Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 22

Main page / Генетика XXII века / ГЕНЫ. ДНК. РНК / Гистология. Кровь. Форменные элементы крови. Функции крови. Оксикислоты (гидроксикислоты). Гликолевая кислота. Молочная кислота. Пантоевая кислота. Изобутан. Первичные, вторичные, третичные спирты. Трет-бутанол. Пантотеновая кислота. Амиды. Замещенная аминогруппа. Кофермент А (КоА). Ацильные производные КоА. Ацетил-КоА. Гистоновый коактиватор. Белки CBP и p300. Гистонацетилтрансфераза (ГАТ). ГАТ А, ГАТ В. Со-коактиваторы. ε-N-ацетиллизин. Гистоновый корепрессор. Гистондезацетилаза. Белок р53.

Содержание

    Если цитология изучает устройство клетки, а анатомия – устройство органов, то гистология находится между ними в иерархии наук о живом и изучает строение, жизнедеятельность и развитие тканей живых организмов. Над всеми ними стоит физиология, которая изучает жизнедеятельность организма в целом. Для любого студента-медика слово «гистология» звучит угрожающе и связано с очень неприятными ассоциациями – так же, как для студента инженерного вуза звучит «сопромат», а для студента физмата – «урматфиз». Связано это с тем, что и гистология, и сопромат и урматфиз – это такие дисциплины, которые сопряжены с массированным изучением очень объемной и – главная неприятность – однотипной информации. В обычном вузе для изучения этой информации принят самый бессмысленный и варварский подход: впихивать ее сразу, подряд, чтобы вся она смешивалась, путалась, чтобы студент испытывал максимальные проблемы при запоминании, максимальное отвращение к процессу обучения и максимальные страхи перед экзаменом. Разумеется, впихнутая в себя таким противоестественным образом информация сразу же после экзамена и выветривается, награждая студента еще и стойким чувством неверия в себя, пораженчеством, а то и чувством собственной ущербности и, несомненно, отвращением к познанию вообще, что делает человека настоящим психическим инвалидом, ведь это оказывает огромное омертвляющее влияние на всю его психику в целом, подавляя созидательную, творческую, познавательную и поисковую активности. Поэтому я сделаю иначе. В моем учебнике не будет отдельного большого раздела по гистологии, главы которого содержали бы монотонные однотипные усыпляющие данные на сотнях страниц – гистология будет вводиться постепенно, фрагментарно, в качестве разминок и заминок к основной теме главы – так же, как сейчас продолжается изучение биохимии. И уже после того, как без труда, без напряжений и самоизнасилований будет в процессе приятного поверхностного знакомства сформирована достаточно объемная база – вот уже после этого мы будем готовы к тому, чтобы изучить отдельный гистологический раздел, в котором формировался бы общий взгляд на тканевое устройство отдельных органов. Таким образом, начиная с этого момента, в некоторых главах будет встречаться гистологическая информация. У такого комбинированного подхода есть еще одно важное преимущество – ты будешь немного выныривать из изучения темы определенного раздела, и твой мозг будет отдыхать в процессе смены объекта внимания. На самом деле, это помогает процессу перезаписи информации в долговременную память, и помимо этого помогает прояснить – что запомнилось и понялось, а что хочется повторить и разобраться получше.

    Кровь – это циркулирующая по кровеносным сосудам жидкая ткань (!), состоящая из двух основных компонентов:
    *) плазма;
    *) взвешенные в плазме элементы, которые часто называют форменными элементами: эритроциты, лейкоциты и тромбоциты (тромбоциты иногда еще называют кровяными пластинками).

    От всего объема крови примерно 55-60% — это плазма, и остальное – форменные элементы. От всей массы тела кровь занимает примерно 5-9%.

    Теперь одним списком перечислим довольно очевидные функции крови, и на этом с ней пока что закончим:
    *) дыхательная (так как она переносит кислород к клеткам тела, и на обратном пути забирает у клеток углекислоту для переноса в легкие);
    *) трофическая («трофический» – значит связанный с обменом веществ и питанием тканей; кровь доставляет органам питательные вещества);
    *) защитная (свертывание крови при травмах, обеспечение работы иммунитета);
    *) выделительная (забирает от клеток продукты их обмена веществ и доставляет их в почки);
    *) гомеостатическая (помогает поддерживать постоянство внутренней среды организма);
    *) сигнальная (обеспечивает доставку к клеткам гормонов и прочих биологически активных веществ).
    Итого: 6 важнейших функций, которые подчеркивают – насколько важна роль этой ткани в жизни организма.

    В прошлой главе мы рассматривали механизм, с помощью которого коактиваторы и корепрессоры влияют на экспрессию генов – через связывание с факторами транскрипции. Но существует еще один очень важный механизм, с помощью которого они также оказывают влияние на экспрессию генов, и для этого коактиваторы и корепрессоры выбирают совсем другую мишень: вместо того, чтобы связываться с ФТ, они оказывают влияние на… гистоны! В результате такого влияния отрицательный электрический поверхностный заряд гистонов увеличивается или уменьшается. Если заряд увеличивается, то гистоны, во-первых, отталкиваются друг от друга, а во-вторых взаимодействие гистонов с отрицательно заряженной (со стороны фосфатов) хромосомы также усиливается, нуклеосома разрыхляется, так что гены становятся более доступными для транскрипции. Этот механизм очень важен и очень интересен в том числе и с биохимической точки зрения, так что мы рассмотрим его более подробно, для чего нам снова придется заняться изучением новых молекул.

    Начнем с самого простого – с оксикислот (их еще называют гидроксикислотами). Оксикислоты – это такие карбоновые кислоты, в которых одновременно содержатся и карбоксильная, и гидроксильная группы. Для примера рассмотрим самую простую оксикислоту: это гликолевая кислота, которую в природе можно найти много где, например в винограде, сахарной свекле, сахарном тростнике, так что это сладкая штучка, и пахнет она как жженый сахар:

    Мы знаем, что спирты должны содержать только насыщенные углероды, т.е. образующие 4 одинарные ковалентные связи, а значит находящиеся в состоянии sp3-гибридизации (поскольку 4 внешних sp-электрона образуют 4 идентичные связи), а в оксикислотах углерод имеет, как мы видим, одну двойную связь с кислородом, так что оксикислоты не являются спиртами, но за счет своей гидроксильной группы они все же имеют свойства, характерные не только для кислот, но и для спиртов.

    Легко видеть, что знакомая нам лимонная кислота, являющаяся представителем трикарбоновых кислот, также является оксикислотой, ведь она имеет три карбоксила и один гидроксил.

    Еще одна очень популярная в биохимии оксикислота – это молочная кислота:

    Видно, что молочная кислота получается из гликолевой с помощью добавления метильной группы к α-углероду. Можно еще поиграться с молекулами: если в молочной кислоте гидроксил у α-углерода заменить на аминогруппу, то получится аланин:

    Ну и конечно невозможно не воспользоваться тем, что молочная кислота похожа на корову:)

    Теперь, оттолкнувшись от оксикислот, пойдем дальше. Взглянем на формулу молекулы, и попробуем дать ей обозначение согласно принятой номенклатуре:

    Мы видим группу СООН, и от нее и начинаем отталкиваться. Учитываем, что тут всего 4 углерода, и первый по счету как раз тот, который входит в карбоксил. Два гидроксила присоединены ко второму и четвертому углероду, значит в названии будет «2,4-дигидрокси». Две метильных группы отходят от третьего углерода, значит будет еще «3,3-диметил». И 4 углерода в цепочке – это бутан. Итоговое наименование: «2,4-дигидрокси-3,3-диметилбутановая кислота». К счастью, у нее есть и тривиальное название – пантоевая кислота. Так как в пантоевой кислоте первый гидроксил присоединен к α-углероду, то она является α-оксикислотой. Па́нты – это рога оленей в период их ежегодного роста. Они имеют трубчатую неороговевшую структуру, наполнены кровью, покрыты тонкой бархатистой кожей с короткой мягкой шерстью. И глядя на панты оленя можно увидеть их сходство с 3,3-метильными группами, и это может помочь запомнить название этой молекулы:

    Разложив пантоевую молекулу на составляющие ее части, легко увидеть в ее составе молочную кислоту, соединенную с алканом из четырех углеродов и гидроксилом:

    Обычный алкан из 4-х углеродов – это бутан, но здесь не обычный бутан, а разветвленный, значит это изобутан. Мы помним, что гидроксил, соединенный с углеводородом – это спирт, но тот спирт, который мы видим в составе пантоевой кислоты, отличается от тех линейных спиртов, которые мы рассматривали раньше. Здесь классификация довольно простая, поэтому попутно рассмотрим ее – это пригодится в будущем.

    Если при α-углеродном атоме спирта имеется только 1 заместитель водорода, то это первичный спирт. Если заместителя 2 – то этот спирт вторичный. Если все три водорода замещены, то этот спирт – третичный:

    Самый простой третичный спирт – это как раз то, что мы и видим на изображении пантоевой кислоты, и такой спирт называется трет-бутанолом. Такая куриная лапка. Мнемоническое правило: «курица лапкой трет бутылку, чтобы вызвать джина и превратиться в страуса». По правилам IUPAC префикс «трет» надо писать курсивом.

    Итак: пантоевая кислота – это трет-бутанол, соединенный с молочной кислотой в виде оленя с пантами:

    И вот теперь, опираясь на пантоевую кислоту, мы можем перейти к довольно сложной, но очень важной в биохимии пантотеновой кислоте. Еще она часто именуется витамином В5 (МП: «панто-пента(5)витамин») . Мы видим в составе пантотеновой кислоты знакомую структуру пантоевой кислоты – чтобы отчетливее видеть сходство, поставим их друг под другом:

    Вертикальная линия на рисунке отделяет левые идентичные части молекул, а хвост оленя встопорщился. Легко заметить, что при образовании пантотеновой кислоты возникает типичная пептидная связь:

    Пантотеновая кислота настолько широко распространена в биохимических процессах, что и само ее название происходит от морфемы «пан» — «повсюду» (плюс еще можно для мнемонического правила добавить: «пан» + «тотальный»). Она участвует в метаболизме и жиров, и белков, и углеводов, но сейчас мы не сможем это все рассмотреть, чтобы не запутываться – перечень ее функций в организме в самом деле очень внушительный.

    Итак, вся левая часть пантотеновой кислоты – это пантоевая кислота, у которой вместо гидроксила появилась аминогруппа с одним замещенным водородом. Амиды карбоновых кислот – это такие производные этих кислот, в которых гидроксил, входящий в СООН, заменен аминогруппой, как незамещенной, так и замещенной. Аминогруппа является незамещенной, если оба ее водорода не замещены никаким другим углеводородом, а если хотя бы один водород замещен – то это будет замещенная аминогруппа. Получается, что с формальной точки зрения при образовании пептидной связи между двумя аминокислотами у одной из них возникает замещенная аминогруппа. Пантотеновая кислота тоже является пантоевой кислотой с замещенной аминогруппой, и той частью, которая заместила один водород, является давно знакомая нам карбоновая кислота – пропановая (она же пропионовая). И там и там – буквы «пан», что поможет запоминанию. Так что можно сказать, что пантотеновая кислота – это пантоевая и пропановая кислоты, связанные пептидной связью (при этом надо понимать, что это все же не совсем верно, так как в результате образования этой связи не возникает никакого полипептида, т.е. белка, ведь связываются не аминокислоты, а другие кислоты):

    Итак: пантотеновая кислота – это замещенный амид пантоевой кислоты, в котором один водород аминогруппы замещен пропановой кислотой. Олень, извергающий из себя пропановую кислоту:)…

    Для чего мы все это сейчас изучаем? Конечно, все эти три кислоты очень важны для биохимии, но сейчас есть вполне определенная цель в рамках генетической темы коферментов, и мы последовательно к ней приближаемся. Из всех многочисленных функций пантотеновой кислоты нам в данный момент нужна только одна: ее участие в составе кофермента А (иначе — коэнзим А, или КоА), который является еще более сложной молекулой! Посмотрим на его формулу, и вместо того, чтобы испытывать священный ужас, найдем там кое-что знакомое:

    Аденозин-дифосфат с правой стороны выхватывается первым же взглядом, это понятно, при этом к 3`-рибозы присоединен еще один фосфат, как будто бы он остался от воображаемого нуклеозид-монофосфата снизу.

    Иначе можно сказать, что справа у нас аденозин с присоединенной к нему пирофосфатной группой и 3`-фосфатом. Подложим под КоА пантотеновую кислоту, чтобы было понятней (изображение кислоты развернем для удобства):

    И вновь мы видим, что здесь используется не сама пантотеновая кислота, а ее замещенный амид, причем заместителем является хорошо знакомый нам радикал цистеина. Вот таким длинным путем мы и пришли к пониманию формулы КоА: [радикал цистеина] + [амид пантотеновой кислоты] + [пирофосфат] + [аденозин с 3`-фосфатом]. Именно эти 4 блока: пантотеновая кислота, цистеин, аденозин, пирофосфат и используются в клетках для довольно сложного пятиступенчатого синтеза КоА, в котором принимают участие 5 узкоспециализированных ферментов с совершенно безумными названиями типа «фосфопантотеноилцистеинсинтетаза»:). И теперь каждый раз, когда мы будем говорить о КоА, его формула будет возникать перед глазами и помогать понимать те или иные его свойства.

    В клетках работают многочисленные производные КоА, и когда мы изображаем формулы этих производных, конечно нет смысла рисовать всю эту длинную колбасу, поэтому обычно молекулу КоА обозначают просто латинскими буквами «CoA». Ацильные производные КоА играют важнейшие роли в клетке. Чтобы получить ацильное производное КоА, надо просто к атому серы прицепить вместо водорода ацильную группу. Сейчас из всех этих ацильных производных нас интересует только одно: ацетил-КоА. Нет ничего проще, чем написать его формулу с помощью указанного выше краткого обозначения:

    Ацетил-КоА используется в огромном количестве биохимических реакций, и его главная функция – доставлять туда, куда нужно, ацетильную группу, т.е. ацетил-КоА – это донор ацетильных групп.

    Теперь, вооруженные всем этим, возвращаемся к тем коактиваторам и корепрессорам, которые оказывают влияние не на факторы транскрипции (ФТ), а целиком на комплекс, образуемый ФТ и хроматином, а точнее — на гистоны.

    Начнем с гистоновых коактиваторов. Некоторые из них обладают свойствами особого фермента, который называется гистонацетилтрансферазой (ГАТ).

    Самые распространенные коактиваторы с ГАТ-активностью – это белки CBP и p300 (с белками CBP20 и CBP80 мы уже встречались при изучении 4-го этапа кэпирования пре-мРНК).

    Мы сейчас изучать именно ГАТ не будем, сейчас речь не про него, поэтому просто заметим, что существует две его разновидности: ГАТ А работает в клеточном ядре, т.е. эта ядерная ГАТ оказывает прямое влияние на хроматин. В отличие от неё, ГАТ В работает в цитоплазме: эта цитоплазматическая ГАТ модифицирует гистоны, находящиеся в свободном плавании на пути от места своего изготовления рибосомой к месту своей работы — в ядро клетки. Сейчас нас интересуют свойства именно ядерной ГАТ, которыми и обладает сам по себе гистоновый активатор.

    Когда к энхансеру на ДНК присоединяется активатор, он может привлечь к себе гистоновый коактиватор, один или несколько, поэтому гистоновые коактиваторы могут регулировать экспрессию разнообразных генов – им все равно, на какую последовательность азотистых оснований садиться, потому что к посадке на хроматин они привлекаются не той или иной последовательностью азотистых оснований ДНК, а именно активатором, и самостоятельно они вообще не могут прицепиться к ДНК. То есть это такие специалисты, которые по призыву активатора готовы поработать над регуляцией экспрессии разных генов.

    Интересно, что зачастую бывает так, что эти специалисты-коактиваторы притягивают к себе дополнительный штат служащих – дополнительные белки, которые теперь уже привлекаются к месту общего сбора именно коактиваторами. Называть их ко-коактиваторами было бы не очень благозвучно, поэтому их называют со-коактиваторами:) (не путать с со-ковыжималками).

    Итак, гистоновый коактиватор прицепляется к образовавшемуся комплексу активатор-хроматин, обрастает вспомогательными со-коактиваторами, и что он там делает? Из названия ГАТ, свойствами которой обладает гистоновый активатор, становится понятным, что он производит реакцию ацетилирования гистонов, т.е. присоединяет ацетильные группы к гистонам (говорят, что происходит гиперацетилирование гистонов). Чтобы их присоединить, надо сначала их где-то взять, но мы-то уже знаем, у кого гистонацетилтрансфераза забирает ацетильные группы – у ацетил-КоА, конечно.

    Важно, что как гистонацетилтрансфераза, так и гистоновый активатор ацетилирует только конкретные аминокислотные остатки в составе гистонов, а именно – остатки лизинов. На конце радикала лизина имеется аминогруппа, и после того, как в этом месте к азоту прикрепляется ацетильная группа, этот аминокислотный остаток с замещенной аминогруппой получает свое название — ε-N-ацетиллизин.

    Ацетильные группы несут на себе отрицательный заряд, так что в результате ацетилирования лизинов поверхность гистонов становится еще более отрицательно заряженной, а мы помним, что в стержневом октамере гистонового комплекса находятся 8 гистонов, и теперь, когда их поверхности стали сильнее заряженными, они начинают отталкиваться друг от друга. Более того — фосфатные группы ДНК тоже ведь несут на себе частичный отрицательный заряд. В результате вся нуклеосома (стержневой октамер + намотанная на него в два оборота двойная спираль) разрыхляется, и гены становятся более доступными для экспрессии.

    Если быть более точным, то ацетилируются, конечно, не все лизины, и не у всех гистонов.

    Это пока что все, что касается коактиватора. Гистоновый корепрессор самостоятельно не может деацетилировать лизины гистонов, зато он может присоединять к себе особый фермент – гистондезацетилазу. Из названия понятно, что она удаляет ацетильные группы с гистоновых ε-N-ацетиллизинов (т.е. происходит гипоацетилирование), что приводит к более плотному упаковыванию нуклеосом и, в предельном случае, к блокированию генов от транскрипции.

    Способности гистондезацетилаз не ограничиваются возможностью дезацитилирования гистонов – они могут то же самое делать и с некоторыми белками, в том числе с таким важным белком, как уже встречавшийся нам белок р53, который участвует в регуляции котлеточного цикла и подавляет образование злокачественных опухолей, так что р53 иногда называют «стражем генома». В силу своих особо важных функций р53 производится в каждой клетке тела, но изучать его мы будем позже.

    Почти все дезацетилазы содержат в себе ион цинка, т.е. они являются цинк-зависимыми белками. МП: «цинк цыкает на ацетил, и тот проваливает».