Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. Общая цитология

Подождите немного. Документ загружается.

когда двойные мембранные цистерны еще не сомкнулись и фактически

ничего не разделяют.

При реконструкции ядерной оболочки происходит сборка ядерных пор.

Она начинается с образования ямки при слиянии внешней и внутренней

ядерной мембраны, которая затем превращается в отверстие. В этом

процессе принимают участие интегральные белки gp 210 и POM 121,

которые впоследствии будут закреплять ЯПК на мембранах.

За этим следует появление внутренних структур ЯПК: комплекс кольца,

спиц, добавление звездчатого кольца и других структур, и, наконец,

филаментов.

У некоторых низших организмов в случае закрытого митоза ядерная

оболочка не исчезает, она в зоне ядерной перетяжки замыкается, что

приводит к образованию двух новых ядер. Здесь участие ядерной оболочки в

делении клетки заключается в том, что на ней закреплены хромосомы, и она,

по-видимому, принимает участие в индукции образования микротрубочек,

необходимых при делении клеток.

По-видимому, для реконструкции ядерной оболочки необходимым

условием является деконденсация хромосом. Было показано, что если

вызвать преждевременную деконденсацию метафазных хромосом, то они

очень быстро контактируют с мембранными пузырьками и одеваются каждая

своей отдельно ядерной оболочкой, вследствие чего в клетке возникает

множество так называемых микроядер, каждое их которых возникло из

одной хромосомы.

С другой стороны, можно экспериментально вызвать разборку ядерной

оболочки у интерфазного ядра. Это происходит, если слить в культуре ткани

две клетки на разных стадиях клеточного цикла и получить т.н.

гетерокарион, где одно из ядер будет находиться в интерфазе, а другое быть

в виде митотических хромосом в метафазе. В этом случае в интерфазном

ядре начинает конденсироваться хроматин, образуются преждевременно

211

конденсированные хромосомы, а ядерная оболочка исчезнет так же как во

время нормального митоза (рис. 114). Эти данные говорят о том, что в

цитоплазме митотической клетки существуют какие-то факторы,

вызывающие как конденсацию хромосом, так и параллельный этому процесс

распада ядерной оболочки.

Сходная динамика совпадения процессов перестройки хромосом и

ядерной оболочки наблюдается и в другой системе, в цитоплазме ооцитов

или в бесклеточных цитоплазматических экстрактах ооцитов. Так если в

цитоплазму ооцита амфибий на стадии метафазы инъецировать выделенные

интерфазные ядра, то их ядерная оболочка разбирается, а хроматин

конденсируется в виде митотических хромосом. Если же в ооцит на стадии

интерфазы ввести митотические хромосомы, то они начинают

деконденсироваться, появляются множественные мелкие вакуоли, которые

сливаясь друг с другом, образуют ядерные оболочки. Интересно, что в

цитоплазму интерфазного ооцита можно ввести даже чужеродную чистую

ДНК, которая, связываясь с гистонами в цитоплазме, образует хроматиновые

глыбки, которые в свою очередь одеваются ядерными оболочками и

превращаются в микроядра.

Эти экспериментальные приемы вместе с методом иммунофлуоресценции

позволили проследить судьбу многих белков ядерной оболочки во время

митоза. Подробно изучена судьба ламинов. Было найдено, что фиброзный

слой ламинов деполимеризуется параллельно распаду ядерных мембран и

конденсации хроматина. Этому предшествует обильное (в 7 раз выше, чем в

интерфазе) фосфорилирование ламинов. Ламины A и C при этом

деполимеризуются до димеров и тетрамеров и, переходя в растворимое

состояние, равномерно распределяются в цитоплазме вне связи с другими

структурами. Ламин B тоже деполимеризуется до олигомеров, но остается

связанным с мембранными пузырьками, возникшими из ядерной оболочки.

212

При сборке ядерной оболочки в телофазе белки ламины

иммунохимически начинают выявляться в центромерных и теломерных

участках хромосом, там же обнаруживаются первые признаки образования

новой ядерной оболочки. Там же накапливаются антитела к белкам порового

комплекса. В бесклеточной системе цитоплазматического экстракта ооцитов

было показано, что ассоциация растворимых в митозе ламинов A и C

происходит независимо от ламина B. Оказалось, что если систему

реконструкции ядерной оболочки лишить ламина B, то ламины A и C

связываются с поверхностью хромосом, но сборки ядерной оболочки не

происходит. В экстракте, лишенном ламинов A и C, ламин B связывается с

хромосомами, но нормальная ядерная оболочка так же не формируется.

Часть IV. Цитоплазма

Цитоплазма - это тот компонент клетки, который остается, если исключить

ядро.

Цитоплазма может занимать у разных типов клеток различные объемы.

Так у лимфоцитов ее объем примерно равен объему ядра, у гепатоцита,

наоборот, ядро занимает всего около 6% от общего объема клетки, у

нейронов эта доля в 600 раз меньше.

Так же как и ядро цитоплазма многокомпонентна. Уже в световой

микроскоп в цитоплазме живой клетки видны какие-то вкрапления,

неоднородности, частички. Особенно неоднородность цитоплазмы видна

при изучении ее в электронном микроскопе. Формально структуру

цитоплазмы подразделяют на три части: органеллы, включения,

гиалоплазма (основная плазма, цитозоль). Органеллы - обязательные для

любой клетки компоненты, без которых клетка просто не может

поддерживать свое существование; включения - необязательные

компоненты, которые представляют собой или отложения запасных веществ

(гликоген, желточные гранулы) или скопление продуктов метаболизма

(пигменты, кристаллы солей и др. в растительных клетках). И органеллы и

213

включения погружены в гиалоплазму - жидкую фазу цитоплазмы клетки.

Важно напомнить, что клетка как таковая представляет собой мембранный

мешочек, заполненный водным раствором белка. Вот примерный

химический состав клетки: вода - 85%, белок - 10%, ДНК - 0,4%, РНК -

0,7%, липиды - 2%, неорганические соли - 1%, органические соединения -

1%. Примерно 25% от сухого веса клеточных белков приходится на белки

жидкой фазы эукариотической клетки, на гиалоплазму. В бактериальных

клетках, бедных мембранными элементами, на долю белков гиалоплазмы

приходится около половины всех белков клетки.

Глава 11. Гиалоплазма и органеллы

Термин гиалоплазма (от hyaline - прозрачный), основная плазма, матрикс

цитоплазмы или цитозоль обозначают очень важную часть клетки, ее

истинную внутреннюю среду. Гиалоплазму достаточно просто получить в

виде фракции. Для этого путем дифференциального центрифугирования

осаждают из гомогенатов клеток все тяжелые компоненты вплоть до

рибосом. Надосадочная жидкость в этом случае и представляет собой

растворимый компонент цитоплазмы, цитозоль или гиалоплазму. Цитозоль

- не просто разбавленный водный раствор; его состав весьма сложен, а

консистенция приближается к гелю (желе). Гели - это структурированные

коллоидные системы с жидкой дисперсной средой. Частицы дисперсной

фазы соединены между собой в рыхлую пространственную сетку, которая

содержит в своих ячейках дисперсную среду, лишая текучести систему в

целом. Гель гиалоплазмы или цитозоль относится к т.н. тиксотропным гелям,

которые под воздействием внешних условий (температура, давление) или

внутренних факторов (факторов стабилизации или деполимеризации) могут

менять свое агрегатное состояние и переходить в менее вязкую, более

жидкую фазу - в золь (раствор). Такие гель-золь переходы очень характерны

для гиалоплазмы. Так, например, при высоких гидростатических давлениях

цитоплазма не уплотняется, а обратимо разжижается. Отдельные зоны

214

гиалоплазмы могут менять свое агрегатное состояние в зависимости от

условий или от функциональной задачи. Так, известно, что отдельные

молекулы белков-тубулинов могут быть диспергированы в гиалоплазме, но в

определенные моменты они начинают собираться и строить длинные

трубчатые структуры - микротрубочки. Этот процесс самосборки

микротрубочек обратим: при изменении условий жизни клетки (повышение

давления или изменение проницаемости мембран клетки) микротрубочки

распадаются до мономерных молекул тубулинов. Таким же образом в

бесструктурной на первый взгляд гиалоплазме могут возникать и

распадаться различные фибриллярные, нитчатые комплексы белковых

молекул.

Подобные гель-золь переходы могут определяться также другими

белками, например, актином, количество которого в некоторых немышечных

клетках может достигать 10%. При взаимодействии фибриллярного актина с

белками типа фибрина происходит стабилизация геля, а при связывании с

белками, активность некоторых зависит от концентрации Ca

(гельзолин),

происходит фрагментация фибрилл и переход всей системы в жидкое

состояние (золь). Таким путем может меняться состояние цитоплазмы в

различных участках клетки, что обеспечивает движение всей клетки или

отдельных ее внутриклеточных компонентов.

Функциональное значение гиалоплазмы очень велико. Здесь локализованы

ферменты, участвующие в синтезе аминокислот, нуклеотидов, жирных

кислот, метаболизма сахаров. В гиалоплазме происходит синтез и отложение

запасного полисахарида гликогена, накопление запасных жировых капель,

состоящих из триацилглицероидов. Здесь же происходят процессы гликолиза

и синтез части АТФ. В гиалоплазме на рибосомах и полирибосомах,

несвязанных с мембранами, происходит синтез белков, необходимых клетке

для поддержания ее жизнедеятельности, для построения ее органелл. Здесь

же происходит активация аминокислот с помощью специфических

215

ферментов и связывание их с трансферными РНК. В цитозоле также

происходит модификация ферментов (например, фосфорилирование),

приводящее к их активации или к инактивации, происходит деградация,

расщепление белков, с помощью специфических протеиназ и др.

В цитозоле на расположенных там рибосомах синтезируются белки,

транспортируемые в различные участки клетки. Здесь же осуществляется

синтез всех белков клеточного ядра, большая часть белков митохондрий и

пластид, основные белки пероксисом. Эти группы белков имеют свои

сигнальные аминокислотные последовательности, которые узнаются

соответственно ядерными порами, или мембранами, что позволяет этим

белкам транспортироваться через мембраны и попадать внутрь

митохондрий, пластид, пероксисом.

Синтез секреторных белков, белков лизосом, внеклеточного матрикса

также начинается в гиалоплазме, но после контакта с мембранами

гранулярного эндоплазматического ретикулума комплекс рибосома-

информационная РНК-пептид оказывается связанным с мембранами, а

синтезирующийся белок ко-трансляционно переносится через мембрану и

оказывается в полости мембранных вакуолей.

Кроме структурных белков и ферментов в цитозоле в растворенном

состоянии содержится огромное количество аминокислот, нуклеотидов и

других строительных блоков биополимеров, а также множество метаболитов

- промежуточных продуктов, возникающих при синтезе и распаде

макромолекул.

Гиалоплазма содержит большое количество ионов, неорганических

соединений, таких как Na

, K

, Ca

, Cl

, HCO

, HPO

и др. При этом

концентрация этих ионов строго детерминирована и регулируется

мембранными компонентами клетки.

Формально, по морфологическим признакам, обязательные компоненты

цитоплазмы, органеллы или органоиды, можно разделить на две группы:

216

мембранные и немембранные. Мембранные органеллы так же представлены

двумя вариантами: одномембранные и двумембранные. К первым относятся

органеллы вакуолярной системы - эндоплазматический ретикулум, аппарат

Гольджи, лизосомы, пероксисомы и другие специализированные вакуоли, а

также плазматическая мембрана. К двумембранным органеллам относятся

митохондрии и пластиды, а также клеточное ядро. К немембранным

органеллам принадлежат рибосомы, клеточный центр животных клеток,

постоянно присутствующие в клетках. Что же касается элементов

клеточного скелета, цитоскелета, постоянной компоненты клетки, его

выраженность может значительно меняться в течение клеточного цикла, от

полного исчезновения одного компонента (например, цитоплазматические

микротрубочки во время митоза), до появления новых структур (веретено

митоза).

Общим свойством мембранных органелл является то, что они построены

из липопротеидных пленок, или перепонок, тонких слоев, замыкающихся

сами на себя так, что они образуют замкнутые полости и тем самым

разделяют цитоплазму на группу различных отсеков. Внутреннее

содержимое этих отсеков или вакуолей всегда отличается от содержимого

гиалоплазмы. Толщина таких пленок-мембран очень мала - около 7-10 нм, по

весу они занимают около 4% от веса клетки, но очень значительна площадь

клеточных биомембран. Так, например, гепатоцит, имеющий в поперечнике

около 20 мкм и занимающий объем около 5000 мкм

, окружен

плазматической мембраной с общей площадью 2200мкм

. Общая же

площадь его внутриклеточных мембран в 50 раз больше и составляет 110

000мкм

(!). В электронном микроскопе цитоплазма клеток представляется

как бы заполненной пеной из замкнутых мембранных пузырьков, имеющих

разную форму: округлые вакуоли. плоские замкнутые мешочки, извитые

трубки и т.д. (рис. 115). В гепатоците на долю плазматической мембраны

приходится примерно 2% от всех клеточных мембран, на вакуолярную

217

систему - 58%, на митохондрии - 40%, на внутреннюю мембрану ядра -

около 0,2%. Из приведенных выше данных видно, что мембраны клетки, или

как их называют, биомембраны занимают одно из ведущих мест в

структурной и функциональной организации клетки.

Глава 12. Общие свойства биологических мембран

Все без исключения клеточные мембраны построены по общему

принципу: это тонкие липопротеидные пленки, состоящие из двойного слоя

липидных молекул, в который включены молекулы белка. В весовом

отношении в зависимости от типа мембран на долю липидов приходится 25-

60%, на долю белков 40-75%. В состав многих мембран входят углеводы,

количество которых может достигать 2-10%.

Структурной основой мембран является двойной слой липидов

К липидам относится большая группа органических веществ, обладающих

плохой растворимостью в воде (гидрофобность) и хорошей растворимостью

в органических растворителях (липофильность). Состав липидов, входящих

в мембраны клетки, очень разнообразен (рис. 116). Характерными

представителями липидов, встречающихся в клеточных мембранах,

являются фосфолипиды (глицерофосфатиды), сфингомиелины и из

стероидных липидов - холестерин.

Глицерофосфатиды, или глицеролипиды, представляют собой сложные

эфиры трехатомного спирта глицерина с двумя жирными кислотами и с

фосфорной кислотой, которая в свою очередь может быть связана с

различными химическими группами (холин, серин, инозит, этаноламин и

др.). Так, например, в структуру наиболее часто встречающегося в

мембранах глицеролипида лецитина входят участки двух жирных кислот,

глицерина, фосфорной кислоты и холина.

Другая группа мембранных липидов называется сфингомнелиновой, в ней

глицерин замещен аминоспиртом сфингозином.

218

Из липидов, относящихся к стероидам, больше всего в мембранах

холестерина. В растительных клетках холестерин не обнаружен, его там

заменяют фитостерины. У бактерий стерины отсутствуют.

Характерной особенностью липидов мембран является разделение их

молекулы на две функционально различные части: неполярные (не несущие

зарядов) хвосты, состоящие из жирных кислот, и заряженные полярные

головки (рис. 117). Полярные головки несут на себе отрицательные заряды

или могут быть нейтральными (в случае, если они имеют одновременно

положительные и отрицательные заряды). Наличие неполярных хвостов

липидов объясняет их хорошую растворимость в жирах и органических

растворителях.

Если полярные липиды смешать с водой, то образуется эмульсия,

состоящая из мицелл. При этом незаряженные (гидрофобные) хвосты будут

стремиться образовывать однородную фазу в центре мицеллы, и

заряженные, гидрофильные, головки будут торчать в водную фазу.

Холестерин сам по себе мицелл не образует, но легко включается в мицеллы

полярных липидов, в результате чего образуются мицеллы смешанного типа.

Если, наоборот, к липидам добавить немного воды, то образуются мицеллы,

как бы вывернутые наизнанку: их гидрофобные хвосты будут торчать в

масляную фазу, а заряженные (гидрофильные) головки будут располагаться

внутри мицеллы (рис. 118).

На поверхности воды растворы полярных липидов, растекаясь, образуют

мономолекулярную пленку, в которой в водную фазу будут направлены

заряженные (гидрофильные) головки, а неполярные хвосты будут обращены

в сравнительно гидрофобную воздушную фазу. Смешивая с водой

экстрагированные из мембран липиды или беря смеси разных липидов,

можно получить бимолекулярные слои или мембраны толщиной около 3,5

нм, где периферические зоны слоя, смотрящие в водную фазу, будут

содержать исключительно полярные головки, а незаряженные хвосты будут

219

образовывать общую гидрофобную центральную зону такой образовавшейся

мембраны (рис. 119).

Эта способность липидов самопроизвольно образовывать мембранные

структуры определяется свойствами самих липидов, а именно наличием в их

структуре полярных головок и неполярных хвостов.

В таких искусственные системах липидные мицеллы и мембраны могут

взаимодействовать с белками своими полярными зонами или гидрофобными

хвостами, при этом образуются искусственные липопротеидные мембраны,

сходные с теми мембранами, которые можно выделить из клеток. Они имеют

толщину около 7,5 нм. При окраске четырехокисью осмия искусственные

мембраны обнаруживают в электронном микроскопе трехслойную

структуру: два темных периферических слоя по 2,5 нм и светлый,

центральный, примерно такой же толщины. Естественные клеточные

мембраны имеют такое же строение.

Необходимо подчеркнуть, что как искусственные, так и естественные

мембраны не представляют собой плоские слои, они всегда замкнуты сами

на себя, образуя полые вакуоли, пузырьки, везикулы, плоские замкнутые

мешки или трубчатые образования.

Представление о том, что в основе клеточных мембран лежит двойной

липидный слой, было получено еще в 20-х гг. Было найдено, что если

экстрагировать липиды из оболочки эритроцитов, а затем поместить липиды

на поверхность водного мениска, то можно рассчитать площадь, занимаемую

образовавшимся монослоем липидов. Оказалось, что эта площадь вдвое

больше площади, занимаемой поверхностью эритроцитов, из которых были

экстрагированы липиды. Было сделано предположение, что в мембранах

эритроцитов липиды располагаются в два слоя. К тому же оказалось, что

поверхностное натяжение мембраны клетки (1-2 дин/см

) гораздо ниже, чем

поверхностное натяжение искусственного липидного слоя (7-15 дин/см

Было обнаружено, что при добавлении белка к липидам поверхностное

220