Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 24

Main page / Генетика XXII века / ГЕНЫ. ДНК. РНК / Инициаторный комплекс для РНК-полимераз I и III. UBTF1,2. SL1. TIFIA, TIFIC. Нуклеолин, нуклеофозмин, фибрилларин. Хроматин. Нуклеопротеид. Ремоделирование хроматина. TFIIIB. Факторы сборки TFIIIА, TFIIIС. Белковый мотив «вита́я па́ра». Нормоциты. Кренирование. Эхиноциты. Микросфероциты. Инвагинация. Стоматоциты. Гемолиз. Ретикулоциты. Серповидно-клеточная анемия. Пойкилоцитоз. Микро- и макроциты. Анизоцитоз. Стволовая клетка крови (СКК). Эритропоэз. Гликофорины А, В, С, D. Агглютиногены. Эндотелий. Миоглобин. Циклоалканы. Циклопропан, циклобутан. Риформинг. Циклогексан и его конформации.

Содержание

    Инициация транскрипции на промоторах РНК-полимераз I и III во многом схожа с тем, как это происходит на промоторах РНК-полимеразы II. Некоторые отличия в деталях, конечно, имеются, и в целом все выглядит существенно проще.

    Инициаторный комплекс для РНК-полимеразы I включает в себя саму полимеразу и еще четыре белковых комплекса. Не десять, не пятнадцать, а четыре. Весь процесс происходит, конечно, в ядрышках – там, где и происходит экспрессия генов рРНК.

    Первый белковый комплекс – это димер из двух белков UBTF (upstream binding transcription factor) (иногда его называют просто UBT)… и да, как уже легко догадаться, этот димер также по своей структуре идентичен гистонам и может связывать ДНК в области промотора. Изображение UBTF – на рисунке:

    Млекопитающие имеют две изоформы этого белка, поскольку первоначальные транскрипты его гена UBTF подвергаются альтернативному сплайсингу. Называются эти изоформы очень просто: UBTF1 и UBTF2.

    Поскольку рибосом клетке надо очень много, то и молекул UBTF в клетке также очень много – их количество достигает миллиона на одну клетку.

    Действие UBTF довольно необычно: он связывает элементы базального промотора и вышестоящего, в результате чего образуется петля ДНК.

    Теперь, после образования комплекса из UBTF и петли ДНК, к ним присоединяется второй белковый комплекс — у людей он называется SL1.

    И теперь уже сюда привлекается и РНК-полимераза I вместе с третьим и четвертым белковыми комплексами: TIFIA и TIFIC.

    В последнее время получены данные, согласно которым возможен и такой алгоритм построения инициаторного комплекса для РНК-полимеразы I, при котором РНК-полимераза I связывается с указанными выше четырьмя белковыми комплексами еще до того, как происходит опознание промотора, и в результате на промотор за один прием сразу садится уже весь этот собранный комплекс.

    Мы уже знаем, что для того, чтобы успешно шло массовое производство рРНК, в определенных регионах хромосом, содержащих гены рРНК, должны образовываться области, которые называются ядрышками (на фотографии они выглядят как пушистые шарики внутри клеточного ядра); области хромосом, содержащие гены рРНК, называются ядрышковыми организаторами. Дополнительные функции, необходимые для того, чтобы возникали ядрышки, главным образом лежат на плечах трех ядрышковых белков. Сейчас мы только перечислим их названия, а подробно разберем не в этой главе: нуклеолин, нуклеофозмин и фибрилларин. Они выполняют главную работу по организации ядрышек, в которую потом вливаются и другие белки.

    Если ты представляешь себе нуклеосому как жестко зафиксированный комплекс, состоящий из участка хромосомы, намотанного на гистоновый октамер и закрепленного линкерным гистоном, то ты очень ошибаешься. Сколько ни изучай клетку, она не перестанет удивлять своей структурной и функциональной гибкостью, а также непревзойденной способностью находить разнообразное применение одним и тем же инструментам. Как в процессе транскрипции генов, так и в процессе удвоения хромосомы широко используется ремоделирование хроматина. Термином «хроматин» называют нуклеопротеид (комплекс нуклеиновых кислот и белков), который и является структурной основой хромосомы, т.е. это комплекс спирали, состоящей из двух ДНК, с ассоциированными с нею белками (главным образом – гистонами, но также и другими белками, отвечающими за создание более крупномасштабной пространственной структуры хромосом). Так вот в процессе ремоделирования хроматина происходит очень интересное событие: нуклеосомы начинают управляемо перемещаться по хромосоме! То есть гистонные октамеры начинают как бы проскальзывать по двойной спирали, сдвигаясь к новым ее участкам (к некоторым участкам гистоны не прицепляются, а в некоторых жестко зафиксированы – об этом позже).

    Ремоделирование оказывает прямое влияние на доступность или недоступность генов для транскрипции, ведь если в каком-то участке хромосомы нуклеосомы скучкуются за счет того, что сюда сдвинулись гистонные октамеры, то плотность этого участка резко вырастет, и гены, расположенные в этой области, станут менее доступными или вовсе недоступными для транскрипции. И наоборот – расползание нуклеосом приводит к уменьшению плотности хромосомы в этой области и к облегчению транскрипции находящихся здесь генов.

    Какие белки могли бы участвовать в проведении ремоделирования хроматина? Те, которые и обладают свойствами гистонов, умея связывать хромосому, и одним из важнейших таких белковых комплексов является тот самый димер UBTF. Механизм такой работы UBTF заключается в том, что он связывается с хромосомой конкурентно по отношению к линкерному гистону, в результате чего «зажим» на нуклеосоме разжимается, и становится возможным свободное движение октамера в нужном направлении при участии других белков.

    У UBTF есть и другие очень важные функции в клетке, что вполне логично, учитывая его способность связываться с хромосомой и выполнять, таким образом, необходимые действия перед тем, как с хромосомой начали бы производиться те или иные манипуляции. Например, UBTF принимает участие в борьбе с вирусами: когда происходит инфицирование клетки вирусом простого герпеса первого типа (ГВЧ-1), вызывающего у людей оральный герпес (в просторечии – «простуду на губах»), UBTF мигрируют из ядрышка в те компартменты, где происходит репликация вируса, и подавляют её, буквально связывая вирусную ДНК по рукам и ногам. Отсюда МП для UBTF: «УБиТь враждебную ДНК».

    Разумеется, белок, который может оказывать такое важное влияние на хромосому, сам должен подвергаться тем или иным регулирующим воздействиям, в том числе и во время создания инициаторного комплекса. Самое частое регулирующее воздействие на него – это все то же фосфорилирование: фосфорилирование UBTF в целом усиливает транскрибирование генов рРНК, и тут конечно все очень непросто, ведь такой важный белок, как UBTF, должен уметь работать в разных режимах, а значит с помощью фосфорилирования ему хорошо бы давать разные команды, чтобы тонко управлять его работой. Это и происходит. Несколько разных киназ умеют фосфорилировать UBTF, и каждая киназа фосфорилирует его в определенном месте, что настраивает его на определенный тип работы, что, в итоге, приводит к тому, что РНК-полимераза I работает в разных режимах.

    Второй тип регулирования работы UBTF – это, разумеется, ацетилирование:) Мы неслучайно так часто сталкиваемся с фосфорилированием и ацетилированием: это и есть самые распространенные способы регулирования работы белков. Самое время сейчас снова вспомнить формулу донора ацетильных групп ацетил-КоА, потренировать память. Ацетилируются, конечно, остатки лизинов.

    Сначала думали, что UBTF является достоянием исключительно позвоночных, и этому заблуждению мы обязаны довольно смешной вещи: мы же знаем, что ученые очень любят проводить исследования на модельных организмах, так как это в самом деле очень удобно в силу того, что мы знаем их буквально вдоль и поперек, и в силу того, что они и выбраны в качестве модельных, потому что обладают очень удобными свойствами. И оказалось, что какой модельный организм ни возьми, так у него UBTF отсутствует. Взяли фруктовую мушку дрозофилу – нет у нее UBTF.

    Взяли круглого червя — Caenorhabditis elegans – и у него нет.

    Пекарские дрожжи — Accharomyces cerevisiae — нет.

    Резуховидка Таля – Arabidopsis – нет!

    Ну, значит только у позвоночных, очевидно же. Но… время идет, исследования продолжаются, и оказалось, что и у хордовых бывает UBTF, и у разнообразных членистоногих, и даже у пластинчатых. Впрочем, у грибов и у растений UBTF так и не нашли. Видимо, и в самом деле его у них нет.

    Не знаю, помнишь ты или нет, но мы все еще не закончили с темой создания инициаторных комплексов:) – осталось сказать буквально пару слов о том, как это происходит с РНК-полимеразой III, после чего можно будет считать, что базовые знания в этой области получены в достаточном для первого тома объеме.

    Промоторы для РНК-полимеразы III довольно изменчивы, поэтому в сборке преинициаторного комплекса участвуют немного разные белки для разных промоторных конфигураций, но в ней всегда участвует главное действующее лицо: TFIIIB. И что нам особенно упростит жизнь, так это то, что одной из составных частей TFIIIB является хорошо знакомый нам TBP. Тут возникает вопрос. Хорошо, мы знаем, что РНК-полимераза III транскрибирует помимо прочего еще и некоторые гены малых ядерных РНК (мяРНК) – те из них, которые не охвачены вниманием РНК-полимеразы II. У таких генов мяРНК в промоторе имеется ТАТА-блок, и в этом случае участие TBP совершенно логично. Но ведь большинство генов, транскрибируемых РНК-полимеразой III, ТАТА-блока не имеют, и что в таком случае тут может сделать TBP, само название которого подчеркивает актуальность вопроса? Оказывается, что к тех промоторам для РНК-полимеразы III, которые лежат ниже стартовой точки транскрипции внутри генов, присоединиться TBP помогают два фактора сборки: TFIIIА и TFIIIС. Само их название – «факторы сборки» — подчеркивает, что единственной их функцией является именно обеспечение посадки TBP на промотор, и больше ничего – для последующего присоединения РНК-полимеразы III они не нужны.

    Добавим к нашей коллекции еще один белковый мотив: витую пару:

    Он представляет собою две сплетенные α-спирали наподобие того, как из двух веревок свивают более толстый канат.

    Каждая витая пара представляет собой набор участков, состоящих из 7 аминокислотных остатков, т.е. из гептоповторов. В каждом таком участке на позициях 1 и 4 почти всегда стоят гидрофобные радикалы, и именно соседство этих гидрофобных радикалов и обеспечивает прочность этого мотива за счет того, что окружающие молекулы воды сдавливают их, создавая иллюзию «гидрофобного взаимодействия». После того, как гидрофобные радикалы оказались тесно прижатыми друг к другу, между ними возникают силы Ван-дер-Ваальса, которые дополнительно скрепляют этот мотив. На рисунке синим и красным цветом выделены гидрофобные радикалы аминокислотных остатков, стоящих на позициях 1 и 4.

    В этих гептоповторах на позициях 5 и 7 стоят аминокислотные остатки, имеющие заряженные радикалы, а на остальных позициях – любые. Таким образом можно записать формулу гептоповтора витой пары: hxxhcxc (h – это hydrophobic, с — charged, x – любой). Гидрофобными аминокислотами чаще всего выступают лейцин, изолейцин и валин – три аминокислоты с «рогатинами».

    Альфа-спирали в витой паре могут быть как параллельными, так и антипараллельными, и чаще всего пара эта завита влево (т.е. ползущий по ней от тебя муравей будет выглядеть движущимся против часовой стрелки), хотя бывают и исключения.

    Я думаю, что уже несложно догадаться, что именно этот мотив находится в средней части гистоноподобных димеров факторов транскрипции и самих гистонов. Также этот мотив является главным в α-кератинах.

    Витая пара конечно напоминает лейциновую застежку-молнию, но все-таки отличается от нее довольно сильно.

    Продолжим разбираться с кровью, и начнем с классификации эритроцитов. Наверное тут может возникнуть вопрос – о какой классификации идет речь, если эритроциты – это двояковогнутые круглые диски (кстати, у верблюдов и некоторых других животных они овальные:)? Большинство (80-90%) зрелых (!), здоровых эритроцитов (они называются нормоцитами или дискоцитами) в самом деле выглядит именно так, но далеко не все. Эритроцит млекопитающих – это постклеточное образование, т.е. он уже не является живой клеткой, и, выполняя свои функции в крови, он постепенно деградирует. Эта деградация может идти двумя путями.

    Первый путь – это путь кренирования. При кренировании возникают выросты мембраны, так что эритроцит становится похож на шестеренку с многочисленными зубьями. Эритроциты в такой стадии называются шиповидными эритроцитами или эхиноцитами. Эти выросты постепенно совсем отмирают и отпадают, и на этой стадии эритроцит представляет собою шарик – такой эритроцит называется микросфероцитом.

    Второй путь старения эритроцитов – это инвагинация, при которой происходит обратный процесс – мембрана образует многочисленные вдавливания внутрь. В такой стадии эритроциты называются стоматоцитами (как в стоматологии имеют дело с дырками в зубах). И в результате снова внешние части отмирают, и мы снова получаем микросфероцит.

     

    В процессе старения эритроцитов происходит гемолиз – процесс, при котором молекулы гемоглобина выходят в плазму крови. Остающиеся оболочки эритроцитов часто называются «тенями», потому что на фотографиях они так и выглядят:

    И это мы сейчас говорим о стадиях развития зрелых эритроцитов, и разумеется, что должны быть и незрелые, которых обычно имеется 1-5% от всей популяции эритроцитов, и которые постепенно дозревают до своего рабочего состояния. Такие незрелые эритроциты называются ретикулоцитами (МП: незрелые, ретивые)

    При некоторых заболеваниях появляются эритроциты аномальной формы, что чаще всего бывает вызвано тем, что меняется форма молекул гемоглобина. Например, при серповидно-клеточной анемии эритроциты приобретают серповидную форму из-за того, что в результате мутации меняет свою конфигурацию β-цепь гемоглобина. Нарушение формы эритроцитов при заболеваниях имеет свое название – пойкилоцитоз (МП: пой не пой, а кило эритроцитов испорчено).

    Нормальные, здоровые эритроциты человека могут иметь разные размеры. Нормоциты имеют размер около 7,5 мкм (1 микрометр = 1/1000 миллиметра). Для сравнения – диаметр человеческого волоса в среднем имеет 50-120 мкм. Нормоцитов имеется примерно 75% от всех нормальных, здоровых эритроцитов, и примерно по 12% в крови находятся здоровые эритроциты увеличенного или уменьшенного размера. Увеличенные называются макроцитами, а уменьшенные – микроцитами. Некоторые заболевания крови приводят к изменению размеров нормоцитов, и такой эффект называется «анизоцитоз». У некоторых низших позвоночных нормальный размер эритроцитов в 10 раз больше!

    Интересно, что нормоциты млекопитающих не содержат ядра и, соответственно, не содержат и ДНК, а значит не могут делиться – в процессе созревания эритроцита до рабочего состояния ядро из него вытесняется. В нормоцитах же других позвоночных ядра остаются! Также у млекопитающих в эритроцитах отсутствуют многие органеллы.

    Полипотентная стволовая клетка крови (СКК) порождает клетки предшественницы, из которых в одном из направлений последующего развития постепенно и формируются эритроциты. Процесс рождения эритроцитов называется эритропоэзом, и происходит он в костном мозге черепа, рёбер и позвоночника. У детей производство крови должно идти более масштабно, поскольку идут процессы роста тела, в связи с чем метаболизм гораздо более активен, чем у взрослых, поэтому у них эритропоэз идет еще и в костном мозге в окончаниях длинных костей рук и ног.

    Живет эритроцит у человека примерно 4 месяца (у кроликов и кошек – 2 месяца, у собак – 3,5 месяца), а подвергается окончательной утилизации (гемолизу) в печени и селезенке. Таким образом, каждую секунду в нашем организме производится около 2,5 миллионов эритроцитов.

    Многие знают, что функция эритроцитов состоит в том, чтобы переносить кислород от легких к тканям организма, забирая оттуда часть углекислого газа и выводя его в легкие, но мало кому известно, что помимо этого эритроциты могут переносить еще и аминокислоты, токсины, антитела и лекарственные вещества – для этого они присоединяют их (адсорбируют) на поверхности мембраны.

    Эритроциты – это, конечно, очень сложные объекты, и мы впоследствии будем еще к ним возвращаться, а пока что только в двух словах опишем их структуру:

    а) внутри они забиты гемоглобином – это мы уже знаем;

    б) плазматическая мембрана, играющая роль мешка, набитого гемоглобином, устроена по-прежнему довольно сложно несмотря на то, что эритроцит уже по сути не клетка, а лишь постклеточная структура: она пропускает, естественно, кислород и углекислый газ, а также ионы натрия, калия и воду;

    в) мембрана густо пронизана специальными белками – гликофоринами, которых насчитывается более одного миллиона в мембране каждого эритроцита. Гликофорины играют важную роль при взаимодействии эритроцитов друг с другом и другими клетками крови, а также с эндотелием (эндотелий — однослойный пласт плоских клеток, выстилающий внутреннюю поверхность кровеносных и лимфатических сосудов, сердечных полостей), а с эндотелием эритроциты иногда находятся прямо-таки в предельно плотном контакте, особенно когда они протискиваются через капилляры диаметром по 3 мкм! Казалось бы, разве такое возможно? Ведь диаметр эритроцита составляет 7-8 мкм… Да, такое возможно и происходит постоянно в густых капиллярных сетях, где эритроциты движутся со скоростью 2 сантиметра в минуту. Дело в том, что эритроцит является очень эластичным объектом и способен как осьминог или как кресло-мешок, набитый мелкими шариками, сильно менять свою форму и протискиваться через очень узкие сосуды. Такая низкая скорость движения эритроцитов через капилляры очень даже удобна, поскольку это предоставляет достаточно времени молекулам гемоглобина, чтобы передать кислород миоглобину. Миоглобин — это кислород-связывающий белок скелетных мышц и мышцы сердца; его функция заключается в том, чтобы создавать в мышцах кислородный резерв, который расходуется по мере необходимости, восполняя временную нехватку. Когда я сижу на стуле, положив ногу на ногу, то кровообращение в верхней ноге сильно замедляется из-за пережимания кровеносных сосудов, и при этом я могу довольно долго так сидеть, и нога будет отлично себя чувствовать, и происходит это именно потому, что миоглобин отдает клеткам запасенный кислород – он передает кислород цитохромам в клетках мышц. Поскольку мы живем в кислородной атмосфере, нашему миоглобину не требуется выполнять слишком уж много работы, хотя лично мне хотелось бы, чтобы в процессе личной эволюции мое тело видоизменилось так, чтобы я получил способность оставаться без доступа к атмосферному кислороду значительное время, ведь в принципе такое в живой природе возможно: мышцы кашалота, к примеру, содержат огромное количество миоглобина, и поэтому он может спокойно нырять более чем на два километра в глубину (это рекорд среди млекопитающих) и находиться под водой без дыхания более полутора часов!

    Самая распространенная разновидность гликофорина – это гликофорин А – его примерно 70-80% в мембране эритроцита. Остальные разновидности – это гликофорины В, С и D.

    г) кроме этого, на поверхности мембраны эритроцита находится целый лес очень важных молекул – агглютиногенов, которые являются факторами систем групп крови и играют огромную роль в работе иммунитета, но все это мы и рассмотрим в иммунном разделе, а пока просто будем иметь в виду, что такие молекулы существуют.

    И на этом про эритроциты достаточно – пусть они и дальше перемещаются по нашим венам, артериям и капиллярам, совокупная длина которых в теле каждого человека составляет около… 100 тысяч километров!

    Переходим к биохимической заминке и познакомимся с довольно простым классом молекул – с циклоалканами. Как ясно из названия, они являются циклическими алканами, и в большом количестве они содержатся в нефти. Циклоалканы – неароматические молекулы, но очень близки к ним, поэтому в промышленности именно из них и получают ароматические углеводороды (т.е. осуществляют процесс ароматизации циклоалканов) с помощью процесса риформинга, суть которого заключается в том, что от циклоалканов надо просто оторвать атомы водорода, т.е. произвести их дегидрирование.

    Наибольшее практическое значение имеет, как можно было бы предположить, циклогексан, из которого с помощью каталитического риформинга делают бензол.

    Рассматривая рибозу, мы уже сталкивались с тем, что она может принимать разные пространственные конформации: С2- и С3-эндоконформации. То же относится, конечно, и к циклоалканам, причем понятно, что циклогексан должен обладать способностью образовывать большее количество конформаций, ведь в его кольце 6 атомов, а не 5:

    Без труда можно составить и более простые циклоалканы: циклопропан, циклобутан и циклопентан:

    Так как все углероды в циклоалканах насыщенные, двойных-тройных связей там нет, значит все углероды находятся в состоянии sp3–гибридизации, образуя четыре одинаковых ковалентных связи.

    Интересно, что такие мелкие циклоалканы, как циклопропан и циклобутан, находятся в очень напряженном состоянии, ведь у них электронные оболочки расположены очень плотно. В связи с этим они очень реакционноспособны. Циклопропан, как выяснилось, мог бы быть широко распространенным средством для наркоза, но именно его высокая взрывоопасность существенно ограничивает такое его применение. Циклопропан и циклобутан – это газы, а все остальные – жидкости. Если циклопропан, циклобутан и циклопентан нагреть в присутствии никелевого катализатора, то кольца разорвутся, будут присоединены дополнительные атомы водорода к освободившимся валентностям одного из крайних углеродов, и циклоалкан превратится в обычный алкан, например: C4H8 + H2 → CH3—CH2—CH2—CH3.