Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
80, 2258-2262, 1983. Goldstein J.L., Brown M.S., Anderson R.G. W., Russell D. W., Schneider W.J. Receptor-mediated endocytosis. Annu. Rev. Cell Biol., 1, 1-39, 1985. Mellman L, Fuchs R., Helenius A. Acidification of the endocytic and exocytic pathways. Annu. Rev. Biochem., 55, 663-700, 1986. 47. Mostov K.E., Simister N.E. Transcytosis. Cell, 43, 389-390, 1985. Rodewald R., Abrahamsom D. R. Receptor-mediated transport of IgG across the intestinal epithelium of the neonatal rat. In: Membrane Recycling (Ciba Foundation Symposium 92), pp. 209-232. London, Pitman, 1982. 48. Helenius A., Marsh M. Endocytosis of enveloped animal viruses. In: Membrane Recycling (Cida, Foundation Symposium 92), pp. 59-76. London, Pitman, 1982. Thilo I. Quantification of endocytosis-derived membrane traffic. Biochim. Biophys. Acta, 822, 243-266, 1985. 49. Abercrombie M., Haysman J. E. M., Pegrum S. M. The locomotion of fibroblasts in culture. III. Movements of particles on the dorsal surface of the leading lamella. Exp. Cell Res., 62, 389-398, 1970. Bretscher M. S. Endocytosis: relation to capping and cell locomotion. Science, 224, 681-686, 1984. Taylor R.B., Duffus W.P.H., Raff M. C., de Petris S. Redistribution and pinocytosis of limphocyte surface immunoglobulin molecules induced by anti-immunoglobulin intobody. Nature New Biol., 233, 225-229, 1971. 50. Wright S. D., Silverstein S. C. Overview: the function of receptors in phagocytosis. In: Handbook of Experimental Immunology, 4th ed. (D. M. Weir, L. Herzenberg eds.), pp. 41-1-41-14. Oxford UK, Blackwell, 1983. 51. Aggeler J., Werb Z. Initial events during phagocytosis by macrophages viewed from outside and inside the cell: Membrane-particle interaction and clathrin. J. Cell Biol., 94, 613-623, 1982. Griffin F. M., Jr., Griffin J. A., Silverstein S. C. Studies on the mechanism of phagocytosis. II. The interaction of macrophages with anti- immunoglobulin IgG-coated bone marrow-derived lymphocytes. J. Exp. Med., 144, 788-809, 1976. Griffin F. M., Jr., Silverstein S. C. Segmental response of the macrophage plasma membrane to a phagocytic stimulus. J. Exp. Med., 139, 323- 336, 1974. 52. Blumenthal R. Membrane Fusion. Curr. Top. Memb. Transp., 29, 203-254, 1987. Gething M. J., Doms R., York D., White J. Studies on the mechanism of membrane fusion: site-specific mutagenesis of the hemagglutinin of influenza virus. J. Cell Biol., 102, 11-23, 1986. White J., Kielian M., Helenius A. Membrane fusion proteins of enveloped animal viruses. Quart. Rev. Biophys., 16, 151-195, 1983. Wiley D. C., Skehel J. J. The structure and function of the hemagglutinin membrane glycoprotein of influenza virus. Annu. Rev. Biochem., 56, 365-394, 1987. 430 7. Преобразование энергии: митохондрии и хлоропласты Митохондрии, имеющиеся во всех эукариотических клетках, и свойственные только растениям пластиды (из которых наибольший интерес представляют хлоропласты) преобразуют энергию в формы, которые могут быть использованы для проведения внутриклеточных реакций. Специфическую функцию этих органелл отражает наиболее поразительная черта их морфологии - обилие внутренних мембран. Мембраны выполняют в этих энергопреобразующих органеллах две ключевые функции. Во-первых, они осуществляют процессы переноса электронов, в результате которых энергия реакций окисления (см. разд. 2.2.4) преобразуется в более полезные формы, главным образом в энергию АТР. Во- вторых, мембраны образуют в органелле большие внутренние компартменты, в которых находятся ферменты, катализирующие другие внутриклеточные реакции. Без митохондрий животная клетка могла бы получать АТР только за счет анаэробного гликолиза. Но в результате превращения глюкозы в пируват, происходящего при гликолизе (разд. 2.3.2), высвобождается лишь малая часть всей свободной энергии, которую можно получить при окислении Сахаров. В митохондриях метаболизм Сахаров (и жирных кислот) доводится до конца: пируват (как и жирные кислоты) окисляется молекулярным кислородом (О 2 ) до СО 2 и Н 2 О. Энергия, высвобождаемая при таком окислении, используется настолько эффективно, что на каждую молекулу окисляемой глюкозы образуется около 36 молекул АТР, в то время как при гликолизе на одну молекулу глюкозы приходится только 2 молекулы АТР. Хлоропласты - это тоже очень эффективные «машины» для выработки АТР, но источником энергии для них служит солнечный свет, а не сахара и жирные кислоты. Несмотря на такое фундаментальное различие, митохондрии и хлоропласты организованы сходно и синтезируют АТР одним и тем же способом. Общий путь, по которому митохондрии, хлоропласты и даже бактерии преобразуют энергию для биологических целей, основан на процессе, получившем название хемиосмотического сопряжения. Этот процесс начинается с того, что электроны, «богатые энергией», передаются от сильных доноров этих частиц по цепи из переносчиков электронов, встроенных в мембрану, непроницаемую для ионов. При таком переносе по электронтранспортной цепи электроны, которые были либо возбуждены солнечным светом, либо извлечены при окислении питательных веществ, последовательно переходят на все более низкие энергетические уровни. Часть высвобождаемой энергии используется для перемещения протонов с одной стороны мембраны на другую, в результате чего на мембране создается электрохимический протонный градиент. За счет энергии этого градиента протекают реакции, катализируемые ферментами, встроенными в ту же мембрану (рис. 7-1). В митохондриях и хлоропластах большая часть энергии используется для превращения ADP и Р i в АТР, хотя некоторая ее доля расходуется на транспорт специфических метаболитов в органеллу и из нее. В отличие от этого у бактерий электрохимический градиент служит столь же важным непосредственным источником энергии, как и синтезируемый с его помощью АТР: благодаря энергии градиента осуществляются не только многие транспортные процессы, но и быстрое вращение бактериальных жгутиков, перемещающих клетку (разд. 12.5.4). Как полагают, преобразующие энергию органеллы эукариот произошли от прокариотических клеток, которые были захвачены примитивными эукариотами и вступили с ними в симбиоз 1,5 млрд. лет назад. Этим можно объяснить, почему митохондрии и хлоропласты имеют Рис. 7-1. Хемиосмотическое сопряжение используется всеми клетками для преобразования энергии. За счет энергии солнечного света или окисления питательных веществ сначала создается трансмембранный электрохимический протонный градиент. Этот градиент и служит источником энергии для разнообразных процессов, происходящих в митохондриях, хлоропластах и бактериальных клетках. 431 свою собственную ДНК, кодирующую некоторые белки этих органелл. Однако к настоящему времени митохондрии и хлоропласты утратили большую часть собственного генома и стали полностью зависеть от белков, кодируемых ядерными генами, синтезируемых в цитозоле и лишь затем переносимых в органеллу. И наоборот, клетки-хозяева стали зависимы от этих органелл, дающих значительную часть АТР, необходимого для биосинтезов, активного транспорта ионов и растворенных веществ и двигательных функций, а также содержащих ряд ферментов, катализирующих некоторые реакции биосинтеза. 7.1. Митохондрии Митохондрии занимают значительную часть цитоплазмы почти во всех эукариотических клетках. Хотя митохондрии настолько велики, что их можно увидеть в обычный световой микроскоп, и впервые были обнаружены еще в прошлом веке, все же реальная возможность разобраться в их функции появилась только после 1948 г., когда были разработаны методы выделения интактных митохондрий. По техническим причинам большинство биохимических исследований проводилось на митохондриях, выделенных из печени. Митохондрии обычно изображают в виде жестких вытянутых, похожих на бактерии цилиндров диаметром от 0,5 до 1 мкм. Однако цейтраферная микрокиносъемка живых клеток позволяет увидеть, что митохондрии - необыкновенно подвижные и пластичные органеллы, которые постоянно изменяют свою форму (рис. 7-2) и даже сливаются друг с другом и затем вновь разделяются. Пути перемещения митохондрий в цитоплазме часто связаны с микротрубочками (рис. 7-3), что может определять характерную ориентацию митохондрий и распределение их в различных клетках. В некоторых клетках митохондрии образуют длинные подвижные филаменты или цепочки, а в других они фиксированы вблизи мест высокого потребления АТР-например, в сердечной мышце они располагаются между миофибриллами, а в сперматозоидах плотно обвивают жгутик (рис. 7-4). 7.1.1. Митохондрии имеют наружную и внутреннюю мембраны, образующие два внутренних компартмента [2] Каждая митохондрия окружена двумя высокоспециализированными мембранами, играющими ключевую роль в ее активности. Мембраны Рис. 7-2. Быстрое изменение формы митохондрий, наблюдаемое в живых клетках. Рис. 7-3. А. Световая микрофотография цепочек вытянутых митохондрий в живой клетке в культуре ткани млекопитающего. Клетка обработана витальным флуоресцентным красителем (родамином 123), специфически окрашивающим митохондрии. Б. Иммунофлуоресцентная микрофотография той же самой клетки, обработанной (после фиксации) флуоресцентными антителами к микротрубочкам. Обратите внимание, что митохондрии располагаются в основном вдоль микротрубочек. Масштабный отрезок 10 мкм. (С любезного разрешения Lan Во Chen.) 432 образуют два изолированных митохондриальных компартмента: внутренний матрикс и значительно более узкое межмембранное пространство. Если очищенные митохондрии осторожно разрушить и затем разделить на фракции (рис. 7-5), можно определить биохимический состав каждой из двух мембран и заключенных между ними пространств. Как показано на рис. 7-6, каждая фракция содержит уникальный набор белков. В состав наружной мембраны входит много копий белка, называемого порином, который образует широкие гидрофильные каналы в липидном бислое. Таким образом, эта мембрана напоминает сито, проницаемое для всех молекул массой 10000 дальтон и меньше, включая небольшие белки. Эти молекулы могут проникать в межмембранное пространство, но большая их часть не способна проходить через непроницаемую внутреннюю мембрану. Это означает, что если химический состав межмембранного пространства эквивалентен составу цитозоля хотя бы в отношении молекул малого размера, то матрикс содержит гораздо более ограниченный набор небольших молекул. Как будет подробнее описано позже, основная рабочая часть митохондрии - это матрикс и окружающая его внутренняя мембрана. /Внутренняя мембрана высокоспецифична, она содержит большое количество «двойного» фосфодипида кардиолипина (разд. 7.5.15), чтокак полагают, и делает мембрану особенно непроницаемой для ионов. В состав внутренней мембраны входят также разнообразные транспортные белки, обусловливающие ее избирательную проницаемость для тех малых молекул, которые либо метаболизируются многочисленными ферментами, сконцентрированными в матриксе, либо необходимы для их активности. В частности, матрикс содержит ферменты, превращающие пируват ижирные кислоты в ацетил-СоА и затем окисляющие последний в цикле лимонной кислоты. Главные конечные продукты этого окисления - СО 2 , выходящий из клетки, и NADH, который служит главным источником электронов, переносимых дыхательной цепью - так называется электронтранспортная цепь митохондрий. Ферменты дыхательной цепи встроены во внутреннюю митохондриальную мембрану и необходимы для процесса окислительного фосфорилирования, дающего большую часть АТР в животных клетках. Рис. 7-4. Локализация митохондрий вблизи мест высокого потребления АТР в сердечной мышце и в хвосте спермия. В ходе развития жгутика спермия микротрубочки обвивают аксонему и обеспечивают тем самым надлежащее расположение митохондрий. Рис. 7-5. Методы разделения митохондрий на отдельные компоненты дают возможность изучать различные белки в каждом компартменте митохондрии. Представленный здесь метод, позволяющий одновременно обрабатывать большое количество митохондрий, основан на том, что в среде с низкой ионной силой вода проникает в митохондрию и вызывает сильное набухание матрикса. При этом кристы внутренней мембраны расправляются, а наружная мембрана, не имеющая складок, разрывается, высвобождая структуру, состоящую только из внутренней мембраны и матрикса. 433 Рис. 7-6. Общее строение митохондрии. В митохондриях печени 67% всего белка находится в матриксе, 21% - в наружной мембране, 6% - во внутренней мембране и 6% - в межмембранном пространстве. Каждый из этих четырех компартментов в соответствии со своей функцией содержит определенный набор ферментов (см. схему внизу). (Микрофотография любезно предоставлена Daniel S. Friend.) 434 7.1.2. Внутренняя мембрана образует складки - кристы [3] Внутренняя мембрана обычно образует в матриксе сложную систему складок, называемых кристами. Эти складки значительно увеличивают площадь внутренней мембраны; например, в митохондриях печени внутренняя мембрана составляет третью часть всех мембран клетки (см. табл. 8-2). В митохондриях сердечной мышцы число крист в три раза больше, чем в митохондриях печени, что, по-видимому, связано с высокой потребностью клеток сердца в АТР. Кроме того, кристам митохондрий в различных клетках свойственны поразительные морфологические особенности, значение которых неизвестно (рис. 7-7). Помимо морфологических особенностей разные типы клеток существенно различаются по составу митохондриальных ферментов. Однако в этой главе мы отвлечемся от различий и рассмотрим лишь ферменты и свойства, общие для всех митохондрий. 7.1.3. Окислительные процессы в митохондриях начинаются после образования в матриксе достаточного количества ацетил-СоА из пирувата и жирных кислот [4] «Топливом» для окислительного метаболизма в митохондриях служат главным образом жирные кислоты и пируват, образуемый в результате гликолиза в цитозоле. Эти вещества избирательно транспортируются из цитозоля в митохондриальный матрикс, где распадаются до двухуглеродных групп, присоединенных к ацетилкоферменту А (ацетил-СоА, рис. 7-8). В составе молекулы ацетил-СоА каждая ацетильная группа поступает затем в цикл лимонной киcлоты для дальнейшего расщепления. Процесс заканчивается переносом по дыхательной цепи богатых энергией электронов, извлеченных из ацетильной группы. Для того чтобы обеспечить непрерывное снабжение окислительного метаболизма «топливом», животные клетки запасают его в виде жиров, служащих источником жирных кислот, и гликогена - источника глюкозы. которая потом расщепляется до пирувата. В количественном отношении жиры гораздо более важны хотя бы потому, что при их окислении Рис. 7-7. Некоторые морфологические различия в строении крист митохондрий, выделенных из разных тканей крысы. Значение этих различий для функционирования митохондрий не известно. Рис. 7-8. Ацетил-СоА - главный промежуточный продукт, образующийся при расщеплении питательных веществ в митохондриях. На рисунке изображена пространственная модель этой молекулы (см. также рис. 2-19). S - атом серы, образующий с ацетатом тиоэфирную связь. Так как эта связь высокоэнергетическая, ацетатная группа может быть легко перенесена на другую молекулу, такую как оксалоацетат (см. рис. 7-14). 435 освобождается в шесть с лишним раз больше энергии, чем при окислении равного количества гликогена в его гидратированной форме. Запасов гликогена в организме среднего взрослого человека достаточно на один день нормальной активности, тогда как запаса жиров хватит на месяц. Если бы главным резервом топлива в нашем организме служил гликоген, а не жиры, вес тела увеличился бы в среднем на 25 кг. Основная часть жировых запасов находится у нас в жировой ткани, откуда по мере надобности жиры транспортируются с током крови к остальным клеткам. Потребность в жирах возрастает после некоторого периода голодания; даже после ночного сна происходит мобилизация жира, так что в утренние часы большая часть ацетил-СоА, поступающего в цикл лимонной кислоты, извлекается из жирных кислот, а не из глюкозы. Однако после еды главным источником ацетил-СоА для цикла лимонной кислоты становится глюкоза, полученная с пищей. Избыток этой глюкозы идет на восполнение истощенных запасов гликогена или на синтез жиров. (Следует отметить, что хотя сахара в животных клетках легко переводятся в жиры, последние не могут превращаться в сахара.) Молекула жира состоит из трех остатков жирных кислот, присоединенных эфирными связями к молекуле глицерола. Такие триацилглицеролы (триглицериды) неполярны и практически нерастворимы в воде - в цитозоле они образуют жировые капельки (рис. 7-9). В адипоцитах -- клетках жировой ткани - одна большая капля жира занимает почти весь клеточный объем; крупные жировые клетки специализированы для хранения жира. Мелкие жировые капельки обычны для таких клеток, как волокна сердечной мышцы, использующие энергию расщепления жирных кислот; жировые капли в этих клетках часто бывают тесно связаны с митохондриями (рис. 7-Ю). Во всех клетках ферменты наружной и внутренней мембран митохондрий участвуют в переносе жирных кислот, извлеченных из молекул жира, в митохондриальный матрикс. В матриксе каждая молекула жирной кислоты (в виде ацил-СоА) полностью расщепляется в цикле реакций, за каждый оборот которого она укорачивается с карбоксильного конца на два атома углерода и образуется одна молекула ацетил-СоА (рис. 7-11). Дальнейшее окисление ацетил-СоА происходит в цикле лимонной кислоты. Гликоген представляет собой большой разветвленный полимер глюкозы, содержащийся в виде гранул в цитоплазме (рис. 7-12); синтез и распад гликогена с высокой степенью точности регулируется нуждами организма (см. разд. 12.4.1). При повышении потребности в глюкозе гликоген расщепляется с образованием глюкозо-1-фосфата. В процессе гликолиза шестиуглеродная молекула глюкозы (или родственного ей сахара) превращается в две трехуглеродные молекулы пирувата (см. разд. 2.3.2), еще сохраняющие большую часть энергии, которая может быть извлечена при полном окислении сахара. Эта энергия высвобождается только после переноса пирувата из цитозоля в митохондриальный матрикс, где пируват подвергается воздействию мультиферментного комплекса, который крупнее рибосомы, - пируватдегидрогеназного комплекса. Этот комплекс, содержащий множественные копии трех ферментов, пяти коферментов и двух регуляторных белков, быстро превращает пируват в ацетил-СоА (при этом в качестве побочного продукта выделяется СО 2 ) (рис. 7-13). Этот ацетил-СоА, так же как и ацетил-СоА, образующийся при окислении жирных кислот, поступает в цикл лимонной кислоты. |