Литература БФХ / molekuljarnaja biologija kletki v2

1

Молекулярная биология клетки

	2
Molecular	Bruce Alberts, Dennis Bray,
Biology	Julian Lewis, Martin Raff,
of the Cell	Keith Roberts, James D. Watson

SECOND EDITION

Garland Publishing, Inc.

New York London

3

Б.Албертс Д.Брей Дж.Льюис М.Рэфф К. Робертc Дж. Уотсон

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

2-е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ В 3-х томах

2

Перевод с английского канд. биол. наук Т. Я. Абаимовой,

канд. биол. наук В. М. Маресина, канд. биол. наук А. В. Никашина, канд. биол, наук Г. И. Эйснер

под редакцией академика Г. П. Георгиева и д-ра биол. наук Ю.С. Ченцова

Москва	«Мир»	1994

4

ББК 28.070 М75 УДК 576.32/36

Федеральная целевая программа книгоиздания России

Авторы: Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Роберте К. Уотсон Дж. Д.

Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. М75 и доп. Т. 2.: Пер. с англ.- М.: Мир, 1993.-539 с., ил. ISBN 5-03-001987-1

Созданный коллективом известных американских ученых (в их числе - лауреат Нобелевской премии Джеймс Уотсон) современный учебник молекулярной биологии. Энциклопедическая полнота охвата материала позволяет использовать его как справочное пособие. На русском языке выходит в 3-х томах. Читатель уже знаком с 1-м изданием (М.: Мир, 1986-1987). Новое издание переработано авторами и дополнено современным материалом. В т. 2 описана структура и функции ядра и цитоскелета, механизмы клеточного деления, организация процессов внутри и межклеточного транспорта.

Для биологов всех специальностей, преподавателей и студентов университетов, медицинских, педагогических и сельскохозяйственных институтов.

1903010000-024 М—————————— КБ 7-93-235 ББК 28.070

041 (01)-94

Редакция литературы по биологии

ISBN 5-03-001987-1	(русск.)	© 1989 by Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts and James D. Watson
ISBN 5-03-001985-5		©перевод на русский язык, Абаимова Т.Я., Маресин В. М., Никашин А. В., Эйснер Г. И. 1993
ISBN 0-8240-3695-6	(англ.)

5

8 Внутриклеточная сортировка макромолекул и сохранение клеточных компартментов

Известно, что бактериальная клетка не имеет внутренних перегородок, т. е. состоит как бы из одного отсека, окруженного плазматической мембраной. У эукариотической клетки таких отсеков несколько, эти клетки поделены на функционально различные, окруженные мембранами области (компартменты). Каждый компартмент, или органелла, имеет свой собственный набор ферментов и других специализированных молекул; существуют и сложные системы распределения, проводящие специфические продукты из одного компартмента в другой. Чтобы разобраться в строении эукариотической клетки, необходимо знать, что происходит в каждом из ее компартментов, какие молекулы курсируют между ними и как возникают и сохраняются сами компартменты.

Центральную роль в компартментации эукариотической клетки играют белки. Они катализируют реакции, протекающие в каждой органелле, и избирательно переносят малые молекулы внутрь органеллы и из нее. Белки также служат специфичными для органелл поверхностными маркерами, которые направляют новые партии белков и липидов к соответствующим компартментам. Клетка млекопитающих содержит около 10 миллиардов (1010) молекул белков примерно 10000 разных типов, синтез почти всех этих белков начинается в цитозоле - общем пространстве, окружающем все органеллы. Каждый вновь синтезированный белок затем специфически доставляется в тот клеточный компартмент, который в нем нуждается. Прослеживая путь белка из одного компартмента в другой, можно разобраться в запутанном лабиринте клеточных мембран. Следовательно, нам надлежит сделать центральной темой этой главы внутриклеточные перемещения белков. Хотя здесь будут описываться и обсуждаться почти все клеточные органеллы, основное внимание будет обращено на эндоплазматический ретикулум (ЭР) и аппарат Гольджи, которые играют решающую роль в фиксации, сортировке и транспорте множества вновь синтезированных белков.

8.1. Компартментация в клетках высших организмов

В этом вводном разделе мы дадим краткий обзор клеточных органелл и взаимоотношений между ними. Мы рассмотрим методы, с помощью которых можно проследить движение белков между компартментами, и перечислим основные способы перемещения молекул белка из одного компартмента в другой.

8.1.1. Все эукариотические клетки содержат набор основных ограниченных мембраной органелл [1]

Многие важные биохимические процессы протекают внутри мембран или на их поверхностях. Например, при окислительном фосфорилировании и при фотосинтезе требуется полупроницаемая мембрана для

6

Рис. 8-1. Схематическое изображение основных внутриклеточных компартментов типичной животной клетки. Цитозоль, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, ядро, митохондрия, эндосома, лизосома и пероксисома представляют собой индивидуальные

компартменты, отделенные от остальной клетки по крайней мере одной избирательно проницаемой мембраной.

сопряжения транспорта протонов с синтезом АТР. Более того, мембраны служат каркасом для синтеза своих собственных компонентов. Внутренние мембраны эукариотической клетки делают возможной функциональную специализацию различных мембран, что является, как мы увидим, решающим фактором в разделении множества различных процессов, протекающих в клетке.

Внутриклеточные компартменты, общие для всех эукариотических клеток, показаны на рис. 8-1. Ядро содержит основную часть генома и является главным местом синтеза ДНК и РНК. Окружающая ядро цитоплазма состоит из цитозоля и расположенных в нем цитоплазматических органелл. Объем цитозоля составляет чуть больше половины от общего объема клетки. Именно в нем синтезируется белок и протекает большинство реакций так называемого промежуточного обмена - т. е. реакций, в которых одни малые молекулы разрушаются, а другие образуются, обеспечивая необходимые строительные блоки для синтеза макромолекул. Около половины всех мембран клетки ограничивают похожие на лабиринт полости эндоплазматического ретикулума (ЭР). На обращенной к цитозолю стороне ЭР находится множество рибосом. Эти рибосомы заняты синтезом интегральных мембранных белков и растворимых белков, предназначенных для секреции или для других органелл. В ЭР также синтезируются липиды для всей остальной клетки. Аппарат Гольджи состоит из правильных стопок уплощенных мембранных мешочков, называемых цистернами Гольджи; он получает из ЭР белки и липиды и отправляет эти молекулы в различные пункты внутри клетки, попутно подвергая их ковалентным модификациям. Митохондрии и хлоропласти растительных клеток производят большую часть АТР, используемого в реакциях биосинтеза, требующих поступления свободной энергии. Лизосомы содержат пищеварительные ферменты, которые разрушают отработанные органеллы, а также частицы и молекулы, поглощенные клеткой извне путем эндоцитоза. На пути к лизосомам поглощенные молекулы и частицы должны пройти серию органелл, называемых эндосомами. Наконец, пероксисомы (известные также

7

Таблица 8-1. Относительные объемы главных внутриклеточных компартментов в типичной клетке печени (гепатоците)

Внутриклеточный компартмент	Проценты	от общего	объема Приблизительное число на одну
	клетки1)		клетку1)
Цитозоль		54	1
Митохондрии		22	1700
Цистерны
шероховатого ЭР		9	1
Цистерны гладкого
ЭР плюс цистерны аппарата Гольджи		6
Ядро		6	1
Пероксисомы		1	400
Лизосомы		1	300
Эндосомы		1	200

1)Считается, что все цистерны шероховатого и гладкого ЭР связаны между собой и образуют единый большой компартмент. Напротив, аппарат Гольджи в каждой клетке состоит из множества отдельных наборов собранных в стопки цистерн, и степень взаимосвязи между этими стопками до конца не выяснена.

как микротельца) представляют собой маленькие пузырьки, содержащие множество окислительных ферментов.

Кроме только что перечисленных главных мембранных органелл, клетка содержит множество мелких пузырьков, служащих переносчиками веществ между органеллами, а также пузырьков, связывающихся с плазматической мембраной в процессах эндоцитоза и секреции.

В целом, каждая мембранная органелла обладает как свойствами общими для любых клеток, так и специфическими особенностями,

Таблица 8-2. Относительные количества мембран разных типов в двух эукариотических клетках

Тип мембраны	Процент от общего количества клеточных мембран
	Печень Гепатоцит1)	Поджелудочная железа Экзокринная клетка1)
Плазматическая мембрана	2	5
Мембрана шероховатого ЭР	35	60
Мембрана гладкого ЭР	16	<1
Мембрана аппарата Гольджи	7	10
Митохондрии
Внешняя мембрана	7	4
Внутренняя мембрана	32	17
Ядро
Внутренняя мембрана	0,2	0,7
Мембрана секреторных пузырьков	не определен	о 3
Мембрана лизосом	0,4	не определено
Мембрана пероксисом	0,4	- » -
Мембрана эндосом	0,4	- » -

1)Эти клетки сильно различаются по размерам: средний объем гепатоцита около 5000 мкм3, а экзокринной клетки поджелудочной железы около 1000 мкм3. Общая площадь клеточных мембран составляет примерно 110000 мкм2 и 13000 мкм2 соответственно.

8

Рис. 8-2. Электронная микрофотография участка поперечного среза клетки печени. Отмечены основные внутриклеточные компартменты. (С любезного разрешения D. S. Friend.)

связанными со специализированными функциями дифференцированных клеток. Все вместе мембранные органеллы занимают около половины объема клетки (табл. 8-1). Вполне естественно, что для их построения требуется большое количество внутриклеточных мембран. В двух типах клеток млекопитающих, проанализированных для примера в табл. 8-2, общая поверхность мембран эндоплазматического ретикулума превышает поверхность плазматической мембраны соответственно в 25 и в 12 раз. Если говорить о массе и площади, то плазматическая мембрана в большинстве эукариотических клеток - всего лишь небольшая часть всех мембран (рис. 8-2).

8.1.2. Топология мембранных органелл связана с их эволюционным происхождением [2]

Чтобы понять взаимоотношения между клеточными компартментами. полезно представить себе, как они могли возникнуть в процессе эволюции. Считается, что предшественниками эукариотических клеток были организмы, напоминающие бактерии. У бактерий, как правило, нет внутренних мембран; соответствующие функции у них выполняет плазматическая мембрана. К таким функциям относится, например, транспорт ионов, синтез АТР и синтез липидов. Однако размеры современных эукариотических клеток превышают размер типичной бактериальной клетки (такой, как E.coli) в 10-30 раз. Изобилие внутренних мембран в клетках эукариот можно рассматривать как адаптацию к этому

9

увеличению размеров. По-видимому, плазматической мембраны просто не хватает для поддержания многих жизненно важных функций эукариотической клетки.

Эволюция внутренних мембран, очевидно, шла параллельно со специализацией их функций. У некоторых современных бактерий есть такие участки плазматической мембраны, на которых определенные мембранные белки собраны вместе для выполнения ряда взаимосвязанных функций (рис. 8-3, А). В качестве примера можно привести «пурпурные мембраны» Halobacterium, содержащие бактериородопсин, и хроматофоры фотосинтезирующих бактерий. И те и другие можно назвать примитивными органеллами. У некоторых фотосинтезирующих бактерий эти участки преобразовались в глубокие впячивания плазматической мембраны (рис. 8-3, Б); есть и такие, у которых эти впячивания полностью отшнуровались и превратились в замкнутые мембранные пузырьки, предназначенные для фотосинтеза. Внутренняя поверхность этих пузырьков топологически эквивалентна внешней поверхности клетки (рис. 8-3, В).

Можно предположить, что эукариотическая органелла, возникшая в результате событий, представленных на рис. 8-3, тоже будет иметь внутреннюю поверхность, топологически эквивалентную внешней поверхности клетки. Именно так обстоит дело в случае ЭР, аппарата Гольджи, эндосом и лизосом, а также многих промежуточных пузырьков, участвующих в эндоцитозе и секреции (см. разд. 8.6).

Как уже обсуждалось в гл. 7, митохондрии и хлоропласты отличаются от других окруженных мембраной органелл тем, что имеют свои собственные геномы. Природа этих геномов и близкое сходство белков митохондрий и хлоропластов с белками некоторых современных бактерий подтверждает гипотезу о том, что эти органеллы произошли от бактерий, которые были захвачены другими клетками и первое время существовали в симбиозе с ними (см. разд. 7.5.16). Согласно гипотетической схеме, приведенной на рис. 8-4, А, внутренняя мембрана митохондрий и хлоропластов соответствует исходной плазматической мембране бактерий, а матрикс этих органелл произошел из бактериальной цитоплазмы. Таким образом, эти две органеллы оказались изолированы от путей транспорта, связывающих полости большинства органелл друг с другом и с внеклеточным пространством.

Происхождение клеточного ядра, имеющего особенным образом устроенную двойную мембрану, более загадочно. Известно, что единственная бактериальная хромосома прикреплена к совершенно определенным участкам с внутренней стороны прокариотической плазматической мембраны. Одно из предположений состоит в том, что двуслойная ядерная оболочка могла образоваться из глубокого впячивания плазматической мембраны, как показано на рис. 8-4, Б. Эта гипотеза объясняет, почему внутреннее пространство ядра топологически эквивалентно цитозолю. Действительно, во время митоза у высших эукариот ядерная оболочка разрушается, и содержимое ядра полностью смешивается с цитозолем, чего никогда не происходит ни с одной другой мембранной органеллой. Таким образом, во время митоза клетка временно возвращается к прокариотическому состоянию, когда хромосомы не имеют отдельного компартмента.

Эта эволюционная схема делит основные внутриклеточные компартменты эукариот на пять групп: 1) ядро и цитозоль, связанные между собой ядерными порами и поэтому являющиеся топологически неразрывными (хотя функционально различными); 2) митохондрии; 3) хлоропласты (встречаются только у растений); 4) пероксисомы (их эволюционное происхождение мы обсудим в разд. 8.5) и 5) остальные мембранные органеллы (ЭР, аппарат Гольджи, эндосомы и лизосомы).

Рис. 8-3. Некоторые специализированные мембраны бактерий. А. Участки поверхности клеточной мембраны, состоящие из скоплений специализированных мембранных белков. Б. Впячивание таких участков увеличивает поверхность мембран, приспособленных для выполнения функций, например, фотосинтеза. В. Внутренняя поверхность образовавшихся в результате впячивания мембранных пузырьков топологически эквивалентна внешней поверхности клетки. Ограниченные мембранами пузырьки существуют у некоторых видов фотосинтезирующих бактерий.

Их топологическое отношение к клеточной поверхности подобно отношению ЭР, аппарата Гольджи, эндосом и лизосом к поверхности эукариотических клеток.

10

Рис. 8-4. Гипотезы эволюционного происхождения митохондрий, хлоропластов, ЭР и клеточного ядра, объясняющие топологические взаимоотношения этих внутриклеточных компартментов в эукариотических клетках. А. Митохондрии и хлоропласты могли возникнуть при поглощении бактерий эукариотической клеткой. С помощью этой гипотезы можно объяснить, почему полость перечисленных выше органелл остается изолированной от обширного везикулярного транспорта, связывающего полости многих других внутриклеточных компартментов. Б.

Возможный путь эволюции ЭР и клеточного ядра. В некоторых бактериях ДНК присоединена к впячиванию плазматической мембраны, называемому мезосомой. Подобное впячивание у очень древней прокариотической клетки могло привести к образованию оболочки вокруг ДНК при сохранении доступа ДНК к цитозолю (так как ДНК должна управлять синтезом белка). Предполагается, что эта оболочка может полностью оторваться от плазматической мембраны, образуя ядерный компартмент, окруженный двойной мембраной. Как показано на рисунке, ядерная оболочка формируется при участии волокнистой структуры — ядерной ламины, и пронизана каналами, называемыми ядерными порами. Благодаря этим порам полость ядра топологически эквивалентна цитозолю. Полость ЭР переходит в пространство между внешней и внутренней ядерными мембранами и топологически эквивалентна внеклеточному пространству.

Внутренние пространства органелл, входящих в последнюю группу, связаны друг с другом и с внеклеточным пространством при помощи транспортных пузырьков, которые отпочковываются от одной органеллы и сливаются с другой. Нужно сказать, что внутренние пространства этих органелл топологически эквивалентны друг другу и внеклеточному пространству и представляют собой функционально связанные части единого комплекса.

8.1.3. Внутриклеточный транспорт белков по ЭР и аппарату Гольджи можно проследить с помощью радиоавтографии [3]

Методы изучения транспорта белков внутри клетки были разработаны в 60-е гг. и впервые применены для наблюдения транспорта из ЭР во внеклеточное пространство в секреторных клетках поджелудочной железы.

Специализированные секреторные клетки, такие, как ацинарные клетки поджелудочной железы, содержат большие количества белкового секрета, заключенного в секреторные везикулы (пузырьки). При стимуляции клетки внешним сигналом содержимое этих пузырьков быстро выбрасывается во внеклеточное пространство путем экзоцитоза. Этот процесс известен как регулируемая секреция. Его следует отличать от конститутивной секреции, представляющей собой другую форму экзоцитоза, происходящего постоянно, в отсутствие стимулирующего сигнала. Ацинарные клетки поджелудочной железы секретируют различные пищеварительные ферменты (амилазу, липазу, дезоксирибонуклеазу и рибонуклеазу), а также предшественники ферментов, так называемые зимогены (например, трипсиноген и химотрипсиноген). Эти предшественники активируются в результате их специфического расщепления протеазами.

Благодаря тому, что группа белков, синтезируемых в ацинарных клетках поджелудочной железы, предназначена для секреции, мы можем судить о пути их передвижения от места синтеза к месту высвобождения. Этот путь можно проследить, сочетая радиоавтографию с электронной микроскопией. Схема соответствующего эксперимента представлена на рис. 8-5. Если клетки кратковременно проинкубировать с [3Н]- аминокислотами (импульсное мечение), а затем различное время выращивать в нерадиоактивной среде, то новосинтезированные белки в первую