Клеточное строение живых организмов

Подобными же свойствами обладают и -белки. Механохимический белок динеин обеспечивает колебания ресничек с затратой энергии АТФ, функционируя аналогично миозину у микрофиламентов. Сходный с ним белок кинезин (молекулярный вес 300 кД) участвует в передвижении содержащих медиаторы везикул по аксону нейрона. Процессами сборки и разборки микротрубочек управляют протеинкиназы.

В отличие от микрофиламентов микротрубочки не образуют гель. БАМ и другие тубулин-связанные белки только стабилизируют микротрубочки и сшивают их между собой, а также присоединяют микротрубочки к мембранам и промежуточным филаментам.

Ряд веществ, в том числе колхицин (алкалоид из безвременника осеннего), колцемид и нокодозол, подавляют полимеризацию тубулинов, что приводит к обратимой диссоциации микротрубочек. Свойство колхицина и его аналогов разрушать состоящее из микротрубочек веретено деления используется для получения полиплоидных клеток.

Универсальной структурой, организующей систему микротрубочек в клетках животных, является клеточный центр (центросома). Он локализиется около пластинчатого комплекса у клеточного ядра и состоит из двух центриолей и центросферы.

Центриоль представляет собой полый цилиндр шириной 150 нм и длиной до 500 нм. Стенка центриоли состоит из девяти триплетов микротрубочек. Первая микротрубочка каждого триплета (A-микротрубочка) имеет по окружности 13 молекул тубулина диаметром 5 нм каждая, а примыкающие к ним вплотную B-микрорубочка и C-микротрубочка - по 11 молекул. Триплеты расположены равномерно по периметру центриоли и повернуты на угол 40O относительно радиуса. От A-микротрубочки отходят две “ручки” - боковые выросты, образованные БАМ. Один из них направлен к микротрубочке C соседнего триплета, а второй - к центру. Триплеты погружены в аморфную муфту, или оправу.

В клеточном центре обе центриоли располагаются строго перпендикулярно друг к другу, образуя диплосому. Центриоли диплосомы не одинаковы. Одна из них, материнская, на дистальном конце имеет выросты “шпоры”. Проксимальный конец дочерней центриоли, который приближен к поверхности материнской, содержит “втулку” диаметром 25 нм и 9 “спиц”, направленных к микротрубочкам А.

Окружающая диплосому центросфера состоит из радиально отходящих от центриолей микротрубочек. Они не имеют непосредственного контакта с центриолями, но связаны с муфтой или сателлитами. Последние располагаются на триплетах материнской центриоли и состоят из конусовидных ножек и округлых головок. Вокруг диплосомы могут также находиться фокусы схождения микротрубочек - плотные тельца диаметром 2040 нм, к которым прикреплены одна или несколько микротрубочек.

Клеточный центр отсутствует в клетках высших растений, некоторых грибов и простейших. В делящихся клетках клеточный центр участвует в формировании веретена деления. В неделящихся клетках клеточный центр может превращаться в базальное тельце специализированных органоидов движения ресничек и жгутиков.

Реснички и жгутики устроены однотипно и представляют собой выросты плазмолеммы диаметром 300 нм. Центральную часть этого выроста занимает состоящая из микротрубочек осевая структура аксонема, прикрепленная к расположенному в цитоплазме базальному тельцу. Диаметр аксонемы и базального тельца составляет 200 нм. Стенка аксонемы состоит из девяти дублетов микротрубочек, а ее центральную часть занимают еще две свободные микротрубочки. A-микротрубочка дублета содержит по окружности 13,. а примыкающая к ней B-микротрубочка - 11 молекул тубулина. A-микротрубочка имеет три отростка: две ручки, направленные к B-микротрубочке соседнего дублета, и спицу, которая отходит в радиальном направлении. Спица заканчивается головкой, присоединенной к центральной муфте диаметром около 70 нм, которая окружает две свободные микротрубочки, отстоящие друг от друга на 25 нм. Оси дублетов наклонены под углом 10O к радиусу аксонемы. В отличие от аксонемы базальное тельце имеет структуру как у центриоли. В месте перехода аксонемы в базальное тельце расположена поперечная пластинка из аморфного вещества.

Волнообразные движения ресничек и жгутиков обеспечиваются белком динеином, который образует ручки дублетов. Динеин обладает АТФ-азной активностью, он образован 12 полипептидами молекулярной массой от 85 до 400 кД. При его взаимодействии с микротрубочками происходит продольное скольжение дублетов друг относительно друга, что приводит к изгибанию реснички.

3.3 Промежуточные филаменты

Промежуточные филаменты названы так потому, что их диаметр составляет около 10 нм, что является промежуточной величиной между диаметром микрофиламентов (6 нм) и микротрубочек (25 нм). В отличие от микрофиламентов и микротрубочек они являются не молекулярными полимерами, а поликонденсатами фибриллярных мономеров. Промежуточные филаменты обнаружены во всех клетках животных, но особенно много их в покровном эпителии, нервной и мышечных тканях.

В центральной части молекулы белков промежуточных филаментов содержится одинаковая аминокислотная последовательность из 130 остатков, формирующая -спираль. Тем не менее, эти белки обладают выраженной тканевой специфичностью, которая определяется концевыми участками их молекул. Сборка филаментов происходит путем упорядоченной конденсации -спиральных структур.

Белки промежуточных филаментов принадлежат к одной из четырех различных групп - кератинам, белкам мезенхимных клеток, белкам нейрофибрилл и ламинам.

Кератины представляют собой семейство фибриллярных белков с молекулярной массой 40-70 кД, специфичных для эпителиальных клеток. Отдельные белки, которых в семействе около тридцати, лишь незначительно отличаются по аминокислотной последовательности, но их комплексы могут формировать различные супрамолекулярные структуры, которые придают эпителиальным клеткам различные физико-химические свойства. В частности, именно кератины обеспечивают механические свойства волос, ногтей, перьев и других производных эпидермиса у позвоночных животных.

Белки промежуточных филаментов клеток мезенхимального происхождения представлены виментином клеток соединительной ткани, эндотелия сосудов и крови, десмином (скелетином) мышечных тканей и глиальным кислым фибриллярным белком астроцитов и других клеток нейроглии. Эти белки имеют молекулярную массу 5358 кД и формируют в клетках опорные структуры. В частности, десмин входит в состав Z-пластинок, к которым прикреплены актиновые нити в сократительных органоидах мышечных волокон - миофибриллах.

К белкам нейрофиламентов относятся три полипептида с молекулярной массой 68, 145 и 220 кД. Они вместе с микротрубочками входят в состав характерных для нервных клеток структур - нейрофибрилл, которые участвуют в формировании системы внутриклеточного транспорта в теле нейрона и его отростках.

Промежуточные филаменты цитоплазмы локализуются в основном вокруг клеточного ядра, а также образуют пучки, идущие от ядра на периферию клетки. Распределение промежуточных филаментов в клетке в значительной степени совпадает с распределением микротрубочек, что отражает их совместное участие во внутриклеточных транспортных системах.

В отличие цитоплазматических белков, образующих фибриллы, локализованные в клеточном ядре ламины A, B и C (молекулярная масса 6070 кД) собраны в прямоугольные решетки. Сформированный ими остов, или ядерный матрикс, контактирует с внутренней мембраной нуклеолеммы, обеспечивая поддержание размеров и формы клеточного ядра. Ядерный матрикс из ламинов служит также опорной структурой для хромосом. При митозе или мейозе ламины фосфорилируются киназами клеточного деления, что приводит к их деполимеризации и распаду нуклеолеммы на отдельные рассеянные по цитоплазме пузырьки. В конце деления активируются фосфатазы, обеспечивающие полимеризацию ламинов и восстановление ядерного матрикса и нуклеолеммы.

3.4 Микротрабекулярная сеть

Микротрабекулярная сеть состоит из фибрилл, которые прикреплены к уплотнениям на различных органоидах клетки. В отличие от других компонентов цитоскелета они гетерогенны, различаясь между собой как по диаметру, так и по длине. Микротрабекуы состоят из специфических белков. Один из таких белков, спазмин, был выделен из клеток простейших, где он участвует в изменении формы клетки в зависимости от концентрации кальция. Впоследствии спазмин обнаружили также в клетках млекопитающих вблизи клеточного центра.

4. Митохондрии и пластиды

Митохондрии и пластиды в отличие от других цитоплазматических органоидов эукариотической клетки имеют две мембраны, ДНК и белоксинтезирующую систему. В митохондриях происходит синтез АТФ, тогда как основная форма пластид - хлоропласты обеспечивает фотосинтез.

4.1 Митохондрии

Этот органоид был впервые обнаружен в мышцах насекомых Р. Келликером еще в 1850 г. Однако вплоть до 90 гг. XIX в. саркосомы (как тогда называли митохондрии) считали органоидом, характерным только для мышечной ткани. В 1890 г. Р. Альтманн подробно исследовал этот органоид под именем “биобласт” в различных клетках, используя специфический для него краситель фуксин. В 1898 г. К. Бенда, изучая сперматогенез, обнаружил в клетках окрашивающиеся кристаллическим фиолетовым нити, которые он назвал митохондриями (от греч. mitos - нить).

Наблюдавшаяся Р. Альтманном автономность митохондрий и их способность к делению, а также открытое в начале XX в. явление цитоплазматической наследственности дали основание считать, что этот органоид способен к самовоспроизведению и содержит цитоплазматические гены. Синтез АТФ в мышцах был обнаружен русским ученым В.А. Энгельгардтом в 1930 г. То, что образование основного количества АТФ происходит именно в митохондриях, было окончательно доказано в 1949 г. А. Ленинджером.

Митохондрии присутствуют в клетках у всех эукариот. Они отличаются значительной вариабельностью размеров, формы и количества в клетке. В соматических клетках млекопитающих число митохондрий может достигать нескольких сотен, их размеры варьируют от 1 до 10 мкм.

Митохондрии располагаются в клетке в тех местах, где расходуется много энергии. Например, в сперматозоидах они выстраиваются вдоль жгутика, в мышечных волокнах локализуются рядом с миофибриллами, в эпителии почечных канальцев концентрируются в базальной части клеток у плазмолеммы, где интенсивно работают мембранные насосы.

4.1.1 Ультраструктура митохондрий

Несмотря на большую изменчивость размеров и формы тонкая структура митохондрий однотипна у всех организмов. Они состоят из наружной и внутренней мембран толщиной по 7 нм, межмембранного пространства шириной 1020 нм и митохондриального матрикса (митоплазмы).

Наружная и внутренняя мембраны митохондрий значительно различаются по физическим свойствам. При изменении осмотического давления наружная мембрана способна только расширяться, в то время как внутренняя мембрана может и расширяться, и сжиматься. Наружная мембрана отличается также неспецифической проницаемостью, тогда как внутренняя специфична в отношении активного транспорта веществ. Наружная мембрана митохондрий обладает большим сходством с мембранами плазматической сети.

Мембраны митохондрии отличаются и по химическому составу. В наружной мембране содержится менее 20 % белка, а во внутренней его около 75 %. Содержание белка во внутренней мембране столь высоко, что в ней местами нарушается типичное для биомембран взаимное расположение липидов и белков, причем липиды не образуют бимолекулярного слоя, локализуясь на поверхности. Липиды внутренней мембраны отличаются высоким содержанием насыщенных жирных кислот и холестерола.

Внутренняя мембрана митохондрий способна формировать многочисленные инвагинации внутрь матрикса - кристы. Ориентация крист по отношению к центральной оси митохондрии может быть различной. Наиболее часто встречается поперечная ориентация крист. Она характерна, например, для клеток печени и почек. В клетках сердечной мышцы, однако, кристы ориентированы вдоль оси митохондрий. В некоторых клетках кристы могут располагаться без определенной ориентации, их концы могут формировать дополнительные выросты. Мелкие митохондрии имеют шаровидную форму, их немногочисленные кристы ориентированы радиально.

На внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрии обнаруживаются многочисленные грибовидные тельца. Они имеют головку диаметром 8 нм и прикреплены к мембране ножкой. Грибовидные тельца равномерно покрывают поверхность крист, причем расстояние между соседними структурами составляет около 10 нм. Головки грибовидных телец состоят из 5 различных белковых субъединиц и проявляют АТФ-азную активность. Ножка грибовидных телец является встроенным в мембрану протонным каналом. Полный супрамолекулярный комплекс грибовидных телец, включающий как головку, так и ножку, обладает АТФ-синтетазной активностью. Развитие системы крист приводит к увеличению поверхности внутренней митохондриальной мембраны, росту числа грибовидных телец и усилению энергетической функции митохондрии.

Матрикс митохондрий на малом увеличении электронного микроскопа (до 10 000х) выглядит однородным. При большем увеличении в нем обнаруживаются фибриллы диаметром около 2 нм, мелкие гранулы величиной 1520 нм и более крупные гранулы величиной 2040 нм. Фибриллы матрикса идентифицированы как молекулы митохондриальной ДНК. Мелкие гранулы представляют собой митохондриальные рибосомы. У млекопитающих они относятся к 55S-рибосомам (минирибосомам). Крупные гранулы состоят из отложений солей кальция и магния.

4.1.2 Функции митохондрий

Основной функцией митохондрий является окислительное фосфорилирование запасание энергии, которая выделяется при окислении органического субстрата, в макроэргические связи молекул АТФ.

Начальные этапы получения энергии клеткой происходят в гиалоплазме без участия кислорода в ходе частичного расщепления углеводов - гликолиза. В результате гликолиза молекула глюкозы распадается до триоз с выделением 2 молекул АТФ. Если в клетке отсутствуют митохондрии (как, например, на ранних стадиях эмбриогенеза), она получает всю необходимую ей энергию путем гликолиза.

Образующаяся в ходе гликолиза пировиноградная кислота поступает в митохондрии, где под воздействием кислорода подвергается полному расщеплению с выделением углекислого газа, воды и 36 молекул АТФ. Энергетическая эффективность гликолиза и окислительного фосфорилирования примерно равна, составляя около 40 %.

Высокий энергетический выход окислительного фосфорилирования объясняется тем, что полное окисление субстрата в митохондриях осуществляется кислородом постепенно, без значительной тепловой деградации энергии. Это достигается согласованной работой окислительных ферментов цикла Кребса, белков цепи переноса электронов и АТФ-синтетаз.

Ферменты цикла Кребса (цикла трикарбоновых кислот, цикла лимонной кислоты) локализованы в митохондриальном матриксе. Они обеспечивают окисление субстрата, перенос свободных электронов на кофермент никотинамидадениндинуклотид (НАД) и выделение углекислого газа. Электроны передаются затем в дыхательную цепь, которая состоит из сукцинатдегидрогеназы (СДГ), НАД-дегидрогеназы (НАД-ДГ), убихинона (кофермента Q), а также цитохромов b, c1, c, a и a3. Большинство компонентов дыхательной цепи локализуется на внешней стороне внутренней мембраны. Они последовательно осуществляют окислительно-восстановительные реакции с участием гема, причем цитохромы транспортируют электроны от одного иона железа к другому с помощью белков, содержащих негеминовое железо и медь.

Согласно хемоосмотической теории окислительного фосфорилирования (П. Митчел, 1961), ферменты - переносчики электронов связаны в мембране с протонными насосами, которые захватывают протоны, накапливающиеся в матриксе при окислительно-восстановительных реакциях, и перебрасывают их в межмембранное пространство. В результате межмембранное пространство закисляется, тогда как матрикс, наоборот, защелачивается, а на внутренней митохондриальной мембране возникает электрический потенциал. Этот потенциал используется грибовидными тельцами для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. По протонному каналу в ножке грибовидного тельца протоны из межмембранного пространства возвращаются в матрикс. Таким образом, грибовидные тельца митохондрий являются теми структурами, которые обеспечивают сопряжение окисления с фосфорилированием у эукариот.

Кроме синтеза АТФ митохондрии могут выполнять и другие функции. Например, в клетках коры надпочечников митохондрии участвуют в синтезе стероидных гормонов, а в лейкоцитах морских млекопитающих запасают углеводы. Необходимо отметить высокую пластичность митохондрий, которые могут в широких пределах адаптироваться к потребностям клетки, принимая на себя функции других органоидов.

4.1.3 Размножение митохондрий

Митохондрии размножаются тремя способами: делением перетяжкой, почкованием наружу и почкованием внутрь. Делению митохондрии предшествует репликация митохондриальной ДНК. Она представляет собой двухцепочечную кольцевую молекулу массой от 10 до 40 мД. В одной митохондрии может быть до 10 молекул ДНК. Митохондриальная ДНК по химическому составу, плавучей плотности и другим характеристикам ближе к ДНК прокариот. В частности, она почти полностью лишена регуляторных и высокоповторяющихся последовательностей, кодируя главным образом структурные гены. Размеры митохондриального генома позволяют закодировать не более 100 белков. Это намного меньше, чем размер генома у бактерий (порядка 1000 мД), который обеспечивает кодирование до 3000 различных белков.

Митохондрии обладают также своей собственной белоксинтезирующей системой прокариотического типа, включая рибосомы, тРНК и аминоацил-тРНК-синтетазы. Рибосомы митохондрий высших растений имеют константу седиментации 70S, рибосомы митохондрий грибов - 75S, рибосомы митохондрий млекопитающих - 55S. Это свидетельствует о значительной видовой специфичности митохондриальных рибосом по сравнению с цитоплазматическими рибосомами. Тем не менее, рибосомы митохондрий толерантны к матрице и могут транслировать иРНК любого происхождения.

Гены митохондриального генома кодируют ряд белков, входящих в состав внутренней мембраны митохондрии, в том числе 4 из 10 субъединиц грибовидного тельца, а также некоторые субъединицы ферментов и цитохромов дыхательной цепи. Однако подавляющее большинство белков в митохондриях кодируется генами клеточного ядра. Более того, ключевые ферменты транскрипции, рибосомальные и регуляторные белки также кодируются ядерной ДНК, что свидетельствует о высокой степени интеграции ядерного и митохондриального геномов.

4.1.4 Гипотезы происхождения митохондрий

Автономность митохондрий послужила основанием для симбиотической гипотезы их происхождения в филогенезе. Впервые она была выдвинута одним из первых исследователей этого органоида Р. Альтманном еще в 1890 г. Эта гипотеза постулирует, что эволюционная предшественница эукариотической клетки могла включить в себя эндосимбионт бактериальной природы, который обладал способностью к дыханию. В пользу этой гипотезы свидетельствует сходство геномов бактерий и митохондрий, сходный способ их размножения, сходство белоксинтезирующих систем, чувствительность рибосом бактерий и митохондрий к одним и тем же антибиотикам.

Однако целый ряд фактов противоречит симбиотической гипотезе. В частности, геном митохондрий намного меньше генома бактерий, рибосомы отличаются от рибосом эукариот и прокариот, иРНК ближе к эукариотическому типу, генетический код имеет уникальные особенности. Поэтому как альтернатива симбиотической гипотезе была выдвинута плазмидная гипотеза происхождения митохондрий.

Плазмиды представляют собой молекулы ДНК, которые способны автономно реплицироваться и экспрессироваться в бактериальной клетке, а также встраиваться в их кольцевую ДНК и реплицироваться и экспрессироваться совместно с ней. Плазмиды часто захватывают гены бактериальной ДНК и переносят их от одних клеток к другим в результате характерного для бактерий парасексуального процесса - конъюгации. Согласно плазмидной гипотезе предшественницы эукариотических клеток могли встраивать кодируемые геномом дыхательные ферменты в плазмолемму. В ходе дальнейшей эволюции имели место два противоположно направленных процесса: специализированные участки плазмолеммы с дыхательными ферментами инвагинировали в цитоплазму, и одновременно включали в себя с помощью плазмид те гены, продукты которых было выгодно синтезировать на месте. После образования наружной мембраны митохондрии окончательно приобрели нынешнюю автономность.

4.2 Пластиды

Пластиды - это двумембранные органоиды, которые характерны для растительных клеток. Они были открыты А. Левенгуком в 1676 г. У высших растений имеется несколько типов пластид, отличающихся составом пигментов, структурой и функциями - хлоропласты, лейкопласты, амилопласты и хромопласты. Кроме высших растений пластиды обнаружены также у некоторых водорослей и простейших. Количество пластид в клетке может колебаться от нескольких десятков до сотен. В среднем клетка высших растений содержит около 30 пластид. На самом деле все пластиды являются разновидностями одного органоида - хлоропласта.

4.2.1 Хлоропласт

Хлоропласты высших растений представляют собой тельца овальной формы шириной 24 мкм и длиной 410 мкм. Они имеют две мембраны толщиной по 7 нм с межмембранным пространством шириной около 30 нм. Как и у митохондрий, наружная и внутренняя мембраны хлоропласта отличаются проницаемостью и другими физико-химическими свойствами.

Внутренняя мембрана хлоропластов образует протяженные складки - ламеллы. На ламеллах располагаются плоские мембранные цистерны дисковидной формы - тилакоиды, имеющие полость шириной 2030 нм. Они собраны в комплексы наподобие столбика монет - граны. Тилакоиды уложены в гране таким образом, что между соседними мембранами остается пространство шириной 2 нм. Число тилакоидов в гране может достигать нескольких десятков.

Внутри хлоропласта между мембранными структурами содержится мелкодисперсное вещество, формирующее матрикс, или строму. У некоторых хлоропластов и других пластид в строме обнаруживаются включения пластоглобулы, крахмальные зерна и кристаллы белка.

В хлоропластах осуществляется фотосинтез, в результате которого из углекислого газа и воды с использованием энергии света образуется органическое вещество и выделяется кислород. Процесс фотосинтеза подразделяется на световую и темновую фазы.

Световая фаза фотосинтеза идет в мембранах тилакоидов с участием зеленого пигмента хлорофилла, который поглощает кванты света и запускает гидролиз воды (реакция Хилла). Образованные при фотолизе воды электроны передаются по цепи транспорта электронов, сопряженной с протонными насосами и АТФ-синтетазами.

Для более полного использования энергии света в хлоропластах имеются фотосистемы I и II, настроенные на длинноволновую и коротковолновую области спектра. Один реакционный центр фотосистем содержит около 300 молекул хлорофилла. Фотосистема II обеспечивает фотолиз воды и высвобождение из нее электронов и протонов, тогда как фотосистема I отвечает за восстановление акцепторной молекулы никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ). В транспорте электронов, который организован наподобие дыхательной цепи митохондрий, принимают участие цитохромы b6, b и f, медьсодержащий белок пластоциан, аналоги цитохромов - ферродоксины и аналоги убихинона - пластохинон и филлохинон (витамин K1).

Хлорофилл, а также почти все другие компоненты фотосистем I и II, локализованы в мембранах тилакоидов в составе особых частиц - квантосом диамтером около 16 нм. На внутренней поверхности мембраны тилакоидов имеются многочисленные регулярно расположенные выступы высотой 10 нм, которые обладают АТФ-синтетазной активностью. На свету в полостях тилакоидов накапливаются протоны, а строма хлоропласта защелачивается. Таким образом, световая фаза фотосинтеза осуществляется в тилакоидах надмолекулярными комплексами наподобие грибовидных телец митохондрий.

Темновая фаза фотосинтеза идет в строме хлоропласта. Она заключается в фиксации углекислого газа и синтезе углеводов с использованием полученных в световой фазе молекул АТФ и восстановленного НАДФ.

Синтез углеводов в строме хлоропласта обеспечивается многоступенчатой ферментативной системой цикла Кальвина, в котором ведущая роль в фиксации углерода принадлежит рибулезодифосфату. В результате химических превращений рибулезодифосфата из шести молекул CO2 образуется одна молекула фруктозо-6-фосфата. В дальнейшем фруктозо-6-фосфат дает начало другим сахарам, крахмалу, гликолипидам. Промежуточные продукты цикла Кальвина могут участвовать также в синтезе жирных кислот и аминокислот.

4.2.2 Геном хлоропластов

Хлоропласты обладают ДНК и рибосомами, которые локализованы в строме. ДНК хлоропластов представлена кольцевыми молекулами массой 80130 мД. В одном органоиде может содержаться до 40 копий ДНК. Геном хлоропластов содержит около 120 структурных генов, которые кодируют рибосомальные и транспортные РНК, 20 рибосомальных белков, 9 из 12 субъединиц АТФ-синтетазы, часть белков фотосистем и цепи транспорта электронов. Однако, как и у митохондрий, большинство белков хлоропластов кодируется генами клеточного ядра. Белоксинтезирующая система у хлоропластов прокариотического типа с 70S рибосомами. Высокая степень автономности хлоропластов была отмечена еще русским ботаником К. Мережковским в 1905 г.

4.2.3 Размножение и превращения пластид

Зрелые хлоропласты высших растений делятся редко. Размножение хлоропластов и других пластид происходит в основном на уровне их предшественников - пропластид, которые представляют собой двумембранные пузырьки диаметром 1 мкм. Они содержатся в молодых камбиальных тканях и способны делиться перетяжкой или почкованием.

Если растение развивается в условиях нормального освещения, пропластиды дифференцируются непосредственно в хлоропласты. В темноте пропластиды увеличиваются в размерах, но вместо ламелл и тилакоидов в них образуются многочисленные мелкие пузырьки и их комплексы (проламеллярные тела). Образованные в этом случае бесцветные пластиды называются лейкопластами (этиопластами). На свету они способны превращаться в полноценные хлоропласты. В строме лейкопластов часто откладываются запасные питательные вещества, в особенности крахмал. В таких тканях как эндосперм злаков при накоплении большого числа крахмальных зерен в строме пропластиды и лейкопласты дифференцируются в амилопласты. Хлоропласты, лейкопласты и амилопласты могут необратимо превращаться в окрашенные в желто-красные цвета хромопласты. При этом мембранные структуры органоида деградируют, хлорофилл и крахмал исчезают, а в строме образуются пластоглобулы - липидные капли с растворенными в них пигментами каротиноидами.

5. Клеточное ядро

Ядро представляет собой органоид, в котором сосредоточена почти вся наследственная информация клетки. Все организмы, состоящие из клеток, подразделяются на две группы - лишенные ядра прокариоты и имеющие ядро эукариоты. Наследственная информация прокариот, к которым относятся бактерии, сине-зеленые водоросли и микоплазмы, зашифрована в молекуле ДНК длиной не более 2 мм, тогда как общая длина молекулы ДНК эукариот может достигать 2 м. ДНК бактерий кодирует около 3000 генов, в то время как ДНК эукариот кодирует до 30 000 генов. Из этого сравнения следует, что клеточное ядро необходимо для хранения и функционирования большой и сложной системы генов, которой обладают эукариоты.

5.1 Структура клеточного ядра

У большинства клеток ядро имеет диаметр 48 мкм, округлую форму и находится в центральной части цитоплазмы, занимая от 10 до 40 % ее объема. Однако не менее редки случаи, особенно в специализированных клетках, когда ядро значительно отличается своими размерами, формой и локализацией. Примерами могут служить сперматозоиды, яйцеклетки, гигантские нейроны, сегментоядерные лейкоциты, мегакариоциты красного костного мозга и многие другие клетки. Некоторые клетки вообще могут быть лишены ядер как, например, эритроциты млекопитающих. Клеточное ядро, таким образом, способно видоизменяться в широких пределах в соответствии потребностями клетки и организма.

Клеточное ядро состоит из следующих структурных компонентов:

ядерной оболочки, или нуклеолеммы;

хроматина, представляющего собой комплекс ДНК с белками;

белкового матрикса;

одного или нескольких ядрышек;

ядерного сока (кариолимфы, нуклеоплазмы).

В ядрах клеток печени материал нуклеолеммы и ядерного матрикса составляет 35 %, хроматина - около 70 %, ядрышек - около 7 % и кариолимфы - 20 %. Однако, эти соотношения могут варьировать в зависимости от типа клетки и ее функциональной активности. Например, в нерастущих клетках содержание хроматина достигает почти 100 %, тогда как в быстрорастущих клетках увеличивается доля ядрышек. Ядерный матрикс значительно разрастается в опухолях.

Оболочка ядра нуклеолемма изолирует его содержимое от цитоплазмы. Она состоит из наружной и внутренней мембран толщиной по 710 нм, между которыми имеется перинуклеарное пространство шириной 1530 нм. Наружная мембрана часто связана с цистернами и канальцами плазматической сети. Поэтому перинуклеарное пространство может сообщаться с плазматической сетью и другими компонентами мембранной системы клетки. Наружная мембрана ядра обладает большим сходством с цитоплазматическими мембранами. Кроме липидов и белков она содержит до 16 % углеводов. К ней могут прикрепляться рибосомы и полирибосомы, синхронно с репликацией ДНК синтезирующие ядерные белки.

Внутренняя мембрана нуклеолеммы обладает рядом химических и структурных особенностей. С внутренней стороны к ней плотно прилегает фиброзный слой, или ламина, толщиной 1020 нм, который состоит из белков промежуточных филаментов. С ламиной тесно связан внутренний ядерный матрикс, поэтому даже при полном удалении нуклеолеммы ядро сохраняет свою форму.

Наружная и внутренняя мембраны нуклеолеммы соединены между собой в ядерных порах, которые представляют собой отверстия в нуклеолемме диаметром около 80 нм. Как с цитоплазматической, так и с ядерной стороны по краю поры располагаются два кольца, каждый из которых состоит из 8 уплощенных субъединиц. На внутренней поверхности поры имеется 8 радиальных выступов, или “спиц”, локализация которых совпадает с расположением субъединиц в кольцах. С цитоплазматической стороны с каждой субъединицей кольца связана частица диаметром 25 нм. В центре поры часто видна еще одна, центральная гранула диаметром 10-40 нм. Внутри поры иногда можно заметить и другие структуры. В частности, с ядерной стороны у входа в пору обнаруживаются фибриллярный, а с цитоплазматической стороны гранулярный материал. В целом ядерные поры вместе с окружающими ее структурами формируют поровые комплексы, диаметр которых достигает 100120 нм.

Структура поровых комплексов не обладает тканевыми или видовыми особенностями. Их количество в ядре пропорционально числу хромосом и может меняться в зависимости от метаболической активности клетки. Поровые комплексы обеспечивают селективный транспорт веществ между ядром и цитоплазмой, но детали этого процесса остаются неясными. Недавно было показано, что поровые комплексы участвуют в процессинге иРНК, которые транскрибируются в расположенных рядом участках генома. Имеются также данные о том, что поровые комплексы специфически распознают поступающие из цитоплазмы в ядро белки.

При окрашивании клеточных ядер основными красителями в них выявляется вещество, которое В. Флемминг в 1880 г. назвал хроматином. В классической цитологии хроматину противопоставляли неокрашиваемое вещество ядра - ахроматин, или линин. В настоящее время это противопоставление утратило актуальность, но термин “хроматин” сохранился. Им обозначают комплексы “ДНК-белок”, которым заполнена большая часть объема ядра.

Хроматин в ядре распределен неравномерно: более конденсированные участки гетерохроматина чередуются с менее конденсированными участками эухроматина. Гетерохроматин и эухроматин различаются также функционально - большинство структурных генов локализовано в эухроматине, тогда как гетерохроматин в основном содержит повторяющиеся последовательности некодирующей ДНК.

Распределение гетерохроматина и эухроматина в ядре зависит от функциональной активности клетки, ее пролиферативного состояния, стадии дифференцировки, тканевой и видовой специфичности. В связи с этим различают конститутивный гетерохроматин, который всегда остается в конденсированном состоянии, и факультативный гетерохроматин, представляющий собой временно конденсированный эухроматин. Особенно много факультативного гетерохроматина в неделящихся, зрелых клетках, где активировано не более 10 % генов.

Во многих клетках растений и животных гетерохроматиновые участки клеточного ядра формируют скопления - хромоцентры. Они трактуются в последнее время как морфологическое проявление тканеспецифического взаимодействия негомологичных участков генома эктопической конъюгации хромосом.

Кроме ДНК-содержащего хроматина в клеточном ядре обнаруживаются также РНК-содержащие структуры - интерхроматиновые фибриллы и гранулы, перихроматиновые фибриллы и гранулы, тельца Кахаля и др., которые различаются между собой локализацией, размерами и формой. Более крупные перихроматиновые фибриллы и гранулы диаметром около 20 нм локализуются по периферии ядра около нуклеолеммы. Они представляют собой субъединицы рибосом различной степени зрелости. Интерхроматиновые фибриллы и гранулы диаметром 47 нм локализуются во внутренних эухроматиновых областях ядра и являются, вероятно, морфологическим выражением различных этапов синтеза и процессинга иРНК. Тельца Кахаля диаметром 0,11,0 мкм, возможно, принимают участие в регуляции трапнскрипции.

Ядерный матрикс выделяют, обработав изолированные клеточные ядра неионными детергентами в сочетании с обработкой 2М раствором NaCl, ДНК-азой и РНК-азой. Он состоит из ламины, белкового скелета ядрышек и фибриллярно-гранулярной сети. Основной компонент ядерного матрикса представлен многочисленными гранулами диаметром 2530 нм, которые соединяются между собой в фибриллярные структуры.

В химическом отношении ядерный матрикс практически полностью построен из белков. Наиболее изученные из них - это ламины A, B и C (молекулярная масса 6570 кД). Ламины A и C имеют почти идентичную аминокислотную последовательность, но первый из них длиннее второго на 82 остатка. Центральные -спиральные домены этих белков обладают большим сходством первичной структуры с аналогичными доменами кератинов и других белков промежуточных филаментов цитоплазмы. В физиологическом растворе ламины A и C образуют фибриллы диаметром 10 нм. Ламин B существенно отличается от ламинов A и C не только первичной структурой, но и более прочной связью с нуклеолеммой, входя в состав поровых комплексов. В отличие от белков промежуточных филаментов цитоплазмы ламины образуют не фибриллы, а трехмерные сети с ортогональной укладкой молекул.

Функции ламинов заключаются в поддержании размеров и формы клеточного ядра, а также его перестройке при делении клетки или гибели ее путем апоптоза. В частности, циклин-зависимые киназы клеточного деления фосфорилируют ламины A и C, что вызывает обратимую дезинтеграцию нуклеолеммы. При апоптозе ламины атакуются специфическими протеазами - каспазами, необратимо разрушающими ядерный матрикс.

Помимо ламинов в состав ядерного матрикса входит еще не менее пяти групп белков с молекулярной массой от 10 до 200 кД. Некоторые из них обеспечивают прикрепление ДНК к ядерному матриксу (белки MAR - matrix attachment regions).

Представления о кариолимфе (нуклеоплазме, ядерном соке) возникли еще в то время, когда о химическом составе ядра почти ничего не было известно. Позднее ее рассматривали как содержащийся в ядре коллоидный раствор белка, который не окрашивается применяемыми в световой микроскопии основными или кислыми красителями и слабо контрастируется на электронно-микроскопических препаратах. Тем не менее, понятие о кариолимфе сохранилось до сих пор для обозначения растворимой фракции клеточного ядра. Подразумевается, что в нее входят вода, а также растворенные в ней ионы натрия, калия, хлора, магния и кальция, низкомолекулярные ДНК и РНК, ферменты, метаболиты транскрипции и репликации, глобулины и другие молекулы.

5.2 Хроматин

Хроматин, несомненно, представляет собой наиболее важный компонент клеточного ядра, поскольку именно в нем содержится геном клетки. В ядрах клеток печени содержание хроматина составляет не менее 6570 %. Хроматин состоит из ДНК и белков, причем на ДНК приходится 30 % массы хроматина, а на белки 70 %.

5.2.1 Свойства эукариотической ДНК

В химическом отношении ДНК хроматина представляет собой двуспиральный полимер из дезоксирибонуклеотидов, различающихся азотистыми основаниями - аденином, гуанином, цитозином и тимином. Основания каждой из цепей комплементарно связаны между собой попарно: аденин с тимином, а гуанин с цитозином. Одна из цепей ДНК используется для хранения наследственной информации, тогда как комплементарная ей цепь является матрицей для копирования первой.

Наследственная информация записана в смысловой цепи ДНК в виде последовательности нуклеотидов в соответствии с генетическим кодом. В связи с тем, что последовательность нуклеотидов почти не отражается на свойствах молекулы ДНК, с химической точки зрения эту молекулу можно считать однородной на всем ее протяжении.

Общее количество ДНК в диплоидном ядре эукариот колеблется в пределах от 0,033 пг у дрожжей до 200 пг у амфибий (1 пикограмм = 10-12 грамма). У человека масса ДНК в диплоидном ядре составляет 7,3 пг.

В генетическом плане, однако, молекула ДНК эукариот весьма неоднородна. Она представлена уникальными последовательностями, которые кодируют первичную структуру белков, и не кодирующими белки повторами. Уникальные последовательности принадлежат структурным генам. Общее количество структурных генов в геноме эукариот варьирует от 10 тысяч у беспозвоночных до 30 тысяч у млекопитающих. Однако структурные гены составляют не более трети всего генома. Остальную часть генома занимают некодирующие повторы - так называемая “балластная” ДНК.

Некодирующие последовательности ДНК представлены двумя группами повторов - рассеянными по всему геному относительно короткими диспергированными повторами и длинными (повторяющимися более 106 раз) сателлитными и теломерными ДНК. В группу диспергированных повторов входят, в частности, диспергированные элементы LINE-1, занимающие до 20 % генома у млекопитающих. В дифференцированных соматических клетках они не транскрибируются, активируясь только при созревании половых клеток и в опухолях. Повторяющиеся последовательности сателлитных ДНК локализованы в области первичных перетяжек хромосом - центромер. Показано, что они участвуют в конъюгации негомологичных хромосом в интерфазном ядре. Теломерные ДНК также выполняют важные функции, участвуя в прикреплении хромосом к внутренней поверхности нуклеолеммы и в контроле числа делений соматических клеток.

Многие структурные гены также могут иметь повторы. Например, гены рибосомальных РНК могут быть повторены от 100 до 1000 раз, а гены гистонов - до 400 раз. Однако уровень их повторяемости явно ниже, чем у некодирующей ДНК. Большая часть некодирующей ДНК связана с гетерохроматином, основная функция которого состоит, вероятно, в структурировании генома эукариот.

5.2.2 Белки хроматина

Белки хроматина подразделяются на две группы: основные белки - гистоны и кислые, или негистоновые белки. Содержание гистонов в хроматине достигает 50 %, тогда как кислых белков обычно намного меньше - до 20 %. Однако в отличие от ДНК и гистонов, содержание которых в хроматине неделящихся клеток стабильно, количество кислых белков может меняться в зависимости от функционального состояния клетки.

Гистоны представляют собой небольшие белки (молекулярная масса 1122 кД) с повышенным содержанием основных аминокислот - аргинина, лизина и гистидина. За счет этого их молекулы заряжены положительно и легко вступают в ионные связи с отрицательно заряженными молекулами ДНК.

Различают пять главных молекулярных форм гистонов H1, H2A, H2B, H3 и H4. Все гистоны, кроме H1, имеют глобулярную форму и отличаются высокой эволюционной консервативностью. Наиболее богатый лизином гистон H1 отличается от других гистонов тканевой и видовой специфичностью. Молекула его содержит 223 аминокислотных остатка и формирует в физиологических условиях три домена. Первый домен образован 35 остатками на N-конце и заряжен положительно. Второй домен (с 36 по 121 остаток) формирует глобулярную структуру, а остальные остатки до C-конца принадлежат третьему домену, который отличается фибриллярной формой и высокой плотностью положительного заряда.

Гистоны взаимодействуют в хроматине с ДНК, обеспечивая пространственную укладку ее молекулы в ограниченном объеме ядра эукариотической клетки. Одновременно гистоны, в особенности гистон H1, участвуют в регуляции активности генов. В ядрах эритроцитов птиц гистон H1 замещен похожим на него гистоном H5, который вызывает тотальную конденсацию ДНК и полное подавление активности генов. Полная репрессия генетической активности наблюдается также в сперматозоидах, причем у некоторых насекомых, рыб, птиц и пресмыкающихся гистоны в ядрах этих клеток замещаются на протамины - короткие фибриллярные полипептиды с молекулярной массой около 5 кД, которые почти целиком состоят из основных аминокислот.

Кислые, или негистоновые, белки хроматина образуют значительно более разнообразную и многочисленную группу, чем гистоны. Общее количество различных молекулярных форм негистоновых белков в клетках составляет не менее 500. Многие из них, вероятно, обладают как видовой, так и тканевой специфичностью. Негистоновые белки отличаются высокой метаболической активностью и способностью к посттрансляционным модификациям. Среди них имеются различные ферменты, участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот (полимеразы, топоизомеразы, метилазы, эндонуклеазы) и белков (протеинкиназы, фосфатазы, метилазы, ацетилазы, протеазы), транспортные и регуляторные белки, внутриядерные рецепторы гормонов и др.