Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
46 , 489-490, 1986. 33. DiNardo S., Voelkel K., Sternglanz R. RNA topoisomerase II mutant of Saccharomyces cerevisiae: topoisomerase II is required for segregation of daughter molecules at the termination of DNA replication. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 81, 2616-2620, 1984. Wang J.C. DNA topoisomerases. Annu. Rev. Biochem., 54, 665-698, 1985. 34. Campbell J. L. Eucaryotic DNA replication. Annu. Rev. Biochem., 55, 733-771, 1986. 35. Low К. В. ed. The Recombination of Genetic Material. San Diego, Academic Press, 1988. Stahl F. W. Genetic recombination. Sci. Am., 256(2) , 90-101, 1987. Whitehouse H.L.K. Genetic Recombination: Understanding the Mechanisms. New York, Wiley, 1982. 36. Dressier D., Potter H. Molecular mechanisms of genetic recombination. Annu. Rev. Biochem., 51 , 727-762, 1982. Smith G. R. Mechanism and control of homologous recombination in Escherichia coli. Annu. Rev. Genet, 21, 179-201, 1987. 37. Wetmur J. G., Davidson N. Kinetics of renaturation of DNA. J. Моl. Biol., 31 , 349-370, 1968. 38. Cox M. M., Lehman I. R. Enzymes of general recombination. Annu. Rev. Biochem. , 56 , 229-262, 1987. Kowalczykowski S. C. Mechanistic aspects of the DNA strand exchange activity of E. coli recA protein. Trends Biochem. Sci., 12, 141-145, 1987. Radding C. M. Recombination activities of E. coli recA protein. Cell, 25 , 3-4, 1981. 39. Holliday R. A mechanism for gene conversion in fungi. Genet. Res., 5, 282-304, 1964. Meselson M. S., Radding С. М. A general model for genetic recombination. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 72 , 358-361, 1975. Sigal N., Alberts B. Genetic recombination: the nature of a cross-strand exchange between two homologous DNA molecules. J. Моl. Biol., 71 , 789-793, 1972. 40. Fincham J. R. S., Day P. R., Radford A. Fungal Genetics, 4th ed. Berkeley, University of California Press, 1979. Kourilsky P. Molecular mechanisms of gene conversion in higher cells. Trends Genet, 2 , 60-62, 1986. 41. Campbell A. Some general questions about movable elements and their implications. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 45 , 1-9, 1980. Craig N. The mechanism of conservative site-specific recombination. Annu. Rev. Genet, 22 , 77-105, 1988. Grindley N. D., Reed R. R. Transpositional recombination in prokaryotes. Annu. Rev. Biochem., 54, 863-896, 1985. Mizuuchi K., Craigie R. Mechanism of bacteriophage mu transposition. Annu. Rev. Genet, 20 , 385-429, 1986. 42. Joklik W.K. ed. Virology, 2nd ed. Norwalk CT, Appleton and Lange, 1985. Shapiro J.A. ed. Mobile Genetic Elements. New York, Academic Press, 1983. Watson J. D., Hopkins N. H., Roberts J. W., Steitz J. A., Weiner A. M. Molecular Biology of the Gene, 4th ed. Menlo Park CA, Benjamin- Cummings, 1987. (Chapter 24 provides a modern overview of eucaryotic viruses.) 43. Hershey A.D., Chase M. Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage. J. Gen. Physiol., 36 , 39-56, 1952. Luria S. E., Darnell J. E., Baltimore D., Campbell A. General Virology, 3rd ed. 347 New York, Wiley, 1978. (The introductory chapter provides a historical overview of the development of virology.) 44. Simons K., Garoff H., Helenius A. How an animal virus gets in and out of its host cell. Sci. Am., 246(2) , 58-66, 1982. 45. Gierer A., Schramm G. Infectivity of ribonucleic acid from tobacco mosaic virus. Nature, 177 , 702-703, 1956. 46. Cohen S.S. Virus-Induced Enzymes. New York, Columbia University Press, 1968. 47. Kornberg A. DNA Replication. San Francisco, Freeman, 1980. (Chapters 14 and 15 provide up-to-date, beautifully illustrated description of the varieties of ways phage and animal viral DNA's replicate.) 48. Campbell A.M. Bacteriophage lambda as a model system. Bioessys, 5 , 277-280, 1986. Daniels D., Sanger F., Coulson A. R. Features of bacteriophage lambda: analysis of the complete nucleotide sequence. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 47 , 1009-1024, 1982. Lwoff A. Lysogeny. Bacteriol. Rev., 17, 269-337, 1952. 49. Watson J.D., Hopkins N.H., Roberts J. W., Steitz J.A., Weiner A.M. Molecular Biology of the Gene, 4th ed. Menlo Park CA, Benjamin- Cummings, 1987. Chapter 26 describes the viruses that can cause tumors.) 50. Baltimore D. Virap DNA-dependent DNA polymerase. Nature, 226, 1209-1211, 1970. Gallo R.C. The AIDS virus. Sci. Am., 256(1), 46-56, 1987. Temin H. M., Mizutani A. RNA-dependent DNA polymerase in virions of Rous sarcoma virus. Nature, 226 , 1211-1213, 1970. Varmus H. Retroviruses. Science, 240, 1427-1435, 1988. 51. Boeke J.D., Garfinkel D.J., Styles C.A., Fink G.R. Ту elements transpose through an RNA intermediate. Cell, 40 , 491-500, 1985. Fink G. R., Boeke J. D., Garfinkel D. J. The mechanisms and consequences of retrotransposition. Trends Genet., 2, 118-123, 1986. 52. Cohen S.N., Shapiro J.A. Transposable genetic elements. Sci. Am., 242(2) , 40-49, 1980. Mizuuchi K. Mechanism of transposition of bacteriophage Mu: polarity of the strand transfer reaction at the initiation of transposition. Cell, 39 , 395-404, 1984. 53. Novick R.P. Plasmids. Sci. Am., 243(6), 102-127, 1980. Reisner D., Gross H.J. Viroids. Annu. Rev, Biochem., 54, 531-564, 1985. Rossmann M.G. The evolution of RNA viruses. Bioessays, 7 , 99-103, 1987. 54. Drlica K. Understanding DNA and Gene Cloning. New York, Wiley, 1984. Sambrook J., Fritsch E. F., Maniatis T. Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd ed. Cold Spring Harbor, NY, Cold Spring Harbor Laboratory, 1989. Watson J.D., Tooze J., Kurtz D. T. Recombinant DNA: A Short Course. New York, W.H. Freeman, 1983. 55. Smith H. O. Nucleotide sequence specifity of restriction endonucleases. Science, 205 , 455-462, 1979. 56. Cohen S., Chang A., Boyer H., Helling R. Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 70 , 3240-3244, 1973. 57. Maniatis T. et al. The isolation of structural genes from libraries of eucaryotic DNA. Cell, 15, 687-701, 1978. Maniatis Т., Kee S. G., Efstratiadis A., Kafatos F. C. Amplification and characterization of a β-globin gene synthesized in vitro. Cell, 8 , 163- 182, 1976. 58. Hedrick S. M., Cohen D. I., Nielsen E. A., Davis M. M. Isolation of cDNA clones encoding T cell-specific membrane-associated proteins. Nature, 308, 149-153, 1984. 59. Grunstein M., Hogness D. S. Colony hybridization: a method for the isolation of cloned DNAs that contain a specific gene. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 72 , 3961-3965, 1975. Suggs S. V., Wallace R.B., Hirose Т., Kawashima E.H., Itakura K. Use of synthetic oligonucleotides as hybridization probes: isolation of cloned sequences for human β 2 -microglobulin. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 78 , 6613-6617, 1981. 60. Coulson A., Sulston J., Brenner S.. Karn J. Toward a physical map of the genome of the nematode Caenorhabaitis elegans. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 83 , 7821-7825, 1986. Proustka A., Lehrach H. Jumping libraries and linking libraries: the next generation of molecular tools in mammalian genetics. Trends Genet., 2 , 174-179, 1986. 61. Pelham H.R.B., Jackson R. J. An efficient mRNA-dependent translation system from reticulocyte lysates. Eur. J. Biochem., 67, 247-256, 1976. 62. Geysen H. M. et al. Chemistry of antibody binding to a protein. Science, 235 , 1184-1190, 1987. Gilbert W., Villa-Komaroff L. Usefull proteins from recombinant bacteria. Sci. Am., 242(4) , 74-94, 1980. Yokata T. et al. Use of a cDNA expression vector for isolation of mouse 348 interleukin 2 cDNA clones: expression of T-cell growth-factor activity after transfection of monkey cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 82, 68- 72, 1985. Young R. A., Davis R. W. Efficient isolation of genes by using antibody probes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 80 , 1194-1198, 1980. 63. Smith M. In vitro mutagenesis. Annu. Rev. Genet., 19, 423-462, 1985. 64. Hinnen A., Hicks J. В., Fink G. R. Transformation of yeast. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 75 , 1929-1933, 1978. Pa/miter R. D., Brinster R. L. Germ line transformation of mice. Annu. Rev. Genet, 20 , 465-499, 1986. Spradling A.C., Rubin G. M. Transposition of cloned P elements into Drosophila germ line chromosomes. Science , 218 , 341-347, 1982. Thomas K. R., Capecchi M. R. Site-directed mutagenesis by gene targeting in mouse embryo-derived stem cells. Cell, 51 , 503-512, 1987. 65. Marx J.L. Multiplying genes leaps and bounds. Science, 240 , 1408-1410, 1988. Saiki R. K. et al. Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase. Science, 239 , 487-491, 1988. 66. Botstein D., White R. L., Skolnick M., Davis R. W. Construction of a genetic linkage map in man using restriction fragment length polymorphisms. Am. J. Hum. Genet., 32 , 314-331, 1980. Mapping and Sequencing the Human Genome. Washington DC, National Academy Press, 1988. White R., LaLouel J.-M. Chromosome mapping with DNA markers. Sci. Am. 258(2) , 40-49, 1988. 349 6. Плазматическая мембрана Плазматическая мембрана, окружающая каждую клетку, определяет ее величину и обеспечивает сохранение существующих различий между клеточным содержимым и окружающей средой. Мембрана служит высокоизбирательным фильтром и, кроме того, отвечает за активный транспорт; с ее помощью регулируется поступление внутрь клетки питательных веществ и выход наружу продуктов выделения. Благодаря мембране устанавливается разница в концентрации ионов внутри клетки и во внеклеточном пространстве. Еще одна функция мембраны заключается в восприятии внешних сигналов, что позволяет клетке быстро отвечать на изменения, происходящие в окружающей среде. Все биологические мембраны, включая плазматическую мембрану и внутренние мембраны эукариотических клеток, имеют общие структурные особенности: они представляют собой ансамбли липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий. Благодаря этим взаимодействиям поддерживается структурная целостность мембран: Однако сами по себе клеточные мембраны являются подвижными, «текучими» структурами и большинство входящих в их состав молекул способны перемещаться в плоскости мембраны. Как показано на рис. 6-1, липидные молекулы образуют непрерывный двойной слой толщиной около 5 нм. Липидный бислой - это основная структура мембраны, которая и создает относительно непроницаемый барьер для большинства водорастворимых молекул. Белковые молекулы как бы «растворены» в липидном бислое. С их помощью выполняются разнообразные функции мембраны. Одни мембранные белки обеспечивают транспорт молекул внутрь клетки или из нее, другие являются ферментами и катализируют ассоциированные с мембраной реакции. Еще один класс белков осуществляет структурную связь плазматической мембраны с цитоскелетом, с одной стороны, и(или) с внеклеточным матриксом либо с соседней клеткой - с другой. Отдельную группу составляют белки, выполняющие роль рецепторов для получения и преобразования химических сигналов из окружающей среды. Как и следовало ожидать, мембраны асимметричны; оба их слоя различаются по липидному и белковому составу, что отражает, по-видимому, функциональные различия их поверхностей. Несмотря на то что каждому типу мембран присущи определенные липидные и белковые компоненты, основные структурные и функциональные особенности, обсуждаемые в этой главе, характерны как для внутриклеточных, так и для плазматических мембран. Прежде всего нам хотелось бы рассмотреть структуру и организацию главных компонентов всех биологических мембран - липидов, белков и углеводов. Затем мы обсудим механизмы, используемые клетками для транспорта малых молекул через плазматическую мембрану, а также способы поглощения и выделения клетками макромолекул и крупных частиц. В последующих главах будут проанализированы некоторые дополнительные функции плазматической мембраны: роль в клеточной адгезии (гл. 14) и в сигнальных функциях (гл. 12). 350 Рис. 6-1. Схематическое трехмерное изображение небольшого участка клеточной мембраны. 6.1. Липидный бислой [1] Первые сведения о том, что молекулы липидов в биологической мембране образуют бислой, были получены в ходе простых, но элегантных экспериментов, выполненных в 1925 году. Было показано, что липиды из мембран эритроцитов, экстрагированные ацетоном, всплывают на поверхность воды, образуя пленку. Площадь пленки уменьшали с помощью подвижного барьера до тех пор, пока не формировался сплошной мономолекулярный слой. При этом оказалось, что площадь монослоя примерно в два раза больше первоначальной площади поверхности клеток. Поскольку единственной мембраной эритроцитов является плазматическая мембрана, экспериментаторы заключили, что молекулы липидов в ней должны быть организованы в виде непрерывного бислоя. Это заключение имело глубокое влияние на всю клеточную биологию. В настоящее время наличие липидного бислоя в клеточных мембранах доказано и более тонкими методами. Например, с помощью рентгеноструктурного анализа было продемонстрировано существование липидных бислоев в высокоорганизованных складках клеточных мембран, которые формируют изолирующую миелиновую оболочку, окружающую нервные клетки (см. разд. 19.2.4). О том, что все биологические мембраны содержат липидные бислой, убедительно свидетельствуют и данные электронно-микроскопических исследований: при изучении образцов, приготовленных методом замораживания скалывания, оказалось, что все клеточные мембраны могут быть механически расщеплены как раз между двумя липидными монослоями (см. разд. 6.2.6). Самопроизвольное формирование бислоя является особым свойством молекул липидов, которое реализуется даже вне клетки. 6-4 6.1.1. Мембранные липиды - это амфипатические молекулы, самопроизвольно формирующие бислой [2] Липиды нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях. В большинстве животных клеток они составляют около 50% массы плазматической мембраны животных, а почти все остальное приходится на белки. На 1 мкм 2 липидного бислоя расположено пример- 351 Рис. 6-2. Молекула фосфолипида фосфатидилхолина, представленная схематически (А), химической формулой ( Б ), в виде пространственной модели (В) и символом (Г). Чтобы отличить ненасыщенную цепь жирной кислоты от насыщенной, на этом рисунке (и далее везде) ненасыщенная цепь изображена с отчетливым изгибом. На самом же деле в ненасыщенной жирной кислоте жесткостью обладает только двойная связь. Вокруг всех одинарных связей возможно свободное вращение, поэтому в каждом липидном монослое обе цепи жирных кислот - как насыщенная, так и ненасыщенная - будут стремиться упаковаться параллельно. Рис. 6-3. Фосфолипидная мицелла и фосфолипидный бислой в поперечном разрезе. Фосфолипидные молекулы самопроизвольно образуют подобные структуры в воде. но 5 х 10 6 молекул липидов. Из этого следует, что в плазматической мембране небольшой животной клетки содержится около 10 9 молекул липидов. В клеточной мембране присутствуют липиды трех типов: фосфолипиды (наиболее распространенный тип), холестерол и гликолипиды. Все они представляют собой амфипатические молекулы, т. е. у них есть гидрофильный («любящий воду», или полярный) и гидрофобный («боящийся воды», или неполярный) концы. Типичная молекула фосфолипида изображена на рис. 6-2. Она имеет полярную голову и два гидрофобных углеводородных хвоста. Длина хвостов варьирует от 14 до 352 24 атомов углерода в цепи. Один из хвостов, как правило, содержит одну или более цис -двойных связей (т. е. это ненасыщенный углеводород), тогда как у другого (насыщенного углеводорода) двойных связей нет. Как показано на рис. 6-2, каждая двойная связь вызывает появление изгиба в хвосте. Различия в длинах хвостов и насыщенности углеводородных цепей имеют важное значение, поскольку именно они влияют на расположение фосфолипидных молекул друг против друга и, следовательно, обусловливают текучесть мембраны (см. ниже). Именно амфипатический характер молекул липидов заставляет их самопроизвольно формировать бислои в водных растворах. Когда амфипатические молекулы находятся в водном окружении, они стремятся агрегировать так, чтобы их гидрофобные хвосты были спрятаны от молекул воды, а гидрофильные головки оказались в контакте с молекулами воды. Агрегация такого типа осуществляется двумя способами: либо путем образования сферических мицелл, с хвостами, обращенными внутрь, либо путем формирования бимолекулярных пленок, или бислоев, в которых гидрофобные хвосты располагаются между двумя слоями гидрофильных голов. Обе эти возможности проиллюстрированы на рис. 6-3. Большинство фосфолипидов и гликолипидов в водной среде самопроизвольно образуют бислои. Более того, эти липидные бислои имеют тенденцию к замыканию самих на себя, что приводит к формированию закрытых отсеков (компартментов). При этом устраняются свободные края, на которых гидрофобные хвосты могли бы соприкасаться с водой. По той же причине компартменты, построенные из липидных бислоев, стремятся сами залечить свои повреждения, смыкая края разорванных участков. Кроме способности к самосборке липидный бислой обладает и другими характеристиками, делающими его идеальным материалом для клеточных мембран. Важнейшее из этих свойств - текучесть, которая, как мы увидим в дальнейшем, обусловливает многие функции мембраны. |