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

На разных этапах развития организмов процессы пластического и энергетического обмена могут протекать с разной интенсивностью. Так, например, в растущем организме процессы пластического обмена преобладают над процессами энергетического обме-

496
на. Это обеспечивает рост организма и накопление им различных органических веществ. Ярким примером смены преобладания одного из процессов над другим является зимняя спячка млекопитающих (суслики, сурки, летучие мыши и т.д.). Весной и в начале лета при изобилии кормов эти животные размножаются, интенсивно растут и накапливают (запасают) значительные количества питательных веществ (в основном, в виде бурого жира), т.е. процесс ассимиляции значительно преобладает над диссимиляцией. Во время зимней спячки, когда корма для них недоступны, животные расходуют накопленные запасы жира для получения энергии, необходимой для поддержания температуры тела и постоянства внутренней среды, т.е. энергетический обмен значительно преобладает над пластическим. За время спячки масса тела может уменьшиться на 40╫50%. Преобладание диссимиляции над ассимиляцией наблюдается при интенсивной мышечной работе (поэтому при тяжелом физическом труде необходимо усиленное питание), а также при старении организмов, которое часто сопровождается уменьшением массы тела вплоть до истощения.

Таким образом, две стороны обмена веществ ╫ пластический и энергетический обмен ╫ неразрывно связаны друг с другом. Они протекают непрерывно и одновременно, хотя и с разной интенсивностью на разных стадиях клеточного цикла или развития организмов.

ВИРУСЫ

Вирусы были открыты в конце прошлого века русским ученым Д.И.Ивановским, который уже тогда отметил два основных свойства вирусов: они настолько малы, что способны проходить через фильтры, задерживающие бактерии, кроме того, их невозможно выращивать на искусственных питательных средах. Увидеть и изучить строение вирусов удалось только с помощью электронного микроскопа. Размеры вирусных частиц, или, как их еще называют, вирионов, варьируют от 20 до 2000нм. Вирионы представляют собой симметричные тела, состоящие из многочисленных молекул капсидных белков одного или нескольких типов. Большинство вирусных частиц построены по кубическому или спиральному типу симметрии. Так, например, вирус табачной мозаики (ВТМ) (рис.Х.35) состоит из идентичных молекул белка оболоч-

497
ки, спирально расположенных вдоль одноцепочечной молекулы РНК.

Внутри вириона находится генетический материал вируса. Он представлен только одним типом нуклеиновой кислоты ╫ либо ДНК, либо РНК. Нуклеиновая кислота может быть линейная или кольцевидная, одно- или двухцепочечная. Вирусный набор генов (геном), как правило, невелик: у самых малых вирусов он составляет всего лишь 3500 нуклеотидов. Но даже в таком небольшом геноме закодированы белки, присутствующие у всех вирусов: ферменты, необходимые для репликации вирусного генома, и белки оболочки (капсидные белки).

Вирусы вызывают самые разнообразные заболевания у представителей всех царств органического мира: бактерий, грибов, растений, животных и человека. К числу вирусных инфекций человека относятся грипп, корь, оспа, инфекционные гепатиты, а также СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита). Как уже отмечалось выше, вирусы вне клетки организма хозяина не способны к самостоятельному существованию, у них отсутствуют собственные обмен веществ и энергии. Попадая в клетку, вирус освобождается от белков оболочки и переключает обмен веществ клетки на синтез собственных белков и генетического материала.
Рис.Х.35. Схематическое изображение вируса табачной мозаики

Более подробно рассмотрим жизненный цикл вирусов на примере бактериофагов ╫ группы вирусов, приспособившихся к паразитированию в клетках бактерий. Бактериофаг (рис.Х.36) состоит из белковой головки икосаэдрической формы, внутри которой заключен генетический материал вируса. К ней присоединен полый цилиндрический отросток, окруженный чехлом из сократительных белков и заканчивающийся шестиугольной пластинкой с шестью длинными фибриллами (нитями). Такая сложная форма вириона предназначена для впрыскивания ДНК виру-

498
Рис.Х.36. Схематическое изображение бактериофага

са внутрь бактериальной клетки. В зараженной клетке происходит синтез ферментов фага на матрице вирусной нуклеиновой кислоты за счет трансляционного аппарата бактерии. ДНК фага реплицируется, вместе с тем синтезируются новые белки оболочки вируса. Новосинтезированные молекулы нуклеиновой кислоты и капсидных белков образуют новые вирионы, которые в определенный момент покидают клетку бактерии, вызывая ее гибель. Такой тип инфекции называют литическим. При вирусной инфекции другого типа, называемой латентной, ДНК вируса может встраиваться в геном клетки, воспроизводиться при ее делении и передаваться дочерним клеткам. При определенных условиях латентный вирус активизируется, размножается, и его потомки покидают клетки, т.е. инфекция в дальнейшем развивается по литическому типу. Один и тот же вирус может вызывать литическую или латентную инфекцию.

Таким образом, вирусы являются паразитами на внутриклеточном уровне, которые используют биохимический аппарат клетки для размножения и экспрессии собственного генетического материала. Иными словами, вирусы ╫ это автономные генетические элементы, которые не способны развиваться вне клетки. Поэтому существуют теории возникновения вирусов из неких клеточных форм, которые сильно дегенерировали в ходе приспособления к паразитизму.

499
Биологическое значение вирусов в первую очередь связано с их патогенным действием, т.е. с их способностью вызывать различные заболевания. Во-вторых, зачастую вирусная инфекция не проходит для клетки бесследно: в ее геноме могут происходить различные мутации, которые остаются в генетическом материале клетки. Помимо этого, некоторые ученые рассматривают вирусы как переносчиков генетической информации между различными видами живых существ.

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ КЛЕТОК

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

Увеличение числа клеток, их размножение происходит только путем деления исходной клетки. Делению клетки всегда предшествует синтез ДНК, редупликация (репликация, или самоудвоение: см. раздел X) хромосомного аппарата. Это правило является общим для прокариотических и эукариотических клеток. Время существования клетки как таковой, от деления до деления или от деления до смерти, называется клеточным циклом (рис.ХI.1), который включает собственно митоз и интерфазу ╫ период митотического покоя. Интерфаза ╫ более продолжительна, чем митоз: так, например, в клетках кишечного эпителия интерфаза длится 20 часов, между тем как митоз ╫ 1 час.

Интерфаза состоит из 3 отрезков времени, называемых пресинтетическим (G1) (от англ. gap ╫ интервал), синтетическим (S) и постсинтетическим (G2) периодами интерфазы. В G1-nepuoдe, наступающем сразу после деления, клетки имеют диплоидное содержание ДНК на одно ядро. В дочерних клетках общее содержание белков и РНК вдвое меньше, чем в исходной родительской клетке. В этот период начинается рост клеток за счет накопления клеточных белков и увеличения количества РНК на клетку. В этот же период начинается подготовка клетки к синтезу ДНК (S-периоду). Если синтез белка или РНК в G1-периоде подавляется, становится невозможным наступление S-периода, так как именно в этот период синтезируются ферменты, необходимые для образования предшественников ДНК, ферментов метаболизма РНК и белка. Одновременно увеличивается синтез белка. При этом резко повышается активность ферментов, участвующих в энергетическом обмене.

В следующем, S-периоде происходит удвоение количества ДНК и соответственно каждая хромосома становится двухроматидной. S-период является узловым в клеточном цикле: если ДНК не синтезируется, клетки не вступают в митотическое деление. Единственным исключением является второе деление созревания по-

501
Рис.Х1.1. Схема клеточного цикла (объяснения в тексте)

ловых клеток в мейозе, когда между двумя мейотическими делениями нет синтеза ДНК (см. ниже).

Постсинтетическая (G2-фаза называется иначе премитотической. В этот период синтезируются белки, особое место занимают тубулины ╫ белки митотического веретена. В это время происходит накопление молекул АТФ. В конце G2-периода и в начале митоза по мере конденсации митотических хромосом синтез РНК резко падает, а во время митоза полностью прекращается. Синтез белка также значительно понижается.

В тканях растений и животных всегда есть клетки, которые находятся вне митотического цикла. Их принято называть клетками G0 - периода. Эти клетки после митоза не вступают в пресинтетический период и перестают размножаться. В некоторых тканях такие клетки сохраняют способность к делению. Например, большинство клеток печени находится в G0-периоде: они не синтезируют ДНК и не делятся. Однако при удалении части печени у экспериментальных животных многие клетки начинают подготовку к митозу (G1-период), переходят к синтезу ДНК и могут митотически делиться. Многие клетки полностью теряют способность "возвращаться" в митотический цикл. Так, например, нейроны головного мозга и клетки сердечной мышцы на протяжении всей жизни находятся в G0-периоде и к делению не способны. Другие клетки, например клетки эпидермиса кожи, большинство форменных элементов крови, выйдя из клеточного цикла, быстро созревают, функционируют и погибают; их постепенно замещают новые элементы, возникающие за счет активного размножения малодифференцированных клеток, локализованных в базальном слое эпителия или кроветворной ткани.

МИТОЗ

Митоз, кариокинез, или непрямое деление, ╫ универсальный способ деления любых эукариотических клеток. При этом конденсированные и уже редуплицированные хромосомы (состоящие из

двух хроматид) переходят в компактную форму митотических хромосом, образуется веретено деления (ахроматиновый митотический аппарат), обеспечивающее расхождение хроматид к противоположным полюсам клетки и деление клетки (цитокинез, цитотомия) (рис.XI.2).

Морфология митотических хромосом. Как интерфазные, так и митотические хромосомы состоят из элементарных хромосомных фибрилл ╫ молекул ДНП. В последнее время принято считать, что на каждую хромосому приходятся две гигантские фибриллы ДНП, сложно уложенные в относительно короткое тельце ╫ собственно митотическую хромосому. Фибриллы хроматина в митотической хромосоме при дальнейшей конденсации образуют видимую под микроскопом митотическую хромосому.

Морфологию митотических хромосом лучше всего изучать в момент их наибольшей конденсации ╫ в метафазе и начале анафазы. Хромосомы в этом состоянии представляют собой палочковидные структуры разной длины с постоянной толщиной. У большинства хромосом удается легко найти зону первичной перетяжки (центромеру), которая делит хромосому на два плеча, называемые теломерами. В области первичной перетяжки осуществляется связь дочерних хроматид, что отчетливо видно на метафазных хромосомах. Кроме этого, в области первичной перетяжки располо-

503
жен кинетохор ╫ сложная белковая структура в виде овальной пластинки, связанная с ДНК центромерного района хромосомы. К этой зоне во время митоза подходят микротрубочки клеточного веретена, обеспечивающие перемещение хроматид при делении клетки.

Хромосомы с равными или почти равными плечами называются метацентрическими, с плечами неодинаковой длины ╫ субметацентрическимц. Хромосомы с коротким, почти незаметным вторым плечом называются акроцентрическими. Некоторые хромосомы имеют, кроме того, вторичные перетяжки, располагающиеся вблизи одного из концов хромосомы и отделяющие маленький участок ╫ спутник хромосомы. Вторичные перетяжки называются также ядрышковыми организаторами, так как именно на них в интерфазе образуется ядрышко. В этих местах локализована ДНК, ответственная за синтез рибосомных РНК.

Совокупность числа, размеров и особенностей строения хромосом называется кариотипом данного вида.

При специальных методах окраски красители воспринимаются хромосомами неравномерно: вдоль их длины окрашенные и неокрашенные участки чередуются (дифференциальная неоднородность хромосомы). Каждая хромосома имеет свой, уникальный рисунок такой дифференциальной окраски, что позволяет более детально охарактеризовать кариотип каждого индивида.

Динамика митоза. Процесс деления клеток включает 4 основные фазы: профазу, метафазу, анафазу, телофазу.

Профаза. После окончания S-периода количество ДНК в интерфазном ядре удвоено. Собственно хромосомы как нитевидные плотные тела начинают обнаруживаться микроскопически в начале процесса деления клетки, а именно в середине профазы, что определяется постепенной конденсацией хроматина. В профазе число хромосом соответствует диплоидному набору, но каждая хромосома двойная (состоит из двух сестринских хроматид). Это является результатом их редупликации в интерфазе, однако под микроскопом их регистрировать не удается, так как в профазе сестринские хроматиды тесно соприкасаются друг с другом, взаимно спирализуясь одна относительно другой. Позднее хроматиды в каждой такой паре начинают обособляться, раскручиваться, и сдвоенность хромосом становится хорошо заметной.

Параллельно конденсации хромосом в профазе исчезают ядрышки в результате инактивации рибосомных генов в зоне ядрышковых организаторов. Одновременно с этим в середине профазы начинается разрушение ядерной оболочки: исчезают ядерные поры, оболочка распадается сначала на фрагменты, а затем на мелкие мембранные пузырьки. Меняются также структуры, связанные с синтезом белка. Уменьшается количество гранулярного эндоплазматического ретикулума: он распадается на корот-

504
кие цистерны и вакуоли, количество рибосом на его мембранах резко падает. Число полисом значительно редуцируется как на мембранах, так и в гиалоплазме, что является признаком общего падения уровня синтеза белка в делящихся клетках.

Во время профазы образуется веретено деления. Уже удвоившиеся в S-периоде центриоли начинают расходиться к противоположным полюсам клетки. К каждому полюсу отходит по паре центриолей (диплосома). По мере расхождения диплосом начинают формироваться микротрубочки, отходящие от периферических участков материнской центриоли каждой диплосомы.

Сформированный аппарат деления в животных клетках имеет веретеновидную форму и состоит из микротрубочек, которые возникают в результате полимеризации тубулинов в зоне центриолей. Микротрубочки достигают кинетохоров, расположенных в области центромерных перетяжек хромосом, и связываются с ними. В веретене деления различают два типа микротрубочек: идущие от полюса к центру веретена и хромосомные, соединяющие хромосомы с одним из полюсов.

Метафаза занимает около трети времени всего митоза. В начале метафазы заканчивается образование веретена деления, а хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости веретена, образуя так называемую метафазную пластинку хромосом. К концу метафазы завершается процесс обособления друг от друга сестринских хроматид. Их плечи лежат параллельно друг другу, между ними хорошо видна разделяющая щель. Последним местом, где контакт между хроматидами сохраняется, является центромера.

Анафаза. Хроматиды одновременно теряют связь друг с другом в области центромер и синхронно начинают удаляться друг от друга по направлению к противоположным полюсам клетки. Скорость движения хроматид равномерная, она может достигать 0,2╫ 0,5 мкм/мин. Анафаза ╫ самая короткая стадия митоза. За это время обособляются два идентичных набора хроматид и перемещаются к противоположным концам клетки. Расхождение хроматид связано, с одной стороны, с укорачиванием (деполимеризацией) микротрубочек в районе кинетохоров хромосом, а с другой ╫ с работой белков-транслокаторов, перемещающих хромосомы. Расхождение хроматид по направлению к полюсам идет одновременно с расхождением самих полюсов. Этот процесс обеспечивается за счет скольжения относительно друг друга межполюсных микротрубочек при участии белков-транслокаторов.

Телофаза начинается с остановки разошедшихся хроматид (ранняя телофаза) и продолжается вплоть до начала реконструкции нового интерфазного ядра (поздняя телофаза) и разделения исходной клетки на две дочерние (цитокинез, цитотомия). В ранней телофазе хроматиды, не меняя своей ориентации (центромерные участки направлены к полюсу, теломерные ╫ к центру веретена),

505
начинают деконденсироваться и увеличиваться в объеме. В местах их контактов с мембранными пузырьками цитоплазмы образуется новая ядерная оболочка. После замыкания ядерной оболочки начинается формирование новых ядрышек. Клетка переходит в G1-период (начало интерфазы).

Центральное событие телофазы ╫ разделение клеточного тела, происходящее в клетках животных путем образования перетяжки в результате впячивания плазматической мембраны внутрь клетки. При этом в подмембранном слое цитоплазмы располагаются сократимые элементы типа актиновых фибрилл, ориентированные циркулярно в зоне экватора клетки. Сокращение такого кольца приводит к впячиванию плазматической мембраны в области кольца, что завершается разделением клетки перетяжкой на две.

При повреждении митотического аппарата (например, действие холода или агентов, вызывающих деполимеризацию тубулинов) возможны задержка митоза в метафазе или неравномерное нерасхождение хроматид. Оба нарушения приводят к клеточной патологии.

Митоз растительной клетки. Митотическое деление клеток высших растений имеет ряд характерных особенностей. Прежде всего, клетки меристем высших растений не имеют центриолей, однако микротрубочки веретена деления формируются в области клеточных полюсов, где расположен центр образования микротрубочек. Особенности его функционирования пока исследованы недостаточно.

Процесс деления цитоплазмы растительных клеток (цитокинез) резко отличается от цитокинеза животных клеток. В нем участвуют специальные телофазные пучки микротрубочек, с которыми связаны многочисленные мелкие вакуоли, содержащие пектиновые вещества. Источником их образования служит комплекс Гольджи. С помощью микротрубочек вакуоли перемещаются к экваториальной зоне клетки, сливаются и образуют плоскую вакуоль ╫ фрагмопласт, который разрастается от центра цитоплазмы к периферии. Это приводит к образованию первичной клеточной стенки, разделяющей клетку пополам. В этом процессе принимают участие не только микротрубочки, но и актиновые микрофиламенты.

Таким образом, если у животных клеток цитокинез осуществляется благодаря формированию перетяжки, которая, углубляясь в цитоплазму, делит клетку пополам, растительным клеткам свойственно формирование специальной клеточной пластинки ╫ фрагмопласта.

Полиплоидия ╫ образование клеток с повышенным содержанием ДНК. Полиплоидные клетки появляются в результате незавершенности отдельных этапов митоза. Это может наблюдаться, на-

506
пример, при блокаде деления цитоплазмы в соматических клетках. В печени взрослых млекопитающих встречаются, кроме диплоидных, тетра- и октаплоидные (4n и 8n) клетки, а также двуядерные клетки разной степени плоидности. Процесс полиплоидизации происходит следующим образом. После S-периода клетки с удвоенным количеством ДНК вступают в митотическое деление, проходят все его стадии, включая телофазу, но не приступают к цитотомии. Таким образом, образуется двуядерная клетка (2х2n). Если она снова проходит S-период, а затем ╫ нормальное деление, образуются две тетраплоидные клетки. Процесс попеременного появления двуядерных и одноядерных клеток приводит к появлению ядер с количеством ДНК 8n, 16n и даже 32п. Подобным образом образуются полиплоидные клетки в печени, мегакариоциты красного костного мозга. Полиплоидизация соматических клеток приходится на терминальные периоды развития клеток, тканей и органов. Она большей частью характерна для специализированных клеток.

Особый способ полиплоидизации ╫ эндоредутикация. При этом в клетке совершается несколько циклов редупликации ДНК без последующего митоза, в результате количество ДНК в ядре прогрессивно увеличивается. В некоторых случаях интерфазные реплицированные хроматиды остаются связанными друг с другом, так что внутри интефазного ядра видны так называемые политенные (многонитчатые) хромосомы. Ядра с политенными хромосомами характерны для клеток слюнных желез личинок многих насекомых.

МЕЙОЗ

Постоянство генома в последовательных поколениях обеспечивается специальной формой клеточного деления ╫ мейозом (рис.ХI.3). Этот процесс происходит при образовании половых клеток у животных организмов и спор у растений (см. ниже). Клетки, входящие в мейоз, имеют диплоидное число хромосом. В составе диплоидных ядер находятся два родительских набора хромосом, т.е. они содержат пары гомологов.

507
Рис. XI.4. Мейоз

генезе) следуют друг за другом достаточно быстро, в других (оогенез) ╫ они могут быть разделены многими годами.

В каждом мейотическом делении различают те же стадии, что и в митозе: профазу, метафазу, анафазу, телофазу. Однако эти стадии, особенно профаза первого мейотического деления, отличаются от стадий митоза.

Кроме редукции числа хромосом при мейозе, происходит ряд других процессов, отличающих его от митоза (рис.ХI.4).

╒ Конъюгация гомологичных хромосом в профазе первого мейотического деления, создающая условия для обмена участками между гомологичными хромосомами (кроссинговер).

╒ Во время процесса первого мейотического деления происходит транскрипция и частичная репликация ДНК, обеспечивающая эффективность кроссинговера.

╒ Отсутствие репликации (S-фазы) между двумя последовательными мейотическими делениями.

Мейоз отличается от митоза по продолжительности. Наиболее продолжительна профаза первого мейотического деления. Так, у человека при овогенезе ооцит первого порядка вступает в мейоз

508
Рис.Х1.4. Судьба гомологичных хромосом в митозе и мейозе

на 7-м месяце внутриутробного развития, а завершает свой цикл либо к наступлению половозрелости (примерно к 15 годам), либо к менопаузе (примерно в возрасте 50 лет). При сперматогенезе предшественники половых клеток размножаются равномерно всю жизнь (от периода полового созревания до наступления старости). Мейоз достаточно короток и весь цикл занимает примерно 20 дней.

Перед первым мейотическим делением происходит процесс репликации ДНК: содержание ДНК в клетке удваивается, и каждая хромосома становится двухроматидной (двойственность каждой хромосомы морфологически можно видеть только в конце профазы первого мейотического деления).

Первое мейотическое деление. В первом мейотическом делении количество хромосом уменьшается вдвое, поэтому оно получило название редукционного.

Профаза первого мейотического деления продолжительнее, чем в митозе, и характеризуется своеобразной перестройкой хромосом. Принято разделять профазу первого деления на 5 стадий: лептотена, зиготена, пахитена, диплотена, диакинез.

509
1. Лептотена ╫ стадия тонких нитей ╫ напоминает профазу митоза, но хромосомы очень тонкие, и, хотя они состоят из двух сестринских хроматид, различить их не удается. Происходит подготовка к процессу конъюгации, которой предшествует появление специальной белковой структуры на поверхности хромосом.

2. Зиготена ╫ стадия сливающихся нитей ╫ характеризуется сближением гомологичных хромосом и началом процесса их конъюгации. Успеху конъюгации способствуют специальный белковый комплекс, а также сшивки из специальной ДНК, синтез которой идет параллельно со сближением хромосом. В конце зиготены все гомологи сближены и тесно объединены с помощью этого своеобразного, так называемого синаптонемного комплекса.