В 2.4.5.3-а обсуждалась проблема сохранности и минимизации искажений содержания биологической (генетической, наследственной) информации на уровне ДНК, а также в связи с передачей этой информации в ряду клеточных поколений (репликация ДНК). Обращает внимание наличие целого комплекса соответствующих факторов и механизмов. Вследствие их совокупного действия по завершении процесса самоудвоения (самокопирования) ДНК в геноме остается 1 ошибка на 109–1010 спариваний нуклеотидов. Можно предположить, что существуют механизмы, снижающие возможность появления и/или сохранения функционально «дефектных» биоинформационных полимеров на таких этапах внутриклеточного потока генетической информации как транскрипция, процессинг пре-РНК транскриптов, трансляция, пост(после)трансляционные события.
Общий итог известен: один «дефектный» полипептид приходится на 104 образуемых клеткой.
Ведущее место в стратегии гарантии требуемого качества на названных этапах внутриклеточного потока биоинформации занимает, видимо, не «профилактика» искажений или, если уж они возникают, их устранение с восстановлением «правильного» текста (восстановление содержания, смысла), а детекция и селективное (избирательное) разрушение функционально неполноценных продуктов. Тем не менее, в эволюции эукариотической клетки возникли механизмы защиты нуклеотидных последовательностей и(м)РНК от разного рода агрессивных воздействий, в частности, ферментных (нуклеазы). Соответствующие функции выполняют «кэп» на 5'-конце и, предположительно, поли-А участок на 3'-конце молекулы. Свой вклад вносят, по-видимому, белки, комплексирующиеся с и(м)РНК в ядре (ядерные информосомы) и в цитоплазме (цитоплазматические информосомы).
С другой стороны, известны механизмы ликвидации и(м)РНК путем их деградации. Понятен «биоинформационный резон» разрушения и(м)РНК в случае «неправильного» размещения в них кодонов-терминаторов (англ., N onsense- M ediated RNA D ecay или NMD; синоним — mRNA surveillance). Ориентиром для ферментов, осуществляющих контроль функционального соответствия информационных (матричных) РНК, является присутствие по ходу транскрипта ниже места расположения кодона-терминатора (направление downstream) нетранслируемой нуклеотидной последовательности. В контроле «качества» и(м)РНК принимают участие ядерные структуры — экзосомы (англ., exosomes; аналог деградосом (degradosomes) бактериальных клеток). Они, по-видимому, осуществляют мониторинг степени аденилирования транскрипта непосредственно перед тем, как и(м)РНК покинет ядро. И(м)РНК, «несостоятельные» по поли-А «хвосту», разрушаются.
Выше указывалось на роль тРНК в правильном подборе аминокислот и важность для получения функционально полноценного результата адекватного пространственного взаиморасположения участников рибосомного цикла синтеза полипептидов (трансляция).
В эволюции возникли также способы молекулярной детекции и «мечения» полипептидов, подлежащих деградации. В одном из них участвует небольших размеров белок убиквитин, образуемый только клетками эукариот, узнающий соответствующий полипептид по N -концевой аминокислоте. В детекции могут принимать участие белки - шапероны (см. 2.4.4.4-д). «Выбраковке» и деградации подлежат белки с ошибочно включенными аминокислотами, что обычно сказывается на их фолдинге, химически поврежденные, а также «старые» молекулы. Основная роль в деградации белков принадлежит лизосомам (2.4.4.4-в). Существуют также внелизосомные механизмы, например, протеасомный (см. 2.4.1). Сбои в механизмах деструкции функционально «несостоятельных» полипептидов приводят у людей к тяжелой патологии (см. 2.4.8).
Важно помнить о функциональном аспекте деградации белков, образуемых эукариотической клеткой, среди которых есть как долгоживущие (гемоглобин), так и короткоживущие (многие регуляторные белки). Время полужизни (период полураспада) нормально работающих белков колеблется от минут до суток и более. Особого внимания заслуживает распад белков мышечной ткани при голодании, направленный на высвобождение аминокислот с их использованием для поддержания энергетики организма (через механизм глюконеогенеза). Без такого распада человек не мог бы пережить голодание свыше 24 ч.
Напомним, что биоинформационный сегмент в мире жизни представлен первичными (базовыми) ДНК-текстами, а также вторичными РНК- и белковыми текстами. Складывается впечатление, что эволюционная стратегия в отношении базовых генетических текстов (ДНК) отдавала предпочтение выработке механизмов защиты, сохранения исходной «функционально-биологически правильной» генетической (наследственной) информации и исправления возникающих в ней искажений, тогда как в отношении РНК- и белковых текстов, в случае появления искажений, вполне допускалось их уничтожение и замена биоинформационно полноценными РНК и белками путем их синтеза.
2.4.6. Внутриклеточный поток энергии
Поток энергии у представителей разных групп ныне существующих организмов обеспечивается различными механизмами энергообеспечения — фото- или хемосинтезом, брожением, дыханием (анаэробным и аэробным).
Учитывая, что соответствующий материал основательно прорабатывается в средних общеобразовательных школах и в средних специальных учебных заведениях, а также то, что впросам биоэнергетики большое внимание уделяется в курсе биохимии медицинских вузов, причем с фиксацией пристального внимания на механизмах энергообеспечения процессов жизнедеятельности млекопитающих животных и человека, представляется целесообразным принципы, конкретику и механизмы энергообеспечения в данном учебнике подробно не рассматривать, ограничившись лишь комментариями самого общего плана.
2.4.6.1. Дыхательный обмен
Центральная роль в биоэнергетике клеток высших организмов, к которым относят млекопитающих животных, включая человека, принадлежит дыхательному обмену. В наиболее общем виде, он включает реакции расщепления низкокалорийного органического «топлива» в виде глюкозы (гликогена), жирных кислот (жиров), аминокислот (белков) и использование выделяемой при этом энергии для образования универсального высококалорийного макроэргического клеточного «топлива» — аденозинтрифосфата (аденозинтрифосфорная кислота, АТФ). Энергия АТФ, непосредственно или будучи «зарезервированной» в других макроэргических химических соединениях (креатинфосфат мышечной ткани), преобразуется в тот или иной вид работы — химическую (синтезы), осмотическую (поддержание градиентов или перепадов концентрации веществ), электрическую (поддержание градиентов и движения зарядов), конструктивную (сборка микротрубочек из субъединиц тубулина), механическую (мышечное сокращение, внутриклеточное перемещение структур), регуляторную (рис. 2-43).
Рис. 2-43. Поток энергии в клетке.
Особое место в дыхательном обмене принадлежит основному веществу (матриксу) цитоплазмы и митохондриям, что может быть проиллюстрировано на примере окисления глюкозы, которое в полном объеме состоит из трех этапов: анаэробный гликолиз, аэробный гликолиз и (окислительное) фосфорилирование. Третий этап дает клетке основное количество молекул АТФ на исходную молекулу глюкозы.
Суммарная производительность аэробного гликолиза с учетом того, что некоторое количество АТФ используется на месте в ходе описанных превращений, выражается цифрой 30–32 молекулы АТФ на молекулу глюкозы. Эффективность рассмотренного механизма энергообеспечения можно оценить по коэффициенту полезного действия. Для митохондрий он составляет 45–60%. Для сравнения, коэффициент полезного действия в двигателях внутреннего сгорания — 17%, в паровой машине — 8%.
Выход АТФ в митохондриях меняется с изменением проницаемости их внутренней мембраны для протонов. Максимальный выход АТФ соответствует ничтожной проницаемости, когда протоны буквально «вынуждены» проходить через фермент АТФ-синтазу. Описаны, однако, примеры, когда для решения специфических задач в названной мембране активно формируются протонные каналы. В такой ситуации процессы окисления, с одной стороны, и фосфорилирования АДФ до АТФ, с другой, разобщаются и АТФ не образуется. Вся выделяемая в этом случае энергия превращается в тепло. Описанный механизм работает, в частности, в клетках бурой жировой ткани, чрезвычайно богатых митохондриями, в которых присутствует специальный белок терминоген. Функция последнего состоит в создании во внутренней мембране митохондрий протонных каналов, разобщении окислительного фосфорилирования и, как следствие, интенсификации теплопродукции. Образуемое таким образом тепло позволяет сохранять на требуемом уровне температуру тела новорожденных детей, отличающихся незрелостью механизмов теплопродукции и терморегуляции.
Обеспечение энергозатрат организма происходит за счет окисления не только глюкозы (гликогена), но также жирных кислот (жиров) и избыточного (относительно потребности в них белковых синтезов) количества аминокислот.
Фосфорилирование той или иной макромолекулы, прежде всего белковой, заключающееся в переносе на нее фосфатных групп АТФ, обычно связывают с активацией функции, например, каталитической. Известны примеры, когда фосфорилирование приводит к подавлению ферментативной активности. Так, фосфорилирование протеинкиназы Cdk 2, участвующей в регуляции прохождения клеткой периодов G 1 и S клеточного (митотического) цикла, по остаткам аминокислоты треонина активирует фермент, а по остаткам аминокислоты тирозина угнетает.
2.4.6.2. Фотосинтез
В основе энергетики жизни лежат окислительно-восстановительные процессы. Многие из нынешних обитателей планеты относятся к гетеротрофам. Источником энергии (реально, высоко энергезированных электронов) для них служат поступающие в организм в виде пищи органические вещества, отличающиеся повышенным энергетическим потенциалом. Использование указанного потенциала связано с процессом дыхания, в ходе которого соответствующие вещества, окисляясь и, следовательно, разрушаясь, отдают свои электроны, транспортируемые по дыхательной цепи митохондрий на кислород. Существенным результатом происходящих превращений является синтез ключевого элемента биоэнергетики — АТФ. В приведенной схеме обращают внимание два обстоятельства: во-первых, конечность запасов источника электронов — предсуществующей органики, во-вторых, необходимость в достаточном количестве свободного кислорода (эффективный акцептор электронов). Для «гарантированного» и устойчивого поддержания жизни во времени, оптимизации и создания высокоэффективных систем энергообеспечения жизнедеятельности организмов в эволюции возникает механизм фотосинтеза, обусловливающий стабильный кругооборот электронов и, при этом, отличающийся рядом принципиальных преимуществ. Во-первых, в нем задействован практически неисчерпаемый источник энергии — солнце, во-вторых, практически неисчерпаемый донор электронов — вода. И, в-третьих, выделяющийся в ходе фотосинтеза кислород является практически неисчерпаемым акцептором электронов. Сказанное объясняет, почему фотосинтезрассматривается как одно из важнейших достижений эволюции жизни.
