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

Подождите немного. Документ загружается.

облученная митохондрия, в других – теряла люминесценцию вся группа

митохондрий (рис. 224). Электронная микроскопия показала, что в последнем

случае митохондрии в кластере были связаны друг с другом с помощью ММК.

Следовательно, если одиночные митохондрии теряют этилродамин после

лазерного укола вследствие электрического пробоя митохондриальной

мембраны, то гашение группы митохондрий, связанных ММК, доказывает, что

ММК, как клеммы, объединяют в единую цепь потенциалы одиночных

митохондрий. По всей вероятности, области ММК проницаемы для протонов,

которые могут передаваться с внутренней митохондриальной мембраны одной

митохондрии на внутреннюю мембрану другой, и тем самым объединять

митохондрии в единую энергетическую систему.

Как оказалось, межмитохондриальные контакты (ММК), как обязательная

структура сердечных клеток, встречаются не только у крыс. Они обнаружены в

кардиомиоцитах как желудочков, так и предсердий всех позвоночных животных:

млекопитающих, птиц, пресмыкающихся, амфибий и костистых рыб. Более того

ММК были обнаружены (но в меньшем числе) в клетках сердца некоторых

насекомых и моллюсков. Эти наблюдения говорят о чрезвычайно важной

биологической роли этих структур, характеризующих митохондрии интенсивно

и постоянно работающих клеток сердца.

Было обнаружено, что количество ММК в кардиомиоцитах изменяется в

зависимости от функциональной нагрузки на сердце. Так, если у крыс вызвать

экспериментальное усиление работы сердечной мышцы, например при

компенсаторной гипертрофии миокарда (частичная перевязка аорты), то

количество ММК увеличивается почти вдвое. Увеличивается число ММК и при

повышении физических нагрузок животных. Наоборот, при ограничении

подвижности животных, находящихся в тесных камерах более 4-х месяцев (как

в космическом корабле), при падении нагрузки на сердечную мышцу,

происходит резкое сокращение числа ММК.

331

Те же закономерности наблюдается и у других животных в естественных

условиях их жизни. Так уменьшается число ММК у зимних спящих летучих

мышей, у зимующих сурков. Резко возрастает число ММК в кардиомиоцитах

летающих стрижей, по сравнению с их птенцами до вылета из гнезда. Из этих

наблюдений можно сделать обобщение: чем выше функциональная нагрузка на

кардиомиоциты, чем выше потребление энергии, тем большее количество ММК

связывает отдельные митохондрии в единую кооперативную систему.

На рис. 225 представлены варианты организации хондриома в различных

клетках. Хондриом может иметь различную композицию в зависимости от

энергетических потребностей клетки. В простейшем (и чаще встречающемся )

случае он может быть представлен множеством разрозненных небольших

митохондрий, функционирующих независимо друг от друга и снабжающих АТФ

небольшие участки цитоплазмы. В другом случае длинные и разветвленные

митохондрии могут энергетически обеспечивать отдаленные друг от друга

участки клетки. Вариантом такой протяженной системы может быть хондриом

типа митохондриального ретикулума, который встречается как у одноклеточных,

так и у многоклеточных организмов. Особенно сложно этот вид хондриома

выражен в скелетных мышцах млекопитающих, где группы гигантских

разветвленных митохондрий связаны друг с другом с помощью ММК. Вообще

же наличие ММК характерно для хондриомов сократимых структур. Особенно

обильно ММК представлены в клетках сердечных мышц, где они

функционально связывают множественные отдельные митохондрии в единую

разветвленную цепь.

Глава 19. Пластиды

Пластиды – это мембранные органоиды, встречающиеся у

фотосинтезирующих эукариотических организмов (высшие растения, низшие

водоросли, некоторые одноклеточные организмы). Подобно митохондриям,

пластиды окружены двумя мембранами, в их матриксе имеется собственная

геномная система, функции пластид связаны с энергообеспечением клетки,

332

идущим на нужды фотосинтеза. У высших растений найден целый набор

различных пластид (хлоропласт, лейкопласт, амилопласт, хромопласт),

представляющих собой ряд взаимных превращений одного вида пластиды в

другой. Основной структурой, которая осуществляет фотосинтетические

процессы, является хлоропласт (рис. 226а).

Хлоропласт

Как уже указывалось, строение хлоропласта в принципе напоминает

строение митохондрии. Обычно это структуры удлиненной формы с шириной 2-

4 мкм и протяженностью 5-10 мкм. У зеленых водорослей встречаются

гигантские хлоропласты (хроматофоры), достигающие длины 50 мкм.

Количество хлоропластов в клетках разных растений не стандартно. Так, у

зеленых водорослей может быть по одному хлоропласту на клетку. Обычно на

клетку высших растений приходится в среднем 10-30 хлоропластов.

Встречаются клетки с огромным количеством хлоропластов. Например, в

гигантских клетках палисадной ткани махорки обнаружено около 1000

хлоропластов.

Хлоропласты представляют собой структуры, ограниченные двумя

мембранами – внутренней и внешней. Внешняя мембрана, как и внутренняя,

имеет толщину около 7 мкм, они отделены друг от друга межмембранным

пространством около 20-30 нм. Внутренняя мембрана хлоропластов отделяет

строму пластиды, аналогичную матриксу митохондрий. В строме зрелого

хлоропласта высших растений видны два типа внутренних мембран. Это –

мембраны, образующие плоские, протяженные ламеллы стромы, и мембраны

тилакоидов, плоских дисковидных вакуолей или мешков.

Ламеллы стромы (толщиной около 20 мкм) представляют собой плоские

полые мешки или же имеют вид сети из разветвленных и связанных друг с

другом каналов, располагающихся в одной плоскости. Обычно ламеллы стромы

внутри хлоропласта лежат параллельно друг другу и не образуют связей между

собой.

333

Кроме мембран стромы в хлоропластах обнаруживаются мембранные

тилакоиды. Это плоские замкнутые мембранные мешки, имеющие форму диска.

Величина межмембранного пространства у них также около 20-30 нм. Такие

тилакоиды образуют стопки наподобие столбика монет, называемые гранами

(рис. 227). Число тилакоидов на одну грану очень варьирует: от нескольких

штук до 50 и более. Размер таких стопок может достигать 0,5 мкм, поэтому

граны видны в некоторых объектах в световом микроскопе. Количество гран в

хлоропластах высших растений может достигать 40-60. Тилакоиды в гране

сближены друг с другом так, что внешние слои их мембран тесно соединяются;

в месте соединения мембран тилакоидов образуется плотный слой толщиной

около 2 нм. В состав граны кроме замкнутых камер тилакоидов обычно входят и

участки ламелл, которые в местах контакта их мембран с мембранами

тилакоидов тоже образуют плотные 2-нм слои. Ламеллы стромы, таким образом,

как бы связывают между собой отдельные граны хлоропласта. Однако полости

камер тилакоидов всезда замкнуты и не переходят в камеры межмембранного

пространства ламелл стромы. Ламеллы стромы и мембраны тилакоидов

образуются путем отделения от внутренней мембраны при начальных этапах

развития пластид.

В матриксе (строме) хлоропластов обнаруживаются молекулы ДНК,

рибосомы; там же происходит первичное отложение запасного полисахарида,

крахмала, в виде крахмальных зерен.

Функции хлоропластов

Хлоропласты – это структуры, в которых происходят фотосинтетические

процессы, приводящие в конечном итоге к связыванию углекислоты, к

выделению кислорода и синтезу сахаров.

Характерным для хлоропластов является наличие в них пигментов,

хлорофиллов, которые и придают окраску зеленым растениям. При помощи

хлорофилла зеленые растения поглощают энергию солнечного света и

превращают ее в химическую. Поглощение света с определенной длиной волны

334

приводит к изменению в структуре молекулы хлорофилла, она переходит при

этом в возбужденное, активированное состояние. Освобождающаяся энергия

активированного хлорофилла через ряд промежуточных этапов передается

определенным синтетическим процессам, приводящим к синтезу АТФ и к

восстановлению акцептора электронов НАДФ

(никотинамидадениндинуклеотид) до НАДФ-Н, которые тратятся на реакции

связывания СО

и синтез сахаров.

Суммарная реакция фотосинтеза может быть выражена следующим

образом:

nСО

+ nН

свет

=⇒ (СН

О) n + nО

(I)

хлорофилл

Таким образом, главный итоговый процесс здесь – связывание двуокиси

углерода с использование воды для образования различных углеводов и

выделение кислорода. Молекулы кислорода, который выделяется в процессе

фотосинтеза у растений, образуется за счет гидролиза молекулы воды.

Следовательно, процесс фотосинтеза включает в себя процесс гидролиза воды,

которая служит одним из источников электронов или атомов водорода.

Биохимические исследования показали, что процесс фотосинтеза представляет

собой сложную цепь событий, заключающую в себе две фазы: световую и

темновую. Первая, протекающая только на свету, связана с поглощением света

хлорофиллами и с проведением фотохимической реакции (реакция Хилла). Во

второй фазе, которая может идти в темноте, происходит фиксация и

восстановление СО

, приводящие к синтезу углеводов.

В результате световой фазы происходит фотофосфорилирование, синтез

АТФ из АДФ и фосфата с использованием цепи переноса электронов, а также

восстановление кофермента НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) в

НАДФ-Н, происходящего при гидролизе и ионизации воды. В этой фазе

фотосинтеза энергия солнечного света возбуждает электроны в молекулах

335

хлорофилла, которые расположены в мембранах тилакоидов. Эти возбужденные

электроны переносятся по компонентам окислительной цепи в тилакоидной

мембране, подобно тому как электроны транспортируются по дыхательной цепи

в мембране митохондрий. Энергия, освобождающаяся при таком переносе

электронов, используется для перекачивания протонов через тилакоидную

мембрану внутрь тилакоидов, что приводит к возрастанию разности

потенциалов между стромой и пространством внутри тилакоида. Также как и в

мембранах крист митохондрий в мембранах тилакоидов встроены молекулярные

комплексы АТФ-синтетазы, которые начинают затем транспортировать протоны

обратно в матрикс хлоропласта, или строму, и параллельно этому

фосфорилировать АДФ, т.е. синтезировать АТФ (рис. 228, 229).

Таким образом, в результате световой фазы происходит синтез АТФ и

восстановление НАДФ, которые затем используются при восстановлении СО

, в

синтезе углеводов уже в темновой фазе фотосинтеза.

В темновой (независящей от потока фотонов) стадии фотосинтеза за счет

восстановленного НАДФ и энергии АТФ происходит связывание атмосферного

СО

, что приводит к образованию углеводов. Этот процесс фиксации СО

образования углеводов состоит из многих этапов, в которых участвует большое

число ферментов (цикл Кальвина). Биохимическими исследованиями было

показано, что ферменты, участвующие в темновых реакциях, содержатся в

водорастворимой фракции хлоропластов, содержащей компоненты матрикса-

стромы этих пластид.

Процесс восстановления СО

начинается с его присоединения к

рибулозодифосфату, углеводу, состоящему из 5 атомов углерода с образованием

короткоживущего С

-соединения, которое сразу распадается на два С

соединения, на две молекулы глицерид-3-фосфата.

Именно на этом этапе при карбоксилировании рибулозодифосфата и

происходит связывание СО

. Дальнейшие реакции превращения глицерид-3-

фосфата приводят к синтезу различных гексоз и пентоз, к регенерации

336

рибулозодифосфата и к его новому вовлечению в цикл реакций связывания СО

В конечном счете в хлоропласте из шести молекул СО

образуется одна

молекула гексозы, для этого процесса требуется 12 молекул НАДФ-Н и 18

молекул АТФ, поступающих из световых реакций фотосинтеза. Образовавшийся

в результате темновой реакции фруктоза-6 –фосфат дает начало сахарам,

полисахаридам (крахмал) и галактолипидам. В строме хлоропластов кроме того

из части глицерид-3-фосфата образуются жирные кислоты, аминокислоты и

крахмал. Синтез сахарозы завершается в цитоплазме.

В строме хлоропластов происходит восстановление нитритов до аммиака,

за счет энергии электронов, активированных светом; в растениях этот аммиак

служит источником азота при синтезе аминокислот и нуклеотидов.

Онтогенез и функциональные перестройки пластид

Многих исследователей занимал вопрос о происхождении пластид и о

путях их образования.

Еще в конце позапрошлого столетия было найдено, что у нитчатой зеленой

водоросли спирогиры деление клеток при вегетативном размножении

сопровождается делением их хроматофора путем перетяжки. Подробно

исследована судьба хлоропласта у зеленой водоросли хламидомонады (рис.

230). Оказалось, что при бесполом, вегетативном размножении сразу вслед за

делением ядра наступает перешнуровка гигантского хроматофора на две части,

каждая из которых попадает в одну из дочерних клеток, где дорастает до

исходной величины. Такое же равное разделение хлоропласта происходит и при

формировании зооспор. При образовании зиготы после слияния гамет, каждая

из которых содержала хлоропласт, после объединения ядер хлоропласты сначала

соединяются тонкой перемычкой, а затем их содержимое сливается в одну

крупную пластиду.

У высших растений также встречается деление зрелых хлоропластов, но

очень редко. Увеличение числа хлоропластов и образование других форм

пластид (лейкопластов и хромопластов) следует рассматривать как путь

337

превращения структур-предшественников, пропластид. Весь же процесс

развития различных пластид можно представить в виде монотропного (идущего

в одном направлении) ряда смены форм:

Пропластида → лейкопласт → хлоропласт → хромопласт

↓

амилопласт↑

Многими исследованиями был установлен необратимый характер

онтогенетических переходов пластид. У высших растений возникновение и

развитие хлоропластов происходят через изменения пропластид (рис. 231).

Пропластиды представляют собой мелкие (0,4-1 мкм) двумембранные

пузырьки, не имеющие отличительных черт их внутреннего строения. Они

отличаются от вакуолей цитоплазмы более плотным содержимым и наличием

двух отграничивающих мембран, внешней и внутренней (наподобие

промитохондриям у дрожжевых клеток). Внутренняя мембрана может давать

небольшие складки или образовывать мелкие вакуоли. Пропластиды чаще всего

встречаются в делящихся тканях растений (клетки меристемы корня, листьев, в

точки роста стеблей и др.). По всей вероятности, увеличение их числа

происходит путем деления или почкования, отделения от тела пропластиды

мелких двумембранных пузырьков.

Судьба таких пропластид будет зависеть от условий развития растений.

При нормальном освещении пропластиды превращаются в хлоропласты.

Сначала они растут, при этом происходит образование продольно

расположенных мембранных складок от внутренней мембраны. Одни из них

простираются по всей длине пластиды и формируют ламеллы стромы; другие

образуют ламеллы тилакоидов, которые выстраиваются в виде стопки и

образуют граны зрелых хлоропластов.

Несколько иначе развитие пластид происходит в темноте. У

этиолированных проростков происходит в начале увеличение объема пластид,

338

этиопластов, но система внутренних мембран не строит ламеллярные

структуры, а образует массу мелких пузырьков, которые скапливаютсяя в

отдельные зоны и даже могут формировать сложные решетчатые структуры

(проламеллярные тела). В мембранах этиопластов содержится протохлорофилл,

предшественник хлорофилла желтого цвета. Под действие света из этиопластов

образуются хлоропласты, протохлорофилл превращается в хлорофилл,

происходит синтез новых мембран, фотосинтетических ферментов и

компонентов цепи переноса электронов.

При освещении клеток мембранные пузырьки и трубочки быстро

реорганизуются, из них развивается полная система ламелл и тилакоидов,

характерная для нормального хлоропласта.

Лейкопласты отличаются от хлоропластов отсутствием развитой

ламеллярной системы (рис. 226 б). Встречаются они в клетках запасающих

тканей. Из-за их неопределенной морфологии лейкопласты трудно отличить от

пропластид, а иногда и от митохондрий. Они, как и пропластиды, бедны

ламеллами, но тем не менее способны к образованию под влиянием света

нормальных тилакоидных структур и к приобретению зеленой окраски. В

темноте лейкопласты могут накапливать в проламеллярных телах различные

запасные вещества, а в строме лейкопластов откладываются зерна вторичного

крахмала. Если в хлоропластах происходит отложение так называемого

транзиторного крахмала, который присутствует здесь лишь во время

ассимиляции СО

, то в лейкопластах может происходить истинное запасание

крахмала. В некоторых тканях (эндосперм злаков, корневища и клубни)

накопление крахмала в лейкопластах приводит к образованию амилопластов,

сплошь заполненных гранулами запасного крахмала, расположенных в строме

пластиды (рис. 226в).

Другой формой пластид у высших растений является хромопласт,

окрашивающийся обычно в желтый свет в результате накопления в нем

каротиноидов (рис. 226г). Хромопласты образуются из хлоропластов и

339

значительно реже их лейкопластов (например, в корне моркови). Процесс

обесцвечивания и изменения хлоропластов легко наблюдать при развитии

лепестков или при созревании плодов. При этом в пластидах могут

накапливаться окрашенные в желтый цвет капельки (глобулы) или в них

появляются тела в форме кристаллов. Эти процессы сопряжены с постепенным

уменьшением числа мембран в пластиде, с исчезновением хлорофилла и

крахмала. Процесс образования окрашенных глобул объясняется тем, что при

разрушении ламелл хлоропластов выделяются липидные капли, в которых

хорошо растворяются различные пигменты (например, каротиноиды). Таким

образом, хромопласты представляют собой дегенерирующие формы пластид,

подвернутые липофанерозу – распаду липопротедных комплексов.

Фотосинтезирующие структуры низших эукариотических и

прокариотических клеток

Строение пластид у низших фотосинтезирующих растений (зеленые ,

бурые и красные водоросли) в общих чертах сходно с хлоропластами клеток

высших растений. Их мембранные системы также содержат

фоточувствительные пигменты. Хлоропласты зеленых и бурых водорослей

(иногда их называют хроматофорами) имеют также внешнюю и внутреннюю

мембраны; последняя образует плоские мешки, располагающиеся

параллельными слоями, граны у этих форм не встречаются (рис. 232). У

зеленых водорослей в состав хроматофора входят пиреноиды, представляющие

собой окруженные мелкими вакуолями зону, вокруг которой происходит

отложение крахмала (рис. 233).

Форма хлоропластов у зеленых водорослей очень разнообразна – это или

длинные спиральные ленты (Spirogira), сети (Oedogonium), или мелкие

округлые, похожие на хлоропласты высших растений (рис. 234).

Среди прокариотических организмов многие группы обладают

фотосинтетическими аппаратами и имеют в связи с этим особое строение. Для

фотосинтезирующих микроорганизмов (синезеленые водоросли и многие

340