Текст книги "Медицинская биология: конспект лекций для вузов"

Вопрос 29. Генетическая система пластид

1. Белковый состав стромы

В строме находятся ДНК, mРНК, tРНК, rРНК1, rРНК2, 5S-РНК и 70S-рибосомы. Как и в митохондриях, молекула ДНК замкнута в кольцо, несет гены с интронами и свободна от гистонов и негистоновых хромосомных белков. Имеется от 3 до 30 идентичных копий ДНК на каждый хлоропласт. Молекулы длиннее, чем в митохондриях (40–45, иногда до 160 мкм) и содержат больше информации: ДНК кодирует rРНК и tРНК, ДНК– и РНК-полимеразу, некоторые белки рибосом, а также комплексы CF0 и CF1, пластидные цитохромы и большинство ферментов теленового процесса фотосинтеза. Однако большая часть белков пластид кодируется в хромосомах.

2. Характеристика лейкопласт

Лейкопласты – это бесцветные пластиды округлой, яйцевидной или веретенообразной формы в подземных частях растений, семенах, эпидермисе, сердцевине стебля. Они содержат ДНК, зерна крахмала, пластоглобулы, единичные тилакоиды и пластидный центр.

Образование тилакоидов и хлорофилла чаще всего либо генетически подавлено (корни, эпидермис), либо тормозится отсутствием света (например, у картофеля: на свету лейкопласты зеленеют и превращаются в хлоропласты). Пластидные центры (проламеллярные тельца) состоят из скопления пузырьков или из сети разветвленных трубочек.

Лейкопласты в узком смысле неактивны и обычно имеют небольшие размеры (например, в ситовидных трубках, в эпидермисе). Чаще встречаются аминопласты, образующие крахмал из глюкозы и накапливающие его главным образом в запасающих органах (клубнях, корневищах, эпидермисе и т. п.).

3. Пигменты

Хлоропласты являются причиной желтой, оранжевой и красной окраски многих цветков, плодов и некоторых корней. Они бывают округлыми, многогранными, чечевицеобразными, веретеновидными или кристаллоподобными, содержат пластоглобулы (часто в большом количестве), крахмальные зерна и белковые кристаллоиды, не имеют пластидного центра. Тилакоидов в них мало или совсем нет.

Пигменты – свыше 50 видов каротиноидов (например, виолоксантин у анютиных глазок, ликопин в помидорах, бета-каротин в моркови) – локализуются в пластоглобулах, трубчатых или нитевидных белковых структурах или образуют кристаллы.

Хромопласты первично нефункциональны. Их вторичная роль состоит в том, что они создают зрительную приманку для животных и тем самым способствуют опылению цветков и распространению плодов и семян.

Вопрос 30. Развитие пластид

1. Характеристика пластид

Незрелые пластиды (пропластиды) имеют неправильную форму, окружены двумя мембранами и способны к амебоидному движению. Наиболее молодые пропластиды (до 50 нм) не имеют внутренних структур. В процессе развития они увеличиваются в размерах (до 1 мкм), синтезируют крахмальные зерна и кристаллы фитоферритина, в них образуются трубчатые или листовидные выпячивания внутренней мембраны.

2. Влияние света на синтез

Для превращения пропластид в хлоропласты необходим свет. При синтезе белка, хлорофилла и липидов из выпячиваний мембраны в результате образования все новых складок и выростов, их перемещения и упаковки возникают тилакоиды стромы и гран.

В темноте процессы синтеза и формирование мембран прерываются. Образуется небольшое количество протохлорофиллида (предшественника хлорофилла), из выпячиваний мембран создается большей частью сетевидный пластидный центр, из пропластиды возникает лейкопластоподобный лишенный крахмала каротинсодержащий этиопласт. При освещении из протохлорофиллида образуется хлорофилл, а из пластидного центра – тилакоиды, и этиопласт превращается в хлоропласт.

Возникновение лейкопластов сходно с образованием этиопластов. Из хлоропластов часто формируются хромопласты (созревание плодов – помидоров, лимонов и т. п., изменение цвета листьев осенью). Тилакоиды и хлорофилл разрушаются, освобождающиеся и вновь синтезируемые каротиноиды откладываются в уже существующих или новых глобулах или в различных белковых структурах.

3. Размножение пластид

Размножение пластид связано с репликацией ДНК и последующим делением пропластиды или хлоропласта надвое. Деление хлоропластов у многих водорослей является правилом, у мхов встречается достаточно часто, у высших растений наблюдается тем реже, чем старше хлоропласт. Пропластиды не только быстро делятся, но и могут возникать путем отпочковывания от хлоропластов или перестройки целых хлоро– или лейкопластов.

При половом размножении пропластиды у одних растений передаются обеими гаметами, у других – только яйцеклеткой. В последнем случае речь идет о чисто материнском наследовании информации пластид.

Вопрос 31. Филогенез митохондрий и пластид

1. Роль митохондрии и пластид

Митохондрии и пластиды занимают в эукариотической клетке совершенно особое положение. Они имеют собственную генетическую систему, размножаются относительно независимо от деления всей клетки и ядра и отграничены от остальной протоплазмы двойной мембраной.

Согласно гипотезе эндосимбиоза, они являются потомками прокариот, сходных с бактериями или синезелеными водорослями, которые (вероятно, в результате фагоцитоза) проникли в гетеротрофные анаэробные клетки и стали в них жить как симбионты.

2. Явление эндоцитоза у грибов

Моделью может служить явление эндоцитоза у некоторых грибов, жгутиковых и амеб: клетки синезеленых водорослей фагоцитируются, окружаются двумя мембранами (собственной внутренней и наружной, происходящей из плазмолеммы клетки-хозяина) и сохраняют способность к фотосинтезу.

Согласно другим представлениям, митохондрии и пластиды происходят из выпячиваний плазматической мембраны, которыми были окружены либо части еще примитивного генома, либо плазмиды.

Вопрос 32. Микрофиламенты и внутриклеточные движения

1. Внутреннее движение микрофиламентов

Микрофиламенты представляют собой очень тонкие и длинные нитевидные белковые структуры, встречающиеся во всей цитоплазме. Они обусловливают вязко-эластичную, тиксотропную консистенцию цитоплазмы и внутриклеточные движения, включая высокоспециализированное движение (сокращение) фибрилл в мышечных волокнах.

Внутриклеточное движение возникает при взаимодействии микрофиламентов из актина (актиновых нитей) с миозином.

Глобулярный белок актин составляет 5—15 % всего клеточного белка и является важнейшим белком эукариотических клеток. Глобулярный актин (гамма-актин) полимеризуется в актиновые филаменты (F-актин), состоящие из двух закрученных друг около друга спиралей (диаметр – около 6 нм, длина – несколько мкм). Актин образует трехмерную сеть из большого числа нитей или же пучки из не менее чем 20 нитей. В клетке существует обратимое равновесие: гамма-актин—F-актин—пучки F-актина.

2. Роль миозина в эукариотической клетке

Миозин в эукариотических клетках содержится в меньшем количестве (0,3–1,5 % клеточного белка), чем актин. Нитевидная молекула миозина (молекулярная масса более 450000, длина 150 нм) состоит из двух больших и нескольких малых субъединиц, образующих длинную двойную спираль; один конец последней несет две головки. Конец с головками катализирует расщепление АТФ (миозиновая АТФаза) и может специфически связываться с актином. Актин активирует АТФазу. При расщеплении АТФ освобождается энергия, необходимая для внутриклеточных движений.

В мышечных клетках молекулы миозина объединены в толстые (до 20 нм) миозиновые фрагменты (нити). В клетках немышечного типа такие филаменты не обнаружены (исключение составляют лишь некоторые амебы); однако после выделения из немышечных клеток миозин может полимеризоваться в филаменты. В мышечных клетках актиновые и миозиновые нити образуют сократимый актомиозиновый комплекс. Выделенный из клеток немышечного типа комплекс F-актина с миозином, не соединенный в филаменты, расщепляет АТФ и при этом сокращается. Это сокращение способен тормозить третий белок с большой молекулярной массой (270000), соединяющий нити актина в сеть.

3. Взаимодействие компонентов в клетках немышечного типа

О взаимодействии компонентов в клетках немышечного типа существует следующее представление. Тормозящий белок образует вместе с актиновыми филаментами относительно жесткую сеть (цитоскелет). При локальном изменении среды (например, при повышении рН или концентрации Са2+) тормозящий белок отделяется от актина, а миозин в этом случае может присоединяться к концам актиновых нитей; филаменты смещаются относительно друг друга и объединяются в пучки, что приводит к сокращению.

4. Течение протоплазмы в эукариотических клетках

Течение протоплазмы наблюдается почти во всех эукариотических клетках (его скорость составляет 1–6 см/ч). Органеллы перемещаются вместе с протоплазмой, не течет только эктоплазма. Этот процесс лежит в основе амебоидного движения. В растительных клетках может создаваться бесконечный ток протоплазмы вокруг центральной вакуоли. У амеб происходят локальные сокращения сети из актиновых (и миозиновых, если они имеются) филаментов, благодаря чему эндоплазма оттесняется в другой участок клетки. В гигантских клетках некоторых водорослей с бесконечным вращательным течением протоплазмы пучки актиновых филаментов лежат на границе экто– и эндоплазмы – именно там, где, как полагают, должны действовать движущие силы.

5. Роль микрофиламентов в перемещении хлоропластов

Микрофиламенты ответственны также за перемещение хлоропластов (которые могут изменять свое положение в зависимости от освещения), клеточных ядер, пузырьков; они участвуют в фагоцитозе (но, вероятно, не в пино– или экзоцитозе), в образовании перетяжки при клеточном делении (здесь действует кольцо из пучков микрофиламентов, опоясывающих клетку), а также, возможно, в движении хроматид и хромосом при делении ядра.

Что касается прокариот, то у синезеленых водорослей, способных к скользящему движению, и у бактерий существуют микрофиламенты (диаметром 4–6 нм) неизвестной химической природы, актиновые же нити имеются среди бактерий только у микоплазм, которые тоже обладают скользящим движением.

Вопрос 33. Трубчатые (тубулярные) структуры

1. Строение микротрубочки

Длинные и тонкие трубчатые образования – это, с одной стороны, свободные микротрубочки в цитоплазме, а с другой – структурные элементы центриолей, базальных телец, нитей веретена и жгутиков.

Микротрубочки состоят из тубулина, занимающего по количеству второе (после актина) место среди белков эукариотических клеток. Молекула его представляет собой димер длиной 8 нм из субъединиц, ковалентно связанных дисульфидными мостиками, – гликопротеидов альфа– и бета-тубулина (молекулярная масса каждого – 55000).

Димеры нековалентно соединены в нити – протофиламенты. Каждая микротрубочка (диаметром в 24 нм и длиной в несколько микрометров) построена из 13 протофиламентов и небольшого числа молекул низкомолекулярных тау-белков и высокомолекулярных ассоциированных белков.

2. Цитоплазматические центры

Для образования свободных микротрубочек в клетке имеется небольшое число (чаще всего 1–2) цитоплазматических центров – организаторов микротрубочек. Это плотные, аморфные, иногда зернистые, волокнистые или иного строения (со спиральными или трубчатыми элементами) участки цитоплазмы. Они осуществляют синтез микротрубочек до этапа коротких комплексов, сходных с протофиламентами (инициация). Удлинение (полимеризация) происходит спонтанно за счет обильного клеточного запаса димерного тубулина. Равновесие димеры тубулина (микротрубочки обратимо, при делении ядра (в профазе) большинство микротрубочек растворяется.

3. Роль микротрубочек в образовании сети в клетке

В клетке микротрубочки могут образовывать сеть. Часто они лежат параллельно плазматической мембране в эктоплазме (в растительных клетках и эритроцитах). Жесткие трубочки могут образовывать своего рода цитоскелет, благодаря которому при отсутствии клеточной стенки клетка может сохранять определенную форму. При внутриклеточных движениях, вызываемых микрофиламентами, микротрубочки могут определять направление движения (например, при транспорте пузырьков Гольджи). В нервных волокнах продольно расположенные микротрубочки (называемые здесь нейротубулами) представляют собой один из главных компонентов цитоплазмы. В прокариотических клетках тубулина нет. Отдельные сообщения о наличии микротрубочек у бактерий следует считать сомнительными.

Вопрос 34. Центриоли и базальные тела. Жгутики и реснички

1. Функция центриолей

В большинстве животных клеток и в некоторых клетках растений (в клетках, образующих сперматозоиды, а также у некоторых водорослей и грибов) около ядра имеется центриоль. Это образование похоже на полый цилиндр (диаметр – около 150 нм, длина – 300–500 нм) со стенкой из 27 микротрубочек, расположенных в виде 9 триплетов. Незрелые центриоли (процентриоли) состоят из 9 одиночных микротрубочек, а позднее – из 9 двойных трубочек (дублетов).

Центриоли – это центры обогащения для центров-организаторов микротрубочек, которые, в свою очередь, образуют плотную перицентриолярную оболочку. Перицентриолярные центры-организаторы продуцируют центриоли и базальные тельца, а во время деления ядра – нити веретена. Базальные тельца могут также формироваться цитоплазматическими центрами-организаторами. Вновь образованная центриоль часто располагается перпендикулярно к старой. К началу деления ядра центриоли разделяются и расходятся к противоположным полюсам клетки.

2. Роль жгутиков

Жгутики и реснички представляют собой подвижные цитоплазматические отростки, служащие либо для передвижения всего организма (у бактерий, водорослей, грибов, ресничных червей и др.), либо репродуктивных клеток (изогамет, спермиев, зооспор), либо для транспорта частиц и жидкостей (например, реснички у мерцательных клеток слизистой носа и трахеи, яйцеводов и т. д.).

Жгутики эукариотических клеток имеют толщину до 200 нм и длину до 100 мкм и больше. Более короткие (обычно 10–20 мкм) жгутики, которых бывает много на одной клетке, называются ресничками. По всей длине жгутика или реснички проходят 20 микротрубочек: 9 периферических дублетов + 2 центральные одиночные. Дублет состоит из 23 протофиламентов – по 10 на каждую микротрубочку + 3 общих в области их соприкосновения. Дублеты имеют парные отростки (разделенные по длине трубочки расстояниями около 17 нм) из удлиненных молекул белка динеина. Эти отростки, похожие на руки (толщиной 2–5 нм и длиной до 10–40 нм), подходят к соседним дублетам.

Динеин, подобно миозину, обладает АТФазной активностью. Освобождаемая энергия используется для активного скольжения отростков из динеина вдоль соседних дублетов из тубулина (аналогичного скольжению миозиновых нитей по актиновым в мышцах). Это приводит к изгибанию жгутиков, так как микротрубочки прочно закреплены у основания.

3. Образование жгутиков и ресничек

Образование жгутика (или реснички) начинается от базального тельца. Две внутренние микротрубочки каждого триплета удлиняются и образуют дублеты жгутика. Дублеты готовой органеллы оканчиваются в базальном тельце или (что бывает нередко у ресничек) продолжаются в глубь клетки. Обе центральные трубочки заканчиваются или в маленьком аксиальном зерне (аксосоме), или в базальной пластинке.

4. Роль жгутиков в прокариотической клетке

Жгутики прокариот (бактериальные жгутики) не гомологичны жгутикам эукариотических клеток. Они меньше (диаметр 10–20 нм, длина около 12 мкм) и не имеют трубчатых структур. Они состоят из длинной жгутиковой нити, жгутикового крючка и 2–4 базальных дисков. Нить построена из белка флагеллина (молекулярная масса 40000).

Яйцевидные или клиновидные молекулы этого белка образуют 3—11 субнитей, которые скручиваются в нить.

Внутренний диск встроен в плазматическую мембрану. Он, по-видимому, вращается и приводит во вращение весь жгутик, тогда как наружные диски прочно закреплены в клеточной стенке и служат своего рода подшипниками – единственный пример такого конструктивного принципа у живых организмов.

Вопрос 35. Веретено деления

1. Образование веретена

При делении ядра между двумя противоположными полюсами клетки образуется так называемое веретено. Оно состоит из нитей (волокон), которые представляют собой пучки из большого числа (иногда более 100) микротрубочек. На каждом полюсе находится центриоль либо с перицентриолярным центром-организатором микротрубочек (у животных), либо аморфным («полярная шапочка» у большинства растений), либо пластинчатым или слоистым («веретенные полярные тельца» у многих грибов и некоторых водорослей). Дополнительный центр-организатор – кинетохор – лежит у центромеры каждой хроматиды.

2. Виды нитей веретена

Различают следующие виды нитей веретена:

• хромосомные (кинетохорные, или тянущие) нити, которые образуются из кинетохора и связывают его с одним из полюсов;

• центральные нити, образующиеся из полярных центров-организаторов и связывающие между собой оба полюса;

• полярные нити, которые образуются только при наличии центриолей в перицентриолярных центрах-организаторах и оканчиваются в цитоплазме.

3. Механизмы движений нитей

Веретено обеспечивает расхождение хроматид или хромосом к полюсам. Хромосомные нити укорачиваются и тянут центромеры в сторону полюсов; кроме того, у животных центральные нити обычно удлиняются и отодвигают полюса друг от друга. Толщина нитей веретена при этом не изменяется.

Обсуждаются следующие механизмы описанных движений. Активное скольжение нитей веретена при взаимодействии с динеином (сходное с механизмом движения жгутиков).

Есть указания на то, что в аппарате веретена имеется динеиноподобный белок.

Активную роль играют микрофиламенты, которые прикрепляются к нитям веретена и подтягивают с их помощью хроматиды или хромосомы. В аппарате веретена найдены активные нити и миозин. Цитоханазин, дестабилизирующий актиновые нити, способен блокировать действие веретена.

Вопрос 36. Строение клеточного ядра. Нуклеоплазма

1. Информационный центр клетки

В клеточном ядре – информационном центре клетки – находятся хромосомы, содержащие наследственные задатки в форме ДНК, т. е. генетическую информацию для обмена веществ и развития. Другие носители информации имеют меньшее значение.

Клеточные ядра образуются только из ядер. Репликация ДНК, т. е. удвоение генетической информации, гарантирует идентичность ядер, несмотря на всю сложность их деления.

2. Функции клетки

Главные функции клеточного ядра следующие:

• хранение информации;

• передача информации в цитоплазму с помощью транскрипции, т. е. синтеза переносящей информацию и-РНК;

• передача информации дочерним клеткам при репликации – делении клеток и ядер.

3. Расположение и состав ядра

Ядро чаще всего расположено в центре клетки и только у растительных клеток с центральной вакуолью – в пристеночной протоплазме. Оно может быть сферическим, яйцевидным, чечевицеобразным, реже – сегментированным, вытянутым в длину или веретеновидным, а также иной формы. Диаметр ядра варьирует в пределах от 0,5 мкм (у грибов) до 500 мкм (в некоторых яйцеклетках), в большинстве случаев он меньше 5 мкм. Положение, форма и размеры ядра могут изменяться, часто параллельно с изменениями интенсивности метаболизма.

Ядро состоит из нуклеоплазмы, хромосом (хроматина), ядрышек и ядерной оболочки (представляющей собой часть эндоплазматического ретикулума).

4. Нуклеоплазма

Основная масса клеточного ядра – нуклеоплазма – содержит жидкую часть, ядерный матрикс (нечто вроде опорной сети) и различные включения.

Жидкая часть сходна по составу с соответствующим компонентом цитоплазмы: здесь тоже содержатся ферменты и промежуточные продукты метаболизма, в частности гликолиза.

Ядерный матрикс представляет собой с трудом выявляемый трехмерный «каркас», который состоит из кислых белков и пронизывает всю нуклеоплазму и ядрышки.

Вопрос 37. Хромосомы и их химический состав

1. Характеристика хромосом

Хромосомы – это вытянутые в длину нуклеопротеидные структуры. Они удваиваются в результате идентичной репродукции перед каждым клеточным делением, а затем распределяются поровну между дочерними клетками. Поэтому каждая отдельная хромосома встречается во всех клетках данного индивидуума в одной и той же форме и несет идентичную информацию.

На протяжении клеточного цикла происходит лишь смена двух физиологических форм:

• транспортной (во время деления ядер; хромосомы компактные, палочковидные или колбасовидные, ясно различимые);

• функциональной (в промежутках между делениями; хромосомы разрыхленные, нитевидные, длинные и неразличимые по отдельности).

2. Состав хромосом

Хромосомы состоят из хроматина, который содержит около 40 % ДНК, 40 % гистонов, почти 20 % негистоновых хромосомных белков и РНК. Он специфически окрашивается (отсюда и названия – «хромосома, хроматин») реактивами, выявляющими ДНК.

Хромосомы во время деления ядер имеют длину 0,2—20 мкм и вначале состоят из двух лежащих рядом идентичных хроматид, которые потом отделяются друг от друга, причем каждая становится одной из дочерних хромосом. В период между делениями ядра из каждой дочерней хромосомы в результате идентичного удвоения (репликации ДНК) снова образуются две лежащие вместе хроматиды.

3. Нуклеопротеидная структура

Главный элемент каждой хроматиды – нуклеопротеидная структура, которая, помимо белков, содержит единственную очень длинную двойную спираль ДНК. Эта структура имеет вид закругленной и толстой (15–25 нм) нити – хромонемы, на которой расположены многочисленные округлые (вследствие плотной упаковки ДНК) сильно окрашивающиеся и хорошо видимые хромомеры. Число, положение и величина отдельных хромомер в обеих хроматидах одинаковы и для каждой хромосомы относительно постоянны; это позволяет идентифицировать ту или иную хромосому и отличить ее от других.

В месте первичной перетяжки хромосомы – центромере – обе хроматиды прочно связаны и в определенных фазах ядерного деления согнуты. Во время деления ядра центромера становится местом прикрепления нитей веретена, приводящих хроматиды в движение.

4. Ядрышковая перетяжка

У некоторых хромосом имеется еще ядрышковая перетяжка. В этом месте хромосома имеет толщину всего 7 нм и мало закруглена, поэтому SAT-зоны не окрашиваются (SAT означает sine acido thymonucleinico, т. е. «без ДНК»). Отделяемый такой зоной короткий участок хромосомы называют сателлитом, а всю хромосому – SAT-хромосомой. Тесно примыкая к ядрышковой перетяжке, часто напротив сателлита, находится организатор ядрышка; это та часть нуклеопротеидной структуры, которая образует ядрышко после разделения ядра.

Между актами деления ядер – в интерфазе – чаще всего нельзя различить отдельных хромосом. Разрыхленный волокнистый хроматин распределен по всему объему ядра. Вероятно, каждая хромосома связана с ядерной оболочкой.

Разрыхление структуры хромосом – необходимое условие для транскрипции, т. е. передачи информации, содержащейся в ДНК, путем образования и-РНК.