Читать книгу "Цитология"

Политенные хромосомы

Как указывалось ранее, обычные хромосомы появляются в клетке только во время деления и содержат неактивный генетический материал, упакованный для переноса из материнской клетки в две дочерние. Известно, что всякое правило имеет исключение. Таким исключением в функционировании хромосом являются политенные хромосомы, наблюдаемые в ядрах интерфазных клеток вместо обычных структур хроматина. Термин «политенные» означает многонитчатые. Обычно в хромосоме, состоящей из двух хроматид, упакованы две нити двуспиральной молекулы ДНК. В политенных хромосомах таких нитей много. Они образуются при слиянии гомологичных хромосом в интерфазе, после чего молекулы ДНК проходят несколько циклов репликации, при этом новые нити не отходят друг от друга, располагаясь рядом. В результате такого процесса политенные хромосомы у некоторых объектов могут содержать до 1000 молекул ДНК и более.

ДНК в таких хромосомах упакована в несколько этапов, как это известно для хроматина. Какие-то участки суперспирализованы, другие упакованы более рыхло. Это приводит к тому, что такие хромосомы выявляются в ядре в виде длинных лент с поперечной исчерченностью (рис. 4.9). Рисунок исчерченности индивидуален для каждой отдельной хромосомы. Интенсивно окрашенные полосы называются дисками, более светлые и тонкие полоски – междисками.

Рис. 4.9. Политенные хромосомы из клеток слюнной железы личинки комара Chironomus, ×900. 1 – пуфы; 2 – ядрышко, стрелкой обозначено сочетание дисков и междисков (по Ролан, Селоши, Селоши, 1978).

Диаметр политенной хромосомы изменчив, некоторые участки могут быть сильно утолщены, они называются пуфами. Экспериментально показано, что пуфы образуются на базе нескольких дисков. В этих участках гетерохроматин раскручивается, переходит в состояние диффузного хроматина, в нем выявляется укладка хроматиновых фибрилл петлями. Особенно большие пуфы наблюдаются в районе ядрышкового организатора. Методом авторадиографии показано, что в пуфах происходит активная транскрипция с образованием молекул РНК.

Таким образом, политенные хромосомы функционально соответствуют хроматину интерфазной клетки. Образование политенных хромосом связано со своеобразным процессом дифференцировки. Клетки, имеющие такие хромосомы, являются высокодифференцированными и делиться не могут.

В природе политенные хромосомы встречаются редко, у ограниченного числа объектов животного и растительного происхождения. Впервые такие хромосомы были описаны в клетках слюнных желез личинок двукрылых насекомых, в частности у такого известного модельного объекта как плодовая мушка дрозофила. Схожие политенные хромосомы описаны в гигантских клетках трофобласта плаценты грызунов и в гигантских ядрах антипод злаковых растений. Долгое время политенные хромосомы были замечательным объектом для изучения тонкой структуры хромосом и регуляции работы генов. Природе этих хромосом посвящено большое количество научных работ в 70-е гг. XX в.

Вопросы

1. В чем функциональное отличие политенных хромосом от метафазных хромосом?

2. Как образуются политенные хромосомы? В чем их значение в клетке?

3. Опишите строение политенных хромосом.

4. Как часто в природе встречаются политенные хромосомы? Приведите примеры.

Полиплоидия

Плоидность – это число наборов хромосом, находящихся в ядре клетки. Полиполидия – это увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному или диплоидному их числу. В соответствии с увеличением количества хромосом увеличивается и количество молекул ДНК.

Половые клетки гаплоидны, они содержат 1n набор хромосом, каждая хромосома состоит из одной хроматиды, соответственно, количество молекул ДНК – 1с. В процессе оплодотворения ядра половых клеток сливаются и в зиготе количество хромосом становится 2n, количество ДНК – 2с. Зигота делится митозом, перед этим проходит интерфаза с S-периодом, в результате чего каждая молекула ДНК удваивается, количество хромосом в клетке не меняется, но каждая хромосома имеет две сестринские хроматиды. Итог: в клетке 2n хромосом, 4с ДНК, клетка диплоидна.

Если хромосомой считать хроматиду, то после удвоения ДНК клетка содержит 4n хромосом и является тетраплоидной.

Согласно классическим представлениям, диплоидная клетка может стать полиплоидной в результате двух процессов, связанных с нарушением либо клеточного цикла, либо митоза. Если во время митоза сестринские хроматиды распределились между новыми ядрами, а цитоплазма не поделилась, то образуется двуядерная клетка, в каждом ядре 2n хромосом, 2с ДНК. Общее количество хромосом в клетке 4n, после прохождения следующего синтетического периода количество хромосом не изменится (4n), но количество ДНК удвоится (8с). Таким образом, клетка будет тетраплоидной. Такой тип полиплоидии встречается в природе. Обычно среди клеток печени до 20 % клеток бывают двуядерными, следовательно, полиплоидными. Полиплоидные клетки более крупные, в них более активны синтетические процессы.

Другая причина образования полиплоидных клеток – разрушение веретена деления во время митоза. Хромосомы, состоящие из двух хроматид, остаются в центре клетки, когда сестринские хроматиды разъединяются в районе центромеры, каждая из них становится хромосомой, и количество хромосом удваивается. Исходно было 2n хромосом, станет 4n.

Разрушение веретена деления наблюдается в природе при резком похолодании, снижении температуры до нуля градусов. Это способствует образованию полиплоидных клеток у растений. Человек научился управлять этим процессом. Были открыты органические соединения растительного происхождения, например колхицин, которые разрушают микротрубочки веретена деления, и, следовательно, применяются для получения полиплоидных клеток. Такие воздействия используются для получения полиплоидных сортов растений, отличающихся повышенной урожайностью и другими полезными свойствами.

В ряде случаев полиплоидизация клетки происходит в процессе дифференцировки. При этом из клеточного цикла исключается фаза митоза, и репликация ДНК может происходить в условиях отсутствия клеточного деления, что наблюдается в тетраплоидных клетках сердечной мышцы, которые имеют одно большое полиплоидное ядро или два диплоидных.

Полиплоидия широко распространена в природе. Известны случаи, когда полиплоидия является причиной видообразования у растений, а также используется при отдаленной гибридизации у растений. В то же время полиплоидия может приводить к мутационным изменениям, несовместимым с жизнью особи. Известно, что у человека полиплоидные эмбрионы не развиваются, и беременность заканчивается самопроизвольным выкидышем на ранних стадиях развития.

Вопросы

1. Что такое полиплоидия?

2. Как образуются полиплоидные клетки?

3. В чем значение полиплоидии в природе?

4. Как человек использует явление полиплоидии?

Ядрышко

Ядрышко (или несколько ядрышек) выявляется в ядрах под световым микроскопом как интенсивно окрашенная структура, более крупная, чем глыбки хроматина. Давно подмечена закономерность, что суммарный размер ядрышек в ядре может характеризовать уровень синтетических процессов в клетке. В клетках, активно синтезирующих белок, ядрышки бывают крупными. Установлено, что активные эукариотические клетки в течение одного клеточного цикла используют несколько миллионов рибосом, и все они образуются в ядрышке.

На электронных микрофотографиях ядрышки клеток разного типа выглядят по-разному. Тем не менее в составе ядрышка всегда выявляются две структуры: электронно-плотный участок, вокруг которого располагается более рыхлая зона, которая при хорошем разрешении электронной микроскопии выглядит зернистой (рис. 4.10). Эти два морфологических компонента ядрышка соответственно называются фибриллярный и гранулярный. Они различаются не только по морфологии, но и по функциям.

Рис. 4.10. Фибриллярная и гранулярная структура ядрышка в клетках эмбриона крысы на ранних стадиях развития, ×20 000. 1 – фибриллярный компонент ядрышка; 2 – гранулярный компонент; 3 – ядерная оболочка (по Ролан, Селоши, Селоши, 1978).

Ядрышки являются продуктом активности хромосом. Они образуются в тех местах диспергированных хромосом интерфазного ядра, где локализованы рибосомные гены, кодирующие рибосомные РНК (рРНК). Особенностью рибосомных генов является то, что они относятся к повторяющимся генам, так называемым умеренным повторам, и в хромосомах разных объектов могут повторяться сотни и тысячи раз. Обычно рибосомные гены не разбросаны по всем хромосомам, а собраны вместе, кластерно, несколько десятков или сотен повторов в определенных хромосомах. Такие хромосомы имеют некоторые особенности в морфологии: вторичную перетяжку, отделяющую небольшой фрагмент хромосомы – спутник. Если в кариотипе имеются хромосомы со вторичной перетяжкой, можно с уверенностью сказать, что именно в этих районах расположены рибосомные гены и этот район является районом ядрышкового организатора. В кариотипе человека такие районы расположены в пяти парах акроцентрических хромосом в области короткого плеча. Количество повторов рибосомных генов в хромосомах человека в диплоидной клетке составляет около 400.

В фибриллярной части ядрышка образуются рибосомные РНК, являющиеся важным компонентом в процессе образования рибосом. Процесс образования рРНК достаточно сложный. Он начинается с транскрипции, в результате чего синтезируется гигантская молекула – предшественник трех разных молекул рРНК, отличающихся по размерам и последовательности нуклеотидов. После синтеза гигантской молекулы-предшественника начинается ее преобразование. Постепенно она разрезается на фрагменты размером 160, 5000 и 2000 нуклеотидов, которые и являются рибосомными РНК и включаются в состав рибосом.

Субъединицы рибосом не одинаковы по размерам. В рибосоме различают малую и большую субъединицы. В состав малой входит рРНК размером 2000 нуклеотидов и более 30 различных уникальных молекул белка, которые синтезируются в цитоплазме и поступают в ядрышко через поры ядерной оболочки. В состав большой субъединицы входят самая большая молекула рРНК размером около 5000 нуклеотидов и небольшая молекула рРНК размером 160 нуклеотидов. Кроме того, в составе большой субъединицы должна присутствовать еще одна небольшая молекула рРНК, длиной всего 120 нуклеотидов, но она кодируется генами, расположенными совсем в другой хромосоме. У человека эти гены занимают небольшой участок на хромосомах с номером 1. После образования этой дополнительной небольшой молекулы рРНК и поступления ее в район ядрышка может быть собрана и большая субъединица рибосом. Однако, помимо трех различных молекул рРНК, в ее состав входит около 50 различных белков, которые синтезируются в цитоплазме и поступают в ядро через ядерные поровые комплексы. Считается, что сборка субъединиц рибосом происходит в гранулярном компоненте ядрышка.

Полностью зрелых субъединиц рибосом в ядре нет. Окончательное формирование рибосом происходит в цитоплазме. Малая и большая субъединицы рибосом по отдельности покидают ядро через ядерные поры посредством активного транспорта с затратой энергии. Размер транспортного канала ядерной поры таков, что он должен быть дополнительно расширен, чтобы пропустить субъединицы рибосом. За одну минуту через пору транспортируется 2–3 субъединицы рибосом.

Когда в клетке прекращаются активные синтетические процессы, ядрышко сильно уменьшается в размерах. Гранулярный компонент исчезает, так как субъединицы рибосом выходят в цитоплазму. Фибриллярная часть может оставаться в ядре в виде проядрышек. Например, так происходит в процессе дифференцировки эритроцитов птиц. Если клетка готовится к митозу и в профазе из хроматина образуются хромосомы, то остатки фибриллярного ядрышка могут захватываться хромосомами при спирализации хромосомного материала и переноситься хромосомами в дочерние клетки. В митозе ядрышко исчезает в конце профазы, появляясь вновь в телофазе, когда хромосомы начинают опять раскручиваться и переходить в состояние хроматина.

Вопросы

1. На каких участках интерфазных хромосом образуется ядрышко?

2. Что такое районы ядрышкового организатора?

3. Что вы знаете о фибриллярном и гранулярном компоненте ядрышка?

4. Что вы знаете о рибосомных генах?

5. Каков химический состав субъединиц рибосом, образуемых в ядрышке?

6. Откуда поступают белки, необходимые для образования рибосом?

7. Что вы знаете о рибосомных РНК? Как они образуются?

8. Что происходит с ядрышком во время митоза?

Ядерный белковый матрикс

Ядерный белковый матрикс – это своеобразный каркас ядра, который сохраняет форму ядра после поэтапного извлечения ДНК, РНК и растворения ядерной оболочки.

Химическая природа ядерного остова белковая, со следовыми количествами ДНК, РНК и фосфолипидов. В ядерном белковом матриксе различают три основных компонента: периферический слой белков, прилегающий к внутренней мембране ядерной оболочки и взаимодействующий с ней, внутреннюю белковую сеть и белковый остов ядрышка.

Периферический слой белков называется ла́миной (ударение на первый слог). Он играет очень важную роль в сохранении формы ядра, именно с этим слоем взаимодействуют теломерные районы хромосом, когда они деспирализуются и закрепляются в ядре в строго определенном месте. Со слоем ла́мины взаимосвязаны также сложные структуры ядерных пор. Когда в профазе митоза ядерная оболочка разрушается, то ядерные поры сохраняют связь с небольшими фрагментами ла́мины.

Белковый остов ядра и ядрышка представлен рыхлой сетью небольших фибрилл. Показано, что фибриллы ядерного белкового остова могут взаимодействовать с петлями хроматина и небольшими глыбками гетерохроматина, образуя достаточно прочную связь. Благодаря таким взаимодействиям расположение хроматина в ядре структурируется, и хромосомы занимают строго определенное место. С белковыми нитями ядерного остова могут взаимодействовать также ферменты, обеспечивающие активную работу ядра.

Таким образом, функциональное значение ядерного белкового матрикса состоит в обеспечении структурной организации активного интерфазного ядра.

Вопросы

1. Благодаря каким структурам ядро имеет соответствующую форму?

2. Назовите компоненты ядерного белкового матрикса.

3. Что такое белковая ла́мина? Каковы ее функции?

4. В чем значение ядерного белкового матрикса?

Глава 5. Цитоплазма и клеточная мембрана

Цитоплазма – это часть клетки, заключенная между плазматической мембраной и ядром. В цитоплазме различают органоиды – универсальные структуры клетки, связанные с выполнением ее основных функций, временные включения (липиды, углеводы, пигменты) и специализированные образования (миофибриллы). Органоиды цитоплазмы могут иметь мембрану, отграничивающую их внутреннее содержимое от гиалоплазмы. Одномембранные органоиды цитоплазмы: эндоплазматический ретикулум двух видов – гладкий и шероховатый; аппарат Гольджи; лизосомы; пероксисомы и все возможные типы вакуолей. Двумембранные органоиды: митохондрии и все типы пластид растительной клетки, включая зеленые хлоропласты. Внутренние мембраны таких органоидов могут иметь в своем составе ферментные комплексы, обеспечивающие синтез АТФ, главной молекулы-носителя энергии в клетке. В цитоплазме функционируют органоиды, не имеющие мембран, среди которых можно отметить свободные (не связанные с мембраной эндоплазматического ретикулума) рибосомы, клеточный центр, в состав которого в животной клетке входит пара центриолей (рис. 5.1). Важной структурой цитоплазмы является цитоскелет клетки, представленный разнообразными нитями белковой природы. Цитоскелет – это динамичная изменяющаяся структура клетки, в функции которой входит поддержание формы клетки, адаптация к внешним воздействиям, экзо– и эндоцитоз, обеспечение движения клетки, активный внутриклеточный транспорт и клеточное деление. В мышечных клетках цитоскелет структурирован и обеспечивает процесс сокращения и расслабления.

В цитоплазме животной клетки могут находиться включения в виде запасных питательных веществ: гранулы гликогена и капли жира. Они не являются обязательными компонентами цитоплазмы и встречаются лишь в некоторых типах клеток. Запасы гликогена выявляются в клетках печени, в нейронах, мышечных клетках. Капли жира можно увидеть в клетках печени, что связано с особенностями обмена веществ в этих клетках. Перечисленные клетки считаются наиболее энергозатратными, для их успешной работы требуется много АТФ, а для синтеза молекул носителей энергии требуется много глюкозы, образующейся при гидролизе гликогена.

Рис. 5.1. Клетка крови эмбриона мыши в период дифференцировки, ×20 000. Ядро бобовидной формы, значительная часть хроматина в конденсированном состоянии (1). Ядерная оболочка имеет многочисленные поры (6). В цитоплазме отмечены органоиды: митохондрии (3), эндоплазматический ретикулум (2), аппарат Гольджи (9), пара центриолей (7, 8), фагоцитарная вакуоль (5). Не отмечены множество рибосом и полисом. Отмечены извилистые очертания плазматической мембраны (4) (по Ролан, Селоши, Селоши, 1978).

В цитоплазме осуществляются процессы метаболизма клетки, но функционирование цитоплазмы происходит под контролем ядра. При участии ядра цитоплазма может расти после митоза, полностью регенерировать при частичном удалении. В отсутствие ядра цитоплазма, как правило, не способна к длительному автономному существованию.

Гиалоплазма

Гиалоплазма – это жидкая фаза цитоплазмы клетки, в которой расположены органеллы. Она представляет собой сложную коллоидную систему с высокой концентрацией белков в ней. В бактериальной клетке на долю белков гиалоплазмы приходится 50 % всех клеточных белков. В эукариотической клетке белки гиалоплазмы составляют четверть сухой массы клеточных белков.

Всякая коллоидная система обладает вязкостью. Высокая вязкость гиалоплазмы обеспечивает пространственное разделение процессов метаболизма, протекающих в разных частях клетки. Вязкость гиалоплазмы может меняться по ряду причин. Она уменьшается при повышении оптимальной температуры, изменении давления, закислении среды. Нормальная реакция среды в гиалоплазме клетки близка к нейтральной (рН 6,8–7,2). При нарушении газообмена клетки, при уменьшении скорости оттока конечных продуктов метаболизма может происходить закисление гиалоплазмы. Это явление наблюдается при ишемии, связанной с нарушением кровоснабжения участка ткани или органа. В таких условиях гелеобразная структура гиалоплазмы переходит в менее вязкую фазу – золь, что приводит к нарушению пространственного разобщения процессов метаболизма клетки. Итогом таких изменений могут быть патологические изменения клетки.

Структурные изменения гиалоплазмы из геля в золь и обратно могут происходить под действием полимеризации и деполимеризации белков цитоскелета, присутствующих в гиалоплазме в высокой концентрации. Этот процесс постоянно осуществляется в активно функционирующей клетке. В гиалоплазме находятся ферментные комплексы и биологически активные молекулы, которые могут регулировать процесс изменения ее структуры в целом или в отдельных участках клетки. Работа этих ферментов в большой степени зависит от концентрации ионов Са²⁺.

В гиалоплазме протекает множество реакций метаболизма, что обеспечивается функционированием нескольких тысяч ферментов, каждый из которых отвечает за свою конкретную биохимическую реакцию. Здесь происходит синтез аминокислот, участков жирных кислот, нуклеотидов, метаболизм сахаров. В животной клетке в гиалоплазме из глюкозы синтезируется вещество запаса – нерастворимый полимер гликоген. В виде небольших глыбок он откладывается непосредственно в гиалоплазме. При дефиците глюкозы в крови гликоген клеток печени расщепляется до глюкозы и поступает в кровь.

В гиалоплазме осуществляются процессы гликолиза – первые этапы окисления органических соединений без участия кислорода с образованием молекул АТФ.

В гиалоплазме синтезируются белки, необходимые для жизнедеятельности ядра и клетки в целом. Синтез этих белков происходит на свободных рибосомах и полисомах. В синтезе белка принимают участие транспортные РНК (тРНК), доставляющие соответствующие аминокислоты в рибосому. Образование связи между аминокислотами и тРНК тоже происходит в гиалоплазме. Здесь же синтезируются белки клеточного ядра, большинство белков митохондрий и пластид, пероксисом. Все эти белки имеют маркерные участки, с помощью которых они попадают в те органеллы, где должны функционировать. Количество рибосом гиалоплазмы, принимающих участие в биосинтезе белка, исчисляется многими тысячами.

Поскольку в гиалоплазме одновременно функционирует несколько тысяч разнообразных ферментов, то существуют механизмы регуляции их активности. Таким механизмом является процесс фосфорилирования молекул фермента с использованием АТФ. При фосфорилировании остаток фосфорной кислоты переносится с молекулы АТФ на фермент. Остаток фосфорной кислоты несет отрицательный заряд. Его присоединение к ферменту приводит к перераспределению зарядов в активном центре фермента, что вызывает изменение его активности. Например, если фермент был неактивным, то перейдет в активное состояние. Чтобы фермент вновь потерял свою активность, он должен быть дефосфорилирован.

Гиалоплазма – это сложная буферная система, обладающая, кроме перечисленных, еще и осмотическими свойствами. Поддержание осмотических свойств обеспечивается высокой концентрацией белков, сахаров и неорганических ионов натрия, калия, кальция, хлора (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl ^– , HCO₃ ^– , HPO₄^{2 –} ) и др. Концентрация ионов поддерживается в гиалоплазме на определенном уровне. Так, концентрация ионов кальция и калия внутри животной клетки в десятки раз выше, чем в плазме крови. Концентрация ионов натрия и хлора, наоборот, ниже примерно в 1,5 раза. В гиалоплазме постоянно сохраняется необходимый уровень концентрации неорганических ионов. Относительное динамическое постоянство внутренней среды клетки называется гомеостазом. Способность клетки сохранять гомеостаз обеспечивается в основном благодаря функционированию мембран. В животной клетке основная роль в поддержании гомеостаза принадлежит плазматической мембране. В растительной клетке, помимо плазматической мембраны, огромное значение имеет тонопласт – мембрана, ограничивающая центральную вакуоль.

Подводя итог, перечислим функции гиалоплазмы: а) объединение всех клеточных систем и обеспечение их взаимодействия; б) протекание многих ферментативных реакций метаболизма клетки; в) обеспечение потока органических соединений из одних отделов клетки в другие; г) отложение питательных веществ в виде нерастворимых гранул гликогена и жировых капель в гиалоплазме животной клетки; в гиалоплазме растительных клеток возможно накопление капель жира.

Гиалоплазма имеет другое название – цитозоль. Этот термин обычно употребляют в том случае, когда с помощью метода фракционирования получают изолированные из клеток органоиды. После последнего центрифугирования при получении осадка, состоящего из обрывков клеточных мембран, жидкость над осадком представляет собой разбавленную гиалоплазму, или цитозоль.

Вопросы

1. Что такое гиалоплазма? Что такое цитозоль?

2. Почему вязкость является важным свойством гиалоплазмы?

3. Какие процессы влияют на вязкость гиалоплазмы?

4. Какие процессы протекают в гиалоплазме?

5. Что такое клеточный гомеостаз? Почему важно его поддерживать?

6. Перечислите функции гиалоплазмы.