Биология пособие для поступающих в вузы под редакцией М. В. Гусева и Л. А. Каменского Издательство Московского университета 2002 Москва мир 2002

Комплекс Гольджи. В 1898 г. Гольджи, исследуя строение нервных клеток хромсеребяным методом, выявил в цитоплазме сеть окрашиваемых структур и назвал их "внутренним сетчатым аппаратом". Подобные структуры впоследствии были обнаружены в клетках всех эукариот и получили название аппарата, или комплекса, Гольджи (рис.Х.6).

Аппарат Гольджи представлен мембранными структурами, собранными вместе в небольших зонах, каждая из которых называется диктиосомой. Таких зон в клетках может быть несколько. В состав диктиосомы входит 5╫10 плоских, отграниченных мембраной полостей (цистерн), расположенных параллельно. Мембраны центральной части цистерн сближены, а на периферии имеют расширения ╫ ампулы, ширина которых непостоянна. В зоне комплекса Гольджи находится также множество мелких пузырьков (везикул), главным образом в его периферических участках. Принято различать в зоне диктиосомы проксимальный и дистальный участки. Обычно аппарат Гольджи поляризован: его проксималь-

428
ная часть обращена к ядру, а дистальная ╫ к поверхности клетки. В клетках отдельные диктиосомы могут быть связаны друг с другом системой везикул и цистерн, так что образуется рыхлая трехмерная сеть, выявляемая при световой и электронной микроскопии.

Аппарат Гольджи участвует в сегрегации и накоплении продуктов, синтезированных в цитоплазматической сети. В его цистернах синтезируются полисахариды; они соединяются с белками, что приводит к образованию сложных комплексов ╫ пептидогликанов. С помощью элементов аппарата Гольджи за пределы секреторной клетки выводятся готовые секреты. Кроме того, пластинчатый комплекс обеспечивает формирование клеточных лизосом. Мембраны комплекса образуются путем отщепления мелких вакуолей от гранулярного эндоплазматического ретикулума. Эти вакуоли поступают в проксимальный (приближенный к ядру) отдел аппарата Гольджи, где и сливаются с его мембранами. Внутри полостей аппарата Гольджи с помощью различных ферментов модифицируются лизосомные белки и белки секретов. Модифицирующиеся белки переходят от цистерн проксимальной части в цистерны дистальной части путем эстафетного переноса мелких вакуолей, содержащих транспортируемый белок. В дистальной части (удаленной от ядра) происходит сортировка белков благодаря специальным ферментам ╫ белковым регуляторам, "узнающим" секреторные белки или белки, входящие в состав лизосом (гидролазы). В результате от дистальных участков диктиосом отщепляются два типа мелких вакуолей: вакуоли, содержащие гидролазы, ╫ первичные лизосомы, и вакуоли, содержащие белки, предназначенные для выноса из клетки (секреторные белки).

Секреторная функция аппарата Гольджи заключается в том, что синтезированный на рибосомах экспортируемый белок, накапливающийся внутри цистерн эндоплазматической сети, транспортируется в вакуоли аппарата, затем конденсируется, образуя секреторные белковые гранулы (как это наблюдается, например, в клетках поджелудочной железы). От ампулярных расширений цистерн аппарата Гольджи отщепляются пузырьки (везикулы), содержащие эти белки. Везикулы сливаются друг с другом, увеличиваются в размерах, образуя секреторные гранулы. Гранулы начинают двигаться к поверхности клетки, соприкасаются с плазмалеммой. Их собственные мембраны сливаются с ней, и содержимое гранул оказывается за пределами (экзоцитоз). Таким образом, комплекс Гольджи играет роль своеобразного конвейера, который обеспечивает сортировку и окончательную упаковку различных продуктов. Благодаря этому с момента образования на эндоплазматической сети до выведения из клеток секреты отделены от гиалоплазмы мембраной.

Лизосомы. Лизосомы ╫ это разнообразные вакуоли (размером 0,2-0,4 мкм), ограниченные одиночной мембраной. Характерным

429
признаком лизосом является наличие в них гидролитических ферментов ╫ гидролаз (протеиназы, нуклеазы, глюкозидазы, фосфатазы, липазы), расщепляющих различные биополимеры при кислом рН. Лизосомы были описаны на электронномикроскопическом уровне в 1949 г. де Дювом.

Среди лизосом выделяют первичные лизосомы, вторичные лизосомы (фаголизосомы и аутофагосомы) и остаточные тельца.

Первичные лизосомы представляют собой мелкие мембранные пузырьки размером около 0,2╫0,5 мкм, заполненные бесструктурным веществом, содержащим гидролазы, в том числе активную кислую фосфатазу. Первичные лизосомы формируются в комплексе Гольджи.

Вторичные лизосомы формируются при слиянии первичных лизосом с фагоцитарными или пиноцитозными вакуолями. Они образуют фаголизосомы (пищеварительные вакуоли) или сливаются с дефектными органеллами самой клетки, подвергающимися уничтожению, формируя аутофагосомы (рис.Х.7). При этом ферменты
Рис.Х.7. Схема участия структур клетки в образовании лизосом и во внутриклеточном пищеварении (по Ченцову, 1999). 1 ╫ образование из гранулярной эндоплазматической сети мелких пузырьков, содержащих гидролитические ферменты; 2 ╫ перенос ферментов в аппарат Гольджи; 3 ╫ образование первичных лизосом; 4 ╫ выделение и 5 ╫ использование гидролаз при внеклеточном расщеплении; 6 ╫ эндоцитозные пузырьки; 7 ╫ слияние первичных лизосом и эндоцитозных пузырьков; 8 ╫ образование вторичных лизосом (фаголизосом); 9 ╫ телолизосомы; 10 ╫ экскреция остаточных телец; 11 ╫ слияние первичных лизосом с разрушающимися структурами клетки; 12 ╫ аутофагосома

430
первичной лизосомы получают доступ к субстратам, которые они расщепляют. Вещества, попавшие в состав вторичной лизосомы, расщепляются гидролазами до мономеров, которые транспортируются через мембрану лизосомы в гиалоплазму, где они включаются в различные обменные процессы. В аутофагосомах обнаруживаются фрагменты или даже целые цитоплазматические структуры, например митохондрии, элементы цитоплазматической сети, рибосомы, гранулы гликогена и др., что свидетельствует об их участии в удалении отслуживших органоидов. Значительно возрастает число аутофагосом при различных повреждениях клеток.

Таким образом, важнейшей функцией лизосом является их участие в процессах внутриклеточного расщепления различных веществ (процесс внутриклеточного √пищеварения╗). Однако лизосомы могут работать и внеклеточно, обеспечивая разрушение погибших или отслуживших клеток. Примером этому является работа нейтрофилов (гранулоцитов крови) в очагах воспаления, которые выбрасывают лизосомы из цитоплазмы. Этим обеспечивается лизис мертвых клеток, фрагменты которых впоследствии фагоцитируются макрофагами соединительной ткани и утилизируются лизосомами внутриклеточно.

Митохондрии. Основная функция митохондрий связана с окислением органических соединений и использованием освобождающейся при распаде этих соединений энергии для синтеза молекул АТФ, т.е. митохондрии являются органоидами клеточного дыхания.

Термин √митохондрия╗ был введен Бенда в 1897 г. для обозначения зернистых и нитчатых структур в цитоплазме разных клеток. Митохондрии можно увидеть под световым микроскопом. Количество митохондрий в клетке сильно варьирует ╫ от единичных элементов до сотен. В живых клетках митохондрии могут перемещаться, сливаться друг с другом, делиться. В среднем толщина их около 0,5 мкм, а длина ╫ от 1 до 10 мкм. Во многих случаях отдельные митохондрии имеют гигантские размеры и представляют собой разветвленную сеть ╫ митохондриальный ретикулум. Так, например, в скелетных мышцах митохондриальный ретикулум представлен множеством разветвленных и гигантских митохондриальных тяжей.

Обычно митохондрии находятся в тех участках цитоплазмы, где возникает повышенная потребность в АТФ. Так, в сердечной мышце митохондрии находятся вблизи миофибрилл, в сперматозоидах они образуют футляр вокруг оси жгутика.

Митохондрии ограничены двумя мембранами толщиной около 7 нм (рис.Х.8). Наружная митохондриальная мембрана отделяет их от гиалоплазмы. Обычно это замкнутый мембранный мешок с ровными контурами. Внешнюю мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство шириной около 10╫20 нм. Внутренняя митохондриальная мембрана ограничивает внутреннее содержи-

431
мое митохондрии, ее матрикс. Характерной чертой внутренних мембран митохондрий является их способность образовывать многочисленные впячивания внутрь митохондрий. Такие впячивания, имеющие вид плоских гребней, называются кристами. Матрикс митохондрий имеет тонкозернистое строение. В нем выявляются тонкие нити (толщиной около 2╫3 нм) и гранулы (размером около 15╫20 нм). Нити матрикса митохондрий представляют собой молекулы ДНК, а мелкие гранулы ╫ митохондриальные рибосомы.

Рис.Х.8. Схема строения митохондрии

Основной функцией митохондрий является синтез АТФ (см. ниже с. 471), происходящий в результате процессов окисления органических субстратов и фосфорилирования АДФ. Начальные этапы этих сложных процессов совершаются в гиалоплазме. Здесь происходит первичное окисление субстратов (например, Сахаров) до пировиноградной кислоты (пирувата) с одновременным синтезом небольшого количества АТФ. Эти процессы совершаются в отсутствие кислорода (анаэробное окисление, или гликолиз). Все последующие этапы выработки энергии ╫ аэробное окисление и синтез основной массы АТФ ╫ осуществляются с потреблением кислорода и локализуются внутри митохондрий. При этом происходит дальнейшее окисление пирувата и других субстратов энергетического обмена с выделением СО2 и переносом протонов на их акцепторы. Эти реакции осуществляются в матриксе митохондрий в цикле трикарбоновых кислот (см. с. 477).

В мембранах крист располагаются системы дальнейшего переноса электронов и сопряженного с ним окислительного фосфорилирования. При этом происходит перенос электронов от одного белка-акцептора электронов к другому, и наконец, связывание их с кислородом, вследствие чего образуется вода. Одновременно часть энергии, выделяемой при таком окислении в цепи переноса электронов, запасается в виде макроэргической связи при фосфорилировании АДФ, что приводит к образованию большого числа молекул АТФ ╫ основного внутриклеточного энергетического депо.

432
Именно на мембранах крист митохондрий происходит процесс окислительного фосфорилирования с помощью расположенных здесь белков цепи окисления и АТФ-синтетазы ╫ фермента фосфорилирования АДФ (см. ниже).

В матриксе митохондрий локализуется автономная система митохондриального белкового синтеза. Она представлена молекулами ДНК, свободными от гистонов (это сближает их с ДНК бактериальных клеток). На этих молекулах синтезируются молекулы РНК разных типов: информационные (иРНК), транспортные (тРНК) и рибосомные (рРНК) (см. ниже). В матриксе митохондрий локализованы рибосомы, отличные от рибосом цитоплазмы, которые участвуют в синтезе ряда митохондриальных белков, не кодируемых ядром (см. ниже). Малые размеры молекул митохондриальных ДНК не могут определить синтез всех белков митохондрий. Подавляющее большинство белков митохондрий находится под генетическим контролем клеточного ядра и синтезируются в цитоплазме. Митохондриальная ДНК кодирует лишь часть митохондриальных белков, которые локализованы в мембранах и ответственны за правильную интеграцию в митохондриальных мембранах отдельных функциональных белковых комплексов.

Размеры и число митохондрий в клетках может увеличиваться. Число митохондрий увеличивается путем деления перетяжкой или фрагментацией исходных крупных митохондрий на более мелкие, которые в свою очередь могут расти и снова делиться.

НЕМЕМБРАННЫЕ КЛЕТОЧНЫЕ ОРГАНОИДЫ

Рибосомы. Эти органоиды, обеспечивающие синтез белковых, полипептидных молекул (см. с. 488), обнаруживаются во всех клетках. В состав рибосом входят белки и молекулы рибосомальных РНК (рРНК) приблизительно в равных соотношениях. Размер рибосомы эукариотических клеток 25x20x20 нм. Рибосома состоит из большой и малой субъединиц. Каждая из субъединиц построена из рибонуклеопротеидного тяжа, где рРНК взаимодействует с разными белками и образует тело рибосомы.

Различают единичные рибосомы и комплексы рибосом ╫ полисомы. Рибосомы могут располагаться в гиалоплазме свободно или быть связанными с мембранами эндоплазматической сети. В малоспециализированных и быстрорастущих клетках в основном обнаруживаются свободные рибосомы. Синтетическая деятельность свободных рибосом направлена либо на собственные нужды клетки, либо на образование белков, остающихся в цитоплазме (например, синтез гемоглобина при созревании эритроцитов). Связанные рибосомы обеспечивают синтез белков √на экспорт╗, например синтез ферментов в клетках поджелудочной железы с последующим их выведением в протоки и далее ╫ в просвет двенадцатиперстной кишки.

433
Цитоскелет. Цитоскелет ╫ опорно-двигательная система клетки, включающая немембранные белковые нитчатые образования, выполняет каркасную и двигательную функции. Структуры, образующие цитоскелет, очень динамичны: быстро возникают в результате полимеризации их элементарных молекул и так же быстро разбираются, исчезают при деполимеризации. К этой системе относятся фибриллярные структуры и микротрубочки.

Фибриллярные структуры цитоплазмы. К фибриллярным компонентам цитоплазмы эукариотических клеток относятся микрофиламенты толщиной 5╫7 нм и промежуточные филаменты толщиной около 10 нм.

Микрофиламенты встречаются практически во всех типах клеток. Они располагаются в кортикальном слое цитоплазмы, непосредственно под плазмалеммой, пучками или слоями. Их можно видеть в псевдоподиях амеб или в движущихся отростках фибробластов, в микроворсинках кишечного эпителия. В состав микрофиламентов входят сократительные белки: главным образом актин и миозин. Следовательно, микрофиламенты являются внутриклеточным сократительным аппаратом, обеспечивающим подвижность клеток и большинство внутриклеточных движений (движение органоидов, участие в делении клетки).

Промежуточные филаменты ╫ тонкие (10 нм), неветвящиеся белковые структуры, имеющие вид нитей, часто располагающихся пучками. Характерно, что их белковый состав различен в разных тканях. В эпителии в состав промежуточных филаментов входит кератин, в клетках мезенхимных тканей (например, фибробластах) ╫ белок виментин, в мышечных клетках ╫ десмин; особый белок содержится в филаментах нервных клеток. Промежуточные микрофиламенты выполняют опорно-каркасную функцию.

В последнее время с помощью современных методов исследования стало возможным определить тканевое происхождение различных опухолей по белкам их промежуточных филаментов. Это крайне важно для цитодиагностики опухолей и правильного выбора химиотерапевтических противоопухолевых препаратов.

Микротрубочки. Микротрубочки принимают участие в создании ряда временных (цитоскелет интерфазных клеток, веретено деления) или постоянных (центриоли, реснички, жгутики) структур. Они представляют собой прямые, неветвящиеся, длинные полые цилиндры диаметром около 24 нм. Стенку микротрубочек образуют плотно уложенные округлые субъединицы. Под электронным микроскопом на поперечных сечениях микротрубочек видны 13 субъединиц, выстроенных в виде однослойного кольца. Микротрубочки, выделенные из разных источников (ресничек простейших, клеток нервной ткани, веретена деления), имеют сходный состав и содержат белки ╫ тубулины, которые способны к самосборке (полимеризации). Добавление алкалоида колхицина

434
предотвращает самосборку микротрубочек или приводит к разборке уже существующих. Микротрубочки присутствуют в гиалоплазме всех эукариотических клеток. В больших количествах они обнаруживаются в плазматических отростках нервных клеток. Одна из функций микротрубочек цитоплазмы заключается в создании внутриклеточного каркаса (цитоскелета), необходимого для поддержания формы клетки.

По цитоплазматическим микротрубочкам, как по рельсам, могут перемещаться различные мелкие вакуоли, например синаптические пузырьки, содержащие нейромедиаторы, в аксоне нервной клетки или митохондрии. Эти перемещения основываются на связи микротрубочек со специальными белками ╫ транслокаторами (динеины и кинезины), которые в свою очередь связываются с транспортируемыми структурами. Микротрубочки являются составной частью клеточного центра, ресничек и жгутиков.

Клеточный центр (центросома). Клеточный центр состоит из центриолей и связанных с ним микротрубочек ╫ центросферы. Термин √центриоли╗ был предложен Т. Бовери в 1895 г. для обозначения очень мелких телец, размер которых находится на границе разрешающей способности микроскопа. В некоторых объектах удавалось видеть, что центриоли, обычно расположенные в паре (так называемая диплосома), окружены зоной более светлой цитоплазмы, от которой отходят радиально тонкие фибриллы. Эти органеллы в делящихся клетках принимают участие в формировании веретена деления и располагаются на его полюсах (см. раздел XI). В неделящихся клетках центриоли часто определяют полярность клеток эпителия и располагаются вблизи комплекса Гольджи.

Тонкое строение центриолей удалось изучить только с помощью электронного микроскопа. Основой строения центриолей являются расположенные по окружности 9 триплетов микротрубочек, образующих полый цилиндр шириной около 0,2 мкм и длиной 0,3╫0,5 мкм. Системы микротрубочек центриоли можно описать формулой: (9xЗ)+0; "0" подчеркивает отсутствие микротрубочек в ее центральной части.

Обычно в интерфазных клетках (см. раздел XI) присутствуют две центриоли, образующие диплосому. Они сближены и располагаются под прямым углом друг к другу. Различают материнскую и дочернюю центриоли. При подготовке клеток к митотическому делению центриоли удваиваются. Этот процесс, как правило, осуществляется в разное время: одновременно с синтезом ядерной ДНК или после него. Он заключается в том, что две материнские центриоли расходятся и около каждой из них возникает заново по одной новой дочерней, так что в клетке перед делением обнаруживаются четыре центриоли (две диплосомы). Этот способ увеличения числа центриолей был назван дупликацией. Увеличение числа цен-

435
триолей происходит путем образования зачатка ╫ процентриоли ╫ вблизи и перпендикулярно к материнской центриоли.

Центриоли участвуют в индукции полимеризации тубулина при образовании микротрубочек в интерфазе. Перед митозом центриоль является одним из центров полимеризации микротрубочек веретена клеточного деления. Растительные клетки не содержат центриолей, но аналогичный центр организации микротрубочек существует и отвечает за полимеризацию тубулинов и формирование клеточного веретена деления.

Реснички и жгутики. Это специальные органеллы движения, встречающиеся в некоторых клетках различных организмов. При световой микроскопии эти структуры выглядят как тонкие выросты клетки. В основании ресничек и жгутика в цитоплазме видны мелкие гранулы ╫ базальные тельца. Длина ресничек ╫ 5╫10 мкм, а длина жгутиков может достигать 150 мкм.

Ресничка представляет собой тонкий цилиндрический вырост цитоплазмы с постоянным диаметром 300 нм (рис.Х.9). От основания до самой вершины он покрыт плазматической мембраной. Внутри выроста расположены микротрубочки. Основание реснички погружено в цитоплазму и называется базальным тельцем. По своей структуре тельце очень сходно с центриолью: оно также состоит из 9 триплетов микротрубочек. Часто в основании реснички лежит пара базальных телец, располагающихся под прямым углом друг к другу, подобно диплосоме.

Внутри реснички находятся 9 дуплетов микротрубочек, образующих стенку цилиндра и связанных друг с другом с помощью белковых выростов ╫ "ручек". Кроме периферических дуплетов микротрубочек в центре реснички располагается пара центральных микротрубочек. В целом систему микротрубочек реснички описывают как (9х2)+2 (в отличие от (9x3)+0 ╫ системы центриолей и базальных телец). Базальное тельце и ресничка структурно связаны друг с другом и составляют единое целое: две микротрубочки триплетов базального тельца являются микротрубочками дуплетов реснички.

Свободные клетки, имеющие реснички и жгутики, способны двигаться, а неподвижные клетки (например, эпителий дыхательных путей) дви-

Основной белок ресничек ╫ тубулин ╫ не способен к сокращению. Движение ресничек осуществляется за счет активности белка динеина, локализованного в √ручках╗ дуплетов микротрубочек. Незначительные смещения дуплетов микротрубочек друг относительно друга вызывают изгиб всей реснички, в результате чего возникает волнообразное движение. Дефекты ресничек могут приводить к различным патологиям дыхательных путей (наследственному бронхиту). Дефекты жгутиков сперматозоидов встречаются при различных формах наследственного мужского бесплодия.

ВКЛЮЧЕНИЯ

Различают включения трофические, секреторные и пигментные. К трофическим включениям относятся капли жиров, которые могут накапливаться в гиалоплазме и использоваться в случае недостатка субстратов для жизнедеятельности клетки. Другой вид включений резервного характера ╫ полисахарид гликоген, откладывающийся в гиалоплазме. Отложение запасных белковых гранул обычно связано с активностью эндоплазматической сети. Так, запасы белка вителлина в яйцеклетках амфибии накапливаются в вакуолях эндоплазматической сети.

Секреторные включения ╫ мембранные вакуоли различных размеров, содержат биологически активные вещества, образующиеся в процессе синтетической деятельности клеток, например пищеварительные ферменты в клетках поджелудочной железы.

Пигментные включения, локализованные в цитоплазме, могут обеспечивать окраску ткани или органа. Примером пигментных включений являются гранулы меланина в специализированных клетках низших позвоночных ╫ меланофорах.

ЯДРО

Каждая эукариотическая клетка содержит органоид, называемый ядром. Ядра, как правило, имеют шаровидную форму, но встречаются и многолопастные ядра. Существуют многоядерные клетки (поперечнополосатое мышечное волокно), а также клетки безъядерные (эритроциты и тромбоциты млекопитающих), но это явление достаточно редкое, и подобные структуры всегда возникают из нормальных одноядерных предшественников, которые в результате специализации приобретают уникальные черты строения, необходимые для выполнения конкретных функций.

437
клеткам получить одинаковый в качественном и количественном отношении генетический материал. Ядро обеспечивает синтез на молекулах ДНК различных информационных РНК (иРНК), всех видов транспортных (тРНК) ирибосомных РНК (рРНК) (см. ниже). В ядре также происходит образование субъединиц рибосом путем объединения синтезированных в ядрышке рРНК с рибосомными белками, которые синтезируются в цитоплазме и переносятся в ядро.

Ядро состоит из хроматина (хромосом), ядрышка, кариоплазмы (нуклеоплазмы) и ядерной оболочки, отделяющей ядро от цитоплазмы.

Хроматин. При наблюдении живых или фиксированных клеток под световым микроскопом внутри ядра выявляются зоны плотного вещества, которые хорошо прокрашиваются разными красителями, особенно основными. Этот компонент ядра получил название хроматин (от греч. chroma ╫ цвет, краска). В неделящихся (интерфазных) клетках хроматин более или менее равномерно заполняет объем ядра или же располагается отдельными глыбками.

В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белками. Хроматин интерфазных ядер представляет собой хромосомы, которые теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются (см. раздел XI). Степень деконденсации может быть различной. Зоны полной деконденсации хромосом и их участков морфологи называют эухроматином (ей ╫ хороший, греч.). В интерфазном ядре видны также участки конденсированного хроматина, иногда называемого гетерохроматином. Степень деконденсации хромосомного материала ╫ хроматина ╫ в интерфазе отражает функциональную нагрузку этой структуры. Чем "диффузнее" распределен хроматин в интерфазном ядре, тем интенсивнее осуществляются синтетические процессы.

Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, когда он представлен плотными тельцами ╫ хромосомами (см. раздел XI). Они отчетливо видны как плотные окрашивающиеся тельца. В этот период хромосомы не выполняют никаких синтетических функций, в них не происходит синтез ДНК и РНК.