Б. Клетки эукариот

Вторая основная категория живых существ — это эукариоты, т. е. организмы, клетки которых содержат истинное ядро. Клетки эукариот крупнее и сложнее по строению, чем клетки прокариот. В ядре, окруженном мембраной, заключена большая часть ДНК, которая таким образом отделена от цитоплазмы. В цитоплазме содержатся различные органеллы, каждая из которых обладает характерной структурой, — митохондрии, лизосомы, центриоли. Клетки эукариот так разнообразны по размерам и форме и настолько специализированы, что описать «типичную» клетку практически невозможно. Все же на рис. 1-3 мы попытались изобразить некую «усредненную» клетку, отчасти животную, отчасти растительную.

1. Размеры и строение клеток эукариот

Как видно из табл. 1-2, где приводятся диаметр и объем некоторых клеток, близких по форме к сфере, диапазон изменений клеточных размеров огромен. И тем не менее можно считать, что типичный диаметр как растительных, так и животных клеток равен 10—20 мкм. Что касается крупных клеток типа яйцеклетки, то в синтезе питательных веществ, которые затем переносятся в развивающееся яйцо, принимают участие большое число окружающих ее клеток.

Многие клетки имеют далеко не сферическую форму. Например, эритроциты человека представляют собой диски размером 8·8·(1—2) мкм и объемом 80 мкм³. Клетки растительных волокон достигают не скольких миллиметров в длину. Нервные клетки животных имеют длинные отростки, аксоны; у человека их длина достигает 1 м.

В табл. 1-3 приведены размеры геномов некоторых клеток эукариот; здесь же для сравнения указаны размеры генома Е. coli.

Как видно из таблицы, у дрожжей количество генетического материала примерно в 5 раз больше, чем у Е. coli, а у человека (и мыши) — в 600 раз. Нужно сказать, однако, что у высших организмов гены нередко дублированы и в клетке присутствуют многократно повторяющиеся последовательности ДНК. Функция таких повторов неизвестна (у некоторых амфибий содержание ДНК в расчете на одну клетку в 25 раз больше, чем у человека). Уотсон высказал предположение, что количество собственно генетического материала в клетках позвоночных по крайней мере в 20—50 раз выше, чем у Е. coli. Следовательно, число генов в клетке человека составляет величину порядка 10⁶.

2. Ядро

Диаметр ядра обычной клетки животного равен ~5 мкм, а объем ~ 65 мкм³. За исключением того периода, когда клетка делится, ядро плотно и почти равномерно заполнено ДНК. Даже с помощью электронного микроскопа не удается различить в ядре какой-либо определенной структуры. Вследствие своих кислотных свойств ДНК окрашивается основными красителями. Задолго до возникновения современной биохимии ядерное вещество, окрашивающееся этими красителями, получило название хроматин. Во время деления клетки хроматин организуется в отдельные хромосомы, содержащие помимо ДНК (15%) еще и РНК (около 10%), и белок (75%). Почти вся РНК клетки синтезируется (транскрибируется) в ядре в соответствии с инструкциями, закодированными в ДНК. Далее в большинстве случаев РНК выходит из ядра в цитоплазму, где непосредственно участвует в синтезе белков (трансляция генетической информации), а также, вполне возможно, и в других, еще не известных нам процессах.

Клеточное ядро содержит одно или несколько плотных ядрышек — областей, чрезвычайно обогащенных РНК (здесь присутствует 10—20% суммарного количества РНК клетки). Ядрышки — это места синтеза и временного накопления рибосомной РНК, которая в больших количествах идет на сборку рибосом.

Ядерная оболочка состоит из двух мембран, разделенных слоем в несколько десятков нанометров; оболочка окружает ядро и отделяет перинуклеарное (околоядерное) пространство. В мембранах имеются поры диаметром 40—100 им, так что по структуре она напоминает сито. Поры представляют собой трубчатые канальца диаметром ~4,5 нм, по которым из ядра в цитоплазму проходят РНК и другие вещества.

3. Плазматическая мембрана

Тонкая (~8 нм) наружная клеточная мембрана — плазмалемма — регулирует поток веществ в клетку и из клетки, проводит импульсы в нервных и мышечных волокнах, а также участвует в химических взаимодействиях с другими клетками. Складки наружной мембраны нередко вдаются глубоко внутрь клетки, в цитоплазму; так, например, в клетках поперечнополосатых мышц они образуют трубочки Т-системы, которая участвует в проведении возбуждения, инициирующего процесс сокращения. Складки плазматической мембраны могут соединяться с ядерной оболочкой, создавая прямые каналы (один или несколько) между внеклеточной средой и перинуклеарным пространством.

Образованные плазматической мембраной пузырьки в некоторых случаях отшнуровываются в цитоплазму и сливаются с лизосомами. Таким путем клетка может заглатывать плотные частицы (фагоцитоз) или капельки (пиноцитоз) из окружающей среды. На поверхности клеток, функция которых состоит в секреции или поглощении определенных веществ из внеклеточной среды (например, клетки, выстилающие почечные канальцы, или секреторные клетки поджелудочной железы), обычно имеются тончайшие выросты — микроворсинки, которые значительно увеличивают клеточную поверхность. В некоторых случаях отростки соседних клеток соприкасаются друг с другом, обеспечивая тем самым более тесный контакт между клетками.

4. Цитоплазматические мембраны

Хотя цитоплазма представляет собой жидкость (рассматривая некоторые организмы, можно видеть, как она быстро течет), все же с помощью электронного микроскопа выявилось, что жидкая субстанция — цитозоль — пронизана множеством мембран, образующих так называемый эндоплазматический ретикулум (ЭР), который состоит из сложной сети трубочек, пузырьков и уплощенных мешочков (цистерн). Внутренняя полость цистерн ЭР соединяется, по-видимому, с перинуклеарным пространством и с рядом (обычно 3—12) уплощенных, слегка изогнутых дискообразных мембран, называемых аппаратом Гольджи [13] Эта структура (рис. 1-3) была впервые описана Камилло Гольджи в 1898 г., но ее существование долгое время ставилось под сомнение. Часть ЭР (шероховатый эндоплазматический ретикулум) выстлана множеством рибосом диаметром -21—25 нм. Хотя рибосомы эукариот сходны с бактериальными рибосомами, они примерно на 50% тяжелее (4·10⁶ дальтон). Гладкий эндоплазматический ретикулум не несет рибосом, однако он способен, по-видимому, вносить изменения в молекулы белка, синтезированного на рибосомах шероховатого ЭР, например присоединять к ним углеводные цепи.

Мембраны Гольджи расположены в непосредственной близости к гладкому ЭР со стороны, обращенной к центру клетки. Наружные края мембран Гольджи образуют вздутия, из которых затем формируются вакуоли, нередко обильно наполненные ферментами и другими соединениями. Такие секреторные гранулы продвигаются к поверхности клетки и выделяются во внеклеточную среду. В ходе указанного процесса (экзоцитоза) мембраны, окружающие секреторные гранулы, сливаются с наружной клеточной мембраной.

Аппарат Гольджи представляет собой не просто место «упаковки» белков — в нем также протекают различные реакции синтеза. Как и в гладком ЭР, в мембранах Гольджи идет присоединение углеводов к белкам (с образованием гликопротеидов) и сульфатных групп к полисахаридам [16, 17]. В клетках печени аппарат Гольджи участвует в процессе выделения в кровь липопротеидов, а также, возможно, жирорастворимых витаминов (в частности, витамина А) [18]. Таким образом, ЭР, мембраны Гольджи и секреторные гранулы представляют собой организованную систему структур, выполняющую биосинтетические функции.

Эта система участвует не только в синтезе ферментов, которые сек-ретируются клеткой, но и в образовании новых мембран. По-видимому, шероховатый ЭР поставляет мембранный материал гладкому ЭР и аппарату Гольджи, а компоненты мембран Гольджи включаются в состав наружной клеточной мембраны. В растительных клетках наружные мембраны митохондрий и мембраны, окружающие вакуоли, также образуются непосредственно из ЭР. Компоненты наружных клеточных мембран, вероятно, могут использоваться повторно, включаясь в соответствующую структуру в ходе эндоцитоза.

Микросомы (термин, часто встречающийся в биохимической литературе) — это мелкие частицы диаметром 50—150 нм, которые представляют собой фрагменты в основном ЭР и частично плазматической мембраны. Микросомы образуются в процессе растирания или гомогенизации клеток. При центрифугировании разрушенных клеток сначала оседают ядра и другие крупные фрагменты, затем — митохондрии. При очень высоких скоростях (например, при 100 000 g) оседают микросомы (их масса составляет ~10⁸ — 10⁹ дальтон). На электронных микрофотографиях видно, что в микросомах фрагменты мембран замыкаются с образованием небольших мешочков, на наружной поверхности которых сохраняются рибосомы.

Способность к образованию замкнутых структур присуща, по-видимому, фрагмен-там любых мембран. Так, при гомогени-зации нервных клеток из их синаптических окончаний образуются замкнутые структу-ры — синаптосомы. Правда, последние формируются из фрагментов плаз-матической мембраны, а не ЭР и часто содержат митохондрии.

5. Митохондрии и пластиды

Характерной особенностью клеток эукариот является присутствие митохондрий — сложных образований с двойной мембраной, близких по величине к бактериям (рис. 1-3). Внутренняя мембрана митохондрий образует многочисленные глубокие складки, так называемые кристы (гребневидные выросты). Наружная мембрана проницаема для соединений с небольшим молекулярным весом, но проникновение веществ во внутреннее пространство митохондрий (в матрикс) и выход из него находятся под строгим контролем внутренней мембраны. Хотя отдельные окислительные реакции протекают в ЭР, все же основные процессы, связанные с образованием и накоплением энергии, у аэробных организмов локализованы в митохондриях; именно в этих органеллах происходит утилизация основной части кислорода. В свое время многие биохимики были крайне удивлены, обнаружив в митохондриях кольцевую ДНК с небольшим молекулярным весом. Далее оказалось, что митохондрии содержат рибосомы, по размеру сходные с бактериальными, но меньшие, чем рибосомы, прикрепляющиеся к шероховатому ЭР.

Митохондрии присутствуют во всех клетках эукариот, использующих; для дыхания кислород. Число митохондрий на клетку варьирует от 1 (у мельчайших трипаносом) до 3·10⁵ (в некоторых ооцитах). Типичная клетка печени содержит более 1 000 митохондрий.

Пластиды — это органеллы клеток растений, выполняющие различные функции. Наиболее важную роль играют хлоропласты, содержащие-хлорофилл структуры, в которых протекает фотосинтез. Как и в митохондриях, в хлоропластах имеется складчатая внутренняя мембрана и некоторое количество ДНК небольшого молекулярного веса.

6. Лизосомы и микротельца

Лизосомы представляют собой пузырьки, окруженные одиночной мембраной и содержащие полный набор ферментов для расщепления, практически любого компонента клетки. Лизосомы, по-видимому, образуются из мембран Гольджи. В клетках, способных захватывать частички пищи (например, у амеб), лизосомы являются источником ферментов для ее расщепления. Лизосомы переваривают также «отработанные» или излишние клеточные компоненты, в том числе митохондрии. Лизосомы — жизненно необходимые клеточные органеллы; некоторые серьезные болезни человека обусловлены отсутствием именно специфических лизосомных ферментов.

Во многих клетках встречаются микротельца, в зеленых листьях их число достигает иногда 1/3 числа митохондрий. Микротельца по величине близки к митохондриям, но окружены однослойной мембраной и иногда имеют кристаллическую по виду «сердцевину» («core»). Мембрана микротелец проницаема для низкомолекулярных соединений (например, для сахарозы), что позволяет отделить эти органеллы от митохондрий путем центрифугирования в градиенте сахарозы, где микротельца имеют плотность около 1,25 г·см³, а непроницаемые для сахарозы митохондрии — 1,19.

В микротельцах находится большое количество ферментов, катализирующих образование и разложение перекиси водорода. Описаны два типа микротелец: пероксисомы, присутствующие в клетках печени, почек и зеленых листьев, и глиоксисомы, обнаруженные в прорастающих семенах масличных культур. Глиоксисомы играют особую роль, а именно катализируют реакции глиоксилатного цикла.

7. Центриоли, реснички, жгутики и микротрубочки

Во многих клетках присутствуют центриоли; это маленькие цилиндры диаметром около 0,15 мкм и длиной 0,5 мкм, не связанные с мембранами. Каждая центриоль содержит набор тонких микротрубочек диаметром 20 нм. Практически во всех животных клетках вблизи ядра расположена пара центриолей, которые играют важную роль в клеточном делении. В клетках растений центриоли не обнаружены.

По структуре центриоли сходны со жгутиками или более короткими образованиями — ресничками (эти термины, в сущности, синонимы), обычно находятся на поверхности клеток эукариот и являются органами движения. Неподвижные клетки тела человека также нередко имеют реснички. Например, эпителий бронхов несет 10⁹ ресничек на 1 см². Модифицированные жгутики образуют светочувствительные рецепторы нашего глаза и рецепторы вкуса на языке. Жгутики и реснички несколько больше по диаметру (около 0,2 мкм), чем центриоли, и обладают характерной внутренней структурой: они состоят из 11 полых микротрубочек диаметром ~24 им, организованных по схеме «9 + 2» (рис. 1-5). Каждая микротрубочка внешне похожа на жгутик бактерии, но существенно отличается от него по химическому составу. Базальное тельце, называемое также кинетосомой (рис. 1-5), по структуре, размерам и способу воспроизведения сходно с центриолью. Микротрубочки, подобные тем, которые входят в состав жгутиков, обнаружены также в цитоплазме клеток. Они выглядят как маленькие канальцы, но действительно ли играют такую роль — неясно. Скорее всего микротрубочки выполняют опорную функцию «цитоскелета». В аксоне нерва микротрубочки расположены по всей длине аксона и, вероятно, составляют часть механической системы переноса клеточных компонентов.

8. Клеточные оболочки, стенки и раковины

Подобно бактериям, клетки высших растений и животных часто покрыты внеклеточным материалом. Так, растительные клетки имеют жесткую стенку, содержащую в большом количестве целлюлозу и другие полимерные углеводы. Клетки, расположенные на наружных поверхностях растений, бывают покрыты восковым слоем. Клетки животных снаружи обычно защищены гликопротеидами — комплексами углеводов со специфическими белками клеточной поверхности. Пространство между клетками заполнено такими «цементирующими веществами», как пектины у растений и гиалуроновая кислота у животных. Нерастворимые белки — коллаген и эластин — секретируются клетками соединительной ткани. Клетки, лежащие на поверхности (эпителиальные или эндотелиальные), нередко граничат с другой стороны с тонкой, содержащей коллаген базальной мембраной (рис. 1-3). Часто в результате совместного действия клеток различного типа происходит отложение неорганических соединений — фосфата кальция (в костях), карбоната кальция (скорлупа яиц и спикулы губок), окиси кремния (раковины диатомовых водорослей) и т. п. Таким образом, обмен веществ в значительной мере протекает вне клеток.