Клетка является основной структурной и функциональной единицей живых организмов, осуществляющей рост, развитие, обмен веществ и энергии, хранящей, перерабатывающей и реализующей генетическую информацию. Клетка представляет собой сложную систему биополимеров, отделенную от внешней среды плазматической мембраной (цитолеммой, плазмалеммой) и состоящую из ядра и цитоплазмы, в которой располагаются органеллы и включения.
Французский ученый, лауреат Нобелевской премии А. Львов, основываясь на достижениях современной цитологии, писал: «Рассматривая живой мир на клеточном уровне, мы обнаруживаем его единство: единство строения - каждая клетка содержит ядро, погруженное в цитоплазму; единство функции - обмен веществ, в основном, сходен во всех клетках; единство состава - главные макромолекулы у всех живых существ состоят из одних и тех же малых молекул. Для построения огромного разнообразия живых систем природа использует ограниченное число строительных блоков». Вместе с тем различные клетки имеют и специфические структуры. Это связано с выполнением ими специальных функций.
Размеры клеток человека варьируют от нескольких микрометров (например, малые лимфоциты - около 7) до 200 мкм (яйцеклетка). Напомним, что один микрометр (мкм) = 10 6 м; 1 нанометр (нм) = 109 м; 1 ангстрем (Е) = 1010 м. Форма клеток разнообразна. Они могут быть шаровидными, овоидными, веретенообразными, плоскими, кубическими, призматическими, полигональными, пирамидальными, звездчатыми, чешуйчатыми, отростчатыми, амебовидными и др.
Основными функциональными структурами клетки являются ее поверхностный комплекс, цитоплазма и ядро.
Поверхностный комплекс включает в себя гликока- ликс, плазматическую мембрану (плазмалемму) и кортикальный слой цитоплазмы. Нетрудно видеть, что резкого отграничения поверхностного комплекса от цитоплазмы нет.
В цитоплазме выделяют гиалоплазму (матрикс, цитозоль), органеллы и включения.
Основными структурными компонентами ядра являются кариолемма (кариотека), нуклеоплазма и хромосомы, петли некоторых хромосом могут переплетаться, и в этой области образуется ядрышко. Нередко к структурным элементам ядра относят хроматин. Однако, по определению, хроматин - это вещество хромосом.
Плазмалемма, кариолемма и часть органелл образованы биологическими мембранами.
Основные структуры, образующие клетку, перечислены в табл. 4 и представлены на рис. 6.
Таблица 4
Структурные компоненты клетки
Рис. 6. Основные структуры животной клетки:
1 - агранулярная (гладкая) эндоплазматическая сеть; 2 - гликокапикс; 3 - плазмалемма; 4 - кортикальный слой цитоплазмы; 2+3+4 = поверхностный комплекс клетки; 5 - пиноцитозные пузырьки; 6 - митохондрия: 7 - промежуточные филаменты: 8 - секреторные гранулы: 9 - выделение секрета; 10- комплекс Гольджи; 11 - транспортные пузырьки; 12 - лизосомы; 13 - фагосома; 14 - свободные рибосомы; 15 - полирибосома; 16 - гранулярная эндоплазматическая сеть; 17 - окаймленный пузырек; 18- ядрышко; 19 - ядерная ламина; 20 - перинуклеарное пространство, ограниченное наружной и внутренней мембранами кариотеки; 21 - хроматин; 22 - поровый комплекс; 23 - клеточный центр; 24 - микротрубочка; 25 - пероксисома
Наиболее полно строение биологических мембран отражает жидкостно-мозаичная модель, первоначальный вариант которой был предложен в 1972 г. Г. Николсоном и С. Сингером. Мембрана состоит из двух слоев амфипатических молекул липидов (билипидный слой, или бислой). Каждая такая молекула имеет две части - головку и хвост. Хвосты гидрофобны и обращены друг к другу. Головки, напротив, гидрофильны и направлены кнаружи и внутрь клетки. В билипидный слой погружены молекулы белка (рис. 7).
Рис. 7. Структура биологической мембраны:
1 - внешние белки; 2 - белок в толще мембраны; 3 - внутренние белки; 4 - интегральный (трансмембранный) белок; 5 - фосфолипиды билипидного слоя
На рис. 8 схематически представлена молекула фосфолипида фосфатидилхолина. Одна из жирных кислот - насыщенная, другая - ненасыщенная. Молекулы липидов способны быстро диффундировать в боковом направлении в пределах одного монослоя и крайне редко переходят из одного монослоя в другой.
Рис. 8. Молекула фосфолипида фосфатидилхолина:
А - полярная (гидрофильная) головка: 1 - холин, 2 - фосфат, 3 - глицерол; Б - неполярный (гидрофобный) хвост: 4 - насыщенная жирная кислота, 5 - ненасыщенная жирная кислота, СН=СН - цисдвойная связь
Билипидный слой ведет себя как жидкость, обладающая значительным поверхностным натяжением. Вследствие этого он образует замкнутые полости, которые не спадаются.
Некоторые белки проходят через всю толщу мембраны, так что один конец молекулы обращен в пространство по одну сторону мембраны, другой - по другую. Их называют интегральными (трансмембранними). Другие белки расположены так, что в околомембранное пространство обращен лишь один конец молекулы, второй же конец лежит во внутреннем или в наружном монослое мембраны. Такие белки называют внутренними или, соответственно, внешними (иногда те и другие называют полуинтегральными). Некоторые белки (обычно переносимые через мембрану и временно находящиеся в ней) могут лежать между фосфолипидными слоями.
Концы белковых молекул, обращенные в околомембранное пространство, могут связываться с различными веществами, находящимися в этом пространстве. Поэтому интегральные белки играют большую роль в организации трансмембранных процессов. С полуинтегральными белками всегда связаны молекулы, осуществляющие реакции по восприятию сигналов из среды (молекулярные рецепторы) или по передаче сигналов от мембраны в среду. Многие белки обладают ферментативными свойствами.
Бислой асимметричен: в каждом монослое располагаются различные липиды, гликолипиды обнаруживаются только в наружном монослое так, что их углеводные цепи направлены кнаружи. Молекулы холестерина в мембранах эукариот лежат во внутренней, обращенной к цитоплазме половине мембраны. Цитохромы располагаются в наружном монослое, а АТР-синтетазы - на внутренней стороне мембраны.
Подобно липидам, белки также способны к латеральной диффузии, однако скорость ее меньше, чем у липидных молекул. Переход из одного монослоя в другой практически невозможен.
Бактериородопсин представляет собой полипептидную цепь, состоящую из 248 аминокислотных остатков и простетической группы - хромофора, поглощающего кванты света и ковалентно связанного с лизином. Под влиянием кванта света хромофор возбуждается, что приводит к конформационным изменениям полипептид ной цепи.
Это вызывает перенос двух протонов с цитоплазматической поверхности мембраны на ее внешнюю поверхность, в результате чего в мембране возникает электрический потенциал, вызывающий синтез АТР. Среди мембранных белков прокариот различают пермеазы - переносчики, ферменты, осуществляющие различные синтетические процессы, в том числе и синтез АТР.
Концентрация веществ, в частности ионов, по обе стороны мембраны не одинакова. Поэтому каждая сторона несет свой электрический заряд. Различия в концентрации ионов создают соответственно и разность электрических потенциалов.
Поверхностный комплекс (рис. 9) обеспечивает взаимодействие клетки с окружающей ее средой. В связи с этим он выполняет следующие основные функции: разграничительную (барьерную), транспортную, рецепторную (восприятие сигналов из внешней для клетки среды), а также функцию передачи информации, воспринятой рецепторами, глубоким структурам цитоплазмы.
Основой поверхностного комплекса является биологическая мембрана, называемая наружной клеточной мембраной (иначе - плазмалеммой). Ее толщина около 10 нм, так что в световом микроскопе она неразличима. О строении и роли биологических мембран как таковых сказано ранее, плазмалемма же обеспечивает, в первую очередь, разграничительную функцию по отношению к внешней для клетки среде. Естественно, она выполняет при этом и другие функции: транспортную и рецепторную (восприятия сигналов из внешней для клетки среды). Плазмалемма, таким образом, обеспечивает поверхностные свойства клетки.
Рис. 9. Поверхностный комплекс:
1 - гликопротеины; 2 - периферические белки; 3 - гидрофильные головки фосфолипидов; 4 - гидрофобные хвосты фосфолипидов; 5 - микрофиламенты; 6 - микротрубочки; 7 - субмембранные белки; 8 - трансмембранный (интегральный) белок (по А. Хэму и Д. Кормаку, с изменениями)
Наружный и внутренний электроноплотные слои плазмалеммы имеют толщину около 2-5 нм, средний электронопрозрачный слой - около 3 нм. При замораживании-скалывании мембрана разделяется на два слоя: слой А, содержащий многочисленные, иногда расположенные группами крупные частички размерами 8 - 9,5 нм, и слой В, содержащий примерно такие же частички (но в меньшем количестве) и мелкие углубления. Слой А - это скол внутренней (цитоплазматической) половины мембраны, слой В - наружной.
В билипидный слой плазмалеммы погружены молекулы белка. Некоторые из них (интегральные, или трансмембранные) проходят через всю толщину мембраны, другие (периферические или внешние) лежат во внутреннем или наружном монослоях мембраны. Некоторые интегральные белки объединены нековалентными связями с белками цитоплазмы. Подобно липидам, белковые молекулы также являются амфипатическими - их гидрофобные участки окружены аналогичными «хвостами» липидов, а гидрофильные обращены наружу или внутрь клетки.
Белки осуществляют большую часть мембранных функций: многие из них являются рецепторами, другие - ферментами, третьи - переносчиками. Подобно липидам, белки также способны к латеральной диффузии, однако скорость ее меньшая, чем у липидных молекул. Переход молекул белка из одного монослоя в другой практически невозможен. Так как в каждом монослое содержатся свои белки, бислой асимметричен. Несколько белковых молекул могут образовать канал, через который проходят определенные ионы или молекулы.
Одной из важнейших функций плазматической мембраны является транспорт. Напомним, что обращенные друг к другу «хвосты» липидов образуют гидрофобный слой, препятствующий проникновению полярных водорастворимых молекул. Как правило, внутренняя цитоплазматическая поверхность плазмалеммы несет отрицательный заряд, что облегчает проникновение в клетку положительно заряженных ионов.
Малые (18 Да) незаряженные молекулы воды быстро диффундируют через мембраны, также быстро диффундируют малые полярные молекулы (например, мочевина, СО2, глицерол), гидрофобные молекулы (О2, N2, бензол), крупные незаряженные полярные молекулы вообще не способны диффундировать (глюкоза, сахароза). В то же время через цитолемму указанные вещества диффундируют легко благодаря наличию в ней мембранных транспортных белков, специфических для каждого химического соединения. Эти белки могут функционировать по принципу унипорта (перенос одного вещества через мембрану) или котранспорта (перенос двух веществ). Последний может быть в виде симпорта (перенос двух веществ в одном направлении), либо антипорта (перенос двух веществ в противоположных направлениях) (рис. 10). При транспорте вторым веществом является Н+. Унипорт и симпорт являются основными способами переноса в прокариотическую клетку большей части веществ, необходимых для ее жизнедеятельности.
Различают два типа транспорта: пассивный и активный. Первый не требует затрат энергии, второй - энергозависимый (рис. 11). Пассивный транспорт незаряженных молекул осуществляется по градиенту концентрации, транспорт заряженных молекул зависит от градиента концентрации Н+ и трансмембранной разности потенциалов, которые объединяются в трансмембранный градиент Н+, или электрохимический протонный градиент (рис. 12). Как правило, внутренняя цитоплазматическая поверхность мембраны несет отрицательный заряд, что облегчает проникновение в клетку положительно заряженных ионов.
Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание) - это переход ионов или молекул, вызванный их броуновским движением через мембраны из зоны, где эти вещества находятся в более высокой концентрации, в зону с более низкой концентрацией до тех пор, пока концентрации по обе стороны мембраны выравняются. Диффузия может быть нейтральной (незаряженные вещества проходят между липидными молекулами или через белок, формирующий канал) или облегченной (специфические белки-переносчики связывают вещество и переносят его через мембрану). Облегченная диффузия протекает быстрее, чем нейтральная. На рис. 13 показана гипотетическая модель функционирования белков-переносчиков при облегченной диффузии.
Рис. 10. Схема функционирования транспортных белков:
1 - транспортируемая молекула; 2 - котранспортируемая молекула; 3 - липидный бислой; 4 - белок-переносчик; 5 - антипорт; 6 - симпорт; 7 - котранспорт; 8 - унипорт (по Б. Албертсу и соавт.)
Рис. 11. Схема пассивного транспорта по электрохимическому градиенту и активного транспорта против электрохимического градиента:
1 - транспортируемая молекула; 2 - каналообразующий белок; 3 - белок-переносчик; 4 - электрохимический градиент; 5 - энергия; 6 - активный транспорт; 7 - пассивный транспорт (облегченная диффузия); 8 - диффузия, опосредуемая белком-переносчиком; 9 - диффузия через канал; 10 - простая диффузия; 11 - липидный бислой (по Б. Албертсу и совет.)
Рис. 12. Электрохимический протонный градиент. Составляющие градиента:
1 - внутренняя митохондриальная мембрана; 2 - матрикс; 3 - протондвижущая сила, обусловленная мембранным потенциалом; 4 - протондвижущая сила, обусловленная градиентом концентрации протонов (по Б. Албертсу и совет.)
Вода поступает в клетку путем осмоса (греч. osmos - толчок, давление). В настоящее время математически доказывается наличие в цитолемме мельчайших временных пор, возникающих по мере необходимости.
Активный транспорт осуществляют белки-переносчики, при этом расходуется энергия, получаемая вследствие гидролиза АТР или протонного потенциала. Активный транспорт происходит против градиента концентрации.
В транспортных процессах прокариотической клетки основную роль играет электрохимический протонный градиент, при этом перенос идет против градиента концентрации веществ. На цитолемме эукариотических клеток с помощью натриево-калиевого насоса поддерживается мембранный потенциал. Этот насос, функционирующий как антипорт, накачивающий против градиентов концентрации К+ в клетку, a Na+во внеклеточную среду, является ферментом АТР-азой (рис. 14). При этом в ATP-азе происходят конформационные изменения, в результате которых Na+ переносится через мембрану и выводится во внеклеточную среду, а К+ переносится внутрь клетки. Процесс напоминает модель облегченной диффузии, изображенной на рис. 13.
Рис. 13. Схема функционирования белков-переносчиков:
1 - транспортируемое вещество; 2 - градиент концентрации; 3 - транспортный белок, осуществляющий облегченную диффузию; 4 - липидный бислой (по Б. Албертсу и соавт.)
Рис. 14. (Na+ К+) ATP-аза:
I - внеклеточное пространство; II - внутриклеточное пространство (цитоплазма); 1 - градиент концентрации ионов натрия; 2 - участок связывания калия; 3 - градиент концентрации ионов калия; 4 - участок связывания натрия. При гидролизе внутри клетки каждой молекулы АТР три иона Na+ выкачиваются из клетки и два иона К+ накачиваются в клетку (по Б. Албертсу и соавт.)
ATP-аза осуществляет также активный транспорт аминокислот и сахаров. Аналогичный механизм присутствует в цитолемме аэробных бактерий. Однако у них фермент вместо гидролиза АТР осуществляет его синтез из ADP и фосфата, используя протонный градиент. Таким же образом функционирует описанный выше бактериородопсин. Иными словами, один и тот же фермент осуществляет и синтез и гидролиз АТР.
В связи с наличием суммарного отрицательного заряда в цитоплазме прокариотической клетки ряд незаряженных молекул переносится по принципу сим- порта с Н+, источником энергии является трансмембранный электрохимический градиент Н+ (например, глицин, галактоза, глюкоза), отрицательно заряженные вещества переносятся по принципу симпорта также с Н* за счет градиента концентрации Н+, транспорт Na+осуществляется по принципу антипорта с Н+, который переносится в клетку также за счет градиента концентрации Н+; механизм аналогичен Na+ К+ насосу эукариот. Положительно заряженные вещества поступают в клетку по принципу унипорта за счет трансмембранной разности электрических потенциалов.
Внешняя поверхность плазмалеммы покрыта глико- каликсом (рис. 15). Толщина его различна и колеблется даже в разных участках поверхности одной клетки от 7,5 до 200 нм. Гликокаликс представляет собой совокупность молекул, связанных с белками мембраны. По составу эти молекулы могут представлять собой цепочки полисахаридов, гликолипидов и гликопротеинов.
Многие из молекул гликокаликса функционируют в качестве специфических молекулярных рецепторов. Концевой свободный отдел рецептора обладает уникальной пространственной конфигурацией. Поэтому с ним могут объединяться только те молекулы, находящиеся вне клетки, которые обладают также уникальной конфигурацией, но зеркально симметричной по отношению к рецептору. Именно благодаря существованию специфических рецепторов на поверхности клетки могут закрепляться так называемые сигнальные молекулы, в частности молекулы гормонов.
Рис. 1 5. Гликокаликс:
1 - гликокаликс, выявленный специальным красителем (рутениевым красным); 2 - плазмалемма (часть гликокаликса на этом участке удалена); 3 - цитоплазма; 4 - кариотека; 5 - хроматин (по Б. Албертсу и соавт., с изменениями)
Чем больше конкретных специфических рецепторов находится в гликокаликсе, тем активнее клетка реагирует на соответствующие сигнальные вещества. Если в гликокаликсе нет молекул, специфически связывающихся с внешними веществами, клетка на последние не реагирует. Таким образом, гликокаликс, наряду с самой плазмалеммой, обеспечивает и барьерную функцию поверхностного комплекса.
К глубокой поверхности плазмалеммы примыкают поверхностные структуры цитоплазмы. Они связываются с белками плазмалеммы и осуществляют передачу информации глубинным структурам, запуская сложные цепи биохимических реакций. Они же, изменяя свое взаимоположение, меняют конфигурацию плазмалеммы.
При контакте клеток друг с другом их плазмалеммы вступают во взаимодействия. При этом образуются особые объединяющие структуры - межклеточные соединения (рис. 16). Они формируются при образовании многоклеточного организма во время эмбрионального развития и при образовании тканей. Межклеточные соединения подразделяются на простые и сложные. В простых соединениях плазмалеммы соседних клеток формируют выросты наподобие зубцов, так что зубец одной клетки внедряется между двумя зубцами другой (зубчатое соединение) или переплетающихся между собой интердигитаций (пальцевидное соединение). Между плазмалеммами соседних клеток всегда сохраняется межклеточная щель шириной 15-20 нм.
Рис. 16. Межклеточные соединения:
I - плотное соединение: II - десмосома; III - полудесмосома; IV - нексус (щелевидное соединение); 1 - плазмалеммы смежных клеток; 2 - зоны слипания; 3 - электроноплотные пластинки; 4 - промежуточные фипаменты (тонофиламенты), закрепленные в пластинке; 5 - межклеточные филаменты; 6 - базальная мембрана; 7 - подлежащая соединительная ткань; 8 - коннексоны, каждый из которых состоит из 6 субъединиц с цилиндрическим каналом (по А. Хэму и Д. Кормаку и по Б. Албертсу и соавт., с изменениями)
Сложные соединения, в свою очередь, подразделяются на адгезионные, замыкающие и проводящие. К адгезионным соединениям относятся десмосома, полудесмосома и поясок сцепления (лентовидная десмосома). Десмосома состоит из двух электроноплотных половин, принадлежащих плазмалеммам соседних клеток, разделенных межклеточным пространством размером около 25 нм, заполненным тонкофибриллярным веществом гликопротеинной природы. К обращенным к цитоплазме сторонам обеих пластинок десмосомы прикрепляются кератиновые тонофиламенты, напоминающие по форме головные шпильки. Помимо этого, через межклеточное пространство проходят межклеточные волокна, соединяющие обе пластинки.
Полудесмосома, образованная лишь одной пластинкой с входящими в нее тонофиламентами, прикрепляет клетку к базальной мембране. Поясок сцепления, или лентовидная десмосома, представляет собой «ленту», которая огибает всю поверхность клетки вблизи ее апикального отдела. Ширина межклеточного пространства, заполненного волокнистым веществом, не превышает 15-20 нм. Цитоплазматическая поверхность «ленты» уплотнена и укреплена сократительным пучком актиновых филаментов.
Плотные соединения, или запирающие зоны, проходят через апикальные поверхности клеток в виде поясков шириной 0,5 - 0,6 мкм. В плотных контактах между плазмалеммами соседних клеток практически нет межклеточного пространства и гликокаликса. Белковые молекулы обеих мембран контактируют между собой, поэтому через плотные контакты молекулы не проходят. На плазмалемме одной клетки имеется сеть гребешков, образованных цепочками белковых частиц эллиптической формы, расположенных во внутреннем монослое мембраны, которым на плазмалемме соседней клетки соответствуют углубления, бороздки.
К проводящим соединениям относятся нексус, или Щелевидный контакт, и синапс. Через них из одной клетки в другую проходят водорастворимые малые молекулы с молекулярной массой не более 1500 Да. Такими контактами соединены очень многие клетки человека (и животных). В нексусе между плазмалеммами соседних клеток имеется пространство шириной 2-4 нм. Обе плазмалеммы соединены между собой коннексонами - полыми гексагональными белковыми структурами размерами около 9 нм, каждая из которых образована шестью белковыми субъединицами. Методом замораживания и скалывания показано, что на внутренней части мембраны имеются гексагональные частички размерами 8-9 нм, а на наружной - соответствующие им ямки. Щелевые контакты играют важную роль в осуществлении функции клеток, обладающих выраженной электрической активностью (например, кардиомиоциты). Синапсы играют важную роль в осуществлении функций нервной системы.
Микроворсинки обеспечивают увеличение клеточной поверхности. Это, как правило, связано с осуществлением функции всасывания веществ из внешней для клетки среды. Микроворсинки (рис. 17) являются производными поверхностного комплекса клетки. Они представляют собой выпячивания плазмалеммы длиной 1-2 мкм и диаметром до 0,1 мкм. В гиалоплазме проходят продольные пучки актиновых микрофиламентов, поэтому длина микроворсинок может изменяться. Это один из способов регуляции активности поступления в клетку веществ. У основания микроворсинки в поверхностном комплексе клетки происходит объединение ее микрофиламентов с элементами цитоскелета.
Поверхность микроворсинок покрыта гликокаликсом. При особой активности всасывания микроворсинки так близко располагаются друг к другу, что их гликокаликс сливается. Такой комплекс называют щеточной каймой. В щеточной кайме многие молекулы гликока- ликса обладают ферментативной активностью.
Рис. 17. Микроворсинки и стереоцилии:
I и II - микроворсинки; III и IV- стереоцилии; I -III - схемы; IV - электронная микрофотография; 1 - гликокаликс; 2 - плазмалемма; 3 - пучки микрофиламентов (по В. Албертсу и соавт., с изменениями)
Особо крупные микроворсинки длиной до 7 мкм называют стереоцилиями (см. рис. 17). Они имеются у некоторых специализированных клеток (например, у сенсорных клеток в органах равновесия и слуха). Их роль связана не со всасыванием, а с тем, что они могут отклоняться от своего первоначального положения. Такое изменение конфигурации поверхности клетки вызывает ее возбуждение, последнее воспринимается нервными окончаниями, и сигналы поступают в центральную нервную систему. Стереоцилии можно рассматривать как специальные органеллы, развившиеся путем модификации микроворсинок.
Биологические мембраны разделяют клетку на отдельные области, имеющие свои структурные и функциональные особенности - компартменты, а также отграничивают клетку от окружающей ее среды. Соответственно и мембраны, связанные с этими компартментами, имеют свои характерные черты.
Оформленное ядро клетки (рис. 18) имеется только у эукариот. У прокариот тоже имеются такие ядерные структуры, как хромосомы, но они не заключены в особом компартменте. У большинства клеток форма ядра шаровидна или овоидна, однако встречаются ядра и другой формы (кольцевидные, палочковидные, веретеновидные, бобовидные, сегментированные и др.). Размеры ядер колеблются в широких пределах - от 3 до 25 мкм. Наиболее крупным ядром обладает яйцеклетка. Большинство клеток человека имеет одно ядро, однако имеются двух- ядерные (например, некоторые нейроны, клетки печени, кардиомиоциты). Двух-, а иногда и многоядерность бывает связана с полиплоидией (греч. polyploos - многократный, eidos - вид). Полиплоидия - это увеличение числа хромосомных наборов в ядрах клеток.
Пользуемся случаем обратить внимание, что иногда многоядерными клетками называют структуры, которые образовались не вследствие полиплоидизации исходной клетки, а в результате слияния нескольких одноядерных клеток. Такие структуры имеют специальное название - симпласты; они встречаются, в частности, в составе скелетных поперечнополосатых мышечных волокон.
Рис. 18. Ядро клетки: 1 - наружная мембрана кариотеки (наружная ядерная мембрана); 2 - перинуклеарное пространство; 3 - внутренняя мембрана кариотеки (внутренняя ядерная мембрана); 4 - ядерная ламина; 5 - лоровый комплекс; 6 - рибосомы; 7 - нуклеоплазма (ядерный сок); 8 - хроматин; 9 - цистерна гранулярной эндоплазматической сети; 10- ядрышко (по Б. Албертсу и соавт., с изменениями)
У эукариот хромосомы сосредоточены внутри ядра и отделены от цитоплазмы ядерной оболочкой, или кариотекой. Кариотека образуется за счет расширения и слияния друг с другом цистерн эндоплазматической сети. Поэтому кариотека образована двумя мембранами - внутренней и наружной. Пространство между ними называют перинуклеарным пространством. Оно имеет ширину 20 - 50 нм и сохраняет сообщение с полостцми эндоплазматической сети. Со стороны цитоплазмы наружная мембрана нередко покрыта рибосомами.
Местами внутренняя и наружная мембраны кариотеки сливаются, а в месте слияния образуется пора. Пора не зияет: между ее краями упорядоченно располагаются белковые молекулы, так что в целом формируется поровый комплекс.
Комплекс поры (рис. 19) представляет собой сложную структуру, которая состоит из двух рядов связанных между собой белковых гранул, каждая из которых содержит по 8 гранул, располагающихся на равном расстоянии друг от друга по обе стороны ядерной оболочки. Эти гранулы по размерам превосходят рибосомы. Гранулы, расположенные на цитоплазматической стороне поры, обусловливают осмиофильный материал, окружающий пору. В центре отверстия поры иногда имеется крупная центральная гранула, связанная с гранулами, описанными выше (возможно, это частицы, транспортирующиеся из ядра в цитоплазму). Отверстие поры закрыто тонкой диафрагмой. По-видимому, в поровых комплексах имеются цилиндрические каналы диаметром около 9 нм и длиной около 15 нм.
Рис. 19. Поровый комплекс:
А - пространственная реконструкция; В - схема основных структур: С - схема молекулярной организации; 1 - периферические гранулы; 2 - центральная гранула; 3 - диафрагма поры (по Б. Албертсу и соавт., с изменениями)
Через поровые комплексы осуществляется избирательный транспорт молекул и частиц из ядра в цитоплазму и обратно. Поры могут занимать до 25% поверхности ядра. Количество пор у одного ядра достигает 3000 - 4000, а их плотность составляет около 11 на 1 мкм2 ядерной оболочки. Из ядра в цитоплазму транспортируются в основном разные виды РНК. Из цитоплазмы в ядро поступают все ферменты, необходимые для синтеза РНК, для регуляции интенсивности этих синтезов. В некоторых клетках молекулы гормонов, которые тоже регулируют активность синтезов РНК, поступают из цитоплазмы в ядро.
Внутренняя поверхность кариотеки связана с многочисленными промежуточными филаментами (см. раздел «Цитоскелет»). В совокупности они образуют здесь тонкую пластинку, называемую ядерной ламиной (рис. 20 и 21). К ней прикреплены хромосомы. Ядерная пластинка связана с поровыми комплексами и играет главную роль в поддержании формы ядра. Она построена из промежуточных филаментов особой структуры.
Нуклеоплазма представляет собой коллоид (обычно в форме геля). По ней транспортируются различные молекулы, она содержит множество разнообразных ферментов, в нее поступают с хромосом РНК. В живых клетках она внешне гомогенна.
Рис. 20. Поверхностные структуры ядра:
1 - внутренняя ядерная мембрана: 2 - интегральные белки: 3 - белки ядерной памины; 4 - хроматиновая фибрилла (часть хромосомы) (по В. Албертсу и соавт., с изменениями)
Рис. 21. Ядро и окопоядерная область цитоплазмы:
1 - гранулярная эндоплазматическая сеть; 2 - поровые комплексы: 3 - внутренняя ядерная мембрана: 4 - наружная ядерная мембрана; 5 - ядерная ламина и субмембранный хроматин (по Б. Албертсу и соавт., с изменениями)
В живых клетках нуклеоплазма (кариоплазма) внешне гомогенна (кроме ядрышка). После фиксации и обработки тканей для световой или электронной микроскопии в кариоплазме становятся видными два типа хроматина (греч. chroma - краска): хорошо окрашивающийся электронноплотный гетерохроматин, образованный осмиофильными гранулами размером 10-15 нм и фибриллярными структурами толщиной около 5 нм, и светлый эухроматин.
Гетерохроматин расположен в основном вблизи внутренней ядерной мембраны, контактируя с ядерной пластинкой и оставляя свободными поры, и вокруг ядрышка. Эухроматин находится между скоплениями гетерохроматина. По сути дела, хроматин - это комплексы веществ, которыми образованы хромосомы - ДНК, белок и РНК в соотношении 1 : 1,3 : 2. Основа каждой хромосомы образована ДНК, молекула которой имеет вид спирали. Она упакована различными белками, среди которых различают гистоновые и негистоновые. В результате ассоциации ДНК с белками образуются дезоксинуклеопротеиды (ДНП).
В хромосоме (рис. 22) молекула ДНК (см. рис. 4 и 5) упакована компактно. Так, информация, заложенная в последовательности 1 млн. нуклеотидов при линейном расположении, заняла бы отрезок длиной 0,34 мм. В результате компактизации она занимает объем 1015 см3. Длина одной хромосомы человека в растянутом виде около 5 см, длина всех хромосом около 170 см, а их масса 6 х 10-12 г.
ДНК ассоциирована с белками-гистонами, в результате чего образуются нуклеосомы, являющиеся структурными единицами хроматина. Нуклеосомы, напоминающие бусины диаметром 10 нм, состоят из 8 молекул гистонов (по две молекулы гистонов Н2А, Н2Б, НЗ и Н4), вокруг которых закручен участок ДНК, включающий 146 пар нуклеотидов. Между нуклеосомами располагаются линкерные участки ДНК, состоящие из 60 пар нуклеотидов, а гистон Н1 обеспечивает взаимный контакт соседних нуклеосом. Нуклеосомы - это лишь первый уровень укладки ДНК.
Рис. 22. Уровни упаковки ДНК в хромосоме:
I - нукпеосомная нить: 1 - гистон Н1; 2-ДНК; 3 - прочие гистоны:
II - хроматиновая фибрилла; III - серия петельных доменов;
IV - конденсированный хроматин в составе петельного домена;
V - метафазная хромосома: 4 ~ микротрубочки ахроматинового веретена (кинетохорные); 5 - кинетохор; 6 - центромера; 7 - хроматиды (по В. Албертсу и соавт., с изменениями и дополнениями)
Хроматин представлен в виде фибрилл толщиной около 30 нм, которые образуют петли длиной около 0,4 мкм каждая, содержащие от 20 000 до 30 000 пар нуклеотидов, которые, в свою очередь, еще больше ком- пактизируются, так что метафазная хромосома имеет средние размеры 5 х 1,4 мкм.
В результате суперспирализации ДНП в делящемся ядре хромосомы (греч. chroma - краска, soma - тело) становятся видимыми при увеличении светового микроскопа. Каждая хромосома образована одной длинной молекулой ДНП. Они представляют собой удлиненные палочковидные структуры, имеющие два плеча, разделенные центромерой. В зависимости от ее расположения и взаимного расположения плеч выделяют три типа хромосом: метацентрические, имеющие примерно одинаковые плечи; акроцентрические, имеющие одно очень короткое и одно длинное плечо; субметацентрические, у которых одно длинное и одно более короткое плечо. Некоторые акроцентрические хромосомы имеют спутников (сателлитов) - мелкие участки короткого плеча, соединенные с ним тонким неокрашивающимся фрагментом (вторичная перетяжка). В хромосоме имеются эу- и гетерохроматиновые участки. Последние в неделящемся ядре (вне митоза) остаются компактными. Чередование эу- и гетерохроматиновых участков используют для идентификации хромосом.
Метафазная хромосома состоит из двух соединенных центромерой сестринских хроматид, каждая из которых содержит одну молекулу ДНП, уложенную в виде суперспирали. При спирализации участки эу- и гетерохроматина укладываются закономерным образом, так что по протяжению хроматид образуются чередующиеся поперечные полосы. Их выявляют при помощи
специальных окрасок. Поверхность хромосом покрыта различными молекулами, главным образом, рибонуклеопротеинами (РНП). В соматических клетках имеются по две копии каждой хромосомы, их называют гомологичными. Они одинаковы по длине, форме, строению, расположению полос, несут одни и те же гены, которые локализованы одинаково. Гомологичные хромосомы могут различаться аллелями генов, содержащихся в них. Ген - это участок молекулы ДНК, на котором синтезируется активная молекула РНК (см. раздел «Синтез белков»). Гены, входящие в состав хромосом человека, могут содержать до двух млн. пар нуклеотидов.
Итак, хромосомы представляют собой двойные цепи ДНК, окруженные сложной системой белков. С одними участками ДНК связаны гистоны. Они могут прикрывать их или освобождать. В первом случае данная область хромосомы не способна синтезировать РНК, во втором же синтез происходит. Это - один из способов регуляции функциональной активности клетки путем дерепрессии и репрессии генов. Существуют и иные способы такого управления.
Некоторые участки хромосом остаются окруженными белками постоянно и в данной клетке никогда не участвуют в синтезе РНК. Их можно называть блокированными. Механизмы блокирования разнообразны. Обычно такие участки очень сильно спирализуются и покрываются не только гистонами, но и другими белками с более крупными молекулами.
Деспирализованные активные участки хромосом не видны под микроскопом. Лишь слабая гомогенная базофилия нуклеоплазмы указывает на присутствие ДНК; их можно выявить также гистохимическими методами. Такие участки относят к эухроматину. Неактивные сильно спирализованные комплексы ДНК и высокомолекулярных белков выделяются при окрасках в виде глыбок гетерохроматина. Хромосомы фиксированы на внутренней поверхности кариотеки к ядерной ламине.
В целом хромосомы в функционирующей клетке обеспечивают синтез РНК, необходимых для последующего синтеза белков. При этом осуществляется считывание генетической информации - ее транскрипция. Не вся хромосома принимает в ней непосредственное участие.
Разные участки хромосом обеспечивают синтез различных РНК. Особенно выделяются участки, синтезирующие рибосомные РНК (рРНК); ими обладают не все хромосомы. Эти участки называют ядрышковыми организаторами. Ядрышковые организаторы образуют петли. Верхушки петель разных хромосом тяготеют друг к другу и встречаются вместе. Таким образом формируется структура ядра, именуемая ядрышком (рис. 23). В нем различают три компонента. Слабоокрашенный компонент соответствует петлям хромосом, фибриллярный - транскрибированной рРНК и глобулярный - предшественникам рибосом.
Ядрышки видны и в световом микроскопе. В зависимости от функциональной активности клетки в образование ядрышка включаются то меньшие, то большие участки организаторов. Иногда их группировка может совершаться не в одном, а в нескольких местах.
Рис. 23. Строение ядрышка:
I - схема: 1 - кариотека; 2 - ядерная ламина; 3 - ядрышковые организаторы хромосом; 4 - концы хромосом, связанные с ядерной ламиной; II - ядрышко в ядре клетки (электронномикроскопическая фотография) (по Б. Албертсу и соавт., с изменениями)
В этих случаях в клетке обнаруживается несколько ядрышек. Области, в которых ядрышковые организаторы активны, выявляют не только на электронно-микроскопическом уровне, но и светооптически при специальной обработке препаратов (особые методы импрегнации серебром).
От ядрышка предшественники рибосом перемещаются к поровым комплексам. При прохождении пор происходит дальнейшее формирование рибосом.
Хромосомы являются ведущими компонентами клетки в регуляции всех обменных процессов: любые метаболические реакции возможны только с участием ферментов, ферменты же всегда белки, белки синтезируются только с участием РНК.
Вместе с тем хромосомы являются и хранителями наследственных свойств организма. Именно последовательность нуклеотидов в цепях ДНК определяет генетический код. Совокупность всей генетической информации, хранящейся в хромосомах, называют геномом. При подготовке клетки к делению геном удваивается, а при самом делении поровну распределяется между дочерними клетками. Все проблемы, связанные с организацией генома и закономерностями передачи наследственной информации, излагаются в курсе генетики.
Метафазное ядро можно выделить из клетки, раздвинуть хромосомы, сосчитать их и изучить их форму. Клетки особей каждого биологического вида имеют одинаковое количество хромосом. Каждая хромосома во время метафазы имеет свои особенности строения. Совокупность этих особенностей обозначается понятием «кариотип» (рис. 24). Знание нормального кариотипа необходимо, чтобы выявлять возможные отклонения. Такие отклонения всегда служат источником наследственных заболеваний.
Нормальный кариотип (набор хромосом) (греч.. каryon - ядро ореха, typos - образец) человека включает 22 пары аутосом и одну пару половых хромосом (либо XX у женщин, или же XY у мужчин).
В 1949 г. М. Барр обнаружил в ядрах нейронов кошек особые плотные тельца, которые отсутствовали у самцов. Эти тельца имеются и в интерфазных ядрах других соматических клеток особей женского пола. Они были названы тельцами полового хроматина (тельцами Барра). У человека они имеют диаметр около 1 мкм и лучше всего идентифицируются в нейтрофильных сегментоядерных лейкоцитах, где выглядят в виде «барабанной палочки», связанной с ядром. Различимы они хорошо и в эпителиоцитах слизистой оболочки щеки, взятых путем соскоба. Тельца Барра представляют собой одну инактивированную конденсированную Х-хромосому.
Рис. 24. Кариотип человека (здорового мужчины)
(по Б. Албертсу и соавт. и В. П. Михайлову, с изменениями)
Основными структурами цитоплазмы являются гиалоплазма (матрикс), органеллы и включения.
В физико-химическом отношении гиалоплазма (греч. hyalos - стекло) представляет собой коллоид, состоящий из воды, ионов и многих молекул органических веществ. Последние принадлежат ко всем классам - и к углеводам, и к липидам, и к белкам, а также к комплексным соединениям типа гликолипидов, гликопротеинов и липопротеинов. Многие из протеинов обладают ферментативной активностью. В гиалоплазме протекает ряд важнейших биохимических реакций, в частности осуществляется гликолиз - филогенетически наиболее древний процесс выделения энергии (греч. glykys - сладкий и lysis - распад), в результате чего шестиуглеродная молекула глюкозы распадается на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты с образованием АТР (см. раздел «Основные реакции тканевого обмена»).
Молекулы гиалоплазмы, конечно, взаимодействуют между собой весьма упорядоченно, но характер ее пространственной организации пока недостаточно ясен. Поэтому можно говорить лишь в общих чертах, что гиалоплазма структурирована на молекулярном уровне.
Именно в гиалоплазме взвешены органеллы и включения.
Органеллами называют элементы цитоплазмы, структурированные на ультрамикроскопическом уровне и выполняющие конкретные функции клетки; органеллы участвуют в осуществлении тех функций клетки, которые необходимы для поддержания ее жизнедеятельности. Сюда относятся обеспечение ее энергетического обмена, синтетических процессов, обеспечение транспорта веществ и т. п.
Органеллы, присущие всем клеткам, называют органеллами общего назначения, присущие же некоторым специализированным видам клеток - специальными. В зависимости от того, включает структура органеллы биологическую мембрану или нет, различают органеллы мембранные и немембранные.
К немембранным органеллам относятся цитоскелет, клеточный центр и рибосомы.
Цитоскелет (клеточный скелет), в свою очередь, образован тремя компонентами: микротрубочками, микрофиламентами и промежуточными филаментами.
Микротрубочки (рис. 25) пронизывают всю цитоплазму клетки. Каждая из них представляет собой полый цилиндр диаметром 20 - 30 нм. Стенка микротрубочки имеет толщину 6-8 нм. Она образована 13 нитями (протофиламентами), скрученными по спирали одна над другой. Каждая нить, в свою очередь, слагается из димеров белка тубулина. Каждый димер представлен а- и β- тубулином. Синтез тубулинов происходит на мембранах гранулярной эндоплазматической сети, а сборка в спирали - в клеточном центре.
Рис. 25. Строение микротрубочки:
1 - тубулиновые субъединицы; 2 - ассоциированные белки; 3 - перемещаемые частицы
Соответственно, многие микротрубочки имеют радиальное направление по отношению к центриолям. Отсюда они распространяются по всей цитоплазме. Часть из них расположена под плазмалеммой, где они вместе с пучками микрофиламентов участвуют в образовании терминальной сети.
Микротрубочки прочны и образуют опорные структуры цитоскелета. Часть микротрубочек располагается в соответствии с силами сжатия и натяжения, которые испытывает клетка. Особенно хорошо это заметно в клетках эпителиальных тканей, которые разграничивают разные среды организма.
Микротрубочки участвуют в транспорте веществ внутри клетки. Со стенкой микротрубочки одним из своих концов связаны (ассоциированы) белковые молекулы в виде коротких цепочек, которые способны в соответствующих условиях изменять свою пространственную конфигурацию (конформация белка). В нейтральном положении цепочка лежит параллельно поверхности стенки. При этом свободный конец цепи может связываться с частицами, которые находятся в окружающем гликокаликсе.
После связывания частицы белок изменяет конфигурацию и отклоняется от стенки, тем самым перемещая за собой и блокированную частицу. Отклоненная цепочка передает частицу той, что свисает над нею, та тоже отклоняется и передает частицу далее. В связи с наличием конформируемых наружных цепей микротрубочки обеспечивают основные потоки внутриклеточного активного транспорта.
Структура стенки микротрубочек может меняться при различных воздействиях на них. В подобных случаях может нарушаться внутриклеточный транспорт. К числу блокаторов микротрубочек и, соответственно, внутриклеточного транспорта относится, в частности, алкалоид колхицин.
Промежуточные филаменты толщиной 8-10 нм представлены в клетке длинными белковыми молекулами. Они тоньше микротрубочек, но толще микрофиламентов, за что и получили свое название (рис. 26).
Белки промежуточных филаментов принадлежат к четырем основным группам. Некоторые их характеристики приведены в табл. 5. Каждая группа, в свою очередь, включает в себя по нескольку белков (так, известно более 20 видов кератинов).
Рис. 26. Промежуточные филаменты в клетке (по К. де Дюву, с изменениями)
Каждый белок является антигеном, так что к нему можно создать соответствующее антитело. Если каким-либо образом маркировать антитело (например, прикрепив к нему флуоресцирующую метку), то, вводя его в организм, можно обнаружить локализацию данного белка. Белки промежуточных филаментов сохраняют свою специфичность даже при значительных изменениях клетки, в том числе при ее малигнизации. Поэтому, используя специфические меченые антитела к белкам промежуточных филаментов, можно установить, какие клетки были первичным источником опухоли.
Микрофиламенты - это белковые нити толщиной около 4 нм. Большинство из них образовано молекулами актинов, которых выявлено около 10 видов. Кроме того, актиновые филаменты могут группироваться в пучки, образующие собственно опорные структуры цитоскелета.
Таблица 5
Виды промежуточных филаментов (по Б. Албертсу и соавт.)
|
Тип фила ментов |
Образующие полипептиды и их молекулярная масса (кД) |
Некоторые структуры, в которых встречаются данные филаменты |
|
1 |
Кислые, нейтральные и основные кератины (40 - 70) |
Эпителиальные клетки и их производные (волосы, ногти и др.) |
|
II |
Виментин (53) |
Клетки мезенхимного происхождения |
|
Десмин(52) |
Мышечные клетки |
|
|
Глиальный фибриллярный кислый белок (45) |
Астроциты и леммоциты (Шванновские клетки) |
|
|
III |
Белки нейрофиламентов (60, 100,130) |
Нейроны |
|
IV |
Ядерные ламины А, В и С (65 - 75) |
Ядерная ламина во всех клетках |
Рис. 27. Актиновый микрофиламент:
1 - глобулы актина; 2 - тропомиозин; 3 - тропонины (по Б. Албертсу и соавт., с изменениями)
Актин в клетке существует в двух формах: мономерной (глобулярный актин) и полимеризованной (фибриллярный актин). Кроме непосредственно актина в построении микрофиламентов могут принимать участие и другие пептиды: тропонины и тропомиозин (рис. 27).
Полимерные филаменты актина способны образовывать комплексы с полимерными же молекулами белка миозина. Когда миозин присутствует в гиалоплазме в виде мономеров, он не вступает в комплекс с актином. Для полимеризации миозина необходимы ионы кальция. Связывание его происходит с участием тропонина С (по названию элемента кальция), освобождение - с участием тропонина I (ингибиторная молекула), комплексирование с тропомиозином - с участием тропонина Т. После того как возникает актиномиозиновый комплекс, актин и миозин становятся способными смещаться в нем продольно относительно друг друга. Если концы комплекса скреплены с какими-либо другими внутриклеточными структурами, последние сближаются. Это лежит в основе мышечного сокращения.
Микрофиламентов особенно много в области цитоплазмы, относящейся к поверхностному комплексу. Будучи соединенными с плазмалеммой, они способны менять ее конфигурацию. Это важно для обеспечения поступления веществ в клетку посредством пиноцитоза и фагоцитоза. Этот же механизм используется клеткой при образовании выростов ее поверхности - ламеллоподий. Клетка может закрепиться ламеллоподией за окружающий субстрат и переместиться на новое место.
Клеточный центр (рис. 28) образован двумя центриолями (диплосома) и центросферой. Свое название органелла получила благодаря тому, что она обычно находится в глубоких отделах цитоплазмы, нередко вблизи ядра или около формирующейся поверхности комплекса Гольджи. Обе центриоли диплосомы расположены под углом друг к другу. Основная функция клеточного центра - сборка микротрубочек.
Рис. 28. Клеточный центр:
1 - триплеты микротрубочек: 2 - радиальные спицы; 3 - центральная структура «колеса телеги»: 4 - сателлит; 5 - лизосома; 6 - диктиосомы комплекса Гольджи; 7 - окаймленный пузырек; 8 - цистерна гранулярной эндоплазматической сети; 9 - цистерны и трубочки агранулярной эндоплазматической сети; 10 - митохондрия; 11 - остаточное тельце; 12 - микротрубочки; 13 - кариотека (по Р. Крстичу, с изменениями)
Каждая центриоль представляет собой цилиндр, стенка которого, в свою очередь, состоит из девяти комплексов микротрубочек длиной около 0,5 мкм и диаметром около 0,25 мкм. Каждый комплекс состоит из трех микротрубочек и поэтому называется триплетом. Триплеты, расположенные по отношению друг к другу под углом около 50°, состоят из трех микротрубочек (изнутри кнаружи): полной А и неполных В и С диаметром около 20 нм каждая. От трубочки А отходят две ручки. Одна из них направлена к трубочке С соседнего триплета, другая - к центру цилиндра, где внутренние ручки образуют фигуру звезды или спиц колеса. Каждая микротрубочка имеет типичное строение (см. ранее).
Центриоли расположены взаимно перпендикулярно. Одна из них упирается концом в боковую поверхность другой. Первая называется дочерней, вторая - материнской. Дочерняя центриоль возникает вследствие удвоения материнской. Материнская центриоль окружена электроноплотным ободком, образованным шаровидными сателлитами, соединенными плотным материалом с наружной стороной каждого триплета. Средняя часть материнской центриоли может быть также окружена комплексом фибриллярных структур, называемым гало. Триплеты микротрубочек объединяются у основания материнской центриоли электроноплотными скоплениями - корешками (придатками).
К концу сателлитов и к области гало по цитоплазме транспортируются тубулины, и именно здесь происходит сборка микротрубочек. Будучи собранными, они отделяются и направляются в разные участки цитоплазмы, чтобы занять свое место в структурах цитоскелета. Возможно, сателлиты являются и источником материала для образования новых центриолей при их репликации. Область гиалоплазмы вокруг центриолей и сателлита называется центросферой.
Центриоли являются саморегулирующимися структурами, которые удваиваются в клеточном цикле (см. раздел «Клеточный цикл»). При удвоении вначале обе центриоли расходятся, и перпендикулярно к базальному концу материнской возникает мелкая процентриоль, образованная девятью одиночными микротрубочками. Затем к каждой из них путем самосборки из тубулина присоединяются еще две. Центриоли участвуют в образовании базальных телец ресничек и жгутиков и в образовании митотического веретена.
Рибосомы (рис. 29) представляют собой тельца размерами 20 х 30 нм (константа седиментации 80). Рибосома состоит из двух субъединиц - большой и малой. Каждая субъединица представляет собой комплекс рибосомной РНК (рРНК) с белками. Большая субъединица (константа седиментации 60) содержит три различные молекулы рРНК, связанные с 40 молекулами белков; малая содержит одну молекулу рРНК и 33 молекулы белков. Синтез рРНК осуществляется на петлях хромосом - ядрышковых организаторах (в области ядрышка). Сборка рибосом осуществляется в области пор кариотеки.
Основная функция рибосом - сборка белковых молекул из аминокислот, доставляемых к ним транспортными РНК (тРНК). Между субъединицами рибосомы имеется щель, в которой проходит молекула информационной РНК (мРНК), а на большой субъединице - бороздка, в которой располагается и по которой сползает формирующаяся белковая цепь. Сборка аминокислот производится в соответствии с чередованием нуклеотидов в цепи мРНК. Таким способом осуществляется трансляция генетической информации.
Рис. 2 9. Рибосома:
I - малая субъединица; II - большая субъединица: III - объединение субъединиц: верхний и нижний ряды - изображения в разных проекциях (по Б. Албертсу и соавт., с изменениями)
Рибосомы могут находиться в гиалоплазме поодиночке либо группами в виде розеток, спиралей, завитков. Такие группы называют полирибосомами (полисомами). Таким образом, молекула мРНК может протягиваться по поверхности не только одной, но и нескольких рядом лежащих рибосом. Значительная часть рибосом прикреплена к мембранам: к поверхности эндоплазматической сети и к наружной мембране кариотеки. Свободные рибосомы синтезируют белок, необходимый для жизнедеятельности самой клетки, прикрепленные - белок, подлежащий выведению из клетки.
Количество рибосом в клетке может достигать десятков миллионов.
Каждая мембранная органелла представляет структуру цитоплазмы, ограниченную мембраной. Вследствие этого внутри нее образуется пространство, отграниченное от гиалоплазмы. Цитоплазма оказывается таким образом разделенной на отдельные отсеки со своими свойствами - комнартменты (англ, compartment - отделение, купе, отсек). Наличие компартментов - одна из важных особенностей эукариотических клеток.
К мембранным органеллам относятся митохондрии, эндоплазматическая сеть (ЭПС), комплекс Гольджи, лизосомы и пероксисомы. Некоторые авторы относят к общим органеллам также и микроворсинки. Последние иногда причисляют к органеллам специальным, но фактически они встречаются на поверхности любой клетки и будут описаны вместе с поверхностным комплексом цитоплазмы. К. де Дюв объединил ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы и пероксисомы понятием вакуом (см. раздел «Комплекс Гольджи»).
Митохондрии участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразуют энергию, которая при этом освобождается, в форму, доступную для использования другими структурами клетки. Поэтому за ними закрепилось ставшее тривиальным образное название «энергетических станций клетки».
Митохондрии, в отличие от других органелл, обладают собственной генетической системой, необходимой для их самовоспроизведения и синтеза белков. Они имеют свои ДНК, РНК и рибосомы, отличающиеся от таковых в ядре и в других отделах цитоплазмы собственной клетки. В то же время митохондриальные ДНК, РНК и рибосомы весьма сходны с прокариотическими. Это послужило толчком для разработки симбиотической гипотезы, согласно которой митохондрии (и хлоропласты) возникли из симбиотических бактерий (Л. Маргулис, 1986). Митохондриальная ДНК кольцевидная (как у бактерий), на нее приходится около 2% ДНК клетки.
Митохондрии (и хлоропласты) способны размножаться в клетке путем бинарного деления. Таким образом, они являются самовоспроизводящимися органеллами. Вместе с тем генетическая информация, содержащаяся в их ДНК, не обеспечивает их всеми необходимыми для полного самовоспроизведения белками; часть этих белков кодируется ядерными генами и поступает в митохондрии из гиалоплазмы. Поэтому митохондрии в отношении их самовоспроизведения называют полуавтономными структурами. У человека и других млекопитающих митохондриальный геном наследуется от матери: при оплодотворении яйцеклетки митохондрии спермия в нее не проникают. Такое, казалось бы, отвлеченное, чисто теоретическое положение в последние годы нашло сугубо практическое применение: исследование последовательности компонентов ДНК в митохондриях помогает выявлять генеалогические связи по женской линии. Это бывает существенным для идентификации личности. Любопытными оказались и историко-этнографические сопоставления. Так, в древних монгольских сказаниях утверждалось, что три ветви этого народа произошли от трех матерей; исследования митохондриальных ДНК действительно подтвердили, что у представителей каждой ветви они обладают такими особыми чертами, которых нет у других.
Основные свойства митохондрий и функции их структурных компонентов обобщены в табл. 6.
В световом микроскопе митохондрии выглядят в виде округлых, удлиненных или палочковидных структур длиной 0,3 - 5 и шириной 0,2 - 1 мкм. Каждая митохондрия образована двумя мембранами - внешней и внутренней (рис. 30).
Таблица 6
Морфофункциональная организация митохондрий
|
Структура |
Состав |
Функция |
|
Наружная мембрана |
Около 20 % всего белка митохондрии Ферменты липидного обмена |
Транспорт Превращение липидов в промежуточные метаболиты |
|
Межмембранное пространство |
Ферменты, использующие АТР для фосфорилирования других нуклеотидов |
Фосфорилирование нуклеотидов |
|
Внутренняя мембрана |
Ферменты дыхательной цепи, цитохромы, сукцинатдегидрогеназа Транспортные белки |
Создание электрохимического протонного градиента Перенос метаболитов в матрикс и из него |
|
Субмитохондриальные частицы |
АТР-синтетаза |
Синтез и гидролиз АТР |
|
Матрикс |
Ферменты (кроме сукцинатдегидрогеназы) ДНК, РНК, рибосомы, ферменты, участвующие в экспрессии генома митохондрий |
Цикл лимонной кислоты, превращение пиру- вата, аминокислот и жирных кислот в ацетилкоэнзим А Репликация, транскрипция, трансляция |
Между ними расположено межмембранное пространство шириной 10 - 20 нм. Внешняя мембрана ровная, внутренняя же образует многочисленные кристы, которые могут иметь вид складок и гребней. Иногда кристы имеют вид трубочек диаметром 20 - 60 нм. Это наблюдается в клетках, которые синтезируют стероиды (здесь митохондрии не только обеспечивают процессы дыхания, но и участвуют в синтезе этих веществ). Благодаря кристам площадь внутренней мембраны существенно увеличивается.
Пространство, ограниченное внутренней мембраной, заполнено коллоидным митохондриальным матриксом. Он имеет мелкозернистую структуру и содержит множество различных ферментов. В матриксе также заключен собственный генетический аппарат митохондрий (у растений, кроме митохондрий, ДНК содержится также и в хлоропластах).
Со стороны матрикса к поверхности крист прикреплено множество электроноплотных субмитохондриальных элементарных частиц (до 4000 на 1 мкм2 мембраны). Каждая из них имеет форму гриба (см. рис. 30).
Рис. 30. Митохондрия:
I - общая схема строения: 1 - наружная мембрана: 2 - внутренняя мембрана; 3 - кристы; 4 - матрикс;
II - схема строения кристы: 5 - складка внутренней мембраны: 6 - грибовидные тельца (по Б. Албертсу и соавт. и по К. де Дюву, с изменениями)
Круглая головка диаметром 9-10 нм посредством тонкой ножки диаметром 3-4 нм прикрепляется к внутренней мембране. В этих частицах сосредоточены АТР- азы - ферменты, непосредственно обеспечивающие синтез и распад АТР. Эти процессы неразрывно связаны с циклом трикарбоновых кислот (циклом лимонной кислоты, или циклом Кребса, - см. раздел «Основные реакции тканевого обмена»).
Количество, размеры и расположение митохондрий зависят от функции клетки, в частности от ее потребности в энергии и от места, где энергия расходуется. Так, в одной печеночной клетке их количество достигает 2500. Множество крупных митохондрий содержится в кардиомиоцитах и миосимпластах мышечных волокон. В спермиях богатые кристами митохондрии окружают аксонему промежуточной части жгутика. Есть клетки, в которых митохондрии имеют чрезвычайно большие размеры. Такая митохондрия может ветвиться и образовывать трехмерную сеть. Это показано путем реконструкции структуры клетки по отдельным последовательным срезам. На плоском срезе видны лишь части этой митохондрии, что и создает впечатление их множественности (рис. 31).
Рис. 31. Гигантская митохондрия: Реконструкция по серийным электронномикроскопическим фотографиям срезов мышечного волокна (по Ю. С. Ченцову, с изменениями)
Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или, как ее нередко называют, эндоплазматический ретикулум (ЭР), представляет собой единый непрерывный компартмент, ограниченный мембраной, образующей множество инвагинаций и складок (рис. 32). Поэтому на электронномикроскопических фотографиях эндоплазматическая сеть выглядит в виде множества трубочек, плоских или округлых цистерн, мембранных пузырьков. На мембранах ЭПС совершаются многообразные первичные синтезы веществ, необходимых для жизнедеятельности клетки. Первичными их можно условно назвать потому, что молекулы этих веществ будут подвергаться дальнейшим химическим превращениям в других компартментах клетки.
Рис. 32. Эндоплазматическая сеть:
1 - трубочки гладкой (агранулярной) сети: 2 - цистерны гранулярной сети: 3 - наружная ядерная мембрана, покрытая рибосомами: 4 - поровый комплекс: 5 - внутренняя ядерная мембрана (по Р. Кретину, с изменениями)
Большинство веществ синтезируется на наружной поверхности мембран ЭПС. Затем эти вещества переносятся через мембрану внутрь компартмента и там транспортируются к местам дальнейших биохимических превращений, в частности к комплексу Гольджи. На концах трубочек ЭПС они накапливаются и затем отделяются от них в виде транспортных пузырьков. Каждый пузырек окружен, таким образом, мембраной и перемещается в гиалоплазме к месту назначения. Как всегда, в транспорте принимают участие микротрубочки.
Среди продуктов, синтезируемых на мембранах ЭПС, особо отметим те вещества, которые служат материалом для сборки мембран клетки (окончательная сборка мембран осуществляется в комплексе Гольджи).
Различают два типа ЭПС: гранулярную (зернистую, шероховатую) и агранулярную (гладкую). Обе они представляют собой единую структуру.
Наружная, обращенная к гиалоплазме сторона мембраны гранулярной ЭПС покрыта рибосомами. Поэтому при световой микроскопии гранулярная эндоплазматическая сеть выглядит в виде базофильного вещества, дающего положительную окраску на РНК. Здесь осуществляется синтез белков. В клетках, специализирующихся на синтезе белков, гранулярная эндоплазматическая сеть выглядит в виде параллельных окончатых (фенестрированных), сообщающихся между собой и с перинуклеарным пространством ламеллярных структур, между которыми лежит множество свободных рибосом.
Поверхность гладкой ЭПС лишена рибосом. Сама сеть представляет собой множество мелких трубочек диаметром около 50 нм каждая. Между трубочками часто расположены гранулы гликогена. В некоторых клетках гладкая сеть образует выраженный лабиринт (например, в гепатоцитах, в клетках Лейдига), в других - циркулярные пластинки (например, в ооцитах).
На мембранах гладкой сети синтезируются углеводы и липиды, среди них — гликоген и холестерин.
Гладкая сеть принимает участие и в синтезе стероидных гормонов (в клетках Лейдига, в корковых эндокриноцитах надпочечника). Гладкая ЭПС принимает участие также в выделении ионов хлора в париетальных клетках эпителия желез желудка. Являясь депо ионов кальция, гладкая эндоплазматическая сеть участвует в сокращении кардиомиоцитов и волокон скелетной мышечной ткани. Она же разграничивает будущие тромбоциты в мегакариоцитах. Чрезвычайно важна ее роль в детоксикации гепатоцитами веществ, которые поступают из полости кишки по воротной вене в печеночные капилляры.
По просветам эндоплазматической сети синтезированные вещества транспортируются к комплексу Гольджи (но просветы сети не сообщаются с просветами цистерн последнего). К комплексу Гольджи вещества поступают в пузырьках, которые сначала отшнуровываются от сети, транспортируются к комплексу и, наконец, сливаются с ним. От комплекса Гольджи вещества транспортируются к местам своего использования также в мембранных пузырьках. Следует подчеркнуть, что одной из важнейших функций эндоплазматической сети является синтез белков и липидов для всех клеточных органелл.
Комплекс Гольджи (аппарат Гольджи, внутриклеточный сетчатый аппарат, КГ) представляет собой совокупность цистерн, пузырьков, пластинок, трубочек, мешочков. В световом микроскопе он выглядит в виде сеточки, реально же представляет собой систему цистерн, канальцев и вакуолей.
Чаще всего в КГ выявляются три мембранных элемента: уплощенные мешочки (цистерны), пузырьки и вакуоли (рис. 33). Основные элементы комплекса Гольджи - диктиосомы (греч. dyction - сеть). Число их колеблется в разных клетках от одной до нескольких сотен.
Рис. 33. Различные формы комплекса Гольджи (по Б. Албертсу и соавт. и по Р. Крстичу, с изменениями)
Диктиосомы связаны между собой каналами. Отдельная диктиосома чаще всего имеет чашеобразную форму. Она имеет диаметр около 1 мкм и содержит 4 - 8 (в среднем 6) лежащих параллельно уплощенных цистерн, пронизанных порами. Концы цистерн расширены. От них отщепляются пузырьки и вакуоли, окруженные мембраной и содержащие различные вещества.
Множество мембранных пузырьков (в том числе и окаймленных) имеет диаметр 50 - 65 нм. Более крупные секреторные гранулы имеют диаметр от 66 до 100 нм. Часть вакуолей содержит гидролитические ферменты, это предшественники лизосом.
Наиболее широкие уплощенные цистерны обращены в сторону ЭПС. Транспортные пузырьки, несущие вещества - продукты первичных синтезов, присоединяются к этим цистернам. В цистернах продолжается синтез полисахаридов, образуются комплексы белков, углеводов и липидов, иначе говоря, приносимые макромолекулы модифицируются. Здесь происходит синтез полисахаридов, модификация олигосахаридов, образование белково-углеводных комплексов и ковалентная модификация переносимых макромолекул.
По мере модификации вещества переходят из одних цистерн в другие. На боковых поверхностях цистерн возникают выросты, куда перемещаются вещества. Выросты отщепляются в виде пузырьков, которые удаляются от КГ в различных направлениях по гиалоплазме.
Сторону КГ, куда поступают вещества от ЭПС, называют цис-полюсом (формирующаяся поверхность), противоположную - транс-полюсом (зрелая поверхность). Таким образом, комплекс Гольджи структурно и биохимически поляризован. По направлению от цис-полюса к транс-полюСу увеличивается толщина мембран (от 6 до 8 нм), а также содержание в них холестерина и углеводных компонентов в мембранных гликопротеинах. Активность кислой фосфатазы, активность тиаминпирофосфатазы уменьшается по направлению от формирующейся поверхности к зрелой. В последней цистерне трансстороны и окружающих ее окаймленных пузырьках имеется кислая фосфатаза. Это особенно интересно в связи с вопросом о происхождении лизосом.
Судьба пузырьков, отщепляющихся от КГ, различна. Одни из них направляются к поверхности клетки и выводят синтезированные вещества в межклеточный матрикс. Часть этих веществ представляет собой продукты метаболизма, часть же - специально синтезированные продукты, обладающие биологической активностью (секреты). Чаще всего в таких случаях мембрана пузырька сливается с плазмалеммой (есть и другие способы секреции - см. раздел «Экзоцитоз»). В связи с такой функцией КГ часто располагается на той стороне клетки, где происходит выведение веществ. Если оно осуществляется равномерно со всех сторон, КГ представлен множественными диктиосомами, соединенными между собой каналами.
В процессе упаковки веществ в пузырьки расходуется значительное количество материала мембран. Он должен восполняться. Сборка мембран - еще одна из функций КГ. Эта сборка совершается из веществ, поступающих, как обычно, от ЭПС. Элементы блоков мембран создаются в полостях диктиосом, затем встраиваются в их мембраны и, наконец, отделяются с пузырьками. Конкретная структура мембраны зависит от того, куда она будет доставлена и где будет использоваться.
Мембраны комплекса Гольджи образуются и поддерживаются гранулярной эндоплазматической сетью - именно на ней синтезируются мембранные компоненты. Эти компоненты переносятся транспортными пузырьками, отпочковывающимися от промежуточных зон сети (трансслияние), к формирующейся поверхности диктиосомы и сливаются с ней (цис-слияние). От транс-стороны постоянно отпочковываются пузырьки, а мембраны цистерн постоянно обновляются. Они поставляют клеточную мембрану, гликокаликс и синтезированные вещества к плазмалемме. Таким образом обеспечивается обновление плазматической мембраны.
Секреторный путь и обновление мембран представлены на рис. 34.
«Мембраны никогда не образуются de novo. Они всегда возникают из предсуществующих мембран путем добавления дополнительных составных частей. Каждое поколение передает последующему, в основном через яйцеклетку, запас заранее сформированных (предсуществующих) мембран, из которых путем прироста, прямо или опосредованно, образуются все мембраны организма» (К. де Дюв, 1987).
А. Новиков (1971) разработал концепцию ГЭРЛ (Г - (комплекс) Гольджи, ЭР - эндоплазматический ретикулум (сеть), Л - лизосомы). ГЭРЛ (рис. 35) включает в себя последний, зрелый мешочек диктиосомы, неправильной формы, с многочисленными утолщениями (про- секреторные гранулы, или конденсирующие вакуоли), которые, отпочковываясь, превращаются в секреторные гранулы. К нему прилежат лишенные рибосом цистерны гранулярной эндоплазматической сети. Между ГЭРЛ и лежащей под ним цистерной имеются каналы. От ГЭРЛ, содержащего кислую фосфатазу, отпочковываются лизосомы, также содержащие этот фермент.
Рис. 34. Схема секреторного пути и обновления мембран:
1 - область, где происходит синтез белков, предназначенных для экспорта из клетки; 2 - область, где происходит синтез белков, предназначенных для обновления мембран; 3 - область, где происходит гликозилирование (1 + 2 + 3 - гранулярная эндоплазматическая сеть); 4 - транспортные пузырьки, где происходит образование дисульфидных мостиков; 5 - комплекс Гольджи, где происходит добавление липидов, сульфатирование, удаление боковых цепей, терминальное гликозилирование; 6 - просекреторная гранула, где происходит протеолитическая доработка; 7 - секреторная гранула, где происходит концентрация секрета; 8 - плазмалемма; 9 - экзоцитоз; 10- встраивание в мембрану; 11 - сборка элементов мембраны (по К. де Дюву, с изменениями)
Рис. 35. Схема комплекса ГЭРЛ (Гольджи, Эндоплазматический Ретикулум, Лизосомы):
1 - цистерны гранулярной эндоплазматической сети: 2 - транспортные пузырьки; 3 - цис-цистерны комплекса Гольджи; 4 - лизосомы; 5 - соединительные канальцы; 6 - транс-цистерны комплекса Гольджи; 7 - конденсационные секреторные вакуоли (по Р. Кретину, с изменениями)
Возможно, в ГЭРЛ поступают вещества из нижележащих цистерн комплекса Гольджи и непосредственно из прилежащих к нему цистерн эндоплазматической сети. Р. Крстич (1976) указал на наличие прямых каналов между ГЭРЛ и прилежащими цистернами эндоплазматической сети. Кроме того, в поры ГЭРЛ внедряются удлиненные пальцевидные отростки цистерн эндоплазматической сети. От ГЭРЛ отходят пальцевидные отростки, которые внедряются в поры предпоследней цистерны диктиосомы.
Из сказанного ясно, что в КГ не только завершаются многообразные синтезы, но и происходит разделение синтезированных продуктов, сортировка в зависимости от их дальнейшего предназначения. Такая функция КГ называется сегрегационной. Одним из важнейших проявлений сегрегационной функции комплекса Гольджи является сортировка веществ и их передвижение, которые осуществляются с помощью окаймленных пузырьков. Главную роль в этом процессе играют мембранные «адресные метки» - рецепторы, распознающие специфические маркеры по принципу «замок - ключ».
Так, например, лизосомные ферменты сортируются в комплексе Гольджи связанным с мембраной белком-рецептором, который «узнает» маннозо-6-фосфат, отбирает ферменты, способствует их упаковке в пузырьки, окаймленные клатрином. Последние отпочковываются в виде транспортных пузырьков, содержащих в мембране указанный рецептор. Таким образом, они функционируют как челноки, которые доставляют рецептор маннозо-6-фосфата от транс-поверхности комплекса Гольджи к лизосомам и обратно; иными словами, рецептор курсирует между строго специализированными мембранами.
Как уже было отмечено, комплекс Гольджи является основной структурой вакуома, разделяет его на эндоплазматический и экзоплазматический домены и в то же время объединяет их функционально. Мембраны эндоплазматического домена отличаются от мембран экзоплазматического. Последние сходны с плазмалеммой. В настоящее время вакуомом называют вакуолярным аппаратом и включают в него, кроме комплекса Гольджи и ассоциированных с ним вакуолей, лизосом и пероксисом, также фагосомы с эндосомами и саму плазмалемму.
Вещества циркулируют в клетке, будучи упакованными в мембраны (перемещение содержимого клетки в контейнерах, рис. 36). Комплекс Гольджи (именно ГЭРЛ) является также центром циркуляции мембран. При этом перед возвращением мембраны, отпочковавшейся от плазмалеммы в процессе эндоцитоза, эндосома освобождается от транспортированных в клетку веществ.
Рис. 36. Схема передвижения содержимого клетки в контейнерах («челноках»):
А - эндоплазматический домен; Б - зкзоплазматический домен;
I - эндоплазматическая сеть: 2 - комплекс Гольджи: 3 - плазмалемме; 4 - лизосомы: 5 - эндосомы; 6 — «челнок» Гольджи-лизосома через ппазмалемму и эндосому: 7 - «челнок» Гольджи-плазмалемма; 7а - кринофагическое отклонение: 8а, 86 - пути возвращения мембран плазмалеммы: 8в - «челнок» эндосома-лизосома; 9 - аутофагическая сегрегация: 10 - «челнок» ппазмалемма-пизосома (в обход эндосомы):
II - «челнок» эндосома-лизосома; 12 - «челнок» плазмалемма-эндосома; 13 - прямой «челнок» Гольджи-лизосома; стрелки со светлыми концами - пути перемещений (по К. де Дюву, с изменениями)
Положение комплекса Гольджи в клетке обусловлено ее функциональной специализацией. В секретирующих клетках он находится между ядром и поверхностью выведения. Так, в бокаловидных клетках ядро смещено к базальному концу, а комплекс Гольджи находится между ним и апикальной поверхностью. В клетках эндокринных желез, из которых секрет выводится в кровеносные капилляры, со всех сторон окружающие клетку, комплекс Гольджи представлен многими поверхностно лежащими диктиосомами. В гепатоцитах диктиосомы располагаются группами: одни около билиарных участков, другие около сосудистых. В плазматических клетках при изучении в световом микроскопе комплекс занимает светлую зону около ядра; он окружен гранулярной эндоплазматической сетью и на ее базофильном фоне выглядит как «светлый дворик».
Во всех случаях вблизи комплекса Гольджи концентрируются митохондрии. Это связано с происходящими в нем энергозависимыми реакциями.
Каждая лизосома (рис. 37) представляет собой мембранный пузырек диаметром 0,4 - 0,5 мкм. Его содержимое представляет собой гомогенный осмиофильный мелкозернистый материал. В нем содержится около 50 видов различных гидролитических ферментов в дезактивированном состоянии (протеазы, липазы, фосфолипазы, нуклеазы, гликозидазы, фосфатазы, в том числе кислая фосфатаза; последняя является маркером лизосом). Молекулы этих ферментов, как всегда, синтезируются на рибосомах гранулярной ЭПС, откуда переносятся транспортными пузырьками в КГ, где модифицируются. От зрелой поверхности цистерн КГ отпочковываются первичные лизосомы.
Все лизосомы клетки формируют лизосомное пространство, в котором с помощью протонного насоса постоянно поддерживается кислая среда - pH колеблется в пределах 3,5-5,0. Мембраны лизосом устойчивы к заключенным в них ферментам и предохраняют цитоплазму от их действия. Это связано с особой конформацией молекул лизосомной мембраны, при которой их химические связи скрыты. Повреждение или нарушение проницаемости лизосомной мембраны приводит к активации ферментов и тяжелым повреждениям клетки вплоть до ее гибели.
Функция лизосом — внутриклеточный лизис («переваривание») высокомолекулярных соединений и частиц. Последними могут быть собственные органеллы и включения или частицы, поступившие в клетку извне в ходе эндоцитоза (см. раздел «Эндоцитоз»), Захваченные частицы обычно окружены мембраной. Такой комплекс называют фагосомой.
Рис. 37. Схема строения и функционирования лизосом (возможные пути формирования вторичных лизосом путем слияния мишеней с первичными лизосомами, содержащими новосинтезированные гидролитические ферменты): 1 - фагоцитоз; 2 - вторичная лизосома; 3 - фагосома; 4 - остаточное тельце; 5 - мультивезикулярное тельце; 6 - очистка лизосом от мономеров; 7 - линоцитоз; 8 —аутофагосома; 9 - начало аутофагии; 10 - участок агранулярной эндоплазматической сети; 11 - гранулярная эндоплазматическая сеть; 12 - протонный насос; 13- первичные лизосомы; 14 - комплекс Гольджи; 15- рециклирование мембран; 16 - плазмалемма; 17 - кринофагия; пунктирные стрелки - направления движения (по К де Дюву и по Б. Албертсу и соавт., с изменениями)
Процесс внутриклеточного лизиса осуществляется в несколько этапов. Сначала первичная лизосома сливается с фагосомой. Их комплекс называют вторичной лизосомой (фаголизосомой). Во вторичной лизосоме ферменты активируются и расщепляют поступившие в клетку полимеры до мономеров. Это происходит постепенно, поэтому вторичные лизосомы идентифицируются благодаря наличию в них осмиофильного материала различной электронной плотности. Продукты расщепления транспортируются через лизосомную мембрану в цитозоль. Непереваренные вещества остаются в лизосоме и могут сохраняться в клетке очень долго в виде остаточных телец, окруженных мембраной.
Остаточные тельца относят уже не к органеллам, а к включениям. Возможен и другой путь превращений: вещества в фагосоме расщепляются полностью, после чего мембрана фагосомы распадается. Фрагменты мембран направляются к КГ и используются в нем для сборки новых. Вторичные лизосомы могут сливаться между собой, а также с другими первичными лизосомами. При этом иногда образуются своеобразные вторичные лизосомы - мультивезикулярные тельца.
В процессе жизнедеятельности клетки на разных иерархических уровнях ее организации, начиная от молекул и кончая органеллами, постоянно происходит перестройка структур. Вблизи поврежденных или требующих замены участков цитоплазмы, обычно по соседству с комплексом Гольджи, образуется полулунная двойная мембрана, которая растет, окружая со всех сторон поврежденные зоны (см. рис. 37). Затем эта структура сливается с лизосомами. В такой аутофагосоме (аутосоме) совершается лизис структур органеллы.
В других случаях в процессе макро- или микро-аутофагии подлежащие перевариванию структуры (например, гранулы секрета) впячиваются в лизосомную мембрану, окружаются ею и подвергаются перевариванию. Образуется аутофагическая вакуоль. В результате множественной микроаутофагии тоже формируются мультивезикулярные тельца (например, в нейронах мозга и кардиомиоцитах). Наряду с аутофагией в некоторых клетках происходит и кринофагия (греч. krinein - просеивать, отделять) - слияние первичных лизосом с секреторными гранулами. В лизосомах необновляющихся клеток в результате многократного аутофагирования накапливается липофусцин - пигмент старения.
Таким образом, аутофагия представляет собой один их механизмов обновления внутриклеточных структур - внутриклеточную физиологическую регенерацию. Путем аутофагии устраняются органеллы, утратившие свою активность в процессе естественного их старения. Устраняются также органеллы, ставшие избыточными, если в процессе нормальной жизнедеятельности снижается интенсивность физиологических процессов в клетке. Аутофагия - один из способов регуляции функциональной активности. Поскольку изменения последней цикличны, то аутофагия - один из механизмов реализации биологических ритмов на клеточном уровне.
В некоторых случаях непереваренные остатки накапливаются в лизосомах, что приводит к их перегрузке («хронический запор»). Выделение непереваренных остатков путем экзоцитоза и их накопление во внеклеточной среде может вызвать повреждение внеклеточных структур. Поэтому этот механизм реализуется редко. Наиболее часто встречаются три типа пищеварительных расстройств клетки: внутриклеточный выброс, внеклеточный выброс и перегрузка (К. де Дюв, 1987).
Пероксисомы (рис. 38) представляют собой мембранные пузырьки диаметром от 0,2 до 0,5 мкм. Как и лизосомы, они отщепляются от цистерн транс-полюса КГ. Есть также точка зрения, что мембраны пероксисом образуются путем отпочкования от гладкой эндоплазматической сети, а ферменты синтезируются полирибосомами цитозоля, откуда и поступают в пероксисому. Под мембраной пузырька различают центральную более плотную часть и периферическую область.
Различают две формы пероксисом. Мелкие пероксисомы (диаметром 0,15-0,25 мкм) имеются практически во всех клетках млекопитающих (и человека), содержат мелкозернистый осмиофильный материал и морфологически мало отличаются от первичных лизосом. Крупные пероксисомы (диаметром более 0,25 мкм) присутствуют лишь в некоторых тканях (печень, почки). В них имеется кристалловидная сердцевина, в которой находятся ферменты в концентрированном виде. Наряду с пероксисомами встречаются и другие мембранные микротельца диаметром от 0,5 до 10 мкм, содержащие различные ферменты.
Рис. 3 8. Пероксисома:
1 - мембрана пероксисомы; 2 - кристаллоид; 3 - включения гликогена около пероксисомы (по К. де Дюеу, с изменениями)
Пероксисомы содержат ферменты (пероксидазу, каталазу и оксидазу D-аминокислот). Пероксидаза участвует в обмене перекисных соединений, в частности перекиси водорода, которая токсична для клетки. Для биохимических реакций в пероксисомах используется молекулярный кислород. Пероксисомы принимают также участие в нейтрализации многих других токсических соединений, например этанола. Каталаза составляет среди ферментов пероксисом около 40 % всех белков. Пероксисомы участвуют также в обмене липидов, холестерина и пуринов.
Напомним, что органеллы называют специальными, если они есть только у клеток, выполняющих особые специализированные функции. Таковы щеточная кайма, стереоцилии, базальный лабиринт, реснички, кинетоцилии, жгутики, миофибриллы.
Среди специальных органелл в настоящем издании будут описаны мерцательные реснички и жгутики, как наиболее распространенные. Описание остальных специальных органелл дано в соответствующих разделах курсов эмбриологии, общей и частной гистологии.
Ресничка (рис. 39) представляет собой вырост клетки, окруженный плазмалеммой. У основания реснички на уровне кортикального слоя цитоплазмы находится базальное тельце (кинетосома), которое образовано девятью периферическими триплетами коротких микротрубочек, окружающих один белковый центральный цилиндр. Каждый периферический триплет соединен с ним посредством белковых «спиц».
От каждой наружной микротрубочки отходит отросток, напоминающий флажок. Над базальным тельцем в названный цитоплазматический вырост направляется осевая нить (осевой филамент, аксонема), тоже образованная микротрубочками (строение последних описано ранее). От каждого базального тельца к соседнему (к основанию другой реснички) отходит короткий боковой отросток, а в глубь цитоплазмы - поперечно исчерченный базальный корешок (периодичность исчерченности равна 65 нм).
Рис. 39. Ресничка:
I - общая структура: II - срез через внеклеточную часть; III - срез через внутриклеточную часть; IV - срез через базальное тельце: 1 - корешок: 2 - базальное тельце: 3 - плазмалемме поверхности клетки; 4 - микроворсинки, окружающие ресничку; 5 - центральная капсула; 6 - дуплеты периферических микротрубочек; 7 - центральная пара микротрубочек; 8 - плазмалемме на поверхности реснички; 9 - динеиновые «ручки»; 10 - радиальная спица; 11 - нексин; 12- субъединица А; 13 - субъединица В; 14 - субъединица С; 15 - центральный цилиндр (по Р. Крстичу и Ю. С. Ченцову, с изменениями)
Сразу над базальным тельцем микротрубочки аксо- немы тоже образуют девять периферических триплетов (см. рис. 28), но над уровнем плазмалеммы в периферических комплексах одна из микротрубочек редуцируется; в центральной группе появляется пара микротрубочек, окруженная белковой оболочкой, имеющей вид цилиндра. Поэтому на большей части протяжения реснички тянутся дуплеты микротрубочек. Девять дуплетов располагаются на периферии, один - в центре.
В результате на поперечном сечении реснички ее возвышающаяся часть напоминает колесо с девятью спицами, в центре которого лежит нечетко контурирующаяся центральная капсула, окружающая две центральные одиночные микротрубочки, с которыми она связана белковыми отростками. Периферические дуплеты состоят из двух микротрубочек (А и В) и окружают центральную капсулу (см. рис. 39).
От микротрубочки А к центральной капсуле отходит радиальная «спица» с периодичностью расположения вдоль аксонемы, равной 29 нм. По направлению к соседней трубочке В отходит пара «ручек», образованных, как и «спицы», белком динеином с периодичностью 24 нм. Соседние дуплеты микротрубочки соединены между собой с периодичностью 86 нм поперечными мостиками, образованными белком нексином.
Реснички являются производными не только поверхностного комплекса клетки, но и клеточного центра. В начале их развития происходит многократная редупликация центриолей. Новые центриоли парами мигрируют к поверхности клетки. Здесь происходит их модификация.
Одна из центриолей (проксимальная) ложится в поверхностном комплексе вблизи от плазмалеммы у основания будущей реснички. Другая центриоль (дистальная) ложится между ней и плазмалеммой. Триплеты микротрубочек дистальной центриоли становятся дуплетами, в проксимальной центриоли триплеты сохраняются. В клеточном центре идет сборка микротрубочек, они направляются к дистальной центриоли и наращивают ее длину. Дистальная центриоль растет и влечет за собой плазмалемму. Рост аксонемы в длину происходит за счет полимеризации тубулина у дистальных концов двух внутренних трубочек каждого триплета базального тельца.
Жгутик (flagellum) эукариотической клетки (например, спермия) напоминает ресничку, но он длиннее.
Реснички и жгутики выполняют функцию движения. Все реснички клетки совершают координированные колебания. Это достигается посредством скольжения дуплетов микротрубочек относительно друг друга. Оно обусловлено изменениями конфигурации молекул белка динеина. Динеин обладает аденозинтрифосфатазной активностью. При гидролизе АТР выделяется свободная энергия, за счет которой динеиновые ручки выпрямляются, контактируют с соседним дуплетом микротрубочек и сдвигают его по направлению к верхушке реснички. При регенерации АТР ручки отделяются от соседнего дуплета и опускаются вниз к основанию реснички.
Все реснички клетки совершают координированные колебательные движения. Они похожи на движения рук пловца брассом. Сначала ресничка резко наклоняется над поверхностью клетки. При этом слизь, которой обычно здесь покрыта поверхность, прогоняется в направлении наклона. Далее наклоненная ресничка совершает поворот на 180°. Поскольку она скользит параллельно поверхности клетки, слизь над ней назад не возвращается. Затем ресничка снова выпрямляется и перемещает слизь. Потом начинается новый цикл.
Число ресничек достигает нескольких сотен. Так, до 250 ресничек длиной 5-15 мкм и диаметром 0,15-0,25 мкм покрывают апикальную поверхность реснитчатых эпителиоцитов верхних дыхательных путей, маточных труб, семявыводящих канальцев.
Включениями целесообразно называть структурированные на улътрамикроскопическом уровне скопления веществ в клетке, возникающие как продукты ее метаболизма. Будучи продуктами жизнедеятельности клетки, сами включения почти не участвуют в осуществлении тех ее активных функций, которые необходимы для поддержания этой жизнедеятельности. Включения могут активно использоваться клеткой, но это осуществляется благодаря ферментным системам, которыми обладают гиалоплазма и органеллы. Сами включения ферментативной активностью, как правило, не обладают.
В зависимости от состава и от способа использования клеткой среди включений довольно условно различают трофические, пигментные и секреторные. Среди трофических включений упомянем капли жира, гранулы гликогена (см. рис. 38), белковые гранулы. Эти вещества накапливаются в клетке, а затем расходуются ею при возникновении соответствующих функциональных потребностей. Большинство трофических включений лежит в гиалоплазме свободно. Пигментные включения могут лежать и свободно, но могут быть окружены мембраной. Часто мембраной окружены гранулы меланина. Свободно в гиалоплазме предшественников эритроцитов располагается гемоглобин (у низших позвоночных и у птиц также и в самих эритроцитах). Секреторные гранулы отделяются от комплекса Гольджи и несут к плазмалемме синтезированные клеткой вещества; они весьма разнообразны.
Нередко включениями называют структуры, присутствующие в клетке временно. Это неточно. Гемоглобин, например, присутствует в эритроцитах постоянно, столь же постоянны гранулы меланина в пигментных клетках. В качестве включений рассматривают и остаточные тельца, возникающие после активных процессов фагоцитоза и аутофагии, которые сохраняются в клетке иногда вплоть до ее гибели, но не принимают участия в обеспечении жизнедеятельности.
Совершенно резкую границу между органеллами и включениями провести невозможно. Поэтому в Международной гистологической номенклатуре (Nomina Histologica, London, 1985) перечень их помещен в одном разделе.