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

Подождите немного. Документ загружается.

пресинаптической, другой, воспринимающей импульс, - постсинаптической.

В электронном микроскопе обе мембраны выглядят плотными, толстыми.

Около пресинаптической мембраны выявляется огромное количество мелких

вакуолей, синаптических пузырьков, заполненных медиаторами.

Синаптические пузырьки в момент прохождения нервного импульса

выбрасывают свое содержимое в синаптическую щель. Постсинаптическая

мембрана часто выглядит толще обычных мембран из-за скопления около

нее со стороны цитоплазмы множества тонких фибрилл.

Плазмодесмы. Этот тип межклеточных связей встречается у растений.

Плазмодесмы представляют собой тонкие трубчатые цитоплазматические

каналы, соединяющие две соседние клетки. Диаметр этих каналов обычно

составляет 20-40 нм. Ограничивающая эти каналы мембрана

непосредственно переходит в плазматические мембраны соседствующих

клеток. Плазмодесмы проходят сквозь клеточную стенку, разделяющую

клетки (рис. 156, 157). Таким образом, у некоторых растительных клеток

плазмодесмы соединяют гиалоплазму соседних клеток, поэтому формально

здесь нет полного разграничения, отделения тела одной клетки от другой,

это скорее представляет собой синцитий: объединение многих клеточных

территорий с помощью цитоплазматических мостиков. Внутрь плазмодесм

могут проникать мембранные трубчатые элементы, соединяющие цистерны

эндоплазматического ретикулума соседних клеток. Образуются плазмодесмы

во время деления клетки, когда строится первичная клеточная оболочка (см.

ниже). У только что разделившихся клеток число плазмодесм может быть

очень велико (до 1000 на клетку), при старении клеток их число падает за

счет разрывов при увеличении толщины клеточной стенки.

Функциональная роль плазмодесм очень велика: с их помощью

обеспечивается межклеточная циркуляция растворов, содержащих

питательные вещества, ионы и другие соединения. По плазмодесмам могут

перемещаться липидные капли Через плазмодесмы происходит заражение

261

клеток растительными вирусами. Однако эксперименты показывают, что

свободный транспорт через плазмодесмы ограничивается частицами с

массой не более 800 дальтон.

Клеточная стенка (оболочка) растений

Если выделить любую клетку из организма животного и поместить ее в

воду, то через короткое время клетка после набухания лопнет, лизируется.

Это происходит из-за того, что через плазматическую мембрану вода будет

поступать в цитоплазму, в зону с более высокой концентрацией солей и

органических молекул. При этом будет увеличиваться внутренний объем

клетки до тех пор, пока не разорвется плазматическая мембрана. В составе

организма животных этого не происходит, потому что клетки низших и

высших животных существуют в окружении жидкостей внутренней среды,

концентрация солей и веществ в которой близка к таковой в цитоплазме.

Свободноживущие в пресной воде одноклеточные простейшие организмы не

лизируются (при отсутствии клеточной стенки) из-за того, что у них

постоянно работает клеточный насос, откачивающий воду из цитоплазмы, -

сократительная вакуоль.

Если же мы в воду поместим клетки бактерий или растений, то они не

будут лизироваться до тех пор, пока цела их клеточная стенка. Воздействием

набора различных ферментов эти стенки можно растворить. В этом случае

моментально происходит набухание и разрыв, лизис, клеток. Следовательно,

в естественных условиях клеточная стенка предотвращает этот гибельный

для клетки процесс. Более того, наличие клеточных стенок является одним

из главных факторов, регулирующих поступление воды в клетку. Клетки

бактерий и растений обитают чаще всего в гипотонической водной среде,

они не имеют сократительных (выделительных) вакуолей, чтобы откачать

воду, но зато прочная клеточная стенка предохраняет их от чрезвычайного

набухания. По мере поступления воды в клетке возникает внутреннее

давление, тургор, которое препятствует дальнейшему поступлению воды.

262

Интересно, что у многих низших растений, например у зеленых

водорослей, клетки имеют хорошо сформированную клеточную оболочку, но

при половом размножении, когда образуются подвижные зооспоры,

последние теряют клеточную оболочку и у них появляются пульсирующие

вакуоли.

Клеточная стенка растений формируется при участии плазматической

мембраны и является экстраклеточным (внеклеточным) многослойным

образованием, защищающим поверхность клетки, служащим как бы

наружным скелетом растительной клетки (рис. 158). Клеточная стенка

растений состоит из двух компонентов: аморфного пластичного

гелеобразного матрикса (основы) с высоким содержанием воды и опорной

фибриллярной системы. Часто для придания свойств жесткости,

несмачиваемости и др. в состав оболочек входят дополнительные

полимерные вещества и соли.

В химическом отношении главные компоненты оболочек растений

относятся к структурным полисахаридам.

В состав матрикса оболочек растений входят гетерогенные группы

полисахаридов, растворяющиеся в концентрированных щелочах,

гемицеллюлозы и пектиновые вещества. Гемицеллюлозы представляют

собой ветвящиеся полимерные цепи, состоящие из различных гексоз

(глюкоза, манноза, галактоза и др.), пентоз (ксилоза, арабиноза) и уроновых

кислот (глюкуроновая и галактуроновая кислоты). Эти компоненты

гемицеллюлоз сочетаются между собой в разных количественных

отношениях и образуют разнообразные комбинации. Цепи гемицеллюлозных

молекул не кристаллизуются и не образуют элементарных фибрилл. Из-за

наличия полярных групп уроновых кислот они сильно гидратированы.

Пектиновые вещества - гетерогенная группа, в которую входят

разветвленные сильно гидратированные полимеры, несущие отрицательные

заряды из-за множества остатков галактуроновой кислоты. Благодаря

263

свойствам своих компонентов матрикс представляет собой мягкую

пластическую массу, укрепленную фибриллами.

Волокнистые компоненты клеточных оболочек растений состоят обычно

из целлюлозы, линейного, неветвящегося полимера глюкозы. Молекулярный

вес целлюлозы варьирует от 5 х 10

до 5 х 10

, что соответствует 300-3000

остаткам глюкозы. Такие линейные молекулы целлюлозы могут соединяться

в пучки или волокна. В клеточной оболочке целлюлоза образует фибриллы,

которые состоят из субмикроскопических микрофибрилл толщиной до 25

нм, которые в свою очередь состоят из множества параллельно лежащих

цепей молекул целлюлозы.

Количественные соотношения целлюлозы к веществам матрикса

(гемицеллюлозы) могут быть весьма различными у разных объектов. Свыше

60% сухого веса первичных оболочек составляет их матрикс и около 30%

приходится на скелетное вещество - целлюлозу. В сырых клеточных

оболочках почти вся вода связана с гемицеллюлозами, поэтому вес

основного вещества в набухшем состоянии достигает 80% сырого веса всей

оболочки, тогда как содержание волокнистых веществ сводится всего к 12%.

В случае же другого примера, волоски хлопчатника, целлюлозный

компонент составляет 90%; в древесине целлюлоза составляет 50% от

компонентов клеточной стенки.

Кроме целлюлозы, гемицеллюлозы и пектинов в состав клеточных

оболочек входят дополнительные компоненты, придающие им особые

свойства. Так, инкрустация (включение внутрь) оболочек лигнином

(полимер кониферилового спирта) приводит к одревеснению клеточных

стенок, повышению их прочности (рис. 159). Лигнин замещает в таких

оболочках пластические вещества матрикса и играет роль основного

вещества, обладающего высокой прочностью. Часто матрикс бывает

укреплен минеральными веществами (SiO

, CaCO

и др.).

264

На поверхностях клеточной оболочки могут скапливаться различные

адкрустирующие вещества, например кутин и суберин, приводящие к

опробковению клеток. В клетках эпидермиса на поверхности клеточных

оболочек откладывается воск, который образует водонепроницаемый слой,

препятствующий потере клеткой воды.

Из-за своего пористого, рыхлого строения клеточная стенка растений

проницаема в значительной степени для низкомолекулярных соединений,

таких как вода, сахара и ионы. Но макромолекулы проникают через

целлюлозные оболочки плохо: величина пор в оболочках, позволяющая

свободную диффузию веществ составляет всего лишь 3-5 нм.

Опыты с мечеными соединениями показали, что при росте клеточной

оболочки выделение веществ, из которых она строится, происходит по всей

поверхности клетки. Аморфные вещества матрикса, гемицеллюлозы и

пектины синтезируются в вакуолях аппарата Гольджи и выделяются через

плазмолемму путем экзоцитоза. Фибриллы целлюлозы синтезируются

специальными ферментами, встроенными в плазмолемму.

Оболочки дифференцированных, зрелых, клеток обычно многослойные, в

слоях фибриллы целлюлозы ориентированы по-разному, и количество их

также может значительно колебаться. Обычно описывают первичные,

вторичные и третичные клеточные оболочки (рис. 158). Для того чтобы

разобраться в строении и появлении этих оболочек, необходимо

познакомиться с тем, как же возникают, образуются клеточные оболочки

после деления клеток.

При делении клеток растений после расхождения хромосом в

экваториальной плоскости клеток появляется скопление мелких мембранных

пузырьков, которые в центральной части клеток начинают сливаться друг с

другом (рис. 160). Этот процесс слияния мелких вакуолей происходит от

центра клетки к периферии и продолжается до тех пор, пока мембранные

пузырьки не сольются между собой и с плазматической мембраной боковой

265

поверхности клетки. Так образуется клеточная пластинка или

фрагмопласт. В центральной части ее располагается аморфное вещество

матрикса, которое наполняло сливающиеся пузырьки. Доказано, что эти

первичные вакуоли происходят от мембран аппарата Гольджи. В состав

первичной клеточной стенки входит также небольшое количество белка

(около 10%), богатого гидроксипролином. имеющего множество коротких

олигосахаридных цепей, что определяет этот белок как гликопротеид. По

периферии клеточной пластинки при наблюдении ее в поляризованном свете

обнаруживается заметное двойное лучепреломление, вызванное тем, что в

этом месте располагаются ориентированные фибриллы целлюлозы. Таким

образом, растущая первичная клеточная стенка состоит уже из трех слоев:

центральный - срединная пластинка, состоящая только из аморфного

матрикса, и два периферических - первичная оболочка, содержащая

гемицеллюлозу и целлюлозные фибриллы. Если срединная пластинка - это

продукт активности еще исходной клетки, то первичная оболочка образуется

за счет выделения гемицеллюлозы и фибрилл целлюлозы уже двумя новыми

клеточными телами. И все дальнейшее увеличение толщины клеточной

(вернее, межклеточной) стенки будет происходить за счет активности двух

дочерних клеток, которые с противоположных сторон будут выделять

вещества клеточной оболочки, утолщающейся путем подслаивания все

новых и новых пластов. Так же как и с самого начала, выделение веществ

матрикса происходит за счет подхода к плазматической мембране пузырьков

аппарата Гольджи, слияния их с мембраной и высвобождения их

содержимого за пределы цитоплазмы. Здесь же вне клетки на ее

плазматической мембране идет синтез и полимеризация целлюлозных

фибрилл. Так постепенно образуется вторичная клеточная оболочка. С

достаточной точностью определить и суметь отличить первичную оболочку

от вторичной трудно, так как они соединены между собой несколькими

промежуточными слоями.

266

Основную массу закончившей свое формирование клеточной стенки

составляет вторичная оболочка. Она придает клетке ее окончательную

форму. После разделения клетки на две дочерних происходит рост новых

клеток, увеличение их объема и изменение формы; клетки часто

вытягиваются в длину. Одновременно с этим идет наращивание толщины

клеточной оболочки и перестройка ее внутренней структуры.

При образовании первичной клеточной оболочки в ее составе еще мало

целлюлозных фибрилл, и они располагаются более или менее

перпендикулярно будущей продольной оси клетки, позже в период

растяжения (удлинения клетки за счет роста вакуолей в цитоплазме)

ориентация этих поперечно-направленных фибрилл подвергается пассивным

изменениям: фибриллы начинают размещаться под прямым углом друг к

другу и в конечном счете оказываются вытянутыми более или менее

параллельно продольной оси клетки. Постоянно идет процесс: в старых

слоях (ближе к центру оболочки) фибриллы подвергаются пассивным

сдвигам, а отложение новых фибрилл во внутренних слоях (ближайших к

мембране клетки) продолжается в соответствии с исходным планом

конструкции оболочки. Этот процесс создает возможность скольжения

фибрилл относительно друг друга, а перестройка арматуры клеточной

оболочки возможна из-за студенистого состояния компонентов ее матрикса.

В дальнейшем при замещении в матриксе гемицеллюлозы на лигнин

подвижность фибрилл резко снижается, оболочка становится плотной,

происходит одревеснение.

Часто под вторичной оболочкой обнаруживают третичную оболочку,

которую можно рассматривать как засохший остаток дегенерировавшего

слоя собственно цитоплазмы.

Следует отметить, что при делении клеток растений формированию

первичной оболочки не во всех случаях предшествует образование

клеточной пластинки. Так, у зеленой водоросли спирогиры новые

267

поперечные перегородки возникают путем образования на боковых стенках

исходной клетки выступов, которые, постепенно разрастаясь к центру

клетки, смыкаются и делят клетку надвое.

Как уже говорилось, если в водной гипотонической среде лишить клетку

ее оболочки, то произойдет лизис, разрыв клетки. Оказалось, что, подбирая

соответствующие концентрации солей и сахаров, можно уравнять

осмотические давления снаружи и внутри клеток, лишенных своих

оболочек. При этом такие протопласты приобретают шаровидную форму

(сферопласты). Если в среде, где находятся протопласты, будет достаточное

количество питательных веществ и солей (среди них необходим Ca

), то

клетки снова восстанавливают , регенерируют свою клеточную оболочку.

Более того, они способны в присутствии гормонов - ауксинов - делиться и

создавать клеточные колонии, которые могут дать начало для роста целого

растения, от которого была взята клетка.

Главный волокнистый компонент клеточной стенки больших групп грибов

(базибиомицеты, аскомицеты, зигомицеты) - хитин, полисахарид, где

основным сахаридом является N-ацетилглюкозамин. В состав клеточной

стенки грибов кроме хитина могут входить вещества матрикса,

гликопротеиды и различные белки, синтезированные в цитоплазме и

выделенные клеткой наружу.

Клеточные оболочки бактерий

Опорным каркасом клеточной стенки бактерий и синезеленых водорослей

также служит в значительной степени однородный полимер - пептидогликан

или муреин. Жесткий каркас, окружающий бактериальную клетку,

представляет собой одну гигантскую мешковидную молекулу сложного

полисахарида-пептида. Каркас этот называют муреиновым мешком. Основа

структуры муреинового мешка - сеть параллельных полисахаридных цепей,

построенных из чередующихся дисахаридов (ацетилглюкозамин,

соединенный с ацетилмурамовой кислотой), связанных многочисленными

268

пептидными поперечными связями (рис. 161). Длина цепочек гликана может

быть огромной - до нескольких сот дисахаридных блоков. Основу пептидной

части муреина составляют тетрапептиды, образованные различными

аминокислотами.

Бактериальная стенка может составлять до 20-30% от сухого веса бактерии.

Это связано с тем, что в ее состав кроме многослойного муреинового каркаса

входит большое количество дополнительных компонентов, как и в матриксе

стенки растений. У грамположительных бактерий (при окраске по Граму

(окраска кристаллическим фиолетовым, обработка иодом, отмывка спиртом)

бактерии по-разному воспринимают краситель: грамположительные остаются

окрашенными после обработки спиртом; грамотрицательные обесцвечиваются).

сопутствующими компонентами служат полимерные вещества, сложным

образом вплетенные в муреиновую сеть. К ним относятся тейхоевые кислоты,

полисахариды, полипептиды и белки. Клеточная стенка грамположительных

бактерий обладает большой жесткостью, ее муреиновая сеть многослойна.

Стенки грамотрицательных бактерий содержат однослойную муреиновую

сеть, составляющую 12% сухой массы стенки. Сопутствующие компоненты

составляют до 80% сухой массы. Это липопротеиды, сложные

липополисахариды. Они образуют сложную наружную липопротеиновую

мембрану. Следовательно, периферия грамотрицательных бактерий

содержит наружную мембрану, затем однослойную муреиновую сеть, ниже

нее расположена плазматическая мембрана (рис. 162). Наружная мембрана

обеспечивает структурную целостность клетки, служит барьером,

ограничивающим свободный доступ разных веществ к плазматической

мембране. На ней также могут располагаться рецепторы для бактериофагов.

Она содержит белки-порины, которые участвуют в переносе многих

низкомолекулярных веществ. Молекулы порина образуют тримеры,

проходящие сквозь толщу мембраны. Одна из функций этих белков -

формирование в мембране гидрофильных пор, через которые происходит

269

диффузия молекул, не более 900 дальтон. Через поры проходят свободно

сахара, аминокислоты, небольшие олигосахариды и пептиды. Поры

образованы разными поринами, обладают разной проницаемостью.

Между внешней липопротеидной мембраной бактериальной стенки и

плазматической мембраной лежит периплазматическое пространство или

периплазма. Ее толщина обычно составляет около 10 нм, она содержит

тонкий (1-3 нм) муреиновый слой и раствор, содержащий специфические

белки двух типов - гидролитические ферменты и транспортные белки. Из-за

наличия гидролаз иногда периплазму рассматривают как аналог лизосомного

компартмента эукариот. Периплазматические транспортные белки связывают

и переносят сахара, аминокислоты и др. от внешней мембраны к

плазмолемме.

Предшественники стенок бактерий синтезируются внутри клетки, сборка

стенок происходит снаружи от плазматической мембраны.

Под действием фермента лизоцима можно разорвать муреиновый каркас и

растворить бактериальную стенку. В гипотонических условиях клетки при

этом разрушаются, как разрушаются голые клетки животных и растений; в

изотонических условиях образуются шаровидные протопласты, которые

способны снова вырабатывать свою клеточную стенку.

Интересно, что протопласты бактерий нечувствительны к действию

бактериофагов- вирусов, паразитирующих на бактериях. Следовательно,

компоненты бактериальной стенки обладают антигенной специфичностью

по отношению к этим вирусам.

Глава 14. Вакуолярная система внутриклеточного транспорта

Вакуолярная система, состоящая из одномембранных разнообразных по

строению и функциям органелл (эндоплазматический ретикулум, аппарат

Гольджи, лизосомы, эндосомы, секреторные вакуоли) выполняют общую

функцию синтеза, перестройки (модификации), сортировки и выведения

270