WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

Фултон (Fulton, 1982), убежденная последовательница Портера, пошла еще дальше и высказала точку зрения, согласно которой, the cytoplasm is so compact that it is only a few times more open than a crystal. Видимо, в литературе накопилось достаточно данных для того, чтобы быть вполне уверенным, что содержимое клетки следует рассматривать как структурированную систему, которая направляет нативную агрегацию в нужное русло. В качестве одного из примеров можно указать на данные Бало-Банги и др. (Balo-Banga et al., 1980b): двойное лучепреломление ядер лимфоцитов усиливалось после фиксации этанолом.

То есть корректная фиксация приводит к возникновению новых более упорядоченных структур. Однако особенно интересными являются случаи, когда нативная агрегация, как я ее называю, имеет место в процессе нормального функционирования клетки. Так, в той же работе (Balo-Banga et al., 1980b) показано, что активация лимфоцитов специфическими антигенами или гаптенами приводит к значительному усилению двойного лучепреломления ядра. Это же явление имело место и в случае активации аллергенами лимфоцитов периферической крови пациентов, страдающих лекарственной аллергией (Balo-Banga et al., 1980a).

Если интенсивность действующего на клетку фактора будет нарастать, то его активирующее действие сменится повреждающим. Так, исследования Иннерс и Бендет (Inners and Bendet, 1969) термической денатурации ДНК бактериофага T2 и сперматозоидов (Bearden and Bendet, 1972) показали, что при необратимой денатурации структур, их способность к двойному лучепреломлению утрачивается. Данные такого рода свидетельствуют о том, что при определенных условиях воздействие на клетку нагревом, органическими растворителями и т.п. вызывают не нативную агрегацию, а разрушение, дезорганизацию внутриклеточных структур; иначе говоря, разрушение структуры может наступать вслед за нативной агрегацией. К сожалению, в литературе явно прослеживается увлечение грубыми изменениями в структуре цитоплазмы и органелл потому, что их легче исследовать.

Таким образом, история вопроса показывает, что при применении адекватных методов исследования, нативная (программируемая) агрегация белков, приводящая к самосборке различных клеточных структур, является обычным явлением в жизни клетки. Примером тому является универсальная реакция живой клетки (Matveev, 2005).

Универсальная реакция живой клетки и нативная агрегация Почему нативная агрегация белков не идет в клетках, находящихся в состоянии покоя и начинается только при ее активации (например, мышечное сокращение, потенциал действия) и при повреждении Для ответа на этот вопрос обратимся к денатурационной теории Насонова (Насонов, 1962). Согласно этой теории, возбуждение клетки имеет место только тогда, когда ее белки испытывают начальные стадии денатурационных изменений.

Первым, вероятно, на сходство изменений в активной цитоплазме с денатурацией изолированных белков обратил внимание Мирский (Mirsky and Pauling, 1936). Он пришел к выводу, что денатурационные изменения белков возникают при оплодотворении яйцеклетки (Mirsky, 1936a) и при фоторецепции (Mirsky, 1936b). Вот как он об этом говорит в последней из указанных работ: "...There is evidence indicating that light denatures a conjugated protein, visual purple, and that denaturation reverses in the dark." Однако его исследования в этом направлении не носили систематического характера.

Насонов и его последователи изучили действие самых разнообразных факторов (химические соединения, pH, гидростатическое давление, механические воздействия) на клетки различных типов. В результате была выявлена закономерность: независимо от характера воздействия и типа клетки, ее ответная реакция представляла собой однотипный (неспецифический) комплекс синхронных изменений. Эти изменения носили двухфазный характер: макроскопическая вязкость цитоплазмы сначала снижалась, затем возрастала;

связывание витальных красителей клеточными структурами (в условиях диффузионного равновесия) сначала снижалось, затем возрастало; в первую фазу реакции цитоплазма просветлялась, во вторую — мутнела. Были изучены и другие показатели. Первая фаза указанной реакции не имеет отношения к предмету настоящей статьи потому, что она является вариацией состояния покоя. Для нас представляет интерес вторая фаза, структурной основой которой является агрегация белков (рис. 1). Эта фаза и есть фаза активации клеточных функций (Насонов, 1962).

Рис. 1. Характер неспецифического ответа клетки (Насонов, 1962) в зависимости от силы внешнего воздействия (схема). При достижении порога, начинается первая фаза клеточного ответа, во время которой ее прозрачность возрастает, а гидрофобность и макроскопическая вязкость снижаются. Затем начинается вторая фаза клеточного ответа, в течение которой все представленные показатели значительно превышают контрольный уровень (контрольный уровень в данном случае означает состояние покоя клетки).

Можно предложить следующие стадии развития второй фазы: NA — стадия нативной агрегации, когда активируются различные клеточные функции; DA — стадия повреждающей агрегации, когда формируются сигналы к апоптозу, раковой трансформации и к другим патологическим состояниям; IA — стадия необратимой агрегации, приводящая к гибели клетки.

Эта вторая фаза, на языке школы Насонова, называлась фазой возбуждения и повреждения. Субстанциональные изменения в клетке в эту фазу поразительно напоминают денатурацию изолированных белков, и поэтому Насонов назвал свою теорию, объясняющую ответную реакцию клетки на внешние воздействия, денатурационной теорией возбуждения и повреждения. Согласно этой теории, начальные стадии денатурационных изменений, когда они еще обратимы, лежат в основе возбуждения клетки (активация секреторной функции, мышечного сокращения, потенциала действия etc.). Более глубокие изменения белков приводят к нарушениям нормального функционирование клетки, но еще могут быть обратимыми. Затем, при дальнейшем развитии повреждения, денатурационные изменения становятся необратимыми, клетка погибает.

Особенностью клеточной реакции, открытой и исследованной школой Насонова, был ее неспецифический характер: чем бы мы ни действовали на клетку, ее белки агрегировали (как при фиксации); любая клеточная активность также сопровождалась агрегацией белков (это особенно хорошо видно в случае мышечного сокращения). Точно так же вели себя и изолированные белки при денатурации: любой денатурирующий фактор вызывал их агрегацию.

В этом универсализме клеточного ответа таилась загадка, но в век увлечения специфическими взаимодействиями неспецифические явления не могли привлечь внимания.

Тем не менее, очевидно, что открытая школой Насонов неспецифическая реакция клетки — это фундаментальное природное явление, такое же, как клеточное деление или раковое перерождение. Внимание к нему оправдано потому, что явления природы, в отличие от теорий, не могут быть ошибочными.

Неспецифический характер рассматриваемой клеточной реакции — это поверхностное впечатление. Смерть тоже явление неспецифическое, но процессы, которые к ней приводят, отличаются разнообразием и могут быть в высшей степени специфическими. Точно также и в основе агрегации белков могут лежать специфические взаимодействия. Если мы будем отрицать наличие специфических механизмов в агрегации белков клетки, мы не сможем понять, почему клеточный стресс инициирует такие процессы, как пролиферация, дифференциация, старение, апоптоз, некроз, митотическая смерть (Proskuryakov et al., 2003).

С другой стороны, очевидно, что при всей специфичности взаимодействий, приводящих к агрегации белков, реакция клетки выглядит неспецифично потому, что любая агрегация, специфическая или нет, заканчивается образованием белковых комплексов. Поэтому правильнее говорить не о неспецифичности, а об универсальности комплекса структурных и функциональных изменений в клетках, изученных школой Насонова. Поэтому я и предложил называть этот типичный ответ универсальной реакцией живой клетки или протореакцией, потому что есть основания считать ее самым древним типом реагирования клеток на внешние воздействия (Matveev, 2005).

Итак, именно денатурация белков делает эти полимеры активными. Их активность проявляется в том, что только денатурированные белки начинают взаимодействовать друг с другом. Это взаимодействие представляется мне специфическим и закономерным, а результатом нативной агрегации являются новые структуры, отсутствовавшие в состоянии покоя и имеющие физиологический смысл для активного состояния. Иначе говоря, денатурационные изменения делают белки реакционноспособными. До тех пор, пока эти изменения обратимы, клетка способна разобрать образовавшиеся временные структуры и вернуться в исходное состояние — состояние покоя. При повреждении, когда агрегация белков становится слишком продолжительной или необратимой, в клетке возникают патологические изменения, которые могут привести ее к гибели. Пороговый характер реакции клетки означает, что состояние покоя и активное состояние являются разными термодинамическими состояниями системы, разделенными энергетическим барьером; это относится не только к клетке в целом, но к отдельным ее компонентам (Линг, 2008).

Теперь пришло время задаться вопросом о том, что делает агрегацию белков специфичной Ответ на этот вопрос дает нам физика белка. Установлено, что правильное свертывание полипептида в глобулу, как и уникальная структура самой глобулы, обеспечивается специфическим взаимодействием между вторичными структурами белка (Финкельштейн и Птицын, 2005). Рассмотрим такую структуру как -спираль. С другими вторичными структурами она взаимодействует своей поверхностью. Поверхность -спирали «инкрустирована» полярными (гидрофильными) и неполярными (гидрофобными) группами.

Взятые сами по себе такие группы способны только к неспецифическим взаимодействиям, но вторичные структуры способны придать этим взаимодействиям специфический характер.

В этом их биологический смысл. Действительно, в зависимости от аминокислотного состава, топография гидрофобных групп на поверхности -спирали может сильно варьировать. Если две -спирали имеют комплементарную топографию гидрофобных аминокислотных остатков, то такие вторичные структуры будут «опознавать» друг друга и ассоциироваться с образованием гидрофобного ядра (принцип соответствия «ключа» «замку» работает и здесь).

Благодаря тому же топографическому фактору, полярные группы могут образовывать на поверхности вторичных структур «ландшафт», комплементарный поверхности нуклеиновых кислот. Обеспечение специфичности взаимодействия путем уникального распределения функциональных групп белка по поверхности является основным назначением всех вторичных структур белка. Принцип структурной комплементарности имеет универсальную физическую основу и реализуется не только во внутрибелковых взаимодействиях (в сформировавшихся глобулярных белках и в процессе их сворачивания), но и в случае межбелковых взаимодействий (нативная агрегация), включая взаимодействия белокнуклеиновая кислота.

Когда воздействие на клетку или клеточную структуру становится надпороговым, в (1) нативно-развернутых белках (или в развернутых участках белков) начинают формироваться вторичные структуры, а в (2) расплавленных глобулах эти структуры становятся доступными для взаимодействия с вторичными структурами других белков и с нуклеиновыми кислотами.

Такие вторичные структуры, индуцированные внешним воздействием, являются центрами нативной агрегации. Таким образом, первое, что происходит в активированной клетке — это появление новых вторичных структур, способных избирательно взаимодействовать друг с другом с образованием третичных структур, четвертичных и т.д. Белки, в которых вторичные структуры появляются при таких обстоятельствах, утрачивают свою былую инертность и становятся реакционноспособными.

Предлагаемый подход к пониманию механизмов клеточных реакций по-новому ставит вопрос о нативном и денатурированном состоянии белка. В нативном состоянии ключевые белки клетки инертны, нереакционноспособны, они не взаимодействуют друг с другом и с другими биополимерами. Утрата состояния инертности и есть денатурация. При денатурации развернутых полипептидных цепей на них появляются вторичные структуры, а при денатурации (плавлении) глобулярных белков их вторичные структуры модифицируются и «всплывают» на поверхность из гидрофобного ядра (становятся доступными для внешних взаимодействий). И в том, и в другом случае вторичные структуры готовы к взаимодействию. Другими словами, можно выделить два предельных состояния белка: полностью свернутое (глобулярный белок) и полностью развернутое. Между этими неактивными (нативными) состояниями может существовать множество промежуточных, активных, форм, которые и обеспечивают нативную агрегацию. Таким образом, у белка только два состояния неактивны (это и есть нативные состояния). Во всех остальных случая он активен, что проявляется в его способности к нативной агрегации.

Предложенный механизм нативной агрегации объясняет увеличение объема гидрофобной фазы клетки при протореакции (Matveev, 2005) и структурные изменения в ней при универсальной реакции живой клетки (Насонов, 1962). При формировании вторичных структур полярные группы пептидных связей уходят от контакта с водой и образуют водородные связи между собой. Уже только поэтому гидрофобность полипептида с вторичными структурами выше, чем у развернутого полипептида-предшественника. Объем гидрофобной фазы возрастает еще больше, когда вторичные структуры сливаются с образованием гидрофобных доменов (ядер). Вторая причина, по которой гидрофобная фаза клетки увеличивается в объеме, — это появление расплавленных глобул. У нативных глобулярных белков гидрофобное ядро представляет собой твердое тело со сравнительно небольшой поверхностью, слабо взаимодействующим с гидрофобными веществами (именно поэтому клетка в состоянии покоя гидрофильна). При плавлении, гидрофобное ядро перестает быть твердым телом (Финкельштейн и Птицын, 2005, лекция 17), составляющие его элементы становятся гораздо более подвижными относительно друг друга, ядро разрыхляется и становится доступным воде и растворенным в ней веществам (площадь гидрофобных контактов увеличивается). Если в растворе есть гидрофобные соединения, то они получают возможность проникать в ядро расплавленной глобулы и концентрироваться в этой гидрофобной фазе.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»