с

ттлои д) .

724

Основы молекулярной биологии клетки


rаплотиn

обеих ко п ий такого ге н а в диплоид н ой клетке может

(haplotype Ыосk)

Ком б и н а ция аллелей и д ру ги х мар ке ро в Д НК н а х ро­

вы з ы вать ее 1-~еко н тролиру е мо е дел е ~1 и е , ха ракте р но е

м осо м е , кот о ры е н аел ду ются к а к кр у пный с ц епле н -

для раковых клеток

11 ый блок , в теч е ни е мн о ги х 11 околе 1шй н е раз ру ш ае­
м ый в резул ьтате ген ети ,1 ес ко й рекомб ин ации.

гетерозигота, гете розиготный

(heterozygous)

Хар акте ри зует орга н из м с раз ны м и алл елями да нн ого

ГДФ (~·уанозин-5'-дифосфат )

(GDP, guanosine

ге на .

5' -diphosphate)
Нуклеотид, об разующи йся в результате отще пления

rетерохроматин

(heterochromatine)

терминально го фосфата от ПФ п уте м ги дрол и за (в

У,rасток х ромосом ы , которы й обы чн о остается ко н ­

ходе реакции образуется та кже нео р га1-1 ический фос­

д е н си рован ным и тра н с кри п ц и онн о н еактиве н во вре­

фат) . ГДФ бы стро рефосфорилируется с образова ни ­

мя и1-пе р фазы .

ем ГТФ , обы,1но нутем п ре носа термин ал ь ного фос­
фата от АТФ в реакции АТФ + ГДФ----+ АДФ

+ ПФ.

гибридизация нуклеиновых кислот

(hybridization)

Экс п е риме 1-rтал ы-1ый про цесс, в ходе которого д в е
компл е м ен та р ны е це п и н у кле и н овой ки слоты об ­

ге н (gе пе)

Участок ДНК, ко нтроли рующ ий ди с к ретный наслед­

разуют двой н ую сп и раЛ1, . Мощн ы й метод для выяв ­

ств е нный призн ак организма; обыч но от вечает за син ­

ленин спе цифич н ых ну клеотидны х послед ователь­

тез одного белка ил и од ной мол екулы РНК

ност е й .

rе н ети1,а

(genetics)

гидроксильная группа , гидроксил ( - ОН)

Наука, изучаю щая гены о р ган из ма, .их наследова н ие и

(hydroxyl,

- ОН)

Химическая группа, состоящая из атом а водо рода,

и з м е н чивость.

соедине нного с I< исл о р од ом , нап р им е р в с пиртах ( с м .
ген етическая инжен ерия

-

вI<ладку

см. те хнол огии

2-1 , с. 70- 71).

рекомбинантных ДНК

гидролиз , гидролитический
ген етическая 1,арта

(genetic шар)

Графическое представление порядка расположения
ге нов в х ромосомах в с оотв етствии с проце нтом

р е­

комбинации между ними.
генетическая нестабильность

(hydrolysis, adjective

hydrolytic)
Рас щепление ковал ентной связи с п рисоединени ем
вод ы ; - Н присоединя е тся к одному п родукту рас ще ­
пле ния , а - О Н

(genetic instaЬiJity)

Повыш енный тем п мутирова н ия, набл юдаемый, на­

гидрофильный

-

к другому.

(hydrophilic)

Термин, ис п ользуемый при описа н ии полярной моле ­

появ лению

кулы ил и ч асти мол е кул ы , образующей достаточно во­

мутаций , нару ш а ющих норм а.т1 1, ный х од р е плика ц ии и

дородиых связе й с водой , ,побы легко растворяться в

прим е р ,

в

р а ковых

клетках ;

приводит к

н е й ( от слов ,.ш тобящий воду ~ ) [ многи е гидрофиль н ые

сохр ан енин ге нома.

в еще ства , напр им ер ц еллюлоза, хо р о шо с мач ивают с я

генетический код (geпetic

code)

водой, ~ю не растворяются в ней .

-

ПpuJ1t . пер ев. ] .

Набор п ра ви л, определяющих соответстви е между
нуклеотид нымк тр и п летами (кодонами) в ДНК или

РНК и а м ин окислотами в белке .

гидрофобный

(hydrophoblc)

Терм ин, и с пользуем ы й п р и описании не п оля рной мо­

лекул ы или ч асти моле кулы, не об разующей с вя зе й с
гене тический скрининг

(genetic screen)

Пои с к 0 11 р едел е нно~-о ф е нотипа в колл е кции му ­

молекул ами воды и п отому н е растворяющей ся в н е й

( от сл ов

~ боящийся воды ~ ) .

тантов .

rистон (his toпe)
геном

Одна из груп п многочислеиных осн 6вных белков, бо­

(genome)

Вся генетическая информа 1 tкя , соде ржащая ся в клет­

гатых а ргинином и лизи н ом и связ анных с ДНК в х ро ­

ке ил и орга н из м е (или м оле кул ы ДНК, соде рж ащи е

мосомах; форми руют н у I<ле осомы .

эту информ а цию).
гладкий эндоплазматический ретю,улум ,
ге нотип

(genotype)

гладкая э ндоплазматиче с1,ая сеть

Набор ген ов отдельной клетки или оргаиизм а.

(smooth endoplasmic reticulum, SER)
У,1асток э ндоплаз м атической

rе н-су прессор опухол и

(tumor suppressor gene)

сети, не связа нн ый с рибосо­

Геи, в нормал ьной тканевой клетке подавляющий про­

мами ; участвует в си н т езе ли­

хождение клеточного ци кла. Поте ря или инактивац ия

п и д ов .

Словарь

725


rликоrен

другой подобной структурой, у н асл дованно

(glycogen)

Пол и саха р ид, состоя щий только и з о татков 1·л юкоз ы;

от об­

щего пр ед к а.

и с пол ьзуется для за паса 1-1 ия э н е ргии в животных клет­

ках. Кру пны е гранулы гликогена особен н о многочис­

гомологическая рекомбинация (hoшologous recoшbl11ation)
Ге11 етич ск ий обме ,-, меж;(у парой и де н ти чных или

ленны в клетках п е ч е 1-1и и мышц .

оче н,, сход ны х п оследователь н остей ДН К, об ычн о ло­

rликозаминоrликан (ГАГ)
Семейство

кализован н ых н а п аре гом0Jюп1чны х х ромосо м . Сход­

(glycosaminoglycan, GAG)

пол и саха ри до в

бол ьшой

моле куля рной

массы , соде ржащи х аминосахара; при сутствуют в гли­

ный процесс и с п ользуется при р е п а рации дву ни тевых
раз рывов в ДНК

кокаликсе животных кл еток.

гомологичные хромосомы
rликокаликс, углеводный слой

(homologous chromosome)

Две ко пии одной и той же хромосомы в ди плои дн ой

(carbohydrate layer)

Слой и з остатков сахаров, в том чисж углевод ной ч а­

клетке, одна и з которых п олуче на от отца, другая

ст и

матери.

протео rл ика нов

и

олигосахаридов ,

прикрепл е н­

-

от

ных к л ипидным мол еку л ам , на н аружной пов е рхно ­

гомологичный

сти кле тки.

(homologous)

Те рмин, и спользуемый при описа,-гии орган ов или мол е­

rликолиз

кул, сходных из-за общего эволюциошюго происхожде­

(glycolysis)

Свойственны й всем клеткам метабол ичес кий путь , в

ния [rомологич,-rыми могут быть также клетки, органел­

ходе которого происходит н е полно е расщ е п ление са­

лы и другие структуры.

харов (так переводится слово <<гликолиз>> ) с образова­

чай использования этого термина

нием АТФ. Происходит в цитозоле.

посл едовател ьносте й аминокислот и последователъно­

-

Прим. перев. ] . Отдел ьный слу­

-

описание сходства

стей нуЮJеотидов в нуклеиновых кислотах.

rликолиnид

(glycolipid)

Мол екула м е мбранного л ипи да с короткой углевод­

гомологичный ген

-

см. гомологичный

ной це пr,ю, прикре пл е нной к ги д рофобному хвосту

[так
ве. -

в тексте ; на самом деле

-

к r ид рофи лыюй голо­

Прим. перев. ] .

горизонтальный перенос генов

(horizootal gene traпsfer)

Пр оцесс, при котором ДНК передается от организма

одного вида к организму другого вида, вызывая стой­
rликопротеид

кие из м ене ния состава ДНК ре ципи ента. Противоп о­

(glycoprotein)

Любой белок с одним или более лрисоед ине н11ыми

ставляется ~ ве ртикальному п е ре н осу>>, при J<отором

олигосахаридн ым и целями . К гл и копротеида м ошо­

гены п ереда ются от родителей потомкам .

с ится большинство сек рет ируе мых белков и белков,
гормон

11 аходящи хся на наружной пове рхности клетки.

(hormone)

Химич еское вещество, образуемое опреде.1Jе1-1ны ми клет­

rлобулярны:й белок

(globular proteiп)

ками м1 юго клеточного ор ,·анизма и 11ере 1юсимое через

Любой белок с приблизительно округлой формой мо­

жидкую среду организма к тканям-мишеням, в которых

лекул. Большинство фе рм ентов

оно выз ывает с пецифиt~ный эффект [под это определение

-

глобуля рные белки.

подходят многие м етаболиты (моч евина и т. п. ) . важно
глюкоза

(glucose)

Шестиуrлеродный

сахар, играю­

щий главную роль в метаболизме
живых клеток. Запасается в виде
полимеров

-

гликогена в жи:вот­

ю,1х клетках и крахмала в

тельных (см.вкладку 2-3, с.

подч еркнутъ, что гормо ны выпол няют сигнал ьну ю фу нк­

уН 2 ОН

н/9 -- о
1

?

но

расти­

Н

он
1

1

,/?

1, Н

с-с

1

н

74- 75).

н

он

1

он

цию и об 1,r-пю действуют <1ерез специфич1-LЬ1 е белк и - ре­

це п торы и с и стему усиления с игн ала.

-

Пршt. перев.].

гранулярный эндоплазматический ретикулум,
гранулярная эндоплазматическая сеть

(гранулярный ЭПР, гранулярная ЭПС)

(rough eodoplasmic reticulum, RER)
rлюконеоrенез

Участо к э ндо п лаз матич еской сети, связа 1-1ныи с рr,r­

(gluconeogenesis)

Синтез гл юкозы из д ругих малых орга~шч еских моле­

босомами и участвую щий в синтезе секретируемы х и

кул, так и х как лактат, пирув ат или ам инокислот ы .

мембранных белков .

гомозигота, rомозиrотный

(homozygous)

группа

-

см. химическая группа

Те рмин, используемый при описании орrаиизма, им е­
П'Ф (rуанозин-5'-трифофат)

ющего иде ,пичные аллел и да нн ого гена.

(GTP, guanosine

5'-triphosphate)
гомолог

структу­

Од ин из основных нуюrеозидтрифосфатов , и с пользу­
е мый ,три с ии тезе РНК и в некото рых реаJ< циях л ере­

ра или макромолекула, име ющая глубокое сходство с

носа эне ргии . Выполняет также особые функции лрИ

(1)

726

(homolog)

Сл·t. гомологичны е х ромосо мы.

(2) Любая

Основы молекулярной биологии клетки


сборке микротрубочеJ<, си 1-пезе белка и вн утриклеточ­

с игналы . Состоит и з двух остатков жирных ки слот, со ­

ной си rшurиза ции .

еди н ен ны х с глице рином . Служ ит ло кали зова нной н а

мембране с игнальной молекулой, помогающей акти­

ПФ-связывающий белок (GTP-bindiлg protein)

виро вать проте инк и1-1а зу С.

Аллостерический белок, конформация и актишюсть ко ­
торого определяется связывани ем с ни м П'Ф или ГДФ.

Многи е такие белки (на прим ер ,

Ra

или G-белки) уча­

диверге нция

( divergence )

Различие, п риобретенtюе из-за накопл е ния мутаций в
последовательности ДНК, унаследованной от общего

ств уют во внутриклеточной сил-~ализации .

пр ед ка.

ДАГ

- см . диацилrл ице рол
дидезокси-ДНК-се 1ше нировани е

дальтон

(dalton)

(dideoxy DNA

sequencing)

(1 ,66

х

10-24

1/ 12

мас­

Стандартный метод сек венирования ДНК. Испол ь­

г) ; прибли ­

зуются ДНК-полимеразы и терминирующие синтез

Единица атомной массы. Опр едел я ется как

с ы атома и зотопа уrле рода- 12

зител ыю раве н массе атома водорода (протия).

двойная связь (douЫe

це пи н у кл еотид ы .

дикий тип

bond)

( wild type)

Ти п хим-и-ческой связи м ежду двумя атома, возникаю­

Нормальная, не мутантная особь данного ви да, по ­

щий n ри обобществлении Llетырех электронов.

явившаяся в р езультате р азмноже ния в естественных
условиях.

двойная спираль ( douЫ e
Типичная

helix )

ко нформация

мол екул ы

ДНК, при которой две полину клеоти д­

димер

( dimer)

н ы е цеn и закруч ены друг вокру г д ру га

Структура, состоящая из двух половин . Гомодимер со ­
стоит и з двух идентичных субъед иниц , гетеродил,t ер -

за счет спаривания м ежду собой основа­

и з двух р аз ных .

ний разн ых це п е и .

динамическая нестабильность

( dynamic instabllity)

Способность миТ<ротрубоl1 ек к ч ередо ва нию роста и
деацетилаза rистонов

(histone deacetylase )

Фермент, удаляю1ций ацетил ьны е группы с остатков

распада при добавле нии и поте ре тубулиновы х субъ­
единиц и а их свободных концах.

лизинов в гистонах. Ацетилированное состояние ги­

стонов служит сигналом, привле кающим д ругие бел­
ки, активирующие и ли пода вляющи е транскрипцию.

динеин

(dinein)

Чл е н семейства крупных моторных белков, осущест­
вляющих АТФ- зави симое движе ни е по миТ<ротрубоч­

дезоксирибонуклеиновая кислота
денатурация , денатурировать

-

см . ДНК

( denature )

Резкое и змене ни е конформации белка или нуклеи но­

кам. Динеин обеспечивает из гибание рес ничек.
диплоидный , диплоид

(diploid)

Термин , используемый при описании клетки и л и ор­

вой кислоты при нагре ва нии или воздействии х ими­

га низ ма , соде ржаще го два 1-1 абора гомологичных хро­

чес ких веществ. Обычно приводит к поте ре биологи­

~юсом и таким образом им ющеrо две копии Т<аждого

ческой а ктивно сти .

гена или генетического локуса ( см . также га плоид).

десмосома

( desmosome )

Специа.11 из ирован ный межклеточ ­

дисульфидный м остик ( дисульфидная связь ,

связь)

S- S

(disulfide bond , S- S bond)

ный контакт, обычно формирую­

Ковалеитная свя з ь,об разу ющаясямежду двумя сул 1,ф­

щийся между двумя э пи тели аль­

rидрилъиыми

ными клетками; содержит д в е плот­

н ов.

ные пластины из белков, к которым

двух белков или разных частей одного белка во вн е ­

n рисо ед и няются

клеточном про стра н стве.

пром ежуто ч н ые

-

rрулпами цисте инов

[ или

метиони­

При..м. перев. ]. Обычный вариант соединения

фил а менты соседних т<леток.

дифференцировка
детергент

Мылоподоб ное вещество , ис пользуемое биохимикам и
для солюбилизации мемб ранных белков.
диацил rлице рол (ДАГ)

( differentiation)

Про цесс, в ходе которого кл тТ<и посте п е нно становят­

( detergent)

(diacylglycerol , D AG)

ся более спе циализированными и обычно прев раща­
ются в ле гко опознаваемый тип клеток.

диффузия

( diffusion)

Липид, образующийся при расще пле нии мембранных

Распрост ра t1 ение в п ространстве моле кул и д ру гих ма­

инозитидных фо сфол ипидов в ответ на вн еклетоlшы е

лых частиц за с ч т хаотиlr ес кого теп лового движ е ния.

Словарь

727


длина связи

жгутик

(bond length)

(tlagellum, plural tlagella)

Расстояние между двумя атомам и в молекуле [точ1-1 се,

Дл и1-шы й, п л тевид1-1ый

между их це1-1трами.

в ыр ост,

-

Прим. перев. ] , обычно

-

между

связанным и ковале нтно й связью.

клетку

продви1·ающий
в жидкости

би.е нии .

при

Эука риотичс­

ДНК , дезоксирибонуклеиновая кислота (DNA,

ский жгути1<

deoxyribonucleic acid)

н ая

ве рс и я

-

удли н с1-1р ес нички ;

Двухцепочеч1-1ый nолин уклеотид, состоящий из двух

прокариотич ский жгутик устрое н совер ш ен но ин аче,

отдель1-1ых цепей ковалентн о свя занны х дезоксири бо­

0 1-1 тоньше и имеет более простое ст роени е.

иуклеот и дов . Содержит 1-1 аследстве 1-1н у ю и1-1формацию
клетки, передающуюся из поколения в покол е ни е.

железо-серный центр

(iron-sulfur center)

Од 1-ю из сем ейств п ере н ос чиков электро1-ю в, содер­
ДНК-лиrаза

-

см. лигаза

жащих ато мы железа, связа нны е с атомами се ры и ра­
дикалами ци сте ина; входят в состав электрон -тран с­

ДНК-микрочип

портных це п ей (например, в митохондриях и хло ро ­

(DNA microarray)

Стеклянная ш1 асти н.ка с боль­
шим

ч:ислом

(обыlrно

пластах ) .

десят­

жир

ками тысяч) разных коротких

(fat)

молекул ДНК, и:ммобилизован­

Липиды, за п асаемые живыми клетками как источник

~tых и

э 1-1 е рг ии. В основном состоят из триацилглицеридов

рас положенных

в опре­

деленном порядке . Каждая из

( см. вкладку

2-4, с. 76- 77).

этих молекул ДНК действует
как зо 1-1д для определе 1-lного ге на, позволяя одновремен­

но выявить молекулы РНК

-

продукты тысяч генов.

жирная кислота
В е щества,
иы е

ДНК-полимераза - см. полимераза

(fatty acid)
п одоб­

~

паль митиновой

кислоте

-

__,..Jл"l)...J

им ею щи е

кислую карбоксиль-

домен

( domain)

)

ную гру ппу, присоединенную к длинной углеводо­

Н ебольшой дискрет ны й участок какой-либо струк­

родной це пи. Испол ьзу ются как главный истоqник

туры. Белковы е до м ен ы

компактные участки по­

э нергии в ходе м етаболизма; с них на'fю-~ается также

укладкой .

синтез фосфолипидов ( см. вкладку

-

липептида со стабильной
домен

-

Мемб ранный

2-4, с. 76- 77).

участок бислоя с характерным ли пи дн ым и

белковым составом.

закон независимого наследования

(law of independent

assortment)
донор электронов

Второй [ ~rумерация законов Менделя разли чается в раз­

( electron donor)

Молекула, лег ко отдающая электр о 1-1ы (и при: этом

ных источниках. Данный закон выполняется только для

окисляющаяся).

несце пле нных (находящи хся в раз ных п арах гомоло­
ГИЧJ-JЫХ хромосом) генов.

дрожжи

Прим. перев. ] за.~<он наслед­

-

стве 1-1ности, открытый М ен делем; гласит, что во время

(yeast)

Общее 1-1азва.11 и

нескольких се­

образоваНJ1Я гамет аллели разных генов сегреrируют

мейств одноr<Леточных грибов;

( попадают в да.~-шую гам ету )

незав и симо друr от д руга.

некоторые дрожжи используют­

ся как модельные объекты для

закон расщепления

(law of segregation)

Первый [н умерация законов Ме нделя р азл ич ается в

и зуqе ния эукариотических кле ­

ток. Включают виды, используемые для пивоварения и

раз ных и сточниках . Этот закон в р усскояз ьrчных ис­

хлебо пе'fс ния, а также болезнетво рные виды.

точ никах обыч н о называют зако ном Lfистоты гамет;
закоа расщ е п ления

дупликация гена

3:1

описывает результаты моноги­

б ри д ноrо скрещивания .

(gene duplication)

Изредка происходящее удвоение гена (или у частка

-

Прим. перев. ] закон наслед­

ств нности, открытый Менделем; гласит, что мате­

цепи ДНК, содержащего нес колько ге нов) в геноме.

рин ский и отцовский аллели, отвеqающие за данньrй

Две возникшие ко пии гена затем могут диверги ровать

признак, п опадают в rаметы по одному, а затем объ­

вследствие накопления мутаций. Ген 1-lы е семейства

еди няют ся в ходе оплодотворения.

воз никают в р езультате се рии ге нн ых ду пликаций .

замещение rена
дыхание

(gene replacement)

Замеще ние норм ального ге н а данного орга ни зма на

(respiration)

Общее название процессов, в ходе которых клетка по­

его вариант, который б ыл изменен с помощью искус­

требляет молекулярный кисло род

ственного мутагенеза

углекислый rаз (С0 2 ) .

728

(0 2)

Основы молекулярной биологии клетки

и производит

ния фушщий генов .

in vitro. Используется для изуче­


зародышевый путь

инициаторная тРНК, стартовая тРНК

(germ line )

(initiator tRNA)

Ли иия ге 1-1ератив ны х клеток, пр д11 азначе 1н1 ых для раз­

О собая тРНК, инициирующая тра1-1 сляцию. Всегда

м1-юже 1-1 ия и в н ося щ их вклад в форми рование нового

н есет а миноки слоту метионин.

п околения организмов (в противоположность сомати­

ч еским клеткам , которые образуют тело ор ган изма, но

инозитол-1,4,5-трифосфат

н е остаю,яют 1 rотомков в следую щем по колении).

1,4,5-trisphosphate, IP 3 )

(IP 3 ) (inositol

Небольшая внутриюrетоlrная сигн альная молекула,

звезда

образующаяся при активации фосфоинозитид ного

( астер) ( aster)

Звездообразная с исте ма ми кротрубо ч ек, отходящих

сигнального пути; вызывает высвобождение ионов

от це н тросомы или полюса м и тотическо го веретена .

кальция и з э ндопла з матиl1еской сети.

зеленый флуоресцентный белок

(GFP) (green

инозитол

(inositol)

Мол е кула

tluorescent protein, GFP)

сахара с

шестью

ги­

Флуоресценп-1ый белок (из медузы), широко исполь­

д рок с ильными группами, форми ­

зуем ый как марк ер для слеже ния за п е р емещени ем

рующая основу для иноз ито льных

белков в ж ивых клетках.

фо сфолипидов.

зигота

( zygote)

Диплоидная 1<лет~<а, образующаяся при сл иянии муж­

но~он
он

он но он

инозитольные фосфолипиды ( фосфоинозитиды)
(inositol phospholipids, phosphoinositides)
Минорный липидный компонент плазма.ле ммы, в со­

ской и жеаской гамет. Оплодотво ре нная яйцеклетка.

став которого входят фосфорилированные лроизво­

изменение свободной энергии, ЛG

дны е инозитола. Играют важ ную рол ь в разл ичении

(free energy change, ЛG)
« Дельта Gi>, разность соде ржан11я св ободной э не р­

лов в эукариотичес ких клетках.

ги и

исход ного вещества

и

раз ных внутриклеточных мембран и в п е редаче сигна­

продукта химической

реак ции . Большое отрицател 1,н ое з н ачени е ЛG по­

интегрин

(integrin)

казывает, что р еак ция с высокой в ероя тностью ид ет

Семейство тра~tсмембранных белков, присутствую­

само пр оизвольно . Стандартное из м ен ение свобод­

щих на клеточных поверхностях, обеспечивающих

ной э нергии ЛG
и з м е р ен но е

при

0

-из м е нение свободной эн ергии,

определенных

м ежклеточную адгез ию и прикрепл е ни е кл еток к меж­

клеточному матриксу; уч аств у ют также в клеточной

концентрации, дав­

ле нии и температуре .

изомер (стереоизомер)

( isomer, stereoisomer)

с игн ал иза ции.

интерфаза

(interphase)

Одно из двух или более веществ, состоящих из одина­

Длительный пе риод клеточного цикла м ежду д в у мя

ковых ато мов и имеющих одну молекулярную форму­

последовательными митозами . Включает фаз ы

лу (наприм е р, Св1-I, 2 0 6 ), но разное простран ств енное

и

расположение этих атомов. Оптические изомеры яв­
ляю тся зе р кальным отражением д руг друга.

G 1, S

G 2•

интерфазная хромосома

(interphase chromosome)

Состояние эукариотической хромосомы в промежут­
изотопы

ке между делениями клеши. Такие хромосомы транс­

( isotopes)

Две или более раз новидности атомов од1-юго химич е­

крипционно активны и гораздо дл иннее, чем митоти ­

ского эле мента. Имеют одинаковые химическ ие свой­

ч еск и е .

ства, но различаются атом ной массой, могут быть ста­
бильными или радиоактивными.

интрон

(intron)

Некодирующий участок эукариотического гена, кото­

Ингибирование конечным продуктом

рый транскрибируется в молекулу РНК, но затем вы­

(feedback inhiЬition)

резается в ходе сплайс инrа при образовании иРНК.

Форма регуляции м етаболиз ма, лри которой коне<r­
lfЫЙ продукт це пи ферм ентативных реакций снижает

ион

(ion)

активность фермента, действующего на ранн ей стадии

Атом, несущий электрический за ряд (лоложительный

этого пути.

или отрицатель.вый) .

индуцированная плюрипотентная стволовая клетка

(ИПСК) (induced pluripotent stem cell, iPS cell)

ион водорода

(hydrogen ion)

Те рмин , обычно используемый для обозначе ния про­

Соматическая клетка, возвращенная в состоя ние, на­

тона (Н+) в водном растворе. Поскольку протон лег­

поминающее состояние эмб риональ ных стволовых

ко соединя ется с мол екулой вод ы, образуя ион Н 3 0 +,

клеток, с помощью и скусственного вв еде ния опр еде ­

ле нного набора генов.

более правильно называть его ионом гидроксония ( см.
вкладr<у

2-2, с. 72- 73).
Словарь

729


ион гидроксония, Н 3 O+

(hydronium ion , Н 3 О+ )

катализ

( canalysis)

Форма , принимаемая протоном в водном растворе

Ускоре н ие химической реакции из-за лри утствия ос­

(см. вкладку

щества (катализатора) , которое остается после р ак­

2-2, с. 72- 73).

ции н еизме нны м . В клетках практически все химиче­

ионная связь

ск и е реакции катализируются (ферментами) , что по­

(ionic bond)

Сила притяжения, удерживающая вместе два иона

-

один ло;южителы rы й и один отрицательный .

ионный канал

зволяет им протекать с ~,уж ной скоростью при ни зкой
тем п ер атуре, свойствен н ой живой мат е рии .

катализатор

(ion channel)

( catalyst)

Трансмемб ра~н1ый белок или белковый комплекс, об­

В е щество, ускорнюш:ее химическую реакцию и лри

разую щий запошr е нный

этом остающеесн в результате реакции

водой ка нал, пронизываю­

щий липидный бислой, ч е рез который специфичные

Ферм е 1пы

-

неизменным.

это белки-катализаторы.

н ео рганические ионы могут проходить по элект рохи ­

катион

мическому градиенту.

( cation)

Положительно заряжен ный ион, например,

кадrерин

Na+ или

CHЗN HJ + .

( cadherin)

Б елок, принадлежащий к семейству белков, обес п е­
чивающих Са 2 +-зависимую межклеточную адгезию в

(kilojoule,

kJ)

Стандартнан ед ииица эне ргии, равнан

тканнх животных.

калория

килоджоуль (кДж)

килокалория (ккал)

( calorie)

0,239 ккал.

(kilocalorie, kkal)

Едииица и зме рения энерпш ( количества тепла). Одна

Единица измерения количества теплоты, равная ты­

калория (малан калория)

сяче калорий. Часто используется для обозначен ия
содержаиия энергии в пище; сила химических связей,

-

количество тепла, необхо­

димое для п овыш ения температуры

1 ,, воды

на

1 • с.

наприме р , измеряется в ккал/моль. Альтернативная

кальмодулин

( calmodulin,

СаМ)

широко

Мале н ький Са 2 + -связываrощий белок, и з ме няющий
актив ность многих мишеней
ных транспортных белков

-

-

используемая

единица измерения

-

кило­

джоуль.

ферментов и мембран­

в ответ на изменение кон­

киназа

-

см. протеинкиназа

центрации Са2+ .
кинезин
карбоксильная группа

Атом углерода, соединен ный двойлой свнзыо с ато­
мом кислорода, а одинарной

пой (см. вкладку

-

(kinesine)

Большое семейство мотор-

( carboxyl group)
с гидроксильной груп­

ных белков, использующих
э нергию шдролиза АТФ для

>

движения по микротрубоч-

2- 1, с. 70- 71).

кам.

карбоксильный конец

-

см. С-конец
кинетохор (kinetoclюre)

карбонильная группа

( carbonyl group)

Сложная белок-содержащан структура на митотиче­

Пара атомов, в которой атом углерода соединен двойной

ской хромосоме, к которой кре пятся микротрубочки.

связью с атомом кислорода (см. вкладку

2-1, с. 70- 71).

Кин етохо р формируется на участке хромосомы, назы­
оа е мом центромерой .

кариотип

(karyotype)

Картина полного набора хромосом клетки, расположе н ­
ных в соответствии с их разме ром, формой и числом.

Ион калия

-

ион, им еющий наибольшую концентра­

цию внутри живых клеток.

каскад

-

см. сигнальный каскад

кислота
каспаза

( caspase)

Белок семейства, члены которого активируются при
запуск е п ути, ведущего к а полто зу.

( acid)

В коитексте клеточной биологии

-

органическая мо­

лекула, диссоциирующан в воде с образованием иoJ-Ja
1· ид роксония Н 3 O+, создаю щая тем самым низкое зна­

чение рН .

катаболизм

( catabolism)

Общее обозначение фе рм еюативных реакций в клет­
ке, в ходе которых сложные молекул ы расщепляются

клатрин

( clathrin)

Белок, из которого состоят оболочки одного из типоD

на более п рост ы е с выделением э и е ргии . Промежуточ­

транспортных везикул. Окаймленные клатрином ве­

ны е проду1пы та1<их реакций иногда называют катабо­

зикулы отпочковываются от аппарата Гольджи пр 11

литами.

сек реции и от л лазмалеммы при э ндо цито зе .

730

Основы молекулярной биологии клетки


слой богат актином и отвечает за подвижность клеточ­

клепtа ( ceU)
Основ н ая еди ница, из которой построены живые орга­

ной пове рхности.

ни змы . Состоит из водного раствора органических мо­

лекул, окруженного мембраной. Все клетки возникают

клеточный цикл ( cell

из предшествующих клеток, обычно путем деле ния.

ки:

клетка зародышевого пути (гамета)

cycle)

РепродуI<Т И В НЫЙ цикл клет­
уп орядоче нная

до вател ьность

(germ cell, gamete)

п осле­

событий ,

в

[Обычно эти термины не СLJ итают с инонимами . К

р езультате

клеткам з ародышевого пути кроме га м ет относятся и

удваивает свое содержимое

их пред ш естве н.ники, начиная с диплоид ных п е рвич ­

и делится надвое .

ных половых клеток.
Клеточ ный

тип

-

котор ы х

кл етка

При.м. перев. ]

диплоидного

ор 1·анизма,

несущий

клонирова•rnе ( cloning)

лишь оди н ~, або р хромосом и с п ециал и з ированный

Создание множества иде нтичных ко пи й J<леп<и, моле­

для 1юJю 1юго размноже ния. Сперматозоид или яйце­

кулы ДНК или организма [создание иде нтичных копий

клетка [гаметы им еются и у гаплоидных орга низ мов ,

кл етки ил и организма невозмож но

-

на приме р вольвоксовых водорослей , приLrем у ряда

создани е их ген етических коп ий.

Прим. перев. ].

видов все гаметы одинаковые.

-

-

возможн о только

Прим. перев. ] .
клонирование ДНК

-

с.м. клонирование

101еточJ-~ая линия ( cell line)
Популяция кл еток растительно1·0 или животного про ­

км

исхожде ния, с пособных неограниче нно долго делить­

Концентрация субстрата, при которой скорость рабо­

ся в культуре.

ты фе рмента равна половине максимальной. Больши е

з н ач ния Км обыч но свидетельствуют о том, что фер­
клеточная локомоция ( cell

мент связывает свой субстрат с отн осительно низкой

locomotion)

Активно е п еремещение клетки в про стран стве .

клеточная память ( cell

аффи нностыо.

ковалентная связь ( covalent

memory)

bond)

Способн ость клеток и их потомков без изменений по ­

Прочная хи мическая связь м ежду двумя атомами , воз­

следовател ы-юсти ДНК сохранять след ы прежних воз ­

ни кающая при обобществлении одной или несколь­

действий в виде и змен енной картины экспрессии генов.

r<их пар электронов .

клеточная сигнализация, межклеточная сиrнализация

когезии ( cohesin)

Б елковый комплекс, образующий кольца, удержива­

( cell signaling)
Мол екуля рны е механизмы, с помощью котор ы х клет­

ющи е вместе сест ринские хроматиды после удвоения

ка рас п ознает внешние воздействия, отвечает на них и

ДНК в ходе клеточtюго ци ю1 а.

п е р едает сигналы другим кл еткам.

кодон ( codon)
Клеточная стенка ( cell

Последовательность из трех нуклеотидов в молекул е

waU)

Меха нически прочный волокнистый слой, отклады­
ваемый кл еткой сн аружи от плаз мал еммы. Хорошо

разв ит у больши нства клеток растений, бактерий, во­
дорослей и грибов , но отсутствует у большинства жи­

ДНК или иРНК, содержащая ин струкцию о включе­
нии специфичной аминокислоты в растущую поли­
п е птидную це пт,.

коллаген ( collagen)

вотн ы х кл ето1с

Фибриллярный белок, бо 1·атый 1·лицином и проли ­
l(Jlеточное деление ( cell

н ом; глав ны й компонент м ежкл еточного матрикса и

division)

Разделение клетки на две до че риих. В эукариотиL1 е­

соединительных тканей. Существует множество форм

ских клетках включает деление ядра (митоз ) и сле­

коллагена; тип

дую щее сразу вслед за ним

жится в коже, сухожилиях и костях ; тил

разделе ни е цитоплазмы

тип

(цитокинез ).

КJ1еточ]IЫЙ контакт, межклеточный контакт

(celljunction)

Сп ециализи рованный участок соедииения между дву­

IV -

1, наиболее

распространенный, содер­

11 -

в хря щ ах;

в базальной пластинке, и т. д.

комбинаторный контроль ( comblnatorial control)
Способ регуляции, при котором комбинации несколь ­

мя клетками или между клеткой и внеклеточным ма­

к~rх разных белков контролируют э кс пресси ю одно 1·0

триксом.

гена.

клеточный кортекс ( cell

cortex)

компле1tс макромолекулярный

( complex)

С пе циализированный слой цитоплаз мы на внутрен­

Набор м акромолекул, связанных друг с другом неко­

ней сто рон е плазмалеммы. В животных клетках этот

вал еитиыми связями и формирующих большую ма-

Словарь

731


кромолекулярную структуру. Комплексы и з белков

белковые комплексы, из белков и ДНК

-

нуклео про­

-

результате между ними происходит обмен участками
ДН К

теидные комплексы.

К - см. 1сонстанта равновесия

комплементарная ДНК (кДНК)

(complementary DNA,
ламеллоподия

cDNA)

(lamellipodium)

Молекула ДНК, представляющая собой копию иРНК

Динамичиый л исто гюдобный вырост 1-1а поверхности

и по этому лишенная

животной к; 1 етки, как правило , движу щейся по какой­

интрш-юв,

соде ржащи хся

в

ге­

номной ДНК. Ис пользуется для определения ами но­

либо поверх ности.

кислотной последователь ности белка путем секвени­
рования ДНК или дл я полу ч е ,шя больших количеств

белка с помощыо клонирования и последу ющей экс ­

лиrаза

(ligase)

Фе р мент, соединяющий две це пи ДНК конец в конец.

прессии .

лиганд
комплементарность

(ligand)

Общее J-1азвани е для

( complementary)

Точное взаимное соответствие двух мол кулярных

молекул, связ ывающихся со

спе цифичным участком белка.

пове рх ностей, между которыми образуются н екова­
лентные связ и. Примеры

-

комплементарные пары

оснований, н ап рим е р А и Т, и комплементарные це пи

лиганд-зависимый канал

(ligand-gated channel)
Ионный канал, открываю­

молекулы ДНК.

щийся при связыв ании ма­
конденсация

-

лой молекулы (например,

см. конденсация хромосом

ией ромеди ато ра) .

конденсация хромосом

( chromosome condensation)

Процесс, в ходе которого хромосомы приобретают бо ­
лее компактную струюуру п е р ед М - фазой клеточного

лидирующая цепь

(leading strand)

Одна и з двух вновь с интез ируемых цепей ДНК в ре­
п л икациоююй вилке. Лидирующая ц е пь синтез ирует­

цикла.

ся 11епрерывно в налравлении от

конденсин

5'-

к 3'-концу.

( condensin)

Б елковые комплексы с кольце подобной структу рой,

лизосома

(lysosome)

Внут риклеточt1ая мембранная органелла, содержащая

участвующие в ко нденсации хромосом.

пищева рительны е фе рменты , обычно более акт ивные

константа равновесия, К ( equilibrium

constant, К)

Число, характеризующее устойчивое состояние, до ­

при кислых знаLJениях рН , характерных для данно й
органеллы .

стигающееся в ходе обратимой химической реак ции .
Задается соотношение м констант скоросте й прямой и

обратиой реакций (см. табл.

3- 1, с. 98).

лимфоцит

(lymphocyte)

Белая клетка крови, обес п ечи ваю щая ответ на появ­
леии е инород ных молекул (антигенов) . Лимфоциты

конформация

либо секрет ируют антитела (В -клетки) , либо регу­

( conformation)

Простраист веююе расположе ние атомов в молекуле,
их

положен и е относительно д р уг друга;

конкретная

л ируют имм у нны й ответ и участвуют в клеточных

реакциях иммунитета (Т-клетки) [ особые типы В - и

трехмерная структура белка или другой макромоле­

Т-клеток также обеспечивают иммунную память.

кулы.

Прим. перев. ] .

кофермент А, коэнзим А (КоА)

(coenzyme А,

СоА)

липид

-

(lipid)

Малая молекула, используемая при фе рме нтативно м

ОрганИ LJ еская молекула, н.ерастворим ая в воде, но

п ереносе ацильных групп в клетке ( см . также ацетил­

хорошо

КоА и рис.

р аство рителях. Оди н и з классов липидов, фосфоли­

3-36).

растворимая

в

н еполя рны х

о р га нич ес ки х

пиды , является стру кту рной основой биологич еских
крахмал

(starch)

мембра ,-1.

Пол исахарид, состоя щий исклю чител ьно из остатков
гл юкозы; используется для запаса ния эн е ргии клетка­

ми расте ний .

липидный бислой

(lipid Ьilayer)

Тон кий бимолекул ярный слой, состо­
ящий в основном из м олекул фосфо ­

кроссинrовер

( crossing-over)

Процесс, в ходе которого две гомологичные х ромосо ­

липидов и являющийся структур н ой

основой всех клеточных мембран. Два слоя ли пидных

мы раз рываются в соответствую щих сайтах и вновь

молекул расположены их гидрофобными

соед иняются , образуя рекомбинантные хромосо мы ; в

внутрь, а гидрофильными головами

732

Основы молекулярной биологии клетки

-

концамн

н аружу, к воде.


макромолекула

последователь ность нуклеотидов ДНК может слу­

( macromolecule)

Молекул ы с молекулярной массой боль ш е н ескол ьких

ж ить матрицей , направляющей синтез новой ком пле­

тысяч дальто н

ментарной цепи ДНК.

например, белки, н укле иновые кис­

-

лоты и полисахари ды. (От гре ч .

maliros -

боль шо й) .
матричная РНК (мРНК), информационная РНК (иРНК)

маIСрофаг

(messenger RNA, mRNA)

( macrophage)

Клетка, присутствую щ ая в тканях животн1, 1 х и с пеци­

Мол е кула РНК, определяющая аминоки слотн ую п о­

ал и з иру ющаяся н а логло щении ч астиц путем фагоци­

следовател ьность белка. Образуется (у эукариот) при

тоза; макрофаги происходят от од ной и з разновид н о­

сплайс инге РНК из б6лъшей молекулы РНК, сюrтези­
руемой РНК-пол им е разой как ком лементарная ко пи я

стей бел ы х клеток крови .

ДНК. иРНК транслируется в белок в ходе процесса,
катализируемого рибосомой.

макроэрrи•1еская связь, высокоэнергетичесIСая связь

(high-energy bond)
Ковале н тн ая связ ь , при

гидролиз е которой высво­

бождается н обычно большое количество свободной
э н е ргии nри физиологических услов иях. Примеры

-

фосфодиэфирная связь в АТФ и тиоэфирная связь в

медиатор местного действия, параIСринньrй фактор

(local mediator)
Секретируемая сигнальная молекула, действую щая н а
коротком расстоя ни и на соседние кл етк и.

ацетилКоА.
мейоз

малая интерферирующая РНК,

( meiosis) *

О собый способ клеточно 1-о деле ~шя, путем которого

siRNA

образуются яйцеклетки и с пе рматозо иды. Вклю чает

(small interfering RNA, siRNA)
Короткие фрагменты РНК, образующиеся из двухцепо­

два

чечнъгх РНК в ходе РНК - интерфе ре нции . Спаривают­

ци кл удвое ни я ДНК В резул ьтате и з одной исходной

ся с иде н тичными фрагментам и дру 1-их РНК, что при ­

диплоид ной r<летки образуются четыре доче рни е га­

водит к инактивации или деградации РНК-миш ени .

плоид1-11,1е клетки. (От греч.

по следо ват ел 1,ных

деле ния

ядра

mei.osis -

и

только

один

у меиьш ени е. )

* [Путем мейоза гаметы образуются у животных; у рас­
малая ядерная рибонуклеопротеидная частица

(snRNP)
(small nuclear ribonuclearprotein particle, snRNP)
Ст руктур ная единица сплайсосо мы,

состоящая

тений и многих грибов так образуются с поры. - Прим.
перев .]

из

РНК и белка.

мембрана

(membrane)

Тонкий слой липи дных молекул и ассоциированных с

малая ядерная РНК

(snRNA) (small nuclear RNA, snRNA)

Моле кул ы РНК nриме рно из

200

н уклеотидов, уча­

ними белков, окружа ющих все ](J]етки и многие эука­
риотич еск и е органеллы.

ствующи е в сллайсинге РНК.

мембранная органелла
малый мессенджер

-

МАР-1<иназа (МАР

kinase)

см. втори•rnый мессенджер

(membrane-enclosed organelle)

Любая органелла эу кариотич еской клеши, окружен11 ая лили диой бислойной мембра 1-юй, иаприм ер э н ­
до п лазматическая сетъ , ап п арат Гол ьджи и ли зосомы

Мюоrен-активируемая

проте инкиназа.

Протеинки ­

наза, выполняющая критически важн ую рол ь в пер е­

[мемб ранные

органеллы при сутству ют и во многих

прокариотичес 1<их клетках.

-

Прим. перев. ] .

дач е с иr1-1 ало в от р е це пторо в клеточной 11ов е рх 1-1 ости

к ядру. Последняя киназа и з трех, об разующих так на ­

мембранный белок

(membrane protein)

Б елок, связа нн ый с ли пидным бислоем; может бьпъ

зывае мый МАР - киназный каскад .

либо интегральным (тран смембранным) , либо пери ­
Матрю<с

ф ериlr еским.

( matrix)

В об ще м с мысле - пространство, внутри которого LПО­

либо образуется . В клето чной биологии этот тер мин

мембранный домен

(membrane domain)

часто обознаLJает крупный внутрен ни й комлартмент

Функционал ь но с 11 е ци ализирова1шый участок кле­

митохо н дрии. Митохондри ал 1, ны й м атрикс содержит

точ 1-rой м е мбраны , характеризующийся при сутствием
особых белков .

концентрированн ую смесь особых фе рментов , катали­
з ир у ю1.цих реак ции окисления, а также митохондри­

аль ны й г ном и белки , необходимые для э кслрессии
митохо нд риалыrы х геиов (см. рис.
внеклеточный матрикс.

-

14-4 )

[ с.м. также

При.лt . перев. ] .

мембранный потеициал

ное с н еболь шим изб ытком полож ительных ионов на
одной сторои

матрица

(template)

(memebrain potential)

Разность за рядов (н апряже ни е) на мембране, свя за и ­
и отрицательных

-

н а другой. Харак­

терн ы й мембранный поте нциал на плазмалемме жи­

Молекуля рн ая структура, которая служ ит формой

вотной клетки

для об разовани я другой молекулы . Так, сп е цифичная

по отношению т< окр ужающей жидкости.

- 60

мВ (отрицат л 1,ный заряд внутри)

Словарь

733


мембранный транспортный белок

микроРНК

(miRNA) (microRNA, miRNA)

Мал ы е н еко;(ирующие РНК, контроли 1 ую щи

(membrane transport 1>rotein)

экс­

Любой белок, встроенный в мембра н у и служащий

прессию генов лутем комплементарного с п а рив а ния

для переноса ионов или малых молекул с одной сторо­

со с п ецифичными и РНК и таким образом регулирую­

ны мембраны на другую.

щи е их стабиль ность и трансляцию .

метаболизм

(metabolism)

микроскоп

( microscope)

Совокупность химических реак ций в клетке ИJIИ жи­

Инструмент для

вом организме, обеслеlrивающая рост, деление клеток,

объектов. В световом микроскопе и спользуется сфо­

рассматривания

оче 11 ь мале11ьких

получ е ни е э 1-1 е рши, выделение отходоо жизнедеятел1, -

кусированный

1-юсти и т. д.

ся для изучения клеток и органелл. В электронном

метаболический путь

микроскоп е ислользуют п учок элект ронов ; он может

(metabolic pathway)

Последователь ность ферментативных реакций , в ко­

торой продукт предыдущей реакции служит субстра ­
том для следующей.

метастазирование

прим е няться для изучения даже столь малых объек­
тов, как отдельные макромолекулы .

микротрубочка

( microtubule)

Дли нная, то 1-1к ая, цилин ­

( metastasis)

Распространение р ако вых клеток по телу и з исходно­

го у<1астка образования опухоли.
мета фаза

пучок видимого света и применяет­

дрическая

структура,

состоящая и з белка ту­

були на. В эукариотических клетках служит для регу­
ляции их формы и контроля движеи ий .

( metaphase)

Стадия митоза, в ходе которой хромосомы уже при ­
креплены к митотическому веретену у эквато ра клет­
ки, но еще 1-1.е разделены на хроматиды полностью и н е

милли-

(milli-)

Приставка, означающая 10-з.

расходятся к противоположным полюса м .

миозин

метилирование ДНК

( myosin)
Тип моторного белка, ислользующего эне ргию АТФ

(DNA methylation)

Ферме нтативное присоедин е ние метилы-1ы х групп к

для

цитозинам ДНК Обычно метилирова ние выю1ючает

зю1

гены, способствуя rrрисоеди.нению белков, блокирую­

менты скелетной мышцы. Более мелкие миозИJ-rы, та­

метильная группа ( - СН 3 ) ( methyl

метод пэтч-кламп
Метод,

(см. вкладку

( - СН3 ) group)

2-1, с. 70- 71).

Мио­

1,

широко распространены и отвечают

миофибрилла

(myofibril)

миозина и l\pyrиx белков в цитолл азме мышечr-юй

кончик то н кого с тею1я 1-1н оrо

электрода пом ещают на участок (п этч ) мембраны,
благодаря чему удается регистрировать ток че рез от­
дель 1-1ые ионны е каналы в это м участке.

механочувствительны:й канал

филаментам.

Дли.1шый, высокоорганизованный гrучок из актина,

(patch-clamp recordiпg)

при котором

актиновым

за многие акти н -зависимые движе ния .

Гидрофобная химическая группа, образующаяся из

(CHJ

по

круп н ый белок, образующий толстые фила­

кие как миозин

щих генную экспрессию .

мета на

движения

11 -

клетки, сокращающийся по механизму скою,зя щих
нитей .

мисмэтч-репарация

(mismatch repair)

Важный механизм ис правления ошибок при реплика­
ции ДНК Запускается несоответствием между н еком­

(stress-gatd channel)

Мембранный белок, избирательно пропускающий в

пл ем ентарн ым и основаниям и ( от аигл. т ismatch

кл етку о пределенные ионы и открывающийся в ответ

сов п аден и е ).

-

1-1 е­

на механическое воздействие.

митоген
микро-

( micro)

Приставка, озиачающая
микроrрафия

10-6.

пролиферацию клеток.

(micrograph)

Изображение, полученное с помощью микроскопа,

световая или электронная микрография (обычно

-

микрофотография), в зав исимости от типа и с пользу­
емого микроскопа.

микрометр (мкм)

(mitogen)

Внеклеточная сигнальная молекула, стимули руюшая

митоз

( mitosis)

Деление ядра эукариотической клетки, при котором
ДНК конденсируется и образует видимые хромосо­
мы. (От греч .

mitos -

сте рж е нь, что подч еркивает п а­

лочковидную форму коиденсироваю-1ых хромосом.)
[В ОТЛИL[ Ие ОТ М еЙОЗа, ПрИ МИТОЗе ЧИСЛО ХрОМОСОМ J3

(micrometer, µm)

Единица измерения, ч асто использу емая при измере­

материнской и дОLiерних клетках иде н тич ны ; митозом

нии клеток и орrаиелл. Равен

могут делиться как диплоидные, так и гаплоидные

10-6 метра

тиметра .

734

Основы молекулярной биологии клетки

или

10-~сан­

клетки.

-

Прим. перев. ]


митотич ес1<ая х 1юмосома
Высоко

(mitotic chromosome)

ко ,щенсированные удвое1-1ные

хромосомы;

новые хромосомы (также t1азываемые сестринскими

мономерная IТФаза

(monomeric GTPase )

Малый, состоящий

из одной субъединицы

ГТФ­

связывающий белок. Белки этого семейства, такие

хроматидами) в них удерживаются вместе в области

как

це нтромеры . Такой вид хромосомы им е ют в ходе опр е ­

сигнала .

Ras и Rho, участвуют во многих п утях переда чи

делен н ых стадий митоз а.

моторны й белок
митотичес1ю е веретено

( motor proteiп)

Белок, подобный миози ну или ки11 езину, ис п ользую­

( mitotic spindle)

Структура из микротрубоч е к

щий энергию гидролиза АТФ для передвижения

и связанных с н ими молекул ,

белковому филаменту или полимерной молекул е.

no

образующаяся в ходе митоза
между

мРНК

п ротивололожными

полюсами

- c~t.

матричная РНК

эу кариотической

мутация

J<летки. Во время расхожде­

(mutation)

ния удвоенных хромосом веретено обеспечивает раз ­

Случайное наследуемое изменение ну1<леотидной по­

деление двух хромосомных наборов.

следовательности х ромосом ь. 1 .

митохондрия

(mitochondrion, plural mjtochondria)

Мембранная о р ганелла , по разме ру

..-------,=:с---,

сход 1i ая с бакте р ией, где происходит
окислительное

фосфорилирование

и образуется б6льшая qасть АТФ

мутация с избыпюм функции (gai11-of-fuпction

mutation)
Мутация , п овышающая активность ,·ен а или делаю­

щая его активным в н еподходя щих обстоятельствах;
таки мутации обычно доминантны.

эукариотической клетки ,

мутация с потерей функции

(loss-of-fu11ction mution)

мобильный генетический элемент

Мутация , снижающ ая или элиминирующая актив­

(mobile genetic element)

~юсть гена. Такие мутации обы чи о рецессивны: орга­

Короший участок ДНК, который может перемещаться

низм может нормальн о ф ункционировать, п ока со­

из одNОЙ области ге н ома в дру 1·ую (ино гда с помощью

х раняет хотя бы одну но рмал ьную копию затронутого

образования РНК- посредника). Важный источник ге­

мута цией гена .

нетич еской изменчивости больши 1iства ееномов.
М-фаза (М
модельный организм

phase)

( model organism)

Период клеточного цию, а эуI<ариотической клетки, во

Организм , выбранный для и нтенсивного изучения как

время которого делится ядро и разделяется цитоплазма.

представ и тель большой группы видов. Примеры та­
ких организмов

-

мышь (лредставителъ млекопитаю­

щих) , дрожжи

М-циклин

(M-cyclin)

Sacchammyces ce1°evisiae (представитель
од ,-юклето чных эукариот) , Escherichia coli (представ~r­

с образован ием M- Cd k в н ачал е М-фазы клето ч ного

тель ба r<терий).

ц икла.

моле1<ула

Белок-ци клин, связываю щийся с митотической

нанометр (нм)

(molecule)

Группа атомов , соединеиных кова.леитны.ми связями.

(nanometer, nm)

Едини ца длины, широко используемая для из ме ре~, ия

молекул или органелл. 1нм

Моле кулярная масса

Cd k

= 10-3 мкм

= 1 О- 9 м.

(molecular weight)

Масса молекулы, выражен н ая в далътонах.

направленный мутагене з, сайт-специфичный мутагенез

( site-djrected mutagenesis)
молекулярный переключатель

(molecuJar switch)

Белок или белковый комплекс, участвующий во в нутри ­

Методика, с п омощью которой мутация может вно­
ситься в определениый сайт ДНК

юrеточн.ом пути передаlrи сигнала и способ1-1 ьгй обрати­
мо перех одитъ из активного состояния в неактивное.

наследстве нность

(heredity)

Передача от одного поколения к другому rенетиЧ"е­
Моль

ских факторов, определяющих индивидуальные и а­

(mole)

М 1· вещества, rде М

масса; содержит
Мономер

-

6 х 10 23

относительн ая молекулярная

следственные признаки . Отв ечает за сходство родите­

молекул вещества.

лей с 1 ютомками .

( monomer)

насыщенный

(saturated)

Малая молекула, способн ая соединяться с молекула­

Органическая молекула, не содержащая двойных или

ми подобного строения с образовани ем круп ной моле­

трой н ых связей С- С . Прот ивополож ный терми н

кулы (полимера).

не н асыщенный.

Словарь

-

735


-

натриевая помпа

нуклеосома

см. Nа+ -к+-насос

(nucleosome)

Буси нковидная струк­
неrомолоrичное соединение концов

ту рная

( nonhomologous end-joining)

риотич еской

Механизм

репарации двух це поч еч ных

разрывов

в

ед иница

эука­

хромосо­

мы, состоящая из короткого участка ДНК, за кру ч е н­

ДНК, в ходе которого два разорванных конца сбл ижа­

ного вок руг сердцеви ны из гистонов; основная субъе­

ются и соединяются заново, прич ем не требуется го ­

ди ница хроматина.

мологии и х лоследо в ател ьностей.

нуклеотид
нейромедиатор

М алая сиrнал1, ная

( nucleotide)

Нуклеозид с одной или н ескольки ми фосфатными

( neurotransmitter)
молекула,

выделяемая

н е рвной

клеткой в химическом с инапсе для пе редачи сигнала

группами, соеди нен ными эфи рной св я зь ю с остатком
сахара. ДНК и РНК

-

полиме ры и з нуклеотидов.

постс и~rаптической клетке. К н ей ром едиаторам отно­
сятся, например , ацетилхолин, глутаминовая ки слота,

обратная транскриnтаза

( reverse transcriptase)

Ферме нт, синтезирую щий двухцепо ч е trную ДНК на

га мма-аминомасля ная кислота и глицин .

матрице одноцепочечной молекулы РНК Имеется У

нейрон (нервная клетка)

(neuron,

пerve

cel\)

р етровирусов и служ ит частью меха ни зма транспози­

Клетка с дл инными отростками, спе­
циализи рующаяся

пров еде нии

и

на

п ер едаче

ции р ет ротр а1-1 спозо нов.

получении,

сигнало в

общие факторы транскрипции

в

н е рвной системе.

(general transcription factors)
Белки, образующие комллекс н а промоторах многих

нековалентная связь

(noncovalent bond)

эу кариотич ес ких ге нов возле точки начала транскрип­

Химическая с вязь, при образовании которой (в отли­

ции и обеслечивающие прав и льное присоедин ение

чие от образования коваленпюй связи) не происход и т

РНК-полимераз ы .

обобществления электронов. Нековалентные связи до­
вольно слабые, но в совокулности могут обеспеttиват1,
сильные, высоко с пе цифичны е взаимодействия между
моле кулам и. Приме ры н ековалентных с вя зей

-

водо­

род ные связи и ван-дер-ваалъсовы взаимодействия.

однонуклеотидный полиморфизм,

SNP
(single nucleotide polymorphism, SNP)
Последовательност и ге нома, в которых между раз ньr­

ми суб популя циями в популя ции существуют разл и­
чия в одном нуклеот и де .

ненасыщенный

( unsaturated)

Относится к молекуле, содержащей одну или более
двойных или тройных с вя зей между атомами углерода.

неполярный

Описывает молекулу, в которой нет локальных част ич­
ных отрицательных или положительных за рядо в. Не­

п олярные молекулы обыч~ю н е растворяются в воде.

-

см. нейрон

нервное окончание

( coated vesicle)

Н ебольшая мембранная орга н елла
с оболочкой и з белков ( ~шубой>,'> )

( nonpolar)

нервная клетка

окаймленный пузырек

на цитозольной стороне их м ембра­
ны . Образуется путем отпочковыва­

ния окаймленного белками участка
ме мбра ны.
окисление

( oxidation)

Поте ря атомом элект ронов (электронной 11 1ютност и) ;

(nerve termiпal)

Оконч ани е аксона, из которого сиг н ал посылается со­

происходит, н а приме р , при присоед ин е нии к ато му

седним клеткам, обычно через с инапс.

углерода атома кисJюрода или при потере атомом
угле рода

нокаутная мышь
Ге нетически

цесс

(knockout mouse)
модифицированная

мышь,

у

-

атома

водорода.

ПротивопоJюж ный

восстановление ( с м . рис.

про ­

3-11 ).

которой

конкретный ген инактивирован (наприм е р , из-за де­

01шслительное фосфорилирование

ле ции в ее ДНК).

phosphorylation)

( oxidative

Процесс в клетках бактерий и митохондриях, при ко­

нуклеиновая кислота

тором АТФ об разуется в р зул ьтате п е ре носа элеюро ­

(nuclear acid)

РНК ил и ДНК; состоит из цепи 1fуклеотидов, соед и ­

~юв от молекул пищи к молекулярному кисло роду.

н енны х фосфоди эфирными связями.

Вкл ючает промежуточную стадию образования гради­

е нта рН на мембране и хсмиосмот ическое со пряжение.

нуклеозид

( nucleoside)

Ве щество, состоящее из пуринового или пиримиди ­

нового основания, соед ин нного с сахаром - ри бозой
или дезоксир и бозой (см. вкладку

736

2-6, с. 80- 81).

Основы молекулярной биологии клетки

01(сид азота

(NO) (11itric oxide, NO)

Малая легко д иффунд иру ющая молекула, широко нс·
пользуемая орга 11 измами для ю1 сточной с игнализа ниИ -


олиго-

основание

( oligo-)

(base)

Приставка, обозначающая короткий пол имер (олиго­

Молекула, способная в растворах при соед инять про ­

м е р). Он может состоять и з аминокислот (олигол е п ­

тоны. Также те рмин испол1,зуется для обоз нач ения

тид), сахаров (олигосахарид ) или и уклеотидов (оли ­

пуринов и пирими динов ДНК или РНК , представля ­

гонуклеотид). (От греч.

ющих собой органические основания.

oligo -

н ескол ько, н емного . )

ответ на неправильно свернутые белки

онкоrен ( oпcogene )

Любой ге н с и з м е н-ениой а1пивнос1ъю , способству­
ющий превра щеtrию клетки в раковую . Ка к прави­

( unfolded protein respoose)
Клето trный ответ, за пускаемый накоп ле ни е м неnра­

мутантная форм а норм ал ыюl'О кл етоt1 1-юго ге на

вил 1, н о све рн утых белков в Э П С. В кл етке увел ичи ­

(протоонкоген а) , контролирующего клето чный рост и

вается объем ЭПС и молекул, необходимых для п ра ­

р азм ноже ние.

ви лы-юго свораL1ивания и процесс ин га белков .

ло

-

оплодотворение

отстающая цепь

( fertilization)

Последователь ность соб ытий , начинающая ся с кон­

(lagging straod)

Од н а из двух вновь синтезируемых цеп ей ДНК в ре­

такта сперматозоида и яйцеклетки и приводя щая к их

пл икацио 1шой вилке. Отстающая це пь с интез ируется

сл иянию и последующе му р аз витию зарод ыша.

в виде отдельных фрагментов , которые позже кова­

лентно соединяются м ежду собой.
орган елла ( orgaпelle )
Дискретная структура или компартмент эу карноти ­
ч еской клетки (в исх одн ом з наче н ии термин а

-

ви­

димая в с ветовой микроскоп), вылолняющая опреде­
ле1:1 .ную функцию. Прим е ры органелл

-

митохондрии ,

очищающий отбор

(purifyiog selection)

Про цесс отбора, в результате которого в ходе э вол ю­
ции эл ими н ируются особи, 1-tесу щи е мутации, на ру­

шающи е какую-либо важную функцию организма.

апп а рат Гольджи.

пара оснований

органи ческая химия

(base pair)

Два ну1<леотида РНК или ДНК, сп ецифично с вязан­

( organic chemistry)

Область химии, изу trа ющая соеди не н ия у гл ерода . К

н ых водородными с вя зями

органическим

(или

соед ин е ниям

отно сятся

практич еск и

-

наприм е р,

Gи

С, А и Т

U).

вс е в е щества , из которы х состоят живые клетки, кро­

ме воды и ионов металлов (таких , как
металлов

(CJ-, ро 4э-

Na+)

[ ионы н е­

и д р . ) играют н е ме н ее важную

роль в жизни клетк и , чем ионы м еталло в .

-

Прим.

перев. ] .

па ссивны й транспорт

(passive traosport)

Движение малой молеr<ул ы или иона ч е рез м е мбра ­
н у по гр ад и е нту концентрации или эле ктрич еско го
за ряд а.

ориджин-распоз нающий комплекс

пе птидная связь

( ORC) ( origiп

Химическая

recogrution complex, ORC)

(peptide bond)
связ ь

между

карбок­

Крупный белковый комплекс , связа нный с ориджина­

с ильной гру п пой одной аминокисло­

ми ре пликации эукариоп1t1 еской ДНК в ходе значи­

ты и аминогруппой следующей ами -

тельной ч асти клеточного цикла .

1юкислоты

-

11

C- N1

н

2-5, с. 78- 79) .

(replication origin)

Участок на хромосоме, где начин ается удвое ние ДНК
о с мо с

-

особая форма амидной

свя з и ( см. вклад1<у

ориджин репли кации

о

п е рвич ны й тран ск рипт

-

пе реносчик электронов

( osmosis)

c,;,t . транскрипция

( electron carrier)

Суммарное п е р е м е щ е ни е молекул вод ы LJ e p eз по лу­

Моле кула (наприм ер, цитохром с), п е ре носящая эл к­

проницаемую м ембрану за сч ет разиост и конце н­

троны от молекулы-донора к мол екуле- ре ципи енту.

траций раств о ров по обе стороны от н ее . Ме мбрана
должна быть проницаема для воды, r-ю не для рас ­

перетасов1са экзонов

( exon sltuffling)

п од ч е ркнут~, , ч то осмос

Эволюцио1шый процесс, в ходе которого нов ы е гены

происход ит за с ч ет ди фф уз ии , т . е. те п лового движе­

образуются путем соединения экзо нов , п е рвоначаль но

твореш-1ых ве щ ес т в

[следует

~шя мол е кул , и не требует затрат эн е ргии.

-

Прим.

перев. ] .

осмотическое давлени е

н есвязанных между собой и коди рующих разные бел­
ковы е домены.

( osmotic pressure)

переходное состояние

( transition state)

Давление, которо е нужно приложить к раств ору с ни з­

Химическая стру1пура,

кой концентрацией по од н у сто рон у от лолупро 1шцае­

ходе химической реакции и облада ющая наибольш е й

временно образующаяся

мой мембраr1 ы , чтобы предот в ратить поток воды ч.ерез

свободной э н е рги ей ло с равн 11ИJ0 со всеми ltру гими

мембраиу в резул 1,тате осмоса.

пром е жуточными продуктами р еа кции.

Словарь

в

737


п е роксисома

( peroxisome )

гюлим е раза с и~~т зирует ДНК, а РНК-полимераза

Маленькая мембра н ная ор 1·а~1елла, использу ющая мо­

-

РНК

лекулярный кислород для окисле 11 ия органических

молекул. Со1~ержит ферменты, образую1_цие пе рекись

пол име разн ая цепная ре а~щия , ПЦР

водорода (НР 2 ) и другие ферменты, разлагающие ее.

(polymerase chaiп reaction , PCR)

пиноцитоз

(pinocytosis )

Метод амплификации специфических участков ДНК
путем множества ц иI<JЮВ ее синтеза, после каждого из

Ти п эндоцитоза, при котором раствор поглощается

которых

клеткой и заключается в мембранные пузырr,ки для

комлл еме нтарны е цеп и ДНК

кратковр е м е 1-1 1-1 ым

на1· р ева ни ем

р азделяют

последующет переваривания (от слов «клеточное

поли морфизм

питье~> ).

В rе н ети1<е
пиримидин

( polymorphis m)
- случай, когда два

или более аллеля (ва ­

рианта гена) или варианта посл едовательн ости ДНК

(pyrimidine )

Одна из двух разновидиостей азотсодержащих цикли­

встречаются в данной популяции , причем каждый

,rеских соединений, входящих в состав ДНК и РНК

достаточно высокой частотой.

Пример пиримидина
с.

цитозин (см. вкладку

-

-

с

2-6,
полинукле отид

80- 81).

( polynucleotide )

Молекула, представляющая собой цепочку нуклеоти­
пиру ват

дов, соединенных фосфодиэ фирными связями. Цепь

(pyruvate )

Метаболит, образующийся при расщепле­
нии глюкозы. Играет основную роль в обе­
спечении связи между циклом лимошюй

кислоты и многими реакциями биосинтеза.

соо-

ДНК или РНК

1

С=О
1

СН 3

поли пептидный остов

(polypeptide backbone )

Цепь атомов, содержащая повторяющиеся пептидные

связи и проходящая вдоль белковой молекулы; к ней
ПКА

-

см. проте инкиназа А

прикреплены радикалы амююкисJ ют.

плазматическая мембрана, плазмалемма

полип е птид , полип е птидная ц епь

(plasma membrane )

(polypeptide, polypeptide chain)

Мембрана, окружающая живую клетку.

Линейный полимер, состоящий из множества амино­

кислот. Белки состоят из одной или 1-~есколы<их поли­

плазмида

пептидных це пей.

(plasmid)

Небольшая I<ольцевая молекула
полисахарид

ДНК, реплицирующаяся неза­
висимо

от

остального

(polysaccharide )

Линейный или разветвленный полимер, состоящий из

генома.

Часто используется как вектор

остатков сахаров. Примеры полисахаридов

при ююнировании ДНК

ген, гиалуроновая кислота, целлюлоза.

плазмодесма

(plasmodesma, plural plasmodesmata)

Межклеточный контакт у растений; цитоплазмати­

полисома (полирибосома)

(polysome, polyribosome )

ческий канал, окруженный мембраной , соедю1яет

жеством присоединенных

рибосом, вовлеченных в

стенке.

синтез белка.
половая хромосома

( tight junction)

Межклеточный контакт, соединяющий соседние эпи­
телиальные

клетки.

Предотвращает

прохождение

(sex chromosome )

Хромосома, которая в зависимости от пола организма
мож ет присутствовать или отсутствоват1, или име ется

больши нства растворенных молекул сквозь эrnпели­

в разном количестве копий. У млекопитающих

альный пласт.

У-хромосомы.

полимер

глико­

Молекула иРНК со мно­

соседние клетки ч е рез маленькую пору в клеточной

плотный контакт

-

-

Х- и

пол овое размноже ние

(polymer)

Крупная, обычно линейная молекула, им е ющая пери­

(sexual reproduction)
Способ размножения, при котором ге 110мы двух особей

одическую структуру с повторяющимися ковалентны­

объединяются при образовании нового организма. Осо­

ми связями или состоящая из повторяющихся субъе­

би, образующи еся при половом размножении, генети­

диниц

-

полимераза
Общее

идентичных или сходных моном еров .

пол ожительная обратная связь (positive feedback loop)

(polymerase )
катализирующих до­

Случай, когда конечный продукт реакции стимули·

бавление субъединиц к полимерам. Например, ДНК-

рует собственную продукцию [это частный случай

738

название ферментов,

чески отличаются от обоих родителей и друг от друга.

Основы молекулярной биологии клетки


положителы-юй обратной связи , имеющей гораздо

прай мер

(primer)

более широкое распространение в живых системах.

П р и репликации ДНК в нач але ее синтеза ДНК­

В общем виде п оложительная обратн ая связь заклю­

п олимераза катализи рует син тез короткого фрагмента

чается в том, что при росте параметра А растет пара ­
метр Б, а рост Б стимулирует дальней ш ий рост А.

-

РНК. Этот РНК-праймер в дальнейшем удаляется, а
его место занимает ц ль ДНК.

Прим. перев. ] .
программированная 1шеточная смерть

nолудесмосома

-

см. апоптоз

(hemidesmosome )

Специализи рованный заякоривающий контакт между

прокариот

(prokaryote)

эпителиальной клеткой и подлежащей базальн ой пла­

Одна из двух крупнейших категорий живых клеток,

стю1кой.

для которых характерно о тсутствие ядра . К прокари­

отам относятся археи и эубактерии ( обычно называе­
мые бактериями ) , два из трех доменов живого .

nomoc веретена ( spiпdle pole )
Одна из двух центросом клетки во время митоза. Ми­
кротрубочки, расходящиеся от центросом, образуют

промежуточный филамент

(intermediate filament)
10 нм в

Нитевидные белковые филамеиты (около

митот.и. ч еское веретено.

диаметре), формирующие сети в животных клетках.

полярность

Часто выполняют роль структурного элемента, сопро­

(polarity)

Относится к структурам вроде акт инового филамента

тивляющегося натяжен ию,

или оплодотворенной яйцеклетки, имеющим унасле ­

извне .

прилагае мому к

клеткам

дованную асимметрию, так что один полюс можно от­

прометафаза

лич ить от другого.

(prometaphase )

Стадия митоза, предшествующая мета.фазе .

полярный

(polar)

Термин, используемый при описании молекулы или

промотор

(promoter)

ковалентной связи в молекуле, в которой обобщест­

Нуклеотидная последователыюст ь ДНК, к которой

вленные электроны более сильно притягиваются к

прикрепляется РНК-полимера.за, чтобы начать транс­

определенным атомам, создавая не равномерное (или

крипцию.

п оляризованное) распределение электр ического за­

просвет

ряда .

(lumen)

Полость, закто ченная между эпителиальными пла­
последовательность

стами (в ткани) или между мембранами в клетке (на­

( sequence )

Линейный порядок мономеров в крупной молеку ­

пример, п росвет эндоплазматической сети) (от лат.

ле

lнmen

-

например, аминокислот в белке или нуклеотидов

-

свет или отверстие).

в ДНК. В общем случае последовательность макро­
молекулы определяет ее ко н кретные биологически е

протеасома

(proteasome)

Крупный белковый комплекс в цито­

фун кции.

золе, отвечающий за деградацию цито­

nосттраскрипционный контроль

(post-transcriptional

зольньтх белков, которые помечены для
разрушения убиквитинирован ием или

control)
Регуляция активности гена, осуществляющаяся по­

сле начала его транскрипции. Примеры

-

некоторыми другими способами.

регуляция

сплайсинга и других этапов процессинга РНК и регу­

протеаза ( протеина.за , протеолитический фермент)

ляция трансляции при участии микроРНК.

(protease (proteinase, proteolytic enzyme))
Фермент (подобный трипсину), расщепляющий белки

потенциал действия, нервный импульс

(action potential)

путем гидролиза некоторых из их пептидн ых связей.

Быстрый, временный, самораспространяющийся без
затухания электрический сигнал, возникающий на н а­

ружной мембране клетки

как правило, нервной или

-

протеинкиназа

(proteinkinase)

Один из очень многочисленных ферментов, перенося­
щих концевую фосфатную группу с АТФ н.а специфич­

мышечной.

ный радикал аминокислоты белка-миш ен и .

потенциал-зависимый канал
Мембранный

белок,

(voltage-gated channel)

избирательно

пропускающий

протеинкиназа А - см. цАМФ-зависимая протеинкиназа

ионы (например, в случае потенциал-зависимого на­

триевого канала

-

ионы натрия) через мембрану и от­

протеинкиназа С, РКС

(protein kinase

С, РКС)

крывающийся в ответ на изменение мембранного по­

Фермент, фосфорилирующий белки-ми шени в ответ

тенциала. Встречаются в первую очередь на электри­

на повышение кон цен трации диацилrлицер ола и ио­

чески возбудимых клетках

нов кальция.

-

нервных или мышечных.

Словарь

739


протеинфосфатаза

( фосфопротеинфосфатаза)
(protein phosphatase, phosphoproteio phosphatase)

пруфридюн

(proofreading)

П роцесс, в ходе которого Д НК- полим ра за и справля­

Фе рм е н т, удаляю щий п утем гидроли за фосфатны е

ет собствен ны е ош и бки при до ижении вдол ь ДНК

группы с белка, ч асто с высокой с п е цифичностью о
отноше 1-1и и фосфорилированны х сайтов .

пурин

(purine)

Од1-1а из двух раз ,-ювидн остей азотсодержащих циюrиче­
протеоrли:кан

(proteoglycan)

ских соед инен-ий, входящих в состав ДНК и РНК Приме­

Моле кула, состоящая и з одной и ли н сколь](их rлико ­

ры пуринов

-

аденин и rуанин (см. вю~адку

2-6, с. 80- 81).

зам иногли](анов ы х це п е й , при соед ин е нны х к се рд це­

ПЦР

винному (коровому) белку.
протеолиз

см. полиме раз ная цеп ная реак ция

р53

(proteolysis )

Ре 1·улятор1-1ый белок, реа гирующий на н ал ичи е по ­

Расщепл е ние бел](а с помощью проте и наз ы.
протеомика

-

врежде ни й в ДН К; предотвращает всту пление кл етки

в S-фа.зу до ре парации п ов реждений .

(proteomics)

Крупном асштабно е изу ч е ни е белков ; одноврем ен­
ное исследова ние большого числа бел ков ](JJетки

равновесие (химическое) ( equШbrium)
В химическом см ы сле

и л и ткани .

-

состояние, при кото ром две

или более химиlrески х реакций проте кают с такой ско­
ростью , что в ТОLrно ст и у равнов е шив ают д ру г др уга, и

протозойный организм, гетеротрофный протист

общие х имич еские и з мен е ния н улевые .

(protozoan)
Свободноживущий,

нефотосинтезирующий,

од но­

радикал, боковая цепь

клеточный, подвижный эу кариотический организ м.

Большю-~ство гете ротрофных проти стов

Paramecium

- такие как
- питаются другими орга­
<i Pmtozoa» иногда использу ­

п е пти д ны х связей;

или: АтоеЬа

низмами . [ Хотя термин

(side chaiл)

Часть аминоки слот ы , н е участвующая в образоватнrи
рад икалы

разны х

амин окислот

ра зл и l1 аются и при дают каждой и з них у ни кал ы-11, , е

свойства.

ют для обознач е ни я определенной таксо номич ес кой
группы проти стов, луl1 ш е отказ аться от

1-1ero

к а к от

рак

( cancer)

устаревш е L"о. Прив еденно е определе ние нето чн о: на­

Болез 1-1ъ, вызываемая не 1-1ормальным и не контролиру ­

ря ду со с вободнож иву щими:, протоз оологи изучают и

е мым деле ни ем клеток, приводящи м к локаль ному р о­

паразит ич еских гетеротрофных протистов.

сту ткан ей

-

Прим .

-

образованию опухоле й , клетк и которы х

могут распространяться ло оргаиизму

перев. ]

гом смысле р ак

протон

-

[в

более ст ро­

это раз н ов ид ность ою<ологич ест<ИХ

заболе ваний (определе ни е которых дано здесь) , свя­

(proton)

Субатом н ая rасти ца атомиых ядер . Также существует

занная со злокаl1естве н ной трансформаци е й кл еток

как отдел ыrая химич ес кая субстанция в в иде положи­

эпителиальны х тка1-1 ей.

тел ыю за ряженного ион а водорода (Н + ).
протоонкоген

профаза

-

( reading frame)

считываться белок. Моле1<ула иРНК про l1итывается в
соответстви и с од ,юй из тр ех рамок считыва ния , в за­

(prophase)

Пе рвая стадия мито за , в ход е кото рой хромосомы
но

остаются

не

при к р е пле тшыми

к митотич ескому вер ете н у. Вн е шн е сходная стадия
мейоза.

процессивный

Прим. перев .] .

Набор последовател ъных триплетов, с которых может

см. онкоrен

кон де нсир у ют ся ,

рамка считьmания

-

висимости от точки с тарт а.

растворенное вещество

( solute)

Любая мол екула, раство рею-~ ая в жидкости. )Кидкость
н аз ыв ае тся ра створителе м .

(processive)

реакционный центр

(reaction center)

Те рмин относится к бедку, который осуществля ет по ­

Белковый компле кс в фотос интет ич ес кой мембран е,

вторяющиеся рау ид ы катали за или конформацион ­

соде ржащий две особ ы е мол е кулы хлорофилла, пре­

ных из м енений, оставаясь прикрепле иным к опреде­

вращающие в ходе фотохимич ес кой реа rщии энергию

ле rнюму полимеру. Характеристика моторных белкоо,

фотонов (света )

участвующих в транспорте (наприме р , кинез ина) .

эле ктронов для их тран сп орта п о фотоси нтетич еской

в э не ргию

оысо коэне р rетиlrеских

эле ктр о н -транспорпюи це пи .

процессинr РНК

(RNA processing)

Общий терми н для модификаций, прои сходящи х с
РНК до ее соз рева ния . Для эукариотич ес кой РНК

реакция конденсации

( condensation reaction)

Тип химиlrеС](ИХ реакций , в ходе которых д в е орrа1-1и·

процессинг об ычно включает I<э пирова ни е, с плайси нг

ч ески е мол е кул ы соединяются ковалентной связ1,ю с

и полиаденили ров ани е.

од н овре м е нным выделе нием молекулы вод ы.

740

Основы молекулярной биологии клетки


р егуляторная последовател ьно сть Д НК

репликационная вилка (repHcation fork)
У-образный участок удваивающейся молекулы ДНК,

(regulatory DNA sequence )
После1LОват л1,ность ДНК, с которой связывается ре-

в котором формируются и разделяются две дочер н ие

1·улятор транскрипции, определяющий, когда, где и в

це п и.

каких колич ествах с гена будет транскрибироваться
РНК.

репликация ДНК

(DNA replication)

Процесс, с по м о щью которого создается коп ия м оле­

ре гуляторный беюювый код

(regulaltory protein code)

Совоку пн ость ковалентн ы х модификаций белка в
да нный момент време ни, контролирующая его пове­
дение в клетке.

кулы ДНК.
ре портерный ге н

(reporter gene)

Введен н ый ге н , коди рующ и й белок, аJ<тивность кото­
рого легко проследить в экс п ериме н те. Часто соед и ­

регул ятор транскрипции

(transcription regulator)

Белок, с п ецифично связывающийся с регуляторной
последовательностью ДНК и участвующий в кон т ро­

ле вь1 ключенноео или включе нн.ого состояния гена [ в

н ен с регуляторной последователыюстыо, включаю­

щей репо ртер н ый ге~1 в тех ус1ювиях, в котор ых обыч­

но экс п рессируется ее собстве 1н1ый t·ен .
репрессор

(repressor)

русскояз ы чн ой лите р атуре, в част ности, в переводе

Бе;юк, связывающийся со спец ифи ч ным регулятор­

этой книги, такие белки нередко называют факторами

н ым участком ДНК и блокирую щий тран скри пц ию

транскри 1щии .

прилежащего геиа.

-

Прим . перев. ] .

р едокс - пара , 01сисл ительно-восстановител ьная пара

(reproductive cloniog)

Искусственное полу,1ение генетически

(redox pair)
Пара молекул,

из

электронов, а другая

которых одн а

-

служит донором

их акцептором в ходе окисли­

тельн о-восстаиовител 1,ной реакции, на п ример НАД · Н
(донор электронов) и НАД+ (акцептор электронов).
редокс-потенциал , 01сислительно-восстановительный

потенциал

репродуктивное клонирование

(redox potential)

Мера с п особности данной редокс-л ары отдавать элек­
тро н ы (действовать как восста1ювитель) или п рин и­

мать их (действовать как окислитель).
рекомбинантная ДНК (re comЬinant

DNA)

копий животного

-

сомат ич еской клетки в оплодотворенную яйцеклетку
с удаленным ядром.

ресничка

(cilium, plural cilia)

Волосовид н ый вырост поверх ности клетки с п учком

микротрубочек внутри, способн ый к повторяющ им­
ся биениям. Большое количество ресничек вызывает
движение жид1'остей у поверхности эпителиаль и ых

пластов, например в легких [авторы имеют в виду воз­
духоносные пути; эпителий легочных альвеол не н есет

ресни,1 ек.

-

Прим. перев. ] .

Молекула ДНК, включающая ДНК из разных источ­

рестрикционная нуклеаза

ников.

restriction enzyme )
Нуклеаза,

рекомбинация ( recomЬination)

способная

(restriction 11uclease,
рас1.це п лять

молекулу ДНК в любом сайте со

Процесс, пр и котором происходит обмен генетиче­

специфичной короткой гюследова­

ской информацией между двумя хромосомами или

тельностью

молекулами ДНК. Ферменты , обеспечивающие ре­

ные рестрикционные н уклеазы раз-

комбиJ-1 ацию, присутствуют в живых клетках; кроме

того, этот процесс может осуществляться в пробирке

идентичных

нап р имер, путем переноса ядра

нуклеотидов.

Различ­

резают ДНК в сайтах с разными последовательностя­

ми. Широко применяются в ген н ой и н женерии .

с использованием о,rищенной ДНК и ферментов, раэ­

рывающих и сшивающих цели ДНК.

ретровирус

( retrovirus)

РНК-соде ржащ и й вирус, пр и репликаци и в клетке

рентrеновс1'ая кристаллография, рентrеноструктурный

анализ (X-ray crystallography)
Метод, используемый для о пределения трехмерной

сн ачала создаю щ ий двух цепо ч еч1fую ДН К. Эта ДНК
вставляется

в

х р омосому

клетки,

где

может

сохра­

н яться длительное время и транскрибироваться, про­

структуры белков путем анализа дифракционной ка р­

~rзводя н овые вирусные геномы и и РНК , кодирую щие

тины лучка рентгеновских лучей, прошедшего через

ви русн ы е белки.

кристалл белка.
ретротранспозон
репарация ДНК

(DNA repair)

( retrotransposon)

Ти п мобильного генети,1ескоrо элемента, при переме­

Общий термин для ферментативн ы х процессов, ис­

ще н ии с н ачала транскрибирующийся в РНК-копию,

правляющих нарушеиия, которые влияют на целост ­

по кото рой затем с п омощью обратной тран скриптаз ы

нос1ъ молекул ДНК и последовательн ость иуклеоти­

вновь синтезируется ДНК и вставляется в другой уча­

дов в них.

сток хромосомы.

Словарь

741


рецептор

р ибо нуклеин овая кислота

( receptor)

-

с.м . Р НК

Клет ка ( 1-1агrрим ер, фоторецептор глаза) или клеточ ­

ны й комп онент (н априм ер, белок-рецептор) , способ­

рибонуклеи новый п ере,шючатель

( riboswitcl1)

ны е воспринимать в ~1 ешни й сигнал и запус кать с п е ци ­

Короткая

11 оследователь н ост 1,

фичный клеточный ответ.

РНК, и зм няющая и х ко н форма цию при с п е цифич ­

в н ут ри

н е которых

ном свя з ы ва1-1 ии малых моле кул (наприм ер, м етаболи ­
р е цеп торная се рин -тр е онинк иназ а

тов) и таким сп особом ре гули рующая транскрипцию

( receptor serine/threonine kinase)

или тр а н сляцию.

Ре це пторы с фе рментатюшой активностъю с в 1-1 е кле­
точным л иганд - связ ывающим доменом и

внутрикле ­

точным проте инкин азным доменом, фосфорилиру ю ­

щи е сигналь ные белки по серин у или треонину.

рибосома

(ribosome)

Частица, состошцая из ри босо м аль ны х РНК и рибосо ­
мальны х белков, кото рая свя з ы вается с и РНК и ката­

лиз ирует синтез белка .
р е це птор-опоср ед ованный э ндоцит оз

рибосомалъная РНК , рРНК

( receptor-mediated endocytosis )

(ribosomal RNA, rRNA)

Механизм избирательного поглощения веществ жи­

Один из нес колъких ти пов молекул РНК , входящих в

вопюй клеткой, п ри котором макромолекула связыва­

состав рибосом и участву ющих в с интезе белка. Часто

ется с рецептором клеточной пове рх ности и попадает

обозначаются по их коэффици е нту сед иментации

внутрь клетки в окаймленных кл атрином в езикулах .

например ,

рецептор, сопряженный с G-белком ,

рРНК или

РНК-инте рференция

GPCR

-

SS рРНК

(RNAi) (RNA interference, RNAi )

Клеточный механизм, запускаемый д вух це почечными

(G-protein coupled receptor)
Пове рхностный

28S

рецептор ,

молекула ми РНК и приводящий к расщеп ле нию РНК.

свя­

з ывающийся с внутриклеточным

содержа щих

трим ерным

1-юсти. Широко применяется как эксп ер им е н талъ ный

ГТФ-связывающим

сход ны е

н уклеотидны е

по следователъ-

белком (С-белком) посл е актива­

инстр уме нт для подавления экспре сс ии определенно­

ции р е ц е птор а внеклеточным ли­

го гена (генного сай ле нсинга).

еандом . Эти ре цепторы

-

серпа f-! ­

тинны е ( <<З м ееподобные >> ) тран с­

РНК-полимераза

мембранные белки, семикратно

(RNA polymerase)

Фе рме ю, катализирующий синтез молекулы РНК по

пересека ющие липидный бислой.

матрице Д НК и з пред ш ественников

-

ну кл еозидтри­

фосфатов .
реце птор, сопря же нный с ио,шым каналом

РНК-прайме р

(ion-channel coupled receptor)
Трансме мбраииый белок или
белковый

компле кс,

•••

служа­

щий реце птором и образу ю ­
щий

воротный

ионный

-

CJ\t . пра йме р

РНК (рибон уклеиновая кисл ота )

(RNA,

riboпucleic

acid)

Как правило, од н оце поч е чны й пол ирибонуклеотид

ка­

цепочка ковалентно

н ал, открывающийся в отв ет
на связ ывани е л ига н да с е го

•••

вне шн ей стороной.

субъеди ниц.

Синтезируется

РНК - полимеразой

-

свя занны х рибонуклеотидных

путем

нуклеотид н ой

копирования

п оследовательн о­

сти Д НК РНК выполняет мн ожество раз ных ф у нк­

ре цептор с ферм ентативной активностью

( enzyme-coupled receptor)

ций в кл етке. С м ., наприм е р , информацио нн ая РНК,
микроРНК, ри босо м ал ьн ая РНК, тра нспортная РНК

Тра~1 см е мбранный белок-рецептор, который в ответ
на связ ывани е л ига н да с его внеклеточной частью ак­

родословная , ге неалогия ( о ч ел овеке )

(pedigree )

тивирует внутриюr.етоl1иый ферме нт (или отделъ ный

Ли н ия потом к ов или предков или родослов ная от­

белок, или ч аст ь само го рецептора).

дел ,, н ой особи.

рРНК

рец епторы стирозинкин азной

активностью

Рецепторы

с

ферм е нтативной

активност ыо с внут риклеточным
тиро з инк и наз ным
тивир у ющи еся
с

при

СаМ киназа

(Ca2+/calmodulin de peпden t protein kinase,

CaMkinase)

а к­

Ферме ,-п, который при взаимодействии с Са 2 + -свя­

связ ыв ании

зы ва ющим бел ком кальмодулином фосфорил ирует

д оменом ,

внеклетоlшым

доме­

ном ре ц е птор а.

742

см. рибосомалъная РНК

Са 2 + /кал ьмодул ин -зависимая протеинкиназа ,

kinase, RTK)

л иганда

-

( receptor tyrosine

Основы молекулярной биологии клетки

бел 1<и-миш ени в ответ н а пов ыше~tи е концентрации
ио ,юв Са 2 + .


сайт с вязывания (Ьinding

сестринская хроматида

site )

( sister chromatide)

Участок п оверхности белка, обьrчно полость или бо ­

Одна из двух копий хромосомы (хромат11да) , образо­

роздка, которая соответствует по форме второй моле­

вавшаяся в результате удвоения ДНК и еще соединен­

куле (лиганду) и образует с ней множественные неко­

ная в центромери ом участке со второй копией; такая

валентные связи .

пара х р оматид называется сестри нскими хроматидами.

сайт- специфwшая рекомбинация

сеть транс-Гольджи

(site-specific recomЬination)

(trans Golgi network, TGN)

Часть ал парата

Ти п рекомбинации, ие требующий близкого сходства

Гольджи,

наибо-

осущест­

Гольджи отделяются белки и липи­

вляться между двумя разными молекулами ДНК или

ды, поступающи е затем в лизосомы,

внутри одной молекулы ДНК.

в секретор н ые п уз ырьки или к кле­

двух

лоследователыюстей

ДНК.

Может

~

лее удаленная от ЭПС; от траис-

точ н ой поверхности.
сар1юме р

( sarcomere )
сигнальная последовательность

Повторяющийся участок ми­

( signal sequence)

офибриллы мышечной клет­

Ами н окислотная ттоследовательностъ, благодаря ко­

I<И, ОКОЛО

торой белок направляется в определенную LJасть клет ­

2,5

МКМ ДЛИНОЙ,

состоящий из упорядоченно

ки, нап р и мер в ядро или митохондрии.

расположенн ых толстых (ми­
озиновых) и тонких (актиновых) филаментов.

сигнальный кас1,ад

( signaling cascade)

Последовательностъ взаимосвязан ных реакций с уча­
сахар

стием белков, часто включающая их фосфорилирова­

( sugar)

Вещество, состоящее из углерода, водорода и кислоро­

ние и дефосфорилирование, с помощью которой пере­

да, с общей формулой (СНр),,. Углевод или сахарид.
~сахар~ в бытовом значении - сахароза, особый слад­

дается информация внутри клетки, причем исходный

сигнал обыlr но усиливается.

кий дисахарид, образующийся в стеблях сахарного
симбиоз ( symЬiosis)

тростника.

Тесная связь между двумя организмами разных видов,

свободная эне ргия, G

от которой оба получают долгосроlшое селективное

(free energy , G)

Энергия, кото рую можно извлечь из системы для со­

вершения полезной работы

-

вления химической реакции. Стандартная свободная
э нергия вещества

0

G

-

преиму щество .

например, осущест­
синапс

свободная энергия, измеренная

( synapse)

Спе циализированный контах<т между

11 другой

при определенных условиях (концентрации, темпера­

нерв ной

туре и давлении).

мышечной или железистой), в кото­
ром

свя з ь

-

см. химич е ская связь

атор, сек р етируемый нервн ой клешой

и диффундирующий к клетке-мише ни.

Мембранная органелла, в которой до в ыделения за­

синаптический пузырек

как темноокрашиваемое содержимое придает им вид

( secretion)

(synaptic vesicle )

Неболь шой мембранный пуз ырек, содержа щий 1-rей­
ромед11атор; высвобождает свое содержимое в си н апс

небольш ого сплошного тельца.
секр еция

нервного

синапсов сигн ал передает нейр омеди­

( secretory vesicle)

И н огда их называют секреторными гранулами, так

пе р едача

импульса. В большинстве химичесю,rх

с е 1с реторный пузырек, секр еторная вез ик ула

пасаются молекулы, пред назначен н ые для секреции .

происходит

клет ками (нервной,

путем экзоцитоза.

1

Образование выделяемых веществ и их выведение из
клетки.

сусте ма контроля кл еточного цикла

( ceU cycle control system)
Сеть взаимодействий регуляторных белков, управля ­

семейство бешюв Вс12 (Вс12

family)

Семейство внутриклеточ н ых белков, регулирующих

ющих прохожден ием клеточного ц икла в эукариоти­
ческих клетках.

активность каспаз и тем самым запускающих или по­
давляющих апоптоз .

сложный (полигенный ) признак

( complex trait)

Наследственный призна~<, переда ча которого потом­
с е рин/тр еонинкиназа , с ерин-тр еониновая

ству не подчиняется законам Меаделя [подданное ав­

nротеинкиназа

торами определение подходят также все л риз наки, за­

( serine/ treonjne kinase )

Фермент, фосфорилирующий специфичные белки ло

кодированные в ДНК митохондрий и хлоропластов .

серинам или т р еонинам.

Прим. перев. ] . Такие признаки (например, рост) обыч-

Словарь

-

743


но

определяются

множеством

взаимодействующих

генов, каждый из которых н аслеJ1уется ~ по Ме~щеJ1 Ю>> .

стволовая клетка (steш

соб ная н еогра ни ч
соединительная ткань
много

в 11 еклеточ ~ю1 ·0

меха1шческую нагрузку

fк

матрикса,

11ecy 111ero

-

;10-

ф е ре нцировку

н превра щающи еся

в опредеJ 1 е нны е

ти11ы тканевых клето1.

Прим. перев. J

стероидный гормон

(steroid hormone)

Ли 1 юфильная молекула (производ н ое хол сте ри1-1а) ,
действующая как гормо1·1 . Примеры

соматическая клетка

клетка, с по­

долго делиться, порождая

соединитель11 ым тканям

часто относят также кровь и лимфу, где межклеточное

вещество (плазма) жидкое.

11110

черние клетки , претерпевающие терминальную диф­

( connective tissue)

Ткани, подобны е костям , сухож илиям и де рм е кожи,
в кото ры х

celJ)

От1-юсит ль 110 недиффере11цирова11ная

(somatic cell)

-

эстро ге н и те­

стостеро 11.

Любая клетка растения или живот н мо, не являющая­
ся половой и н е относящаяся к кл еткам зароды ш евого

пути

( от греч. so ma -

тело).

строма

(stroma)

Соединительная ткань , в которую заклю Lfе н желези­
стый или ююй э пителий . Крупное внутр ннее про ­

сопряженная реакция

( coupled reaction)

странство

хлоропласта,

где

содержатся

ф ерме нты ,

Одна из пары взаимосвязанных химических реакций ;

включающие углекислый газ в состав сахаров в ходе

свободная энергия, выделяемая в ходе одной из реак­

темновой фазы фотосинтеза (фиксации углерода).

ци й, служит ИСТОЧ IНIКОМ энергии ДJIЯ /\ругой.

субстрат
Мембранный транслортный белок, при работе которо­

(substrate; substratum)
1) Молекула , на которую действует фе рмент (substгate) . 2) Тв ердая лове рхность (к которой, налример,

го пер е н ос одной молекулы зависит от одновремен н о ­

пр1н< репляется клетка)

сопряженный транспортер

( coupled transporter)

(substratun1).

го или последу ющего пе р е носа другой молекулы.

субъединица
спаривание (rюнъюгация)

В ген етике
рого

-

событие в нач.але мейоза, в ходе кото­

гомологичные

(subunit)

Моном е р ,

(pairing)

хромосомы

соединяются

вдоль,

формируя двой ные структуры . (См. также пара ос­

лы,

-

составляющий

часть

крупной

молеку­

наприм е р, остаток аминокислоты в белке или

остаток нукл еотида в н уклеи новой кислоте . Мо­
жет также от н оситься к целой молекуле, способной
входить в состав более крупной молекулы. Многие

нова1-1ий.)

белки, например, состоят из нескольких пошrп ел­
специфичность

(specificity)

Избирательное с родство одной молекулы к другой,

тид ных це пей, каждую и з которых называют субъ­
единицей белка.

позволяющее им связываться или р еаг ировать друг с
другом, даже в присутствии множества друеих, ~1 е род­

сульфгидрильная группа

ственных молекул.

(sultЪydryl

(- SH, тиолыrая группа)
group, - SH, thiol)
R - SH нs - R

Химическая 1·р уппа, состоящая из

спираль

(hetix)

Удлинен н ая

+

атомов серы и водорода; входит в

структу­

R - s- s- R

состав амюю1< ислоты цистеина и

ра, в которой 1ш ть или

друп1 х мол екул. Две сул ьфгидрилы1ых группы могут

лента регуля рно из гибается, образуя витки вокруг

соединяп,ся, образун дисульфидный мостик

ц е нтральной оси.

телом ера
спирт

( telomere)

Структуры на концах ли н ей ных хромосом; содержат

( alcohol)

Ор1·а ~1ич еское вещество, содержащее гидроксильную

хар актерные гюследовател ьности ДНК, р елли ци рую ­

группу ( - ОН), соединенную с насыщенным атомом

щи еся особым образом. Противостоят тенденции хро­

углерода,

мосом укорачиваться лри каждом раунде р пликации

ку

- наприм е р,
2-1, с . 70- 71).

сплайсинг РНК

этююв ы й спирт

( см.

вклад­

(от греч.
теломераза

(RNA splicing)

telos -

коне11).

( telomerase)

Процесс, при котором в ядре из РНК выреза ются и11 -

Ферм е нт, удлиняющий теломеры

тро 1-1 ы при образовании иРНК [ин тро 1-1ы содержатся

нукл еотидны е п оследовательности на концах эукари ­

также во многих тРНК и рРНК

отических хромосом.

сплайсосома

-

Прим.. перев. ] .

( spliceosome)

Крупный комплекс из мол екул РНК и белков, вы­

телофаза

-

повторяющиеся

( telophase)

Заклю чи тельная стадия митоза, в ходе которой два

реза ющий июроны из пре-мРНК в эукариотич еских

набора раздел ившихся хромосом деко нде н сируются и

клетках.

заклюLrаются в н овые ядерные 060JJOL1ки.

744

Основы молекулярной биологии клетки


техн ологи я ре1юмби:на нтных ДНК (генная инжен ерия )

РНК, иногда называ мой первич1·1 ым транскриптом;

(recomЬin ati o n

катализируется фе рм е нтом РНК- п олимеразой.

DNA tecbnology, genetic engeneering)

овоку111юсть методов, с ,юмощыо которых комбини­
руются фра,·менты ДНК из разных н сточ 11иков и соз­

щ1ются новы

молекулы Д НК. Рекомбинантные ДНК

в 1 ироко и с , юльзуются при кло 11 ировании генов, пол у­

че н ии ,·е н е тич ски мод ифицирова н11 ых организмов и

в цеJю м в молекулярной б иологии.
тиоэ фирная связь

тра н ск р и пци я ДНК

тра нсляция

-

с.м . тр анскри пция

( translation)

Процесс, п ри котором посл едоват ел ьность нуклеоти ­

дов и РНК определяет 1 юрядок ш<л юче н ия аминокис­

лот о белок; происходит в рибосо м ах.
трансn озо н

(thioester bond)

Макроэ ргич еская связь, образующаяся в ходе реак ции

( transposon)

Общее ~, аз вание для коротких фрагм е нтов ДНК, с по­

конденсации м ежду кислой (ацильной) гру ппой и ти ­

соб ных пе рем ещаться в геноме и з одного положе ния в

оловой гру пной

дру гое. Их также наз ывают мобил1, ными ген ет ическ и ­

(- SH); при сутствует,

например, в ще­

тил-КоА и мно1·их фе рм е нт -субст рат ны х комплексах.
тир ози нкиназа

ми эле м е нтами .

тра н спортная РНК ( тРНК) ( traпs fer

( tyrosine kiпase )

Ф е рмент, фосфорилирую 1.1 t ий определе 1 t 11 ые белки по
тирози нам .

RNA, tRNA)

Набор небольших молекул РНК, играющих при с и н ­
тезе белка роль инте рфейса ( ада птера) между иРНК и
аминокислотами.

ткан ь

( tissue )

трукту рирова1шая группа кл ето к со с п е цифичной

фу нкци ей, образующая определенную часть растения
или живопюго [это опр деле ние в рапной степени
подходит и для органа. УдовлетворитеJ1ыюго опреде­

тр а н спортн ы й пуз ыр е к , тр а н спортн ая в езикула

( transport vesicle )
Мембранный п узырек, переносящий белки из одного
внутриклеточного компартмента о другой

-

напри ­

м е р , и з ЭПС в ал парат Гольджи.

ле ния ткани, видимо, не существует: часто упомина­
ем ы е

в о н ределе ниях

ткани

сходство стро е 1-1ия

или

тран сформация

( transformation)

общн ость происхождения клеток свойствен ны далеко

Процесс, в ходе которого клетка попющает ДНК и з

н е всем тканям.

окружающей среды и зате м экс пр есс ирует содержа­

-

Прим. перев.].

щи еся в этой ДНК ге ны.

точечная ( то ч ковая) мутация

(point mutation)

Изменение одной ну клеотидиой пары в последова­

тельности ДНК

н е нт жировых капель в тканях животных (там жир-

триптофан о вый репрессор

(transgenic organism)

Расте ние или животное, стабильно содержащее один
ге нов д ругой клетки или орган и зма и с по­

соб ное п е реда вать их следующим покол е ниям [тра1-1с1·е 11ными мо,·ут быть также бакте рии, грибы и вообще
любые организмы.

-

При.лt. перев.].

-

п роц есс, о резул ьтате которого клетка отвечает на вне­

кл еточный с игнал.

транскри пционны й фактор (traпscription fctor)
Те рмин в целом относится к любому белку, необход и­
мому дл я инициации и л и р е гуля ции тра н скрипции у

( tryptopban repressor)
в

присутстnии трип тофана

с вяз ывающийся с о п ределе нным участком ДНК и вы­

ключающий образование фе рм ентов , отвечающих за
биосю,тез триптофана.

-

тубулин

ст им ула из одной фи з ич еской или хи­

мической формы в другую. В клеточной биологии

Бактериалы-rъrй белок,

тРНК

трансдукция , передача сип~ала (signal transduction)
Прев ращени

кислоты н асыщенны е) и растител ьного масла (где

жириые кислоты в основном ненас ыщенные ).

Через, н а друюй стороне.

трансгенный организм

( triacylglycerol)

Эфир глицерина и жирных кислот. Главный компо­

1-11,1

mpauc- ( trans )

или боле

триацилrли церин , триацилrли церол

с.м . транс портная РНК

(tubulin)

Белок, и з которого состоят микротрубоL1ки.
углевод

( carbobydrate )

Общее названи е сахаров и близких к ним соед и н е ний с
общей формулой (СНр),, (см. вкладку
унаследованная синтения

2-3, с . 74- 75).

( conserved synteoy)

Учасп<и генома, где у сравниваемых видов ге ны рас­
полож е ны в одинаковом поря дке .

эукариот, включая регуляторы транскрипции и общие
транскрипционные факторы .

у равне ни е Не рн ста

(Nernst equation)

Количестве нное выражени е соот нош е ния между рав ­
тра н с1< рипция

( transcriptioo)

Процесс, 11ри котором одна и з цел ей ДНК и с пользу­
тся как матрица для си,-~теза комплементарной цепи

нове с ными концентрациями ионов по ра з ные стороны

проницаемой мембраны и раз ность ю потенциалов на

мембран е.

Словарь

745


фагоцит

фиброн ектин

(phagocytic cell)

(fibronectin)

Клетки , подобные макрофагам или нейтрофилам, с по ­

Белок внеклеточного матрикса, связывающий инте­

собные погло щать микроорганизмы и други е частицы

rри11ы на п оверх н ости клеток , что помогает клеткам

п утем фагоцитоза.

при1<ре п ляться к матриксу.

фагоцитоз

(phagocytosis)

Процесс, лри котором оформлен н ые ч аст ицы погло­

щаются

( « поедаются~)

клеткой. Активно происходит у

хищных протистов, таких какАтоеЬа proteus, и у клеток

фиксация углерода, фиксация СO 2

(carbon fixation)

Процесс, в ходе которого з елены е растения в 1<JrJOLraют

ато мы углерода и з атмосферно 1·0 у глек и слого газа в

саха ра . Вторая стадия фотосинтеза .

иммунной системы позво 1rоч~н,1 х, таких как мак рофаги .

филогенетическое древо
ФАД·Н 2 (восстановленный флавин-аденин­

динуклеотид)

(FAD·H 2 )

(phylogenetic tree)

Схема << родословного д р е в а», иллюстрирующая эво­
лю цион1-1 ую историю группы орt·а~,1 измов.

Главный переносчик электронов в метаболических пу ­
тях , образующийся при восстановл е нии ФАД в ходе
ОJ<исления катаболитов ( например, сукцината) .

филоподия

(filopodium, plural filopodia)

Дли нны й, тонкий, содержащий актин вырост на по ­
верхности животной кл етки. Иногда п омогает нащу­

ФАД

-

см. ФАД·Н 2

фактор выживания

пывать п ут ь, как в конусах ро ста аксонов.

фосфатидилхолин

( survival factor)

Внеклеточная сиrналы-rая молекула, которая должна
присутствовать для предотвраще ния ап оптоза.

присутствующий в болъшю1 стве биологи ч еских мем­
бран (см . рис.

фактор инициации

(phosphatidylcholine)

Обычный фосфолипид, в значительной концентрации

11-6).

(initiation factor)

Белок, обесл еtrивающий правильное присоединение

фосфодиэфирная связь

(phospbodieater bond)

рибосомы к и РНК; ~rеобходим для инициации синтеза

Ковале нтная связь, в которой два атома углерода при ­

белка.

соединяются эфирной связыо (ч ерез атом кислорода)
к одной и той же фосфатной группе. С помощью фос­

фактор инициации трансляции

фодиэфирных связей соединяются нуклеотид ы в целl-f

( translation initiation factor)

РНК или ДНК (см . рис .

2-25).

Белок, обеспечивающий правильное присоедии ение ри ­

босомы к и РНК; н еобходим для начала сю-1Теза бею<а .

фосфоинозитид-3-киназа (Рl-3-киназа)

(pbosphoinositid 3-kinase, PI-3-kinase)
фактор роста

Ф е рмент, фосфорилирующий инозит идные фосфоли ­

(growth factor)

Внекл еточ ная полип е птидная сигнальная мол екула ,

пи д ы мембра ны в ответ на сигналы, получаемые клет­

стимул ирующая рост или размножени е клетки. При­

кой. Фосфорили рованные липиды становятся стыко­

меры таr<их белков

вочными сайтами для внутриклеточных сигналъных

-

эпидермальный фактор роста

(фа~пор роста э пиде рмиса,
фактор роста

EGF)

и тромбоцитарный

белков.

(PDGF).
фосфолипаза С

фенотип

(phospholipase С)

Ф е рмент, связа ниы й с плазмале ммой и осуществляю­

(phenotype)

Совокупностъ приз и аков клетки или организма.

щи й критически важный эта п пе редачи сигнала в фос­
фоиноз итид ном сигнальном пути.

фермент, энзим

( enzyme)

Белок, катализи рующий специфичную химическую

фосфолипид

(phospholipid)

Тип липидных молекул, образующих био­

р еак цию.

логические мембраны. Обыч1-ю состоят из

фибриллярный белок

(fibrous protein)

двух

остатков

жирных

кислот,

соедин ен­

Б елок с молекулами удлиненной формы. Часто такие

ных через фосфат глицерина с какой -либо

белки (наприм ер, коллаген или белки промежуточных

полярной груп пой.

филам е нтов) могут собираться в длинные нитевидные
ст руктуры.

фосфорилирование белков

(protein pbosphorylation)

Ковале нтное при соед и~1 ение фо сфат ной группы к ра­

фибробласт ( fibroЫast)

дикалу аминокислоты в белке, катализируемое проте ­

Об.ыt1нъrй тип ~<леток в соед инитель ны х тканях. Се­

инкиназой . Фосфорилирование обыt11-10 как-то меняет

кретируют внеклеточный матри1<с, бо 1·атый коллаге­

активность или свойст ва белка.

ном и другими макромолекулами. Мигрируют и легко

размножаются в области ран и в 1<ульту ре ткани.

746

Основы молекулярной биологии клетки

фосфорилирование

-

см. фосфорилирование белка


фотосинтез

хлорофилл

(photosynthesis)

( chlorophy\J)

Процесс, в ходе которого расте ния и не которы е бакте­

Свето п оrлощающий

рии и спользуют энергию света для синтеза ор,·аниче­

рот, в фотосинтезе.

пигм ент,

играю щий

главную

ских молекул из углекислого га з а и воды.

холестерин

фотосистема (plюtos ystem)
Круп ны й белковый комплекс, СОJ(е ржа щи й хлоро­
филл, который улавливает эне ргию света .

фрагмент О1<аза1<и

11 -7).

(Okazaki fragment)

цепи в ходе репликации. Формирующиеся фрагменты

бы стро с шиваются ДНК-лиrаз ой, создавая н еп рерыв­
ную цеп,, ДНК

фраrмопласт

ный компонент п лазмалеммы клеток животных ( см.
рис .

Короткий участок ДНК, образующийся на отстающей

( cholesterol)

Ли пи д, соде ржащий ч етыре стероль ных кольца. Важ­

хроматида

хроматин

-

см. сестринская хроматида

( chromatin)

Комплекс ДНК, гисто tюв и негистоновых белков в
ядре эука риотических к; 1 еток. Материал, из которого

(phragmoplast)

состоят хромосомы.

Структура, состоящая из микротрубочек и мемб ран ­
ных

пузырьков, которая заиимает экваториал ьиый

участок деляrцейся раст ительной клетки и и з которой

впоследствии образуются

мембраиы,

разделяющи е

хемиосмотическое сопряжение

( chemiosmotic coupling)

Механизм, с помощью которого градиент ионов водо­

рода [или ионов натрия.

При.лt. перев. ] иа мембраие

-

(гради ент рН) использ уется для осуществления энер­

гоемко го процесса, такого как синтез АТФ или актив­
ный транс п орт молекул ч е рез мембрану.

Ферменты (обычно мультифе рм ентны е 1<омплексы) ,

соедииение

между

фикации взаимодействий ДНК и rистонов в эукари­
отических хромосомах ; в результате меняется досту 11-

~юсть ДНК для других белков, в том числе участвую­
щих в тр анскрипции.

хроматография

( chromatography)

Общий те рмин для обознач ения группы методик, ис­
пользуемых при разделе ни и смесей моле1<ул н а ос1ю­

( chiasma, plural chiasmata)

Х-образ н ое

( chromatin-remodelling complex)
использующие энергию гидролиза АТФ для моди­

дочерние клетки.

хиазма

хроматин-ремоделирующий комплекс

парными

(гомоло­

гичными) хромосомами в п ервом делении мейоза иа
участке, где происход ит кроссинrовер.

ве их разме ров, заряда или с пособ н ости связыват ься с
определенной химической гру ппой . При распростра ­
нен н ом варианте этой методики смесь пропускают ч е­
рез колонку, заполненную определенным веществом­

химическая группа

( chemical group)

носителем, которое связывает одни молекулы и сво­

Группа соединенных ковалентными связями атомов,

бодно пропускает другие.

например, гидроксиль н ая группа ( - ОН) или амино­
гру пп а

(- NH 2) ,

присутствующая во множестве раз­

хромосома

( chromosome)

ных молекул, химические свойства которой хорошо

Удлин е нная палочковидная структура, состоящая из

и звестны.

ДНК и связанн ых с ней белков, несущая генетическую

химическая связь

информацию об организме. Хромосомы особенно хо­

( chemical bond)

Химическое сродство между д вумя атома ми, удержи­
вающе е их вм есте. В живых клетка х встр чаются кова­
лентные, ионны е и водородные связи.

химический элемент

приступают к митозу или м ейозу.

Х-хромосома (Х

chromosome)

Од на из двух половых хромосом млекопитающих [то

( element)

Вещество, состоящее из одного вида атомов; его нел ь­

зя разложить [ химическими м етодами.

-

Прим. перев. ]

на какие -либо иные вещества.
хин он

р о ш о видны, когда живот н ая или растител ьная клетка

же название служит для обозначения половых хро­
мосом насеко мы х (например, дрозофилы) и многих
других животных .

-

При.лt. перев.]. В клетках мужчин

присутствует одна Х-хромосома и ощrа У-хромосома.

( quinine)

Н ебольшой

ж ирораство римый

подвижный

пере ­

носчик электронов, у ч аствующий в дыхательной и
фотосинтепrLJ еской цепях п е ре носа электронов
рис.

( см.

14-20).

цАМ Ф-зависимая протеинкиназа
(протеинкиназа А, ПКА) (cyclic-AMP-dependent
protein kinase, protein kinase А, РКА)

Фермент, фосфо рилирующий белки-ми ш е ни в ответ на
повыш е ние внутриклеточ но й концентрации цАМФ.

хлоропласт

( chloroplast)

Специализированная ор ,·анелла растений и водорос­

целлюлоза

( cellulose)

лей, содержащая хлорофилл и осуществляющая фото­

Структурный полисахарид, состоя щи й из дли нных

синтез.

цепе й ковален тно связанных остатков глюкозы . Обе-

Словарь

747


с п ечивает устой чивость клето чны х сте 11 ок ра сте 11ий к

циклическое фотофосфорили рование

ра тяжению (прочность 1-1 а раз рыв).

( cyclic photophosphorylation)
Од ин из процессов фотоси11теза, в котором участвует

центральная догма молекулярной биологии

тол ы<о фотосистема

(central dogma)

с интез ироват ь АТФ без образова и ия НАД Ф-Н .

I;

при этом хло ропл аст ы могут

При 1щиn , в соответствии с которым генетическая и1-1 -

форм ация п ередается от ДНК к РНК, а затем к беJ1 ку.

цюсл л имонной к и слот ы (цикл трикарбоновых кислот,

циЮJ Кребса )
це нтриоль

ТСА,

( centriol)

Короткая ци л ющрическая структура и з микротрубо­

ч ек. В животных клетках це нтриол и обычно рас поло ­
же ны парами

u ц е нтре

( citric acid cycle, tricarboxilyc acid cycle,
Krebs cycle)

Це нтра.лы-1ый метабол ическ ий п уть у аэ роб ~1 ых орга­
низ мов , в ходе которого прои сходит окисление аuе­

це нтросомы. Находятся также

тилы-1ы х групп , происходящих из мол е кул пищи , до

в основа 11 ии рес нич е к и жгуп11<ов (где их называют

углекислого газа. В клетках эукариот реак ции цикла

базалыiЫми те;1 ьцами) .

Кребса происходят в матриксе митохондрий.

центром ера

цис-

( centromere)

(cis- )

Суженный участок митотичес кой хро­

Расположен ные на одной стороне; нап рим е р, ц ис -сет ь

мосомы , удерживающий вместе сестрин­

аппарата Гольджи (цис-Голr,джи) наход ится на сторо­

ские хроматиды; также участок ДНК, где

не, ближ1-1е й к ЭПС.

формируется к и н етохор и при креттляют­

ся микротрубочки веретена деле ния.

цитозоль

( cytosol)

Содержимое главного комлартмента цито плазмы, ис­

центросома (клеточны й центр)

(centrosome, ceUce11ter)

кл юча.я мембранные органеюп,1 (таки е, как ЭПС и м 11 -

Расположенная вбли зи це нтра кл етки орга нелла жи­

тохонд рии). Кл еточ н ая фракция , остающаяся после

вотных кл еток, служащая

главным

центром

органи­

зации микротрубо ч е к. Разделяется надвое, формируя

удаления клеточаых м ембран , органелл и компонен­
тов цитоскел ета .

полюса верете на деления при митозе. В боJ11, ш инстве
ЦИТОКИН ( cytokine)

животных кл е ток состоит и з пары центриоле й.

Небольшой белок, синтезируемый и се кретируемый
центросомный ЦИIUI ( ce11trosome

клетками, влияющий на сосед ни е клетки и ме 1-~нющий

cycle)

Удвоение цеитросомы (во вре мя инте рфаз ы) и ее раз­

их поведени е . Цитокины дей ствуют ч ерез ре цептор. ы

делени е 1-1 а две 1-ювые цеюросомы ( в 1-, aLJaлe митоза ) ,

цитокинов на клеточной пове рхности.

формирующи е полюса митотич:еского веретена.

цитокинез
цикли н

( cytoki11esis)

Разделе ни е цитопл аз мы раст ител ьной ил и живот ной

( cycli11)

Б елок, концентрация которого периодически растет, а

кл етки ~, адвое ( отлисrается от деления ядра

-

митоза) .

зате м резко падает в ходе клетоlrного цикла эу кариот.

Циклины активируют определ е нные проте инкиназы

цитоплазма

( cytoplasm)

( см. циклин-зависимая протеинкиназа ) , п омогая ко н ­

Содержимое клетки , снаружи отграниченное плазма­

тролировать п е р еход от од ной стад ии кл еточного ци к ­

лем мой, но , в сл уча е эукариотич ес кой клетки , находя­

л а к следу ющ е й.

щееся вне ядра .

цикл ин-зависимая проте инкиназа

цитоскелет

(Cdk)
( cycli11-dependent protei11 kinase, Cdk)

( cytoskeleton)

Система белковых 11 итей в цито плазме эукариотич е­

Проте инки 1-1аза, которая активиру ется посл е образо­

ск их клеток, 11 ри да юща.я им форму и с пособность

вания комплекса с цикл ином . Разны е комплекс ы ци ­

1-1аправл е 1-1ному движе 1-1 ию. Наиболее важн ы е компо ­

клю-1 - Сdk запус кают раз 1-tые стадии кл еточного цик ­

н е нты цитос келета

ла, действуя 1-1а определе 1н1ы е белки-мишени.

трубочки и промежуточны е фила менты.

цикличес,шй АМФ ( цАМФ)

( cyclic АМР ,

сАМР)

цитохром

-

r,

актин. оные фи ла м е нты , микро ­

( cytochrome)

Нуклеотид, образующийся из АТФ в ответ на гормо-

Окраш е 11 ный ге м -соде ржащий белок, 11е редающий

1-1.алы1 ую стимуляцию ре цепторов кл ето чной поверх­

эле ктро11ы в ход е клеточно1·0 д ыхания и фото синтеза.

ности . цАМФ действует как сигr-1алы-1 ая мол е кула,
активируя протеинкин азу А; 1·идроли зуется до АМФ

фосфоди эстера.зой

l цАМФ

образуется

во

че кпойнт, << прове рочный п ун кн

( checkpoint)

м11огих

Этап кл еточного цикла эука риотич еской клетки, при

клетках, н апример в кл ет ках бактерий и п ротистов , и

достижении которого клеточный цикл может быт~,

без дейст вия гормо11ов и может влиять на работу дру­

остановлен до тех пор, лока условия н е станут бла го­

гих белков-мишеней.

приятными для п е р ехода к следу ющ е й стадии цикла.

748

-

Прим.. перев. ] .

Основы молекулярной биологии клетки


число оборотов

(turnover numder)
-

В ферментативном катализе
страта,

электростатическое притяжение

число молекул суб­

пр евращаемое в продукт од1-юй

молекулой

( electrostatic attractio11)
Сила притяжения , действую щая н а частицы с проти­

фермента за секу нду. Хотя разные ти пы ферментов

вопо;южным за рядом. В р езультате, например , фор­

могут очень силь н о разли ч аться п о этому показателю,

мируются ионные связи и притягиваются друг к д ругу

обычны числа оборотов в

молекулы, соде ржа щи е ков але ,пные полярны е связи .

1000

или более

это пока ­

-

з ывает эфф ективность фер м е 11 тов J<ак катализаторов.

электрофорез
шкала рН (рН

( electrophoresis)

Метод разделения смеси белков или фрагм е нтов ДНК

scale)

Шкал а, прим еня емая для измере~1 ия сте п е ни кислот-

по их массе и электрическому за ря ду путем

1юст и раствора. ~ р,> обозначает ст п е ~,ь

1-1ия

10,

Н

-

водо­

помеще-

их в r юлимерный гель и воздейств и я на них эле к­

род. Определяется как отрицательный десятич ный

трического поля. М олекулы дв ижутся через гель с

логарифм концентрации ионов водорода в молях на

раз ной скоростью, зав исящей от их разм еров и общего

литр (М) . Таким образом, кислый раство р с рН =

заряда .

3 со­

держит 10-з М ио н ов водорода.

электрохимический градиент
щелевой контакт, высокопроницаемый контакт

( electrochemical gradient)

Дв и жу щая сила, вызывающая движение ионов через

(gap

jнnction)

мембрану [при пассивном тра1-1 сп орте. - Пршt. перев. ] .

Коммуникациою-1 ый

межклеточный

кон такт,

через

который ионы и малые молекулы могут проход ить и з

Определяется разностью кон центраци й иона и эле к­

три ч еского заряда по раз1-1ы е стороны мембраны.

цитоп лазм ы одной клетки в цитоп лаз му другой, со­

эмбриональные стволовые клетки (ЭСК)

се~ней.

( embryonic stem cell, ES cell)
эвоJuоция ( evolнtion)

Тип н едиффе ренцироваии1,1 х клеток, получаемых и з

Посте п е нное изменение приз н аков живы х орга ни з мов

внутрен 1-1 ей клеточной масс ы раннего за род ыша мле­

в ходе сме ны п околений, приводящее к п оявлению но­

копитающих [эмб риональные стволовые кл ет ки суще­

в ых видов.

ствуют и у болъш и н ства д руr-их 1:рупп животных (д ру­
гих позвоаочиых, насекомы х и т. д.)

экзон

-

Прим. перев .] .

Эмб р иональные стволовые клетки можно н еограни ­

( exon)

Участо1< эукарнотического гена, кото ры й экс пресс и­

чеJ-1J-t0 долго подце рживатъ в виде раз множающейс я

руется, транск рибируясь в РНК; кодирует 11оследо­

клеточной по п ул яции (клето чной линии) в кулътуре;

вателы-юс1ъ аминокислот части белка rэта часть фра­

при это м они сохра ня ют сп особоость к дифференци­

з ы относится к экзо нам иРНК; экзо ны ест ь и в генах

ровке (в подходящих условиях) в любой другой тип

тРНК и рРНК, однако белков они не кодируют.

кл еток вз р ослого орган и зма .

-

Прш,t. перев. ].
эндоплазматическая сеть (ЭПС), эндоплазматический
экзоцитоз

ретикулум (ЭПР)

( exocytosis)

Процесс, в резулr,тате которо1"0 болыuин ство ве ществ

( eнdoplasmic reticulttm, ER)

Лаб иринтообразный, отграниченный мембраной ком­

секретируется эукариотич естшми клетками . Эти ве­

п артме нт в цитоплаз ме эука риотических кл еток ,

щества у па ковываются в мембра1,ные пуз ырьки , ко­

синтезируются липиды . На мембра~-, ах ЭПС происхо­

торы е сливаются с ттл азмалеммой, высвобождая свое

д ит си н тез и модификация секретируемых и мембраи­

содержимое наружу.

ных белков.

э,~спрессия гена

эндосома

(gene expression)

Процесс, в ходе которого ген оказывает влияние н а
клетку

или

орrаtrизм,

направляя

си нтез

мол екул ы

белка или РНК с определенной актив н ост ью .
электрон

( electro11)

где

( endosome)

Мембранный ком п артме 11т эука риотической клетки,
ч е рез который проходит по ,·;юще нный путем э ндоци ­
тоза мате ри ал на пути в л и зосомы.

эндоцитоз

( endocytosis)

Од11а из основных субатомных частиц с единичным

Поглощение клеткой ве ществ путем впячивания на­

отрицателы-rым зарядом (е -) .

ружной мембраны с последу ющим заклJО LJе нием по­
гло щаемого материала в мембраю-,ы й п узы рек ( с.м.

электрон-транспортная цепь ( electron-traнsport chain)
Посл едователь ность заклю че нных внутри мембраны
мол екул

-

п ере н осчиков элект ронов , rто которой пе­

редаются электроны от более высоких э 1-1 е р1·етических

также пиноцитоз и фа,·оцитоз ) .

энергия активации

(activation energy)

Дополнительная э нергия , которую требуется сооб­

уровней к более низким (например , при окислитель-

щитъ молекуле, чтобы она вступила в конкретн ую хи ­

1-1ом фосфорилировании и фотосинтезе ).

мич ескую реакцию .

Словарь

749


эне ргия связи

ризустсяособыми модификациями гисто 1 юв и с вя зан-

(bond energy)

Сила химической связи между двумя атомами, изм ря

-

мая в числе килокалорий, необхощrмых для ее разрыва .
энтропия

1-1ых с н ими других белков; ге н ы эух ромати 1-1 а абы

яде рная ламина

( entropy)

11-10

способн. ы к экслр сси и .

(nuclear lamina)

Термодинамическая величина, характеризующая уро­

Волок н истый слой и з пром ежуто чных филаментов,

вень неупорядочею-юсти

состоящих и з яде рн ых ламинов, на в 1-1 утре н ней ло­

системы:

чем

вы ш е

э нтро­

верх 1-1 ости ядерной оболочки.

пия, тем выше н еупорядочею-юсть.

энхансе р

( enhaoser)

яде рная магнитно-рез онансная (ЯМР) спектроскопия

Регуляторная последовательность ДНК, с которой

(nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy)

связ ы ваются транскрип ционные факторы, влияющая

Метод олредел ния трехмерной ст руктуры белков;

на уровень транскрипции структу р ных генов,

может использоваться

,r асто

отстоящих на многие тысячи нуклеотидов.

эпиrенетич е ское наследование , эпиrенетическая

наследственность

при

изучении р астворов, не

требует кристаллизации белка.
ядерная оболочка

(nuclear envelope)

( epigenetic inheritance)

Двой ная мембра~-1 а, окружающая ядро. Состоит из н а­

Наследование информации, которая накладывается на

ружной и в нутренней мембран , пронизанных ядерны­

информацию, содержащуюся в самой последовательно­

ми п орами.

сти ну1<леотидов ДНК, не меняя ее. Часто инфо рмация
заключается в определенном варианте модификации

структуры хроматина ( например, в латтерне 1\Юдифи­
кации гистонов или метилирования ДНК).

ядерная пора

( nuclear pore)

Канал в ядерной оболочке, служа­
щий для избирательного транспорта
круп ных молекул между ядром и ци­

эпителий

( epithelium, plural epithelia)

топлазмой.

Пласт l(Jleтoк, покрывающих наружную поверхность
или выстилающих внутренние п олости тела.

ядерный рецептор
ЭПС, ЭПР

-

см. эндоплазматическая сеть

( nuclear receptor)

Белки- рецеп торы, присутствующие в эукариотиче ­

ских клетках и способные связывать проникающие
ЭСК

-

см. эмбриональные стволовые клетки

в клетку сигнальные молекулы, например сте р оид­
ные гормоны; комплекс ядерного рецептора с сиг­

эубактерии

нальной молекулой действует как транскрипцион­

( eubacteria)

Более строгий термин для настоящих бактерий (не от­

ный регулят ор.

носящихся к царству архей).

ядро
эукариот

( nucleus )

Главная органелла эукар иотической клетки, содержа­

( eucaryote)

Живой организм, состоящий из одной или нескольких

щая ДНК в виде хромосом. Также це н тральная мас ­

клеток с четко разгран иченными ядр ом и цито плаз­

сивная часть ядра атома, состоящая из нейтронов и

мой. К эукариотам относятся все фо р мы жизни, за ис ­

протонов.

ключением бактерий, архей (прокариоты) и вирусов.

ядрышко
эухроматин

Одно из двух оснош1ых состояний хроматина в и1-1те р ­
фазной клетке (второе

750

(nucleolus)

Крупная структура в ядре, где транскрибируется ри­

( euchromatin)

-

rетерохроматин). Характе-

Основы молекулярной биологии клетки

босомальная РНК и происходит сборка субъединиц
рибосом.


Указатель терминов

аппарат Гольджи

Escherichia coli 37
G1-период 548
G2-период 548
у-аминомасляная кислота

386

G-белок 489,491
СаМ-киназа 498
МАР-киназный сигнальный модуль

502
М-фаза 548
SН2-домен 130
SРТ-микроскопия
S- S связь 136
S-период 548

355

рецепторы

гормонов

белков

122,123
465
семейства белков 132
семейства Rab 465
сигнальные 118
связывающие

с особыми функциями
участками

аквапорин

384

625
520
бактерии 24, 26, 294
бактериородопсин 349
Rhо-семейства
Wпt

62, 80

белок

537
262
532

240

глобулярные

130

135

ГТФ-связывающие

57, 78
494

АМФ циl(J)ический

455

SSB 201

вторичная структура

аминоацил-тРНК-синтетаза

149
256

домашнего хозяйства
запасающие

86

анализ рентгеиоструктурный

164

118

зеленый флуоресценп-1ый

325
130

первичная структура белка

анафаза

комплекс вхождения в анафазу

204

162

моноклональное

ренатурация белков

141

специфичность антител

везикулярный транспорт

загрузчик зажима

секреторная

451,

463
469

вер етено

чекпойнт, или контрольная

122

точка проверки, сборки
вещество межклеточное

р епликация

140

82

30, 345

окаймленная

152

119

138

везикула

462

регуляторы активности генов

437

в ан-дер-ваальсовы силы

465

регуляторный код белка

антенный комnлекс

572

белками

разделение белков

593

51
антиген 138
анион

антитело

359, 362

везикулы, окаймленные СОР-

566
анемия серповидноклетоqная
анеуплоидия

переносчики

347
135
шапероны 122, 467
эффекторные 482
библиотека ДНК 313
библиотека кДНК 314
биология: клеточная 13
биосинтез 106
биосфера 90
биотин 145
биохимия 86
бислой липидный 342
борозда деления 569
брожение 395
фибриллярные

белковые транслокаторы

596
рецессивный 596

130
118

трансмембранные

актин- связывающие

доминантный

аполтоз

третичная

637

активаторы САР

372

379
аллель 585
аксон

анаболизм

с семью

доме 1-rами (ТОЖЕ)

структурные

белки

62

495

аминокислота

491

трансмембранными

базальные тельца

азотистое основание

119

с семью трансмембранными

базальная пластинка

465
адаптор 500
аденин 62
аденозиитрифосфат

265

сворачивание, или фолдию~

структура белков164

адаптин

адреналин

119

глюкокортикоидных

ацетилхолиновый рецептор

126, 164
126, 130, 164

а-спираль

~-слой

30, 45,452
207
археи 25,26,294
атом 47, 69
атомная масса 48
атомное число 48
АТФ-зависимые насосы 364
АТФ-синтаза 416,422,423
аутофагия 476
аутофагосома 476
ацетилаза гистоиов 264
а цетил- Ко А 401
ацетилхолин 384, 482
апуринизация

201
201

скользящий зажим

вирусы

20

215

волокна целлюлозные

618

568


rам ета

деле н и е ас имметрИ LJJIО е

гап лотип

де натура r~ия

585
608
rексок и~1 аза 139
гел ь- электрофорез
гем

163

145

1·е нетическ ий ск рининг

604

геном

16, 168
5. cerev-isiae 177
rе ~юмика сравнительная 291
ге нотип 328, 596
д рожжей

ген

гомоло гичный

ДНК

288
324

644
сцепле 1-1 и е генов 601
экспрессия гена 17, 222, 226
ве ктор экспресси и 321
гете розигота 596
rетерохром ат ин 185
гибриди за ция 308
гидрогени з ация 91
гидролиз 59
гликоген 59,411
rликогенфосфорилаза 412
гликозаминогликан 623
гликозилирование 466
1·л икокаликс 353
гликолиз 392, 394
rликолилид 59, 77
rликопротеи д 59, 353
пrутамат 386
глюкоза 59
транспортер глюкозы 363
глюкон еогенез 410
гомоге нат клеток 158
гомоз игота 596

л ига нд- зав ис имый

364

мономе рная
rуан ил атциклаза

501
486

к+ -к аналы

271

259
182

ч е кпойнты , и л и ко rпрольные

повреждений ДНК

557

долихол

дегидрогеназа

дрожжи

п ека рс ки е

37, 45
Sacchai·omyces ce1·evisiae 38
дрозофила 39
а r-r аэ роб ное

дезам инирование

дезокс ирибонуклеот ид

421

заболева в ие о r-ткологическое

640

42,585,593
372

394

74

оптический

78

60
48, 69

Основы молекулярной биологии клетки

29

146

57, 59, 69, 76
63
рибон у кл е и новая 63
клаудин 626
клетка 13, 45
гап лоидная 585
дестру rщия клеток 160
диф фе р е нцированная 17
зарод ыш евой л инии 204
клеточ~, ая сте нка 14
клеточная теория 17
клетка-ми ш е нь 382, 480
клеточн ое д ыха ни е 29, 90
клеточный кортекс 351, 533, 534
клеточный цикл 39
система кон троля

146

п о при~щи п у обратной связи

62

аденозинтрифосфорная

дезоксирибонукле иновая 63, 168
нуклеиновая

395

14, 519

ингибирова ние

91
207

502

525
киr-, ето хо р 564
кислота 73

жир н ая

дыхание

изотоп

394

дег и дрогени за ция

86, 391

92
51

ки 1-1 ези 1-1

изопре н

48

катаболизм
катион

488

573

киназа МАР-киназ ы

516
филоге н етич еское 290

и зом е р

каскад фосфори ли рова н ия

катализ

466
286,294

палочкообраз ный

367

380
38Q
Са 2 + -каналы 383
кариотип 175
карта генетическая 601
каспаза

тоtши пров е рки,

и зоме раза

давле н ие тургорное

потенциал-зависим ы е каналы

Nа+ -каны1 ы

изб ирател ьность ионн ая

62

375

375

уровни уклад ки ДНК

зигота

488

375

377
259

лосл едовател r,ности ДНК

жгути к

489,

по стоя нного тока , и ли утечки

180

комлл ексы

градие нт электрохими ч еский

752

ионными ка н алами

490

р е гуляторны е

древо

359

р е ц е пто ры , связа ш-,ы е с

199
200

мети лировани е ДНК

домеи

498

359

механоч увствителы-r ый

ДНК-связывающие мотивы
линкерная

56

628

кальмодулин

д ыхательны е фе рментативные

587
ОТЦОВСIШЙ 587
гормон 480
тиреои дный 484

дальтон

кад rерин

255

ионный

р е парацио~r н ая

507

231

ион пщроксон ия

кан ал

активностr,

мате рииский

rуаню-r

ин т рон

корректирующая

ГОМОЛО I'

ПФаза

инте рфе рон

100
15, 45

супрессор опухоли

178,

185

309
ДНК-лиrаза 200, 310
ДНК- микроtr ип 327
ДНК- полиме раза 196, 199

пе ре нос ге нов горизонтальный

ре н о рт рн ы V1

интерфаз ны е х ромосом ы

ДНК-зонд

289

496

123
интегрин 537
интерфаза 178, 548

диффуз ия

284

кон се рвативный ген

и 11 озитолтрифосфат

инсулин

диффе ре н цировка клеток

43

ду пликация и д ив е рге нция

генов

569

119, 122
де пол яри зация 380
дес мосома 518, 626, 628
дете рrе rп 348
д иацилrл ице рол 496
д идезокс и -метод 319
димер 133
д и1-1 амин 464
ди н еин 525
дисахарид 75

клеточного цикла
п ервичная оболочка
п л юрипоте нтная

617
638

549


половая

матрикс

281 , 5 5
лрсд ковая 16
стволовая 616, 635
инду цирован~1ая

639

залрограмм ированиая

42

м ейоз

диффе ре 1-1цированная

634
638

эндомембран1-1ая система клетки

454
эукариотич еская
клонирование ДНК

26, 45
310

р е лроду rпивно е клонировани е

4.19
в~1 ут ренни е 22,337,419
тилакоидов 434
м ембранны е до ме ны 352
мембранны е орган елл ы 45 1
м е мбранный поте нциал 363, 376
мембранный транспорт 359

м етастазы

код генетический

мета.фаза

17 4, 235
504

коиммунопреци питация

600
640
560, 566

дробовика

322

поте нциала

компле кс

НАД - Н-дегидроrе назный

пируватдегидроrеназ ный
синаптонемаль ный
компл е ментация

421
400

очистки бею<ов

605

191, 204
282

с лоте рей функции
условные

602
601

281
40
45
330

глад кие

538, 543
538, 543
скелетные 538
сердечная

17, 45
19, 22
трансмиссионный 22

209

230

18
19

флуоресцентная

иасос н атрий-калие вый

конфокалы-rая

нейраминидаза

эле ктрониая трансмиссионная

микротрубочки

J! ипопротеид низкой плотности

микрофиламенты

342
29

центр организации

микрот рубоче1<

474

33

миозин - !

537
537
миостатин 579
миозин-II

макромолекул а

м иофибриллы

Масса

митоrе н

57, 63, 69
молекулярная 48

513,519
561

межлолюсные

ламинин

576

187,

нейромедиатор

365
133
380,382,481

нейрон

535
519
лиганд 138
лизосома 30, 45,452

ламеллопод ия

наследоваtrие э оиrе~1 етичес ко е

271

микроскопия

19

ля мблия

мутации

сканирующий

364,368
крахмал 59,412, 442
криста 419
кроссинговер 588

липосома

64
58, 74
моторный белок 118, 150, 525
мРНК полицистронны е 245
му1<овисцидоз 467
мутаген 604
моносахарид

мышцы

электронный

котранспорте р

ксероде рма пигментная

55, 72
55, 72, 83
нео рганические 57
ор 1·аничес1<ие 57
полимерные 47
сигнальные 480
гидрофобные

мыши нокаут 11ы х линий

14
микроскоп 17
световой 18

484

482,487

мушка плодовая

532

микрометр

265
122

484

внутрикл еточные сигнальные

точечные

194
микроворсинки

контроль комбинаторный

кэпирование

209

репли кации ко.н се рвативный

конформация п олипептида

внеклеточные с игнальные

с избытком функции

КОНЦОВ

99, 114

адrезивный
щелевой

амфипатические

нейтральные

н егомологичного соединения

626, 628
353
372

148
59
амфифиль ные 59, 340

алл остерич еские

чувствительный

м ехан и з м

контакт межклеточный

354

47, 52

мутант темпе ратура ­

40

328

605

559
629

ПЛОТНl,ГЙ

154

158

сайт-специфичного мутагенеза

606

l<Онстанта рав 1-ювесия

373

масс-спектрометрии
ре плик

588

комплем е нтацио~1ный тест
r<о1-rнексон

159

локальной фиксации

559,569

моле кулы

мономер, или субъединица

генной инжеиерии

135, 619
колхицин 523

кольцо контрактилыrое

566

м етод

коллаге н

конденсин

22, 45, 337

м ета.фазная пластинка

236

349

гидрофильны е

п лаз матич ес кая , или

Менделя за коны

639

556

560
28,417

модел 1, жидкостно-мозаичная

плаз ма.лемма

терапевтическое

кортизол

мицелла

579, 583

638

559,561
митохондрия

480

в н ешняя

эмбрионал ьны е стволов ы е

178
519,

фаз ы митоза

м ем б рана

281, 585

те рмииал ьно

кодон

192

263

местного действия

с м е рп, кл етки

Т<о rез ин

митотич еское веретено

комплементарной llепи
м едиатор

178

митоти.ческие хромосомы

615

матрица для с интеза

ллюри пате нтная

со матич ес кая

митоз

392, 418

внеклеточный

560

возбужда ющий

385
385
иейрофиламент 517
1-1 ей.трон 47
н ек роз 573
н ематода 45
Caenorhabditis elegans 42
тормозной

нестабильность

539

генетическая

642
521 , 561

динамическая

Указатель терминов

753


полилептид

1-, уклеаза рестрикциоиная, или

рестриктаза

нуклеозид

62
25
н уклеосома 180

размножение половое

246,

полисахарид

полюс
пори~-,

це н тральная части ц а, или кор ,

нуклеосомы

180
15,57, 62, 69,80

58, 75
верете н а 561
372

по сред J-Iик малый, или вторичный

494

205

регуля ция

о кисление

379
локоя 378
п раймаза 199
праймер 199
прокариоты 24, 25, 45
прометафаза 560
прон уклеус 593

91
626

окончание н ервное

379
402
олигосахарид 58, 75, 353
01-!КОГен 644
оксалоацетат

доброкачественная

протеасома

640
злокачественная 640
органеллы 22

проте инкиназа С

584
329
193,556

протеинкиназа

551
149,488
протеоrликан 353, 623
протеолиз 24 7
протеомика 164

556

осмотическое давление

367
азотистое 56, 73, 172

протисты, или простейшие

комплементарное спаривание

основа ний

остеокласт

172

протон

партеногенез

583

п етля положи тельной обратной
связи

270
пиноцитоз 470
пиримидин 62
пируват 392
пищева рение 392
плазмида 311
плазмодесма 630
показатель рН 56, 73
полиаденилирование

рецептор

384
SRP 460

422

489,490
с вязанный с ферментом

490
489,

сопряженный с С-белками

491
467

с ферм е итатив ,-юй активностью

286
473

500
243, 244

рибозим

пурин

рибонуклеопротеид малый ядериЬ!Й

62

232

анаболичес1<ий

рибонуклеотид

зародыш ев ый

рибопереклю чател ь

405
281

конститутивный экзоцитозный

по умолчанию

РНК

малая интерферирующая

497

Основы молекулярно й биологии клетки

79, 120

97

275

232

матричная, или

информационная
рав новесие химич еское

460

15, 45, 63

малая ядерная

462

фосфоинозитольный

ради1<ал

460

связанные рибосомы

488
секреторный

272
32, 230, 241, 243

сидячие, или мембраю-rо­

142
469

с игнальны й внутриклеточный

230

рибосо ма

62

свободны е рибосомы

469
метаболический

230
полиизоnрено ид 77
полимер 64

754

ионотропиый

37

п уть

полиморфизм однонуклеотидный

214

481

псевдо подии

пол и-А -хвост

299,606

рецептор

связанный с ионным ка н алом

олигосахаридов
псевдогеи

30

531

216

р етротран сnозон

644
профаза 560,561
nроцессинг 230

480
пероксисом а

ретровирусы

протоонкоген

п ер едача сигнала, или трансдукция

ресничный дииеин

542

47

протон -движущая сила

634
634

193, 196

14,5 19, 526

ретикулум саркоплазматический

протеинфосфатаза

367

остеобласт

494

цюш ин- зависимая

комплекс р аспоз навания

ориджина

репликативные вилки
реснички

протеинкиназа А

модифицированный

ориджин репликации

502

503
497

цА М Ф- зависимая

трансгениый, или генетически

основание

149,488

ми тоrен-акивируемая

протеи нкиназа В

диплоидный

418

24 7

протеинкиназа

организм

осмос

отрицательная

пространство межмембранное

опухоль

147
146
положител ьн ая 147
редокс-пара 426
редокс-потенциал 426
из мере ние 430
резухови дка 45, 39
рекомбин антная ДНК 310
рекомбинация 588
гомологичная 192, 210
ре натурация 308
репарация ДНК 204, 208
ре пликация ДНК 191, 193
аллостерич еская

поте нциал

действия

ОККЛЮДИН

316
437
скорость реакции 96, 103
со пря жен н ая 97, 114
спонтанная 96
фосфорилирования 107
реакцио нный центр

119
456
для эпс 460

173

59

полимеразная цепная

си гналь ная

с исте ма р епарации н еспар енных

нуI<Леотидо в

поли1<01-ще н сации

аминокислотная

по следовател ы-,о сть

нуклеотидов

297

р еа1<ция

по следовател ьно сть

комплементарная

583, 584
236

рам1<а считывани я
отк рытая

460

н уклеоид

нуклеот ид

119

полирибосома, или лолисома

306

микроРНК

15, 225

273

рибосомальная

226, 241


РI-IК-индуцируемый компл кс
инактивации

РНК- интерференция
РНК- полим е раза

сортинг белков
спариваии е

273

гомологов

331

с пей се р

225

тра1-1спортная, или тРНК

238

ри бу л озоб и фосфатка рбокс и лаза

фактор, стимулирующий

451

созревани е, или

63

ииициации трансляции

с плаikи1-r1· РНК

роста

232

245
328
ферменты 53, 85, 93, 114, 117, 139
кинетика фермента 103
фибробласт 620

498
родословная 599
рыбка данио 42, 45

стероиды

60, 77
строма 434
субстрат 93

фенотип

сайт инициации

таксол

филамент

сайт нуклеации

теломераза

ковалент1-1ая полярная
иековалеJ-Iтная
одинарная

актиновый

203

второй закон
первый закон

виментиноподобный

87
88

кератиновый

МИОЗИJ-ЮВЫЙ

484

технология рекомбинантных ДНК

толстый

435
62
ТИМОЗИ/-1 533

тонкий

тирозинкиназа

488
500,152

рецепторная
тироксин

восстановление после

ткань соединительная

61.9

фотообесцвечивания

полярная54

слабая

транскрипция

фосфодиэфирная

62
62

коитроль

161
161

163

228

формин

272

фосфат

фосфошrозитид-3-1<иназа, или

факторы транскрипционные

фосфолипаза С

сеть траис- Гольджи

трансляция

сеть цис- Гольджи

транспозон

227

228

222,235
213

362
пассивный 362, 379

462

ядерной локализации

транспортные везикулы

457

310
триацилглицерин 60, 76
тРНК инициаторная 244
трипсин 154
тромбин 139
тропонин 542
тубулин 520
трансформация

сигнализация

контактная

481
480
паракрин1-1ая 480
симбиоз 28
синапс 382,384,481
межклеточная

синаптические везикулы

383

углеводы

531

148
402, 408, 420
субстратное 394
циклическое 441
фосфофруктокиназа 411
фотон 437
фотосинтез 25, 89
окислительное

456

фотосинтетический
реаrщионный центр

фотосистема

урацил

биополимеров

112
ДНК, затравка 199

фрагмент Оказаки

62

89, 441

хиазма

фагосома

291
599

сопряжение хемиосмотическое

416

198

572

471
470, 471
471

588

химия органическая

XИJ-101-L

СI<рещивание дигибридное

349

437

58

утлерода фиксация

синтез

синтеиия сохраненная

496
60, 76
инозитидный 345
инозитольный 496

фраrмопласт

592

синдром Картагенера

PI-3

503

фосфорилирование белков

активиый

старта переноса

киназа

фосфолипид

транспорт

сигнал

339

71, 80

259
термv1натор транскрипции 227
универсальные

468
468

533

фосфатидилхолин

ре1·улятор транскрипции

566
сеnараза 566
серотоJ-Iин 387

354
18

фокусирование изоэлектрическое

посттранскрипционный

секьюрин

синдром Дауна

флуоресцентные зонды

222

транскрипции

до равновесия

сигма-фактор

214

комплекс инициации

161

на скорость

<< выторат-тия ,> , или

498

трансдуци~1

фосфоангидридная

флуоресценция

484

транскриптаза обратная

седиментация

539
540
филоподии 535
флиппазы 345

тимин

82

33, 135, 513,

515

тилакоид

52,69

517

517
538

промежуточный

305

50

33, 513, 532

виментиновый и

термодииамика

53
78

пептидная

523

тестостерон

244

576

терминации тра 1-1сляции

233

родопсин

259
520
сайт связывания 138
саркомер 539
Саузерн -блопинг 309
сахара 57,69
сахароза 443
связь химическая 47, 50, 69
водородная 55, 72, 82
двойная 53, 70
ио 1-1ная 50, 51
ковалентная 50, 52, 69, 70

576

выживания

265
351

сп е ктрин

альтернативный

441

MPF 553

факторы

588

хитин

47

429
59

фагоцитоз

хлоропласт

фагоцит

хлорофилл

45,434
29, 420, 436
Указатель терминов

755


холестерин

холин

344

хроматиды сестри11ские

хроматин

556, 587

175, 180

хромати н-ремоделирующий

комплекс

27, 168
175, 588

гомологичные

549, 559
592

рецептор-опосредова111-1ый
эндо цитоз ный путь

93, 142
92, 94, 96
измN1 ение 96, 114
энхансер 263

48

59

эпителий

шаперон

431

многослойный

123, 245

однослойный

520
центрифуга 160

эволюция

центрифугирование

экзон

дифференциальное

эластин

32,451, 466
136

ядро

392,

402, 408, 416

551

электрофорез в полиакриламидном

геле, двумерный

163

ЛИМОИИОЙ IШСЛОТЫ

392, 402
трикарбоновых кислот 402

элементы

фиксации углерода, или цикл

эндоплазматическая сеть

47

генетические мобилыiЫе

442

Основы молекулярно й биологии клетки

459

21 , 27,45

пересадка ядер

108

электрон-транспорпrая цепь

198
198

цикл

756

287

экзоцитоз

лидирующая

Кальвина

484
25, 294
эух роматин 185
эукариоты

электронов переносчики

отстающая

624
624

эстрадиол

16

231

перемешивание экзонов

161
179
519,520,560

цель

циклин

462

энергия

свободная

центриоль

центросома

473
470

шпивации

431

584

центр железо-серный

центромера

452, 460
31, 452
позд няя 474
ранняя 474
э ндоцитоз 31,451, 470
э ндоцитоз ный пузырек

421
цитохром с

число Авогадро
целлюлоза

33

цитохромоксидаз ный комплекс

нерасхождение хромосом

452

э ндосома

32, 33, 45, 513
цитохалазин 533
цитохром-Ьс 1 -комплекс 421
цитохромоксидаза 432

162

половые

шероховатая , или гра11уляр11ая

цитоскелет

хроматографическая колонка

конденсация хромосом

пrадкая

цитозол ь

движение цитоплазмы

183, 187
162

хроматография

хромосомы

ЦИТОЗИII

62
32,45
цитокинез 560, 569
цитокины 507
цитоплазма 21,32,45

60

213
30, 45, 452,

638
456, 515, 517
ядерная оболочка 27
ядерные поры 456
ЯМР-спектроскопия 153, 164
ядерная ламина


Содержание

Предисловие редакторов перевода

5

Предисловие авторов

6

&лаrодарности

8

Ресурсы для студентов и преподавателей

9

Цитоплазма находится в постоянном движении

Эукариотические клетки, вероятно, приобрели свои
признаки из-за перехода к хищничеству

Краткое оrлавление и особые разделы

11

33

МОДЕЛЬНЫЕ ОРГАНИЗМЫ

34
37

Молекулярные биологи сосредоточились
на изучении

Esherichia coli

37

Пекарские дрожжи - простая модельная

Глава 1. Общее представление о клетках

13

ЕДИНСТВО И МНОГООБРАЗИЕ КЛЕТОК

13

Клетки очень разнообразны по форме и функциям

13

Все клетки схожи по химическому составу

15

Все клетки современных организмов, видимо,
произошли от одной предковой клетки

16

Гены обеспечивают инструкции, определяющие
форму, функции и сложное поведение клеток

КЛЕТКИ ПОД МИКРОСКОПОМ

16

17

Изобретение светового микроскопа
привело к открытию клеток

17

Под микроскопом можно увидеть клетки,
органеллы и даже отдельные молекулы

ПРОКАРИОТИЧЕСКАЯ КЛЕТКА

20

24

Прокариотические клетки наиболее разнообразны
по биохимическим свойствам

25

Мир прокариот включает два царства :
бактерии и археи

ЭУКАРИОТИЧЕСКАЯ КЛЕТКА

26

26
27

Хлоропласты используют энергию солнечного света

Цитоскелет отвечает за клеточную подвижность

Главные модельные объекты среди животных муха, круглый червь, мышь, рыба и человек

39

Делись или умри

39

Ближайший родственник

40

Чтение генов

41

Сравнение нуклеотидных последовательностей
геномов выявило сходство всех живых организмов

43

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

45

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

45

Глава 2. Химический состав клеток

47

ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ

47

В клетках можно встретить только некоторые

47

Электроны внешнего уровня определяют
химические взаимодействия атомов

49

Ионные связи образуются путем обретения
и потери электронов

51

при обобществлении электронов

52

29

Ковалентные связи различаются по силе

53

Существуют разные типы ковалентных связей

53

30

Электростатическое притяжение помогает

32

Молекулы воды образуют друг с другом

сближению молекул в клетках

Цитозоль - концентрированный водный гель
из крупных и мелких молекул

38

28

Внутренние мембраны создают внутриклеточные
компартменты с разными функциями

среди 300 ООО видов цветковых растений

Ковалентные связи формируются

Митохондрии извлекают из пищи
энергию для жизненных нужд клетки

37

избран модельным объектом

разновидности атомов

Клеточное ядро - хранилище
генетической информации

эукариотическая клетка

Arabldopsis tha/iana был

32

водородные связи

54
55


Некоторые полярные молекулы проявляют в водных
растворах кислотные и основные свойства

Константа равновесия характеризует силу

55

МОЛЕКУЛЫ В КЛЕТКАХ

57

Клетки состоят из соединений углерода

57

межмолекулярных взаимодействий
Для последовательных реакций изменения свободной

энергии суммируются

57

органических молекул

взаимодействовать с субстратами
V ma x и

Сахара служат источниками энергии для клеток

58

и мономерами полисахаридов

Жирные кислоты служат компонентами

клеточных мембран

59

Км служат мерой быстродействия ферментов

Контроль

104

Дизайн

105

Нуклеотиды - мономеры ДНК и РНК

62

И БИОСИНТЕЗ

63

Образование активированных переносчиков

МАКРОМОЛЕКУЛЫ В КЛЕТКАХ

АКТИВИРОВАННЫЕ МОЛЕКУЛЫ - ПЕРЕНОСЧИКИ

64

реакциями

106

АТФ - самая распространенная активированная

Нековалентные связи определяют точную форму

67

макромолекул

молекула-переносчик

107

Энергия, запасенная в АТФ, может расходоваться

Нековалентные связи позволяют макромолекуле

избирательно связывать другие молекулы

67

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

69

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

69

Глава З. Энерrия, катализ и биосинтез

85

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ КЛЕТКАМИ

86

на соединение молекул между собой

Клетки используют множество других

активированных молекул-переносчиков
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

llA

87

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

1lA

88

Глава 4. Структура и функции белков
ФОРМА И СТРОЕНИЕ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ

Клетки получают энергию за счет окисления
органических молекул

90

Окисление и восстановление - результат переноса

электронов

92
92

119

Реализуемая укладка белка соответствует
состоянию с наименьшей энергией

122

и разнообразна

123

Типовые паперны укладки белков -

Осуществимость химической реакции зависит от того,

как меняется в ходе нее свободная энергия

117

Геометрия белковых молекул очень сложна

Ферменты снижают энергию активации, что позволяет
химическим реакциям протекать в клетках

117

Форма белка задается его аминокислотной
последовательностью

91

СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ И КАТАЛИЗ

11 О
112

Фотосинтезирующие организмы используют
энергию света для синтеза органических молекул

108

Синтез биополимеров требует затрат энергии

Упорядоченность биосистем возможна благодаря
высвобождению клетками тепловой энергии

108

НАД·Н и НАДФ·Н - важные переносчики
электронов

94

а-спираль и ~ -слой

126

В биологических структурах часто

Концентрации реагентов и конечных продуктов

встречаются спирали

влияют на изменение свободной энергии
и направление реакции

95

Изменение стандартной свободной энергии
химических реакций

95

молекул

состоянии
0

95

Белки группируются в семейства

98

Крупные белковые молекулы часто содержат
несколько полипептидных цепей

В сложных реакциях константа равновесия

Белковые молекулы могут формировать нити,

зависит от концентраций всех исходных веществ и

99

130
130

Лишь некоторые из множества возможных

белковых цепей имеют полезные свойства

Клетки существуют в химически неравновесном

126

~ -Слои формируют жесткую основу многих белковых

Белки имеют несколько уровней укладки

позволяет сравнивать энергетику различных

Основы молекулярной биологии клетки

106

сопряжено с энергетически выгодными

последовательность мономеров

758

102
103

61

Для макромолекул характерна определенная

100

Скорость

Аминокислоты - мономеры белков

продуктов

100

Быстрая диффузия позволяет ферментам

Клетки содержат четыре основных класса малых

Константа равновесия прямо пропорциональна ЛG

99

листы и сферы путем самосборки

131
132

132


Глава

Молекулы некоторых белков имеют вытянутую
нитевидную форму

135

Внеклеточные белки часто стабилизированы
межмолекулярными ковалентными связями

КАК РАБОТАЮТ БЕЛКИ

136
136

Все белки участвуют в межмолекулярных
взаимодействиях

137

139

Описание механизма работы фермента
на примере лизоцима

Большинство лекарств - ингибиторы ферментов

142
145

Прочно связанные с белками малые молекулы
придают им дополнительные функции

145

КАК РЕГУЛИРУЕТСЯ РАБОТА БЕЛКОВ

146

Каталитическую активность ферментов
часто регулируют другие молекулы

149

Гидролиз нуклеотидов позволяет моторным белкам

150

Крупные комплексы из большого числа белков
функционируют в качестве белковых машин

Послания от мертвых

Коктейль из вирусов

168
169
170
171
174

наследственности

СТРУКТУРА ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ ХРОМОСОМ

174

ДНК эукариот упакована в несколько хромосом

175

Хромосома содержит множество линейно

176

расположенных генов

Состояние хромосом изменяется в течение

177

жизни клетки

Интерфазные хромосомы занимают

определенные области внутри ядра

179
180

Нуклеосомы - основные единицы укладки ДНК

180

Существуют разные уровни укладки ДНК

182

РЕГУЛЯЦИЯ СТРУКТУРЫ ХРОМОСОМ

183

Изменение структуры нуклеосом обеспечивает

путем циклического присоединения

обеспечивать клеточную подвижность

комплементарных цепей нуклеотидов

в хромосомах

148

ГТФ-связывающие белки тоже регулируются
и отделения фосфата

Молекула ДНК состоит из двух

в хромосомах эукариот

147

Фосфорилирование может регулировать активность
белка, меняя его конформацию

168

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ДНК

ДНК в хромосомах высококонденсирована

146

У аллостерических ферментов есть
взаимозависимые сайты связывания

167

Строение ДНК обеспечивает механизм

138

Ферменты - это мощные специфичные
катализаторы

и хромосомы

Надувая мыльные пузыри

Сайты связывания особенно разнообразны
у антител

5. ДНК

151

Ковалентные модификации белков контролируют

183

доступ ферментов к ДНК

Интерфазные хромосомы содержат

конденсированные и более рыхлые участки

185

хроматина

Изменение структуры хроматина может

186

наследоваться

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

местонахождение белковых молекул и сборку

187
188

152

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

КАК ИЗУЧАЮТ БЕЛКИ

152

Глава

«Отпечатки пальцев»

153
154
156
157

репарация и рекомбинация

191

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

192

белковых комплексов

Рентгеноструктурный анализ
Ядерный магнитный резонанс
Клетки можно выращивать в культуре
Современные методы очистки позволяют получать

репликация,

Спаривание оснований позволяет ДНК
реплицироваться

Синтез ДНК начинается в ориджинах репликации

высококачественные препараты белков
из клеточных гомогенатов

6. ДНК:

158

Почти любой белок можно получить

Синтез новой ДНК происходит

196
197

в репликативных вилках

Репликативная вилка асимметрична

в больших количествах благодаря возможностям
генной инженерии

159

белков ускоряет научный прогресс

164

Авто~атизация исследований структуры и функции
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

164

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

165

192
193

ДНК-полимеразы могут исправлять

198

за собой ошибки
Небольшие фрагменты РНК играют роль затравок

199

при синтезе ДНК

Белки репликативной вилки кооперируются,
формируя единый репликативный аппарат

Содержание

201
759


Теломераза реплицирует концы эукариотических
хромосом

РЕПАРАЦИЯ ДНК

Инициация транскрипции эукариотических генов -

203
203

204

205
206
208

Двухцепочечные разрывы могут быть
репарированы быстро, но неточно

209

ГОМОЛОГИЧНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ

210

необходимы протяженные участки

211

213

213

215

Ретровирусы обращают нормальное направление

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

Глава

216
218
218

реализуют rенетическую информацию

221

ОТ ДНК К РНК

222

Участки последовательностей ДНК

222

При транскрипции образуются молекулы РНК,
комплементарные одной из цепей ДНК

В клетках образуются разные типы молекул РНК

222
225

РНК-полимераза опознает сигнальные

760

Основы молекулярной биологии клетки

Рибосомы - это рибозимы
начала и окончания синтеза белка
Белки синтезируются на полирибосомах

240
241
243

226

24.4
246

Ингибиторы синтеза белка в прокариотических
клетках используются в качестве антибиотиков

2.47

Строго регулируемая деградация белков

обеспечивает поддержание необходимого

2.47

Существует несколько этапов реализации
генетической информации на пути

от ДНК к белку

2.48

РНК И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

249

Для существования жизни необходим автокатализ

2.49

РНК могут и хранить генетическую информацию,
и катализировать химические реакции

Вероятно, РНК появилась до ДНК в ходе эволюции
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

участки ДНК, обозначающие начало
и конец транскрипции

236
237
237
239

Расшифровка генетической информации

их количества в клетке

7. От ДНК к белку: как клетки

транскрибируются в РНК

235

В мРНК есть кодоны, служащие сигналами

элементы, способные перемещаться

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

235

Специфичные ферменты связывают тРНК

происходит в рибосомах

214

Вирусы - полностью мобильные генетические

передачи генетической информации вспять

Поддельные послания (РНК)

с нужной аминокислотой

Геном человека содержит два больших семейства

из клетки в клетку

аминокислот кодонам мРНК

Ловля триплетов

В мобильных генетических элементах закодированы

мобильных элементов

234

тремя последовательно расположенными

Обойтись без клеток

212

МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

компоненты, необходимые для их передвижения

организмов содержались интроны

Молекулы тРНК обеспечивают соответствие

Гомологичная рекомбинация обеспечивает обмен

И ВИРУСЫ

234

Вероятно, в генах общих предков современных

нуклеотидами мРНК

безошибочно репарированы при помощи

генетической информацией во время мейоза

233

Каждая аминокислота в белке кодируется

211

Двухцепочечные разрывы могут быть
гомологичной рекомбинации

230
232

Молекулы мРНК в клетке рано или поздно

ОТ РНК К БЕЛКУ

Для гомологичной рекомбинации
со схожими последовательностями

Интроны удаляются при сплайсинrе РНК

расщепляются

210

230

Зрелые РНК эукариот избирательно
экспортируются из ядра

Сведения о точности репликации и репарации ДНК
сохранились в последовательностях геномов

228

Эукариотические гены прерываются
некодирующими последовательностями

ДНК в клетках постоянно испытывает

Репарация ДНК поддерживает стабильность генов

транскрипции

синтез и процессинг РНК

удаляет ошибки, допущенные репликативным

повреждающие воздействия

Для работы эукариотической РНК- полимеразы

У эукариот в ядре одновременно происходит

Система репарации неспаренных нуклеотидов

аппаратом

228

требуются универсальные факторы

Мутации могут иметь серьезные последствия
для организма

сложный процесс

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

250
251
252
253


Глава

8. Реrуляция rенной экспрессии

ОБЗОР ГЕННОЙ ЭКСПРЕССИИ

255
256

Различные типы клеток многоклеточного организма

содержат одинаковую ДНК

256

Различные типы клеток синтезируют

разные наборы белков

256

Клетка может изменять экспрессию своих генов

в ответ на внешние сигналы

258

Экспрессия генов может регулироваться на разных

этапах пути от ДНК через РНК к белку

258

КАК РАБОТАЮТ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

ТРАНСКРИПЦИИ

для выключения генов

275

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

276

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

276

Глава

9.

Как эволюционируют

rены и rеномы

279

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ
ИЗМЕНЧИВОСТИ

279

В организмах, размножающихся половым путем,
потомству передаются только изменения,

происходящие в зародышевой линии

259

Транскрипцию контролируют белки,

механизмов копирования и поддержания ДНК

259

Переключатели транскрипции позволяют клеткам

280

Точечные мутации вызываются сбоями нормальных
Точечные мутации могут изменять регуляцию гена

связывающиеся с регуляторными

последовательностями ДНК

Ученые могут использовать РНК-интерференцию

281
282

Дупликации участков ДНК приводят
к возникновению семейств родственных генов

284

отвечать на изменения в окружающей среде

260

Репрессоры выключают гены, а активаторы включают

261

как дупликация и последующая дивергенция генов

262

могут создавать белки, приспособленные

Активатор и репрессор контролируют Lас-оперон

к особенностям организма и его развития

У эукариот участки, необходимые для регуляции

263
263

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ, НЕОБХОДИМЫЕ
ДЛЯ СОЗДАНИЯ РАЗНЫХ ТИПОВ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ КЛЕТОК

264

Эукариотические гены регулируются
комбинациями белков

265

Экспрессия нескольких генов может
координироваться одним белком

265

В большом яйце

266

Поиск белков

266

Исследуя ДНК

267

С помощью комбинаторного контроля
могут создаваться различные типы клеток

ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ

272
272
273

287

Гены могут перемещаться между организмами
в результате горизонтального переноса

288

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СЕМЕЙНОГО ДРЕВА
ВСЕХ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ

289

Генетические изменения, дающие селективное
преимущество, сохраняются

289

Геномы человека и шимпанзе имеют

290

Функционально важные участки проявляются
последовательностью ДНК

291

позвоночных быстро приобретают и теряют ДНК 292
Консервативность последовательности позволяет
эволюционное родство

293

295

Нуклеотидная последовательность генома человека
показывает расположение наших генов

273

РНК-интерференция позволяет уничтожить
чужеродные двухцепочечные РНК

ускоряли эволюцию генома

ИЗУЧЕНИЕ ГЕНОМА ЧЕЛОВЕКА

Малые регуляторные РНК контролируют
экспрессию тысяч генов растений и животных

Перемещения мобильных генетических элементов

прослеживать даже самое далекое

Нетранслируемые участки мРНК могут управлять
их трансляцией

287

перемешиванияэкзонов

Сравнение геномов показывает, что геномы

271

Рибопереключатели - экономичное решение
для регуляции генов

286

удвоения экзона

как островки с консервативной

270

Формирование целого органа может запускаться
одним регулятором транскрипции

286

Новые гены могут также возникать в результате

сходную структуру и последовательность

269

Стабильные паперны генной экспрессии
могут передаваться дочерним клеткам

включала полногеномные дупликации

Новые гены могут возникать в результате

Упаковка ДНК в нуклеосомы влияет на инициацию
транскрипции

284

Эволюционная история многих видов

транскрипции определенных генов, могут

находиться на большом расстоянии от этих генов

Эволюция семейства генов глобинов показывает,

274

295

Сигналы и осколки

297

Сопоставление меток

298

Число генов человека : обратный отсчет

298

Содержание

761


С помощью генетических методов можно выявить

Ускоренные изменения консервативных

функцию гена

последовательностей в геномах помогают
узнать, что делает человека человеком

Изменчивость генома человека -

299
299
300

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

301
302

Глава

305

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

10. Анализ rенов и rеномов

МАНИПУЛЯЦИИ С МОЛЕКУЛАМИ ДНК

306

И ИХ ИЗУЧЕНИЕ

307
307

определения специфических нуклеотидных

предназначенных для обнаружения данной

КЛОНИРОВАНИЕ ДНК

Гены можно выделить из библиотек ДНК

311
312

316

319
321

С помощью клонирования ДНК можно получать

321
322

in situ

А теперь все вместе

32.4
325
325

Гибридизация на ДНК-микрочипах позволяет следить
за экспрессией тысяч генов одновременно

762

Основы молекулярной биологии клетки

3.46
3.47
3.48
3.49
351

мембранных белков
Поверхность клеток покрыта углеводами

Атака FRAP
Поодиночке

Освобожденные из клеток

352
353
35.4
354
355

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

356
357

Глава

359

12. Мембранный транспорт

ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МЕМБРАННОГО
ТРАНСПОРТА

360

Концентрации ионов внутри и снаружи клетки
резко различаются

360

Липидный бислой непроницаем для многих

позволяют определить, когда и где

Клон за клоном

345

Клетки могут ограничивать подвижность

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ДНК можно быстро секвенировать

экспрессируется данный ген

мембранных белков
клеточным кортексом

319

Репортерные гены и гибридизация

бислой в виде а-спиралей

310

ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Метод дробовика

3.45

Мембранные белки связываются с липидным

Плазматическая мембрана укреплена

РАСШИФРОВКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

большие количества редких белков

Асимметрия липидного бислоя сохраняется при

310

С помощью полимеразной цепной реакции можно

Можно создавать совершенно новые молекулы ДНК

Текучесть липидного бислоя зависит от его состава

детергентов и очистить

31.4

амплифицировать определенный фрагмент ДНК

339
3.42
3.43
34.4

Детальная структура известна для немногих

Библиотеки кДНК отражают состав мРНК
определенных тканей

Мембранные липиды формируют в воде бислои

Мембранные белки можно выделить с помощью

Для клонирования ДНК используют специальные
плазмидные векторы

339

310

Рекомбинантные молекулы ДНК могут копироваться
в бактериальных клетках

ЛИПИДНЫЙ БИСЛОЙ

Полипептидные цепочки обычно пересекают

308

С помощью ДНК-лигаз соединяют фрагменты ДНК,

получая рекомбинантные молекулы ДНК

337

11. Строение мембраны

бислоем разными способами

Гибридизацию проводят с помощью ДНК-зондов,
нуклеотидной последовательности

Глава

МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ

308

331
332
333

транспорте мембран

Гибридизация - чувствительный метод
последовательностей

331

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Липидный бислой асимметричен

Гель-электрофорез позволяет разделять

молекулы ДНК разной длины

биологии и сельского хозяйства

Липидный бислой - двумерная жидкость

Рестрикционные нуклеазы разрезают
молекулы ДНК в специфичных сайтах

изучения функции гена
Трансгенные растения важны для клеточной

Геном человека содержит обилие информации,
которую еще только предстоит расшифровать

328
329

РНК-интерференция - простой способ

одна из причин

индивидуальности

Животных можно генетически модифицировать

растворенных веществ и ионов

360

Существует две группы мембранных транспортных
белков - каналы и переносчики

361

Растворенные вещества перемещаются

через мембраны путем пассивного

327

или активного транспорта

362


БЕЛКИ - ПЕРЕНОСЧИКИ И ИХ ФУНКЦИИ

362

Концентрационные градиенты и электрические силы
обеспечивают пассивный транспорт

главные мишени психотропных веществ

363

При активном транспорте растворенные вещества

364

Клетки животных используют энергию
гидролиза АТФ д.ля выкачивания ионов натрия

365

Работа Nа+-к+- насоса зависит от временного
присоединения фосфатной группы

366
367

Внутриклеточная концентрация ионов Са 2 +
за счет работы Са +-насосов

368

При сопряженном транспорте белки-переносчики

368

372

372
373

376

ИОННЫЕ КАНАЛЫ И ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ
НЕРВНЫМИ КЛЕТКАМИ

378

Потенциалы действия используются д.ля быстрой
передачи сигнала на большие расстояния

380
381

В нервных окончаниях благодаря открыванию

382

395

400

до ацетилкофермента А

ацетильных групп до С0 2 образуется НАД·Н

Яд указывает на цикл

402
403
404

или цикла лимонной кислоты

405
405

Перенос электронов движет синтезом

РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА

408
409

Реакции катаболизма и анаболизма

409

взаимосвязаны и регулируемы

Регуляция по принципу отрицательной обратной
связи позволяет клеткам переключаться

410

Клетки запасают молекулы пищи в специальных

411

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

413

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

413

415

Клетки получают большую часть энергии

415

МИТОХОНДРИИ И ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ

превращают химические сигналы

383
383

Нейроны получают возбуждающие
и тормозные сигналы

сопрягают окисление и запасание энергии

за счет механизма, связанного с мембраной

Медиатор-зависимые каналы на клетках-мишенях

Пропускная способность канала связи

395

в митохондриях и хлоропластах

электрический сигнал превращается

обратно в электрические

Брожение обеспечивает синтез АТФ

Глава 14. Производство энерrии

потенциал-зависимых кальциевых каналов

в химический

392
394

хранилищах д.ля будущего использования

при открывании потенциал-зависимых

Установка в действии

Молекулы пищи расщепляются в три стадии

с расщепления глюкозы на ее биосинтез

379

Потенциалы действия обычно возникают
натриевых каналов

391

основной части АТФ в большинстве клеток

375

Мембранный потенциал зависит от проницаемости
мембраны д.ля определенных ионов

САХАРОВ И ЖИРОВ

Объяснение загадочных усиливающих эффектов

375

Потенциал-зависимые ионные каналы реагируют
на мембранный потенциал

391

Многие пути биосинтеза начинаются с гликолиза

Различные стимулы вызывают открывание
и закрывание ионных каналов

13. Как клетки получают энерrию

из пищи

Измельченные ткани, странный катализ

Ионные каналы осуществляют случайные переходы
из открытого состояния в закрытое и обратно

Глава

В цикле лимонной кислоты за счет окисления

Ионные каналы обладают избирательностью
и воротным механизмом

389

Сахара и жиры расщепляются в митохондриях

370

ИОННЫЕ КАНАЛЫ И МЕМБРАННЫЙ
ПОТЕНЦИАЛ

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

в отсутствие кислорода

Грибы, растения и бактерии используют
д.ля мембранного транспорта градиенты н +

388

Пример гликолиза показывает, как ферменты

используют электрохимические градиенты

д.ля активного поглощения питательных веществ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Гликолиз - центральный путь синтеза АТФ

подцерживается на низком уровне
2

387

РАСЩЕПЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Nа+-к+-насос помогает подцерживать
осмотический баланс животных клеток

387

Синапсы позволяют человеку думать, действовать
и запоминать

перемещаются против электро х имических
градиентов

Медиатор-зависимые ионные каналы -

ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

417

Митохондрии имеют внешнюю мембрану,
внутреннюю мембрану и два внутренних

385

418

компартмента

Содержание

763


В ходе цикла Кребса образуются
высокоэнергетические электроны

419

и НАДФ·Н для превращения С0 2 в сахара

Сахара, образовавшиеся в цикле фиксации

В хемиосмотическом процессе энергия передается
от активированных молекул-переносчиков к АТФ

углерода, могут з апасаться в виде крахмала

420

Электрон-транспортная цепь перекачивает протоны

через внутреннюю мембрану митохондрии

или потребляться для производство АТФ

И МИТОХОНДРИЙ
давать древним бактериям эволюционные

421

Электрохимический протонный градиент

444

преимущество

Фотосинтетические бактерии еще более

422

Сопряженный транспорт через внутреннюю

нетребовательны к среде
Образ жизни бактерии

свидетельствует о древности происхождения

за счет электрохимического протонного

процесса хемиосмотического сопряжения

423

С помощью окислительного фосфорилирования
образуется почти вся клеточная АТФ

424

Быстрое превращение АДФ в АТФ в митохондриях

425

Редокс-потенциол - мера сродство к электрону
Предполагаемые интермедиаты
Использование силы

Искусственное производство АТФ

Дыхание потрясающе эффективно
ХЛОРОПЛАСТЫ И ФОТОСИНТЕЗ

429
429

Солнечный свет поглощают молекулы хлорофилла

432

433
433
434
434

При фиксации углерода используются АТФ

Основы молекулярной биологии клетки

Белки импортируются в органеллы тремя способами

455

Сигнальные последовательности направляют
Белки попадают в ядро через ядерные поры

456
456

в митохондрии и хлоропласты

458

в процессе синтеза

459
460

Старт- и стоп-сигналы определяют расположение

тронсмембронных белков в липидном бислое

ВЕЗИКУЛЯРНЫЙ ТРАНСПОРТ

461
462

белки и мембраны между компортментоми

462

Отпочковывание везикул вызывается образованием
белковой оболочки

436
437

Слияние пузырьков зависит от связывающих белков

437

СЕКРЕТОРНЫЙ ПУТЬ

и SNARE

463
465
466

Большинство белков ковалентно

439

Хлоропласты могут регулировать свою

продукцию АТФ

455

Т ронспортные везикулы переносят растворимые

Энергия света нужно для синтеза кок АТФ,

ток и НАДФ·Н

453

СОРТИРОВКА БЕЛКОВ

Растворимые белки попадают в полость ЭПС

Возбужденные молекулы хлорофилла направляют
энергию в реакционный центр

452

Белки попадают в эндоплозмотическую сеть

Хлоропласты улавливают энергию солнечного света
и используют ее для фиксации углерода

эволюции розными путями

451

Белки развертываются для попадания

Хлоропласты напоминают митохондрии,

но обладают дополнительным компортментом

набор мембранных органелл

белки в нужный компортмент

Механизм перекачки протонов можно изучать
но атомарном уровне

и

15. Внутриклеточные компартменты
451
внутриклеточный транспорт

Мембранные органеллы возникли в ходе

Цитохромоксидозо катализирует восстановление
молекулярного кислорода

448

425
426
427
427
428

Металлы, связанные с белками, формируют
универсальные переносчики электронов

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

Эукориотические клетки содержат одинаковый

Переносы электронов высвобождают большие
количество энергии

447

425

Протоны легко перемещаются за счет транспорта
электронов

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

МЕМБРАННЫЕ ОРГАНЕЛЛЫ

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ТРАНСПОРТА
ЭЛЕКТРОНОВ И ПЕРЕНОСА ПРОТОНОВ

446

Глава

поддерживает высокое соотношение

АТФ/ АДФ в клетках

445

Methonococcus

мембрану митохондрии также происходит
градиента

764

443

Окислительное фосфорилирование могло

электрохимический протонный градиент

используется для синтеза АТФ

442

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХЛОРОПЛАСТОВ

420

Перекачка протонов создает сильный

но внутренней мембране митохондрии

441

модифицируются в ЭПС

466

При транспорте из ЭПС контролируется

441

качество белков
Размеры ЭПС контролируются количеством

467


проходящих через нее белков

468

В аппарате Гольджи происходит дальнейшая
модификация и сортировка белков

При стимуляции GPCR активируют субъединицы

468

Секреторные белки высвобождаются из клетки
путем экзоцитоза

ЭНДОЦИТОЗНЫЙ ПУТЬ

470
471
471

Спросите у дрожжей

471

472

Жидкости и растворенные в них макромолекулы
поглощаются путем пиноцитоза

473

Рецептор-опосредованный эндоцитоз -

473

Некоторые G - белки активируют связанные

493

Сигнальный путь, запускаемый цАМФ,
может приводить к активации ферментов

494

и включению генов

Сигнальный путь с участием инозитольных
фосфолипидов приводит к повышению

474

Лизосомы - основные органеллы, осуществляющие

Ионы кальция активируют многие биологические

497

Внутриклеточные сигнальные каскады могут достигать

и приспособляемости

498

РЕЦЕПТОРЫ С ФЕРМЕНТАТИВНОЙ

475

АКТИВНОСТЬЮ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

476

Активированные рецепторные тирозинкиназы

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

477

внутриклеточное пищеварение

479

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ МЕЖКЛЕТОЧНОЙ
СИГНАЛИЗАЦИИ

480

Сигналы могут действовать на малом
или большом расстоянии

480

Каждая клетка отвечает на определенный набор
сигналов в зависимости от своего состояния
и предыстории

481

484

мембрану и связываются с внутриклеточными

внеклеточные сигналы через внутриклеточные

487

Некоторые внутриклеточные сигнальные белки

488
489

Рецепторы, сопряженные с ионными каналами,

образуя на плазматической мембране
липидные стыковочные сайты для белков
Выявление фосфорилирования

503

Тесные взаимодействия

504
504

Затор на сигнальном пути

505

Кто за кем идет в пути

505

белков в ядро

507

у животных и растений

508

сложного поведения клеток

508

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

510

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

511

Глава 17. Цитоскеnет

513

515

Промежуточные филаменты похожи

516

на прочные канаты

Промежуточные филаменты защищают клетки

превращают химические сигналы
в электрические

Рецепторные тирозинкиназы активируют Рl -3-киназу,

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ФИЛАМЕНТЫ

Рецепторы клеточной поверхности представлены
тремя главными классами

501

обобщают информацию при регуляции

486

Рецепторы клеточной поверхности передают

действуют как внутриклеточные переключатели

активируют мономерную ГТФазу Ras

Сети взаимодействующих протеинкиназ

через наружную мембрану и напрямую

сигнальные пути

500

независимо возникли в ходе эволюции

484

Некоторые растворенные газы проникают в клетку
активируют внутриклеточные ферменты

сигнальных белков

Многоклеточность и межклеточные взаимодействия

Некоторые гормоны проходят сквозь наружную
рецепторами

мобилизуют комплекс внутриклеточных

Некоторые рецепторы запускают быстрый переход

Клеточный ответ на сигнал может быть быстрым
или медленным

500

Большинство рецепторных тирозинкиназ

Глава 16. Межклеточные
взаимодействия

496

внутриклеточной концентрации ионов кальция

удивительной скорости, чувствительности

Поглощенные при эндоцитозе макромолекулы
сортируются в эндосомах

493

ионные каналы

процессы

особый способ поглощения веществ
животными клетками

491

с мембраной ферменты

В пробирке
в кино

G-белков

Некоторые G-белки напрямую регулируют

469

Специализированные клетки-фагоциты
поглощают крупные частицы

491

РЕЦЕПТОРЫ, СОПРЯЖЕННЫЕ С G-БЕЛКАМИ

490

от механических повреждений

517

Содержание

765


Ядерная оболочка подостлана сетью
из промежуточных филаментов
МИКРОТРУБОЧКИ

Глава

ОБЗОР СОБЫТИЙ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА

519

Клеточный цикл эукариотической кл етки

Микротрубочки - полые трубки со структурно
различающимися концами

подразделяется на четыре фазы

520
520

Растущим микротрубочкам свойственна
динамическая нестабильность

Микротрубочки существуют благодаря балансу
между сборкой и разборкой

522

транспорт

525
525

Ползающие трубочки
Свет! Камера! Мотор!
АКТИНОВЫЕ ФИЛАМЕНТЫ

532

532

Актин и тубулин полимеризуются с помощью

533

Многие белки связывают актин и модифицируют
его свойства

533

В большинстве эукариотических клеток

Амебоидное движение клеток зависит от актина

534
534

Актин связывается с миозином, формируя
сократимые структуры

537

актиновых филаментов

537

МЫШЕЧНОЕ СОКРАЩЕНИЕ

538

Мышечное сокращение обеспечивают пучки

538
539

Мышечное сокращение запускается быстрым

542

Мышечные клетки разных органов выполняют

особые функции
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

766

Основы молекулярной биологии клетки

554

от циклического протеолиза

554

Белки, ингибирующие Cdk, могут останавливать
клеточный цикл на особых «контрольно-

пропускных пунктах» (чекпойнтах)
S - ПЕРИОД

554
556

S-Cdk запускает удвоение ДНК и помогает
блокировать сверхрепликацию

556

Когезины удерживают вместе хроматиды

556

Один из «проверочных пунктов» предотвращает
репликацию поврежденной ДНК

556

М-ФАЗА

558

M-Cdk вызывает вхождение в М-фазу и митоз

558

М -фаза условно делится на шесть стадий

559
559
560

митоз

560

приобрести форму, удобную для деления
Цитоскелет обеспечивает митоз и цитокинез

два полюса митотического веретена

543
544
545

560

Сборка митотического веретена начинается
в профазе

повышением концентрации ионов кальция

в цитоплазме

разные этапы клеточного цикла

Система контроля клеточного цикла зависит

Центросомы удваиваются, помогая сформировать

При мышечном сокращении пучки актина
и миозина скользят друг по другу

552
552
552
553
553

Конденсины помогают удвоенным хромосомам

Внешние сигналы контролируют сборку

актина и миозина

550

Различные комплексы циклин-Сdk запускают

каждой удвоенной хромосомы

под плазматической мембраной

находится богатый актином кортекс

Назад к яйцу

Выдайте нам М
В кругу семьи

526
527
528
528

Актиновые филаменты тонкие и гибкие

сходных механизмов

550

Активность Cdk регулируется фосфорилированием

Выуживание из ракушек

микротрубочки, приводимые в движение
Кишащая цитоплазма

550

Cdk - циклически активируемые

и дефосфорилированием

Реснички и жгутики содержат стабильные
динеином

СИСТЕМА КОНТРОЛЯ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА

протеинкиназы

523

Моторные белки осуществляют внутриклеточный
Органеллы двигаются вдоль микротрубочек

549

Система контроля клеточного цикла включает

Микротрубочки структурируют внутреннее
содержимое клетки

548

Механизмы контроля клеточного цикла
сходны у всех эукариот

521

547
548

Система контроля клеточного цикла инициирует
его основные события

Центросома - главный центр организации

микротрубочек в клетках животных

18. Клеточный цикл

518

561

Хромосомы прикрепляются к митотическому
веретену в прометафазе

561

Хромосомы участвуют в сборке митотического
веретена

565

В метафазе хромосомы выстраиваются
на экваторе клетки

566


Протеолиз запускает разделение сестринских
хроматид и завершение митоза

Хромосомы расходятся к полюсам в анафазе

Спаривание хромосом и рекомбинация

566

обеспечивают правильную сегрегацию

567

гомологов

В результате второго деления мейоза образуются

Неприкрепленные к веретену хромосомы
блокируют разделение сестринских хроматид

568

ЦИТОКИНЕЗ

568

569

Митотическое веретено определяет плоскость
деления клетки

569

Контрактильное кольцо животных клеток состоит
из актина и миозина

570
571

КОНТРОЛЬ ЧИСЛА И РАЗМЕРОВ КЛЕТОК

572

572

Апоптоз помогает регулировать число клеток
у животных

572

диплоидный геном

593

МЕНДЕЛЕВСКИЕ ЗАКОНЫ НАСЛЕДОВАНИЯ

595

теории наследственности

Опыты Менделя впервые выявили дискретный

596

характер наследственности

597

данного гена

приложимы ко всем организмам,

598

Аллели генов, отвечающих за разные признаки,

576

Законы Менделя объясняются поведением

599

наследуются независимо

хромосом при мейозе

576

600

Кроссинговер можно использовать

Митогены стимулируют деление клеток

577

для определения порядка расположения генов

Факторы роста стимулируют рост клеток

579

в хромосомах

579

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

580

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

581

Глава 19. Генетика и пол

583

ПРЕИМУЩЕСТВА ПОЛОВОГО РАЗМНОЖЕНИЯ

583

При половом размножении чередуются
диплоидные и гаплоидные клетки

584

Половое размножение дает организмам
эволюционное преимущество

МЕЙОЗ И ОПЛОДОТВОРЕНИЕ

586

586
586

потенциально вредных рецессивных

мутантных аллелей

602

ГЕНЕТИКА КАК НАУЧНЫЙ ИНСТРУМЕНТ

587

602

При классическом подходе работу начинают
со случайного индуцированного мутагенеза

604

Генетический скрининг позволяет выявить мутации,
вызывающие нарушение определенного

604

Комплементационный тест позволяет установить,
произошли ли две мутации в одном

605

Однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) служат
маркерами при генетическом картировании

Между отцовской и материнской гомологичными
хромосомами может происходить кроссинговер

601

и том же гене

При ~ейозе происходит спаривание гомологичных
хромосом

или ее избыток
Каждый из нас - носитель множества

процесса в клетке

Гаплоидные клетки зародышевого пути образуются
и, з диплоидных клеток путем мейоза

601

Мутации в генах могут вызывать потерю функции

Некоторые внеклеточные сигнальные белки
подавляют выживание, деление или рост клеток

593

594

признаки

размножающимся половым путем

Животным клеткам нужны факторы выживания,
чтобы избежать апоптоза

При оплодотворении восстанавливается полный

575

Животным клеткам для выживания, роста
и деления нужны внеклеточные сигналы

592

Менделевские законы сегрегации аллелей

573

Программа клеточной гибели регулируется
внутриклеточными белками семейства ВсI2

590

Каждая гамета содержит один аллель

Апоптоз опосредуется внутриклеточным
протеолитическим каскадом

информацию

При мейозе нередко происходят ошибки

Мендель смог опровергнуть альтернативные

Мембранные органеллы распределяются
при делении между дочерними клетками

содержат перетасованную генетическую

Мендель изучал дискретные наследственные

Цитокинез растительных клеток включает
формирование новой клеточной стенки

589

гаплоидные дочерние клетки

Клетки, образующиеся в результате мейоза,

Ядерная оболочка формируется заново
в телофазе

589

Создание карты

606
607

Сцепленные группы SNP позволяют выявить

588

608

гаплотипы

Содержание

767


Установление взаимосвязей

609

Гаплотипы дают ключ к нашей эволюционной
истории

610

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

611

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

612

ПОДДЕРЖАНИЕ ЦЕЛОСТНОСТИ ТКАНЕЙ
И ИХ САМООБНОВЛЕНИЕ

632

Ткани состоят из смеси многих типов клеток

632
634

Различные ткани обновляются с разной скоростью
Стволовые клетки - постоянный источник
терминально дифференцированных клеток

634

Для поддержания популяций стволовых клеток

Глава

20. Мноrокпеточные сообщества:

ткани, стволовые клетки и рак

служат специальные сигналы

615

ВНЕКЛЕТОЧНЫЙ МАТРИКС
И СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ТКАНИ

для восстановления поврежденных тканей

616

можно получать персонализированные

эмбриональные стволовые клетки

617

Целлюлозные микрофибриллы придают

сквозь ткани и образуют метастазы

617
619

Соединительным тканям животных прочность
на разрыв придает коллаген

621
623

ЭПИТЕЛИАЛЬНЫЕ ПЛАСТЫ
И МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ КОНТАКТЫ

преимущество

участие многие группы генов

Виновны в соучастии
Бескрылые мухи

злокачественной опухоли

625

626

Контакты, связанные с цитоскелетом, прочно
соединяют эпителиальные клетки друг с другом

626

Щелевые контакты позволяют клеткам

768

Основы молекулярной биологии клетки

629

646
648

клеток позволяет разработать новые способы

веществ между клетками эпителия и разделяют

обмениваться ионами и малыми молекулами

644
646
646

Изучение клеточной биологии трансформированных
лечения

и с базальной мембраной

643

Рак кишечника - иллюстрация того, как утрата

Байки из склепа

Плотные контакты препятствуют прохождению

их на апикальную и базальную поверхности

642

Трансформированные клетки приобретают

функции гена может приводить к развитию

624

Эпителиальные клетки поляризованы и лежат

на базальной пластинке

641

В развитии злокачественных опухолей принимают

Гели из полисахаридов и белков заполняют объем
и противостоят сжатию

их предотвратить

Онкологические заболевания возникают

свойства, которые дают им конкурентное

621

Интегрины связывают внеклеточный матрикс
с цитоскелетом клеток

640

Эпидемиология выявляет причины онкологических

из-за накопления мутаций

619

Клетки структурируют коллаген, который
они секретируют

640

заболеваний, в некоторых случаях позволяя

Соединительные ткани животных состоят
в основном из внеклеточного матрикса

РАК

638

Раковые клетки размножаются, проникают

растительной клеточной стенке прочность
на разрыв

637

С помощью терапевтического клонирования

Растительные клетки имеют жесткие клеточные
стенки

636

Стволовые клетки можно использовать

648

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

650

ВОПРОСЫ В КОНЦЕ ГЛАВЫ

651

Ответы

653

Словарь

719

Указатель терминов

751


Авторы широко известной книги «Молекулярная биология клетки», впервые
вышедшей в русском переводе в

1986-1987 гг. и

выдержавшей несколько из­

даний, предлагают читателям краткое изложение основ молекулярной кле­

точной биологии. Трудно переоценить значение этих популярных книг, взрас­
тивших не одно поколение ученых как в нашей стране, так и за рубежом и

содержащих наряду с основами молекулярной биологии сведения о новей­
ших достижениях этой науки. По традиции вся информация представлена ло­
гично и увлекательно, использованы красочные иллюстрации и схемы. Книга
написана простым и доступным языком. Она станет незаменимым помощни­
ком и живым собеседником для каждого студента, изучающего данный курс.

Вопросы к основному тексту обязательно заставят задуматься, вернуться и
перечитать материал.

«Основы молекулярной биологии клетки» можно рекомендовать в качестве

учебника для студентов и аспирантов молекулярно-биологического профи­
ля, а также для слушателей курсов по таким специальностям, как клеточная

биология, генетика, гистология, эмбриология, общая физиология и др. Книга
будет полезна школьным учителям и преподавателям вузов при подготовке к
занятиям, а также старшеклассникам, интересующимся предметом.