Регуляция генов у эукариот, регуляция обмена веществ и клеточный гомеостаз

В 1962 году английский биолог Джон Гёрдон проделал опыт, который многие тогда считали невозможным. Он брал яйцеклетку шпорцевой лягушки, разрушал её ядро ультрафиолетом и пересаживал в неё ядро клетки кишечника головастика. Некоторые такие яйцеклетки развивались в нормальных головастиков, а несколько — во взрослых плодовитых лягушек [1]. Значит, ядро специализированной клетки кишечника сохранило все гены, нужные для построения целого организма: и гены мышц, и гены нервной системы, и гены кожи. Гены не теряются при специализации клеток — они просто выключаются. Через полвека, в 2012 году, за это открытие Гёрдон получил Нобелевскую премию — вместе с японцем Синъей Яманакой, который научился «включать обратно» гены зародыша во взрослых клетках.

Это шестая статья серии о реализации наследственной информации (начало — «Матричный синтез и реализация наследственной информации», о регуляции генов у бактерий — в статье «Оперон»). В ней разобрано, как регулируется работа генов у эукариот, как клетка регулирует обменные процессы и поддерживает постоянство своей внутренней среды — клеточный гомеостаз.

• 1. Одинаковые гены — разные клетки
• 2. Уровни регуляции у эукариот
• 3. Хроматин: упакованные и открытые гены
• 4. Эпигенетика: память клетки без изменения ДНК
• 5. Факторы транскрипции и энхансеры
• 6. Гены «от мамы» и «от папы»: геномный импринтинг
• 7. Королева и рабочая: эпигенетика пчёл
• 8. Регуляция генов и эволюция
• 9. Растения «помнят» зиму
• 10. Гормоны включают гены
• 11. Главные гены: как одна клетка становится мышечной
• 12. Перепрограммирование клеток
• 13. Регуляция на уровне РНК: микроРНК и РНК-интерференция
• 14. Почему у человека так мало генов
• 15. Регуляция активности и срока жизни белков
• 16. Регуляция обменных процессов в клетке
• 17. Регуляция активности ферментов
• 18. Разделение процессов в пространстве
• 19. Гормоны согласуют обмен веществ всего организма
• 20. Клеточный гомеостаз
• 21. Натрий-калиевый насос
• 22. Ионы кальция и кислотность
• 23. Объём клетки и осмос
• 24. Отрицательная обратная связь — главный принцип гомеостаза
• 25. Гены и среда: гималайский кролик
• 26. Белковый гомеостаз: шапероны, протеасомы, аутофагия
• 27. Как изучают работу генов
• 28. Как клетка чувствует нехватку кислорода
• 29. Клеточные часы
• 30. Апоптоз: гибель клетки как часть гомеостаза
• 31. Гомеостаз железа: регуляция на уровне трансляции
• 32. Когда регуляция ломается: рак
• 33. Итог: прокариоты и эукариоты
• 34. Частые ошибки
• 35. Интересные факты
• 36. Частые вопросы
• 37. ЕГЭ
• 38. Для олимпиад
• 39. Задания с разбором
• Литература

1. Одинаковые гены — разные клетки

В теле человека около двухсот типов клеток: нейроны, мышечные волокна, клетки печени, эритроциты, клетки эпидермиса. Они совсем не похожи друг на друга, но почти все содержат один и тот же набор генов — копию генома оплодотворённой яйцеклетки. Различаются они тем, какие гены в них работают. В нейроне транскрибируются гены белков синапсов и ионных каналов, в клетке-предшественнике эритроцита — гены гемоглобина, в клетке поджелудочной железы — гены пищеварительных ферментов и инсулина. Несколько тысяч генов работают во всех клетках («гены домашнего хозяйства»), а многие другие включаются только в определённых тканях или на определённых этапах развития.

Это явление называют дифференциальной активностью генов. Оно лежит в основе развития многоклеточного организма из одной клетки: по мере деления клетки зародыша получают разные сигналы, в них включаются разные наборы генов, и они становятся разными (подробнее — в статье «Цитологические основы роста и дифференциации клеток»).

Есть и исключения из правила «все клетки содержат одинаковые гены»: эритроциты млекопитающих теряют ядро, в лимфоцитах при созревании перестраиваются гены антител, некоторые клетки растений и насекомых умножают копии отдельных генов. Но это именно исключения. Главный механизм специализации — регуляция.

2. Уровни регуляции у эукариот

У бактерий работа генов регулируется в основном на уровне транскрипции. У эукариот путь от гена к белку длиннее, и на каждом его этапе есть свой «регулятор».

Многоуровневая регуляция позволяет эукариотам очень тонко управлять количеством каждого белка и надолго «запоминать» состояние генов. Клетка печени и через тридцать лет остаётся клеткой печени, хотя её гены мышечных белков никогда не были удалены — они просто надёжно «заперты».

3. Хроматин: упакованные и открытые гены

ДНК одной клетки человека длиной около двух метров уложена в ядро диаметром несколько микрометров. Упаковка начинается с нуклеосом: в 1974 году американский биохимик Роджер Корнберг (сын открывателя ДНК-полимеразы) предположил, что хроматин состоит из повторяющихся единиц — «бусин», в каждой из которых около двухсот пар нуклеотидов ДНК обёрнуты вокруг комплекса из восьми белков-гистонов [2]. Цепочка нуклеосом, похожая на бусы, складывается дальше во всё более плотные структуры (подробнее — в статье «Ядро клетки»).

Упаковка не только экономит место, но и регулирует работу генов. Различают два состояния хроматина:

• Эухроматин — разрыхлённый, светлее окрашивается. В нём находится большинство работающих генов: ДНК доступна для факторов транскрипции и РНК-полимеразы.
• Гетерохроматин — плотно упакованный, сильно окрашивается. Гены в нём, как правило, не работают. Постоянный гетерохроматин содержит повторяющиеся последовательности около центромер и теломер; другие участки становятся гетерохроматином только в определённых клетках, выключая ненужные там гены.

Самый яркий пример — инактивация X-хромосомы. У самок млекопитающих две X-хромосомы, у самцов одна. Чтобы «доза» генов X-хромосомы была одинаковой, в каждой клетке самки на ранних стадиях развития одна из X-хромосом случайным образом почти целиком превращается в гетерохроматин и выключается. В ядре она видна как плотный комочек — тельце Барра. Гипотезу инактивации в 1961 году выдвинула английский генетик Мэри Лайон, объясняя пятнистую окраску самок мышей, гетерозиготных по генам окраски на X-хромосоме [3]. Так же объясняется черепаховая окраска кошек: в одних участках кожи работает X-хромосома с аллелем рыжей окраски, в других — с аллелем чёрной (подробнее — в статье «Генетическая структура половых хромосом»).

4. Эпигенетика: память клетки без изменения ДНК

Как клетка «запоминает», какие гены у неё выключены, и передаёт это дочерним клеткам при делении? Помогают химические метки на ДНК и гистонах, которые не изменяют последовательность нуклеотидов. Науку о таких наследуемых изменениях активности генов называют эпигенетикой (от греческого epi — над, сверх).

• Метилирование ДНК. К цитозину, стоящему перед гуанином, ферменты присоединяют метильную группу. Метилированные участки около промоторов, как правило, выключают гены: к ним хуже присоединяются факторы транскрипции, а особые белки, узнающие метки, собирают вокруг гетерохроматин. При репликации ферменты копируют рисунок метилирования на новую цепь, и «выключенное состояние» передаётся дочерним клеткам.
• Изменения гистонов. К «хвостам» гистонов присоединяются ацетильные, метильные, фосфатные группы. Например, присоединение ацетильных групп ослабляет связь гистонов с ДНК и делает хроматин доступнее для транскрипции, а их удаление уплотняет хроматин.

Эпигенетические метки могут меняться под влиянием среды. Известный пример — исследование людей, чьи матери были беременны ими во время «голодной зимы» 1944–1945 годов в оккупированных Нидерландах. Через шестьдесят лет у них обнаружили отличия в метилировании гена, связанного с ростом, по сравнению с их братьями и сёстрами, развивавшимися в благополучное время [4]. Такие работы показывают, что условия развития могут оставлять долговременный след в активности генов.

5. Факторы транскрипции и энхансеры

У эукариот РНК-полимераза II не может сама узнать промотор: её привлекают общие факторы транскрипции — белки, связывающиеся с промотором (подробнее — в статье «Транскрипция»). Но сила работы гена определяется другими белками — специфическими факторами транскрипции, которые связываются с регуляторными участками ДНК. Одни из них — активаторы — усиливают транскрипцию, другие — репрессоры — ослабляют.

Регуляторные участки могут находиться далеко от гена. В 1981 году швейцарский молекулярный биолог Вальтер Шаффнер с коллегами обнаружил, что небольшой участок ДНК вируса, вставленный рядом с геном β-глобина, усиливает его транскрипцию в сотни раз, причём действует на расстоянии в тысячи пар нуклеотидов и в любой ориентации [5]. Такие участки назвали энхансерами (от английского enhance — усиливать). Как энхансер действует на далёкий промотор? ДНК изгибается петлёй, и белки, сидящие на энхансере, оказываются рядом с белками на промоторе и помогают привлечь РНК-полимеразу.

У человека около 1600 генов кодируют факторы транскрипции. Каждый ген окружён несколькими регуляторными участками, и включается только при определённом сочетании факторов — это называют комбинаторной регуляцией. Как из 33 букв алфавита можно составить любое слово, так из сотен факторов транскрипции складываются уникальные «коды» включения тысяч генов в разных клетках.

Важное отличие от бактерий: у эукариот гены одного метаболического пути обычно не собраны в опероны, а разбросаны по разным хромосомам. Согласованно включаться им позволяет то, что в их регуляторных участках есть одинаковые последовательности, узнаваемые одним и тем же фактором транскрипции. Включается фактор — включается вся группа генов.

6. Гены «от мамы» и «от папы»: геномный импринтинг

У диплоидного организма каждый ген представлен двумя копиями — от матери и от отца, — и обычно обе работают одинаково. Но у млекопитающих и цветковых растений есть около сотни генов, у которых работает только одна копия, причём выбор зависит от того, от какого родителя она получена. Это явление называют геномным импринтингом (от английского imprint — отпечаток). Метки метилирования ставятся на эти гены при образовании яйцеклеток и сперматозоидов по-разному, и зародыш «помнит», какая копия чья.

Например, ген фактора роста, о котором шла речь в разделе об эпигенетике, у человека работает только на отцовской хромосоме, а на материнской выключен. Импринтинг объясняет, почему у млекопитающих невозможно развитие зародыша только из материнских или только из отцовских хромосом: для нормального развития нужны оба «набора выключателей».

Нарушения импринтинга вызывают болезни. Если у ребёнка утрачен небольшой участок 15-й хромосомы, полученной от отца, развивается синдром Прадера — Вилли (снижение мышечного тонуса, неутолимый аппетит), а если тот же участок утрачен на хромосоме от матери — совсем другая болезнь, синдром Ангельмана (тяжёлые нарушения речи и движений). Мутация одна и та же, а последствия разные — в зависимости от того, какие копии генов этого участка в норме работают.

7. Королева и рабочая: эпигенетика пчёл

Пчелиная матка и рабочие пчёлы генетически одинаковы: и те и другие развиваются из оплодотворённых яиц. Но матка вдвое больше, живёт годы вместо недель и откладывает до двух тысяч яиц в сутки, а рабочие бесплодны. Разница определяется питанием: личинки, из которых выращивают маток, всё время кормят маточным молочком, а остальных — им только первые дни.

В 2008 году австралийские исследователи показали, что в этом участвует метилирование ДНК. Когда в личинках подавили работу фермента, присоединяющего метильные группы к ДНК, большинство из них развились в маток, хотя их кормили как будущих рабочих [6]. Изменение рисунка метилирования переключало целую программу развития. Это один из ярких примеров того, как условия среды через эпигенетические механизмы определяют, каким станет организм с одним и тем же генотипом.

8. Регуляция генов и эволюция

Если гены у разных клеток одного организма одинаковы, а различается их работа, то не может ли и эволюция идти не столько через изменение белков, сколько через изменение регуляции? Многие примеры показывают, что может.

Морская трёхиглая колюшка имеет на брюхе колючие тазовые плавники, защищающие её от хищных рыб. В пресных озёрах, где таких хищников нет, у многих популяций колюшек тазовые колючки исчезли. В 2010 году американские исследователи выяснили, что дело не в самом гене Pitx1, необходимом для развития таза, а в энхансере, который включает этот ген именно в зачатке таза [7]. В пресноводных популяциях этот энхансер утрачен, и ген перестал работать только там, а в остальных органах, где он тоже нужен, работает как прежде. Если бы был повреждён сам ген, рыба погибла бы; изменение регуляторного участка позволило «выключить» лишь одну функцию.

Такие примеры — основа эволюционной биологии развития: новые формы часто возникают за счёт изменения того, где и когда включаются старые гены (подробнее — в статье «Эво-дево»). Пример из жизни человека — способность взрослых пить молоко, связанная с заменой нуклеотида в энхансере гена лактазы (подробнее — в статье «Оперон»).

9. Растения «помнят» зиму

Озимые сорта пшеницы и многие двулетние растения зацветают, только если перезимовали: без длительного холода они так и остаются в вегетативном состоянии. Ещё в 1920-е годы этот приём использовали в сельском хозяйстве под названием яровизации — проращиваемые семена выдерживали на холоде. Механизм удалось понять лишь на рубеже XXI века, изучая резуховидку Таля — небольшое растение семейства капустных, излюбленный объект генетиков растений.

У резуховидки есть ген, белок которого подавляет цветение. Осенью он активен, и растение не цветёт. Долгий холод постепенно выключает этот ген: на его участке хроматина накапливаются метки гистонов, характерные для «молчащих» генов. Чем дольше холод, тем больше клеток, в которых ген выключен. Весной, когда становится тепло, ген остаётся выключенным — метки передаются при делении клеток, — и растение зацветает. Холод не нужно «чувствовать» весной: растение запомнило его эпигенетически. Интересно, что в семенах эта память стирается, и следующее поколение снова должно перезимовать.

10. Гормоны включают гены

Многие сигналы, приходящие к клетке извне, в конечном счёте меняют работу генов. Особенно прямо действуют стероидные гормоны — кортизол, эстрогены, тестостерон — и гормоны щитовидной железы. Они жирорастворимы и свободно проходят через плазматическую мембрану. Внутри клетки гормон связывается с белком-рецептором, и этот комплекс сам становится фактором транскрипции: он связывается с регуляторными участками определённых генов и включает или выключает их. Поэтому действие стероидных гормонов развивается медленно — за часы, — но длится долго: нужно время, чтобы синтезировались новые иРНК и белки.

Самый наглядный пример — метаморфоз лягушки. Гормон щитовидной железы, связываясь со своим рецептором в ядрах клеток головастика, включает разные программы генов в разных тканях: в хвосте — гены, запускающие гибель клеток и рассасывание хвоста, в конечностях — гены роста, в кишечнике и печени — гены перестройки обмена веществ. Если головастику не хватает этого гормона (например, при недостатке иода), он растёт, но не превращается в лягушку.

Гормоны белковой природы, например инсулин и глюкагон, через мембрану не проходят. Они связываются с рецепторами на поверхности клетки и запускают внутри неё цепочки реакций, которые быстро меняют активность уже имеющихся ферментов, а часть сигналов доходит до ядра и тоже меняет работу генов (подробнее — в статье «Рецепторы клеток»).

Одни и те же гормоны в разных клетках включают разные гены: кортизол в клетках печени включает гены синтеза глюкозы, а в лимфоцитах — гены, подавляющие воспаление. Ответ клетки определяется не только сигналом, но и тем, какие гены в ней «открыты» для регуляции — то есть её историей развития.

11. Главные гены: как одна клетка становится мышечной

Некоторые факторы транскрипции настолько могущественны, что способны изменить тип клетки. В 1987 году американские биологи Роберт Дэвис, Гарольд Вайнтрауб и Эндрю Лассар выделили ген белка MyoD — фактора транскрипции, работающего в предшественниках мышечных клеток. Когда этот ген ввели в фибробласты — клетки соединительной ткани, — они превратились в мышечные клетки и начали синтезировать мышечные белки [8]. Один белок включил целую программу из сотен генов.

Такие «главные регуляторы» управляют развитием всех органов. Гены группы Hox определяют, какой отдел тела разовьётся из участка зародыша: при их мутациях у мушки вместо усиков вырастают ноги (подробнее — в статье «Hox-гены — главные архитекторы тела животных»).

Не менее впечатляющи опыты с другим главным регулятором. Ген Pax6 запускает развитие глаза: если включить его в клетках зачатка крыла или ноги мушки, там образуются дополнительные глаза.

12. Перепрограммирование клеток

Если факторы транскрипции могут превратить фибробласт в мышечную клетку, нельзя ли вернуть взрослую клетку в состояние клетки зародыша, способной дать любую ткань? В 2006 году японский исследователь Синъя Яманака перебрал два десятка генов, работающих в эмбриональных стволовых клетках, и нашёл четыре гена факторов транскрипции, введение которых превращало фибробласты мыши в клетки, неотличимые от эмбриональных стволовых [9]. Их назвали индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками.

Опыт Яманаки — логическое завершение опыта Гёрдона. Гёрдон показал, что гены в специализированной клетке сохраняются; Яманака показал, что их состояние можно переключить, изменив набор работающих факторов транскрипции. Сегодня из таких клеток выращивают нейроны, клетки сердца, клетки сетчатки для изучения болезней и испытания лекарств, а первые клинические испытания проверяют, можно ли ими лечить, например, болезнь Паркинсона.

13. Регуляция на уровне РНК: микроРНК и РНК-интерференция

В 1993 году американские биологи Розалинд Ли, Ронда Фейнбаум и Виктор Эмброс изучали ген lin-4 червя нематоды, управляющий сроками развития личинки. Оказалось, что он вообще не кодирует белок: его продукт — крошечная РНК из 22 нуклеотидов, частично комплементарная концевому участку иРНК другого гена и подавляющая его трансляцию [10]. Сначала это сочли курьёзом червей, но через несколько лет такие РНК нашли у человека, растений, мух. Их назвали микроРНК. В геноме человека сотни генов микроРНК, и каждая регулирует десятки и сотни иРНК. В 2024 году Эмброс и Гэри Равкан получили за это открытие Нобелевскую премию.

В 1998 году американские биологи Эндрю Файр и Крейг Мелло обнаружили, что если ввести в клетки червя двуцепочечную РНК, соответствующую участку какого-нибудь гена, этот ген замолкает, причём очень эффективно [11]. Механизм, названный РНК-интерференцией, оказался родственным действию микроРНК: особый фермент разрезает двуцепочечную РНК на короткие фрагменты, и они, связавшись с белковым комплексом, находят по принципу комплементарности иРНК и разрушают её. Нобелевская премия 2006 года. РНК-интерференция — древний защитный механизм против вирусов и подвижных элементов генома, а для учёных — удобный способ «выключить» любой ген. Уже созданы лекарства, которые с помощью коротких РНК выключают в печени гены, вызывающие наследственные болезни.

На уровне РНК регулируется и срок жизни иРНК. иРНК белков, которые нужны лишь короткое время (например, сигнальных белков воспаления), содержат в нетранслируемом конце последовательности, которые ускоряют их разрушение. Поэтому синтез таких белков быстро прекращается, как только прекращается транскрипция.

14. Почему у человека так мало генов

Когда в 2001 году был прочитан геном человека, многих удивило, что генов, кодирующих белки, в нём около 20 тысяч — примерно столько же, сколько у червя нематоды длиной в миллиметр, и меньше, чем у риса. Ожидали в несколько раз больше. Объяснение во многом связано с регуляцией. Сложность организма определяется не столько числом генов, сколько тем, как они включаются: в каких клетках, в какое время, в каких сочетаниях. У человека больше регуляторных участков, больше генов микроРНК, сильнее развит альтернативный сплайсинг, и один ген может давать много белков и работать в разных программах развития. Почти все гены человека, по сути, «старые»: они есть и у других животных, а новыми чаще оказываются регуляторные участки.

15. Регуляция активности и срока жизни белков

Последний уровень регуляции — сами белки. Многие ферменты и регуляторы включаются и выключаются присоединением фосфатных групп: ферменты-киназы присоединяют фосфат, ферменты-фосфатазы отщепляют. Это быстрый и обратимый способ управлять активностью белков без их синтеза.

Другой способ — регулируемое разрушение. Белки, которые больше не нужны или повреждены, помечаются цепочкой из небольшого белка убиквитина и разрушаются в протеасомах — бочкообразных комплексах ферментов. Так, например, в нужный момент клеточного цикла разрушаются белки, без которых клетка не может перейти к следующей фазе (подробнее — в статье «Клеточный цикл»). За открытие этой системы израильские биохимики Аарон Цехановер и Аврам Гершко и американец Ирвин Роуз получили Нобелевскую премию по химии 2004 года.

16. Регуляция обменных процессов в клетке

В клетке одновременно идут тысячи реакций, и скорость каждой должна соответствовать потребностям клетки: синтез не должен «перепроизводить» продукт, а распад — расходовать запасы зря. Количество продукта метаболического пути можно изменить двумя способами: изменить активность уже имеющихся молекул ферментов или изменить число этих молекул. Первый способ быстрый, второй медленнее, но экономнее. Кроме того, клетка разделяет несовместимые процессы в пространстве, а в многоклеточном организме согласует работу клеток гормонами.

17. Регуляция активности ферментов

Многие ключевые ферменты, помимо активного центра, имеют аллостерический (регуляторный) центр, к которому обратимо присоединяется молекула-регулятор. Присоединение меняет пространственную структуру фермента, а с ней и форму активного центра: активность повышается (если регулятор — активатор) или снижается (если ингибитор). Особенно важен принцип торможения конечным продуктом: продукт метаболического пути тормозит фермент первой реакции этого пути. Продукта много — синтез тормозится; продукт израсходован — торможение снимается (подробнее — в статьях «Скорость ферментативных реакций» и «Оперон»).

Классический пример — регуляция гликолиза. Его ключевой фермент, фосфофруктокиназа, тормозится избытком АТФ и активируется АМФ и АДФ. Когда АТФ в клетке много, гликолиз замедляется: незачем расщеплять глюкозу, если энергии и так достаточно. Когда клетка начинает интенсивно тратить АТФ (например, мышца сокращается), накапливается АМФ, фосфофруктокиназа активируется, и гликолиз ускоряется — за доли секунды (подробнее — в статье «Этапы энергетического обмена»). Так «энергетический заряд» клетки сам управляет скоростью получения энергии.

Другой быстрый способ — обратимое присоединение фосфата. Фермент гликогенфосфорилаза, расщепляющий гликоген в печени и мышцах, активируется, когда к нему присоединяется фосфатная группа, и выключается, когда её отщепляют. Ферменты, присоединяющие и отщепляющие фосфат, сами управляются гормонами.

18. Разделение процессов в пространстве

Эукариотическая клетка разделена мембранами на отсеки — компартменты, и противоположные процессы часто идут в разных отсеках. Жирные кислоты синтезируются в цитоплазме, а окисляются в митохондриях; белки синтезируются на рибосомах, а разрушаются в протеасомах и лизосомах; фотосинтез идёт в хлоропластах, дыхание — в митохондриях. Если бы синтез и распад одного вещества шли в одном месте одновременно, клетка гоняла бы вещества «по кругу», бесполезно расходуя АТФ. Разделение позволяет регулировать каждый процесс отдельно: например, перенос жирных кислот в митохондрию для окисления тормозится, когда в цитоплазме идёт их синтез.

Мембраны создают и разные условия: в лизосомах кислая среда (pH около 4,5–5), подходящая для их ферментов, а в цитоплазме — почти нейтральная (около 7,2). Ферменты лизосом, случайно попавшие в цитоплазму, почти не работают, и это защищает клетку от самопереваривания.

19. Гормоны согласуют обмен веществ всего организма

В многоклеточном организме обмен веществ отдельных клеток согласуют гормоны. Хорошо изучена регуляция уровня глюкозы в крови.

• Инсулин выделяется поджелудочной железой после еды. Он ускоряет поступление глюкозы в мышечные и жировые клетки, стимулирует синтез гликогена в печени и мышцах и синтез жиров, тормозит распад гликогена.
• Глюкагон выделяется при снижении уровня глюкозы. Он стимулирует в печени распад гликогена и синтез глюкозы из неуглеводных веществ.
• Адреналин выделяется надпочечниками при стрессе и физической нагрузке. Он быстро ускоряет распад гликогена в печени и мышцах, обеспечивая мышцы топливом.

Как гормон, не проникающий в клетку, меняет её обмен? В 1950-х годах американский фармаколог Эрл Сазерленд обнаружил, что адреналин и глюкагон, связываясь с рецепторами на мембране клеток печени, вызывают образование внутри клетки небольшой молекулы — циклического АМФ, который и запускает цепочку реакций, включающих распад гликогена. Сазерленд назвал цАМФ «вторым посредником»: гормон — первый посредник, приносящий сигнал к клетке, а цАМФ передаёт его внутрь. Нобелевская премия 1971 года. Важно, что каждая ступень цепочки усиливает сигнал: одна молекула гормона в итоге приводит к отщеплению миллионов молекул глюкозы от гликогена. Интересно, что цАМФ работает «вторым посредником» и у бактерий, — вспомните его роль в регуляции лактозного оперона.

Регуляция обмена на уровне организма подробно разобрана в статье «Гомеостаз».

20. Клеточный гомеостаз

В середине XIX века французский физиолог Клод Бернар заметил, что животные сохраняют постоянство «внутренней среды» — крови и тканевой жидкости — при резких изменениях внешних условий, и назвал это условием «свободной и независимой жизни». В 1926 году американский физиолог Уолтер Кеннон предложил для этого постоянства слово гомеостаз (от греческих слов «подобный» и «состояние»). Но постоянство поддерживает не только организм: каждая клетка непрерывно поддерживает свою внутреннюю среду.

Клеточный гомеостаз — относительное постоянство внутренней среды клетки: ионного состава, кислотности (pH), объёма и осмотического давления, а также постоянство набора и качества её молекул. «Относительное» — потому что параметры колеблются в узких пределах и меняются, когда клетка переходит в другое состояние. Гомеостаз — это не неподвижность, а непрерывная работа: стоит клетке остановить насосы и синтез белков, её внутренняя среда быстро сравняется с внешней, и клетка погибнет.

21. Натрий-калиевый насос

Внутри животной клетки ионов калия примерно в 30 раз больше, чем снаружи, а ионов натрия — примерно в 10 раз меньше. Эти различия создаёт и поддерживает натрий-калиевый насос — белок плазматической мембраны, который за счёт энергии одной молекулы АТФ выводит из клетки три иона натрия и вводит два иона калия. Его открыл в 1957 году датский физиолог Йенс Скоу, изучая нервы краба: он нашёл фермент, расщепляющий АТФ только в присутствии одновременно натрия и калия [12]. В 1997 году Скоу получил Нобелевскую премию по химии.

Насос работает непрерывно и расходует огромное количество энергии: в покое на него уходит около четверти всей АТФ организма человека, а в нейронах — больше половины. Разность концентраций ионов, которую он поддерживает, нужна для возникновения нервных импульсов, для транспорта глюкозы и аминокислот в клетки кишечника и почек и для сохранения объёма клетки: без насоса натрий и вслед за ним вода входили бы в клетку, и она набухла бы и лопнула (подробнее — в статье «Транспорт веществ через мембрану»).

22. Ионы кальция и кислотность

Концентрация ионов кальция в цитоплазме поддерживается очень низкой — примерно в десять тысяч раз ниже, чем снаружи клетки. Кальциевые насосы постоянно откачивают его наружу и в полость ЭПС. Благодаря этому кратковременное открытие кальциевых каналов резко повышает концентрацию кальция и служит сигналом: так запускаются сокращение мышцы, выделение медиатора в синапсе, оплодотворение яйцеклетки. Длительное повышение кальция, наоборот, губительно: оно активирует ферменты, разрушающие белки и мембраны, и запускает гибель клетки — так погибают нейроны при инсульте.

Кислотность цитоплазмы поддерживается около pH 7,2. Её стабилизируют буферные системы — фосфатная, белковая, гидрокарбонатная, — которые связывают избыток ионов водорода или гидроксид-ионов, а также белки-переносчики, выводящие ионы водорода из клетки. Даже небольшие сдвиги pH меняют заряды аминокислот в активных центрах ферментов и их активность (подробнее — в статье «Скорость ферментативных реакций»).

23. Объём клетки и осмос

Вода свободно проходит через мембраны, и объём клетки зависит от концентрации растворённых веществ внутри и снаружи. В растворе с меньшей концентрацией солей (гипотоническом) вода входит в клетку, и животная клетка набухает и может лопнуть — так разрушаются эритроциты в дистиллированной воде. В растворе с большей концентрацией (гипертоническом) клетка теряет воду и сморщивается.

Клетки по-разному решают эту задачу. Животные клетки поддерживают объём работой ионных насосов. Клетки растений, грибов и бактерий защищены прочной клеточной стенкой: вода входит, но стенка не даёт клетке лопнуть, и возникает тургорное давление. Пресноводные простейшие, живущие в почти пресной воде, постоянно откачивают избыток воды сократительными вакуолями — у инфузории-туфельки вакуоль сокращается каждые несколько секунд.

24. Отрицательная обратная связь — главный принцип гомеостаза

Все системы гомеостаза работают по одному принципу — отрицательной обратной связи: отклонение параметра от нормы запускает процессы, возвращающие его к норме. Натрий накапливается в клетке — насос работает быстрее; конечного продукта стало много — он тормозит свой синтез; глюкозы в крови стало много — выделяется инсулин, и глюкоза уходит в клетки. Так же устроен термостат: температура выше заданной — нагреватель выключается.

Положительная обратная связь, при которой отклонение усиливает само себя, в гомеостазе встречается редко и используется, когда нужно быстро и необратимо довести процесс до конца: так «включается» нервный импульс (открытие натриевых каналов ведёт к открытию новых каналов), так нарастает свёртывание крови, так переключается лактозный оперон в состояние «всё или ничего».

25. Гены и среда: гималайский кролик

Классический школьный пример взаимодействия генов и среды — гималайский кролик. Он белый, а уши, лапы, хвост и мордочка у него чёрные. Окраска шерсти зависит от фермента, участвующего в синтезе тёмного пигмента. У гималайских кроликов этот фермент изменён мутацией так, что работает только при пониженной температуре — ниже примерно 34 °C. На выступающих частях тела, которые охлаждаются сильнее, фермент активен, и растёт чёрная шерсть; на остальном теле, где теплее, он не работает. Если на спине выбрить участок и держать его в холоде, там вырастет чёрная шерсть. Генотип один и тот же во всех клетках кожи, а признак зависит от условий, в которых работает белок, — это и есть модификационная изменчивость в пределах нормы реакции. Так же окрашены сиамские кошки.

26. Белковый гомеостаз: шапероны, протеасомы, аутофагия

Белки клетки постоянно повреждаются: окисляются, разворачиваются при нагреве, неправильно сворачиваются при синтезе. Клетка поддерживает качество своих белков тремя системами.

• Шапероны помогают белкам свернуться и восстановить форму после частичной денатурации. При перегреве их синтез резко усиливается — их и открыли как «белки теплового шока».
• Протеасомы разрушают белки, помеченные убиквитином, до коротких пептидов, а затем до аминокислот, которые идут на синтез новых белков.
• Аутофагия («самопоедание») — разрушение крупных частей цитоплазмы и целых органоидов. Повреждённая митохондрия или скопление слипшихся белков окружаются двойной мембраной, образуется пузырёк, который сливается с лизосомой, и её ферменты всё переваривают. Японский биолог Ёсинори Осуми в 1990-х годах нашёл у дрожжей гены, необходимые для аутофагии [13], и в 2016 году получил Нобелевскую премию. При голодании аутофагия усиливается: клетка «съедает» часть своих запасов, чтобы выжить.

С возрастом эти системы работают хуже, и в клетках накапливаются повреждённые белки. Нарушения белкового гомеостаза связаны с болезнями Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона, при которых в нейронах накапливаются нерастворимые скопления белков.

27. Как изучают работу генов

Чтобы понять регуляцию, нужно знать, какие гены работают в клетке и с какой силой. Долгое время это определяли для каждого гена отдельно. Сегодня существуют методы, позволяющие прочитать сразу все иРНК клетки: их переписывают в ДНК обратной транскриптазой и секвенируют. По числу прочтений каждой иРНК судят о том, насколько активно работает её ген. В последние годы это научились делать для отдельных клеток: из образца ткани получают «портреты» десятков тысяч клеток и находят среди них новые, прежде неизвестные типы клеток. Международный проект «Атлас клеток человека» составляет такие портреты для всех органов.

Похожие методы позволяют найти, где в геноме сидят факторы транскрипции и какие участки хроматина открыты. Так, шаг за шагом, составляют «схемы управления» генами — какой фактор какие гены включает и в каких клетках.

28. Как клетка чувствует нехватку кислорода

Кислород нужен клетке для дыхания, и при его нехватке она должна быстро перестроиться: усилить гликолиз, а организму — вырабатывать больше эритроцитов и выращивать новые сосуды. В 1990-х годах американский медик Грегг Семенза обнаружил фактор транскрипции, который включает эти гены при нехватке кислорода, и назвал его фактором, индуцируемым гипоксией (HIF) [14]. Британский медик Питер Рэтклифф и американец Уильям Кейлин выяснили, как фактор «узнаёт» о кислороде. Когда кислорода достаточно, особые ферменты присоединяют к фактору атомы кислорода, и такой меченый белок немедленно разрушается в протеасомах. Когда кислорода мало, ферменты не работают, фактор накапливается, переходит в ядро и включает сотни генов: гликолиза, гормона эритропоэтина, роста сосудов. В 2019 году трое учёных получили Нобелевскую премию.

Этот механизм объединяет почти все уровни регуляции, о которых шла речь: регулируемое разрушение белка, фактор транскрипции, включение генов. Он работает при подъёме в горы, при интенсивной нагрузке, а в злокачественных опухолях — помогает им выживать и прорастать сосудами. Поэтому вещества, влияющие на этот фактор, используют как лекарства при малокровии у больных с болезнями почек.

29. Клеточные часы

Почти все клетки нашего тела живут по суточному ритму: в разное время суток в них работают разные гены. В 1971 году американские генетики Рональд Конопка и Сеймур Бензер нашли мутантов плодовой мушки с нарушенным суточным ритмом: у одних период был 19 часов вместо 24, у других 28, у третьих ритма не было вовсе [15]. Мутации затрагивали один и тот же ген, названный period.

Позже американские учёные Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг выяснили, как работают часы. Белок, синтезированный по гену period, накапливается в течение суток, переходит в ядро и подавляет транскрипцию собственного гена. Когда белка становится много, синтез его иРНК прекращается; белок постепенно разрушается, и транскрипция возобновляется. Цикл «синтез — подавление — разрушение» занимает около 24 часов. Это та же отрицательная обратная связь, что и в гомеостазе, только с задержкой, и она превращает регуляцию генов в часы. В 2017 году Холл, Росбаш и Янг получили Нобелевскую премию.

Клеточные часы согласуют с временем суток обмен веществ: в печени ночью и днём работают разные наборы ферментов. Сбой часов при сменной работе и перелётах через часовые пояса связан с нарушениями обмена веществ и сна.

30. Апоптоз: гибель клетки как часть гомеостаза

Гомеостаз многоклеточного организма включает и контроль числа клеток. Ненужные, повреждённые или опасные клетки организм уничтожает с помощью апоптоза — программируемой гибели клетки. В отличие от некроза, при котором клетка разрушается и её содержимое вызывает воспаление, при апоптозе клетка аккуратно «разбирает» себя: ДНК разрезается на фрагменты, клетка распадается на окружённые мембраной части, которые поглощают соседние клетки или макрофаги.

Апоптоз постоянно идёт в здоровом организме. У зародыша человека апоптоз удаляет перепонки между пальцами, в развивающемся мозге гибнет примерно половина образовавшихся нейронов, не нашедших нужных связей, в вилочковой железе погибают лимфоциты, способные атаковать собственные ткани. Запустить апоптоз может сигнал снаружи или повреждение внутри клетки: например, при сильном повреждении ДНК белок p53 включает гены, ведущие к выходу из митохондрий цитохрома c, который запускает каскад ферментов-каспаз (подробнее — в статье «Дыхательная цепь»). Если апоптоз не срабатывает, повреждённые клетки выживают и могут стать опухолевыми; если срабатывает слишком часто, гибнут нужные клетки — так развиваются некоторые нейродегенеративные болезни.

31. Гомеостаз железа: регуляция на уровне трансляции

Железо необходимо клетке (оно входит в гемы цитохромов и железо-серные кластеры), но в избытке ядовито: свободное железо катализирует образование активных форм кислорода. Его количество клетка регулирует на уровне трансляции. В иРНК белка ферритина, запасающего железо, и в иРНК рецептора, через который железо поступает в клетку, есть одинаковые шпильки, узнаваемые одним белком-регулятором. При нехватке железа регулятор связывается со шпилькой у начала иРНК ферритина и блокирует её трансляцию, а со шпилькой у конца иРНК рецептора — защищает её от разрушения. Клетка перестаёт запасать железо и активнее поглощает его. При избытке железа регулятор, связав железо, отходит от иРНК, и всё переключается в обратную сторону. Один регулятор, две иРНК, противоположные ответы — изящный пример отрицательной обратной связи.

32. Когда регуляция ломается: рак

Деление клеток в организме строго регулируется: клетка делится, только получив сигнал, и останавливается, если её ДНК повреждена. Рак — болезнь, при которой эта регуляция нарушена. Обычно для превращения клетки в опухолевую нужно несколько мутаций в двух группах генов.

• Протоонкогены — гены белков, стимулирующих деление (рецепторов факторов роста, сигнальных белков, факторов транскрипции). Мутация, делающая такой белок постоянно активным, превращает протоонкоген в онкоген, и клетка получает сигнал к делению непрерывно — как автомобиль с заклинившей педалью газа.
• Гены-супрессоры опухолей — гены белков, тормозящих деление. Самый известный — ген белка p53, которого называют «стражем генома». При повреждении ДНК белок p53 накапливается и как фактор транскрипции включает гены, останавливающие клеточный цикл до окончания репарации, а если повреждение непоправимо — запускающие гибель клетки. Мутации p53 обнаруживают примерно в половине злокачественных опухолей человека.

Нарушения регуляции генов при раке не всегда связаны с мутациями: в опухолях часто изменён и рисунок метилирования ДНК, выключающий гены-супрессоры. Некоторые противоопухолевые лекарства как раз снимают эпигенетические метки и «будят» выключенные гены.

33. Итог: прокариоты и эукариоты

34. Частые ошибки

• «В разных клетках организма разные гены». Почти все клетки содержат одинаковые гены; различается их активность.
• «Эпигенетические изменения — это мутации». Эпигенетические метки меняют активность генов без изменения последовательности ДНК.
• «Гетерохроматин — это участки без генов». В гетерохроматине могут быть и гены, но они, как правило, не работают.
• «У эукариот гены регулируются только на уровне транскрипции». У эукариот регуляция идёт на многих уровнях — от хроматина до активности и распада белков.
• «Гомеостаз — это неизменность». Гомеостаз — относительное постоянство, поддерживаемое непрерывной работой систем клетки и затратой энергии.
• «Натрий-калиевый насос — пассивный транспорт». Это активный транспорт: насос переносит ионы против градиента концентрации за счёт энергии АТФ.
• «Отрицательная обратная связь — это что-то плохое». Отрицательная обратная связь возвращает параметр к норме и лежит в основе гомеостаза.
• «Стероидные гормоны действуют через рецепторы на мембране». Стероидные гормоны проходят через мембрану и связываются с рецепторами внутри клетки, которые действуют как факторы транскрипции.

35. Интересные факты

• Опыт Гёрдона с пересадкой ядра (1962) и опыт Яманаки с перепрограммированием клеток (2006) разделяют 44 года, а Нобелевскую премию за них дали одновременно, в 2012 году.
• Черепаховая окраска бывает почти исключительно у кошек: она возникает из-за случайного выключения одной из двух X-хромосом.
• Натрий-калиевый насос потребляет около четверти всей АТФ человека в покое.
• Первую микроРНК нашли у червя нематоды, и её открытие долго считали курьёзом.
• Один белок MyoD способен превратить клетку соединительной ткани в мышечную.
• Если включить ген Pax6 в зачатке ноги мушки, на ноге вырастет глаз.
• Мутации гена белка p53 находят примерно в половине злокачественных опухолей человека.
• Суточный ритм клетки задаётся геном, белок которого подавляет собственную транскрипцию.
• Головастик без гормона щитовидной железы не превращается в лягушку: именно этот гормон включает гены метаморфоза.
• Пчелиные матки и рабочие генетически одинаковы — разница создаётся питанием и метилированием ДНК.
• У пресноводных колюшек тазовые колючки исчезли из-за потери одного энхансера, а не самого гена.

36. Частые вопросы

Если все клетки содержат одинаковые гены, почему не любая клетка может стать любой?

Потому что в специализированных клетках многие гены надёжно выключены: упакованы в гетерохроматин, помечены метилированием. Эти метки передаются при делении. Чтобы клетка стала другой, нужно «перезаписать» состояние тысяч генов, — это удаётся только с помощью особых факторов транскрипции, как в опытах Яманаки, или при пересадке ядра в яйцеклетку, как у Гёрдона.

Наследуются ли эпигенетические изменения?

При делении клеток организма — да: так клетки печени остаются клетками печени. Потомкам — редко: при образовании половых клеток и в раннем зародыше большинство меток стирается. У растений и некоторых животных описаны случаи передачи меток через несколько поколений, у человека такие данные пока спорны.

Чем фактор транскрипции отличается от РНК-полимеразы?

РНК-полимераза синтезирует РНК. Факторы транскрипции РНК не синтезируют: они связываются с регуляторными участками ДНК и помогают или мешают РНК-полимеразе начать транскрипцию определённого гена.

Почему клетке нужно так много энергии на поддержание гомеостаза?

Живая клетка — открытая система, далёкая от равновесия со средой. Ионы, вода, молекулы постоянно стремятся выровнять концентрации, белки повреждаются, ДНК разрушается. Чтобы противостоять этому, насосы, ферменты репарации, шапероны и протеасомы должны работать непрерывно, а им нужна АТФ.

Как регуляция генов связана с развитием организма?

Развитие — это последовательное включение и выключение генов. Сигналы соседних клеток и распределение веществ в яйцеклетке включают в разных клетках разные факторы транскрипции, те — следующие гены, и так клетки шаг за шагом становятся разными.

Что такое РНК-интерференция и где она применяется?

Это выключение гена короткими РНК, комплементарными его иРНК: такие РНК вместе с белками находят иРНК и разрушают её или блокируют трансляцию. В природе механизм защищает от вирусов, в лабораториях им выключают гены для изучения их функций, а в медицине уже применяются лекарства на основе коротких РНК.

Почему отрицательная обратная связь не даёт колебаний?

Если ответ быстрый, параметр плавно возвращается к норме. Если ответ запаздывает, возможны колебания, — именно так, благодаря задержке, работают клеточные часы. Многие системы гомеостаза имеют несколько обратных связей с разными скоростями, что делает их устойчивыми.

Что общего у регуляции генов бактерий и человека?

Принцип: белки-регуляторы связываются с участками ДНК рядом с генами и усиливают или подавляют транскрипцию, а сигнальные молекулы меняют их активность. И у бактерий, и у человека работают малые регуляторные РНК и обратные связи. Различаются масштаб и число уровней регуляции.

Что такое импринтинг и почему он важен?

Это работа только одной из двух копий гена — материнской или отцовской — в зависимости от происхождения. Метки ставятся при образовании половых клеток. Поэтому некоторые наследственные болезни проявляются по-разному в зависимости от того, от какого родителя получена мутантная хромосома.

Почему пчелиная матка и рабочие так различаются, если у них одинаковые гены?

Различия определяются питанием личинок: маточное молочко меняет рисунок метилирования ДНК и включает программу развития матки. Это пример того, как среда через эпигенетические механизмы определяет фенотип при одинаковом генотипе.

Почему озимые растения не цветут, если их посеять весной?

Им нужна яровизация — длительный холод, который эпигенетически выключает ген, подавляющий цветение. Без холода этот ген остаётся активным, и растение не переходит к цветению.

Может ли образ жизни влиять на работу генов?

Да. Питание, физическая нагрузка, стресс, курение меняют работу многих генов: через гормоны, сигнальные пути и эпигенетические метки. При этом последовательность ДНК не меняется, а многие изменения обратимы.

Почему у сиамских кошек тёмные уши и лапы?

Фермент синтеза тёмного пигмента у них работает только при пониженной температуре. Уши, лапы, хвост и мордочка холоднее остального тела, поэтому именно там образуется тёмная шерсть. Гены во всех клетках кожи одинаковые, а результат зависит от условий работы белка.

Чем регуляция обмена веществ отличается от регуляции генов?

Регуляция обмена веществ — более широкое понятие. Она включает и регуляцию генов (изменение количества ферментов), и быструю регуляцию активности уже имеющихся ферментов, и разделение процессов в органоидах, и действие гормонов. Регуляция генов — лишь один, самый медленный, но самый экономный её уровень.

37. ЕГЭ

В части 1 тема проверяется заданиями на выбор утверждений о регуляции генов и гомеостазе, на сравнение прокариот и эукариот, на соответствие «механизм — уровень регуляции». Во второй части — вопросы на объяснение: «Почему клетки печени и нейроны различаются, хотя содержат одинаковые гены?», «Какое значение имеет натрий-калиевый насос?», «Как конечный продукт регулирует свой синтез?».

Разбор типичного задания второй части

Задание: «Почему клетки одного организма различаются по строению и функциям, хотя содержат одинаковую ДНК? Приведите не менее трёх элементов ответа». Полный ответ: 1) в разных клетках работают (транскрибируются) разные гены — дифференциальная активность генов; 2) часть генов выключена: упакована в гетерохроматин, помечена метилированием ДНК; 3) включение генов определяется набором факторов транскрипции и сигналами (гормонами, сигналами соседних клеток); 4) поэтому в разных клетках синтезируются разные белки, определяющие их строение и функции.

38. Для олимпиад

Сколько стоит насос. Человек в покое синтезирует и расходует около 50 кг АТФ в сутки. Если четверть её идёт на натрий-калиевый насос, это около 12,5 кг АТФ, или примерно 25 моль (молярная масса АТФ около 507 г/моль). За каждый цикл насос расходует одну молекулу АТФ и выводит три иона натрия: за сутки — около 75 моль ионов натрия, перекачанных через мембраны клеток.

Электрогенность насоса. За цикл насос выводит три положительных заряда и вводит два, то есть каждый цикл выносит из клетки один положительный заряд. Поэтому насос не только поддерживает разность концентраций, но и напрямую добавляет небольшую часть к отрицательному заряду внутренней стороны мембраны.

Доза генов и X-хромосома. У женщины в каждой клетке одна X-хромосома инактивирована, и работает одна — как у мужчины. Поэтому у женщин с набором XXX работает тоже одна X-хромосома, а две превращаются в тельца Барра; число телец Барра в клетке на единицу меньше числа X-хромосом. Это используют в цитогенетике: по числу телец Барра в клетках слизистой оболочки щеки можно оценить число X-хромосом.

Усиление сигнала. Если одна молекула адреналина активирует 100 молекул фермента, синтезирующего цАМФ, каждая из которых образует 100 молекул цАМФ, а дальше каждая ступень усиливает сигнал ещё в 100 раз на двух уровнях, одна молекула гормона приводит к активации порядка 100⁴ = 10⁸ молекул конечного фермента. Каскады усиления объясняют, почему гормоны действуют в ничтожных концентрациях.

39. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три верных ответа. Различия между клетками многоклеточного организма объясняются тем, что: 1) в разных клетках работают разные гены; 2) часть генов в клетках выключена; 3) в разных клетках синтезируются разные белки; 4) в разных клетках разный набор генов; 5) гены теряются при делении; 6) у специализированных клеток нет ДНК.

Задание 2

Установите соответствие между механизмами регуляции и уровнями. Механизмы: А) упаковка гена в гетерохроматин; Б) альтернативный сплайсинг; В) действие микроРНК на иРНК; Г) присоединение фосфата к ферменту; Д) связывание фактора транскрипции с энхансером. Уровни: 1) хроматин; 2) транскрипция; 3) созревание РНК; 4) трансляция и срок жизни иРНК; 5) активность белка.

Задание 3

Найдите ошибки в тексте. (1) Почти все клетки организма содержат одинаковые гены. (2) Гетерохроматин — разрыхлённый активный хроматин. (3) Метилирование ДНК обычно выключает гены. (4) Эпигенетические изменения меняют последовательность нуклеотидов. (5) Факторы транскрипции связываются с регуляторными участками ДНК.

Задание 4

Выберите три верных ответа. Натрий-калиевый насос: 1) выводит из клетки три иона натрия и вводит два иона калия; 2) использует энергию АТФ; 3) переносит ионы против градиента концентрации; 4) работает только в растительных клетках; 5) обеспечивает пассивный транспорт; 6) находится в мембране лизосом.

Задание 5

Установите соответствие между параметрами клеточного гомеостаза и механизмами их поддержания. Параметры: А) ионный состав; Б) pH; В) объём клетки простейшего в пресной воде; Г) качество белков; Д) целостность ДНК. Механизмы: 1) насосы и каналы; 2) буферные системы; 3) сократительные вакуоли; 4) шапероны и протеасомы; 5) репарация.

Задание 6

Как конечный продукт метаболического пути регулирует собственный синтез? Почему тормозится именно первый фермент пути?

Задание 7

Выберите три верных ответа. Для регуляции генов у эукариот характерно: 1) участие хроматина; 2) факторы транскрипции и энхансеры; 3) микроРНК; 4) почти все гены собраны в опероны; 5) регуляция только на уровне транскрипции; 6) отсутствие ядерной оболочки.

Задание 8

Какой вывод следует из опыта Дж. Гёрдона, получившего лягушку из яйцеклетки с пересаженным ядром клетки кишечника головастика?

Задание 9

Установите соответствие между гормонами и способом их действия на клетку. Гормоны: А) кортизол; Б) инсулин; В) эстроген; Г) глюкагон. Способ: 1) проходит через мембрану, связывается с внутриклеточным рецептором — фактором транскрипции; 2) связывается с рецептором на поверхности клетки.

Задание 10

Объясните, почему у самок кошек бывает черепаховая (рыже-чёрная пятнистая) окраска, а у котов — почти никогда.

Задание 11

Выберите три верных ответа. Клеточный гомеостаз поддерживается: 1) натрий-калиевым насосом; 2) буферными системами; 3) шаперонами и протеасомами; 4) кроссинговером; 5) мейозом; 6) положительной обратной связью во всех процессах.

Задание 12

Что произойдёт с эритроцитом в дистиллированной воде и в концентрированном растворе соли? Почему клетки растений в пресной воде не лопаются?

Задание 13

Установите последовательность событий при действии стероидного гормона: А) включение транскрипции генов; Б) проникновение гормона через мембрану; В) синтез новых белков; Г) связывание гормона с внутриклеточным рецептором; Д) связывание комплекса с регуляторным участком ДНК.

Задание 14

Почему лизосомальные ферменты, случайно попавшие в цитоплазму, почти не разрушают клетку?

Задание 15

Выберите три верных ответа. Аутофагия: 1) разрушение повреждённых органоидов с участием лизосом; 2) усиливается при голодании; 3) поддерживает белковый гомеостаз; 4) синтез новых органоидов; 5) происходит в ядрышке; 6) характерна только для бактерий.

Задание 16

Объясните, как клетка «узнаёт» о нехватке кислорода и что при этом происходит.

Задание 17

Установите соответствие между примерами и типами обратной связи. Примеры: А) избыток изолейцина тормозит его синтез; Б) открытие натриевых каналов при нервном импульсе ведёт к открытию новых каналов; В) повышение глюкозы вызывает выделение инсулина и снижение глюкозы; Г) белок period подавляет транскрипцию своего гена. Типы: 1) отрицательная; 2) положительная.

Задание 18

Почему мутация, делающая белок p53 неработающим, повышает риск рака?

Задание 19 (олимпиадное)

В клетку ввели двуцепочечную РНК, соответствующую участку гена белка X. Через сутки белок X в клетке почти исчез, хотя ген и его транскрипция не изменились. Объясните механизм. Почему эффект может сохраняться и в дочерних клетках некоторых организмов (например, червей)?

Задание 20 (олимпиадное)

Клетку поместили в среду с ингибитором синтеза АТФ. Как изменятся через некоторое время концентрации ионов натрия и калия в клетке, её объём и мембранный потенциал? Объясните.

Литература

1. Gurdon J. B. The developmental capacity of nuclei taken from intestinal epithelium cells of feeding tadpoles // Journal of Embryology and Experimental Morphology. 1962. Vol. 10. P. 622–640.
2. Kornberg R. D. Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNA // Science. 1974. Vol. 184. P. 868–871.
3. Lyon M. F. Gene action in the X-chromosome of the mouse (Mus musculus L.) // Nature. 1961. Vol. 190. P. 372–373.
4. Heijmans B. T., Tobi E. W., Stein A. D. et al. Persistent epigenetic differences associated with prenatal exposure to famine in humans // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2008. Vol. 105. P. 17046–17049.
5. Banerji J., Rusconi S., Schaffner W. Expression of a β-globin gene is enhanced by remote SV40 DNA sequences // Cell. 1981. Vol. 27. P. 299–308.
6. Kucharski R., Maleszka J., Foret S., Maleszka R. Nutritional control of reproductive status in honeybees via DNA methylation // Science. 2008. Vol. 319. P. 1827–1830.
7. Chan Y. F., Marks M. E., Jones F. C. et al. Adaptive evolution of pelvic reduction in sticklebacks by recurrent deletion of a Pitx1 enhancer // Science. 2010. Vol. 327. P. 302–305.
8. Davis R. L., Weintraub H., Lassar A. B. Expression of a single transfected cDNA converts fibroblasts to myoblasts // Cell. 1987. Vol. 51. P. 987–1000.
9. Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors // Cell. 2006. Vol. 126. P. 663–676.
10. Lee R. C., Feinbaum R. L., Ambros V. The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14 // Cell. 1993. Vol. 75. P. 843–854.
11. Fire A., Xu S., Montgomery M. K. et al. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans // Nature. 1998. Vol. 391. P. 806–811.
12. Skou J. C. The influence of some cations on an adenosine triphosphatase from peripheral nerves // Biochimica et Biophysica Acta. 1957. Vol. 23. P. 394–401.
13. Tsukada M., Ohsumi Y. Isolation and characterization of autophagy-defective mutants of Saccharomyces cerevisiae // FEBS Letters. 1993. Vol. 333. P. 169–174.
14. Wang G. L., Jiang B. H., Rue E. A., Semenza G. L. Hypoxia-inducible factor 1 is a basic-helix-loop-helix-PAS heterodimer regulated by cellular O2 tension // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1995. Vol. 92. P. 5510–5514.
15. Konopka R. J., Benzer S. Clock mutants of Drosophila melanogaster // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1971. Vol. 68. P. 2112–2116.
16. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.