Текст книги "Цитология"

Клетки прокариот и эукариот

Живые клетки появились на Земле, видимо, около 3,5–4 миллиардов лет тому назад. Одно из наиболее удивительных свидетельств общности происхождения всех клеток и совместной ранней эволюции – это универсальность генетического кода: организация триплетов нуклеотидов в составе нуклеиновых кислот, которые кодируют аминокислоты, входящие в состав белков. Генетический код почти не различается у всех современных организмов, следовательно, такой способ кодирования генетической информации появился и закрепился на ранних стадиях эволюции.

Ранние этапы клеточной эволюции связаны с распространением в разных средах обитания небольших клеток размером 1–2 мкм с простой внутренней организацией. Это клетки прокариот, к ним относятся бактерии, сине-зеленые водоросли, иначе их называют цианобактериями, и микоплазмы. Форма клеток может быть сферической, удлиненной или более сложной (извилистой). Они имеют плазматическую мембрану, которая служит барьером для транспорта молекул между внутренней средой клетки и ее окружением. В клетке имеется цитоплазма, в центральной части клетки находится одна двуспиральная молекула ДНК, обычно замкнутая в кольцо. В цитоплазме расположены рибосомы – мельчайшие органоиды, способные синтезировать белок из аминокислот по заданной программе, записанной в матричных РНК (мРНК). В цитоплазме таких клеток могут храниться вещества запаса. Отличительной особенностью клеток прокариот является наличие сложной, объемной (до 30 % сухого веса) защитной оболочки, которая иначе называется клеточной стенкой (рис. 1.1). Поскольку в этих клетках происходят активные синтетические процессы, требующие больших затрат энергии, то клетке необходимы молекулы – носители энергии. Такими молекулами являются АТФ, они образуются в процессе дыхания на складчатых выростах плазматической мембраны, направленных внутрь клетки, называемых мезосомами.

Рис. 1.1. Схема строения клетки прокариот: а) микоплазма; б) бактерия; в) цианобактерия (по Ролан, Селоши, Селоши, 1978). 1 – ДНК; 2 – рибосомы; 3 – цитоплазматическая мембрана; 4 – мезосома; 5 – клеточная стенка; 6 – тилакоид; 7 – секретируемые и запасные вещества.

Бактерии – это наиболее простые одноклеточные организмы, обнаруженные в самых разнообразных средах обитания. Они легко приспосабливаются к окружающей среде, очень быстро размножаются. Каждые 20–30 минут после удвоения кольцевой молекулы ДНК клетка делится надвое, если в среде обитания достаточно веществ, способных обеспечить все эти процессы энергией. Бактерии живут на Земле дольше других организмов и превосходят по численности все другие типы клеток. В настоящее время хорошо изучен генетический материал бактериальных клеток, и показано, что в составе кольцевой ДНК находится около 5000 генов, кодирующих разнообразные белки бактерий.

Цианобактерии, в ботанической литературе их называют сине-зелеными водорослями, сходны по простоте организации с бактериями и обитают в водной среде. Они имеют клеточную стенку, сходную по химическому составу с бактериями, аналогично бактериям у них организован генетический аппарат и все клеточные структуры. Цианобактерии в несколько раз крупнее обычных бактериальных клеток. Главная их особенность – способность к фотосинтезу, который происходит на особых мембранных образованиях внутри прокариотической клетки.

Микоплазмы – мельчайшие клеточные организмы прокариотического типа. Их размер примерно 0,3 мкм, что соответствует среднему размеру митохондрий, имеющихся в эукариотической клетке. Чаще всего микоплазмы являются паразитами, обитающими в растительных или животных клетках. Паразитический образ жизни привел к упрощению их организации: они утратили клеточную стенку, границей клетки служит плазматическая мембрана; их молекула ДНК в несколько раз меньше ДНК обычной бактериальной клетки, в ней закодировано всего несколько сот белков, обеспечивающих жизнедеятельность микоплазм. Большинство необходимых молекул микоплазмы получают из клетки, в которой они паразитируют. Примером может служить микоплазма, паразитирующая в эпителиальных клетках половых путей человека, являясь причиной хронических воспалений половых путей.

На эволюционном пути клеточного развития имеется важная веха. Приблизительно 1,5 миллиарда лет тому назад произошел переход от маленьких клеток со сравнительно простой организацией – прокариот, к бо́льшим по размерам и значительно более сложно устроенным эукариотическим клеткам – клеткам растений, грибов и животных.

Главные отличия эукариотических клеток:

1. Имеют оформленное ядро со сложной структурой организации.

2. Они гораздо крупнее прокариотических клеток, их средний размер несколько десятков микрометров.

3. В цитоплазме имеются органоиды, окруженные мембраной, и цитоскелет белковой природы, обеспечивающий движение органелл и самой клетки.

4. Деление эукариотических клеток – это сложный процесс, связанный с образованием хромосом, веретена деления и распределением хромосом между дочерними клетками. Основной тип деления эукариотической клетки – митоз.

5. Оболочки эукариотических клеток отличаются по химическому составу и строению от клеточной стенки прокариот.

Рассмотрим схему строения растительной и животной клетки с учетом данных электронной микроскопии (рис. 1.2). Анализ схемы показывает, как много общего между этими клетками: организация и структура ядра, наличие плазматической мембраны, цитоплазмы, органоидов цитоплазмы, таких как эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии, рибосомы, микротрубочки. Следовательно, даже если рассматривать только морфологию растительной и животной клетки, не учитывая функции органоидов, можно говорить о гомологии этих клеток. Однако в их организации есть и различия, они объясняются прежде всего тем, что растительные и животные клетки характеризуются разным типом питания. Животные клетки являются гетеротрофами, они получают большинство органических молекул из окружающей среды в процессе питания, это – сахара, аминокислоты, органические кислоты. Растительные клетки – автотрофы. Они могут аккумулировать солнечную энергию, превращая ее в энергию химических связей. За счет фотосинтеза в растительной клетке образуются сахара, аминокислоты, жиры, белки и углеводы. Для этого в растительной клетке есть специальные органоиды – хлоропласты, которые функционально связаны и с другими пластидами. Кроме того, у нее присутствует прочная твердая оболочка поверх плазматической мембраны. Особенности жизненной организации привели к образованию большой центральной вакуоли, которая представляет собой резервуар для воды, обеспечивает напряженность клетки и является местом отложения продуктов обмена веществ. Особенности жизнедеятельности растительной клетки объясняют и особенности в организации цитоскелета.

Рис. 1.2. Схема строения клетки животных (а) и растений (б) с учетом данных электронной микроскопии (по Ченцову, 1988). 1 – плазматическая мембрана; 2 – клеточная стенка; 3 – плазмодесмы; 4 – микроворсинки; 5 – ядро; 6 – хроматин; 7 – ядерная оболочка; 8 – ядрышко; 9 – ядерная пора; 10 – рибосомы; 11 – гранулярный эндоплазматический ретикулум; 12 – аппарат Гольджи; 13 – секреторные вакуоли; 14 – первичные лизосомы; 15 – вторичные лизосомы; 16 – пиноцитозные вакуоли; 17 – гладкий эндоплазматический ретикулум; 18 – отложение гликогена; 19 – митохондрии; 20 – хлоропласты; 21 – вакуоли; 22 – капли липидов; 23 – центриоль; 24 – микротрубочки; 25 – микрофиламенты.

Анализ сходства и различия в организации эукариотических и прокариотических клеток показал, что эти клетки устроены по-разному. Но, тем не менее, можно говорить о гомологии и между этими клетками. Общие черты их организации состоят в следующем: все типы клеток имеют плазматическую мембрану и цитоплазму; наследственная информация однотипно закодирована в молекулах ДНК; реализация наследственной информации происходит в процессе синтеза белка на рибосомах с помощью молекул РНК; носителем энергии во всех типах клеток являются молекулы АТФ. Таким образом, первое положение клеточной теории, говорящее о том, что клетка – это элементарная единица всего живого и все клетки гомологичны между собой, опирается на общую основу принципов организации клеток прокариот и эукариот.

Вопросы

1. Приведите примеры представителей прокариот.

2. Опишите организацию прокариотической клетки.

3. В чем особенности организации цианобактерий и микоплазм?

4. Какие размеры имеет прокариотическая клетка?

5. Чем эукариотические клетки отличаются от прокариотических?

6. Что общего между клетками растений и животных?

7. Какие особенности есть в организации растительной клетки и с чем это связано?

8. Почему мы говорим о гомологии всех типов клеток?

Ключевые понятия цитологии: дифференцировка, стволовые клетки, тотипотентность клеток и ядер

Дифференцировка клеток. В организме человека сегодня выделяют более 200 разнообразных клеточных типов, различающихся по выполняемым функциям и особенностям организации. Вспомним простые примеры дифференцированных клеток: клетки эпителия, нервной, мышечной и соединительной ткани (рис. 1.3). Среди них есть и безъядерные клетки – эритроциты млекопитающих, в том числе и человека. Эти эукариотические клетки в процессе созревания утратили ядро, а с ним и способность к делению. Разнообразие клеток многоклеточных организмов связано с тем разнообразием специфических функций, которые выполняют клетки. Процесс, который приводит к образованию узкоспециализированных клеток со специфическими структурами, называется дифференцировкой.

Рис. 1.3. Морфологическое разнообразие дифференцированных клеток животных. 1 – клетка печени аксолотля; 2 – нейрон спинного мозга собаки; 3 – эритроциты лягушки; 4 – эритроциты человека; 5 – многоядерная поперечно-полосатая мышечная клетка языка кролика в продольном сечении; 6 – фибробласт соединительной ткани.

Дифференцировка – это сложный и часто длительный процесс. Клетка постепенно меняет форму, в ней изменяется состав органоидов, некоторые из которых могут размножаться, например митохондрии. Другие органоиды в процессе дифференцировки могут утрачиваться. Например, в цитоплазме зрелого эритроцита млекопитающих остаются только рибосомы, поэтому на препаратах под световым микроскопом в цитоплазме этих клеток отсутствует зернистость. В мышечных клетках постепенно исчезает кажущаяся хаотичность расположения клеточных структур, органоиды ориентируются правильными рядами. В процессе дифференцировки возможно изменение поверхности клеток. Плазматические мембраны соседних клеток могут образовывать специализированные клеточные контакты, например синаптические контакты между нейронами.

Как же возникают разнообразные клеточные типы в многоклеточном организме? За редким исключением все клетки многоклеточного организма содержат одинаковый набор генов, однотипную генетическую информацию. Например, у человека в каждой клетке присутствуют около 30 000 генов. На современном этапе развития клеточной и молекулярной биологии, генетики, эмбриологии считается, что индивидуальное развитие от одной оплодотворенной яйцеклетки до многоклеточного организма с большим разнообразием клеток – результат сложного взаимодействия клеток и регуляции работы генов. Обычно в дифференцированной клетке работает 15–20 % генов, характерных для клеток с конкретной специализацией. Остальные гены находятся в неактивном состоянии. В организме присутствуют механизмы, регулирующие работу генов. Если научиться управлять ими, можно регулировать процесс дифференцировки. Современная наука близка к этому.

Стволовые клетки. Очень часто процесс дифференцировки приводит к тому, что клетки утрачивают способность делиться. Дифференцированные клетки функционируют какое-то время, потом погибают, причем их гибель происходит по заданной программе, которая тоже регулируется генетически. Например, продолжительность жизни эритроцитов человека около 120 суток, а эпителиальных клеток тонкого кишечника – не более нескольких дней. Есть клетки, продолжительность жизни которых соответствует жизни индивидуума, например нейроны. Но, как теперь стало известно, при травмах и патологических состояниях состав нейронов тоже может пополняться, хотя бы частично. Таким образом, в каждом органе, в каждом типе ткани присутствуют недифференцированные или мало дифференцированные клетки, которые способны к делению. За счет таких клеток ткани и органы обновляются в течение всей жизни. Исходные клетки в обновляющихся тканях животных называются стволовыми. Стволовые клетки индивидуальны для каждого типа ткани. Их особенность не только в том, что они не дифференцированы, но и в том, что они самоподдерживаются. После деления стволовой клетки митозом образуются две идентичные клетки, одна из которых остается в популяции стволовых клеток, а другая начинает дифференцироваться. Благодаря такому механизму популяция стволовых клеток в каждом типе ткани сохраняется в течение всей жизни.

Название «стволовые (родоначальные) клетки» было предложено русским ученым А. А. Максимовым в 1909 г. Большую роль в исследовании стволовых клеток сыграли работы российских ученых – А. Я. Фриденштейна, Н. Г. Хрущева и сотрудников.

Принято разделять стволовые клетки на эмбриональные (выделяют из эмбрионов на ранней стадии развития, когда еще нет ни тканей, ни закладок органов) и региональные стволовые клетки, которые выделяют из органов взрослых особей или органов эмбрионов более поздних стадий.

У растений обновление тканей и органов происходит иначе – за счет меристемы, которая закладывается на эмбриональной стадии развития и сохраняется в различных частях растения в течение его жизни. Кроме того, у растений способность к делению сохраняют малодифференцированные клетки большинства живых зрелых тканей.

Полипотентность и тотипотентность клеток. Обычно в составе ткани или органа функционируют несколько клеточных типов. Вспомним хотя бы клеточный состав крови: эритроциты, лимфоциты, лейкоциты, тромбоциты. Все эти разнообразные клетки образуются в процессе дифференцировки из одной стволовой кроветворной клетки, которая находится в красном костном мозге плоских и трубчатых костей. Таким образом, стволовая клетка – родоначальница клеток крови – может дифференцироваться в разных направлениях. В таких случаях говорят, что стволовые клетки полипотентны, то есть они могут дифференцироваться в нескольких направлениях. Другой пример полипотентности – нейрональные стволовые клетки, обнаруженные недавно в некоторых отделах головного мозга, они могут превращаться в клетки, входящие в состав ткани головного мозга: нейроны, астроциты и олигодендроциты. Не все стволовые клетки обладают таким свойством. Клетки – предшественники поперечно-полосатых мышечных клеток проходят дифференцировку только в одном направлении, они сливаются и преобразуются в гигантские сократительные мышечные волокна.

Существуют стволовые клетки, которые могут дифференцироваться в любом направлении. Из них могут получиться и нейроны, и эпителиальные, и мышечные, и любые другие типы клеток. О таких стволовых клетках говорят, что они тотипотенты. Тотипотентные стволовые клетки называются эмбриональными стволовыми клетками и находятся в определенных участках развивающегося эмбриона. Ученые разработали методы получения таких клеток и выращивания их в перевиваемой клеточной культуре. Клеточные культуры тотипотентных эмбриональных стволовых клеток служат прекрасной моделью для изучения процесса дифференцировки. Предполагается, что в перспективе эмбриональные стволовые клетки можно будет использовать для лечения больных, получивших тяжелые травмы головного и спинного мозга, перенесших инфаркты и другие тяжелые заболевания, связанные с поражением тканей, которые при обычном лечении очень плохо восстанавливаются.

Во всех ядрах клеток, даже дифференцированных, хранится генетическая информация, которая должна обеспечить специализацию клеток в любом направлении. Но ядро находится под воздействием цитоплазмы, гормонов, разнообразных сигнальных молекул и определенного клеточного окружения. Это приводит к тому, что большая часть генетической информации присутствует, но не функционирует, находится в неактивном состоянии. Ученые исследуют, каким образом можно активировать гены, находящиеся в ядре, создавая определенные искусственные условия. Такие работы начали проводить со второй половины XX в. Широко известным примером успешных шагов в этом направлении может служить клонированная овца по кличке Долли. Ее вырастили из неоплодотворенной яйцеклетки, у которой ее собственное ядро заменили на ядро высокодифференцированной клетки эпителиального происхождения из молочной железы другой овцы. Подобных экспериментов было проведено много с разнообразными представителями домашних животных. Все эти исследования показывают, что ядра дифференцированных клеток животных и растений обладают свойством тотипотентности, и проявляться это свойство может в искусственно созданных экспериментальных условиях.

Репродуктивное клонирование встречается с множеством этических, религиозных, юридических проблем, которые в настоящее время еще не имеют решения. В некоторых государствах работы по репродуктивному клонированию запрещены на законодательном уровне.

Вопросы

1. Что такое дифференцировка?

2. Приведите примеры дифференцированных клеток. Почему вы считаете, что это дифференцированные клетки?

3. Что такое стволовые клетки? В чем их особенность?

4. Объясните понятия: полипотентность и тотипотентность клеток. Приведите примеры.

Клеточный цикл

Рост многоклеточного организма осуществляется за счет деления клеток. Основным типом клеточного деления является митоз. Клетки, которые делятся через некоторые промежутки времени, находятся в клеточном цикле. Он отражает череду событий в клетке от начала митоза до следующего деления. Промежуток времени между двумя последовательными митозами называется интерфазой. Таким образом, клеточный цикл подразделяется на митоз и интерфазу (рис. 1.4).

Митоз происходит в течение 1,5–2 часов, интерфаза во много раз более продолжительна. В это время клетка очень активна. И в ядре, и в цитоплазме происходят синтетические процессы. Синтезируются нуклеиновые кислоты, белки, клеточные мембраны, образуются разнообразные органоиды. Однако все процессы происходят не хаотично, а в определенной последовательности. В связи с этим интерфазу подразделяют на три периода: G₁, S, G₂ (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схематическое изображение клеточного цикла (по Епифановой, 2003). М – митоз; G₁, S, G₂ периоды цикла; вместе они составляют интерфазу.

Первый период – G₁, он наступает после окончания митоза. Этот период называют также периодом роста клетки, постмитотическим, или пресинтетическим. Дело в том, что в результате митоза из одной материнской клетки образуются две дочерние. Они меньше исходной материнской клетки, следовательно, им нужно достичь определенного размера. Это возможно только в результате активных процессов синтеза. Для того чтобы клетка могла подготовиться к следующему делению, должна удвоиться ее генетическая информация, а для этого необходимы специальные ферменты. Ферменты, работающие в процессе репликации ДНК, тоже синтезируются в G₁-периоде.

Следующий период называется синтетическим, или S-периодом. В это время происходит удвоение всех молекул ДНК в ядре, иначе этот процесс называется репликацией. Это длительный период, обычно он продолжается в течение 9–10 часов.

Клетка – очень надежная система. Каждый процесс обязательно имеет точку контроля. Поэтому в S-периоде обязательно происходит проверка правильности репликации ДНК. Если какие-то участки ДНК имеют дефекты, то вступают в работу ферменты репарации. Они могут найти неправильно спаренные нуклеотиды в двойной спирали ДНК, удалить небольшой участок одной из нитей и восстановить правильную структуру. После многократных проверок и устранения всех дефектов в структуре молекулы ДНК клетка может окончательно готовиться к митозу.

Непосредственная подготовка к митозу происходит в G₂-периоде. Иначе этот период называют постсинтетическим, или премитотическим. Обычно это наиболее короткий период интерфазы. В это время изменяется набор белков в цитоплазме и ядре. Синтезируются белки, необходимые для построения веретена деления. Образуются белки, обеспечивающие перестройку хроматина, так как в митозе из хроматина образуются хромосомы.

Продолжительность клеточного цикла зависит от особенности клеток. В настоящее время показано, что суммарная длительность S-периода и G₂-фазы – величина относительно постоянная, для многих эукариот это 10–15 часов. Время G₁-периода может очень сильно изменяться у разных клеточных типов одного и того же организма. Например, у мыши в разных типах эпителиальных клеток длительность G₁-периода колеблется от 3 часов в волосяных фолликулах до 528 часов в эпидермисе уха.

Как разбиралось ранее, по мере того как клетка дифференцируется, она утрачивает способность к делению, то есть клетка выходит из клеточного цикла. Выход из клеточного цикла – сложный процесс, который регулируется специальными белками. Клетка не может выйти из клеточного цикла в любой момент. Она может это сделать только в определенной точке. Чаще всего это происходит в конце G₁-периода, реже – в G₂-фазе до начала митоза. Период жизни клетки, когда она находится вне клеточного цикла и не может делиться называется G₀-фазой. Существуют клетки, которые пребывают в G₀-фазе в течение всей жизни индивидуума. Это нейроны, мышечные клетки сердца, клетки хрусталика глаза. Клетки печени человека могут в течение нескольких месяцев находиться в G₀-периоде, а потом опять войти в клеточный цикл и начать делиться. Фибробласты соединительной ткани – малодифференцированные клетки. Они активно размножаются при зарастании раны, а до этого могут длительное время находиться вне клеточного цикла в G₀-фазе. Стволовые клетки постоянно находятся в клеточном цикле. Но их клеточный цикл очень длительный за счет увеличения фазы G₁.

Регуляция клеточного цикла, переход из одного периода в другой – очень сложный процесс, который активно изучается в настоящее время. Описаны белки и ферменты-регуляторы клеточного цикла: циклины, протеинкиназы, факторы, стимулирующие клеточный цикл, и факторы, тормозящие его. Найдены контрольные точки регуляции процессов клеточного цикла. В регуляции участвуют как внутриклеточные белки, так и активные молекулы, выделяемые соседними клетками, а также гормоны, выделяемые в кровь железами внутренней секреции. Широко известно, что в качестве допинга спортсмены часто используют эритропоэтин. Это биологически активное вещество, стимулирующее деление клеток крови, своеобразный фактор роста. Факторы роста могут синтезировать и выделять из клеток многие клеточные типы. Известны факторы роста эпителиальных клеток, фибробластов, тромбоцитов и даже нервных клеток. Все они могут принимать участие в регуляции клеточного деления на уровне организма в целом.

Вопросы

1. Дайте определение клеточного цикла.

2. Что такое интерфаза? Что происходит с клеткой в интерфазе?

3. Перечислите периоды клеточного цикла, в течение которых происходит транскрипция в ядре.

4. В каком периоде клеточного цикла происходит репликация?

5. Какова продолжительность митоза, S + G₂ периодов?

6. Продолжительность какого периода наиболее изменчива? Приведите примеры.

7. Что происходит с клеткой в G₀-фазе?

8. Дайте характеристику клеточного цикла стволовых клеток.

9. Как осуществляется регуляция клеточного цикла?