Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985

Биомолекулы
Клетки
Вирусы - надмолекулярные паразиты

Наш обзор, в котором клетки рассматриваются как единицы живой материи, не может быть полным, если мы не коснемся вирусов. Хотя вирусы и не являются живыми, они представляют собой образующиеся биологическим путем надмолекулярные комплексы, которые способны к самовоспроизведению в соответствующих клетках-хозяевах. Вирус состоит из молекулы нуклеиновой кислоты и окружающей ее защитной оболочки, или капсида, построенной из белковых молекул. Вирусы существуют в двух состояниях. Вне сформировавших их клеток вирусы представляют собой просто неживые частицы, называемые вирионами, которые имеют правильную форму, определенные размеры и химический состав. Некоторые вирусы можно получить даже в кристаллическом виде; следовательно, они ведут себя как чрезвычайно крупные молекулы. Однако как только вирусная частица (или ее нуклеиновая кислота) проникает в специфическую для нее клетку-хозяина, форма ее существования качественно изменяется - она становится внутриклеточным паразитом. Вирусная нуклеиновая кислота несет генетическую информацию, определяющую всю структуру интактного вириона. Она подчиняет себе весь биохимический аппарат клетки-хозяина, нарушая его нормальное функционирование, и переключает ферменты и рибосомы клетки с синтеза нормальных клеточных компонентов на производство множества новых дочерних вирусных частиц. В результате заражение клетки-хозяина одним-единственным вирионом может привести к образованию десятков или даже сотен новых вирусных частиц (рис. 2-24). В одних системах хозяин - вирус образовавшиеся вирионы высвобождаются из клетки-хозяина, которая в дальнейшем погибает и подвергается лизису. В других же системах вновь синтезированная вирусная нуклеиновая кислота остается внутри клетки-хозяина, иногда лишь незначительно влияя на ее жизнеспособность; однако часто при этом происходят серьезные изменения как во внешнем виде клетки-хозяина, так и в ее функциях. Одни вирусы содержат ДНК, а другие - РНК.

Рис. 2-24» Репликация бактериофага в клетке-хозяине.

Известны сотни различных вирусов, специфичных в отношении определенных типов клеток-хозяев. Роль хозяев могут играть клетки животных, растений или бактерий (табл. 2-3). Вирусы, специфичные для бактерий, называются бактериофагами, или просто фагами (слово «фаг» означает поедать, поглощать). Капсид вирусов может быть построен из белковых молекул только одного типа, как это имеет место, например, в случае вируса табачной мозаики - одного из простейших вирусов, который первым был получен в кристаллическом виде (рис. 2-25). Другие вирусы могут содержать десятки и сотни белков различных типов. Размеры вирусов варьируют в широких пределах. Так, один из самых мелких вирусов, бактериофаг —Х174, имеет диаметр 18 нм, тогда как один из самых крупных вирусов - вирус осповакцины — по размерам своих частиц соответствует самым мелким бактериям. Вирусы различаются также по форме и степени сложности их структуры. К числу наиболее сложных относится бактериофаг Т4 (рис. 2-25), для которого клеткой-хозяином служит Е. coli. Фаг Т4 имеет головку, отросток («хвост») и сложный набор хвостовых нитей; при введении вирусной ДНК в клетку-хозяина они действуют совместно как «жало» или шприц для подкожных инъекций. На рис. 2-25 и в табл. 2-3 приведены данные о размерах, форме и массе частиц ряда вирусов, а также тип и величина входящих в их состав молекул нуклеиновых кислот. Некоторые вирусы необычайно патогенны для человека. К ним относятся, в частности, вирусы, вызывающие оспу, полиомиелит, грипп, простудные заболевания, инфекционный мононуклеоз и опоясывающий лишай. Считают, что причиной рака у животных также являются вирусы, которые могут находиться в латентном состоянии. Вирусы играют все более важную роль в биохимических исследованиях, поскольку с их помощью удается получать необычайно ценную информацию о структуре хромосом, механизмах ферментативного синтеза нуклеиновых кислот и регуляции передачи генетической информации.

Таблица 2-3. Свойства некоторых вирусов

Краткое содержание главы

Все клетки имеют ограничивающую их плазматическую мембрану, цитоплазму, рибосомы и ядерную зону или ядро. Размеры и форма клеток определяются скоростями физической диффузии молекул питательных веществ и кислорода, а также соотношением между площадью поверхности и объемом клетки. Существуют два больших класса клеток: прокариотические и эукариотические. Прокариоты, к которым относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, - это простые клетки малых размеров, характеризующиеся тем, что содержащийся в них генетический материал не окружен мембраной. У них есть клеточная стенка и плазматическая мембрана, а некоторые из них снабжены жгутиками, с помощью которых они могут передвигаться. В цитоплазме прокариотических клеток нет ограниченных мембраной органелл, но есть рибосомы и гранулы питательных веществ. Прокариотические клетки растут и делятся очень быстро. Бактерия Escherichia coli, наиболее полно изученный представитель прокариот, оказалась необычайно полезной для биохимических и генетических исследований.

Эукариотические клетки намного крупнее прокариотических, их объем в 1000-10000 раз больше объема прокариотических клеток. Наряду с четко выраженным и ограниченным мембраной ядром с многочисленными хромосомами в эукариотических клетках содержатся окруженные мембраной органеллы. К ним, в частности, относятся митохондрии, функция которых состоит в окислении клеточного «топлива» и образовании АТР, а также хлоропласты (в фотосинтезирующих клетках), улавливающие энергию света и использующие ее для превращения СО₂ в глюкозу. Предполагается, что митохондрии и хлоропласти произошли от бактерий. В число органелл эукариотических клеток входит и эндоплазматический ретикулум, функция которого заключается в том, что он направляет и транспортирует секретируемые клеткой вещества к тельцам Гольджи, где они упаковываются и выводятся из клетки. Лизосомы содержат деструктивные ферменты, а пероксисомы отделяют ферменты, образующие и разрушающие перекиси, от остального содержимого клетки. В цитоплазме эукариотических клеток обнаруживаются микрофиламенты по меньшей мере трех типов, а также микротрубочки. Микрофиламенты, микротрубочки и микротрабекулярная сеть совместно образуют гибкий внутренний каркас - цитоскелет. Многие животные клетки снабжены ресничками и жгутиками, винтообразные движения которых осуществляются благодаря наличию в них парных микротрубочек. В эукариотических клетках присутствуют также рибосомы. Одни из них находятся в свободном состоянии, а другие связаны с поверхностью шероховатого эндоплазматического ретикулума. На внешней поверхности животных клеток имеются специфические участки, распознающие и связывающие другие клетки и гормоны.

Рис. 2-25. А. Вирус табачной мозаики, имеющий палочковидную форму. Электронная микрофотография (Б) и модель (В) бактериофага Т4 сложного вируса, по своей форме напоминающего головастика. После прикрепления концевых нитей бактериофага к специфическим участкам на клеточной стенке Е. coli ДНК из головки бактериофага впрыскивается через отросток («хвост») в клетку. Электронная микрофотография (Г) и составленная из теннисных мячиков модель (Д) аденовируса, оболочка которого состоит из 252 белковых субъединиц, образующих многогранник с 20 гранями (икосаэдр).

Вирусы представляют собой неживые надмолекулярные структуры. Каждая вирусная частица состоит из одной молекулы нуклеиновой кислоты и окружающей ее белковой оболочки. Вирусы способны заражать специфические для них клетки, заставляя их воспроизводить вирусные частицы в соответствии с генетической информацией, содержащейся в вирусной нуклеиновой кислоте. Изучение вирусов позволило получить много ценных сведений о биохимических аспектах переноса генетической информации.

ЛИТЕРАТУРА

Учебники

Curtis Н. Biology, 3d ed., Worth, New York, 1979. Прекрасно написанный и иллюстрированный учебник по общей биологии.

Dyson R.D. Cell Biology: A Molecular Approach, 2d ed., Allyn and Bacon, Boston, 1978. Учебник с биохимической ориентацией.

Fawcett D. W. The Cell, 2d ed., Saunders, Philadelphia, 1981. Электронные микрофотографии различных клеток и тканей.

Karp С. Cell Biology, McGraw-Hill, New York, 1979. Особое внимание уделено молекулярным аспектам передачи генетической информации.

Ledbetter М.С., Porter K.R. Introduction to the Fine Sctructure of Plant Cells, Springer-Verlag, New York, 1970.

Loewy A. G., Siekevitz P. Cell Structure and Function, 3d ed., Holt, New York, 1979.

Интересные книги небольшого объема

Luria S. Life: The Unfinished Experiment, Scribner’s, New York, 1973. Лауреат Нобелевской премии в области молекулярной биологии делает обзор современной биологии и дает ей оценку.

Margulies L. Origin of Eukaryotic Cells, Yale University Press, New Haven, Conn., 1970. Интересное развитие одной из существующих теорий.

Thomas L. The Lives of a Cell: Notes of a Biology Watcher, Viking, New York, 1974. Увлекательные очерки о жизни клеток, написанные признанным лидером в области биометрических исследований.

Некоторые статьи по специальным вопросам клеточной биологии

Berg Н. How Bacteria Survive, Sсi. Am., 233, 36-44, August (1975).

Capaldi R. A. A Dynamic Model of Cell Membranes, Sei. Am., 230, 26-33, March (1974).

Everhart T. E., Hayes T. L. The Scanning Electron Microscope, Sсi. Am., 226, 54-69, January (1972).

Mazia D. The Cell Cycle, Sсi. Am, 230, 54-64, January (1974).

Porter K.R., Tucker J. B. The Ground Substance of the Living Cell, Sсi. Am, 244, 56-67, March (1981).

Satir P. How Cilia Move, Sсi. Am, 231, 44-63, October (1974).

Sloboda R. D. The Role of Microtubules in Cell Structure and Cell Division, Amer. Sсi, 68, 290-298 (1980).

Wessells N. K. How Living Cells Change Shape, Sсi. Am, 225, 76-85, October (1971).

Вопросы и задачи

Чтобы понять молекулярную логику клеток, мы должны научиться оценивать свойства и взаимодействие биомолекул как в качественном, так и в количественном отношении. Мы должны также уметь анализировать сложные явления, происходящие в живой клетке, сводя эти явления к самым простым компонентам и процессам, лежащим в их основе. С этой целью в конце каждой главы приводится ряд задач, иллюстрирующих важные биохимические принципы. Одни задачи имеют конкретные численные решения, характеризующие размеры молекул и клеток или скорости биохимических процессов. Чтобы решить другие задачи, в которых требуется проанализировать данную биохимическую структуру или процесс, необходимо применить основные биохимические принципы и немного подумать. Некоторые задачи относительно просты и имеют однозначные решения, тогда как другие требуют более серьезного подхода. Решение задач - наилучший путь для прочного усвоения основ биохимии.

Ниже перечислены книги, которые помогут читателю ознакомиться с биохимическими задачами и приобрести навыки в их решении.

Montgomery R., Swenson С. A. Quantitative Problems in Biochemical Sciences, 2d ed. Freeman, San Francisco, 1976. Segel L. Biochemical Calculations, 2d ed., Wiley, New York, 1976. Особенно хорошо освещены вопросы ферментативной кинетики. Wood W. В., Wilson J. Н.. Benbow R. M., Hood L. E. Biochemistry: A Problems Approach, 2d ed., Benjamin, Menlo Park, Calif., 1981. В этой уникальной книге, охватывающей широкий круг проблем, рассмотрены основные разделы биохимии и приведено большое число различных контрольных вопросов и задач с численными решениями. Основные разделы представлены примерно в той же последовательности. что и в данной книге.

Ниже приведено несколько задач, относящихся к содержанию гл. 2. Их решение поможет читателю более четко уяснить геометрические и численные соотношения, характеризующие структуру клеток и их функции. Для упрощения цитирования и обсуждения каждая задача имеет свое заглавие.

1. Малые размеры клеток и их составных частей. Из данных, приведенных в табл. 2-2, приблизительно рассчитайте число а) клеток печени, б) митохондрий и в) молекул миоглобина, которые можно поместить в один слой на кончике булавки (диаметром 0,5 мм). Предполагается, что все структуры имеют сферическую форму. Площадь круга равна пr², где п = 3,14.

2. Число растворенных молекул, содержащихся в самых мелких из известных клеток. Самыми мелкими из всех известных клеток являются микоплазмы - сферические клетки с диаметром около 0,33 мкм. Малые размеры позволяют микоплазмам легко проходить через фильтры, задерживающие более крупные бактерии. Один из видов микоплазм Mycoplasma pneumoniae, может вызывать первичную атипичную пневмонию.

а) Основным источником энергии для микоплазм служит D-глюкоза, ее концентрация внутри таких клеток составляет около 1,0 мМ. Рассчитайте число молекул глюкозы, содержащихся в одной клетке. Число Авогадро (число молекул в 1 моле неионизированного вещества) равно 6,02∙10²³. Объем сферы равен 4/3пr³.

б) Во внутриклеточной жидкости микоплазм содержится 10 г гексокиназы (мол. масса 100000) в 1 л. Рассчитайте молярную концентрацию гексокиназы - первого фермента в цепи реакций, приводящих к расщеплению глюкозы с образованием энергии.

3. Компоненты Е. coli. Клетки E. coli имеют форму цилиндра высотой 2 мкм и диаметром 0,8 мкм. Объем цилиндра вычисляется по формуле r, где h - высота цилиндра.

а) Сколько весит одна клетка Е. coli, если ее плотность (главным образом за счет воды) равна в среднем 1,1 г/см³?

б) Толщина защитной клеточной стенки Е. coli равна 10 нм. Какую долю (в процентах) общего объема бактерии составляет клеточная стенка?

в) Е. coli быстро растет и размножается благодаря тому, что в ее клетке присутствует около 15 000 сферических частиц - рибосом (диаметр 18 нм), осуществляющих синтез белков. Какая часть общего объема клетки приходится на долю рибосом?

4. Генетическая информация в ДНК Е. coli. Содержащаяся в ДНК генетическая информация закодирована линейной последовательностью ключевых слов, называемых кодонами. Каждый кодон представляет собой специфическую последовательность трех нуклеотидов (три пары нуклеотидов в двухцепочечной ДНК) и соответствует одному аминокислотному остатку в белке. ДНК Е. coli имеет очень большую молекулярную массу - примерно 2,5∙10⁹. Средняя молекулярная масса пары нуклеотидов равна 660, причем вклад каждой пары нуклеотидов в общую длину молекулы ДНК составляет 0,34 нм.

а) Используя эти данные, рассчитайте длину молекулы ДНК Е. coli. Сравните длину молекулы ДНК с размерами клетки. Каким образом ей удается уместиться в клетке?

б) Подсчитайте, чему равно максимальное число белков, которое может быть закодировано в молекуле ДНК Е. coli, если предположить, что белковая молекула Е. coli состоит в среднем из 400 аминокислот?

5. Высокая скорость метаболизма у бактерий. Бактерии характеризуются значительно более высокой скоростью метаболизма по сравнению с животными клетками. В идеальных условиях бактериальная клетка обычно вдвое увеличивается в размерах и делится каждые 20 минут, тогда как животным клеткам для этого требуется примерно 24 ч. Из-за высокой скорости метаболизма бактериям необходимо иметь большую площадь поверхности по отношению к объему клетки.

а) Почему максимальная скорость метаболизма должна зависеть от соотношения между поверхностью клетки и ее объемом?

б) Рассчитайте отношение площади поверхности клетки к ее объему у сферической бактерии Neisseria gonorrhoeae (диаметром 0,5 мкм), вызывающей гонорею. Сравните полученное значение с отношением поверхности клетки к ее объему у шаровидной амебы - крупной эукариотической клетки диаметром 150 мкм.

в) Оцените отношение площади поверхности тела к его объему у среднего человека весом 70 кг (представьте тело человека в виде сферы и набора цилиндров). Сравните полученное значение с отношением поверхности клетки к ее объему у бактерий.

6. Стратегия, обеспечивающая увеличение площади поверхности клеток. Некоторые клетки, функция которых состоит в поглощении питательных веществ из окружающей среды (например, клетки, выстилающие просвет тонкого кишечника или клетки корневых волосков растений), прекрасно приспособлены к выполнению своей роли благодаря тому, что площадь их поверхности, соприкасающейся с питательными веществами, увеличена за счет микроворсинок. Предположим, что эпителиальная клетка, выстилающая просвет тонкого кишечника, имеет форму сферы (диаметром 20 мкм). Поскольку лишь часть клетки обращена в просвет кишечника, будем считать, что микроворсинки покрывают участок, площадь которого составляет 25% площади поверхности клетки. Предположим также, что микроворсинки имеют форму цилиндров высотой 1,0 мкм и диаметром 0,1 мкм и располагаются в виде регулярной решетки с расстоянием 0,2 мкм между центрами двух соседних микроворсинок. Площадь поверхности сферы равна

Задача 6

4пr². Исходя из этих данных, рассчитайте: а) число микроворсинок на покрытом ими участке, б) площадь поверхности этого участка без микроворсинок, в) площадь поверхности участка с учетом микроворсинок, г) на сколько процентов увеличится поглощающая способность (определяемая отношением площади поверхности клетки к ее объему) благодаря наличию микроворсинок?