Карпов С.А. Строение клетки протистов

Подождите немного. Документ загружается.

251

4.5. ЯДРО И МИТОТИЧЕСКИЙ АППАРАТ

дорослями (рис. 4.75), а хлоропласты криптофитов – в резуль-

тате симбиоза похожего на Goniomonas криптофита и красной

водоросли.

Эти примеры показывают, что и другие пластиды с 3 и 4 мем-

бранами могли появиться в результате симбиоза гетеротрофных

протистов и фотосинтезирующих водорослей (рис. 4.75). При

этом предполагается, что у водорослей без нуклеоморфа в хло-

ропласте редукционные процессы зашли дальше, чем у крип-

томонад и хлорарахниофитов и привели к полной утрате ядра и

редукции перипластидного пространства.

Полный цикл приобретения и дальнейшей утраты пластид,

по-видимому, имел место у криптофитовых. Среди них есть пер-

вично бесцветные формы (Goniomonas), фототрофные организ-

мы с хлоропластами (Cryptomonas) и вторично бесцветные фор-

мы (Chilomonas), которые содержат в перинуклеарном

пространстве лейкопласт, не способный к фотосинтезу.

4.5. Ядро и митотический аппарат

Клеточные ядра протистов имеют типичную для ядер эука-

риот структуру. Вместе с тем, они значительно различаются по

форме и количеству в клетке. Способы деления ядер протистов

гораздо многообразнее, чем у многоклеточных животных и рас-

тений. В пределах протистов происходило, вероятно, становле-

ние мейоза и полового процесса, что нашло отражение в суще-

ственных различиях этих процессов у разных групп.

4.5.1. Число и размеры ядер

Большинство протистов обладают одним клеточным ядром.

У большинства микроспоридий, а также у многих грибов и не-

которых мастигамеб клетка содержит два ядра (диплокарион,

или дикарион). Некоторые солнечники, крупные свободножи-

вущие амебы, миксомицеты – многоядерны. Размеры и форма

ядер варьируют в самых широких пределах, так же, как их мор-

фология и соотношение структурных компонентов ядра. Наи-

более мелкие ядра (у пироплазмид, лейшманий, микронукле-

252

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

усы некоторых инфузорий) имеют диаметр 1–3 мкм. Крупные

сферические ядра некоторых полицистин достигают в диамет-

ре 400 мкм и даже 1 мм. Форма ядер большинства простейших

приближается к сферической, но иногда может принимать са-

мые причудливые формы. Это относится преимущественно к бо-

гатым хроматином вегетативным ядрам инфузорий.

4.5.2. Структурные компоненты ядер

У протистов они те же, что и в других эукариотических клет-

ках (рис. 4.76). Ядерная оболочка состоит из двух мембран и име-

ет поры, число которых у разных видов варьирует в широких пре-

делах, но особенно велико у тех ядер, которые обладают высокой

функциональной активностью. Снаружи ядерная оболочка обыч-

но покрыта рибосомами, но к ней могут примыкать дополни-

тельные слои, располагающиеся как снаружи, так и под оболоч-

кой со стороны кариолимфы. В частности, у многих

свободноживущих амеб к внутренней стороне ядерной оболоч-

ки прилегает так называемый фиброзный, или сотовый, слой,

имеющий ячеистое строение и значительно превосходящий ядер-

ную оболочку по толщине. У Sticholonche этот слой достигает зна-

чительной толщины, образуя так называемую нуклеотеку. Фиб-

риллярный материал нуклеотеки откладывается, по-видимому,

с внутренней стороны ядра. Определенные сайты на наружной

мембране оболочки могут служить ЦОМТами аксонем у акти-

нофриидных солнечников, пединеллид и некоторых полицистин.

Наружная мембрана может усиливаться фибриллярным мате-

риалом у некоторых рафидофитовых, гипермастигин, форами-

нифер и голых амеб. Помимо фибриллярного материала к по-

верхности ядра может прилегать гранулярный слой, который

дополняется еще слоем мелких пузырьков, как у раковинной аме-

бы Hyalosphenia. Многие фораминиферы имеют ядра с прилега-

ющим снаружи слоем мелко вакуолизированной цитоплазмы,

образующей так называемый экзонуклеарный вакуом.

Некоторое представление о многообразии ядер дает рисунок

4.77, на котором изображены только неполиплоидные интер-

фазные ядра различных протистов, как они видны в световой

253

4.5. ЯДРО И МИТОТИЧЕСКИЙ АППАРАТ

микроскоп. В перинуклеарном пространстве у многих водорос-

лей располагаются хлоропласты или лейкопласты, а у некото-

рых видов протистов обнаружены также симбиотические бак-

терии.

Обязательным компонентом всех ядер протистов является

хроматин, представляющий ДНК в комплексе с основными бел-

ками. Ультраструктурный анализ показывает, что он состоит из

линейно расположенных глобулярных телец - нуклеосом

(включающих как ДНК, так и гистоны). Упаковка нити ДНК в

ядре показана на рисунке 4.78. Кроме хроматина хромосомной

природы, в ядре может находиться внехромосомный хроматин,

возникающий в результате повторного удвоения (амплифика-

ции) некоторых генов. Такой внехромосомный хроматин мо-

жет входить в состав ядрышек вместе с РНК.

Распределение хроматина в интерфазных ядрах у простей-

ших носит различный характер. Подчас происходит сильная

деспирализация и деконденсация хроматина. В других случа-

ях деконденсация охватывает часть хроматина. В некоторых ин-

терфазных ядрах хроматин, наоборот, очень сильно конденси-

рован и представляет собой сплошную массу, как в головках

спермиев многоклеточных животных.

Рис. 4.76. Схема

строения интерфазного

ядра эукариотной

клетки. (По: Заварзин и

др., 1992.)

1 – поверхностный

аппарат ядра, 2 –

наружная и 3 –

внутренняя мембраны,

разделенные

перинуклеарным

пространством, 4 –

плотная пластинка, 5 –

поровый комплекс, 6 –

рибосомы, 7 –

гетерохроматин, 8 –

эухроматин, 9 –

ядрышко, 10 –

околоядрышковый

гетерохроматин.

254

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

Ядрышки, которых может быть в ядре одно или несколько, а

иногда и очень много, в основном состоят из рибонуклеопро-

теинов – предшественников рибосом. Электронная микроско-

пия показывает, что ядрышки образованы из двух структурных

компонентов – гранулярного и фибриллярного. Фибриллы диа-

метром 5–10 нм обычно локализованы в центральных частях

Рис. 4.77. Многообразие интерфазных неполиплоидных ядер

протистов. (По: Raikov, 1982.)

1 – Trichomonas muris, 2500x; 2 – Amoeba sphaeronucleolus,

1500x; 3 – макрогамета Aggregata eberthi, 1000x; 4 – Amoeba

crystalligera, 1500x; 5 – Amoeba terricola, 1500x; 6 – Endamoeba

blattae, 1500х; 7 – Euglypha sp., 1000x; 8 – Actinosphaerium

eichorni, 1450x; 9 – Duboscquella aspida, 1200x; 10 – Euglena sp.,

1200x; 11 – Holomastigotoides psammotermitidis, 1500x; 12 –

микронуклеус Paramecium caudatum, 1500x; 13 – микронуклеус

P. aurelia, 1500x.

255

4.5. ЯДРО И МИТОТИЧЕСКИЙ АППАРАТ

ядрышка. Во многих ядрышках у протистов описаны включе-

ния хроматина, которые иногда, но не всегда, морфологически

Рис. 4.78. Модель упаковки хроматина в ядре эукариотной

клетки. (По разным авторам.)

А – двойная спираль ДНК, Б – нуклеосомная нить (ДНК

«намотана» на нуклеосомы (нс), состоящие из гистонов), В –

хроматиновая фибрилла – следующий уровень упаковки

нуклеосомной нити, Г – участок деспирализованного хроматина

(эухроматин), Д – участок спирализованного хроматина

(гетерохроматин), Е – метафазная хромосома.

256

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

связаны с определенными хромосомами. Это – ядрышковые ор-

ганизаторы, образующиеся в результате амплификации рибо-

сомальных генов.

В ядрах простейших в большем или меньшем количестве при-

сутствует ядерный сок (кариолимфа). В нем могут быть также

мельчайшие гранулы разной природы, часть которых являет-

ся, вероятно, субъединицами рибосом. Встречаются также па-

ракристаллические или фибриллярные белковые образования,

а также особые спиральные структуры (у крупных амеб), со-

держащие, по-видимому, РНК.

Наиболее существенные отклонения от описанной структу-

ры ядра отмечены только для динофитовых. Хроматин ядра ди-

нофитовых (динокариона) лишен гистонов или сильно ими

обеднен, поэтому у них отсутствует нуклеосомная организация

хроматина. ДНК динофитовых укладывается особым образом.

Кольцевые хроматиновые нити, из которых состоят хромосо-

мы, уложены в виде восьмерок (рис. 4.79), и на ультратонких

срезах выглядят совершенно иначе, чем хроматин остальных

эукариот. Сама хроматиновая нить состоит из спирально упа-

кованной молекулы ДНК, не связанной с белками.

Этот тип организации интерфазного ядра долгое время счи-

тали мезокарионом – промежуточным между прокариотичес-

ким и собственно эукариотическим, а отсутствие гистонов счи-

талось первичным признаком. В настоящее время общепринята

точка зрения, что у динофитовых произошла утрата гистонов в

процессе эволюции.

Рис. 4.79. Схема строения хромосомы динокариона. (По:

Райков, 1978.)

хн – хроматиновая нить, хс – контуры хромосомы.

257

4.5. ЯДРО И МИТОТИЧЕСКИЙ АППАРАТ

4.5.3. Гетероморфизм ядер

Подавляющее большинство многоядерных протистов содер-

жит в клетке одинаковые (гомоморфные) ядра. Лишь инфузо-

рии, миксоспоридии, некоторые фораминиферы, а также

акантарии обладают двумя сортами ядер к клетке и обычно на-

зываются гетероморфными. Ядра различаются морфологичес-

ки и функционально. У инфузорий эта их особенность на-

зывается ядерным дуализмом. Обычно клетка содержит

макронуклеус (Ма) и микронуклеус (Ми). Макронуклеус –

крупное ядро нередко весьма причудливой формы – является

соматическим ядром и определяет фенотип особи. В нем часто

наблюдается амплификация генов и ярко выражена экспрес-

сия генома. Микронуклеус – небольшое ядро с компактным хро-

матином – является генеративным ядром, хранящим нас-

ледственную информацию в диплоидном состоянии и почти

лишенным экспрессии генов. Ма некоторых высокоорганизо-

ванных инфузорий (гипотрихи) может содержать всего 5% ге-

нома Ми. Он состоит только из функционирующих генов, но

тиражированных миллионами копий. Это связано с большими

размерами клетки инфузорий, т.к. количество копий в Ма, как

и его размеры, обычно пропорционально размерам особи.

Дифференцировка ядер на генеративные и соматические ха-

рактерна для всех изученных миксоспоридий. Часто она про-

исходит после второго или третьего деления ядра амебоидного

зародыша и приводит в конечном итоге к образованию диффе-

ренцированных клеток многоклеточного организма.

Гетерокариоз фораминифер отмечен только на некоторых

стадиях их жизненного цикла (агамонты). Он менее изучен, чем

у инфузорий, и характерен только для эволюционно продвину-

тых видов.

У акантарий дифференцировка ядер на соматические и ге-

неративные происходит перед инцистированием. И те и другие

формируются из одного полиплоидного ядра, от которого сна-

чала отпочковываются соматические ядра, а оставшееся вторич-

ное ядро дает начало генеративным ядрам, количество которых

в результате многократных делений достигает сотен на клетку.

258

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

Гетерокариотическое состояние следует отличать от наличия

в клетках некоторых протистов разнокачественных геномов,

принадлежащих разным видам. Так, некоторые динофитовые

содержат в цитоплазме ядра симбиотических эукариот, кото-

рые отличаются по составу генома и организации хроматина.

Проблема взаимодействия различных геномов в клетке проти-

стов очень сложна и необычайно интересна. В некоторых груп-

пах протистов, например у криптофитовых, насчитывается до

4 различных геномов в одной клетке (ядерный, пластидный,

митохондриальный и геном нуклеоморфа). Их даже образно

называют клетками-химерами.

4.5.4. Митоз

Основной формой деления ядра простейших, как и всех эука-

риотических организмов, является митоз. Главная черта мито-

за – закономерное расхождение в дочерние ядра двух копий ка-

ждой реплицированной хромосомы (хроматиды) – хорошо

известна. Этот важнейший биологический процесс обеспечивает

преемственность и непрерывность наследственной информа-

ции. Хотя общая схема и сущность митоза едины для всех эука-

риот, в деталях этот процесс может протекать по-разному. По-

ведение и судьба участвующих в митозе компонентов – ядерной

оболочки, центриолей, ахроматинового аппарата клетки – варь-

ируют у протистов в широких пределах. Здесь как бы осущест-

влялись разные попытки реализации митоза, из которых лишь

немногие были заимствованы наземными растениями, настоя-

щими грибами и животными.

Классификация типов митоза у протистов предпринималась

неоднократно. По мере накопления знаний она становилась все

более дифференцированной. Особенное значение для углубле-

ния представлений о многообразии форм митоза имела элек-

тронная микроскопия, которая позволила раскрыть ряд ранее

неизвестных фактов.

В настоящей книге мы принимаем классификацию И.Б.Рай-

кова (Raikov, 1982, 1994), которая, в свою очередь, представ-

ляет собою дальнейшее усовершенствование классификации,

259

4.5. ЯДРО И МИТОТИЧЕСКИЙ АППАРАТ

предложенной ранее А.Холландом (Hollande, 1972). И.Б.Рай-

ков выделяет следующие 6 форм митоза, хорошо отличающих-

ся друг от друга на стадии метафазы (рис. 4.80):

Открытый митоз

1. Открытый ортомитоз (эумитоз)

Полузакрытый митоз

2. Полузакрытый ортомитоз

3. Полузакрытый плевромитоз (парамитоз)

Закрытый митоз с внутренним веретеном

4. Внутриядерный плевромитоз

5. Внутриядерный ортомитоз

Закрытый митоз с внеядерным веретеном

6. Внеядерный плевромитоз

При открытом митозе, в отличие от закрытого, разрушается

ядерная оболочка, а хромосомы оказываются свободно лежа-

щими в цитоплазме. Закрытым митозом именуют такие его фор-

мы, при которых ядерная оболочка сохраняется в течение всего

процесса. При ортомитозе в метафазе хромосомы становятся по

экватору веретена, образуя метафазную экваториальную пла-

стинку. При плевромитозе экваториальная пластинка, как пра-

вило, не образуется и ахроматиновое веретено представлено дву-

мя полуверетенами, расположенными под углом друг к другу

вне или внутри ядра, в результате чего вся фигура деления при-

обретает асимметричный (радиально несимметричный) харак-

тер. Различные сочетания указанных черт и образуют 6 катего-

рий митоза (рис. 4.80), которые определяются по митотическим

фигурам.

Строение центров организации микротрубочек (ЦОМТ) ми-

тотического веретена также весьма разнообразно. При откры-

тых и полузакрытых митозах ими чаще всего являются центри-

оли, каждая из которых представлена парой кинетосом. Иногда

кинетосомы присутствуют в клетке наряду с центриолями (у не-

которых зеленых водорослей). ЦОМТы могут быть представле-

ны фибриллярными корешками (ризопласты у хлорофитовых

и хризофитовых, или атрактофоры у гипермастигин) или об-

разованным тубулином аморфным материалом, из которого

формируются микротрубочки веретена деления ядра.

260

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

При закрытом типе митоза ЦОМТы представлены электрон-

но-плотными бляшками на наружной и внутренней мембране

ядра. Часто они имеют характерное трехслойное строение (как

у микроспоридий и дрожжей). В ядрах кинетопластид и ворот-

ничковых жгутиконосцев внутриядерные ЦОМТы не выраже-

ны морфологически. У этих протистов микротрубочки веретена

деления образуются в ядре и растут от кинетохоров по направ-

лению к ядерной мембране.

Открытый ортомитоз

Этот класический «метазойный» тип митоза характерен для

многих протистов. Он отмечен для грегарин, у которых ЦОМТы

могут быть представлены как центриолями, так и аморфным

Рис. 4.80. Обобщенная схема основных типов митозов у

протистов. (По: Raikov, 1994.)

Прямые линии внутри или вне ядра – микротрубочки веретена

деления. Центрами организации микротрубочек митотического

веретена при полузакрытом ортомитозе могут быть как

кинетосомы, так и иные структуры.