Олигомерные белки в строгом смысле нельзя назвать молекулами: скорее это надмолекулярные структуры, занимающие промежуточное положение между молекулами и клеточными органеллами, такими, как шаперониновый комплекс, рибосомы, хромосомы, мембраны и др. Таким образом, здесь намечается путь к пониманию того, как на основе химических и физико-химических свойств возникают структуры и свойства, характерные для биологической формы движения материи.
Рассмотрим в качестве примера самосборки клеточных органелл простую структуру — микротрубочки. Эти органеллы представляют собой длинные полые цилиндры с наружным диаметром 24 нм и внутренним — 15 нм; толщина их стенок 5 нм. Длина микротрубочек в большинстве клеток составляет несколько микрометров, однако в аксонах нервных клеток она достигает нескольких сантиметров. Микротрубочки имеются во всех клетках, причем постоянно обновляются: то распадаются, то вновь образуются. Они участвуют в образовании цитоскелета и поддержании формы клетки, во внутриклеточном транспорте веществ, в движении хромосом при делении клетки (митотическое веретено состоит в основном из микротрубочек), в перемещении частей клеточных мембран.
Микротрубочки построены из белка тубулина; это димерный белок, состоящий из двух разных протомеров, с молекулярной массой 111 500. Тубулин сравнительно легко удается выделить из некоторых тканей в чистом виде. Если в раствор тубулина добавить соль магния (ионы Mg2+), то начинается образование микротрубочек (рис. 1.23). Трубочка удлиняется в результате присоединения димеров к торцам; каждое кольцо трубочки содержит 13 протомеров, а порядок присоединения определяется наличием соответствующих контактных участков.
Многие ферменты обнаруживаются практически во всех клетках организма. Это ферменты, которые участвуют в процессах жизнеобеспечения самой клетки, таких, как синтез нуклеиновых кислот и белков, образование мембран и других основных клеточных органелл, энергетический обмен. С другой стороны, дифференцированные клетки, выполняющие различные специализированные функции, различаются и по ферментному составу. Например, клетки печени содержат набор ферментов, необходимых для синтеза мочевины, клетки коры надпочечников — ферменты, синтезирующие стероидные гормоны, в мышечных клетках много креатинфосфокиназы. Некоторые ферменты обнаруживаются лишь в одном-двух органах (так называемые органоспецифичные ферменты). Например, урока-ниназа есть только в печени, гистидаза — в печени и коже, кислая фосфатаза — преимущественно в предстательной железе.
Внутри клеток ферменты также распределены неравномерно. Одни ферменты находятся в коллоидно-растворенном состоянии в составе цитозоля, другие — фиксированы в клеточных органеллах. Разные органеллы — ядро, митохондрии, лизосомы, мембраны — имеют специфический набор ферментов. Ферменты, фиксированные в органеллах, помимо каталитического активного центра имеют еще специфические центры связывания с определенными компонентами органелл, поэтому они сами находят и занимают отсеки (компартмен-ты), различающиеся по набору ферментов, а следовательно, и по метаболизму (компартментализация метаболизма).
Отличие вирусов от других организмов заключается в двух особенностях: 1) вирусная частица (вирион) содержит только один вид нуклеиновых кислот — или ДНК, или РНК; 2) вирионы отличаются необычной для живых существ простотой организации — они не имеют собственного метаболизма, не содержат клеточных орга-нелл, в том числе рибосом, и очень часто состоят только из нуклеиновой кислоты, заключенной в белковую оболочку. В связи с этим вирусы способны размножаться исключительно за счет использования метаболического аппарата другой клетки, т. е. они являются внутриклеточными паразитами.
Цикл размножения вируса начинается с его прикрепления к поверхности клетки. Вирион содержит специальные белки, узнающие определенные вещества мембраны клетки-хозяина; эти вещества называют рецепторами вируса. Например, бактериофаг Т4 прикрепляется только к клеткам Е. coli, полиовирус — к определенным клеткам человека, а также обезьян, вирус гриппа — к клеткам слизистой оболочки дыхательных путей. После прикрепления вирион проникает через мембрану внутрь клетки; иногда в клетку попадает только нуклеиновая кислота вириона. Затем с использованием аппарата клетки-хозяина начинается репликация вирусного генома и синтез вирусных белков; из них путем самосборки образуются новые вирионы, которые освобождаются из клетки, либо разрушая ее (лизис клеток), либо проходя через мембрану без разрушения клетки.
Многие вирусы в качестве генетического материала содержат ДНК, но есть группа вирусов, геном которых представлен рибонуклеиновой кислотой. Размеры генома вирусов невелики. Например, в ДНК бактериофага Т4 обнаружено 135 генов; из них 36 генов кодируют синтез разных белков, входящих в оболочку фага, а остальные — гены белков, обеспечивающих переключение аппарата клетки-хозяина на синтез компонентов вируса, а также гены белков, выполняющих вспомогательную роль при самосборке вирионов. Механизм репликации генома ДНК-содержащих вирусов принципиально не отличается от репликации ДНК других организмов. РНК-содержащие вирусы по механизму репликации генома делятся на две группы. В одну группу входят полиовирус, вирусы гриппа, бешенства, везикулярного стоматита, реовирусы, вирусы свинки, кори и др.
Апоптозом называют механизм программируемой и регулируемой гибели клеток. Механизм апоптоза включается, в частности, при повреждениях систем репарации ДНК и накоплении повреждений ДНК. Эти изменения активируют ряд специфических протеаз в клетке, которые, в свою очередь, активируют эндонуклеазы. Эн-донуклеазы гидролизуют ДНК сначала на крупные фрагменты (размером около 50 ООО н. п.), а затем происходит гидролиз по межнуклеосомным областям ДНК, и образуются фрагменты размером около 180 н. п. (размер участка ДНК в одной нук-леосоме) или кратных по величине фрагментов. Далее клетка распадается на мембранные везикулы (апоптозные тельца), содержащие фрагментированную ДНК и другие компоненты клетки; везикулы поглощаются и разрушаются фагоцитирующими клетками. Таким путем устраняются клетки, размножение которых может быть опасным для организма, например привести к развитию раковой опухоли (см. гл. 19).
Другая функция апоптоза — уничтожение клеток, завершивших свою роль (слово «апоптоз» происходит от греческого «листопад»). Наглядный пример — исчезновение хвоста у головастика при превращении его в лягушку. Множество подобных явлений происходит при онтогенезе всех многоклеточных организмов. Еще один пример: у новорожденных крыс наблюдается преходящая волна апоптоза (3-клеток панкреатических островков в поджелудочной железе в течение 1-2 недель после рождения. При этом общая масса (3-клеток не изменяется: потери, вызванные апоптозом, компенсируются новой популяцией клеток. Вероятно,апоптоз нужен для смены популяции Р-клеток, приспособленных к условиям in utero, на Р-клетки, функционирующие после рождения. Сходный эпизод апоптоза Р-кле-ток наблюдается и в поджелудочной железе плода человека.
Существует и другая форма гибели клеток — некроз. Некроз равивается при таком повреждении клетки, когда нарушаются и функции аппарата апоптоза. Клетка набухает, мембраны разрушаются, в том числе — мебраны лизосом. Содержимое клетки оказывается в межклеточном пространстве. Освободившиеся ферменты лизосом гидролизуют полимеры поврежденной клетки, а также соседних клеток и межклеточного матрикса. Продукты распадающихся клеток вызывают воспалительную реакцию.
Хорошо изучены различия людей по групповой принадлежности крови. Наиболее известна система АВО, имеющая важное значение для практики переливания крови. На наружной поверхности плазматической мембраны созревающих эритроцитов имеется олигосахарид, начинающийся с такой последовательности моносахаридов: фукоза-галактоза-Ы-ацетилглюкозамин-К (рис. 5.10). Олигосахарид ковалентно связан с липидом, входящим в структуру мембраны. При созревании эритроцита олигосахарид увеличивается на один моносахаридный остаток.
Присоединение дополнительного моносахарида катализирует фермент глико-зилтрансфераза. В популяциях человека встречаются три аллельных гена этого фермента (А, В и О) и, соответственно, три аллельных варианта фермента, которые обозначаются теми же буквами. Варианты фермента А и В различаются по субстратной специфичности: вариант А присоединяет к олигосахариду N-ацетил-галактозамин, а вариант В — галактозу.Аллельный ген О кодирует синтез белка, не имеющего ферментативной активности.Разветвленные олигосахариды А и В являются антигенами (точнее, антигенными детерминантами): к каждому из них могут образоваться антитела (анти-А и анти-В). При смешивании раствора анти-А с кровью, эритроциты которой содержат антиген А, происходит агглютинация эритроцитов. То же произойдет при встрече анти-В с эритроцитами, содержащими антиген В.
По трем аллелям А, В и О возможно шесть диплоидных генотипов (табл. 5.4). По наличию того или иного антигена эти генотипы делятся на четыре группы.
Существует непрерывный поток веществ через организм, и прекращение этого потока означает прекращение жизни. Однако из этого не следует, что обмен веществ характерен только для живых существ. Системы, которые обмениваются веществами и энергией со средой, называют термодинамически открытыми системами, в отличие от закрытых систем, обменивающихся со средой только энергией. К открытым системам относится, например, любое озеро или река, поскольку вода в них постоянно обновляется.
Обмен веществ живых организмов включает поступление веществ из среды в организм (в результате питания и дыхания), перемещения и превращения веществ в организме (промежуточный обмен) и выделение конечных продуктов обмена.
Поступление веществ в организм и выделение продуктов метаболизма в совокупности составляют обмен веществами между средой и организмом.Организм взрослого здорового человека находится в стационарном состоянии в том смысле, что его масса сохраняется постоянной. Это значит, что масса потребляемых веществ равна массе выделяемых за то же время веществ.
Общая масса органических веществ в теле человека составляет около 25 кг (отметим, что больше половины из них приходится на белки). Ежедневное потребление органических веществ с пищей равно примерно 0,6 кг; следовательно, человек потребляет такую же массу органических веществ, какая имеется в его теле, за 40-50 дней.
Между содержанием разных веществ в организме и величиной их суточного потребления нет соответствия. Например, для белков отношение содержание/ потребление равно примерно 180, а для углеводов оно менее 2, т. е. различие но этому коэффициенту между белками и углеводами почти стократное. Это связано с тем, что подавляющая часть пищевых углеводов используется именно как источник энергии и распадается до конечных продуктов обмена, минуя стадию включения в структурно-функциональные компоненты клетки. То же в значительной мере относится и к жирам.
Основную массу элементов, из которых построены пищевые вещества, а также и тело человека, составляют углерод, водород, кислород и азот. Эти же элементы входят в состав главных конечных продуктов обмена веществ — С02, Н20 и мочевины H2N—СО—NH2. В форме Н20 выводится водород органических веществ, причем организм выделяет воды больше, чем потребляет (см. табл. 6.1): примерно 400 г воды образуется за сутки в организме из водорода органических веществ и кислорода вдыхаемого воздуха (метаболическая вода). В форме С02 выводятся углерод и кислород органических веществ, а в форме мочевины — азот.
Человек выделяет с мочой, калом, потом, выдыхаемым воздухом много и других веществ, но в незначительных количествах, так что их вклад в общий баланс обмена веществами между организмом и средой невелик. Однако надо отметить, что физиологическое значение выделения таких веществ может быть существенным. Например, нарушение выделения продуктов распада гема или продуктов метаболизма чужеродных соединений, в том числе лекарств, может быть причиной тяжелых нарушений обмена веществ и функций организма.
Наиболее сложную часть обмена веществ составляет промежуточный обмен. Он включает следующие молекулярные процессы:
1. Взаимодействие молекул без изменения их ковалентной структуры: образование олигомерных белков из протомеров; самосборка клеточных орга-нелл, включая мембраны; образование двойной спирали ДНК; присоединение аминоацил-тРНК к мРНК и рибосомам; присоединение аллостери-ческих эффекторов к регуляторным центрам ферментов; присоединение кислорода к гемоглобину и др. Все эти взаимодействия представляют собой физико-химические процессы. Наиболее характерной чертой молекулярных физико-химических процессов в живых организмах является соединение молекул за счет комплементарных поверхностей центров связывания (узнавание).
2. Взаимодействия молекул, завершающиеся изменением их ковалентной структуры, т. е. собственно химические процессы. Именно совокупность этих процессов обычно называют метаболизмом (metabole — изменение, превращение). Как мы уже знаем, все химические реакции в организме катализируются ферментами. В ходе ферментативной реакции, конечно, имеют место и физико-химические процессы, например образование некова-лентных связей между ферментом и субстратом, изменение конформации и др.
3. Перенос веществ. Существуют разные механизмы и маршруты транспорта веществ в организме, а именно:
а) транспорт с циркулирующей жидкостью по кровеносным и лимфатическим сосудам. Это механический процесс. Однако многие вещества транспортируются в форме соединений со специальными транспортными белками, подобно переносу кислорода в соединении с гемоглобином. В крови имеются транспортные белки для переноса многих соединений — гормонов, витаминов, липидов, ионов металлов и др. Образование и распад комплекса транспортного белка с переносимым веществом — это обычно физико-химические процессы, не связанные с изменением ковалентной структуры веществ;
б) трансмембранный перенос, который может быть межклеточным и внутриклеточным. Основные формы межклеточного переноса следующие:
— из кишечника в кровь через мембраны клеток кишечного эпителия и стенок капилляров;
— из крови и межклеточного пространства в клетки разных органов через мембраны этих клеток;
— из клеток в межклеточное вещество или в кровь через те же мембраны;
— в почечных клубочках — из крови в первичную мочу, а в почечных канальцах — из первичной мочи в кровь через мембраны соответствующих клеток.
Пища человека содержит множество химических соединений, как органических, так и минеральных (табл. 6.2). Главную долю органических веществ пищи составляют углеводы, жиры, белки — основные пищевые вещества. Часть органических веществ — это минорные пищевые вещества, требующиеся в малых количествах; к ним принадлежат, в частности, витамины.
Основные пищевые вещества большей частью представляют собой полимеры. В желудочно-кишечном тракте они гидролизуются при участии ферментов класса гидролаз на мономеры: в этом заключается суть пищеварения. В процессе пищеварения происходит уменьшение разнообразия веществ: из бесчисленного количества белков разного строения, полисахаридов, жиров получается 20 разных аминокислот, небольшое число моносахаридов (главным образом глюкоза, фруктоза, галактоза), глицерин, жирные кислоты (главным образом олеиновая, стеариновая, пальмитиновая). Мономеры как низкомолекулярные вещества значительно легче проникают через клеточные мембраны кишечного эпителия (полимеры практически не всасываются). С кровью мономеры транспортируются во все органы и ткани и используются клетками.
Пищевые вещества могут быть заменимыми и незаменимыми. Заменимые — это те, которые могут образоваться в организме из других веществ. Например, клетки человека могут синтезировать любой необходимый им моносахарид из аминокислот, жиры могут образоваться из углеводов, некоторые аминокислоты образуются из других аминокислот или из углеводов.
Незаменимые пищевые вещества не синтезируются из других веществ и поэтому должны содержаться в пище в готовом виде. К незаменимым относятся все минеральные компоненты, а также витамины, некоторые аминокислоты (гл. 11) и некоторые жирные кислоты (гл. 10).
Введение витамина В12 быстро излечивает злокачественную анемию. Однако при этом выяснилось, что имеет значение способ введения: внутримышечные инъекции излечивают анемию, а прием витамина через рот не излечивает. Если же витамин В12 принимать перорально вместе с желудочным соком, тоже наступает излечение. Отсюда следует, что в желудочном соке содержится какое-то вещество, необходимое для усвоения витамина В12 при его введении через рот. Это вещество (внутренний фактор, фактор Касла) сейчас выделено: им оказался гли-копротеин, который у здоровых людей синтезируется в клетках желудка и секре-тируется в желудочный сок. Внутренний фактор избирательно связывает витамин В12 (одна молекула витамина на одну молекулу белка); затем, уже в кишечнике, этот комплекс присоединяется к специфическим рецепторам мембраны энтероцитов, и происходит перенос витамина через их мембрану, т. е. всасывание.
Злокачественная анемия обычно развивается как осложнение гастрита, причем таких его форм, при которых резко снижается образование желудочного сока. Отсюда такие симптомы, как боли в области желудка, отсутствие аппетита. В желудке при этом нет внутреннего фактора и, следовательно, невозможно всасывание витамина В12: витамин, содержащийся в пище, выводится с калом. Развитие анемии — это уже следствие недостатка витамина В12 в тканях.
Витамин В12 выполняет коферментные функции. В организме человека есть две коферментные формы витамина В12 (кобаламина): метилкобаламин — в цитоплазме и дезоксиаденозилкобаламин — в митохондриях. В метилкобаламине вместо аденозильной группы, связанной с атомом кобальта (см. рис. 6.1), имеется метальная группа. В развитии анемии основная роль принадлежит дефициту ме-тилкобаламина, который служит коферментом в реакциях трансметилирования (подробнее об этих реакциях см. в гл. 11). Реакции траснметилирования происходят, в частности, при синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Поэтому при недостатке метилкобаламина синтез нуклеиновых кислот нарушается. Это проявляется прежде всего в тканях с интенсивной клеточной пролиферацией. К их числу относится и кроветворная ткань. Деление и созревание клеток эритроци-тарного ряда нарушаются, размеры клеток превышают нормальные, значительная часть клеток — предшественников эритроцитов разрушается еще в костном мозге. В циркулирующей крови количество эритроцитов резко уменьшено, размеры их увеличены. При отсутствии лечения наступают изменения и в других тканях, и болезнь заканчивается гибелью больного. Введение 100-200 мкг витамина В12 ежедневно в течение примерно двух недель излечивает болезнь.
Другая коферментная форма витамина В12 — дезоксиаденозилкобаламин, участвует в метаболизме метилмалоновой кислоты, которая получается в организме из жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов, а также из аминокислот с разветвленной углеродной цепью (подробнее об этом см. в гл. 10). При дефиците витамина В12 метилмалоновая кислота накапливается в организме и в больших количествах выводится с мочой; ее определение в моче используется для диагностики злокачественной анемии.
Изолированные органы. Если в артерию изолированного органа вводить раствор какого-либо вещества и анализировать вещества в жидкости, вытекающей из вены, то можно установить, каким превращениям подвергается это вещество в органе. Например, таким путем было найдено, что в печени за счет азота аминокислот образуется мочевина. Сходные опыты можно проводить на органах без их выделения из организма (метод артериовенозной разницы): в этих случаях кровь для анализа отбирают с помощью канюль, вставленных в артерию и вену органа, или с помощью шприца. Таким путем, например, можно установить, что в крови, оттекающей от работающих мышц, увеличена концентрация молочной кислоты, а протекая через печень, кровь освобождается от молочной кислоты.Срезы тканей. Срезы — это тонкие кусочки тканей, которые изготовляются с помощью микротома или просто бритвенного лезвия. Срезы инкубируют в растворе, содержащем питательные вещества (глюкозу или другие) и вещество, превращения которого в клетках данного типа хотят выяснить. После инкубации анализируют продукты метаболизма исследуемого вещества в инкубационной жидкости. Применение срезов ограничивается тем, что клеточные мембраны непроницаемы для многих веществ.
Мембраны — наиболее распространенные клеточные органеллы. Основными мембранными структурами клетки являются плазматическая мембрана, отделяющая клетку от соседних клеток или межклеточного вещества, эн-доплазматический ретикулум, пластинчатый комплекс, митохондриальная и ядерная мембраны (рис. 7.1). Каждая из этих мембран имеет существенные структурные особенности и выполняет специфические функции в клетке, но все они построены по единому типу.
Изучение биологических мембран необходимо для понимания таких процессов, как взаимодействие клеток при образовании тканей, питание клеток, фагоцитоз, секреция, трансформация энергии в клетке, координация функций разных клеток. Структура и функции мембран нарушаются при ряде заболеваний и нередко составляют существенный этап патогенеза болезни.Главные структурные компоненты мембран — это белки и липиды. В большинстве мембран содержится 50-75 % белков; остальная часть приходится в основном на долю липидов. В плазматических мембранах обнаруживается до 10 % углеводов, которые составляют углеводную часть гликопротеинов и гликолипидов; в других мембранах углеводов значительно меньше (в 5-10 раз).
Следует отметить, что разнообразие мембран не исчерпывается перечисленными основными типами. Мембраны одного типа в клетках разной специализации неодинаковы. Например, плазматическая мембрана эритроцитов отличается от плазматической мембраны мышечных клеток. Более того, мембрана одного и того же типа в разных частях одной и той же клетки может быть неодинаковой. Например, плазматическая мембрана секретирующего (апикального) конца клеток кишечного эпителия отличается от мембраны противоположного (базально-го) конца. Все мембраны имеют общий план строения, но различаются в деталях химического состава и структуры. В табл. 7.1 указан состав некоторых мембран.