Молекула клеточного стресса

Сайт о нанотехнологиях #1 в России

Откуда берутся опасные белковые молекулы под названием прионы? Фактически скопления белков, обладающих аномальной третичной структурой, – прионов стимулирует развитие нейродегенеративных заболеваний среди людей и животных. В качестве примера можно привести небезызвестное коровье бешенство и болезнь Крейцфельда-Якоба. Прионы инициируют формирование аномальной третичной структуры других белковых молекул, изначально имеющих правильную третичную структуру, и их последующую агрегацию. Но для того, чтобы данный процесс был запущен необходимо появление самих прионов.

Представители медицинской школы университета Эмори обнаружили, что белок дрожжей под названием Lsb2 может стимулировать спонтанное образование прионов. Этот нестабильный, короткоживущий белок возникает в результате клеточного стресса, например, при значительном повышении температуры. Его свойства демонстрируют то, как клетки научились контролировать и регулировать процесс образования прионов. Исследования, проведённые с использованием дрожжевых клеток, показали, что иногда прионы способны помогать клеткам адаптироваться к различным условиям.

Более подробное описание проведённых исследований опубликовано в журнале Molecular Cell. Ведущий автор проведённых исследований – Кейт Вилкинсон (Keith Wilkinson, профессор биохимии медицинской школы университета Эмори). Так же в исследованиях принимала участие старший научный сотрудник Татьяна Чернова.

Белковые молекулы, находящиеся в агрегированном состоянии, связанные с некоторыми другими нейродегенеративными заболеваниями, такими, как болезнь Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона, при определённых обстоятельствах могут вести себя как прионы. Результаты исследований, полученные группой учёных, дают понимание того, как пути, с помощью которых клетка справляется со стрессом, могут приводить к агрегации опасных для здоровья человека белковых молекул.

«Прямого гомолога Lsb2 в человеческом организме не обнаружено, но в организме человека может существовать белок, выполняющий аналогичные функции» – говорит Кейт Вилкинсон. По её мнению, обнаруженный ииследователями механизм может дать большее количество информации о различных белковых агрегатах, чем о классических прионах организма человека.

Белок Lsb2 возникает не для того, чтобы превратиться в молекулы прионов. Скорее, он стимулирует агрегирование других белковых молекул, под названием Sup35, которые формируют прионы.

«Описанная нами модель заключается в том, что стресс индуцирует высокий уровень продукции Lsb2, что стимулирует аккумулирование белковых молекул с аномальной третичной структурой. Lsb2 защищает появившиеся прионовые частицы от влияния контролирующих структур клетки» – говорит Кейт Вилкинсон.

www.nanonewsnet.ru

Клеточные трагедии

Часть II: жизнь в условиях стресса

«Клеточные трагедии» — это большой цикл статей о клетках. Почитайте и другие тексты об их нелёгкой жизни: в них рассказывается самоубийствах, шоке, муках самоопределения, старости, второй молодости, и — бессмертии.

Стресс — неотъемлемая черта нашей повседневной жизни. Если прислушаться к разговорам окружающих, то он обнаруживается повсюду: друзья жалуются друг другу на тяжелую жизнь и вечный стресс, врачи спрашивают, когда и какой стресс переживал больной, работодатели ищут стрессоустойчивых сотрудников. Клеткам тоже не удается избежать действия стрессовых факторов, однако в некоторых случаях это даже идет им на пользу.

Восстание рабов

Самое известное из стрессовых состояний клетки — окислительный стресс — связано с необходимостью получать энергию. В общем виде процесс добычи энергии можно представить так: берем большую органическую молекулу, расщепляем на молекулы поменьше и еще поменьше, пока не удастся собрать достаточно атомов водорода. Затем концентрируем их внутри митохондрии и там разделяем каждый атом на протон и электрон. Протоны разгоняем, и за счет энергии их движения получаем АТФ — главную энергетическую валюту клетки. Все бы хорошо, но проблема в оставшихся электронах. Чтобы разгонять новые протоны, нужно куда-то деть старые электроны. А для этого нужно активное вещество, готовое их принять, в нашем случае — кислород.

Эта система отработана многими поколениями живых организмов, есть только одна проблема. Кислород — не просто активное вещество, а очень активное вещество. Можно представить себе клетку как рабовладельческое государство. Необходимую для поддержания своего существования энергию оно добывает в шахте (митохондрии). Но в ходе добычи ценного ресурса возникают мешки с мусором (электроны), которые нужно выносить, чтобы работа не останавливалась. Для этого используют рабов (молекулы кислорода), каждому из которых вручают по два мешка. Рабы, по понятным причинам, злые и агрессивные, поэтому если вовремя их не нагрузить мешками, то они начинают драться и атаковать окружающих.

Иллюстрация OpenStax College, переведена и адаптирована Wikimedia commons CC BY 3.0

Время от времени на кислород в митохондриях не попадает достаточное количество электронов, и он начинает их отбирать у других молекул, то есть окислять их. Молекулы, содержащие агрессивный атом кислорода, называют активными формами кислорода, или свободными радикалами. Самые известные из них — супероксид (молекула кислорода с одним неспаренным электроном) и перекись водорода (которая легко распадается на два радикала OH с неспаренными электронами). Разгневанные рабы (активные формы кислорода) атакуют всех на своем пути. Одни атакованные молекулы при этом распадаются, другие — теряют работоспособность, а некоторые сами становятся радикалами и присоединяются к бунту. Количество восставших молекул с неспаренными электронами растет, развивается цепная реакция.

Подавление восставших

До тех пор пока восстание не выходит за пределы шахты-митохондрии, клетка находится в относительной безопасности. Строго говоря, отдельные волнения для нее являются нормой, потому что при большом количестве рабов всегда найдется кто-нибудь недогруженный и недовольный. Говорить об окислительном стрессе становится возможно, когда активные формы кислорода выходят из митохондрии и попадают в цитоплазму. Возникает ситуация государственной нестабильности: радикалы нападают на мирных граждан, мешая им выполнять свои общественно полезные функции.

Но страшнее то, что бунтовщики начинают представлять угрозу государственному строю. Клеточная конституция — молекула ДНК, как и многие другие вещества, подвержена окислению. При этом могут видоизменяться отдельные азотистые основания или рушиться связи между нуклеотидами в цепочке. Некоторые из этих ошибок исправят белки системы репарации — своеобразное Конституционное собрание. Но если, например, порвались обе цепи ДНК (двунитевой разрыв), то восстановить информацию будет сложнее. Таким образом, когда восставшие рабы добираются до конституции, они могут внести в нее случайные изменения. Это может привести к раковой трансформации клетки: она провозгласит свою независимость от остального организма и начнет неконтролируемо делиться и расти.

Чтобы защитить свою ДНК, клетка включает антиокислительный ответ, то есть начинает производить защитные вещества. С восставшими можно справиться перевоспитанием — с помощью ферментов, нейтрализующих радикалы (например, каталаза разрушает перекись до безобидных молекул). Второй вариант — заткнуть им рты недостающими электронами: так действуют вещества-антиоксиданты. Их в клетке множество, из всем известных можно вспомнить витамины А, С и Е и кофермент Q. Но если антиокислительного ответа недостаточно и ДНК серьезно повреждена, запускается программа клеточной гибели — апоптоз. Государство, не справившееся с восстанием, ждут массовые убийства (разрушение молекул), раздробленность (клетка разваливается на мембранные пузырьки) и раздел между соседними государствами (клетками, поглощающими эти пузырьки).

Яйцеклетки, окрашенные маркерами окислительного стресса. Голубой — антиоксиданты, зеленый — активные формы кислорода, красный — митохондрии. По вертикали, слева направо: 1) контрольные клетки; 2) клетки под действием салюбриналя (лекарство, стимулирующее реакцию на стресс); 3) клетки, поглотившие много жиров; 4) клетки под действием салюбриналя и жиров. Фото CNBP CC BY 2.0

Морковь против брокколи

Процессы в отдельных клетках не могут не сказываться на организме. Во множестве случаев окислительный стресс приводит не только к образованию опухолей, но и к ухудшению работы и гибели клеток, что лежит в основе разнообразных дегенеративных заболеваний. Так, например, могут погибать клетки при диабете, болезнях Альцгеймера и Паркинсона. Кроме того, было подмечено (у червей, мух и мышей), что организмы, у которых в течение жизни меньше активных форм кислорода в клетках, живут дольше. Поэтому создается впечатление, что окислительный стресс неизбежно приводит к гибели клеток и вреден во всех своих проявлениях.

В связи с этим некоторое время назад возникла мода на антиоксиданты. Аргументация в их пользу выглядела так: наш организм не совершенен и не может справиться с производимыми радикалами, поэтому нужно ему помочь, поставляя антиоксиданты извне. В качестве спасительных кандидатов фигурировали не только лекарства, но и привычные нам овощи и фрукты, богатые витаминами (морковь, смородина и т.д. ). Однако появляется все больше данных о том, что активное употребление антиоксидантов приносит чуть ли не больше вреда, чем пользы. Оговоримся сразу: из этого не следует, что морковь сокращает нашу жизнь. Но многочисленные клинические исследования не обнаружили позитивного влияния антиоксидантов на развитие рака и других заболеваний. Более того, некоторые исследователи отмечают даже негативный эффект от их приема. Значит, в исходную логику где-то закралась ошибка.

Одно из обстоятельств, которое легко упустить из вида, — роль активных форм кислорода в иммунной системе. Клетки врожденного иммунитета часто намеренно их производят и применяют против бактерий. Антиоксиданты, попадающие в кровь, нейтрализуют радикалы и ослабляют нашу антибактериальную защиту. Другой немаловажный фактор — тренировочная роль стресса, подготовка клетки к тяжелым временам. Вернемся к нашему примеру с бунтующим кислородом. Представим, что на шахтах перестали появляться агрессивно настроенные рабы. Нет восстаний, полицейские бездействуют, ходят строем по плацу туда-сюда и от скуки вышивают крестиком. Понятно, что в критической ситуации, которая может возникнуть неожиданно, например в результате повреждения шахты (митохондрии), такая полиция справиться не сможет.

Постоянный невысокий уровень стресса держит клетку в состоянии боевой готовности. Это явление назвали гормезисом. С его помощью ученые объясняют позитивный эффект от самых разных стрессовых факторов в малых дозах: физических упражнений, алкоголя, диеты и температурных перепадов. В список попадают и продукты-оксиданты: экстракты чая, темный шоколад, шпинат и брокколи. Главное — не переборщить с закалкой, так как грань между мягким и жестким стрессом тонка. Например, в фибробластах включается мягкий стресс при 41 °C и жесткий — при 43 °C.

Пристальный взгляд на биологию клетки невольно заставляет задуматься: так ли сильно мы на самом деле страдаем от тяжелой жизни и нервной работы? В бесконечной битве со стрессовыми факторами не стоит забывать о спасительных тренировках. По крайней мере, сейчас мы знаем, как воспитывать стрессоустойчивость в собственных клетках. А любая борьба начинается с малого.

chrdk.ru

Клеточный стресс может заставлять клетки дрожжей стимулировать формирование прионов

Клетки дрожжей. (кликните картинку для увеличения)

25.07.2011 (15:15)
Просмотров: 6372
Рейтинг: 1.60
Голосов: 5

Откуда берутся опасные белковые молекулы под названием прионы? Фактически скопления белков, обладающих аномальной третичной структурой, — прионов стимулирует развитие нейродегенеративных заболеваний среди людей и животных. В качестве примера можно привести небезызвестное коровье бешенство и болезнь Крейцфельда-Якоба. Прионы инициируют формирование аномальной третичной структуры других белковых молекул, изначально имеющих правильную третичную структуру, и их последующую агрегацию. Но для того, чтобы данный процесс был запущен необходимо появление самих прионов.

Представители медицинской школы университета Эмори обнаружили, что белок дрожжей под названием Lsb2 может стимулировать спонтанное образование прионов. Этот нестабильный, короткоживущий белок возникает в результате клеточного стресса, например, при значительном повышении температуры. Его свойства демонстрируют то, как клетки научились контролировать и регулировать процесс образования прионов. Исследования, проведённые с использованием дрожжевых клеток, показали, что иногда прионы способны помогать клеткам адаптироваться к различным условиям.

Более подробное описание проведённых исследований опубликовано в журнале Molecular Cell. Ведущий автор проведённых исследований – Кейт Вилкинсон (Keith Wilkinson, профессор биохимии медицинской школы университета Эмори). Так же в исследованиях принимала участие старший научный сотрудник Татьяна Чернова.

Белковые молекулы, находящиеся в агрегированном состоянии, связанные с некоторыми другими нейродегенеративными заболеваниями, такими, как болезнь Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона, при определённых обстоятельствах могут вести себя как прионы. Результаты исследований, полученные группой учёных, дают понимание того, как пути, с помощью которых клетка справляется со стрессом, могут приводить к агрегации опасных для здоровья человека белковых молекул.

«Прямого гомолога Lsb2 в человеческом организме не обнаружено, но в организме человека может существовать белок, выполняющий аналогичные функции» — говорит Кейт Вилкинсон. По её мнению, обнаруженный ииследователями механизм может дать большее количество информации о различных белковых агрегатах, чем о классических прионах организма человека.

«Описанная нами модель заключается в том, что стресс индуцирует высокий уровень продукции Lsb2, что стимулирует аккумулирование белковых молекул с аномальной третичной структурой. Lsb2 защищает появившиеся прионовые частицы от влияния контролирующих структур клетки» — говорит Кейт Вилкинсон.

sci-lib.com