Различают прокариотические и эукариотические клетки. Первые типичны для одноклеточных организмов-прокариотов, которыми являются в основном бактерии, тогда как вторые характерны для организмов-эукариотов, большинство которых — многоклеточные организмы (табл. 1).
Таблица 1. Основные свойства прокариотических и эукариотических клеток
|
Свойство |
Прокариоты |
Эукариоты |
|
Капсула |
Имеется у отдельных видов |
Отсутствует |
|
Клеточная стенка |
Имеется |
Имеется в клетках растений, отсутствует в клетках животных |
|
Плазматическая мембрана |
Имеется |
Имеется |
|
Ядерная мембрана |
Отсутствует |
Имеется |
|
Количество хромосом |
Одна |
От нескольких до многих |
|
Количество групп сцепления |
Одна или две |
От нескольких до многих |
|
Химический состав хромосом |
ДНК или две |
Нуклеопротеиды |
|
Митохондрии |
Отсутствуют |
Имеются |
|
Деление |
Простое |
Митоз |
Клетки характеризуются значительным структурно-функциональным разнообразием. Самая простая организация характерна для прокариотических клеток, среди которых наиболее просто устроены микоплазмы. Микоплазменные клетки имеют овальную форму, а их размеры составляют 0,1-0,25 мкм в диаметре. Для них характерно наличие наружной плазматической мембраны (толщина около 8 нм), окружающей цитоплазму, в которой имеются молекула
ДНК, РНК, рибосомы и различные включения в виде гранул липидов и других веществ.
Более сложными прокариотическими клетками являются бактерии и синезеленые водоросли (цианобактерии). Бактерии имеют форму палочек или округлых образований микроскопических размеров. Например, размеры одиночной клетки E. coli (рис. 1) составляют 1 мкм в длину и 0,5-0,8 мкм в диаметре, объем — около 1 мкм3, а масса равна 10-12 г.
Рис. 1. Бактериальная клетка: 1 — клеточная стенка; 2 — плазматическая мембрана; 3 — жгутик; 4 — лизосома; 5 — митохондрия
Бактериальная клетка окружена трехслойной клеточной оболочкой толщиной около 40 нм, представляющей собой «мешок» или «конверт», в котором заключено клеточное содержимое в виде примерно 2?10-13 г белка, 610-15 г ДНК и 2?10-14 г РНК (в основном рибосомной РНК). В бактериальной клетке синтезируется около 2000 разных белков, большинство которых содержится в цитоплазме. Концентрация одних белков составляет 10-8 М, тогда как в других она достигает 2?10-4 М (от 10 до 200 000 молекул на клетку).
«Конверт» состоит из трех частей (рис. 2), из которых две части представлены наружным и внутренним слоями, являющимися мембранами и построенными преимущественно из липополисахаридов. Внешняя поверхность наружной мембраны в основном состоит из липополисахаридов, которые прикрепляются к располагающимся там же липидам. В состав наружной мембраны входят также белки. Внутренняя мембрана, называемая цитоплазматической, состоит из многих белков, включенных в фосфолипидный бислой (двойной слой).
Рис. 2. Соматическая клетка: 1 — клеточная мембрана; 2 — вакуоль; 3 — эндоплазматическая сеть (гладкая);
4 — эндоплазматическая сеть (шероховатая);
5 — жюсома; 6 — комплекс Гольджи; 7 — ядро;
8 — ядерная оболочка; 9 — хромосома; 10 — ядрышко; 11 — митохондрия; 12 — рибосома; 13 — центриоль
Третью часть «конверта» составляет пептидогликановый слой, который непосредственно представляет собой клеточную стенку, лежащую между наружной и внутренней (цитоплазматической) мембраной. Определяя форму бактериальной клетки, пептидогликановый слой в химическом плане является одиночной молекулой, содержащей полисахаридные цепи, связанные с короткими пептидами. Внешняя мембрана прикреплена к пептидогликановому слою большим количеством (106) молекул липопротеида, протеиновый конец которых ковалентно прикреплен к диаминопимелиновой кислоте пептидогликана, тогда как их липидный конец «спрятан» во внешней мембране.
Пространство между наружной и внутренней мембраной, содержащее пептидогликановый слой, носит название периплазматиче- ского пространства.
На долю мембран и клеточной стенки приходится около 20\% всего клеточного белка. На поверхности клеточной стенки у бактерий многих видов могут быть жгутики или жгутики и пили, а снаружи от клеточной стенки может находиться также капсула, как, например, у пневмококков. Эти структуры обладают диагностическим значением.
Основное вещество бактерий — это цитоплазма, представляющая собой раствор белка, концентрация которого составляет 200 мг/мл.
В цитоплазме бактерий имеются ядерная область, рибосомы (около 10 000) и различные включения в виде гранул гликогена, липидов, серы. В ядерной области обнаруживаются волокна диаметром 3-5 нм, представляющие собой скрученные двойные цепи одиночной молекулы ДНК.
Клетки синезеленой водоросли сходны по своему строению с бактериями, но в отличие от последних содержат хлорофилл и каротин.
Наиболее сложная организация присуща эукариотическим клеткам животных и растений. Строение клеток животных и растений характеризуется принципиальным сходством, но форма, размеры и масса их чрезвычайно разнообразны и зависят от того, является ли организм одноклеточным или многоклеточным. Например, диатомовые водоросли, эвгленовые, дрожжи, миксомицеты и простейшие — одноклеточные эукариоты, тогда как организмы подавляющего большинства других типов это многоклеточные эука- риоты, количество клеток у которых составляет от нескольких (например, у некоторых гельминтов) до миллиардов (у млекопитающих) на организм. Организм человека состоит из около 1015 разных клеток, которые различаются между собой по осуществляемым ими функциям.
В случае человека насчитывают более 200 типов клеток. Наиболее многочисленными клетками в организме человека являются эпите- лиальные, среди которых различают ороговевающие клетки (волос и ногтей); клетки, обладающие всасывательной и барьерной функциями (в желудочно-кишечном тракте, мочеполовых путях, роговице, влагалище и других системах органов); клетки, выстилающие внутренние органы и полости (пневмоциты, серозные клетки и многие другие). Различают клетки, обеспечивающие метаболизм и накопление резервных веществ (гепатоциты, жировые клетки). Большую группу составляют клетки, секретирующие внеклеточный матрикс (амилобласты, фибробласты, остеобласты и др.) и гормоны, а также сократительные клетки (скелетных и сердечных мышц, радужной оболочки и других структур), клетки крови и иммунной системы (эритроциты, нейтрофилы, эозинофилы, базофилы, Т-лимфоциты и др.). Существуют также клетки, выполняющие роль сенсорных преобразователей (фоторецепторы, осязательные, слуховые, обонятельные, вкусовые и другие рецепторы). Значительное число клеток представлено нейронами и глиальными клетками ЦНС. Имеются также специализированные клетки хрусталика глаза, пигментные
и питающие клетки. Далее следует назвать половые клетки. Известны и многие другие типы клеток человека.
В природе не существует некоей типичной клетки, ибо все они характеризуются чрезвычайным разнообразием. Тем не менее все эукариотические клетки существенно отличаются от прокариотических клеток по ряду свойств, и прежде всего по объему, форме и размерам. Объем большинства эукариотических клеток превышает объем прокариотов в 1000-10 000 раз. Такой объем прокариотических клеток связан с содержанием в них различных органелл, осуществляющих всевозможные клеточные функции. Для эукариотических клеток характерно также наличие большого количества генетического материала, сосредоточенного в основном в относительно большом количестве хромосом, что обеспечивает им большие возможности в дифференцировке и специализации. Не менее важной особенностью эукариотических клеток является то, что им присуща компартментализация, обеспеченная наличием внутренних мембранных систем. В результате этого многие ферменты локализуются в определенных компартментах. Например, почти все ферменты, катализирующие синтез белков и животных клеток, локализованы в рибосомах, тогда как ферменты, катализирующие синтез фосфоли- пидов, сосредоточены в основном на клеточной цитоплазматической мембране. В отличие от прокариотических клеток в эукариотических клетках имеется ядрышко.
Эукариотические клетки по сравнению с прокариотическими обладают более сложной системой восприятия веществ из окру- жающей среды, без чего невозможна их жизнь. Существуют и другие различия между эукариотическими и прокариотическими клетками. Метаболиты могут изменять объем клеток.
Форма клеток бывает самой разнообразной и часто зависит также от выполняемых ими функций. Например, многие простейшие имеют овальную форму, тогда как эритроциты являются овальными дисками, а мышечные клетки млекопитающих вытянуты. Размеры эукариотических клеток микроскопические (табл. 2).
Некоторые виды клеток характеризуются значительными размерами. Например, размеры нервных клеток у крупных животных достигают нескольких метров в длину, а у человека — до 1 м. Клетки отдельных тканей растений достигают нескольких миллиметров в длину.
Считают, что чем крупнее организм в пределах вида, тем крупнее его клетки. Однако для родственных видов животных, разли-
чающихся по размерам, характерны и сходные по размерам клетки. Например, у всех млекопитающих сходны по размерам эритроциты.
Таблица 2. Средние размеры клеток животных и растений
|
Происхождение клетки |
Диаметр, мкм |
Объем, мкм3 |
|
Клетка печени человека |
20 |
4000 |
|
Малая клетка тимуса |
6 |
120 |
|
Клетка меристемы (корешок лука) |
17 |
2600 |
|
Клетка паренхимы плода растения |
1000 |
1-108 |
Клетки различаются также и по массе. Например, одиночная клетка печени (гепатоцит) человека весит 19-9 г.
Соматическая клетка человека (типичная эукариотическая клетка) представляет собой образование, состоящее из множества структурных компонентов микроскопических и субмикроскопических размеров (см. рис. 2).
Использование электронной микроскопии и других методов позволило установить чрезвычайное разнообразие в структуре как оболочки и цитоплазмы, так и ядра. В частности, был установлен мембранный принцип строения внутриклеточных структур, исходя из которого различают ряд структурных компонентов клетки, а именно:
Мембранная система.
Цитоплазматический матрикс (основное вещество клеток). Клеточные органеллы (внутриклеточные компартменты). Клеточные включения.
Мембранная система. Эта система представлена клеточной плазматической (цитоплазматической) мембраной, цитоплазматической (эндоплазматической) сетью (ретикулум) и пластинчатым комплексом Гольджи.
Плазматическая (цитоплазматическая) мембрана имеет толщину 8-12 нм и состоит из трех слоев, два из которых являются белковыми слоями толщиной по 3 нм каждый, а третий (внутренний) — двойным фосфолипидным слоем толщиной 6 нм (рис. 3). Плазматическая мембрана — полупроницаемая структура. Через нее в клетку входят питательные вещества и выходят все «отходы» (продукты секреции). Она создает барьер проницаемости. В результате этого плазматическая мембрана регулирует обмен различными веществами между клеткой и внешней средой. В плазматической мембране содержатся многие важные ферменты и системы активного транспорта ионов натрия и калия.
Рис. 3. Модель структуры мембраны: 1 — белки; 2 — двойной слой фосфолипидов; 3 — углеводы на наружной поверхности мембраны; 4 — углеводы на внутренней
поверхности мембраны
На поверхности плазматической мембраны обнаруживают ряд специальных образований в виде микроворсинок и ресничек. Микроворсинки очень часты в эпителии кишечника и почек. Реснички — это своеобразные выросты цитоплазмы. У эритроцитов мембрана является гладкой (элементарная мембрана). У некоторых одноклеточных организмов-эукариотов плазматическая мембрана также содержит реснички (микроворсинки), различные выпячивания и выросты, переходящие в пузырьки. На внешней поверхности клеток животных обнаружены гликопротеиды как компоненты плазматической мембраны. Предполагают, что поверхностные гликопротеиды обеспечивают адгезионную способность клеток в тканях и, следовательно, слипание однотипных клеток. В мембранах эритроцитов содержится гликопротеид, получивший название гликофорина (м.м. 30 000). Этот гликопротеид состоит из 130 аминокислотных остатков и большого количества (60\% всей молекулы) остатков сахара. Кроме того, в эритроцитарной мембране содержится белок спектрин, молекулы которого формируют скелет мембраны.
У клеток растений наружной структурой служит жесткая клеточная стенка, построенная из молекул целлюлозы, создающих очень прочные волокна, погруженные в матрикс из других полисахаридов и полимерного вещества лигнина. Клетки наружных слоев растений иногда покрыты очень тонким слоем восковидного вещества. На поверхности плазматических мембран имеются электрически заряженные группы, из-за которых поддерживается разность элек- трических потенциалов на мембранах. На поверхности плазмати-
ческих мембран имеются также специфические рецепторы (участки распознавания) для гормонов и других соединений. Кроме того, здесь же локализированы особые рецепторы, ответственные за индивидуальную тканевую совместимость. Считают, что рецепторные участки формируются гликопротеидами и ганглиозидами.
Цитоплазматическая (эндоплазматическая) сеть (ретикулум) представлена пронизывающими однослойными мембранными полостями (трубочками, цистернами, вакуолями) разных размеров, заполненными белковыми гранулами. Открыта К. Портером в 1945 г. Толщина трубочек и других структур этой сети равна 5-6 нм.
Различают гранулярный (шероховатый) эндоплазматический ретикулум, который выстлан множеством рибосом диаметром порядка 21-25 нм и молекулярной массой 4?106, служащих центрами синтеза молекул белков, и агранулярный (гладкий) эндоплазматический ретикулум, на котором нет рибосом, но на нем синтезируются липиды и углеводы. Степень насыщенности гранулярной эндоплазматической сети рибосомами определяет степень интенсивности синтеза белков. У человека и животных агранулярной сетью богаты клетки коры надпочечников, яичников и семенников, печени, скелетных мышц.
Цитоплазматическая сеть без перерыва соединена с цитоплазматической мембраной, ядерной мембраной и пластинчатым комплексом Гольджи. Это позволяет синтезируемым белкам проходить в комплекс Гольджи, откуда после специальной обработки они выводятся из клетки или идут на построение лизосом.
Плазматическая мембрана, мембраны эндоплазматической сети, а также ядер, митохондрий и хлоропластов (см. ниже) представляют собой чрезвычайно сложные структуры, обладающие рядом важнейших биологических свойств. Многие мембраны содержат ферменты, транспортные системы, с помощью которых осуществляется перенос молекул питательных веществ и неорганических ионов внутрь клеток и внутри клеток, а также вывод из клеток продуктов жизнедеятельности. Мембранные структуры способны к самовосстановлению, если в них по каким-то причинам возникают повреждения.
В процессе искусственного растирания или гомогенизации клеток с экспериментальными целями образуются мелкие частицы диа- метром 50-150 нм, состоящие из фрагментов эндоплазматического ретикулума и плазматической мембраны. Эти структуры получили название микросом, и их широко используют в лабораторной рабо-
те для решения тех или иных вопросов молекулярной организации клеток.
Комплекс Гольджи. Этот комплекс, называемый еще пластинчатым, был открыт итальянцем Камилло Гольджи еще в 1898 г. Он присутствует во всех клетках, кроме эритроцитов и сперматозоидов, и представляет собой систему дискообразных однослойных мембран (мембранных пузырьков или цистерн), локализирующихся рядом с гладким эндоплазматическим ретикулум и ядром. Часто в клетках обнаруживают несколько таких комплексов (диктиосом), размеры которых составляют 30-60 нм. Структурными молекулами, поддерживающими структуру цистерн, являются ферменты, вовлеченные в процессинг олигосахаридов, белки, представляющие собой аутоантитела, а также белки, служащие компонентами цитоскелета. Основная функция комплекса Гольджи заключается в том, что он является местом упаковки (уплотнения) белков, поступающих с рибосом, а также присоединения к белкам углеводов (образования гликопротеидов), а к полисахаридам — сульфатных групп с последующим транспортом их к другим клеточным структурам или за пределы клетки (экзоцитоз). В клетках печени этот комплекс участвует в выделении в кровь липопротеидов. Как отмечено выше, он участвует также и в формировании лизосом.
Цитоплазматический матрикс. Этот структурный компонент является основным веществом (цитоплазмой, гиалоплазмой) клетки. Первые электронно-микроскопические изображения цитоплазмы были получены шведским ученым Ф. Шестрандом еще в 1955 г. Различают эктоплазму — вещество, располагающееся ближе к цитоплазматической мембране (твердое тело), и эндоплазму, отстоящую к центру клетки от эктоплазмы (более жидкое состояние) и представляющую собой цитозоль. Консистенция цитозоля приближается к гелю. В нем растворены многие ферменты и белки, обеспечивающие связывание и транспорт питательных веществ, микроэлементов и кислорода. Здесь же находятся аминокислоты и нуклеотиды, а также различные метаболиты (промежуточные продукты биосинтеза и распада макромолекул). Наконец, в цитозоле присутствуют различные коферменты, а также АТФ, АДФ, ионы ряда неорганических солей (К+, Mg2+, Са2+, С1-2, НСО-2, НРО-2), тРНК.
В цитоплазме содержатся микрофиламенты (нити) толщиной 4-5 нм и микротрубочки, представляющие собой полые цилиндрические структуры диаметром 25 нм, а также фрагменты проме-
жуточных размеров. Эти структуры составляют жесткую конструкцию (каркас) в клетке, называемую цитоскелетом и определяющую внешний вид и форму клеток. Микрофиламенты состоят из белка, сходного с сократительным белком актином.
Объединяясь, микрофиламенты формируют пучки, в которые входят дополнительные белки (анкерин, спектрин и др.). Основная функция микрофиламентов заключается в обеспечении сократительных процессов клеток, в упрочении мембран. Микротрубочки построены из белков α- и β-тубулина, а также γ-тубулина. Для микротрубочек характерен ряд функций. Формирование микротрубочек происходит в интерфазе клеток в так называемых центрах организации микротрубочек (ЦОМ), которые «окружают» центриоли, в результате чего предполагают, что центриоли являются ЦОМ. В каждом ЦОМ содержится по 10-13 молекул γ-тубулина и примерно по 7 молекул других белков, включая димер α/β-тубулина. Эти белки формируют структуру, которая образует микротрубочный «ансамбль». Их значение до конца не выяснено, но предположительно заключается в том, что они обеспечивают перемещение клеточных органелл, включая хромосомы, внутри клеток.
В составе цитоплазмы обнаруживают ферменты, полисахариды, АТФ, тРНК, ионы Са, Na, К и других химических элементов.
Основная функция цитоплазматического матрикса заключается в том, что он является внутренней средой клетки, поддерживающей мембранные системы, органеллы и включения. Цитоскелет выполняет опорную функцию. Микрофиламенты способствуют упрочению мембранной системы, а микротрубочки, как отмечено выше, обеспечивают перемещение клеточных органелл и транспорт химических соединений из одних отсеков клетки в другие. Цитоскелет имеет значение также в делении клетки.
Клеточные органеллы. Эти структуры представлены ядром, хромосомами, ядрышком, центриолями, митохондриями, рибосомами, лизосомами. Они характерны, за некоторым исключением, как для клеток животных, так и клеток растений.
Ядро в клетке имеет форму и размеры, зависящие от формы, размеров и функций клетки. В клетках эукариотических организмов содержится, как правило, по одному ядру, реже по два и более. В зрелом состоянии эритроциты млекопитающих и клетки ситовидных трубочек покрытосеменных растений лишены ядер, тогда как клетки скелетных мышц позвоночных и млечных сосудов растений
являются многоядерными. Для инфузорий характерно наличие двух ядер — одно небольшое (микронуклеус) и одно крупное политенное (макронуклеус).
Ядро имеет округлую, палочковидную, четковидную вытянутую и другие формы. Размеры его колеблются от 2 до 100 мкм, а объем составляет около 65 мкм3. Особенно крупные ядра характерны для половых клеток (размером до 500 мкм). Отношение объема ядра к объему цитоплазмы называют ядерно-плазменным отношением, которое у клеток всех типов обычно постоянно.
Строение ядра характеризуется сложностью, хотя принципиально одинаково в клетках всех эукариотических организмов. В случае животных клеток ядро располагается в центре клетки. Напротив, в клетках растений оно имеет пристеночную локализацию. Однако положение, форма и размеры ядра могут меняться в зависимости от интенсивности метаболизма. В ядре содержатся хромосомы и ядрышко (см. ниже). Благодаря им ядро плотно заполнено ДНК, РНК и белками. Содержимое ядра иногда называют нуклеоплазмой или кариоплазмой. Она отделена от цитоплазмы ядерной мембраной, построенной из двух слоев (наружного и внутреннего) толщиной по 7 нм каждый и имеющей поры диаметром 40-100 нм. Поры занимают около 5\% площади ядра. Через ядерные поры синтезируемая в ядре РНК выходит в цитоплазму, где она участвует в трансляции генетической информации (синтезе белков).
Ядерная мембрана и ядерные поры объединены с мембранной системой клетки, в результате чего клетка, по существу, канализиро- вана различными проходами, обеспечивающими движение веществ в клетке начиная с плазматической мембраны. В порах обнаружены глобулярные и фибриллярные белковые структуры. Количество пор зависит от вида клеток и обычно увеличивается в S-периоде. Между мембранными слоями имеется так называемое перинуклеарное про- странство шириной 20-60 нм. Наружная ядерная мембрана часто переходит в эндоплазматическую сеть. Когда клетки делятся, ядерная оболочка исчезает, а после деления восстанавливается. Ядерное вещество (кариоплазма) — плотный коллоид.
Важнейшая функция ядра заключается в том, что оно является центром управления в клетке.
Хромосомы располагаются в ядре. Их название введено в литерату- ру В. Вальдейлом в 1883 г. Они имеют форму палочек, нитей, петель. Для каждой хромосомы характерны индивидуальные особенности,
Рис. 4. Типы хромосом: 1 — метацентрические; 2 — субметацентрические; 3 — акроцентрические; 4 — телоцентрические
касающиеся длины и положения перетяжки (центромеры) по длине хромосомы. Каждая из митотических индивидуальных хромосом состоит из двух сестринских хроматид, удерживаемых центромерой. В зависимости от локализации центромер различают метацентрические, субметацентрические, акроцентрические и телоцентрические хромосомы (рис. 4). Количество хромосом постоянно в ядрах соматических клеток, где они находятся в парах. Диплоидный набор хромосом называется кариотипом (от греч. сагуоп — ядро, type — форма, тип). Для различных организмов характерны разные по количеству диплоидные наборы хромосом (табл. 3). В зависимости от строения хромосомы человека классифицируются на группы (рис. 5).
Таблица 3. Количество хромосом в соматических клетках отдельных организмов
|
Вид животных и растений |
Количество хромосом (в диплоидном наборе) |
|
|
Малярийный плазмодий |
Plasmodmm malariae |
2 |
|
Плодовая мушка |
Drosophila melanogaster |
8 |
|
Комнатная муха |
Musca domestica |
12 |
|
Сазан |
Cyrpinus carpio |
104 |
|
Лягушка зеленая |
Rana esculenta |
26 |
|
Голубь |
Columba livia |
80 |
|
Кролик |
Lepus cunimlus |
44 |
|
Шимпанзе |
Antropopitecus pan |
48 |
|
Человек |
Homo sapiens |
46 |
|
Картофель |
Solanum tuberosum |
48 |
|
Рожь |
Secale cereale |
14 |
|
Пшеница (мягкая) |
Tritium |
42 |
|
Кукуруза |
Zea mays |
20 |
Когда ядра соматических метафазных клеток окрашивают основными красителями, то при микроскопии препаратов в ядерной зоне обнаруживают глыбки и гранулы окрашенного вещества, получившего название хроматина.
Рис. 5. Кариотип человека
Именно из этого вещества во время деления клеток организуются хромосомы. При изучении таких микроскопических препаратов отмечают, что одни районы хромосом окрашены очень интенсивно, другие слабее. Интенсивно окрашивающийся хроматин получил название гетерохроматина, менее окрашивающийся — эухроматина. Последний содержит области, на которых очень активно синтезируется РНК.
Исследование хромосом типа ламповых щеток, содержащихся в ооцитах многих животных, и политенных хромосом, обнаруживаемых в клетках насекомых, показало, что они имеют петельную структуру. Эта структура характерна, вероятно, для организации хроматина у всех организмов, включая человека.
В клетках многих видов организмов гетерохроматин концентрируется в основном в районах, фланкирующих центромеры.
Половые хромосомы часто почти полностью представлены гетерохроматином. Гетерохроматином богаты районы повторов последо- вательностей ДНК (см. гл. V).
Когда гетерохроматин исследуют под электронным микроскопом, то отмечают, что он построен из плотно упакованных хроматиновых нитей диаметром 25 нм. Эухроматин составлен из менее плотно упакованных нитей, но такого же диаметра. Гетерохроматин сохраняется
в высококонденсированной форме на протяжении всего клеточного деления, тогда как эухроматин менее конденсирован и невидим в интерфазе при исследовании хромосом в световом микроскопе. Имеющиеся данные показывают, что большинство исследованных генов эукариот локализовано в эухроматированных (менее конденсированных) районах хромосом, тогда как гетерохроматин (высококонденсированный) генетически не активен.
Химический состав хроматина довольно прост. Он состоит из ДНК (15\%), белков (75\%), а также некоторого количества РНК (10\%). Различают хромосомные белки двух типов — основные белки (положительно заряженные при нейтральном рН), называемые гистонами, и гетерогенные белки, по большей части кислые (отрицательно заряженные при нейтральном рН), называемые негистоновыми. Молекулярная масса гистонов составляет 11 000-21 000. Гистоны являются основными белками по той причине, что содержат позитивно заряженные аминокислоты аргинин и лизин в количестве от 20 до 30\% аминокислотных остатков белка. Группы R аргинина и лизина позволяют гистонам действовать в качестве поликатионов и взаимодействовать с ДНК, которая является полианионной благодаря ее отрицательно заряженным фосфатным группам. Другими словами, по причине протонирования боковых групп R-остатков аргинина и лизина гистоны, соединяясь с отрицательно заряженной двухцепочечной ДНК, образуют комплексы ДНК-гистоны.
Гистоны присутствуют в хроматине всех высших эукариотов в количествах, эквивалентных числу ДНК. У всех высших растений и животных они представлены пятью главными белками, обозначенными символами H1, Н2а, Н2Ь, Н3 и Н4. Количество ДНК и гистонов в хромосомах эквивалентно. Они присутствуют в клетках всех типов, кроме сперматозоидов некоторых организмов. В последних обнаруживают основные белки, называемые протаминами. Все пять гистонов присутствуют в молярных соотношениях 2Н1:2Н2а:2Н2Ь: 2Н3:2Н4:2. Для них характерны различия по молекулярной массе и аминокислотному составу. Гистон HI богат лизином (29\%), гистоны Н2а и Н2Ь богаты как лизином, так и аргинином, а гистоны Н3 и Н4 — аргинином. Для гистонов Н3 и Н4 характерно сходство последовательностей аминокислот; для других гистонов заметное сходство отсутствует. Данные о константности гистонов H1, Н2а, Н2Ь, Н3 и Н4 в клетках организмов разных видов позволяют предположить, что гистоны имеют значение в упаковке ДНК. Кроме того,
они неспецифически вовлечены в регуляцию экспрессии генов (см. гл. VII).
Негистоновая белковая фракция хроматина состоит из различных очень гетерогенных белков. Состав этой фракции широко варьируется в клетках разных организмов даже одного и того же вида. Предполагают, что негистоновые белки также принимают участие в регуляции экспрессии специфических генов.
Каждая хроматида содержит одиночную гигантскую двухцепочечную молекулу ДНК, вытянутую по всей длине хромосомы. Это заключение основано на данных о размерах самых больших молекул ДНК в ядрах клеток дрозофилы и других организмов, а также на данных об общем количестве ДНК, присутствующей в самых больших хромосомах дрозофилы. Наиболее крупные молекулы ДНК, выделенные из хромосом, имеют контурную длину порядка 1,2 см, что соответствует молекулярной массе 2,4-3,2?1010, т. е. от 2/3 до 3/4 размера самой крупной молекулы соответствующей хромосомы. На концах хромосом человека имеются повторы азотистых оснований, получившие название теломер. Количество теломерных повторов связывают с возрастом организма.
Количество ДНК и гистонов в хроматине эквивалентно. Будучи специфически связанными с ДНК, гистоны принимают участие в формировании основных структурных субъединиц хроматина (хромосом) — нуклеосом, которые являются элементарными единицами организации хроматина. Каждая нуклеосома представлена сегментом ДНК диаметром около 30 нм и длиной 146-240 пар оснований, намотанной 1,8 раза вокруг гистонового стержня, состоящего из пары гистонов. Нуклеосома закручена в сложную нить 2 раза при участии гистона HI в качестве кросслинкера, что дает структуру с упаковочным отношением 25:1, близким к интерфазному хроматину. Чтобы сформировалась митотическая хромосома из нити длиной 30 нм, необходима дальнейшая компактизация с помощью специфических негистоновых белков, приводящая к формированию скелета хромосомы. Установлено, что нуклеосомы являются репрессорами инициации транскрипции в эукариотических клетках. Нарушение структуры нуклеосом ведет к освобождению транскрипции от репрессии.
В метафазных хромосомах ДНК организуется в петли длиной 30 000-40 000 пар оснований, а каждая петля хроматина прикрепля- ется к гистоновому скелету хромосомы на его основании в результате взаимодействия ДНК + белок или ДНК + РНК.
Гистон HI связан с линкерной ДНК, принимая участие в стабилизации сверхскрученных ДНК между нуклеосомами, но способ этой связи полностью еще не выяснен. Длина сегментов ДНК (линкеров), которые соединяют нуклеосомы, составляет от 15 до 100 нуклеотидных пар в зависимости от типа клетки. Результаты Х-дифракции кристаллов изолированных нуклеосом указывают на то, что они имеют дисковидную структуру и состоят из двух симметричных половин. ДНК каждой половины намотана в форме суперспирали на поверхность гистоновых стержней.
Для хромосом характерно наличие отдельных сайтов, которые определяют их хрупкость, что создает условия для нарушений структуры хромосом, сопровождающихся хромосомными мутациями (см. гл. VII).
Ядрышко — это очень мелкая структура диаметром 1-5 мкм, кото- рая локализуется в ядре. Количество ядрышек бывает разным — от одного до нескольких. Центральная часть в ядрышке представлена фибриллярной частью (цепи ДНК, ядрышковые организаторы и рибонуклеопротеиды) и гранулярной (формирующиеся субъединицы рибосом). Ядрышко — это место синтеза мрРНК. Матрицей для синтеза рРНК является ДНК ядрышкового организатора. Синтезируемая рРНК объединяется с белком, и образующиеся рибонуклеопротеиды служат затем материалом для сборки из них субъединиц рибосом. Последние через ядерные поры направляются в цитоплазму, участвуя там в формировании рибосом, на которых происходит затем синтез белков.
Центриоли представляют собой гранулярные цилиндры диаметром около 0,15 мкм и длиной 0,5 мкм, локализирующиеся парами в клетке около ядра. Эти пары называют диплосомами (центросомами). Структурно они представляют систему мембранных трубочек. Диплосома окружена другими микротрубочками, называемыми центросферой. Обе эти структуры образуют клеточный центр.
Функцией клеточного центра является организация цитоскелета клеток. Кроме того, центриоли участвуют в делении клеток, расходясь к полюсам клетки. Микротрубочки, протягивающиеся взаимно, образуют митотическое веретено. В клетках растений этой органеллы нет.
Митохондрии присутствуют во всех клетках организмов, которые используют для дыхания кислород. В одной клетке может находиться 50-5000 митохондрий. Они имеют форму палочек, нитей или гранул, а их размеры достигают 7 мкм (рис. 6).
Рис. 6. Митохондрия: 1 — внутренняя мембрана; 2 — внешняя мембрана; 3 — криста
Митохондрии образованы двумя мембранами — наружной и внутренней, между которыми образуется пространство шириной 10-20 нм. Внутренняя мембрана формирует складки (кристы), которые погружены в матрикс, представляющий собой молекулярное содержимое митохондрии. Наружная мембрана проницаема для низкомолекулярных соединений. Проникновение веществ во внутреннее пространство (матрикс) митохондрий контролируется внутренней мембраной. Содержимое митохондрий составляют белки, фосфолипиды, ДНК, РНК и рибосомы, которых значительно меньше, чем у рибосом, локализованных в цитоплазме. Наличие этих структур обеспечивает собственную митохондриальную белоксинтезирующую систему. Митохондрии способны к самовоспроизведению путем деления или почкования в период S-фазы и других фаз клеточного цикла. Митохондрии имеются также у простейших. В частности, трипаносомы содержат по одной митохондрии.
Митохондрии представляют собой «силовые станции», в которых происходят основные процессы получения и накопления энергии путем окисления молекул пищи (окислительное фосфорилирование) для образования АТФ. В матриксе содержатся ферменты, а реакции окисления проходят на поверхности внутренней мембраны. Энергетические потребности клеток определяют уровень размножения митохондрий. Биохимические реакции в митохондриях пред- ставляют собой «митохондриальную дыхательную цепь», контролируемую более 80 генами.
В клетках растений вместо митохондрий имеются пластиды. Среди пластид различают хлоропласты, которые содержат хлорофилл, лей- копласты (бесцветные пластиды), в которых происходит накопление
крахмала, и хромопласты, в которых осуществляется синтез пигмента плодов. У пурпурных бактерий имеются хроматофоры.
Для хлоропластов характерно мембранное строение. Встречаясь в клетках в количестве около 40 экземпляров на клетку, они имеют своеобразную форму двояковыпуклых линз и размеры 5-10 мкм. Каждый хлоропласт окружен двойной мембраной. Наружная мембрана гладкая, состоит из белковых субъединиц, а внутренняя — складчатая. Внутренняя мембрана содержит хлорофилл, а также ферменты, синтезирующие АТФ и органические соединения с помощью АТФ. Кроме того, в хлоропластах имеется некоторое количество ДНК и небольших по размерам рибосом, что обеспечивает собственную хлоропластную белоксинтезирующую систему.
Для пластид характерны переходы из одного типа в другой. Например, зеленые хлоропласты листьев переходят в желтые хло- ропласты (осенью, когда изменяется окраска листьев), а лейкопласты зеленеющих клубней картофеля переходят в хлоропласты.
Рибосомы представляют собой гранулы, расположенные в цито- плазматическом матриксе и связанные с мембранами цитоплазматической сети. Их размеры составляют 15-35 нм в диаметре. Они построены на 1/3 из белка и на 2/3 из РНК (двух субъединиц). Количество рибосом в клетках очень большое. Например, в одной бактериальной клетке (кишечной палочке) их содержится около 6000 экземпляров. Рибосомы образуют группы, называемые полирибосомами.
Функции рибосом заключаются в том, что на них осуществляется синтез белков.
Лизосомы представляют собой мельчайшие пузырьковидные обра- зования, окруженные однослойной мембраной и содержащие ферменты. Их размеры составляют 0,2-0,8 мкм. Они обеспечивают изоляцию гидролитических ферментов.
В лизосомах обнаружено более 40 различных гидролитических ферментов (протеиназ, нуклеаз, липаз, кислой фосфатазы, гликоидаз и др.), осуществляющих внутриклеточное расщепление макромолекул, проникающих в клетки посредством фагоцитоза и пиноцитоза. Лизосомы чрезвычайно разнообразны по строению и частным функциям. Предполагают, что они образованы мембранами комплекса Гольджи и представляют собой систему удаления из клеток конечных продуктов обмена. Повреждение лизосом сопровождается растворением клеток. Следовательно, благодаря лизосомам происходит
защита клеток от собственных ферментов. В эволюционном плане они являются аналогами пищеварительных вакуолей одноклеточных организмов.
Пероксисомы (иногда их называют микротельцами) представляют собой образованные цистернами эндоплазматической сети пузырьки размером 0,3-1,5 мкм, ограниченные однослойной мембраной. Эти пузырьки содержат каталазу и некоторые оксидазы. Обильными по содержанию пероксисом являются эпителии печени и почек. Функция пероксисом заключается в том, что в них происходит раз- рушение клеточных перекисей и холестерина. Кроме того, они содержатся в зеленых листьях растений. Известны также глиоксисомы, содержащиеся в проростках семян масличных растений.
Клеточные включения. В клетках животных включения представлены жировыми каплями, гранулами гликогена, зимогеновыми гранулами (депо ферментов в клетках поджелудочной железы). Особенно богаты жиром у млекопитающих клетки соединительной ткани. Гликогена много в клетках поперечно-полосатых мышц, печени и в нейронах. Встречаются также белковые включения (в цитоплазме яйцеклеток, печени, в теле простейших).
Следует отметить также, что некоторые клетки животных содержат в качестве включений пигменты. Например, в клетках коркового вещества надпочечников накапливаются липохромы. Пигментами являются гемоглобин и меланин, а также ретинин (в зрительном пурпуре сетчатки глаза).
В клетках растений, например, таких как картофель, злаковые, наиболее частым включением является крахмал. В качестве включений в клетках растений встречаются также жиры, содержание которых очень большое в семенах масличных культур. Очень широко распространены пигменты.
Участки (компартменты) цитоплазматического матрикса, лишенные мембран в клеточных органеллах, получили название цитозоля.