Митохондрии. В цитоплазме клеток животных и растений расположены так называемые энергетические органоиды - митохондрии (от греч. «митос» - нить, «хондрион» - зерно). Форма митохондрий различна, они могут быть овальными, палочковидными, нитевидными со средним диаметром 1 мкм и длиной 7 мкм. Число митохондрий зависит от функциональной активности клетки и может достигать десятка тысяч в летательных мышцах насекомых.
Внутреннее строение митохондрий (рис. 11, 12; 15) изучено с помощью электронного микроскопа. На электронных микрофотографиях видно, что митохондрии снаружи ограничены внешней мембраной, которая в основном имеет то же строение, что и плазматическая мембрана. Под наружной мембраной располагается внутренняя мембрана, образующая многочисленные складки - кристы. Внутри митохондрии находятся РНК, ДНК и рибосомы, отличающиеся от цитоплазматических. В ее мембраны встроены специфические ферменты, с помощью которых в митохондрии происходит преобразование энергии питательных веществ в энергию АТФ, необходимую для жизнедеятельности клетки и организма в целом.
Рис. 15. Схема строения митохондрии
Пластиды. Это органоиды, свойственные только клеткам растений. Существуют три вида пластид: зеленые хлоропласты, цветные (но не зеленые) хромопласты и бесцветные лейкопласты.
Хлоропласт (рис. 16) по форме напоминает диск или шар диаметром 4-6 мкм с двойной мембраной - наружной и внутренней. Внутри хлоропласта имеются ДНК, рибосомы и особые мембранные структуры - граны, связанные между собой и с внутренней меморанои хлоропласта, ь каждом хлоропласте около 50 гран, расположенных в шахматном порядке для лучшего улавливания света. В мембранах гран находится зеленый пигмент хлорофилл. Благодаря хлорофиллу в хлоропластах происходит превращение энергии солнечного света в химическую энергию АТФ. Энергия АТФ используется в хлоропластах для синтеза органических соединений, в первую очередь углеводов.
Рис. 16. Схема строения хлоропласта
Хромопласты. Пигменты красного и желтого цвета, находящиеся в хромопластах, придают различным частям растений красную и желтую окраску. Корень моркови, плоды томатов окрашены благодаря пигментам, содержащимся в хромопластах. Сочетание хромопластов, содержащих разные пигменты, создает большое разнообразие окрасок цветков и плодов растений.
Лейкопласты являются местом накопления запасного питательного вещества - крахмала. Особенно много лейкопластов в клетках клубней картофеля. На свету лейкопласты могут превращаться в хлоропласта (в результате чего клубни картофеля зеленеют). Осенью хлоропласты превращаются в хромопласты и зеленые листья и плоды желтеют и краснеют.
Постоянное движение клетки. Органоиды движения. Многие клетки одноклеточных и многоклеточных организмов обладают способностью к движению. Под этим понимается и движение клетки в пространстве, и внутриклеточное движение ее органоидов. В жидкой среде перемещение клеток осуществляется движением жгутиков и ресничек (рис. 10, 2, 8, 11). Так передвигаются многие одноклеточные, например эвглена зеленая, жгутиконосец, инфузория и др. Некоторые виды бактерий также движутся с помощью жгутиков, длинных и гибких, которые быстро вращаются, обеспечивая продвижение клетки. Амебы и некоторые другие простейшие организмы, а также специализированные клетки многоклеточных (например, лимфоциты) передвигаются с помощью выростов, образующихся на поверхности клеток.
Клетка находится в постоянном движении. При фагоцитозе и пиноцитозе происходит впячивание плазматической мембраны внутрь клетки, передвигаются лизосомы, пузырьки комплекса Гольджи, митохондрии, наконец, движется сама цитоплазма.
Клеточное движение обеспечивается цитоскелетом, состоящим из микротрубочек, микронитей и клеточного центра. Микротрубочки - это длинные полые цилиндры диаметром 25 нм, стенки которых состоят из белков. Из параллельно расположенных микротрубочек состоят жгутики и реснички клеток животных и растений. Жгутики отличаются от ресничек лишь длиной. Так, сперматозоиды млекопитающих имеют по одному жгутику длиной до 100 мкм. Реснички короче жгутиков более чем в 10 раз, на одну клетку приходится несколько тысяч ресничек. Микронити - очень тонкие структуры, состоящие из тысяч молекул белка актина, соединенных друг с другом. В мышечных клетках они входят вместе с другими белковыми нитями - миозиновыми в комплексы, обеспечивающие сократительную функцию этих клеток.
В цитоплазме клеток всех организмов около ядра располагается клеточный центр, принимающий участие в делении клетки. В состав клеточного центра клеток животных и некоторых растений входит центриоль (рис. 11, 3). Центриоль - парное образование. Она содержит два цилиндра, состоящие из микротрубочек и расположенные перпендикулярно друг другу.
Клеточные включения. Наконец, следует сказать о многочисленных включениях в цитоплазме. Включениями называют непостоянные структуры цитоплазмы, которые в отличие от органоидов то возникают, то исчезают в процессе жизнедеятельности клетки. Плотные в виде гранул включения содержат запасные питательные вещества (крахмал, белки, сахара, жиры) или продукты жизнедеятельности клетки, которые по той или иной причине не могут быть сразу удалены. Способностью синтезировать и накапливать запасные питательные вещества обладают все пластиды растительных клеток.
В растительных клетках накопление запасных питательных веществ происходит и в вакуолях - мембранных мешках с водным раствором солей и органических соединений, которые часто занимают почти весь объем клетки, отодвигая ядро и цитоплазму к плазматической мембране.
- Почему митохондрии называют «силовыми станциями» клетки?
- Какие структуры клетки способствуют ее движению?
- Что относится к клеточным включениям? Какова их роль в клетке?
- Опишите особенности строения митохондрии и хлоропласта в связи с их функциями в клетке.
Клеточный центр - органоид, видимый в оптический микроскоп в клетках животных и низших растений. Он находится обычно около ядра или в геометрическом центре клетки и состоит из двух палочковидных телец центриолей, размером около 0,3-1 мкм. Под электронным микроскопом установлено, что центриоль представляет собой цилиндр, стенки которого построены девятью парами очень тонких трубочек. В середине цилиндра находится полость, заполненная однородной массой. Пара цент-риолей окружена более светлой зоной - центросферой.
Клеточный центр играет важную роль в процессе перемещения хромосом при митозе. С ним связана способность некоторых клеток к активному движению. Это доказывается тем, что в основании жгутиков или ресничек подвижных клеток (простейшие, сперматозооны) находятся образования такой же структуры, как и клеточный центр.
Органоиды движения. Клетки могут перемещаться при помощи специализированных органоидов, к которым относятся реснички и жгутики. Реснички клеток всегда многочисленны (у простейших их количество исчисляется сотнями и тысячами), а длина составляет 10-15 мкм. Жгутиков же чаще всего 1-8, длина их - 20-50 мкм. Строение ресничек и жгутиков как у растительных, так и животных клеток сходно. Под электронным микроскопом обнаружено, что по всей длине их проходят микротрубочки. Две из них располагаются в центре, а вокруг них по периферии лежат еще 9 пар микротрубочек. Вся эта структура покрыта цитоплазматической мембраной, являющейся продолжением клеточной мембраны. Движение жгутиков и ресничек обеспечивает не только передвижение клеток в пространстве, но и перемещение различных веществ на поверхности клеток, а также попадание пищевых частиц в клетку. У основания ресничек и жгутиков находятся базальные тельца, которые тоже состоят из микротрубочек. Предполагают, что базальные тельца являются центром формирования микротрубочек жгутиков и ресничек. Базальные тельца, в свою очередь, нередко происходят из клеточного центра.
Большое количество одноклеточных организмов и некоторые клетки многоклеточных не имеют специальных органоидов движения и передвигаются при помощи псевдоподий (ложноножек). Передвижение при помощи псевдоподий получило название амебоидного движения. В основе его лежит движение молекул особых белков, называемых сократимыми.
Включения чаще всего встречаются в растительных клетках и от органоидов отличаются тем, что являются временными, непостоянными образованиями. Количество их зависит от интенсивности обмена веществ и состояния организма. Обычно они видны в оптический микроскоп в виде зерен или капель различной величины и формы. По химическому составу различают: углеводные, жировые и белковые включения. Углеводные и белковые включения имеют вид зерен, а жировые - вид капель. В растительных клетках углеводы чаще всего откладываются в виде зерен крахмала, а в животных - гликогена. Белковые зерна в большом количестве содержатся в цитоплазме яйцеклеток животных в виде желтка. Много их в семенах растений. Жировые капли имеются п клетках соединительной ткани животных и в семенах растений. В растительных клетках встречаются кристаллические включения (соли органических кислот). При определенных условиях все виды включений могут использоваться клеткой в процессе ее жизнедеятельности, а затем накапливаться вновь.
В цитоплазме многих растительных клеток находятся особые образования- вакуоли. Они представляют собой резервуары, заполненные смесью растворов различных химических веществ. Особенно крупные вакуоли образуются в старых клетках.
|
Критерии Для сравнения |
Типы рибосом |
|
|
Прокариотический тип |
Эукариотический тип |
|
|
Нахождение в клетках |
Рибосомы эубактерий и цианобактерий Пластидные рибосомы Митохондриальные Рибосомы Рибосомы архебактерий (сходны с эукариотическими) |
Цитоплазматические Рибосомы эукариот: Животных, И растений |
|
Соотношение РНК: белок | ||
|
Количество рРНК субъединице |
1 молекула длиной 1500-1600 нуклеотидов (минимум – 950 в митохондриальных рибосомах) |
1 молекула длиной около 1800 нуклеотидов |
|
Количество рРНК в большой субъединице |
2 молекулы: 1 молекула длиной около 3000 нуклеотидов, 1 молекула длиной около 120 нуклеотидов |
3 молекулы: 1 молекула длиной около 4-5 тысяч нуклеотидов, 1 молекула длиной около 120 нуклеотидов, 1 молекула длиной около 160 нуклеотидов (эта молекула сходна с одним из участков прокариотической рРНК) |
|
белка (почти все молекулы уникальны) |
Примерно 20 молекул в малой субъединице и 30 молекул – в большой |
Примерно 30 молекул в Малой субъединице и 40 молекул – в большой |
Клеточный центр
Клеточный центр – органоид, контролирующий образование и рост микротрубочек цитоскелета эукариотической клетки. (рис. 38)
Рис. 38. Клеточный центр 1 – триплеты микротрубочек; 2 – радиальные спицы; 3 – центральная структура «колеса телеги»; 4 – сателлит; 5 – лизосома; 6 – диктиосомы комплекса Гольджи; 7 – окаймленный пузырек; 8 – цистерна гранулярной эндоплазматической сети; 10 – митохондрия; 11 – остаточное тельце; 12 – микротрубочки; 13 – кариотека (по Р. Крстичу, с изменениями).
Основные функции клеточного центра – формирование систем микротрубочек цитоскелета, органоидов движения, веретена деления.
Основу клеточного центра составляет пара центриолей (иногда их число достигает 4-6-8 в полиплоидных клетках), расположенных в центре клетки.
Впервые центриоли обнаружил и описал В. Флемминг (1875), но подробно они были изучены лишь с помощью электронного микроскопа. Центриоли обнаруживают тесную связь с ядерной оболочкой, а у многих низших эукариот (простейшие, водоросли, грибы, мезокариоты) центриоли встроены в оболочку ядра.
Клеточный центр всегда обнаруживается в клетках многоклеточных животных. У прокариот клеточный центр и тубулин отсутствуют. В клетках грибов, водорослей и одноклеточных животных клеточный центр обнаруживается далеко не всегда, а в клетках высших растений не обнаружен (за редким исключением). При отсутствии клеточного центра его функции у эукариот выполняет центр образования микротрубочек – ЦОМТ.
Центриоль представляет собой полый цилиндр диаметром около 0,15 мкм и длиной 0,3-0,5 мкм (реже – несколько мкм). Стенки центриолей состоят из 9триплетов тубулиновых микротрубочек, связанных динеиновыми мостиками. Обычно центриоли располагаются парами: одна центриоль – материнская, а другая – дочерняя; дочерняя центриоль расположена перпендикулярно материнской. Такая пара центриолей –диплосома – имеет Т–образную или Г–образную форму. Диплосома окружена плотным слоем цитоплазмы, образующимцентросферу , илицентросому . Во время деления клетки от центросферы отходят плотные тяжи микротрубочек, образующиеастросферу .
Удвоение центриолей происходит примерно в середине интерфазы: материнская и дочерняя центриоли расходятся, и от каждой центриоли отпочковывается новая центриоль. У разных групп организмов этот процесс имеет свои особенности.
Помимо органоидов, в клетках присутствуют клеточные включения. Они могут содержаться не только в цитоплазме, но и в некоторых органоидах, таких как митохондрии и пластиды.
Что такое клеточные включения?
Это образования, которые не носят постоянный характер. В отличии от органоидов, они не такие стабильные. Кроме того, они имеют намного более простую структуру и выполняют пассивные функции, такие как, например, резервная.
Как они построены?
Большинство из них обладает каплеобразной формой, однако некоторые могут быть и другими, например, похожими на кляксу. Что касается размеров, то он может варьироваться. Клеточные включения могут быть как меньше органоидов, так и такими же по размеру или даже больше.
Состоят они в основном из одного конкретного вещества, в большинстве случаев органического. Это может быть как жир, так и углевод или белок.
Классификация
В зависимости от того, откуда берется вещество, из которого они состоят, существуют следующие типы клеточных включений:
- экзогенные;
- эндогенные;
- вирусные.
Экзогенные клеточные включения построены из химических соединений, которые поступили в клетку извне. Те же, которые сформированы из веществ, вырабатываемых самой клеткой, называются эндогенными. Вирусные включения хоть и синтезируются самой клеткой, однако это происходит в результате попадания в нее ДНК вируса. Клетка просто принимает ее за свою ДНК и синтезирует из нее белок вируса.
В зависимости от функций, которые выполняют клеточные включения, они делятся на пигментные, секреторные и трофические.
Далее включения делятся на виды в зависимости от конкретных химических соединений, из которых они состоят.
Клеточные включения: функции
Они могут обладать тремя функциями. Рассмотрим их в таблице
Это все функции непостоянных образований в клетке.
Включения животных клеток
В цитоплазме животного содержатся как трофические, так и пигметные включения. В некоторых клетках присутствуют и секреторные.
Трофическими в клетках животных являются включения гликогена
. Они обладают формой гранулы размером около 70 нм.
Гликоген является основным резервным веществом животного. В виде данного вещества организм запасает глюкозу. Существует два гормона, которые регулируют обмен глюкозы и глюкогена: инсулин и глюкагон. Они оба вырабатываются поджелудочной железой. Инсулин отвечает за формирование гликогена из глюкозы, а глюкагон, наоборот, участвует в синтезе глюкозы.
Больше всего включений гликогена находится в клетках печени. Также они в большом количестве присутствуют в составе мышц, в том числе и сердечной. Гликогеновые включения клеток печени имеют форму гранул размером около 70 нм. Они собираются в небольшие гроздья. Гликогеновые включения миоцитов (мышечных клеток) обладают округлой формой. Они одиночные, размером чуть больше рибосом.
Также для животных клеток характерны липидные включения . Это тоже трофические включения, благодаря которым организм может получить энергию в экстренном случае. Они состоят из жиров и имеют каплевидную форму. В основном такие включения содержатся в клетках жировой соединительной ткани — липоцитах. Существует два вида жировой ткани: белая и бурая. Липоциты белой содержат одну большую каплю жира, клетки бурой — многочисленные мелкие.
Что касается пигментных включений, то для животных клеток характерны те, которые состоят из меланина. Благодаря этому веществу радужка глаза, кожа и другие части организма имеют определенную окраску. Чем больше в клетках меланиновых включений, тем темнее то, что из этих клеток состоит.
Еще один пигмент, который может содержаться в клетках животных, — липофусцин. Это вещество желто-коричневого цвета. Оно накапливается в сердечной мышце и печени по мере старения органов.
Включения растительных клеток
Клеточные включения, строение и функции которых мы рассматриваем, содержатся и в
Главными трофическими включениями в этих организмах являются зерна крахмала . В их виде растения запасают глюкозу. Обычно включения крахмала обладают линзовидной, сферической или яйцевидной формой. Их размер может колебаться в зависимости от вида растения и от органа, в клетках которого они содержатся. Он может составлять от 2 до 100 мкм.
Липидные включения также характерны для растительных клеток. Они являются вторыми по распространенности трофическими включениями. Они обладают сферической формой и тонкой мембраной. Их иногда называют сферосомами.
Белковые включения присутствуют только в растительных клетках, для животных они не характерны. Они состоят из простых белков — протеинов. Белковые включения бывают двух видов: алейроновые зерна и белковые тельца. Алейроновые зерна могут содержать либо кристаллы, либо просто аморфный белок. Так, первые называют сложными, а вторые — простыми. Простые алейроновые зерна, которые состоят из аморфного белка, встречаются реже.
Что касается пигметных включений, то для растений характерны пластоглобулы . В них накапливаются каротиноиды. Такие включения характерны для пластид.
Клеточные включения, строение и функции которых мы рассматриваем, в большинстве своем состоят из органических химических соединений, однако в растительных клетках есть и такие, которые сформированы из неорганических веществ. Это кристаллы оксалата кальция.
Они присутствуют только в вакуолях клетки. Эти кристаллы могут быть самой разнообразной формы, и зачастую она индивидуальна для определенных видов растений.
Живые организмы состоящие из одной клетки часто обладают способностью к активному движению. Механизмы движения, возникшие в процессе эволюции, весьма разнообразны.
Органеллами движения служат псевдоподии (у саркодовых и некоторых жгутиконосцев), жгутики (у жгутиконосцев) или реснички (у инфузорий).
Кроме того, движение может осуществляться в результате сокращения особых микроволоконец - мионем, расположенных под покровами в цитоплазме (у апикомплес)
Амебовидное движение получило свое название от простейшего организма – амебы (см. приложение № 6). Органами движения у амебы являются ложные ножки – псевдоподии, являющиеся выступами цитоплазмы. Образуются они в разных местах поверхности цитоплазмы. Могут исчезать и появляться в другом месте.
Псевдоподии (от псевдо... и греч. pus, род. п. podos - нога) (ложноножки), временные цитоплазматические выросты у одноклеточных организмов (корненожки, споровики и др.) и у некоторых клеток (лейкоциты, макрофаги и др.) многоклеточных организмов. Служат для передвижения и захвата пищевых и других частиц.
Движение с помощью жгутиков характерно для многих одноклеточных водорослей (например хламидомонады), простейших (например эвглена зеленая) и бактерий. Органами движения у этих организмов являются жгутики – цитоплазматические выросты на поверхности цитоплазмы.
Жгутиковые (см. приложение № 7) . Размеры от 2-5 мкм до 1 мм. Передвигаются с помощью одного или многих жгутиков, длина которых у одной особи может быть различной. Только очень немногие виды могут образовывать псевдоподии. Размножаются, как правило, бесполым путем в результате продольного деления клетки; у некоторых наблюдается половое размножение. Подавляющее большинство жгутиконосцев - свободноживущие виды, встречающиеся в морских и пресных водах, а также в почве. Планктонные формы играют важную роль в круговороте веществ; многие виды являются биологическими индикаторами загрязненности вод.
Строение клеток.
Клетка, элементарная живая система, основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки существуют как самостоятельные организмы (напр.. простейшие, бактерии) и в составе многоклеточных организмов, в которых имеются половые клетки, служащие для размножения, и клетки тела (соматические), различные по строению и функциям (напр.. нервные, костные, мышечные, секреторные).
Размеры клетки варьируют в пределах от 0,1-0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе).
Клетка любого организма, представляет собой целостную живую систему. Она состоит из трех неразрывно связанных между собой частей: оболочки, цитоплазмы и ядра (см. приложение № 9) .
1. Оболочка клеток.
Оболочка клеток осуществляет непосредственное взаимодействие с внешней средой и взаимодействие с соседними клетками (в многоклеточных организмах).
Оболочка клеток имеет сложное строение. Она состоит из наружного слоя и расположенной под ним плазматической мембраны.
Клетки животных и растений различаются по строению их наружного слоя (см. приложение № 10). У растений, а также у бактерий, сине-зеленых водорослей и грибов на поверхности клеток расположена плотная оболочка, или клеточная стенка. У большинства растений она состоит из клетчатки. Клеточная стенка играет исключительно важную роль: она представляет собой внешний каркас, защитную оболочку, обеспечивает тургор растительных клеток: через клеточную стенку проходит вода, соли, молекулы многих органических веществ.
Наружный слой поверхности клеток животных в отличие от клеточных стенок растений очень тонкий, эластичный. Он не виден в световой микроскоп и состоит из разнообразных полисахаридов и белков. Поверхностный слой животных клеток получил название гликокаликс.
Гликокаликс выполняет прежде всего функцию непосредственной связи клеток животных с внешней средой, со всеми окружающими ее веществами. Имея незначительную толщину (меньше 1 мкм)/ наружный слой клетки животных не выполняет опорной роли, какая свойственна клеточным стенкам растений. Образование гликокаликса, так же как и клеточных стенок растений, происходит благодаря жизнедеятельности самих клеток.
2. Цитоплазма.
Цитоплазма (от цито... и плазма), термин «цитоплазма» предложен Э. Страсбургером (1882).
Отграниченная от внешней среды плазматической мембраной, цитоплазма представляет собой внутреннюю полужидкую среду клеток (см. приложение № 8). В цитоплазме эукариотических клеток располагаются ядро и различные органоиды.
Ядро располагается в центральной части цитоплазмы. В ней сосредоточены и разнообразные включения - продукты клеточной деятельности, вакуоли, а также мельчайшие трубочки и нити, образующие скелет клетки.
Вакуоли (см. приложение № 8) (франц. vacuole, от лат. vacuus - пустой), полости в животных и растительных клетках или одноклеточных организмах. Различают пищеварительные и сократительные (пульсирующие) вакуоли, регулирующие осмотическое давление и служащие для выведения из организма продуктов распада (см. приложение № 11).
В составе основного вещества цитоплазмы преобладают белки.
В цитоплазме протекают основные процессы обмена веществ, она объединяет в одно целое ядро и все органоиды, обеспечивает их взаимодействие, деятельность клетки как единой целостной живой системы.
Экспериментально можно получить живые безъядерные клетки-цитопласты, которые в течение 1-3 суток могут синтезировать белки, липиды, АТФ. Затем они, конечно, погибают из-за невозможности синтеза новых РНК в отсутствии ядра.
Объем цитоплазмы у разных клеток неодинаков: в лимфоцитах он примерно равен объему ядра, а в клетках печени цитоплазма составляет 94% общего объема клетки.
Формально в цитоплазме различают три части: органеллы, включения и гиалоплазма.
Органеллы - обязательные для любой клетки компоненты, без которых клетка не может поддерживать свое существование.
К одномембранным относятся органеллы вакуолярной системы: эндоплазматический ретикулюм, лизосомы, аппарат Гольджи, пероксисомы, а также плазматическая мембрана.
Двухмембранные органеллы - это митохондрии и пластиды. К этой группе можно отнести и клеточное ядро.
Общим свойством мембранных органелл является то, что они построены из липопротеидных мембран, замыкающихся сами на себя, так, что образуют замкнутые полости и тем самым разделяют цитоплазму на группы функционально различных отсеков.
К немембранным органеллам принадлежат рибосомы, центросомы животных клеток.
Включения_ _встречаются не всегда и представляют собой отложения запасных веществ (гликоген, желток) или скопления продуктов метаболизма (пигменты, кристаллы солей в растениях).
Гиалоплазма (от «hуаlinе» - прозрачный) - это основная плазма, цитозоль, истинная внутренняя среда клетки. Состав гиалоплазмы весьма сложен, а консистенция приближается к гелю.
Гели - структурированные коллоидные системы с жидкой дисперсной средой, которые под воздействием внешних или внутренних факторов могут менять свое агрегатное состояние и переходить в более жидкую фазу - золь. Подобные гель-золь переходы могут происходить в цитоплазме под влиянием белка актина, причем меняется ее состояние в различных участках клетки, что и обеспечивает движение всей клетки. При взаимодействии фибриллярного актина с белками типа фимбрина происходит стабилизация геля, а при связывании с белками, активность которых зависит от концентрации ионов Са (например, гельзолин), вся система переходит в жидкое состояние.
Выраженность элементов клеточного скелета, и актинового его компонента в том числе, может значительно меняться в течение клеточного цикла.
Функциональное значение цитоплазмы очень велико.
В гиалоплазме, кроме различных ионов неорганических соединений, содержатся ферменты, участвующие в синтезе аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, сахаров. На рибосомах и полирибосомах, сидящих на мембранах, синтезируются разнообразные белки, обеспечивающие клеточный метаболизм.
3. Эндоплазматическая сеть.
Вся внутренняя зона цитоплазмы заполнена многочисленными мелкими каналами и полостями, стенки которых представляют собой мембраны, сходные по своей структуре с плазматической мембраной. Эти каналы ветвятся, соединяются друг с другом и образуют сеть, получившую название эндоплазматической сети или эндоплазматического ретикулума.
Эндоплазматическая сеть (см. приложение № 12) неоднородна по своему строению. Известны два ее типа – гранулярная (шероховатая) и гладкая.
На мембранах каналов и полостей гранулярной сети располагается множество мелких округлых телец – рибосом, которые придают мембранам шероховатый вид.
Мембраны гладкой эндоплазматической сети не несут рибосом на своей поверхности.
Эндоплазматическая сеть выполняет много разнообразных функций. Основная функция гранулярной эндоплазматической сети - участие в синтезе белка, который осуществляется в рибосомах.
На мембранах гладкой эндоплазматической сети происходит синтез липидов и углеводов. Все эти продукты синтеза накапливаются в каналах и полостях, а затем транспортируются к различным органоидам клетки, где потребляются или накапливаются в цитоплазме в качестве клеточных включений.
Эндоплазматическая сеть связывает между собой основные органоиды клетки (см. приложение № 8).
4. Биологические мембраны.
Биологические мембраны (лат. «мембрана» - кожица, пленка), тонкие (не более 10 нм толщиной) липопротеидные пленки, состоящие из двойного слоя липидных молекул, в который включены молекулы разнообразных белков. Расположены на поверхности клеток (плазматическая мембрана) и внутриклеточных частиц (ядра, митохондрий и др.). В весовом отношении в зависимости от типа мембраны на долю липидов приходится 25-60%. а на долю белков - 40-75%. В состав многих мембран входят углеводы, количество которых может достигать 2-10%.
Здоровье клетки, длительность ее жизни во многом зависят от состояния мембраны.
а) Свойства мембран.
Полная проницаемость для воды. Мембрана всегда пропускает воду внутрь клетки или наружу, в зависимости от того, где концентрация воды больше. Такое движение вещества из области высокой его концентрации в область более низкой называется диффузией. Диффузия вещества не требует затрат энергии.
Избирательная проводимость растворенных веществ:
Отрицательно заряженные частицы быстрее и легче проникают через мембрану. Вещества растворимые в жирах легче проникают через мембрану, чем вещества растворимые в воде. Мелкие молекулы легче проникают через мембрану, чем крупные.
б) Активный транспорт веществ.
Некоторые вещества способны проникать через мембрану в направлении обратном их диффузии, то есть из места низкой в место с более высокой концентрацией. Путем активного транспорта из клетки постоянно выводится избыток ионов натрия, водорода и хлора. А фосфаты, глюкоза, аминокислоты, наоборот активно проникают в цитоплазму. Активный транспорт всегда сопряжен с затратой энергии.
Мембрана в процессе жизнедеятельности клетки может частично утрачиваться, в результате образования пищеварительных вакуолей (пузырьков). Мембрана регулярно восстанавливается в результате работы специальных органелл. синтезирующих мембранные вакуоли. Эти вакуоли влипают в любом месте клеточной мембраны, восстанавливая ее прежние размеры и свойства.
в) Липиды мембран.
Состав липидов биологических мембран очень разнообразен. Характерными представителями липидов клеточных мембран являются фосфолипиды, сфингомиелины и холестерин (стероидный липид).
Характерной особенностью мембранных липидов является разделение их молекулы на две функционально различные части: не полярные, не несущие зарядов хвосты, состоящие из жирных кислот, и заряженные полярные головки.
Полярные головки несут на себе отрицательные заряды или могут быть нейтральными. Наличие неполярных хвостов объясняет хорошую растворимость липидов в жирах и органических растворителях. В эксперименте, смешивая с водой выделенные из мембран липиды можно получить бимолекулярные слои или мембраны толщиной около 7.5 нм, где периферические зоны слоя - это гидрофильные полярные головки, а центральная зона - незаряженные хвосты молекул липидов. Такое же строение имеют все естественные клеточные мембраны.
Клеточные мембраны сильно отличаются друг от друга по составу липидов. Например, плазматические мембраны клеток животных богаты холестерином (до 30%), и в них мало лецитина, в то время как мембраны митохондрий богаты фосфолипидами и бедны холестерином.
Липидные молекулы могут перемещаться вдоль липидного слоя, могут вращаться вокруг своей оси, а также переходить из слоя в слой. Белки, плавающие в «липидном озере», тоже обладают некоторой латеральной подвижностью. Состав липидов по обе стороны мембраны различен, что определяет асимметричность в строении билипидного слоя.
г) Мембранные белки.
Белковые молекулы, которые значительно тяжелее и крупнее молекул липидов, как бы вкраплены в билипидный слой мембраны. Большая часть молекул белков частично погружена в мембрану и связана с липидами путем гидрофобных взаимодействий. Это так называемые интегральные белки.
Другие белки связаны только с полярными «концами» молекул липидов и находятся на поверхности билипидного слоя, третьи пронизывают мембрану насквозь. Асимметрия в строении мембран ярче всего проявляется в отношении интегральных белков. Они строго ориентированы: их N-концы смотрят в полость вакуолей или во внеклеточную среду.
Мембраны сильно различаются по составу белков, которые собственно и определяют их функциональные свойства. Все мембранные белки можно разделить на три группы: ферменты, рецепторные белки и структурные белки.
В разных мембранах существует характерный набор ферментов. Например, в плазматической мембране локализуется К-Nа-зависимая АТФ-аза, участвующая в транспорте ионов. Рецепторные белки специфически связываются с теми или иными веществами и как бы «узнают» их: это белки-рецепторы для гормонов, для узнавания поверхности соседних клеток, вирусов и т. д.
Структурные белки обеспечивают прочность мембраны и связаны с разнообразными белковыми структурами цитоплазмы. Например, в эпителиальных клетках специальные белки плазматической мембраны связываются с элементами цитоскелета и участвуют в образовании целого ряда межклеточных соединений, таких как десмосомы, адгезивные контакты и др.
д) Углеводы мембран.
С мембранами связаны главным образом гликопротеины - молекулы белков, ковалентно связанных с цепочками углеводов. Как правило, молекулы углеводов расположены в наружных слоях мембран. Чаще всего это короткие линейные или разветвленные цепочки, в состав которых входят галактоза, маниоза, фруктоза, сахароза, N-ацетилглюкозамин. арабиноза. ксилоза и др.
е) Синтез клеточных мембран.
Строятся все клеточные мембраны (кроме мембран митохондрий и пластид) в гранулярном эндоплазматическом ретикулюме. От него отщепляются мелкие мембранные вакуоли, которые сливаются с мембранами аппарата Гольджи. Мембранные везикулы, продуцируемые, в свою очередь, аппаратом Гольджи, идут на построение плазматической мембраны, секреторных вакуолей и всех других мембранных компонентов клетки.
5. Плазматическая мембрана.
Плазматическая мембрана (см. приложение № 8) (плазмалемма, клеточная мембрана), под гликокаликсом и клеточной стенкой расположена плазматическая мембрана, окружающая протоплазму растительных и животных клеток. Толщина плазматической мембраны около 10 нм, изучение ее строения и функций возможно только с помощью электронного микроскопа.
Служит не только механическим барьером, но, главное, ограничивает свободный двусторонний поток в клетку и из нее низко- и высокомолекулярных веществ. Более того, плазмалемма выступает как структура, «узнающая» различные химические вещества и регулирующая избирательный транспорт этих веществ в клетку. Как и другие мембраны клетки, она возникает и обновляется за счет синтетической активности эндоплазматического ретикулюма и имеет сходное с ними строение.
а) Барьерно - транспортная роль плазмалеммы.
Механическая устойчивость плазматической мембраны определяется не только свойствами самой мембраны, но и свойствами прилежащих к ней гликокаликса и кортикального слоя цитоплазмы.
Внешняя поверхность плазматической мембраны (см. приложение № 13). покрыта рыхлым волокнистым слоем вещества толщиной 3-4 нм - гликокаликсом. Он состоит из ветвящихся полисахаридных цепей мембранных интегральных белков, между которыми могут располагаться выделенные клеткой гликолипиды и протеогликаны. Тут же обнаруживаются некоторые клеточные гидролитические ферменты, участвующие во внеклеточном расщеплении веществ (внеклеточное пищеварение, например, в эпителии кишечника).
Кортикальный слой цитоплазмы, толщиной 0.1-0.5 мкм, не содержит рибосом и мембранных структур, но богат актиновыми микрофиламентами.
Плазматическая мембрана, как и другие липопротеидные мембраны клетки, является полупроницаемой. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы. Транспорт ионов может проходить пассивно, без затрат энергии. В этом случае некоторые мембранные транспортные белки образуют молекулярные комплексы, каналы, через которые ионы проходят сквозь мембрану за счет простой диффузии.
В других случаях специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом и переносят его через мембрану. Такой тип переноса называется активным транспортом и осуществляется с помощью белковых ионных насосов. Например, затрачивая 1 молекулу АТФ, система К-Nа насоса откачивает за один цикл из клетки 3 иона Nа и закачивает 2 иона К против градиента концентрации.
В сочетании с активным транспортом ионов через плазмалемму проникают различные сахара, нуклеотиды и аминокислоты. Макромолекулы, такие как, например, белки, через мембрану не проходят. Они, а также более крупные частицы вещества транспортируются внутрь клетки посредством эндоцитоза . При эндоцитозе определенный участок плазмалеммы захватывает, обволакивает внеклеточный материал, заключает его в мембранную вакуоль. Эта вакуоль - эндосома - сливается в цитоплазме с первичной лизосомой и происходит переваривание захваченного материала.
Эндоцитоз формально разделяют на фагоцитоз (поглощение клеткой крупных частиц) и пиноцитоз (поглощение растворов).
Плазматическая мембрана принимает участие и в выведении веществ из клетки с помощью экзоцитоза - процесса, обратного эндоцитозу.
б) Рецепторная роль плазмалеммы.
Белки-переносчики внешней мембраны клетки являются также рецепторами, узнающими определенные ионы и взаимодействующими с ними. В качестве рецепторов на поверхности клетки могут выступать белки мембраны или элементы гликокаликса. Такие чувствительные к отдельным веществам участки разбросаны по поверхности клетки или собраны в небольшие зоны.
Роль многих клеточных рецепторов заключается не только в связывании специфических веществ, но и в передаче сигналов с поверхности внутрь клетки. Например, при действии гормона на клетку цепь событий развертывается следующим образом: молекула гормона специфически взаимодействует с рецепторным белком плазмалеммы и, не проникая в клетку, активирует фермент, синтезирующий ЦАМФ. Последний активирует или ингибирует внутриклеточный фермент или группу ферментов.
Разнообразие и специфичность наборов рецепторов на поверхности клеток приводит к созданию очень сложной системы маркеров, позволяющих клеткам отличать «своих» (той же особи или того же вида) от «чужих».
в) Межклеточные соединения.
У многоклеточных организмов за счет межклеточных взаимодействий образуются сложные клеточные ансамбли. При тесном соседстве клеток друг с другом гликокаликс обеспечивает слипание клеток за счет присутствия в нем трансмембранных гликопротеидов кадгеринов. Это простой межклеточный контакт, при котором зазор между клетками составляет 10-20 нм.
В эпителиях часто встречается плотное, или запирающее, соединение, при котором внешние слои двух плазматических мембран максимально сближены и в точках их соприкосновения лежат глобулы интегральных белков мембраны. Такой контакт непроницаем для молекул и ионов, он запирает межклеточные полости.
Заякоривающие соединения , или контакты, не только соединяют плазматические мембраны соседних клеток, но и связываются с фибриллярными элементами цитоскелета. Например, для десмосом, имеющих вид бляшек или кнопок, в межклеточном пространстве характерно наличие плотного слоя гликопротеидов десмоглеинов.
С цитоплазматической стороны к плазмалемме прилежит слой белка десмоплакина, связанный с промежуточными филаментами цитоскелета.
Щелевые контакты считаются коммуникационными соединениями клеток. В зоне щелевого контакта может быть от 20-30 до нескольких тысяч коннексонов - цилиндрических белковых структур с внутренним каналом диаметром 2 нм. Каждый коннексон состоит из 6 субъединиц белка коннектина. Коннексоны играют роль прямых межклеточных каналов, по которым ионы и низко молекулярные вещества могут диффундировать из клетки в клетку.
6. Лизосомы.
Лизосомы (от лиз и греч. soma - тело). Представляют собой небольшие округлые тельца. От цитоплазмы каждая лизосома отграничена мембраной. Внутри лизосомы находятся ферменты, способные расщеплять (т. е лизировать - отсюда и название) белки, полисахариды, пептиды, нуклеиновые кислоты (см. приложение № 8).
Это очень пестрый класс пузырьков размером 0.1-0,4 мкм, ограниченных одиночной мембраной (толщиной около 7 нм), с разнородным содержимым внутри. Они образуются за счет активности эндоплазматического ретикулюма и аппарата Гольджи и в этом отношении напоминают секреторные вакуоли.
Основная их роль - участие в процессах внутриклеточного расщепления как экзогенных, так и эндогенных биологических макромолекул. Характерной чертой лизосом является то, что они содержат около 40 гидролитических ферментов: протеиназы, нуклеазы, фосфатазы, гликозидазы и др., оптимум действия которых осуществляется при рН5.
В лизосомах кислое значение среды создается из-за наличия в их мембранах протоновой «помпы», потребляющей энергию АТФ.
Кроме того, в мембраны лизосом встроены белки-переносчики для транспорта из лизосомы в цитоплазму продуктов гидролиза: мономеров расщепленных молекул - аминокислот, сахаров, нуклеотидов, липидов. Чтобы не переварить самих себя, мембранные элементы лизосом защищены олигосахаридами, мешающими гидролазам взаимодействовать с ними.
Среди различных по морфологии лизосомных частиц выделяют четыре типа: первичные и вторичные лизосомы, аутофагосомы и остаточные тельца.
Первичные лизосомы.
Обычно это мелкие мембранные пузырьки диаметром около 100 нм с бесструктурным содержимым, содержащим активную кислую фосфатазу - маркерный фермент для лизосом. Показано, что ферменты лизосом синтезируются, как обычно, в гранулярном ретикулюме, а упаковываются в мембранные пузырьки в аппарате Гольджи. Весь путь образования первичных лизосом очень сходен с образованием секреторных гранул, например, в клетках поджелудочной железы.
Вторичные лизосомы.
Фагоцитарные или пиноцитозные вакуоли, сливаясь с первичными лизосомами, образуют вторичные лизосомы. Начинается процесс расщепления поглощенных клеткой субстратов под действием гидролаз, содержавшихся в первичной лизосоме. Биогенные вещества расщепляются до мономеров, которые транспортируются через мембрану лизосомы в цитоплазму, где они реутилизируются, включаются в различные синтетические и обменные процессы. Разнообразие величины и структуры клеточных лизосом связано в первую очередь с разнообразием вторичных лизосом - продуктов слияния эндоцитозных вакуолей с первичными лизосомами.
Остаточные тельца.
Расшепление биогенных макромолекул внутри лизосом может идти не до конца. В этом случае в полости лизосомы накапливаются непереваренные продукты, и вторичная лизосома становится остаточным тельцем (телолизосомой). Их содержимое уплотняется и перестраивается. Часто в остаточных тельцах наблюдается вторичная структуризация непереваренных липидов, которые образуют сложные слоистые структуры. Там же откладываются пигментные вещества.
Аутолизосомы.
По морфологии аутолизосомы (аутофагосомы) относят ко вторичным лизосомам, но внутри этих частиц встречаются фрагменты или даже целые цитоплазматические структуры, такие как митохондрии, пластиды, рибосомы, элементы ретикулюма и т. д. Предполагается, что процесс аугофагоцитоза связан с отбором и уничтожением измененных, «сломанных» клеточных компонентов.
7. Аппарат Гольджи.
Аппарат Гольджи (Гольджи комплекс) по имени К. Гольджи, органоид клетки.
Во многих клетках животных, например в нервных, он имеет форму сложной сети, расположенной вокруг ядра. В клетках растений и простейших аппарат Гольджи представлен отдельными тельцами серповидной или палочковидной формы. Строение этого органоида сходно в клетках растительных и животных организмов, несмотря на разнообразие его формы (см. приложение № 8).
В состав аппарата Гольджи входят: полости, ограниченные мембранами и расположенные группами (по 5-10); крупные и мелкие пузырьки, расположенные на концах полостей. Все эти элементы составляют единый комплекс.
Аппарат Гольджи выполняет много важных функций.
Доводит белки до окончательной рабочей формы, например, «сшивает» некоторые белки в крупные белковые комплексы, присоединяет к некоторым белкам необходимые ионы металлов.
Образует мембранные пузырьки, которые, покидая комплекс Гольджи либо реставрируют клеточную мембрану, либо превращаются в лизосомы. Лизосомы - мембранные органеллы клетки, представляющие микроскопические пузырьки, наполненные пищеварительными ферментами.
Выполняют пищеварительную и защитную функции. Например, в клетках поджелудочной железы млекопитающих синтезируются пищеварительные ферменты, которые накапливаются в полостях органоида.
Могут слипаться с пищеварительной вакуолью, изливая в нее пищеварительные ферменты. При контакте клетки с чужеродным веществом или с чужой клеткой лизосомы слипаются с клеточной мембраной, выделяя свои ферменты во вне клетки. Ферменты лизосом могут также принимать участие в «запрограммированной смерти» собственной клетки.
Благодаря деятельности аппарата Гольджи происходят обновление и рост плазматической мембраны.
8. Рибосомы.
Рибосомы обнаружены в клетках всех организмов. Это микроскопические тельца округлой формы диаметром 15-20 нм. Каждая рибосома состоит из двух неодинаковых по размерам частиц, малой и большой (см. приложение № 14).
В одной клетке содержится много тысяч рибосом, они располагаются либо на мембранах гранулярной эндоплазматической сети, либо свободно лежат в цитоплазме.
В состав рибосом входят белки и РНК. Функция рибосом - это синтез белка. Синтез белка – сложный процесс, который осуществляется не одной рибосомой, а целой группой, включающей до нескольких десятков объединенных рибосом. Такую группу рибосом называют полисомой .
Синтезированные белки сначала накапливаются в каналах и полостях эндоплазматической сети, а затем транспортируются к органоидам и участкам клетки, где они потребляются.
Эндоплазматическая сеть и рибосомы (см. приложение № 8) , расположенные на ее мембранах, представляют собой единый аппарат биосинтеза и транспортировки белков.
9. Митохондрии.
Мембранные самоделящиеся органеллы. В цитоплазме большинства клеток животных и растений содержатся мелкие тельца (0,2-7 мкм) - митохондрии (греч. «митос» - нить, «хондрион» - зерно, гранула).
Митохондрии хорошо видны в световой микроскоп, с помощью которого можно рассмотреть их форму, расположение, сосчитать количество (см. приложение № 8). Внутреннее строение митохондрий изучено с помощью электронного микроскопа.
Оболочка митохондрии состоит из двух мембран - наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, она не образует никаких складок и выростов. Внутренняя мембрана, напротив, образует многочисленные складки, которые направлены в полость митохондрии. Складки внутренней мембраны называют кристами (лат. «криста» - гребень, вырост) В них протекает процесс окисления молочной кислоты, в результате которого выделяется энергия, запасаемая в виде АТФ.
Число крист неодинаково в митохондриях разных клеток. Их может быть от нескольких десятков до нескольких сотен, причем особенно много крист в митохондриях активно функционирующих клеток, например мышечных.
Митохондрии называют «силовыми станциями» клеток, так как их основная функция - синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Эта кислота синтезируется в митохондриях клеток всех организмов и представляет собой универсальный источник энергии, необходимый для осуществления процессов жизнедеятельности клетки и целого организма.
Размножаются митохондрии, как и бактерии, прямым делением.
10. Клеточный центр.
В клетках вблизи ядра находится органоид, который называют клеточным центром. Основную часть клеточного центра составляют два маленьких тельца (иногда более) – центриоли , расположенные в небольшом участке уплотненной цитоплазмы. Каждая центриоль имеет форму цилиндра длиной до 1 мкм, стенки которого образованы микротрубочками, расположенными вдоль оси цилиндра. Центриоли содержат белки и небольшое количество РНК. В клетке имеется две пары центриолей. В каждой паре центриоли расположены перпендикулярно друг другу.
Центриоли играют важную роль при делении клетки. Они образуют длинные белковые нити, так называемое веретено деления. При делении клетки центриоли расходятся к ее полюсам, определяя ориентацию веретена деления.
11. Пластиды.
Пластиды - мембранные самоделящиеся органеллы клеток. В отличие от всех органелл, рассмотренных выше, пластиды встречаются только в растительных клетках.
По строению напоминают митохондрии: образованы двумя мембранами наружной гладкой и внутренней, образующей многочисленные плоские выросты - тилакоиды . Все тилакоиды расположены стопками наподобие стопок монет. Каждая стопка называется граной . Между гранами находится внутренняя жидкость пластида называемая стромой . В ней находится собственная ДНК, строением напоминающая бактериальную.
Размножаются пластиды подобно бактериям прямым делением.
По особенностям строения выделяют три основных типа пластид (см. приложение № 15) : зеленые - хлоропласты; красные, оранжевые и желтые - хромопласты; бесцветные - лейкопласты.
а) Хлоропласт.
Эти органоиды содержатся в клетках листьев и других зеленых органов растений (побегах, незрелых плодах), а также у разнообразных водорослей.
Размеры хлоропластов 4-6 мкм, наиболее часто они имеют овальную форму. У высших растений в одной клетке обычно бывает несколько десятков хлоропластов.
Зеленый цвет хлоропластов зависит от содержания в них пигмента хлорофилла.
Хлоропласт - основной органоид клеток растений, в котором происходит фотосинтез, т. е. образование органических веществ (углеводов) из неорганических (С02 и Н20) при использовании энергии солнечного света.
По строению хлоропласты сходны с митохондриями (см. приложение № 16). От цитоплазмы хлоропласт отграничен двумя мембранами - наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, без складок и выростов, а внутренняя образует много складчатых выростов, направленных внутрь хлоропласта. Поэтому внутри хлоропласта сосредоточено большое количество мембран, образующих особые структуры - граны. В мембранах гран располагаются молекулы хлорофилла, потому именно здесь происходит фотосинтез.
В хлоропластах синтезируется и АТФ. Между внутренними мембранами хлоропласта содержатся ДНК, РНК и рибосомы. Следовательно, в хлоропластах, так же как и в митохондриях, происходит синтез белка, необходимого для деятельности этих органоидов. Хлоропласты размножаются делением (см. приложение №17) .
б) Хромопласты.
Хромопласты - пластиды, содержащие жироподобные пигменты, окрашивающие клетку в желтый, оранжевый, красный цвета. Встречаются в созревших плодах растений, придавая им соответствующую окраску, а также осенью в листьях листопадных деревьев.
в) Лейкопласты.
Лейкопласты - бесцветные пластиды. На внутренней мембране они не содержат никаких пигментов. В клетке отвечают за синтез и накопление полисахаров (крахмала). В большом количестве встречаются в клетках подземных побегов (клубнях картофеля, топинамбура), а также в плодах и семенах.
г) Превращения пластид.
Хлоропласты легко могут перерождаться в другие типы пластид. Мы наблюдаем это при пожелтении и покраснении созревающих плодов или листьев осенью. В темноте хлоропласты способны обесцвечиваться, превращаясь в лейкопласты. Однако эти процессы необратимы: лейкопласты и хромопласты никогда не превращаются обратно в хлоропласты.
Ядро (клеточное ядро) обязательная часть клетки у многих одноклеточных и всех многоклеточных организмов. Размеры от 1 мкм (у некоторых простейших) до 1 мм (в яйцах некоторых рыб и земноводных). Термин «ядро» (лат. nucleus) впервые применил Р. Броун в 1833 году, когда описывал шарообразные структуры, наблюдаемые им в клетках растений (см. приложение № 8).
а) Ядерная оболочка.
Внутреннее пространство клеточного ядра отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой, состоящей из двух мембран. Мембраны оболочки ядра сходны по строению с другими мембранными компонентами клетки и построены по тому же принципу: это тонкие липопротеидные пленки, состоящие из двойного слоя липидных молекул, в который встроены молекулы белков.
Пространство между внутренней и внешней ядерными мембранами называется перинуклеарным.
На поверхности внешней ядерной мембраны обычно располагается большое количество рибосом, и иногда удается наблюдать непосредственный переход этой мембраны в систему каналов гранулярной эндоплазматической сети клетки.
Внутренняя ядерная мембрана связана с тонким волокнистым белковым слоем - ядерной ламиной , состоящей из белков ламинов. Густая сеть фибрилл ядерной ламины способна обеспечить целостность ядра, даже после растворения липидных мембран оболочки ядра в эксперименте. С внутренней стороны к ламине крепятся петли хроматина, заполняющего ядро.
Ядерная оболочка имеет отверстия диаметром около 90 нм, образующиеся за счет слияния внешней и внутренней ядерных мембран. Такие отверстия в оболочке ядра окружены сложными белковыми структурами, получившими название комплекса ядерной поры.
Восемь белковых субъединиц, входящих в состав ядерной поры, располагаются вокруг перфорации ядерной оболочки в виде колец, диаметром около 120 нм, наблюдаемых в электронный микроскоп с обеих сторон ядерной оболочки. Белковые субъединицы комплекса поры имеют выросты, направленные к центру поры, где иногда видна «центральная гранула» диаметром 10-40 нм.
Размер ядерных пор и их структура стандартны для всех клеток эукариот. Число ядерных пор зависит от метаболической активности клеток: чем выше уровень синтетических процессов в клетке, тем больше пор на единицу площади поверхности клеточного ядра.
В процессе ядерно-цитоплазматического транспорта ядерные поры функционируют как некое молекулярное сито, пропуская ионы и мелкие молекулы (сахара, нуклеотиды, АТФ и др.) пассивно, по градиенту концентрации, и осуществляя активный избирательный транспорт крупных молекул белков и рибонуклеопротеидов, то есть комплексов рибонуклеиновых кислот (РНК) с белками. Так, например, белки, транспортируемые в ядро из цитоплазмы, где они синтезируются, должны иметь определенные последовательности примерно из 50 аминокислот, (т. Наз. NLS последовательности), «узнаваемые» комплексом ядерной поры. В этом случае комплекс ядерной поры, затрачивая энергию в виде АТФ, активно транслоцирует белок из цитоплазмы в ядро.
б) Хроматин.
Клеточное ядро является вместилищем практически всей генетической информации клетки, поэтому основное содержимое клеточного ядра - это хроматин: комплекс дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и различных белков.
В ядре и, особенно, в митотических хромосомах, ДНК хроматина многократно свернута, упакована особым образом для достижения высокой степени компактизации. Ведь все длинные нити ДНК, общая длина которых составляет, например, у человека около 164 см, необходимо уложить в клеточное ядро, диаметр которого всего несколько микрометров. Эта задача решается последовательной упаковкой ДНК в хроматине с помощью специальных белков.
Основная масса белков хроматина - это белки гистоны, входящие в состав глобулярных субъединиц хроматина, называемых нуклеосомами . Всего существует 5 видов белков гистонов.
Нуклеосома представляет собой цилиндрическую частицу, состоящую из 8 молекул гистонов, диаметром около 10 нм, на которую «намотано» чуть менее двух витков нити молекулы ДНК. В электронном микроскопе такой искусственно деконденсированный хроматин выглядит как «бусины на нитке».
В живом ядре клетки нуклеосомы плотно объединены между собой с помощью еще одного линкерного гистонового белка, образуя так называемую элементарную хроматиновую фибриллу, диаметром 30 нм. Другие белки, негистоновой природы, входящие в состав хроматина обеспечивают дальнейшую компактизацию. т. е. укладку, фибрилл хроматина, которая достигает своих максимальных значений при делении клетки в митотических или мейотических хромосомах.
В ядре клетки хроматин присутствует как в виде плотного конденсированного хроматина, в котором 30 нм элементарные фибриллы упакованы плотно, так и в виде гомогенного диффузного хроматина. Количественное соотношение этих двух видов хроматина зависит от характера метаболической активности клетки, степени ее дифференцированности. Так, например, ядра эритроцитов птиц, в которых не происходит активных процессов репликации и транскрипции, содержат практически только плотный конденсированный хроматин.
Некоторая часть хроматина сохраняет свое компактное, конденсированное состояние в течение всего клеточного цикла - такой хроматин называется гетерохроматином и отличается от эухроматина рядом свойств.
в) Репликация и транскрипция.
Клетки эукариот содержат обычно несколько хромосом (от двух до нескольких сотен), которые теряют в ядре (в интерфазе, т. е. между митотическими делениями) клетки свою компактную форму, разрыхляются и заполняют объем ядра в виде хроматина. Несмотря на деконденсированное состояние, каждая хромосома занимает в ядре строго определенное положение и связана с ядерной оболочкой посредством ламины. Строго закреплены на внутренней поверхности оболочки ядра такие структуры хромосом, как центромеры и теломеры.
На определенной стадии жизненного цикла клетки, в синтетическом периоде, происходит репликация, т. е. удвоение всей ДНК ядра, и хроматина становится в два раза больше. Белки, необходимые для этого процесса, поступают, конечно, из цитоплазмы через ядерные поры. Таким образом, клетка готовится к предстоящему клеточному делению - митозу, когда общее количество ДНК в ядре вернется к первоначальному уровню.
Реализация генетической информации, заключенной в ДНК в виде генов, начинается с транскрипции, т. е. с синтеза информационных РНК (и-РНК) - точных копий генов, по которым затем будут строиться в цитоплазме на рибосомах белки.
Этот процесс проходит в различных точках в объеме ядра, морфологически ничем не отличающихся от окружающего хроматина. Чаще всего удается наблюдать транскрипцию диффузного, т.е. деконденсированного хроматина.
Кроме хроматина, составляющего хромосомы, в ядрах эукариот обычно содержится одно или несколько ядрышек.
г) Ядерный белковый матрикс.
Для осуществления процессов репликации, транскрипции, а также поддержания определенного положения хромосом в объеме ядра существуют каркасные белковые структуры, называемые ядерным белковым матриксом. Такой матрикс состоит, по крайней мере из трех морфологических компонентов:
· периферического фиброзного слоя - ламины;
· внутреннего, или интерхроматинового матрикса ядра
· и матрикса ядрышка.
Наблюдения показывают, что компоненты ядерного матрикса - это не жесткие застывшие структуры, они динамичны и могут сильно видоизменяться в зависимости от функциональных особенностей ядер. Показано, что белковый матрикс имеет множество точек прочного связывания с ДНК ядра, которая, в свою очередь, имеет специальные последовательности нуклеотидов, необходимые для этого.
13. Ядрышки.
а) Количество ядрышек в клетке.
Начиная с зеленых водорослей, грибов и низших простейших и кончая высшими организмами, все клетки имеют обязательные внутриядерные структуры – ядрышки (см. приложение № 18). Это правило имеет большое число исключений, которые только подчеркивают важность и необходимость ядрышка в жизненном цикле клетки. К таким исключениям относятся клетки дробящихся яиц, где ядрышки отсутствуют на ранних этапах эмбриогенеза, или клетки закончившие развитие и необратимо специализировавшиеся, например, некоторые клетки крови.
Количество ядрышек в клетке может меняться, однако их число на ядро зависит от генного баланса клетки. Было найдено, что в образовании ядрышек участвуют определенные места некоторых хромосом, связь которых с ядрышком можно хорошо проследить в телофазе и профазе. Такие хромосомы, как правило, имеют вторичные перетяжки, зоны которых представляют собой места, где идет развитие ядрышек. Мак Клинток (1934) назвал эти участки хромосом “ядрышковыми организаторами”.
Места вторичных перетяжек особенно характерны для расположения ядрышковых организаторов, но последние иногда могут находиться на концах хромосом или в нескольких местах по длине хромосомы.
Общее число ядрышек на ядро определяется числом ядрышковых организаторов и увеличивается согласно плоидности ядра. Однако часто количество ядрышек на ядро бывает меньше числа ядрышковых организаторов. Было показано, что ядрышки могут сливаться; кроме того, в образовании одного ядрышка иногда участвует несколько организаторов.
Еще в работах М. С. Навашина (1934) было показано, что хромосомный локус, который в нормальных условиях образует крупное ядрышко, становится неактивным, когда после гибридизации в ядре появляется более “сильный” локус на другой хромосоме. Тот факт, что в определенных условиях может подавляться активность одних ядрышковых организаторов или же повышаться активность других, бывших до этого в латентном, скрытом состоянии, указывает на то, что в клетках поддерживается определенный баланс количества ядрышкового материала или, другими словами, регулируется “валовая” продукция, выдаваемая ядрышками.
Исходя из перечисленных выше фактов, можно сделать следующие заключения:
Þ образования ядрышек и их число связаны с активностью определенных участков хромосом - ядрышковых организаторов, которые расположены большей частью в зонах вторичных перетяжек;
Þ изменения в числе ядрышек в клетках данного типа могут происходить за счет слияния ядрышек или за счет сдвигов в хромосомном балансе клетки.
б) Физиология и химия ядрышка.
Ядрышко по сравнению с другими компонентами клетки характеризуется как самая плотная структура с наиболее высокой концентрацией РНК, с чрезвычайно высокой активностью в отношении синтеза РНК.
Концентрация РНК в ядрышках всегда выше концентрации РНК в других компонентах клетки, так концентрация РНК в ядрышке может быть в 2-8 раз выше, чем в ядре, и в 1-3 раза выше, чем в цитоплазме. Отношение концентрации РНК в ядре, ядрышке и цитоплазме клеток печени мыши составляет 1:7, 3:4, 1, в клетках поджелудочной железы - 1: 9, 6:6, 6.
В ядрышке не обнаруживается ДНК, но все же при исследовании фиксированных клеток вокруг ядрышка всегда выделяется зона хроматина. Этот околоядрышковый хроматин, по данным электронной микроскопии, представляется, как интегральная часть сложной структуры ядрышка.
Ядрышко - одно из самых активных мест в клетке по включению предшественников в РНК. Ядрышковая РНК является предшественником цитоплазматической РНК.
Цитоплазматическая РНК синтезируется в ядрышках.
в) РНК ядрышек.
Оценивая общее содержание в ядрышковых фракциях белков, РНК и ДНК, можно видеть, что на долю РНК приходится около 10% всей массы ядрышка.
Так как основную массу цитоплазматической РНК составляет рибосомная РНК, то можно сказать, что ядрышковая РНК принадлежит к этому классу.
Подтверждением представлений того, что именно ядрышко является местом синтеза рРНК и образования рибосом, послужило то, что из ядрышковых препаратов были выделены РНП-частицы, которые как по составу РНК (по седиментационным свойствам), так и по размеру можно охарактиризовать как рибосомы или их предшественники с различными коэффициентами седиментации.
г) ДНК ядрышек.
Биохимическими исследованиями обнаружено в выделенных ядрышках определенное количество ДНК, которую можно отождествить с околоядрышковым хроматином или с ядрышковыми организаторами хромосом. Содержание ДНК в выделенных ядрышках - 5-12% от сухого веса и 6-17% от всей ДНК ядра.
ДНК ядрышкового организатора - это та самая ДНК, на которой происходит синтез ядрышковой, т.е. рибосомной, РНК.
Таким образом из биохимических работ появились представления о том, что в ядрышке на ДНК локализованы многочисленные одинаковые гены для синтеза рРНК. Синтез рРНК идет путем образования огромного предшественника и дальнейшего его превращения (созревания) в более короткие молекулы РНК для большой и малой субъедениц рибосом.
Изучая ядрышки ооцитов тритонов, исследователи столкнулись с интересным явлением - сверхчисленностью ядрышек. Во время роста ооцита появляется до 1000 мелких ядрышек, не связанных с хромосомами. Именно эти ядрышки выделил О.Миллер, вместе с этим на ядро ооцита увеличивается количество рДНК. Это явление получило название амплификации . Оно заключается в том, что происходит сверхрепликация зоны ядрышкового организатора, многочисленные копии отходят от хромосом и становятся дополнительно работающими ядрышками. Такой процесс необходим для накопления огромного (10 12) количества рибосом на яйцевую клетку, что обеспечит в будущем развитие эмбриона на ранних стадиях даже при отсутствии синтеза новых рибосом. Сверхчисленные ядрышки после созревания яйцевой клетки исчезают.
д) Ультраструктура ядрышек.
При изучении большого числа различных клеток животных и растений отмечена волокнистая или сетчатая структура ядрышек, заключенная в более или менее плотную диффузную массу. Были предложены названия для этих частей: волокнистая часть - нуклеонема и диффузная, гомогенная часть - аморфное вещество, или аморфная часть . Сделанные почти одновременно с этим электронно-микроскопические исследования также выявили волокнисто-нитчатое строение ядрышек.
Однако такое нитчатое строение ядрышка не всегда четко выражено. У некоторых клеток отдельные нити нуклеонем сливаются, и ядрышки могут быть совершенно однородными.
При более пристальном изучении ядрышка можно заметить, что основные структурные компоненты ядрышка - плотные гранулы диаметром около 15 нм и тонкие фибриллы толщиной 4-8 нм. Во многих случаях (ооциты рыб и амфибий, меристематические клетки растений) фибриллярный компонент собран в плотную центральную зону (сердцевина), лишенную гранул, а гранулы занимают переферическую зону ядрышка. В ряде случаев (например, клетки корешков растений) в этой гранулярной зоне не наблюдается никакой дополнительной структуризации.
Было найдено, что аморфные участки ядрышек неоднородны. В их структуре выявляются малоокрашенные зоны - фибриллярные центры - и окружающие их более темные участки, тоже имеющие фибриллярное строение.
Кроме этих двух компонентов ядрышек в последнее время большое внимание уделялось строению околоядрышкового хроматина. Этот хроматин и внутриядрышковая сеть ДНК являются единой системой и представляют собой интегральный компонент ядрышка.
Гранулы и фибриллярная часть состоят из рибонуклеопротеидов.
Показано, что именно светлые фибриллярные центры содержат рДНК.