Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 20

Main page / Генетика XXII века / ГЕНЫ. ДНК. РНК / Вазопрессин. Реабсорбция. Диуретики. Аквапорины. Аквапорин-5, 10. Базальный промотор. Промоторы для РНК-полимераз I, II, III. Выше- и нижележащие промоторные элементы (ВПЭ и НПЭ). ТАТА-бокс. ТАТА-связывающий белок (TBP). TFIID. GC-мотив. Нулевые гены. Дикарбоновые кислоты. Щавелевая кислота. Малоновая кислота. Глутаровая кислота. Фталевая, терефталевая, изофталевая кислоты. Лимонная кислота. Имидазол-4,5-дикарбоновая кислота.

Содержание

    Вазопрессин – это нейропептид, который является собратом окситоцина. Он и производится там же, в гипоталамусе. Как и окситоцин, он переносится через аксоны нейронов (так называемый аксонный транспорт), которые направляются из гипоталамуса в нейрогипофиз. Там эти аксоны образуют синаптоподобные контакты с кровеносными сосудами, а в аксонных кончиках вазопрессин, как и окситоцин, накапливается в пресинаптических везикулах. Когда нейрон возбуждается, сигнал возбуждения быстро доходит до синапсов и вазопрессин высвобождается (секретируется) в кровь.

    От окситоцина вазопрессин отличается всего лишь двумя аминокислотными остатками, и даже их гены находятся на одной хромосоме, и более того – лежат близко друг к другу, так что вероятнее всего один ген был получен дублированием другого в результате известного нам типа мутации удвоения генов, а потом, спустя время, каждый из них приобрел в результате точечных мутаций свои отличительные свойства.

    Несмотря на то, что структуры окситоцина и вазопрессина очень схожи, все-таки различия в их свойствах достаточно велики, чтобы они в результате стали выполнять довольно сильно отличающиеся функции. Главные функции вазопрессина – сохранение жидкости и сужение кровеносных сосудов. Клетки почек – нефроны – производят так называемую первичную мочу, которая накапливается в собирательных почечных канальцах (у каждого из нас их больше миллиона).

    Под действием вазопрессина стенки канальцев становятся более проницаемыми для воды, результатом чего и является то, что вода начинает более активно всасываться обратно в кровь, а моча становится более концентрированной. То есть вазопрессин усиливает реабсорбцию (обратное всасывание жидкости из полостей и полых анатомических структур организма) воды из мочи, поэтому другое его распространенное название — антидиуретический гормон (АДГ). Почему именно такое название? Потому что существуют такие вещества – диуретики, которые могут иметь различную химическую структуру, и которые тормозят реабсорбцию воды и солей в почечных канальцах, увеличивая тем самым их выведение с мочой; соответственно они повышают скорость образования мочи и, таким образом, уменьшают содержание жидкости в тканях.

    В силу своего сосудосуживающего действия, уровень вазопрессина в крови предсказуемо повышается при травмах, кровопотерях и болевых ощущениях (а также при шоковых состояниях и психозах).

    Схема вазопрессина – на рисунке:

    Как видим, изменений по сравнению с окситоцином только два, причем легко запомнить, что остаток с длинным разветвленным радикалом лейцин заменен на остаток с другим, более сложным, но тоже длинным и разветвленным радикалом – аргинин. Изолейцин заменен фенилаланином. Созвездие скорпиона объединяет, таким образом, оба гормона.

    Сходство их структур не может все-таки не иметь хотя бы минимальных последствий в виде перекрестного влияния, и в самом деле — у окситоцина есть небольшая антидиуретическая и сосудосуживающая активность, а высокие уровни вазопрессина могут вызвать сокращения матки.

    Все клеточные рецепторы вазопрессина являются привычными нам рецепторами, связанными с G-белками, то есть их функционирование осуществляется с помощью знакомого нам аденилатциклазного механизма передачи гормонального сигнала.

    Понятно, что рецепторы вазопрессина в особенно больших количествах находятся на эпителиальных клетках почечных канальцев и на клетках гладких мышц кровеносных сосудов, но этим не ограничивается список тех клеток, которые в той или иной степени тоже чувствительны к вазопрессину, имея его рецепторы. Рецепторы вазопрессина есть также в мышечных клетках сердца (в кардиомиоцитах), в мозге, в печени и т.д., таким образом воздействие этого гормона имеет очень широкий спектр эффектов, чем и достигается скоординированность его влияния. Такая широкая распространенность рецепторов – довольно обычное дело, и именно поэтому влияние любого отдельно взятого гормона очень трудно описать в каких-то четких и узких рамках, и тем более это трудно сделать в отношении группы гормонов, а они в основном и работают в группах.

    Вазопрессиновые рецепторы в мозге отвечают за поведенческую адаптацию к стрессу, за регуляцию агрессивного поведения, и подавление их работы играет большую роль в возникновении депрессии и других психиатрических расстройств.

    Интересно, что если окситоцин можно условно назвать «гормоном материнских чувств», то вазопрессин можно назвать «гормоном отцовских чувств»! Были проведены исследования на степных мышах-полевках – это такой вид мышей, представители которого, в отличие от других видов, ведут строго моногамный образ жизни.

    Исследования показали, что у этих мышей промотор гена рецептора вазопрессина более длинный, чем у других мышей, что приводит к увеличенной экспрессии вазопрессина (видимо за счет того, что более длинный промотор легче распознается факторами транскрипции). Также оказалось, что полигамные полевки, у которых промотор вазопрессина по каким-то причинам более длинный, чем у других представителей их вида, ведут более моногамный образ жизни, т.е. в большей степени и чаще спариваются именно со своим партнером. И оказалось, что если у мышей искусственно повышать экспрессию генов вазопрессиновых рецепторов в мозге, то они прекращают спариваться с другими самками и спариваются почти исключительно со своей партнершей. Конечно, ученые не могли не проявить любопытства и попробовали посмотреть – нет ли аналогичной корреляции у людей? И оказалось, что она есть: есть корреляция между длиной этого промотора и с силой догматических убеждений о сексуальной верности, и с соответствующим поведением. Люди – это все-таки существа с бесконечно более сложной психикой, чем мыши-полевки, поэтому я думаю, что если человек хоть как-то задействует свой мозг, свою способность задумываться, рассуждать, если он стремится получать жизненный опыт, иметь насыщенную жизнь, то вряд ли искусственное повышение экспрессии гена промотора вазопрессиновых рецепторов в мозге приведет к заметному изменению его поведения, но какое-то влияние будет возможным, интересно – какое.

    Интересен механизм, с помощью которого увеличивается проницаемость клеточных мембран для молекул воды – это происходит в результате того, что в клеточную мембрану встраивается большое число особых каналов – аквапоринов:

    Аквапорины избирательно пропускают только молекулы воды либо внутрь клетки, либо наружу, не пропуская при этом ионы и другие растворенные в воде вещества. Существует такая разновидность аквапоринов, которые кроме воды могут пропускать глицерин, углекислый газ, аммиак и мочевину – смотря какой диаметр и какая форма будет у образованной поры, но в любом случае аквапорины совершенно непроницаемы для заряженных частиц, для ионов, и поэтому электрический потенциал на мембране не меняется от работы аквапоринов, что является очень важным их свойством, т.е. число ионов с внутренней и с наружной стороны клетки не меняется, так что и создаваемый ими электрический потенциал, критически важный для жизни клетки, остается неизменным в результате работы аквапоринов, т.е. не происходит деполяризации или сверхполяризации мембраны. У млекопитающих известно на данный момент 13 типов аквапоринов, так что понятно, что конкретный эффект влияния вазопрессина будет очень разным в зависимости от того, какой именно тип аквапоринов находится в мембране клеток той или иной ткани. Например, белок аквапорин-10 экспрессируется только в клетках двенадцатиперстной и тощей кишок, достигая своей максимальной концентрации во всасывающих клетках эпителия на кончиках ворсинок. А вот аквапорин-5 играет совсем другую роль: он участвует в движении воды в обратном направлении и способствует образованию слюны, слез и легочного секрета.

    Мы получаем воду через рот – мы едим еду и пьем напитки, но у растений ртов нет (к счастью), и они поглощают воду из почвы с помощью своей корневой системы: на корнях есть особая зона всасывания, где растут корневые волоски – особые клеточные цитоплазматические выросты, и аквапорины, находящиеся в мембранах растительных клеток, играют важную роль в получении воды извне и дальнейшем ее проведении от одной клетки к другой. Это не единственный способ, которым пользуются растительные клетки для передачи воды, но один из основных, и регуляция работы своих аквапоринов позволяет растениям менять режим обмена воды: например, во время засухи надо ограничивать потерю клетками воды, и аквапорины подвергаются фосфорилированию и меняют свою форму.

    Продолжим промоторную тему, начатую в предыдущей главе.

    У бактерий термин «промотор» означает довольно простую вещь – это те последовательности оснований, которые опознаются РНК-полимеразой, и которые служат местом ее посадки на ДНК. С эукариотами все намного сложней, и для них термин «промотор» объединяет собою все последовательности, которые играют важную роль в создании преинициационного (иначе – преинициаторного) комплекса и в инициации транскрипции гена. У эукариотических генов, таким образом, промотор состоит из довольно многочисленных последовательностей, обладающих весьма различными свойствами. Для того, чтобы навести тут некоторый терминологический порядок, введем дополнительные термины. Базальный промотор (иначе – центральный, или основной) – это та последовательность, на которой непосредственно собирается инициаторный комплекс. Помимо этого выделяют вышележащие промоторные элементы (ВПЭ) – последовательности, которые расположены выше базального промотора. Вышележащие промоторные элементы обеспечивают особенно высокую эффективность работы базального промотора, и если их удалить, то в принципе базальный промотор будет работать и без них, но не так эффективно.

    Эукариотические РНК-полимеразы всех трех типов работают лишь со своими типами промоторов, и именно так и определяется – какая именно РНК-полимераза начнет экспрессировать данный ген – все зависит от того, какого типа промотор имеется у этого гена. Рассмотрим эту тему поподробней.

    РНК-полимераза I, как мы знаем, экспрессирует предшественника больших рРНК, и промоторы нужных ей генов довольно сильно отличаются от промоторов других генов. Во-первых – в эти промоторы входит вышележащий промоторный элемент, который лежит на сотню оснований выше базального промотора. Базальный промотор генов, предназначенных для РНК-полимеразы I, расположен на отрезке между основаниями -45 и +20:

    На рисунке элементы промотора обозначены как красные широкие блоки на зеленой нити ДНК, и может создаться ложное впечатление, что промотор – это какой-то довесок к ДНК, но это просто так нарисовано для вящей зрелищности: на самом деле элементы промотора – это и есть те или иные куски кодирующей ДНК.

    Перед тем, как посмотреть на промоторы, которые распознают РНК-полимеразы II и III, нужно узнать – что такое ТАТА-бокс, который входит в состав базальных промоторов у многих эукариотических генов:

    Консенсусная последовательность ТАТА-бокса: 5`-TATAWAWR-3`, и он находится в промоторной области генов архей и эукариотов примерно на 25 оснований выше точки начала транскрипции. Существует закономерность, согласно которой ТАТА-бокс как правило окружен GC-богатыми участками.

    Что такое W и R?? Такие азотистые основания нам неизвестны. Но это не азотистые основания, а буквы, которыми обозначают одно из двух оснований. W – это тимин или аденин. R – это аденин или гуанин. Использование таких букв намного удобней, чем всякие скобки, их легче произносить и легче придумывать мнемонические правила, так что некоторые усилия по запоминанию многократно затем окупаются простотой записей. Так как эквивалента W в русском алфавите нет, то такие записи будем делать латинскими буквами. Мне проще было запоминать эти буквы с помощью комплекта слов, связанных с едой: «ватрушка» и «рагу». Видишь букву «W», вспоминаешь вАТрушку, видишь, что после «в» идут «а» и «т»: W_АТ_рушка: аденин или тимин; R_АГ_у: аденин или гуанин.

    Еще одну букву, используемую как заменитель обозначения азотистых оснований, будет запомнить очень легко: буква N обозначает любое основание (Nеважно кто; капитан Nемо).

    О чем говорит то, что ТАТА-бокс состоит почти сплошь из аденинов и тиминов? О том, что этот участок хромосомы почти сплошь состоит из слабых пар А-Т, и его легко расплетать, ведь аденин и тимин связаны только двумя водородными связями. Этим расплетанием отчасти занимается ТАТА-связывающий белок (TBP – TATA-bindning protein), и еще другой белок.

    ТАТА-бокс почти всегда используется только РНК-полимеразой II, никогда не используется РНК-полимеразой I, и лишь изредка используется РНК-полимеразой III (это нечастое исключение), и поэтому ТАТА-бокс в основном считают частью промоторов тех генов, с которых строятся белки, т.е. которые обрабатываются РНК полимеразой II, и по которым строятся мРНК.

    Что происходит, когда начинается подготовка к транскрипции гена, у которого частью промотора является ТАТА-бокс? Сначала с ТАТА-боксом связывается белок TBP, затем — другие белки, и затем расплетается двойная спираль. Другие белки (они называются факторами транскрипции) приплывают сюда же и связываются с TBP, образуя единый комплекс – TFIID (еще пишут TFIID, т.е. число II часто пишут нижним или верхним индексом). Понятно, что TF – это transcription factor, II – потому что преимущественно с ТАТА-боксом работает РНК-полимераза II, и D – буква, которая обозначает один TFII из нескольких. Сразу после этого присоединяются TFIIA и TFIIB. Теперь РНК-полимераза уже распознает посадочную площадку и прикрепляется к ней вместе с сопутствующими TFIIF, TFIIIE и TFIIH. Транскрипция инициируется и построение мРНК начинается. Выглядит сложным? Да, это довольно сложно, поэтому в этой главе мы вообще не будем соваться в эту кухню – сделаем это спустя несколько глав, так что подробнее мы рассмотрим это позже, а пока просто пусть в твоей голове возникнет общая картина:

    Подчеркиваю – все это происходит в том случае, если у генов эукариотов в состав промотора входит ТАТА, но часто ли он там бывает? Смотря у каких организмов. У позвоночных животных ТАТА встречается лишь у 25% протеиногенных генов. У человека, по разным оценкам, от 10 до 25%. Когда посмотрели – какие именно гены имеют ТАТА, то оказалось, что в основном это те гены, по которым производятся белки, работающие в стрессовых условиях.

    Как правило, ТАТА не может сам в одиночестве выполнять функцию промотора, и ему нужна компания в виде инициаторной последовательности, расположенной вокруг основания +1 (английская аббревиатура для обозначения инициаторной последовательности — Inr). Консенсус этой инициаторной последовательности выглядит более сложно, чем консенсус у ТАТА: 5`-YCANTYY-3`. Здесь мы видим еще одну новую букву: Y обозначает «цитозин или тимин», т.е. один из двух пиримидинов. Y похож на Ц, что облегчает запоминание.

    У некоторых генов, обрабатываемых РНК-полимеразой II, в состав промотора помимо этих двух последовательностей входят и другие, дополнительные последовательности, и тогда вся эта компания считается единым базальным промотором. Какими могут быть эти дополнительные последовательности?

    Во-первых – это нижележащий промоторный элемент (НПЭ) (английская аббревиатура – DPE — downstream promoter element). Раз он «ниже»-лежащий, значит он расположен в транскрибируемой, т.е. в «плюсовой» области! НПЭ расположен с +28 по +32. Для НПЭ мы пока не можем выявить какой-то консенсус, и вообще его обнаружили только лишь потому, что в этом месте, как оказалось, может связываться TFIID.

    В тех случаях, когда у гена нет ТАТА-блока, ко́ровым (т.е. основным) промотором становится комплекс «Inr + DPE», причем очень важно, чтобы не только сами Inr и DPE имели правильный состав, соответствующий консенсусу, но и чтобы расстояние между ними было правильным.

    Консенсус для DPE – это RGWYV. Здесь вы видим еще одну новую букву – «V», и ее смысл посложнее других: «V» означает «C или G или A». МП для «V»: «Вы-Цы-ГА-нить». Запишем этот консенсус в развернутом виде: (A/G)G(A/T)(C/T)(C/G/A).

    Таким образом мы можем сказать, что бывают два основных типа базального промотора для генов, обрабатываемых РНК-полимеразой II: тот, что включает в себя инициаторную последовательность и ТАТА-блок, и тот, в который входят инициаторная последовательность и нижележащий промоторный элемент.

    Встречаются и такие промоторы, в которых имеются все три вышеуказанных элемента: ТАТА, Inr и DPE.

    В состав базального промотора протеиногенных генов может входить еще так называемый GC-мотив (то есть мотив, обогащенный гуанином и цитозином, а значит это крепкий элемент хромосомы), состоящий из 6 оснований и расположенный недалеко кверху от ТАТА-бокса. GC-мотив имеет важное функциональное отличие от ТАТА-бокса: он распознается TFIIB, а не TFIID (это тоже мы подробнее рассмотрим в другой главе). Консенсусная последовательность GC-мотива: GGGCGG.

    И это еще не все:) Есть еще один элемент базального промотора протеиногенных генов, который располагается между -45 и -60. Есть и другие, но пока остановимся на этом.

    Интересно, что промотор может выполнять свои функции даже в том случае, когда в нем нет одного из двух главных элементов: ТАТА или инициаторной последовательности. Но самое удивительное, что есть гены, у которых в промоторе вообще нет ни одного из них:) Такие гены называются нулевыми, и они тоже нормально транскрибируются с тем отличием, что место начала транскрипции у них довольно изменчиво.

    Как видим, структура базального промотора у генов, с которыми работает РНК-полимераза II, намного более изменчива и сложна, чем у тех, с которыми работает РНК-полимераза I. Отразим теперь все это на рисунке:

    Теперь осталось разобраться с промоторами для РНК-полимеразы III, которая обрабатывает гены маленьких РНК (кроме почти всех генов мяРНК и всех генов миРНК, которые обрабатываются РНК-полимеразой II). Эти промоторы разбиваются как минимум на 3 класса. Первые два из них необычны, потому что их ключевые участки лежат прямо внутри генов, транскрипцию которых эти промоторы запускают (в интронах)! Обычно это два участка с консервативными последовательностями. Длина каждого из них – от 50 до 100 оснований, и разделены они изменчивой областью:

    Эти два участка бывают трех видов, и называются «блок А», «блок B» и «блок С». Соответственно в промоторе для РНК-полимеразы III первого типа мы имеем блоки А и С, в промоторе второго типа – А и В.

    Как уже выше было сказано, изредка промотор для РНК-полимеразы III имеет, как и промоторы для РНК-полимеразы II, ТАТА-бокс. И такие промоторы РНК-полимеразы III являются промоторами третьего типа. Помимо ТАТА-бокса, они имеют еще совокупность дополнительных последовательностей, лежащих выше транскрибируемого гена, среди которых часто встречается элемент между -45 и -60: 

    Теперь, чтобы видеть всю картину целиком, сведем все варианты на один рисунок:

    Биохимическая заминка будет простой. Дикарбоновые кислоты (иначе – двухосновные карбоновые кислоты) – это такие производные углеводородов, у которых в составе молекулы есть две карбоксильные группы СООН. Химические свойства дикарбоновых кислот зависят, по сути, только от того – близко или далеко друг от друга расположены карбоксильные группы, потому что если они друг от друга далеко (ну хотя бы разделены парочкой углеродов), то их свойства будут в общем почти такими же, как у обычной уксусной кислоты CH3COOH. Но если они расположены близко друг к другу, то кислотность молекулы резко возрастает за счет того, что карбоксилы влияют друг на друга и с большей готовностью отдают свои протоны. Водород от одного карбоксила уходит сравнительно легко, а от второго – уже не очень, т.к. гораздо труднее увести положительно заряженный Н+ от аниона с зарядом -2, чем от аниона с зарядом -1.

    Систематические названия дикарбоновых кислот образуются просто: берем соответствующий алкан и добавляем суффикс «-диóвая», но тут надо иметь в виду, что многие дикарбоновые кислоты имеют тривиальные, т.е. исторически сложившиеся названия, и чаще используют именно их.

    Понятно, что самой простой дикарбоновой кислотой является этандиóвая кислота, она же – щавелевая кислота (oxalic acid). Щавель, конечно, очень вкусный, но концентрированная щавелевая кислота вызывает сильные ожоги тканей слизистых оболочек, глаз, верхних дыхательных путей:

    Следующая по сложности дикарбоновая кислота – пропандиовая кислота, она же – малóновая кислота. Мнемоническое правило: «очень мало углеродов разделяет карбоксилы – только один». Малоновая кислота пригодится нам при более подробном изучении одного из важнейших процессов в биохимии, с которым мы уже встречались — переноса электронов по дыхательной цепи:

    А вот следующая дикарбоновая кислота в этом ряду нам уже известна: это бутандиóвая кислота, она же янтарная. Она пригодится нам для изучения одного из важнейших биохимических циклов: цикла трикарбоновых кислот (он же цикл Кребса). В медицине она используется в качестве средства, улучшающего метаболизм и энергообеспечение тканей:

    Следующая дикарбоновая кислота (и последняя, которую мы рассмотрим) тоже играет свою роль в цикле Кребса – это пентадиóвая кислота, она же – глутаровая кислота. Достаточно поставить рядом глутаровую кислоту и протеиногенную глутаминовую аминокислоту, чтобы увидеть, что сходство их названий не случайно:

    Систематика дикарбоновых кислот (равно как и очень важных для нас трикарбоновых кислот, которые мы изучим позже) имеет один выверт, в котором обязательно надо будет разобраться. Дело в том, что одну и ту же кислоту можно называть двумя совершенно разными способами. Первый уже описан выше, но есть и второй, при котором карбоксильные группы считаются непринадлежащими ядру кислоты, а добавочными к этому ядру группами. Это приводит к тому, что во втором случае мы должны брать за основу классификации алкан, имеющий на два углерода меньше. Для примера посмотрим на глутаровую кислоту:

    Когда мы определяли ее приведенным выше способом, мы брали в качестве исходного алкана все имеющиеся углероды, входящие в молекулу, в том числе и те, что входят в карбоксилы, и именно такую группу считали ядром молекулы, и этот алкан, состоящий из 5 углеродов, называется пентаном, отсюда и «пентадиовая кислота», а точнее – «пентан-1,5-диовая». С помощью чисел мы показываем местонахождение добавочных к ядру групп. Но мы мысленно можем в глутаровой кислоте отделить карбоксилы от того, что будем теперь считать ядром молекулы, что в общем-то разумно, ведь мы рассматриваем эту молекулу как дикарбоновую кислоту, т.е. как нечто, содержащее два карбоксила. В этом случае ядерным алканом становится уже не пентан, а алкан на два уровня ниже — пропан, и молекула приобретает название пропандикарбоновая кислота (а точнее – пропан-1,3-дикарбоновая кислота). Как мы видим, когда мы меняем представление о том, что называть ядром, то мы меняем и суффикс в названии кислоты.

    И если мы где-то встретим, а мы совершенно точно это встретим:), такое название кислоты, как «2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая», то мы не будем долго ломать голову, а разберем это название на части и тут же поймем, что, во-первых, название этой кислоты дано согласно второму типу – там, где окончания «-карбоновая», а не «-овая». Во-вторых, речь идет о трикарбоновой кислоте, т.е. о кислоте, содержащей три карбоксила, присоединенных к пропановому ядру, т.е. к ядру, имеющему три углерода, причем карбоксилы присоединены к углеродам 1, 2 и 3. Ну и «2-гидрокси» означает, что ко второму (т.е. среднему) углероду ядра присоединен гидроксил. Осталось ее нарисовать, чтобы уже никогда не забыть, а забывать ее нам никак нельзя, потому что это одна из самых важных в организме живых существ карбоновых кислот – позже мы внимательно рассмотрим ее роль. Ее тривиальное название – лимонная кислота:

    Кристаллы лимонной кислоты выглядят вполне достойными ее выдающейся биохимической роли:)

    Представить себе одну из простейших двухосновных ароматических карбоновых кислот совсем не трудно – это фталевая кислота, которая и своим названием, и своей структурой легко напомнит (и не напрасно) о нафталине и фталевом ангидриде:

    Разные производные фталевой кислоты (фталаты), похожие по структуре на эстрогены (женские половые гормоны), могут вызывать серьезные нарушения в развитии и функционировании эндокринной системы. Совсем несложно представить себе, что у фталевой кислоты есть два изомера, поскольку карбоксилы можно расположить вокруг бензольного конца еще двумя разными способами: это терефталевая и изофталевая кислоты:

    Есть и еще более простая двухосновная ароматическая карбоновая кислота – мы получим ее, если вместо 6-членного ароматического кольца поставим 5-членное. Например, такую кислоту можно получить, если окислить бензимидазол: его ароматическое кольцо разорвется, и мы получим имидазол-4,5-дикарбоновую кислоту: