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

С деятельностью человека связано существование особой оболочки Земли ╫ ноосферы. Ноосфера ╫ это особое состояние биосферы, когда разумная деятельность человека становится определяющим фактором ее развития. Понятие ноосферы как сферы разума было введено Э.Леруа и П.Тейяром де Шарденом в 1927 г. Учение о ноосфере было создано и развито В.И.Вернадским в 40-х годах XX в. Ноосферу В.И.Вернадский понимал как особую структурную форму, развивающуюся в результате взаимодействия человеческого общества и биосферы.

Ноосфера ╫ это высшее эволюционное состояние биосферы, направленно преобразуемое в интересах человечества. Для ноосферы характерна взаимосвязь законов природы с социально-экономическими законами общества. Переход биосферы в ноосферу будет происходить в процессе объединения всех людей, населяющих планету, для решения общих, глобальных экологических проблем.
10 ОСНОВЫ ЦИТОЛОГИИ

КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ И ЕЕ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Развитие представлений о клеточном строении организмов связано с достижениями физики и созданием оптических приборов. В 1665 г. английский физик Р. Гук использовал весьма несовершенный микроскоп для исследования тонких срезов пробки и обнаружил мелкие, отделенные друг от друга стенками, ячейки, которые он назвал клетками (cell ╫ англ. √клетка╗, √келья╗). Хотя Р.Гук исследовал мертвую ткань и на срезах видел не сами клетки, а только их мертвые стенки, его работа положила начало микроскопическому исследованию растений. Микроскопическое изучение животных клеток началось значительно позже, что определялось рядом технических трудностей, связанных с организацией животных тканей. Однако постепенно, на протяжении двух веков был собран большой описательный материал о клеточном строении животных и растительных организмов.

В начале XIX в. в связи с усовершенствованием микроскопа и разработкой методов фиксации и окраски тканей были сделаны важнейшие цитологические открытия. Стало очевидным, что животные организмы, так же как и растительные, состоят из клеток. Главным в организации клетки стали считать ее содержимое: протоплазму (Пуркинье, 1830) и ядро (Браун, 1831), а не клеточную стенку, как думали раньше. Но только в 1838 г. ботаник Шлейден и зоолог Шванн, обобщив морфологические наблюдения, накопленные за два века, поняли универсальное значение клеток и сформулировали "клеточную теорию". Фактически это была констатация общебиологических закономерностей, т.е. фундамент организации всего живого.

Спустя 20 лет немецкий анатом Р. Вирхов сделал другое важное обобщение: клетка может возникнуть только из предшествующей клетки. Когда было выяснено, что сперматозоид и яйцо ╫ тоже клетки, соединяющиеся друг с другом в процессе оплодотворения, стало понятно, что жизнь из поколения в поколение ╫ это непрерывная последовательность клеток.

Важнейшие вехи цитологических открытий приведены в табл.Х.1.

Основные положения клеточной теории, обобщившей важнейшие открытия XIX в., актуальны и в наше время, когда современ-

417
Таблица X.I

Некоторые важнейшие открытия в истории цитологии

Год

Открытие

Кеплер

1655

использовал микроскоп и описал небольшие ячейки в срезах пробки, названные им √клетками╗

1674

Левенгук

1781

описал клетки кожи угря

1825

Пуркинье

1831

описал ядра в клетках орхидей

1838╫

Шлейден и

1839

и сформулировали основные положения клеточной теории

1855

Вирхов

1879

с большой точностью описал поведение хромосом во время митоза животных клеток

1898

Гольджи

1930
создание электронного микроскопа

1946
получила широкое распространение электронная микроскопия

ная цитология, вобрав в себя достижения генетики, молекулярной и физико-химической биологии, превратилась в бурно развивающуюся клеточную биологию.

Основные положения клеточной теории следующие.

1. Клетка ╫ элементарная единица живого. Современная экспериментальная цитология полностью доказала этот постулат. Только клетка является наименьшей единицей живого и представляет собой открытую (обменивающуюся с внешней средой), саморегулирующуюся, самовоспроизводящуюся систему, важнейшим функционирующим звеном которой являются белки и нуклеиновые кислоты.

Современная биология располагает возможностью выделения любых компонентов клетки (вплоть до конкретных молекул). Многие из них при создании соответствующих условий могут самостоятельно функционировать. Так, в пробирке можно вызвать сокращение актино-миозинового комплекса, добавив АТФ. Можно искусственно синтезировать белки и нуклеиновые кислоты, но это всего лишь часть живого. Для работы комплексов, выделенных из клетки, нужны дополнительные субстраты, ферменты, энергия и т.д. Только клетки как саморегулирующиеся системы наделены всем необходимым для поддержания полноценной жизнедеятельности.

2. Все клетки имеют общий план строения. Это правило распространяется на прокариотические и эукариотические (одноклеточные и многоклеточные) организмы. Общий принцип организа-

418
ции клеток определяется необходимостью осуществлять ряд обязательных функций, направленных на поддержание жизнедеятельности самих клеток. Так, у всех клеток есть оболочка, отграничивающая клетку от окружающей среды, изолирующая ее содержимое и одновременно контролирующая поток веществ в клетку и из нее.

Каждая клетка осуществляет энергетический обмен, способна к воспроизводству, биосинтезу белка и т. д. Эти функции выполняют внутриклеточные структуры ╫ органоиды, имеющие общий план строения и работающие по единым механизмам.

Вместе с тем клетки характеризуются значительным разнообразием, связанным с функциональной специализацией. Это отчетливо прослеживается у многоклеточных организмов. Так, нервные, мышечные, эпителиальные клетки резко отличаются друг от друга преимущественным развитием разных органоидов. Приобретение клетками черт функциональной специализации, необходимой для выполнения конкретных функций (генерация и проведение электрических импульсов в нейронах, сокращение мышечных клеток, секреция железистых клеток), ╫ результат клеточной дифференцировки в процессе онтогенеза.

3. Клетка только от клетки. Размножение (увеличение числа) клеток про- и эукариот происходит только путем деления предшествующих клеток. Обязательным условием деления является процесс предварительного удвоения генетического материала (репликация ДНК). Все клетки организма родственны, так как развиваются одинаковым образом и из одного источника (в этом смысле все клетки гомологичны). Миллиарды разнообразных клеток живого организма произошли в результате бесчисленного числа делений одной клетки ╫ оплодотворенной яйцеклетки (зиготы), служащей началом жизни всякого организма.

4. Клетки и организм. Многоклеточные организмы представляют собой ассоциации специализированных клеток, объединенных в целостные системы, которые регулируются межклеточными, гуморальными и нервными механизмами. Кроме клеток в состав многоклеточных организмов входят неклеточные компоненты: межклеточное вещество соединительной ткани, плазма крови, твердый матрикс кости. К клеточным структурам относятся также гигантские многоядерные образования, например поперечнополосатые мышечные волокна. Однако современные исследования показали, что такие структуры являются результатом слияния отдельных клеток.

Таким образом, рост, развитие, обмен веществ, наследственность, эволюция, болезни, старение и смерть отражают многообразные аспекты деятельности различных клеток организма.

419
ПРОКАРИОТЫ И ЭУКАРИОТЫ

Особенности клеточного строения позволяют разделить живые организмы на прокариот и эукариот. Более древние прокариотические организмы (от греч. √про-╗ до, √крио╗-ядро) не имеют оформленного ядра. Генетический материал (ДНК) находится в цитоплазме и не окружен ядерной мембраной. Такое строение характерно для бактерий и синезеленых водорослей. Клетки-прокариоты, несмотря на сравнительную простоту строения, весьма разнообразны и обнаруживают все известные метаболические процессы (энергетический и белковый метаболизм, способность к самовоспроизведению и т. д.).

В клетках эукариот (от греч. √ей╗- настоящий , √krio╗- ядро) генетический материал заключен в ядро, окруженное двойной мембраной (ядерной оболочкой). К эукариотам, которые появились на Земле в конце докембрия и, видимо, произошли от прокариот, относятся большинство одноклеточных и все многоклеточные организмы (зеленые растения, грибы и животные).

Особенности организации про- и эукариот представлены в табл.Х.2.

Цитологические исследования проводят с помощью световой и электронной микроскопии. Диаметр типичной животной клетки составляет 10-20 мкм, что в пять раз меньше размеров мельчайшей видимой частицы. Именно поэтому в цитологии используются специальные единицы измерения. С помощью светового микроскопа можно различить детали, отстоящие друг от друга на расстоянии 0,2 мкм, что является пределом его разрешения. Предел разрешения электронного микроскопа для биологических тканей составляет 2 нм, т.е. в сто раз выше, чем у светового микроскопа. На рис.Х.1 приведены размеры некоторых клеток и клеточных компонентов. В микроскопии принято пользоваться следующими единицами длины:

1 мкм (микрометр) ╫ 10^-6 м;

1 нм (нанометр) ╫ 10^-9 м;

1 А (ангстрем) ╫ 10^-10 м.

Разрешающая способность человеческого глаза составляет 0,1 мм ╫ 100 мкм. Световой микроскоп увеличивает объект в 1000 раз. Разрешение электронного микроскопа составляет 0,1 нм, т.е. объект может быть увеличен в 500 000 раз (при этом 1 мм "увеличивается" в 10^6, т.е. "превращается" в 1 км). Световой микроскоп дает возможность увидеть клетку (размером от 7 до 100 мкм), ядро (7╫10 мкм), ядрышки (1╫3 мкм), митохондрии (2╫5 мкм), комплекс Гольджи (1╫2 мкм) и т.д. Технические возможности электронного микроскопа значительно выше светового и позволяют выявить множество дополнительных деталей в строении клеток:

420
Таблица Х.2

Особенности организации про- и эукариот
Характеристика

Прокариоты

Эукариоты

Размер клеток

0,5╫5 мкм

7╫50 мкм

ния

одноклеточные, колониальные и многоклеточные организмы

Генетичес

кий материал

кольцевая ДНК находится в цитоплазме и не отграничена специальной оболочкой, т.е. нет оформленного клеточного ядра

генетический материал отграничен от цитоплазмы специальной двухмембранной оболочкой, т.е. сформировано клеточное ядро; линейная молекула ДНК, связанная с белками, образует хромосомы, есть ядрышко

Синтез белка

рибосомы всегда свободны, не ассоциированы с мембранами, т.е. нет эндоплазматического ретикулума

рибосомы либо свободные, либо связаны с мембранами, т.е. присутствует эндоплазматический ретикулум

Органоиды

формируются впячивания внешней мембраны, на которой располагаются ферменты, осуществляющие процессы дыхания и фотосинтеза; органоиды практически отсутствуют

разнообразны, часто окружены двойной мембраной (митохондрии, пластиды), развита вакуолярная система (комплекс Гольджи, лизосомы, эндоплазматическая сеть и др.)

Клеточная стенка

присутствует, содержит белки, полисахариды, муреин

имеется только у клеток зеленых растений и грибов (у растений ╫ целлюлоза, у грибов ╫ хитин), у животных клеток отсутствует, существует элементарная мембрана, несущая слой гликокаликса

Жгутики

диаметр 200 нм; сформированы микротрубочками (9+2)

Дыхание

дыхательные ферменты в цитоплазматических мембранах

Фотосинтез

в цитоплазматических мембранах

в специальных органоидах растительных клеток ╫ хлоропластах

Рис.Х.1. Размеры клеток и клеточных компонентов, а также рабочие диапазоны светового и электронного микроскопов (логарифмическая шкала)

421
хорошо видны плазмалемма (7╫10 нм), рибосомы (15╫30 нм), микротрубочки (25 нм) и т.д.

СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КЛЕТКИ

ЦИТОПЛАЗМА

Каждая клетка состоит из цитоплазмы и ядра. Цитоплазма отделена от окружающей среды плазматической мембраной (плазмалеммой). Она содержит гиалоплазму, органоиды и включения.

Гиалоплазма (от греч. √прозрачный╗) ╫ основной матрикс (основное вещество) цитоплазмы (цитозоль), внутренняя среда клетки. В ее состав входят ферменты, участвующие в синтезе аминокислот, нуклеотидов, сахаров. Здесь происходит гликолиз и синтезируется часть АТФ, при участии свободных рибосом продуцируются белки, необходимые для собственных нужд клетки, откладываются гликоген, жир, некоторые пигменты. Гиалоплазма представляет собой коллоидную систему, способную переходить из золеобразного (жидкого) состояния в гелеобразное и обратно. Важнейшая роль гиалоплазмы ╫ объединение всех клеточных структур и обеспечение их химического взаимодействия.

Органоидами называют постоянно присутствующие в клетке структуры, выполняющие строго определенные функции (подробнее см. ниже). Различают мембранные органоиды, отграниченные от гиалоплазмы биомембранами ╫ ядро, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, митохондрии, и немембранные органоиды ╫ рибосомы, клеточный центр, цитоскелет (рис.Х.2).

Включения цитоплазмы ╫ непостоянные компоненты клетки, возникающие и исчезающие в зависимости от уровня клеточного метаболизма.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

Биологические мембраны формируют клеточную оболочку и отграничивают от гиалоплазмы содержимое мембранных органоидов. Благодаря существованию мембранных структур внутри клетки цитоплазма оказывается разделенной на множество функциональных отсеков, в каждом из которых осуществляются определенные звенья метаболизма.

Общий принцип организации биомембран универсален, но мембраны, отграничивающие разные органоиды, отличаются составом формирующих их липидов и белков. Все мембраны клетки представляют собой тонкие (6╫10 нм) пластины липопротеидной природы; они образованы липидами в комплексе с белками. На

422
Рис.Х.2. Ультрамикроскопическое строение клетки животных организмов (по Ченцову, 1999)

1 ╫ ядро; 2 ╫ плазмалемма; 3 ╫ микроворсинки; 4 ╫ агранулярная эндоплазматическая сеть; 5 ╫ гранулярная эндоплазматическая сеть; 6 ╫ аппарат Гольджи; 7 ╫ центриоль и микротрубочки клеточного центра; 8 ╫ митохондрии; 9 ╫ цитоплазматические пузырьки; 10 ╫ лизосомы; 11 ╫ микрофиламенты; 12 ╫ рибосомы; 13 ╫ выделение гранул секрета

долю белков приходится 60%, липиды составляют 40%. Кроме того, в состав мембран входят углеводы (5╫10%) (рис.Х.З).

Состав липидов в разных мембранах неодинаков. Например, плазматическая мембрана в отличие от мембран эндоплазматической сети и митохондрий обогащена холестерином.

Мембраны различаются и набором белковых молекул. Часть белков как бы пронизывает мембраны, их называют интегральными белками. Существуют также белки, частично встроенные в мембрану, ╫ полуинтегральные, и примембранные, не встроенные в билипидный слой, а прилегающие к нему либо со стороны гиалоплазмы, либо с внешней стороны. По функциональной роли белки мембран разделяются на белки-ферменты, белки-переносчики, рецепторные и структурные белки.

Углеводы мембран находятся не в свободном виде: они связаны с молекулами липидов или белков и называются соответственно гликолипидами и гликопротеидами. Количество их в мембранах обычно невелико.

Как бы ни было велико различие мембран по количеству и составу их липидов, белков и углеводов, они обладают рядом общих свойств, определяемых их основной структурой. Все мембраны являются барьерными структурами, резко ограничивающими свободную диффузию веществ между цитоплазмой и средой, с

423
Рис.Х.З. Схема строения клеточной мембраны

одной стороны, и между гиалоплазмой и содержимым мембранных органелл, с другой. Особенность каждой мембраны определяется спецификой белковых компонентов, основная часть которых представляет собой ферментные системы. Большую роль в функционировании мембран играют гликолипиды и гликопротеиды надмембранного слоя.

ПЛАЗМАЛЕММА

Это внешняя клеточная мембрана. Она отграничивает клетку снаружи и обеспечивает ее связь с внеклеточной средой, т.е. со всеми веществами и факторами, воздействующими на клетку. Основу плазмалеммы составляет липопротеиновый комплекс. Она имеет толщину около 10 нм и, таким образом, является самой толстой из клеточных мембран.

Снаружи к плазмалемме прилегает надмембранный слой толщиной около 3╫4 нм ╫ гликокаликс. Он обнаружен практически у всех животных клеток. Гликокаликс представляет собой ассоциированный с плазмалеммой гликопротеиновый комплекс, в состав которого входят различные углеводы. Углеводы в виде длинных ветвящихся цепочек полисахаридов связаны с белками и липидами плазмалеммы. Образуется своеобразный войлочный чехол, покрывающий плазматическую мембрану. В гликокаликсе могут находиться белки, не связанные непосредственно с билипидным слоем. Как правило, это белки-ферменты, участвующие во внеклеточном расщеплении углеводов, белков, жиров (например, при расщеплении их в тонком кишечнике).

Плазмалемма обеспечивает рецепцию и транспорт различных веществ внутрь клетки и из нее. Рецепторные функции осуществляют специальные структуры на поверхности клетки ╫ рецепторы. Именно они определяют возможность избирательных реакций клетки с различными агентами. Рецепторами могут быть глико-

424
протеиды и гликолипиды мембран. Существуют специфические рецепторы к биологически активным веществам ╫ гормонам, медиаторам, антигенам, факторам роста и т.д.

Через плазмалемму происходит пассивный перенос (по разности концентраций) воды, ряда ионов и части низкомолекулярных соединений. Другие вещества проникают через мембрану путем активного переноса с затратой энергии за счет расщепления АТФ. Так транспортируются многие органические молекулы (сахара, аминокислоты и др.). В этом процессе участвуют белки-переносчики. Крупные молекулы биополимеров практически не проходят сквозь плазмалемму. Макромолекулы, их агрегаты, а часто и крупные частицы проникают внутрь клетки в результате процесса эндоцитоза. Эндоцитоз бывает двух видов: фагоцитоз (захват и поглощение клеткой крупных частиц, например бактерий или фрагментов других клеток) и пиноцитоз (захват отдельных молекул и макромолекулярных соединений). Эндоцитоз начинается с сорбции на поверхности плазмалеммы поглощаемых веществ. Связывание их с плазмалеммой определяется наличием на ее поверхности рецепторных молекул. После сорбции веществ на поверхности плазмалеммы образуются впячивания внутрь цитоплазмы. Они отшнуровываются от плазмалеммы и в виде пузырьков располагаются под мембраной. В дальнейшем эндоцитозные пузырьки ╫ эндосомы ╫ могут сливаться с лизосомами, и ферменты лизосом ╫ гидролазы ╫ расщепляют биополимеры до мономеров, которые в результате активного транспорта через мембрану пузырька переходят в гиалоплазму. Таким образом, поглощенные молекулы подвергаются внутриклеточному пищеварению (рис.Х.4).

425
Плазмалемма принимает участие также в выведении веществ из клетки. Этот процесс называется экзоцитозом. Внутриклеточные продукты (белки, мукополисахариды, липопротеиды и др.), заключенные в вакуоли или пузырьки и отграниченные от гиалоплазмы мембраной, подходят к плазмалемме. В местах контактов плазмалемма и мембрана вакуолей сливаются, и содержимое вакуоли поступает в окружающую среду.

Плазмалемма животных клеток может образовывать выросты различной структуры. Так, на поверхности многих животных клеток встречаются микроворсинки ╫ пальцевидные выросты плазмалеммы, диаметром около 100 нм. Микроворсинки резко увеличивают поверхность клеточной мембраны и создают условия для более эффективного транспорта различных веществ внутрь клетки, поэтому всегда присутствуют на поверхности всасывающих (эпителий тонкого кишечника) или фильтрующих (эпителий канальцев почки) клеток. У ряда клеток в выростах находятся специальные компоненты цитоплазмы ╫ микротрубочки. С их участием образуются специализированные органоиды ╫ реснички и жгутики.

МЕМБРАННЫЕ ОРГАНОИДЫ КЛЕТКИ

Эндоплазматическая сеть (цитоплазматическая сеть, эндоплазматический ретикулум). Эндоплазматическая сеть была открыта Р.Портером в 1945 г. при электронномикроскопическом анализе. Она представляет собой совокупность вакуолей, плоских мембранных мешков или трубчатых образований, создающих мембранную сеть внутри цитоплазмы. Различают два типа эндоплазматической сети ╫ зернистую, или гранулярную, и незернистую, или агранулярную, гладкую.

Гранулярная эндоплазматическая сеть представлена замкнутыми мембранами, которые образуют мешки, цистерны, трубочки. Ширина полостей цистерн варьирует. Отличительной чертой этих мембран является наличие расположенных на них рибосом. Скопления гранулярной эндоплазматической сети характерны для клеток, активно синтезирующих секреторные белки. Так, например, в клетках печени, поджелудочной железы, нервных клетках гранулярная эндоплазматическая сеть в виде плотно упакованных друг около друга мембран занимает обширные зоны. Рибосомы, связанные с мембранами эндоплазматической сети, участвуют в синтезе белков, выводимых из клетки (√экспортируемые╗ белки) (рис.Х.5).

Белки, накапливающиеся в полостях эндоплазматической сети, транспортируются в вакуоли комплекса Гольджи, где они модифицируются и входят в состав либо лизосом, либо секреторных гранул, содержимое которых оказывается изолированным от гиалоплазмы мембраной. Внутри каналов гранулярной эндоплазматической сети происходит модификация белков, например свя-

426
Рис.Х.5. Строение гранулярной эндоплазматической сети (по Ченцову, 1999).

1 ╫ рибосомы; 2 ╫ мембраны; 3 ╫ внутренние полости цистерны; 4 ╫ отщепляющиеся мембранные пузырьки

зывание их с сахарами и конденсация синтезированных белков с образованием секреторных гранул. На рибосомах гранулярной эндоплазматической сети синтезируются белки всех клеточных мембран. Липиды, синтез которых идет в гиалоплазме, объединяются с белковыми комплексами, в результате чего наращиваются мембраны не только самой эндоплазматической сети, но и других компонентов вакуолярной системы.

Таким образом, гранулярная эндоплазматическая сеть обеспечивает не только синтез секретируемых и мембранных белков, но осуществляет их изоляцию от гиалоплазмы, модификацию и транспорт в другие участки клетки, вплоть до выведения из клетки.

Агранулярная (гладкая) эндоплазматическая сеть также представлена мембранами, образующими мелкие вакуоли, канальцы, которые могут ветвиться, сливаться друг с другом. Диаметр вакуолей и канальцев гладкой эндоплазматической сети обычно около 50╫100 нм. В отличие от гранулярной сети на мембранах глад-

427
кой сети нет рибосом. Гладкая эндоплазматическая сеть развивается на основе фанулярной. В отдельных участках фанулярной сети образуются новые липопротеидные мембранные участки, лишенные рибосом. Эти участки отщепляются от фанулярных мембран и функционируют как самостоятельная вакуолярная система.

Гладкая эндоплазматическая сеть участвует в синтезе липидов, метаболизме углеводов (способствует отложению гликогена в гиалоплазме клеток); она хорошо развита в клетках коркового вещества надпочечников, секретирующих стероидные гормоны; обеспечивает дезактивацию вредных для организма веществ за счет их окисления с помощью ряда специальных ферментов. Так, при некоторых отравлениях в клетках печени появляются обширные зоны, заполненные гладким эндоплазматическим ретикулумом.