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

Подождите немного. Документ загружается.

ультраструктурном уровне. Число цитохимических методов в электронной

микроскопии пока не велико, но это направление интенсивно разрабатывается.

В электронно-микроскопических исследованиях оказалось возможным

применить методы радиоавтографии. В этом случае используются

сверхтонкозернистые эмульсии (величина гранул около 0,02-0,06 мкм).

Недостатком этого метода является очень большое время экспозиции, в

некоторых случаях достигающие нескольких месяцев.

Все большее применение получают методы приготовления ультратонких

срезов без фиксации и заливки клеток в твердые пластмассы. Это методы

криоультрамикротомии, т.е. получение срезов с замороженных тканей,

моментально охлажденных до температуры жидкого азота (-196

С). При этом

происходит практически одномоментное торможение всех метаболических

процессов, а вода из жидкой фазы переходит в твердую, но не кристаллическую,

ее молекулярная структура беспорядочна (стекловидное состояние). Такие

твердые блоки при температуре жидкого азота можно резать на ультратонкие

срезы (нож при этом также охлажден). Полученные срезы используют для

выявления в них активности ферментов, для проведения на них

иммунохимических реакций, для ферментативного переваривания и т.п.

Для проведения иммунохимических исследований используют антитела,

связанные с частицами коллоидного золота, локализация которого на

препаратах и указывает на места расположения искомого антигена.

Изучение срезов, полученных на криоультратомах, показало, что общая

структура и композиция клеточных компонентов в данном случае мало

отличаются от того, что видно при использовании химической фиксации и

обычных приемов получения ультратонких срезов. Следовательно, те

структуры, которые имеют одинаковую композицию при разных методах

обработки материала, по-видимому, близки к своему прижизненному строению,

не являются артефактными.

В пользу этого говорят данные по исследованию клеток с помощью иных

приемов электронной микроскопии.

Для изучения структуры различных мембранных компонентов клетки

используется метод замораживания–скалывания. Он заключается в том, что

объект сначала быстро замораживают жидким азотом, а затем при той же

температуре переносят в специальную вакуумную установку. Там

замороженный объект механическим способом скалывается охлажденным

ножом. При этом обнажаются внутренние зоны замороженных клеток В вакууме

часть воды, перешедшей в стекловидную форму, возгоняется («травление»), а

поверхность скола последовательно покрывается тонким слоем испаренного

углерода, а затем металла. Таким образом с замороженного и сохраняющего

прижизненную структуру материала получают реплику с его скола (рис. 12).

Затем уже в условиях комнатной температуры ткань или клетки растворяют в

кислотах, но пленка-реплика при этом остается цела, ее изучают в электронном

микроскопе. Этот метод имеет два преимущества: изучают реплики со сколов

нативных образцов; исследуют рельеф поверхности мембран клетки, что

недостижимо другими методами. Оказалось, что и в этом случае общая

организация клетки и ее компонентов сходна с тем, что мы видим при

химической фиксации или при криотомии. Этот метод позволил увидеть, что как

на поверхности, так и в толщине клеточных мембран располагаются глобулы

интегральных белков, что мембраны не однородны по своей структуре.

Метод получения реплик с микрорельефа образца широко применяется при

изучении фибриллярных компонентов клетки. Так при изучении цитоскелета

клеток культуры ткани или форменных элементов крови клетки обрабатывают

детергентами для того, чтобы растворить все мембраны. Это приводит к тому,

что из клетки вымываются все компоненты, кроме фибриллярных белковых

компонентов цитоскелета и материалы ядра. Такие препараты затем

фиксируются, обезвоживаются и специальным образом сушатся. Вслед за этим

сухие препараты напыляются углеродом и контрастируются распылением

тяжелых металлов, после чего такая реплика снимается со стекла, на котором

росли клетки, и просматривается в трансмиссионном электронном микроскопе.

Другие специальные методы электронной микроскопии биологических

объектов

В последнее время начинают применять методы высоковольтной (вернее,

сверхвысоковольтной) микроскопии. Сконструированы приборы с ускоряющим

напряжением 1-3 млн. вольт. Это очень дорогие приборы, что сдерживает их

широкое применение. Преимущество этого класса электронных микроскопов не

в том, что на них можно получить более высокое разрешение (при более

короткой длине волны электронов), а в том, что при высокой энергии

электронов, которые меньше поглощаются объектом, можно просматривать

образцы большой толщины (1-10 мкм). Дополнительное использование

стереоскопической съемки позволяет получить информацию о трехмерной

организации внутриклеточных структур с высоким их разрешением (около 0,5

нм).

Метод сканирующей (растровой) электронной микроскопии позволяет

изучать трехмерную картину поверхности клетки. При сканирующей

электронной микроскопии тонкий пучок электронов (зонд) пробегает по

поверхности объекта и полученная информация передается на электронно-

лучевую трубку. Изображение может быть получено в отраженных или

вторичных электронах. При этом методе фиксированный и специальным

образом высушенный объект покрывается тонким слоем испаренного металла

(чаще всего золота), отражаясь от которого электроны попадают в приемное

устройство, передающее сигнал на электронно-лучевую трубку. Благодаря

огромной глубине фокуса сканирующего микроскопа, которая значительно

больше, чем у просвечивающего, получается почти трехмерное изображение

исследуемой поверхности. Разрешающая способность этого типа приборов

несколько ниже, чем у просвечивающих электронных микроскопов, но уже

сейчас выпускаются приборы с разрешением 3-5 нм (рис. 13).

С помощью растровой электронной микроскопии можно получить

информацию о химическом составе в тех или иных участках клеток. Так, метод

рентгеноспектрального микроанализа основан на идентификации и

количественной оценке содержания химических элементов по спектрам

характеристического рентгеновского излучения, возникающего при

взаимодействии первичных электронов с атомами объекта. Для получения такой

информации, конечно, объекты не следует покрывать слоем металла, как при

обычном методе сканирующей электронной микроскопии. Более того, объект

нужно подготовить так, чтобы не было потери или дополнительного внесения

элементов. Для этого используют быстро замороженные и высушенные в

вакууме объекты.

Фракционирование клеток

В цитологии широко применяют различные методы биохимии, как

аналитические, так и препаративные. В последнем случае можно получить в

виде отдельных фракций разнообразные компоненты и изучать их химический

состав, ультраструктуру и свойства. Так, в настоящее время в виде чистых

фракций получают практически любые клеточные органеллы и структуры: ядра,

ядрышки, хроматин, ядерные оболочки, плазматическую мембрану, вакуоли

эндоплазматического ретикулума, его рибосомы, рибосомы гиалоплазмы,

аппарат Гольджи, митохондрии, их мембраны, пластиды, пероксисомы,

микротрубочки и т.д., и т.п. В последнее время получены чистые фракции

центриолей и ядерных пор.

Получение клеточных фракций начинается с общего разрушения клетки, с ее

гомогенизации. Затем из гомогенатов уже можно выделять фракции. Одним из

основных способов выделения клеточных структур является дифференциальное

(разделительное) центрифугирование. Принцип его применения в том, что

время для осаждения частиц в гомогенате зависит от их размера и плотности:

чем больше частица или чем она тяжелее, тем быстрее она осядет на дно

пробирки. Чтобы ускорить этот процесс оседания, используют ускорения,

создаваемые центрифугой. При центрифугировании раньше всего и при

небольших (1-3 тыс. g)ускорениях осядут ядра и неразрушенные клетки, при 15-

30 тыс. g осядут крупные частицы, макросомы, состоящие из митохондрий,

мелких пластид, пероксисом, лизосом и др., при 50 тыс. g осядут микросомы,

фрагменты вакуолярной системы клетки. При повторном дробном

центрифугировании этих смешанных подфракций можно получить чистые

фракции. Так, при разделении макросомной подфракции получают отдельно

митохондрии, лизосомы, пероксисомы. При разделении микросом можно

получить фракцию мембран аппарата Гольджи, фрагментов плазматической

мембраны, вакуолей, гранулярного ретикулума. В случаях более тонкого

разделения фракций используют центрифугирование в градиенте плотности

сахарозы, что позволяет хорошо разделить компоненты, даже незначительно

отличающиеся друг от друга по удельной массе.

Полученные фракции, прежде чем их анализировать биохимическими

способами, необходимо проверить на чистоту с помощью электронного

микроскопа.

Получение отдельных клеточных компонентов дает возможность изучать их

биохимию и функциональные особенности. Так можно создать бесклеточную

систему для рибосом, которые будут синтезировать белок по заданной

экспериментатором информационной РНК, выделенные митохондрии в

подобранных условиях могут осуществлять синтез АТФ, на выделенном

хроматине при участии соответствующих ферментов может происходить синтез

РНК и т.д.

В последнее время применяются бесклеточные системы для воссоздания

клеточных надмолекулярных структур. Так, используя очищенные от гранул

желтки, экстракты цитоплазмы яиц земноводных или яиц морских ежей, можно

получить ядра с ядерной оболочкой из введенной в эту бесклеточную систему

чужеродной ДНК (например ДНК бактериофага). Такая ДНК связывается с

белками-гистонами, которые есть в избытке в таком экстракте, образуется

хроматин (дезоксирибонуклеопротеид), который покрывается двойной

мембранной оболочкой, несущей даже ядерные поры. Такие модельные системы

помогают изучать тонкие, интимные процессы, например транспорт

макромолекул из цитоплазмы в ядро и наоборот. В цитоплазматических

экстрактах яиц земноводных и иглокожих такие ядра могут периодически

делиться путем митоза. Эти модели внесли огромный вклад в расшифровку

природы регуляции клеточного цикла.

Большой вклад в биологию клетки вносят методы клеточной инженерии.

Было найдено, что различные живые клетки могут сливаться друг с другом, если

специальными способами обработать их плазматические мембраны. Так можно

слить эритроцит курицы и лимфоцит человека. При этом получается двуядерная

клетка, гетерокарион, в котором происходит активация ядра куриного

эритроцита (рис.14). Если гетерокарион образуется из близкородственных

клеток (например, мыши и хомячки), то при вступлении их в митоз хромосомы

могут объединиться в одну метафазную пластинку. После разделения такой

клетки получится истинно гибридная клетка. Другие приемы позволяют

конструировать клетки из разных по происхождению ядер и цитоплазмы (рис.

15). Так, разрушив актиновый компонент цитоскелета и подвергнув клетки

центрифугированию можно клетку разделить на две части: ядро с узким

ободком цитоплазмы – кариопласт и на оставшуюся часть цитоплазмы –

цитопласт. Затем используя разные кариопласты и цитопласты, можно создавать

разные комбинации реконструированных клеток.

Методы клеточной инженерии широко применяются не только в

экспериментальной биологии, но и в биотехнологических целях. Например, при

получении моноклональных антител используются клеточные гибриды между

лимфоцитами иммунизированных животных и интенсивно размножающимися

клетками миеломы. Полученные первичные дикарионы образуют истинные

гибридные клетки, которые интенсивно размножаются за счет генома

опухолевых миеломных клеток, и одновременно выделяют большое количество

антител, за счет работы генома иммунизированных лимфоцитов. Этот прием

позволяет получать большое число гибридомных клеток, вырабатывающих

большие количества необходимых антител.

Нет необходимости приводить описание всех методов и приемов,

используемых в цитологии для изучения строения, химии и функций клеток или

их компонентов. Этого краткого обзора достаточно для того, чтобы показать

богатство арсенала методов в цитологии, позволяющих давать точный анализ,

начиная от формы, общего вида и размера клетки, кончая молекулярной

композицией ее отдельных частей.

Часть II. Строение и химия клеточного ядра

Глава 3. Центральная догма молекулярной биологии

Клетка как таковая обладает огромным числом разнообразных функций, как

мы уже говорили, часть из них – общеклеточные, часть – специальные,

характерные для особых клеточных типов. Главными рабочими механизмами

выполнения этих функций являются белки или их комплексы с другими

биологическими макромолекулами, такими, как нуклеиновые кислоты, липиды

и полисахариды. Так, известно, что процессы транспорта в клетке

разнообразных веществ, начиная с ионов, кончая макромолекулами,

определяются работой специальных белков или липопротеиновых комплексов в

составе плазматической и иных клеточных мембран. Практически все процессы

синтеза, распада, перестройки разных белков, нуклеиновых кислот, липидов,

углеводов происходит в результате активности специфических для каждой

отдельной реакции белков-ферментов. Синтезы отдельных биологических

мономеров, нуклеотидов, аминокислот, жирных кислот, сахаров и др. также

осуществляются огромным числом специфических ферментов – белков.

Сокращение, приводящее к подвижности клеток или к перемещение веществ и

структур внутри клеток, осуществляется также специальными сократительными

белками. Многие реакции клеток в ответ на воздействие внешних факторов

(вирусов, гормонов, чужеродных белков и др.) начинается с взаимодействия

этих факторов со специальными клеточными белками-рецепторами.

Белки – это основные компоненты практически всех клеточных структур.

Множество химических реакций внутри клетки определяется множеством

ферментов, каждый из которых ведет одну или несколько отдельных реакций.

Структура каждого отдельно взятого белка строго специфична, что выражается

в специфичности их первичной структуры – в последовательности аминокислот

вдоль полипептидной, белковой цепи. Причем специфичность этой

аминокислотной последовательности безошибочно повторена во всех молекулах

данного клеточного белка.

Такая правильность в воспроизведении однозначной последовательности

аминокислот в белковой цепи детерминируется структурой ДНК того генного

участка, который в конечном счете отвечает за структуру и синтез данного

белка. Эти представления служат основным постулатом молекулярной

биологии, ее «догмой». Информация о будущей молекуле белка передается в

места его синтеза (в рибосомы) посредником – информационной РНК (иРНК),

нуклеотидный состав которой отражает состав и последовательность

нуклеотидов генного участка ДНК. В рибосоме строится полипептидная цепь,

последовательность аминокислот в которой определяется последовательностью

нуклеотидов в иРНК, последовательностью их триплетов. Тем самым

центральная догма молекулярной биологии подчеркивает однонаправленность

передачи информации: только от ДНК к белку, с помощью промежуточного

звена, иРНК (ДНК → иРНК → белок). Для некоторых РНК-содержащих вирусов

цепь передачи информации может идти по схеме РНК – иРНК – белок. Это не

меняет сути дела, так как детерминирующим, определяющим звеном здесь

является также нуклеиновая кислота. Обратные пути детерминации от белка к

нуклеиновой кислоте, к ДНК или РНК неизвестны.

Для того чтобы в дальнейшем перейти к изучению структур клетки,

связанных со всеми этапами синтеза белков, нам необходимо кратко

остановиться на основных процессах и компонентах, определяющих это

явление.

В настоящее время на основании современных представлений о биосинтезе

белков можно дать следующую общую принципиальную схему этого сложного

и многоступенчатого процесса (рис. 16).

Главная, «командная», роль в определении специфической структуры белков

принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте – ДНК. Молекула ДНК

представляет собой чрезвычайно длинную линейную структуру, состоящую из

двух взаимозакрученных полимерных цепей. Составными элементами –

мономерами – этих цепей являются четыре сорта дезоксирибонуклеотидов,

чередование или последовательность которых вдоль цепи уникальная и

специфична для каждой молекулы ДНК и каждого ее участка. Различные

достаточно длинные участки молекулы ДНК ответственны за синтез разных

белков. Тем самым одна молекула ДНК может определить синтез большого

числа функционально и химически различных белков клетки. За синтез каждого

одного типа белков ответствен лишь определенный участок молекулы ДНК.

Такой участок молекулы ДНК, связанный с синтезом одного какого-либо белка в

клетке, часто обозначают термином «цистрон». В настоящее время понятие

цистрон рассматривают как эквивалентное понятию ген. В уникальной

структуре гена – в определенном последовательном расположении его

нуклеотидов вдоль цепи – заключена вся информация о структуре одного

соответствующего белка.

Из общей схемы белкового синтеза видно (см. рис. 16), что начальным

пунктом, с которого начинается поток информации для биосинтеза белков в

клетке, является ДНК. Следовательно, именно ДНК содержит ту первичную

запись информации, которая должна сохраняться и воспроизводиться от клетки

к клетке, из поколения в поколение.

Кратко касаясь вопроса о месте хранения генетической информации, т.е. о

локализации ДНК в клетке, можно сказать следующее. Уже давно известно, что,

в отличие от всех прочих компонентов белоксинтезирующего аппарата, ДНК

имеет особую, весьма ограниченную локализацию: местом ее нахождения в

клетках высших (эукариотических) организмов будет клеточное ядро. У низших

(прокариотических)организмов, не имеющих оформленного клеточного ядра,

ДНК также отмешана от остальной части протоплазмы в виде одного или

нескольких компактных нуклеотидных образований. В полном соответствии с

этим ядро эукариот или нуклеоид прокариот издавна рассматривается как

вместилище генов, как уникальный клеточный органоид, контролирующий

реализацию наследственных признаков организмов и их передачу в поколениях.

Основной принцип, лежащий в основе макромолекулярной структуры ДНК, -

это так называемый принцип комплементарности (рис. 17). Как уже

упоминалось, молекула ДНК состоит из двух взаимозакрученных цепей. Эти

цепи связаны друг с другом посредством взаимодействия их противолежащих

нуклеотидов. При этом по структурным соображениям существование такой

двутяжной структуры оказывается возможным только в том случае, если

противолежащие нуклеотиды обеих цепей будут стерически комплементарны,

т.е. будут своей пространственной структурой дополнять друг друга. Такими

взаимодополняющими – комплементарными – парами нуклеотидов являются

пара А-Т (аденин-тимин) и пара Г-Ц (гуанин-цитозин).

Следовательно, согласно этому принципу комплементарности, если в одной

цепи молекулы ДНК мы имеем некую последовательность четырех сортов

нуклеотидов, то во второй цепи последовательность нуклеотидов будет

однозначно детерминирована, так что каждому А первой цепи будет

соответствовать Т во второй цепи, каждому Т первой цепи – А во второй цепи,

каждому Г первой цепи – Ц во второй цепи и каждому Ц первой цепи – Г во

второй цепи.

Видно, что указанный структурный принцип, лежащий в основе двутяжного

строения молекулы ДНК, позволяет легко понять точное воспроизведение

исходной структуры, т.е. точное воспроизведение информации, записанной в