Тема 3 Основные принципы действия регуляторных механизмов клетки
Принципы регулирования физиологических процессов клеткой (межклеточные системы регуляции)
С появлением многоклеточных организмов развивались и совершенствовались межклеточные системы регуляции. Они включают в себя по крайней мере трофическую, гормональную и электрофизиологическую системы. Такие взаимодействия сразу обнаруживаются при попытках культивировать те или иные части и органы растений в изолированном виде. Во всех случаях для поддержания жизни изолированных частей в инкубационную среду необходимо добавлять трофические и гормональные факторы, в норме поступающие из других органов целого растения.
Трофическая регуляция – взаимодействие с помощью питательных веществ – наиболее простой способ связи между клетками, тканями и органами. У растений корни и другие гетеротрофные органы зависят от поступления ассимилятов – продуктов, образующихся в листьях в процессе фотосинтеза. В свою очередь, надземные части нуждаются в минеральных веществах и воде, поглощаемых корнями из почвы. Однако трофическая регуляция носит скорее количественный, чем качественный, характер. При ограниченном питании у растений, как правило, развитие продолжается в соответствии с внутренними закономерностями, но у них формируются органы уменьшенного размера и сокращается количество листьев, плодов и семян.
Гормональная система – важнейший фактор регуляции и управления у растений. Фитогормоны – ауксин (индолил-3-уксусная кислота), цитокинины (зеатин, изопентениладенин), гиббереллины, абсцизовая кислота, этилен – сравнительно низкомолекулярные органические вещества с высокой физиологической активностью, присутствующие в тканях в очень низких концентрациях (пикограммы и нанограммы на 1 г сырой массы), с помощью которых клетки, ткани и органы взаимодействуют между собой. Как правило, фитогормоны вырабатываются в одних тканях, а действуют в других, однако в некоторых случаях они функционируют в тех же клетках, где образуются. Характерной особенностью фитогормонов, отличающей их от других физиологически активных веществ (витаминов, микроэлементов), является то, что они включают физиологические и морфогенетические программы, например такие, как корнеобразование, созревание плодов и т.д.
Место синтеза индолил-3-уксусной кислоты (ИУК) - развивающиеся почки и молодые, растущие листочки. Отсюда ауксин полярно передвигается по живым клеткам проводящих пучков до кончиков корней со скоростью 0,5-1,5 см/ч. Цитокинины образуются в апексе корня и по сосудам ксилемы пассивно транспортируются во все части растения. Синтез гиббереллинов и абсцизовой кислоты (АБК) происходит в листьях, откуда они переносятся в другие части растения по ситовидным трубкам флоэмы. Оба эти фитогормона образуются и в кончиках корней (рис. 3). Синтез этилена в наибольшем количестве наблюдается там, где высока концентрация ИУК. Кроме того, большое количество как АБК, так и этилена накапливается в любых органах, находящихся в состоянии стресса. Поэтому эти фитогормоны часто называют стрессовыми. В частности, при недостатке воды в замыкающих клетках устьиц быстро возрастает содержание АБК, которая индуцирует закрывание устьичных щелей, снижая таким образом интенсивность транспирации.
Каждый из перечисленных фитогормонов является основой системы, включающей в себя ферменты синтеза, связывания (конъюгирования) и освобождения гормона из связанного состояния, способы мембранного и дальнего транспорта, механизмы действия, которые определяются наличием рецепторов и их локализацией, и, наконец, ферменты, кофакторы и ингибиторы разрушения фитогормона (рис. 4). В свою очередь, системы отдельных классов фитогормонов связаны в единую гормональную систему. Эта связь осуществляется на уровне как метаболизма фитогормонов, так и механизма их действия.
Электрофизиологическая система регуляции у растений включает в себя возникновение градиентов биоэлектропотенциалов (БЭП) между разными частями растения и генерацию распространяющихся потенциалов (потенциала действия и вариабельного потенциала). Градиенты БЭП возникают благодаря различию величин мембранного потенциала (МП) в клетках разных тканей, зон и органов растительного организма. Эти градиенты не остаются постоянными, а совершают медленные периодические колебания, обусловленные изменениями условий внутренней и внешней среды. Потенциалы действия (ПД) представляют собой электрические импульсы деполяризации МП продолжительностью 1-60 с и распространяющиеся по плазматической мембране через плазмодесмы из клетки в клетку со скоростью 0,1-1,0 см/с. ПД индуцируется лишь при достижении критического уровня деполяризации МП плазмалеммы и перемещаются по живым клеткам проводящих пучков. Вариабельные потенциалы возникают при градуальном изменении МП плазмалеммы и распространяются по плазматическим мембранам и плазмодесмам в виде медленных волн с периодом 1-10 мин. Распространяющиеся потенциалы индуцируются, как правило, при резких и сильных воздействиях на клетки факторов внешней и внутренней среды. Как распространяющиеся потенциалы, так и градиенты БЭП у растений, очевидно, выполняют, как и у животных, информационные функции. Хорошо известным примером сигнальной функции электрических импульсов служит двигательная реакция у Mimosa pudica L. (складывание листочков, опускание черешков и веток), которая запускается ПД. Наложение извне разности потенциалов на части растения оказывает влияние на интенсивность их роста.
Рабочий материал
Важным также является взаимная координация процессов, реакций, координация накопления и выделения веществ и энергии клеткой. В клетках между макромолекулами, входящими в ее состав, существует четкое распределение работы. Нуклеиновые кислоты играют роль хранителя и передатчика наследственной информации (ДНК) и посредника ее реализации (РНК). Белки несут функции рабочих механизмов – это ферменты, которые входят в состав клеточных структур и многих активных соединений.
Известно, что генетические возможности клетки фиксированы в молекулярной структуре ДНК, но реализация их зависит от внешних условий среды и весьма чувствительных специальных белков, которые способны воспринимать информацию из внешней среды и управлять деятельностью клетки; изменения же, которые осуществляются в организме и наследуются, происходят вследствие изменений в структуре ДНК.
Основной механизм регуляции внутриклеточных процессов связан с влиянием на ферменты разнообразных факторов. Это может осуществляться на генетическом уровне, если определяется состав ферментов или количество того или иного фермента в клетке. Второй тип регуляции – влияние на сам фермент, в результате чего активность его может стимулироваться или ингибироваться. Может иметь место также структурный уровень регуляции – влияние на образование и сборку клеточных структур (мембран, хлоропластов, рибосом, митохондрий и т. д.). Конкретными регуляторами внутриклеточных процессов могут быть фитогормоны, которые вырабатываются клетками или окружающими их другими клетками, или продукты реакций по принципу обратной связи (аллостерический эффект). Регуляция может осуществляться также путем транспортировки в клетку продуктов метаболизма и их предшественников, ионов, изменения формы регулируемого фермента (конформаций).
ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛЯЦИИ
К внутриклеточным относятся метаболическая, генетическая и мембранная системы регуляции. Все эти системы тесно связаны между собой. Например, свойства мембран зависят от генной активности, а дифференциальная активность самих генов находится под контролем мембран. Больше того, в основе всех форм внутриклеточной регуляции лежит единый первичный принцип, который можно назвать рецепторно-конформационным. Во всех случаях белковая молекула - будь то фермент, рецептор или регуляторный белок - "узнает" специфический для нее фактор и, взаимодействуя с ним, изменяет свою конфигурацию. В мультикомпонентных комплексах ферментов, генов и мембран конформационные изменения молекул рецепторов кооперативно передаются на весь комплекс, влияя на его функциональную активность.
Метаболическая система регуляции основана на изменении функциональной активности ферментов. В живых клетках существуют несколько способов влиять на ферментативную активность [1, 2]. Из них наиболее общий - регуляция путем воздействия на ферменты таких факторов внутриклеточной среды, как ионная сила, рН, температура, давление и др. В этой неспецифической регуляции особую роль играют ионы Н+. Большинство ферментов имеют четко выраженный максимум активности в том или другом диапазоне рН. Изостерическая регуляция активности ферментов осуществляется на уровне их каталитических центров. Реакционная способность и направленность работы каталитического центра фермента зависят в том числе и от количества субстрата (закон действия масс). Интенсивность работы фермента определяется также наличием кофакторов: коэнзимов для двухкомпонентных ферментов (например, никотинамидадениндинуклеотида для алкогольдегидрогеназы), специфически действующих ионов двухвалентных металлов (Mg2 +, Mn2 +, Zn2 +), а также ингибиторов. Активность тех или других ферментов может быть связана с конкуренцией за общие субстраты и коферменты, что является одним из способов взаимодействия различных метаболических циклов.
Некоторые ферменты, кроме каталитических (изостерических) центров, имеют также аллостерические, то есть расположенные в других местах рецепторные участки, которые служат для связывания аллостерических эффекторов (регуляторов). Как правило, аллостерические ферменты включают в себя каталитическую и регуляторную субъединицы (рис. 1). В качестве эффекторов могут выступать определенные метаболиты, гормоны или даже молекулы субстрата. В результате присоединения положительно или отрицательно действующего эффектора к аллостерическому центру происходит изменение всей структуры фермента (конформация), что приводит соответственно к активации или торможению функциональной активности каталитического центра. Примером аллостерической регуляции может служить регуляция активности фосфофруктокиназы - ключевого фермента гликолиза (анаэробной фазы биологического окисления глюкозы). Этот фермент осуществляет перенос фосфатной группы от АТФ на фруктозо-6-фосфат. Он аллостерически ингибируется фосфоенолпируватом, АТФ, лимонной кислотой. Когда концентрация этих соединений достигает высокого уровня (клетка богата энергией), окисление глюкозы через гликолиз тормозится. Наоборот, при недостатке энергии в клетке накапливается ортофосфат, который является аллостерическим активатором фосфофруктокиназы. В результате скорость гликолиза и синтеза АТФ возрастает.
Важным способом регуляции ферментативной активности является трансформация латентной формы фермента (зимогена) в активную форму. Это достигается разрушением определенных ковалентных связей в молекуле полипептида с помощью протеаз. В ходе ограниченного протеолиза от зимогена отделяется определенный участок полипептида, что превращает фермент в активную форму. Модификация структуры ферментов - еще один эффективный способ регуляции их активности. У многих ферментов активация или инактивация зависит от их фосфорилирования с участием протеинкиназ или дефосфорилирования под действием протеинфосфатаз. Существуют и другие способы модификации структуры ферментов. Потенциально активные ферменты могут не функционировать из-за их компартментации (то есть расположения в специальных "отсеках" клетки), например в лизосомах, причем освобождению лизосомных гидролаз способствуют кислые значения рН, свободнорадикальное окисление мембранных липидов и некоторые жирорастворимые витамины и стероиды. Инактивация ферментов может происходить благодаря их связыванию со специфическими ингибиторами белковой природы, а также путем их тотального разрушения протеиназами.
Генетическая регуляция осуществляется в ходе синтеза новых белков, в том числе и ферментов, на уровне транскрипции, трансляции и процессинга [3, 4]. Молекулярные механизмы регуляции здесь те же (рН, ионы, модификация молекул, белки-регуляторы), однако сложность регуляторных систем возрастает. Роль генов состоит в хранении и передаче генетической информации. Информация записывается в хромосомной ДНК с помощью триплетного нуклеотидного кода. Информация в клетках передается благодаря синтезу РНК на матрице ДНК (транскрипция) и синтезу специализированных белков на матрице мРНК с участием рибосом, содержащих рРНК и рибосомальные белки, и тРНК (трансляция). В ходе и после транскрипции или трансляции происходит модификация (процессинг) биополимеров, транспортирующихся в места назначения. Важную роль в поддержании пространственной организации белковой молекулы и в ее транспорте к местам постоянной дислокации играют белки-шапероны [4]. Специализированные белковые молекулы в соответствии со своей "структурной" информацией путем самосборки образуют специфические комплексы, выполняющие различные функции: каталитические (ферменты), двигательные (сократительные белки), транспортные (насосы и переносчики), рецепторные (хемо-, фото- и механорецепторы), регуляторные (белковые активаторы, репрессоры, ингибиторы), защитные (лектины) и др.
Дифференциальная активность генов зависит от действия различных факторов. Например, синтез в клетках ферментативного комплекса нитратредуктазы, восстанавливающего до уровня NH3, индуцируется как самим субстратом (нитратом), так и одним из фитогормонов - цитокинином. Известно, что ауксин и цитокинины необходимы для индукции деления растительных клеток. Избыток ауксина в этой паре фитогормонов включает генетическую программу корнеобразования, а избыток цитокинина - программу развития побега (см. ниже). Для реализации генетической информации, хранящейся в ДНК хромосом, в клетке существует сложная система регуляции, не все стороны которой в настоящее время известны.
Мембранная регуляция осуществляется благодаря изменениям в мембранном транспорте, связыванию или освобождению ферментов и регуляторных белков и путем изменения активности мембранных ферментов [5]. Все функции мембран - барьерная, транспортная, осмотическая, энергетическая, рецепторно-регуляторная и др. - одновременно являются и различными сторонами механизма регуляции внутриклеточного обмена веществ. Причем особое значение во всех этих механизмах имеет система мембранных хемо-, фото- и механорецепторов, позволяющих клетке оценивать качественные и количественные изменения во внешней и внутренней среде и в соответствии с этим изменять функциональную активность клетки.
Обобщенная и упрощенная схема рецепции и трансдукции (преобразования) сигналов из внешней для клетки среды у животных и растений принципиально одинакова и выглядит следующим образом (рис. 2). Биологически важный (адекватный) сигнал (гормон, химический компонент пищи и др.) связывается с a-субъединицей своего специфического белка-рецептора. В результате возрастает активность рецепторной протеинкиназы (если она имеется) и происходит аутофосфорилирование b-субъединицы рецептора, переводящее ее в конформационно активное состояние. Это состояние обеспечивает рецептору возможность взаимодействия с G-белком, который, связывая GTP, активирует ферменты-эффекторы (фосфолипазу С и др.). Эти ферменты индуцируют появление большого количества внутриклеточных мессенджеров (посредников), в результате чего происходит многократное усиление сигнала. В роли внутриклеточных мессенджеров, передающих сигнал в клетку, выступают инозитол-3-фосфат, циклический AMP, диацилглицерол, ионы Са2 + и др. Многие из этих посредников активируют специфические протеинкиназы, которые, в свою очередь фосфорилируя и таким образом изменяя функциональную активность белков, приводят к адекватному ответу на внешний сигнал. Существенную роль в трансдукции сигнала играют также сдвиги в состоянии мембранных липидов: их фосфорилирование, дефосфорилирование, метилирование и т.д.
http://www.youtube.com/watch?v=uvQErij6Q7o&list=PLFDF6F256C22D9710
http://youtube.com/watch?v=xYTFzybJWr4
