Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
Рис. 1-8. Микрофотография бактериальной клетки (Escherichia coli) в нормальном здоровом состоянии (А) и через час после инфицирования бактериофагом Т4 (5). Частицы фага (некоторые из них видны прикрепленными к наружной оболочке клетки) впрыскивают свою ДНК в клетку, затем эта ДНК направляет синтез специфических фаговых белков, одни из которых разрушают ДНК бактерии-хозяина, а другие катализируют репликацию ДНК бактериофага. На представленной стадии вновь синтезированная фаговая ДНК, упакованная в белковые оболочки, видна в виде плотных частиц в цитоплазме. Клетка готова к лизису. 19 тивной линии клеток, сумевших «разработать» эффективный механизм синтеза белка. Как только эволюция нуклеиновых кислот продвинулась до кодирования ферментов, обеспечивающих их собственное воспроизведение, распространение репликативной системы должно было резко ускориться. Взрывной характер такого автокаталитического процесса можно видеть на примере жизненного цикла некоторых современных вирусов бактерии: проникнув в бактерию, эти вирусы направляют синтез белков, избирательно катализирующих их собственную репликацию, и в короткое время оккупируют всю клетку (рис. 1-8). 1.1.6. Первая клетка окружает себя мембраной Одним из решающих событий, приведших к формированию первой клетки, очевидно было формирование внешней мембраны. В самом деле, белки, синтезируемые под контролем определенного типа РНК, не могли бы облегчить репродукцию именно этих молекул РНК, если бы не удерживались поблизости от них. Более того, до тех пор, пока белки свободно диффундировали в популяции реплицирующихся молекул РНК, они в равной степени способствовали размножению любого из конкурирующих видов РНК. Если возникала РНК, производящая улучшенный тип фермента, новый фермент не способен был избирательно обеспечить выживание именно этой измененной РНК. Отбор молекул РНК по качеству кодируемых ими белков не мог начаться раньше, чем появился некий замкнутый объем (компартмент), заключивший в себя белки, произведенные молекулой РНК. Таким образом, эти белки становятся доступными только для РНК, порождающей их (рис. 1-9). Рис. 1-9. Схема, демонстрирующая эволюционное преимущество компартментации. В смешанной популяции самореплицирующихся молекул РНК, способных направлять синтез белка (как показано на рис. 1-7), любой улучшенный вид РНК, производящий более полезный белок, вынужден делиться плодами этого преимущества со всеми своими конкурентами. Но если РНК заключена в каком-либо компартменте (таком, например, как липидная мембрана), то любой производимый ею белок используется для ее собственных нужд. Таким образом, появляется возможность отбора РНК по качеству производимого ею белка. Важнейшая роль в эволюции клеточных мембран, по-видимому, принадлежит классу амфипатических молекул, которые обладают простым физико-химическим свойством: одна их часть гидрофобна (нерастворима в воде), а другая - гидрофильна (растворима в воде). Когда такие молекулы попадают в воду, они располагаются так, что их гидрофобные части приходят в тесный контакт друг с другом, а гидрофильные части - в контакт с водой. Амфипатические молекулы способны спонтанно агрегировать, образуя двухслойные структуры в виде маленьких замкнутых пузырьков, изолирующих водное содержимое от внешней среды (рис. 1-10). Этот феномен может быть продемонстрирован в пробирке путем простого смешивания фосфолипидов и воды: при подходящих условиях действительно образуются маленькие пузырьки. Все ныне существующие клетки окружены плазматической мембраной, состоящей из амфипатических молекул, главным образом фосфолипидов, такой структуры; в клеточных мембранах в состав липидного бислоя входят также амфипатические белки. В электронном микроскопе такие мембраны имеют вид листков толщиной около 5 нм с выраженной трехмерной структурой (следствие плотной укладки фосфолипидных молекул хвост к хвосту). Не совсем ясно, в какой момент эволюции биологического катализа были сформированы первые клетки. Они могли появиться, когда молекулы фосфолипидов пребиотического бульона случайно собрались в мембранную структуру, заключившую в себя самореплицирующуюся смесь каталитических молекул РНК. Однако принято считать, что синтез белков осуществлялся до появления клеток. В любом случае, как только они оказались заключенными в замкнутую мембрану, молекулы РНК начали эволюционировать не только на основе их собственной структуры, но также в зависимости от их воздействия на другие молекулы в том же компартменте: нуклеотидные последовательности РНК могли теперь влиять на признаки целой клетки. 20 Рис. 1-10. Клеточные мембраны состоят из фосфолипидов. Поскольку эти молекулы имеют гидрофильные «головы» и липофильные (гидрофобные) «хвосты», на поверхности раздела воды и масла они самопроизвольно будут располагаться головными концами к воде, а хвостовыми к маслу. В воде эти молекулы ассоциируют с образованием замкнутых двухслойных пузырьков (везикул), в которых липофильные хвосты контактируют друг с другом, а гидрофильные контактируют с водой. 1.1.7. Все современные клетки используют ДНК в качестве наследственного материала Нарисованная нами выше картина, конечно, весьма умозрительна. Не существует ископаемых остатков, по которым можно было бы проследить зарождение первой клетки. Тем не менее анализ современных организмов и лабораторные опыты убедительно показывают, что в основных чертах наш эволюционный обзор справедлив. События, обусловившие образование первой клетки (пребиотический синтез малых молекул, саморепликация молекул РНК, трансляция последовательностей РНК в аминокислотные последовательности, возникновение окруженных мембранами компартментов в результате самосборки молекул липидов), очевидно, происходили 3,5-4 млрд. лет назад. Полезно сравнить нашу гипотетическую первую клетку с простейшими современными клетками, микоплазмами. Микоплазмы это похожие на бактерий мелкие организмы, обычно ведущие паразитический образ жизни, тесно связанный с какими-либо клетками растений или животных (рис. 1-11). Они имеют в диаметре около 0,3 мкм и содержат нуклеиновую кислоту в количестве, достаточном для кодирования приблизительно 750 различных белков. Некоторые из этих белков являются ферментами, другие выполняют структурные функции, часть белков находится внутри клетки, но есть и встроенные в ее мембрану. Все вместе они синтезируют те из нужных клетке малых молекул, которых нет в окружающей среде, перераспределяют энергию, необходимую для протекания биосинтетических реакций, и поддерживают в клетке необходимые химические условия. Первые клетки на Земле, по-видимому, содержали значительно меньше компонентов, чем микоплазмы, и делились значительно медленнее. Однако существует и более существенное различие между прими- 21 Рис. 1-11. Spiroplasma citrii микоплазма, размножающаяся в растительных клетках. тивными клетками и микоплазмами (и, разумеется, любыми другими современными клетками): генетическая информация в существующих ныне клетках хранится в ДНК, а не в РНК, что было присуще примитивным клеткам. В современных клетках есть оба типа полинуклеотидов, но в ходе эволюции они специализировались и работают сообща, выполняя каждый свою функцию. Небольшие химические различия между этими двумя типами молекул делают их приспособленными для решения разных задач. Например, ДНК используется в качестве хранилища генетической информации, поскольку ее молекула более стабильна, чем молекула РНК. Частично это обусловлено тем, что у ДНК отсутствует гидроксильная группа сахара, и поэтому РНК в большей степени подвержена гидролизу. Кроме того, ДНК в отличие от РНК существует преимущественно в виде двухцепочечных молекул, состоящих из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, Такая двухцепочечная структура позволяет ДНК относительно легко реплицироваться (что будет изложено в гл. 3) и репарировать повреждения: при этом неповрежденная цепь ДНК служит матрицей для восстановления комплементарной дефектной цепи. Используя все тот же принцип комплементарности, ДНК направляет синтез отдельных молекул РНК, однако в этом случае спаривание происходит между несколько различающимися типами нуклеотидов. Синтезированные таким образом одноцепочечные молекулы РНК выполняют две другие функции первобытных полинуклеотидов: они направляют синтез белков и как кодирующие молекулы (информационные РНК), и как каталитические молекулы (рибосомные и другие неинформационные РНК). Существующие на сегодняшний день представления об эволюции первобытных молекул можно суммировать так. Генетические и каталитические свойства РНК позволяют предположить, что именно эти молекулы первыми включились в эволюцию. После возникновения эффективного синтеза белка ДНК приняла на себя генетическую функцию, белки стали основными катализаторами, а РНК сохранилась главным образом как промежуточное звено между ними (рис. 1-12). ДНК стала необходимой только тогда, когда клетки сильно усложнились и для них потребовалось значительно больше генетической информации, чем та, которую могли стабильно поддерживать молекулы РНК. Рис. 1-12. Предполагаемые стадии эволюции от простых самореплицирующихся систем молекул РНК до современных клеток, у которых ДНК является хранилищем генетической информации, а РНК выполняет роль посредника в осуществлении белкового синтеза. Заключение Живые клетки скорее всего появились на Земле приблизительно 3,5 млрд, лет назад в результате спонтанной агрегации молекул. Изучение совре- 22 менных организмов и содержащихся в них молекул позволяет предполагать, что развитие автокаталитических механизмов, присущих живым системам, началось с эволюции группы молекул РНК, которые могли катализировать собственную репликацию. Со временем одна из этих групп согласованно катализирующих РНК приобрела способность к прямому синтезу полипептидов. Первые клетки, по-видимому, широко использовали каталитические функции и РНК, и белков, а в качестве вещества наследственности содержали только РНК. После того как накопление дополнительных каталитических белков сделало возможным развитие более эффективных и сложных клеток, двухцепочечная ДНК заменила РНК в роли хранителя генетической информации. 1.2. От прокариот - к эукариотам [6] Существует предположение, что все ныне живущие организмы произошли из единственной, возникшей несколько миллиардов лет назад первобытной клетки. Пережив своих конкурентов, эта клетка положила начало процессу клеточного деления и эволюции, который в конце концов создал зеленый покров Земли, изменил состав ее атмосферы и сделал ее родиной разумной жизни. Видимо, только так можно объяснить «фамильное сходство» между всеми организмами. На эволюционном пути имеется важная веха. Приблизительно 1,5 млрд. лет назад произошел переход от маленьких клеток со сравнительно простой внутренней структурой (так называемых прокариот, к которым относятся различные бактерии) к большим по размеру и значительно более сложно устроенным эукариотическим клеткам, подобным клеткам высших животных и растений. 1.2.1. Прокариотические клетки имеют простую структуру, но различаются по биохимическим свойствам [7] Бактерии - наиболее простые организмы, обнаруженные в большинстве природных сред обитания. Это - сферические или удлиненные клетки обычно размером в несколько микрометров (рис. 1-13). Как правило, у них имеется жесткая защитная оболочка, называемая клеточной стенкой, под которой находится плазматическая мембрана, ограничивающая единственный цитоплазматический компартмент, содержащий ДНК, РНК, белки и малые молекулы. В электронном микроскопе содержимое таких клеток имеет вид матрикса различной плотности без явно выраженных организованных внутренних структур (см. рис. 1-8, А). Бактерии малы и способны быстро размножаться путем простого бинарного деления. При избытке питательных веществ «выживание наиболее приспособленных» обычно означает выживание тех, которые быстрее всех делятся. В оптимальных условиях прокариотическая клетка может делиться каждые 20 минут и, таким образом, образовать до 5 млрд. клеток (что приблизительно равно населению земного шара) менее, чем за 11 часов. Благодаря способности быстро делиться бактериальные популяции с легкостью адаптируются к изменениям окружающей среды. Например, в лабораторных условиях популяция бактерий, поддерживаемая в большом сосуде, за несколько недель благодаря спонтанным мутациям и естественному отбору приобретает способность использовать в качестве источника углерода новые типы Сахаров. В природе бактерии занимают невообразимое множество экологических ниш, и столь же многообразным оказывается их биохимическое строение. Различают две группы бактерий: эубактерии - часто встречающиеся формы, населяющие почву, воду и другие организмы, и архе- Рис. 1-13. Некоторые прокариотические клетки, изображенные в одинаковом масштабе. 23 Рис. 1-14. Родственные связи между современными бактериями (стрелками показаны вероятные пути эволюции). Происхождение эукариотических клеток обсуждается дальше в тексте. бактерии, встречающиеся в таких неудобных средах обитания, как болота, океанские глубины, очень соленые воды и горячие кислые источники (рис. 1-14). Существуют виды бактерий, способные питаться практически любыми органическими молекулами - сахарами, аминокислотами, жирами, углеводами, полипептидами и полисахаридами. Некоторые даже могут получать атомы углерода из СО 2 и атомы азота из N 2 . Несмотря на относительно простое строение, бактерии живут на Земле дольше любых других организмов и превосходят по численности все другие типы клеток. 1.2.2. Развитие метаболических реакций Бактерии, которая растет в растворе солей, содержащем в качестве единственного источника углерода глюкозу, необходимо осуществлять множество химических реакций. Она должна не только извлечь из глюкозы химическую энергию, необходимую для многих жизненно важных процессов, но и использовать атомы углерода для синтеза всех необходимых клетке органических молекул. Эти реакции катализируются сотнями ферментов, последовательно работающих в «цепях» химических реакций, так что продукт одной реакции служит субстратом для следующей. Такие цепи ферментативных реакций, называемые метаболическими путями, обсуждаются в следующей главе. Вначале, когда жизнь на Земле только зародилась, в метаболических реакциях, видимо, не было необходимости: клетки могли жить и расти, питаясь окружающими их молекулами - наследием первобытного бульона. По мере истощения этих естественных ресурсов большое преимущество при отборе должны были получить организмы, вырабатывающие ферменты для образования органических молекул. Считается, что таким образом наличный комплект клеточных ферментов постепенно увеличивался, и в результате возникли метаболические пути современных организмов. Два возможных варианта эволюции метаболических путей проиллюстрированы на рис. 1-15. Если эволюция метаболических путей шла путем последовательного добавления новых ферментативных реакций к существовавшим ранее, то, подобно самым старым годовым кольцам на срезе ствола, наиболее древние реакции должны находиться ближе всего к центру «метаболического древа» - там, где синтезируются наиболее существенные молекулярные «кирпичики». Такое центральное положение в метаболизме прочно занимают реакции с участием фосфатов Сахаров, в самом центре которых, видимо, находится последовательность реакций, называемая гликолизом и способная осуществлять расщепление глюкозы в отсутствие кислорода (т. е. анаэробно). Самые древние из метаболических путей 24 Рис. 1-15. Схема, иллюстрирующая два возможных механизма возникновения метаболических путей. Клетка слева имеет в своем распоряжении запасы родственных соединений (А, Б, В, Г), возникшие благодаря пребиотическому синтезу. Одно из соединений (Г) метаболически полезно. По мере истощения запасов этого соединения преимущество при отборе получают те клетки, которые «учатся» синтезировать новый фермент, катализирующий образование Г из В. Последовательное повторение подобных этапов могло бы привести к развитию важных метаболических путей. В клетке, показанной справа, в изобилии имеется метаболически полезное соединение А. В процессе эволюции возникает фермент, который случайно оказывается способным превращать соединение А в соединение Б. Затем клетка претерпевает другие изменения, позволяющие ей использовать это новое вещество. Дальнейшее появление новых ферментов может в конце концов привести к возникновению длинной цепи реакций. должны были быть анаэробными, поскольку в атмосфере первобытной Земли кислорода не было. Практически во всех живых клетках протекают реакции гликолиза, сопровождающиеся образованием аденозинтрифосфата, или АТР, - соединения, используемого всеми клетками в качестве источника легкодоступной химической энергии. С находящимися в центре обмена веществ превращениями фосфатов Сахаров связаны сотни других химических реакций. Часть из них отвечает за синтез малых молекул, многие из которых в свою очередь используются в дальнейших реакциях синтеза больших, специфических для конкретного организма полимеров. Другие реакции участвуют в расщеплении сложных молекул пищи до более простых химических соединений. Одна из наиболее поразительных особенностей всех этих Рис. 1-16. Эволюционное родство организмов по данным секвенирования (определения нуклеотидных последовательностей) генов рибосомной РНК малой субъединицы. Эти гены содержат высококонсервативные последовательности, меняющиеся столь медленно, что их можно использовать для «измерения» филогенетического родства между представителями всех групп живых организмов. Из этих данных следует, что в ходе эволюции эукариотических клеток линии растений, животных и грибов дивергировали от общего предка сравнительно поздно. (По М. L. Sogin, H.J. Elwood, J. H. Gunderson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 83, 1383-1387, 1986.) 25 реакций - это то, что они протекают в любых типах организмов. Конечно, существуют и отличия: многие специфические продукты метаболизма присущи только некоторым родам или видам. Например, общая для всех аминокислота лизин синтезируется различными путями у бактерий, дрожжей и зеленых растений, и совсем не синтезируется у высших животных. Тем не менее в широком смысле подавляющее большинство реакций и катализирующих их ферментов характерно для всех живых существ - от бактерий до человека. Поэтому считается, что примитивные исходные клетки, породившие все живое, уже выполняли эти реакции. Ферменты, катализирующие основные метаболические реакции, по мере дивергенции организмов постепенно модифицировались, не изменяя при этом своей основной функции. Поэтому аминокислотные последовательности одного и того же типа фермента в различных современных организмах, содержат исключительно ценную информацию об эволюционном родстве этих видов. Полученные таким путем данные хорошо согласуются с результатами других исследований, например с изучением ископаемых остатков. Еще более богатый источник информации заключен в нуклеотидных последовательностях ДНК современных клеток. Сравнение высококонсервативных последовательностей, которые детерминируют основные функции (и, следовательно, очень медленно меняются в ходе эволюции), позволяет судить о родстве давно дивергировавших организмов (рис. 1-16). Более быстро эволюционировавшие последовательности могут использоваться для оценки эволюционных процессов у родственных видов (рис. 1-17). Можно надеяться, что применение этих методов позволит с беспрецедентной точностью проследить ход эволюционного процесса. |