«Пропуск на работу»
Как известно, все живые организмы (если не считать вирусов) состоят из клеток.
Клетка эукариот (ядерных организмов, таких как животные, растения, грибы) окружена липидной мембраной, а внутри имеет целый ряд внутренних мембранных структур — мембранных органоидов. Причем цитоплазма (содержимое клетки, в котором находятся органоиды) — это тоже не совсем бульон с органоидами. Она представляет из себя что-то вроде геля с высоким содержанием воды и дополнительно структурируется специальными белковыми волокнами — цитоскелетом.
Мембранные органоиды (бывают еще и немембранные) — это участки клетки, отгороженные от основного пространства клетки липидной мембраной, похожей по структуре на мембрану самой клетки. То есть это такие липидные пузыри, цистерны, сложные разветвления из мембран, внутри которых есть полость, заполненная гелем, похожим по составу на цитоплазму клетки (см. рис. 1).
У каждого органоида есть ряд функций, которые он выполняет. Один обеспечивает клетку энергией, другой отвечает за переваривание веществ, и т. п. Мембранные структуры, имеющиеся в клетке, не вполне изолированы от ее основного пространства. Существует постоянный обмен различными химическими веществами между цитоплазмой клетки и органоидами. Большие молекулы, в том числе белки, проникают в органоиды через специальные каналы, причем для входа в конкретный органоид молекула должна предъявить каналу специальный «пропуск». Ведь в полость органоида должны попасть именно те молекулы, которые нужны для выполнения этим органоидом своих функций и никакие другие.
Если представить, что клетка — это такой огромный химический завод по производству того, что нужно организму, то мембранные органоиды — это цеха, а белки — это рабочие. Белки катализируют большую часть химических реакций, которые должны проходить в клетке, и в конечном итоге именно они в первую очередь определяют облик клетки. Что это будет за клетка — клетка мышечной ткани или клетка кожи, клетка жировой ткани или, может быть, нервная клетка, во многом определяется именно белками, которые в этой клетке присутствуют. То же самое относится к тому, что именно эта клетка должна делать в данный момент — сокращаться вместе со всей мышцей, делиться, синтезировать белки волос и ногтей, запасать жир или проводить нервный импульс.
Задача
1. Белки, которые синтезирует клетка, должны работать в разных ее частях, в том числе внутри разных мембранных структур клетки. То есть у каждого белка — свое место работы, свой цех, в который он должен попасть после синтеза (синтез белка можно сравнить с обучением рабочего). Предположите, что может быть «пропуском на работу» для конкретного белка.
2. В каждый момент жизни клетки ей необходим свой состав белков. Например, специальные белки, отвечающие за суточные ритмы клетки, должны достаточно быстро сменять друг друга в клетке в течение суток. Предложите как можно больше вариантов того, как клетка могла бы быстро регулировать состав белков.
Подсказка 1
Предлагается при решении всех вопросов прежде всего пользоваться соображениями целесообразности с точки зрения жизни клетки. Какие-то варианты не слишком выгодны и дороговато стоят. Чем больше целесообразных и логичных вариантов вы предложите, тем больше вероятность, что один из них действительно используется клеткой.
Подсказка 2
Представьте себе рабочих одного и того же цеха, у которых одна и та же татуировка на руке.
Подсказка 3
Чем отличается одежда, состояние и т.п. рабочего, работающего в цеху долго, от рабочего, который только что пришёл?
Решение
Вопрос 1.
Так какие же могут быть варианты «пропуска», который белку необходимо предъявить «на вахте» перед входом в цех?
Можно начать с того, какими свойствами должен обладать любой «пропуск» на любой завод:
1) по пропуску можно отличить того, кто должен войти, от того, кто не должен войти, то есть в пропуске должна быть записана информация о том, что рабочий работает на заводе в таком-то цеху; для каждого цеха информация своя;
2) пропуск должен легко распознаваться охраной или специальным считывающим устройством; то есть избыточность информации не приветствуется;
3) в одном и том же месте должны работать уборщица, рабочие разных специальностей и т. д. ; соответственно, пропуск не должен быть жёстко привязан к профессии входящего.
Как вообще можно отличить своих от чужих на входе:
a. Пропуск, отдельный от рабочего (бумажка, электронный пропуск).
b. Пропуск в составе рабочего (контроль сетчатки глаза или отпечатков пальцев на входе, face control, специальная татуировка и т. п.)
c. Проход вместе с другим человеком, которого знает охрана, который подойдёт к вахте и попросит тебя пропустить. В таком случае охрана должна распознавать этого другого человека по какому-либо признаку (см. первые два пункта). То есть такой вариант решения не отменяет необходимости придумывать пропуск для первого человека.
А теперь, как все эти бытовые выводы применить к клетке?
Исходя из знаний о химическом строении вещества, «пропуск» — это какая-либо молекула, группа молекул или часть молекулы.
Что может в принципе служить таким пропуском:
a. Какая-то молекула, которая прикрепляется к белку после его синтеза (например, углеводный остаток).
b. Какая-то часть самого белка — по возможности, небольшая последовательность аминокислот, которая не влияет на функционирование белка (вариант с татуировкой в качестве пропуска).
c. Белок может узнаваться, например, каким-либо другим белком или белковым комплексом, который приведет его туда, куда надо.
Какие варианты не работают исходя из соображений целесообразности?
Например, вариант узнавания белка по его третичной структуре (то есть по структуре всего белка в целом) очевидно не работает, поскольку структура белка напрямую связана с функцией, а в каждом «цеху» должны работать «рабочие» разных специальностей. К тому же, такая модель слишком громоздка и требует как бы индивидуального формата пропуска для каждого белка. Это всё равно как если бы на входе на завод охраннику требовалось осмотреть рабочего со всех сторон, измерить его рост, вес и объем талии.
Эксперимент показывает, что на практике в разных ситуациях могут реализовываться все три варианта.
Вариант a. Ко многим белкам после синтеза прикрепляется какая-нибудь метка (это может быть углеводный хвост, липидный («жирный») хвост, другой маленький белочек). Такая метка может быть полезна для выполнения белком его функций, но может одновременно служить, например, «пропуском на выход» или «черной меткой» (про черную метку — см. ответ на вопрос 2). Так, сигнал на выброс белка из клетки — это углеводная цепочка определённого состава (в том числе с несколькими остатками маннозы), которая узнаётся рецепторами в мембранах липидных пузырьков, при помощи которых белок можно вывести из клетки (этот процесс называется экзоцитозом). Белки, которые нужно выкидывать из клетки — это, например, антитела или гормоны белковой природы.
Вариант b. Пропуском для входа в какой-либо органоид служит какой-то специфический участок белка — короткая последовательность аминокислот (около 5–10 аминокислот), не сильно влияющая на структуру белка и, следовательно, на его функции. Очень часто такой сигнал находится на конце белка, хотя бывают и внутренние сигналы локализации.
Интересно, что если сигнал концевой, он очень часто «отрезается» после входа белка в органоид. Так обстоит дело с N-концевым лидерным пептидом — сигналом попадания белка в эндоплазматическую сеть, со многими сигналами ядерной локализации (кстати, ядро обычно не причисляют к мембранным органоидам), сигналом попадания в митохондрии (см. рис. 1). Если приводить аналогии с работой завода, то таким вариантом пропуска может служить, например, клок волос, который отрезается охраной.
Вариант c. При этом сигнал локализации как часть самого белка узнаётся обычно не самим охранником совмещенным с вахтой (белковый канал, встроенный в мембрану органоида), а каким-то белком в цитоплазме, который затем перемещается к нужному органоиду и сам взаимодействует с «вахтой» (так происходит в случае с пропуском в эндоплазматическую сеть).
Вопрос 2.
Итак, как же клетка могла бы быстро регулировать состав белков?
Можно начать со следующих логических выкладок.
Белок синтезируется в клетке. Следовательно, регуляция может идти уже на уровне синтеза белка, причем на всех этапах этого синтеза (транскрипция, трансляция). Синтезироваться должны только белки, нужные в данный момент.
Необходимо довольно-таки жестко ограничивать время жизни уже синтезированного белка. Причем это время жизни должно быть существенно больше для белка, который нужен клетке на всех этапах ее существования, по сравнению с белком, который нужен при конкретных условиях (жара, холод, освещенность, время суток).
Может быть ситуация, когда ограничения времени жизни белка не достаточно для регуляции. Например, вдруг изменились условия жизни — например, наступила жара. В таком случае нужно уметь блокировать активность того или иного белка.
a. Можно делать это просто и грубо — «убивая» данный белок, то есть разваливая его на составные части, вплоть до отдельных аминокислот.
b. Можно делать это более «аккуратно»: ведь в следующую минуту условия опять изменятся, и опять будут нужны, например, белки адаптации к холоду. В таком случае, нужно иметь возможность заблокировать активность того или иного белка на какое-то время. Длительность блокирования должна зависеть от изменения конкретных условий.
Все эти варианты реализуются на практике.
Вариант 1. Для того чтобы подробно рассмотреть этот вариант, нужно очень хорошо представлять себе суть процесса синтеза белка, то есть как именно с гена в составе ДНК считывается мРНК, а затем белок. Пожалуй, тут я воздержусь от комментариев.
Вариант 2 «проще». Давайте подумаем: что, в сущности, нужно для ограничения времени жизни? — а) Какой-то таймер, что-то, что это время жизни будет «отсчитывать». Что-то, что меняется со временем (например, стрелка, ползущая по часам, или грязь, постепенно прилипающая к одежде рабочего). б) Какой-то «детонатор» и «взрывной механизм» — чтобы в нужный момент разрушить белок.
Таймером может служить какое-нибудь изменение в молекуле белка или навешивание со временем какой-либо метки. Подобной меткой служит небольшой белок убиквитин, который «навешивается» меткой на нужный белок (одна молекула убиквитина, потом две, потом три, и т. д.). Когда метка становится достаточно длинной, её распознают специальные немембранные органоиды — протеосомы, в которых происходит деградация белка.
Вариант 3 активно используется, например, для регуляции клеточного цикла (фактически, регуляция деления клетки). На каждый белок клеточного цикла есть свой белок-регулятор (очень часто таких регуляторов несколько). Белок-регулятор или метит нужный белок меткой, влияющей на активность белка (в зависимости от того, «присобачена» ли к белку фосфатная группа, белок может быть во включенном состоянии или в выключенном). Тут белок получается чем-то вроде выключателя: есть положение «вкл», при котором он работает, и положение «выкл», при котором он не работает.
Еще один вариант: белок-ингибитор может сам связываться с нужным белком, образуя с ним неактивный комплекс, а белок-активатор может, наоборот, приводить к образованию активного комплекса.
Если Вы при решении задачи придумаете еще какие-нибудь логично-целесообразные варианты, напишите в комментариях, и мы вместе их обсудим.
Послесловие
Строение клетки, функциональные взаимосвязи внутри нее, роль белков в этих взаимосвязях — это совершенно бездонная тема для обсуждения.
Можно задать еще сотни вопросов, на некоторые из которых ученые уже нашли ответ, подтвержденный множеством экспериментов. Например, зачем эукариотической клетке такое количество мембранных структур — мест работы для белков: цехов, «энергетических подстанций» и т. п.? (Заметим, что более простая бактериальная клетка отличнейшим образом обходится без мембранных органоидов, хотя и тут есть некоторые их аналоги.) Или какие узкие места есть в системах выключения и включения активности белков, регуляции их времени жизни, как эти системы могут сломаться и к каким последствиям это может привести?
Последний вопрос напрямую связан с вопросом: «А зачем так сложно? Зачем столько разных систем регуляции в клетке? Зачем столько вариантов?» Ответ: для надежности.
Когда строят дом, архитекторы и инженеры специально высчитывают, чтобы у него был большой запас прочности. Когда строят атомную электростанцию — ставят множество датчиков, систем контроля. Когда отправляются в кругосветное путешествие, подбирают команду, которая будет слушаться своего командира. И всё равно у многоэтажных домов иногда обваливается балкон, электростанции иногда взрываются, а матросы устраивают бунт.
Так и у клеток: несмотря на строгую субординацию молекул внутри каждой клетки, несмотря на массу вариантов регуляции, клетки то и дело выходят из строя раньше, чем положено. В случае одноклеточного организма это может означать либо гибель клетки, либо ее эволюцию. В случае более сложного многоклеточного организма это обычно означает гибель клетки или рак.
