Лекция 7. КЛЕТКА 1. КЛЕТОЧНАЯ МЕМБРАНА,
КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА, ЯДРО

(курс лекций "Общая биология", читавшийся О.Э. Костериным на первом курсе психологичесого факультета НГУ в 2006-2011 гг.)

Перейдем от структурных формул к рассмотрению структур, которые можно увидеть хотя бы под микроскопом, пусть и электронным. Мы ознакомились с жизнью как со сложнейшим биохимическим предприятием по преобразованию сотен тысяч, если не миллионов, разных сложных органических молекул. Большое количество этих процессов происходит одновременно и совместно в одних и тех же растворах, и они разделены и предопределены исключительно специфичностью осуществляющих их ферментов. Но и из общих соображений ясно и мы уже встречались с тем, что во многих ситуациях разные части этого производства должны быть расположены в специальных цехах, в которых поддерживается специальная химическая среда (та же кислотность) и на поверхности которых определенным образом организованы ферменты.

И первое, в чем нуждается живая система, – это в локализации собственного пространства и отграничении от пространства окружающего. Иначе все вещества, включая ферменты, разойдутся по градиенту своей концентрации в окружающую среду (несомненно, водную, так как все живые процессы идут в водных растворах или гелях) и не смогут встретиться друг с другом. По-видимому, жизнь возникла не в воде как таковой, иначе бесконечное разведение не позволило бы ей сложиться, а в какой-то капельной среде – в грунте, пористых горных породах и т. д., где пространственная ограниченность обеспечивалась извне. О возникновении жизни можно говорить с того момента, когда первые самовоспроизводящиеся системы научились хоть в какой-то мере ограничивать себя самостоятельно. Основные теории, описывающие, как все это происходило, достойны специального рассмотрения, а пока нам нужно принять хозяйство по описи и рассмотреть, что мы имеем сегодня.

А сегодня мы имеем, что все живое организовано на основе элементарной и более или менее самодостаточной структурно-функциональной единицы – клетки. Причем каждый живой организм либо является клеткой, либо состоит из многих клеток и является колонией или государством клеток, как мы с вами (мы являемся государством ни много ни мало из миллиона миллиардов клеток).

Почти каждая клетка проявляет все основные свойства живого организма: она питается, растет, реагирует на внешние сигналы, взаимодействует с другими клетками, часто движется и еще чаще (но не всегда!) размножается.

Размножаются клетки посредством деления (иногда почкования, что, по сути, является неравным делением). Важно, что каждая клетка происходит от клетки же и не может возникнуть иным путем.

Все биохимические процессы, связанные с получением энергии и синтезом биологических органических веществ, происходят внутри клетки. Внутри клетки же хранится и реализуется генетическая информация.

Внутри клетки находятся сотни тысяч различных ферментов и других белков, но ограниченное число их видов может специально выделяться во внешнюю среду. Углеводы находятся или внутри клеток или снаружи. Жиры и липиды, как правило, находятся внутри клеток, но могут и выделяться наружу (допустим, в наших сальных железах). А вот нуклеиновые кислоты в норме всегда находятся только внутри клеток.

Поговорим о самом простом – о размере клеток. Исключения как в большую, так и в меньшую сторону поразительны, но обычные размеры клеток прокариот – 0,5–5 мкм, а эукариот – 10–50 мкм. Мы все хорошо знаем миллиметр – одна тысячная метра. Микрометр – это одна тысячная миллиметра. Таково подавляющее большинство клеток. Потому что именно это – оптимальный размер всего хозяйства, организованного как живая клетка. Исключения представляют собой особые случаи. Давайте же их рассмотрим.

Желток любого яйца – одна клетка – а именно яйцеклетка. Соответственно яйцеклетка вымершего (не без помощи человека) мадагаскарского страуса эпиорниса достигала в объеме 6 л. У таких клеток основное клеточное хозяйство размазано в виде пластиночки на одной из сторон, все остальное пространство занято запасным веществом – желтком, представляющим собой определенные запасные белки (преимущественно лецитин), кроме того, в нем довольно много запасенной впрок матричной РНК. Однако все это вместе – одна клетка, окруженная клеточной мембраной.

Вы знаете, что нервные клетки общаются друг с другом при помощи особых отростков, являющихся частью клетки. При этом многие отростки, по которым сигнал собирается (дендриты), короткие, а один отросток, по которому передается (аксон), длинный. Нервная система моллюсков устроена таким образом, что сигналы от мозга передаются клеткам тела фактически без посредников. Соответственно длина аксонов гигантских кальмаров достигает пары десятков метров.

Кроме яиц вы постоянно сталкиваетесь с клетками, которые можно увидеть невооруженным глазом – в переспевшей мякоти яблока или арбуза. Там клетки немногим меньше миллиметра, но они в основном заполнены  огромными пузырьками с соком.

Клетки, в которых практически нет «ничего лишнего», т. е. которые представляют собой фабрики, но не склады – невелики. Особенно это касается клеток, которые активно делятся, прежде всего, клеток зародышей животных или растущих верхушек растений.

Самые мелкие клетки – 0,1 мкм в поперечнике – наблюдаются у микоплазм – своеобразных бактерий, до крайней степени упростившихся за счет своего образа жизни внутриклеточных паразитов.

Главные свойства всех клеток одинаковы. Основные различия существуют между двумя типами организмов (мы уже знакомы с ними – это прокариоты и эукариоты), различия же между клетками одноклеточных и многоклеточных эукариот незначительны.

Рассмотрим важнейшие компоненты клетки.

 

1. Клеточная мембрана

 

Рассмотрим сначала, что есть общего у всех без исключения клеток. Пожалуй, главный атрибут клетки, который делает ее таковой, это внешняя клеточная мембрана, или плазмалемма. Она отграничивает клетку от внешней среды, часто наряду с клеточной стенкой. Однако клеточная стенка есть только у прокариот, растений и грибов, тогда как у животных ее нет. А мембрана присутствует всегда. Толщина клеточной мембраны – 5–7 нм. Как сказано ранее, микрометр – это одна тысячная миллиметра, а нанометр – одна тысячная микрометра. Вот о таких тонких материях мы с вами сейчас и рассуждаем.

Мембрана – это оболочка с весьма примечательными свойствами. Она не имеет постоянной формы, а ограничиваемое ею пространство – постоянного объема, и, вообще-то говоря, она жидкая, хотя и вязкая. Внутренний объем клетки она ограничивает силами поверхностного натяжения, которые существуют благодаря тому, что «жидкость» мембраны образована другой фазой – гидрофобной, не смешивающейся с водными растворами. Устройство мембраны замечательно. Ее основу составляют уже знакомые нам фосфолипиды – вещества с длинным двойным неполярным и, следовательно, гидрофобным хвостом и полярной головкой (рис. 7.1).

Фосфолипиды выстраиваются в два слоя – хвостами внутрь, головами наружу. Это называется липидный бислой. Их хвосты образуют ту самую несмешивающуюся с водой фазу – гидрофобную пленку, а головы ориентированы к водной среде снаружи и внутри клетки.

В водной среде фосфолипиды всегда располагаются в виде бислоя и образуют пузырьки. Это свойство обеспечивает замкнутость клеточной мембраны: если ее целостность нарушить, то она тут же восстанавливается.

Так же устроены молекулы детергентов – веществ, составляющих основу стирального порошка. Они потому и стирают, что связываются гидрофобной частью молекулы с гидрофобными, нерастворимыми в воде веществами грязи, а за счет гидрофильной части молекулы этот комплекс – грязь+ детергент – растворяются в воде.

Все видели бензиновую пленку на лужах. Это тоже гидрофобная фаза, которая не смешивается с водой и располагается на поверхности. Но она очень текучая и не имеет упругости, а мембрана – вязкая и достаточно упругая на растяжение. С химической точки зрения клеточная мембрана больше похожа на пленку, образующую пузыри стирального порошка. Но опять-таки она более вязкая и упругая и по этим свойствам больше похожа на воздушный шарик.

Кстати, в живой клетке непременно присутствует определенное избыточное давление. Это так называемое осмотическое давление. Природа его такова. Во внутриклеточной среде в растворе находится довольно много гидрофильных веществ – полярных органических веществ (например, сахара) и ионов (органические кислоты, аминокислоты и соли). Вода имеет сродство к ним за счет своего дипольного момента и водородных связей. Поэтому молекулы воды стремятся занять все свободные места возле молекул этих веществ – это выгодное энергетическое состояние. По этой причине каждая такая молекула гидратируется – окаймляется максимально большим количеством рыхло связанных с ней молекул воды. Как следствие вода притягивается к гидрофильным молекулам в клетке, накапливается внутри нее и создает там избыточное давление. В клетке поддерживается такая концентрация гидрофильных веществ, чтобы некоторое осмотическое давление имело место, но не такое сильное, чтобы оно могло разорвать клетку. Прочность мембраны и осмотическое давление, т. е. концентрация гидрофильных веществ во внутренней среде, подогнаны под оптимальное значение, и оно сказывается на объеме клетки, который может меняться в зависимости от осмотического давления.

Объемы нормальных функциональных клеток в нормальных для них условиях достаточно постоянны. Если поместить их в среду, где концентрация гидрофильных веществ вне клетки будет существенно меньше, чем внутри (такая среда называется гипотоничной), то клетка начнет разбухать, пока не лопнет, вследствие того что фосфолипидов мембраны не хватит на всю ее поверхность. Если же концентрация гидрофильных веществ во внешней среде будет много выше, чем в клетке, т. е. среда будет гипертоничной, то клетка начнет терять воду и сдуется. Может быть, вам знакомо такое понятие – физраствор. Это раствор поваренной соли, в которой его ровно столько, чтобы живые клетки не набухали и не сдувались, а их внутреннее осмотическое давление всегда слегка превосходило осмотическое давление раствора.

Осмотическое давление создают любые гидрофильные вещества. Это могут быть соли, а могут быть незаряженные вещества, например тот же сахар. И это используется в повседневной практике консервации продуктов  – именно из-за высокого осмотического давления бактерии не живут в варенье. Они там просто обезвоживаются.

Кстати, не вызвало ли вышесказанное такой вопрос: как вода проникает в клетку, если она окружена гидрофобной внутри мембраной? Детали этого процесса до конца не выяснены, но нужно принять во внимание, что двойной слой фосфолипидов – это не все, что есть в мембране, и гидрофобная пленка – не сплошная. Здесь не раз было сказано, что некие белки фиксированы на мембране. Так вот, мембрана вся насыщена белками и белковыми комплексами. В клеточной мембране белки могут уступать по массе фосфолипидам, а могут и превосходить. Как вы помните, у белков весьма велик диапазон варьирования гидрофильность / гидрофобность за счет варьирования аминокислотного состава гидрофильности. Белки, локализованные на мембране, заякориваются в гидрофобном слое фосфолипидных хвостов, а их гидрофильные, как правило, реакционноспособные части торчат внутрь и наружу клетки. При этом белок, погруженный в мембрану, за счет гидрофобного взаимодействия с фосфолипидами имеет совсем другую конформацию, чем тот же белок в водной среде. Вообще, расположение белков на мембране дало повод назвать описывающую ее модель плодоовощной - они там сидят, как огородные растения, имеющие корнеплоды, с глобулярной гидрофобной частью, погруженной в <почву> мембраны, и с гидрофильными частями в виде ботвы (рис. 7.3).

 

Участки некоторых белков пронизывают мембрану насквозь. Это так называемые трансмембранные белки.

Иногда это целые белковые комплексы – поры. Вода и растворенные в ней простые вещества могут проникать через мембрану сквозь систему гидрофильных белков и пор – путем диффузии. Направление диффузии таково, что вещества идут из области с большей их концентрацией в область с меньшей. Это называется – по градиенту концентрации, или по химическому градиенту. Если вещества заряжены, то имеет значение и электрическое поле. Разные стороны клеточной мембраны могут иметь разный заряд, и это влияет на диффузию заряженных веществ – они идут по электрохимическому градиенту.

Некоторые липиды могут проникать в клетку путем диффузии непосредственно сквозь фосфолипидный слой. Все упомянутые способы перемещения веществ через мембрану объединяются термином пассивный транспорт.

Но большая часть сложных веществ, включая, между прочим, и жирные кислоты с углеводородными цепочками свыше 10 атомов углерода, обмениваются через клеточную мембрану посредством специальных транспортных белков. Часть таких переносов проходит самопроизвольно, а часть требует затраты энергии, т. е. гидролиза молекулы АТФ. Первый случай называется облегченным транспортом через мембрану, а второй – активным транспортом. Если скорость диффузии зависит только от разности концентрации самого вещества, то скорость облегченного и активного транспорта – также и от концентрации транспортного белка в мембране, а скорость активного транспорта – еще и от концентрации АТФ. Разные типы трансмембранного транспорта представлены на схеме:

Кроме того, бывают случаи так называемого котранспорта – когда транспорт одного вещества через мембрану непременно связан с транспортом другого вещества, в том же самом или в противоположном направлении. Во втором случае транспортный белок фактически обменивает одно вещество на другое по разные стороны мембраны.

Однако активным транспортом переносятся не только <тяжелые грузы> - крупные и сложные органические молекулы. До 30 % всей энергии клетки затрачивается на поддержание разности концентраций внутри и снаружи неорганических ионов. Наиболее известный случай, и при этом пример котранспорта - это так называемый натрий-калиевый насос. Концентрация калия в наших клетках составляет около 100-150 ммоль, а в крови и плазме - в 30 раз меньше, всего около 5 ммоль. Концентрация натрия, наоборот, составляет 10-20 ммоль внутри и в 15 раз больше - около 145 мм - вовне. Как достаточно простые молекулы, ионы калия и натрия проникают за счет диффузии по градиенту своей концентрации наружу и внутрь соответственно. Причем ионы калия делают это в десятки раз быстрее: атом калия больше по диаметру, но за счет этого его ион меньше притягивает воду, поэтому он менее гидратирован, т. е. окружен меньшим количеством прилипших к нему молекул воды) - как следствие, эффективный диаметр иона калия в воде меньше, чем иона натрия. Натрий-калиевый насос катализирует гидролиз АТФ, при этом он фосфорилируется сам и одновременно открывается вовне клеточной мембраны, выталкивает связанный с ним ион натрия. Там он может связаться с ионом калия, что катализирует дефосфорилирование насоса и открывание его внутрь клеточной мембраны, с высвобождением иона калия внутрь. Таким образом, натрий-калиевый насос обменивает ионы натрия на ионы калия, делая это против градиента концентрации, тем самым поддерживая это далекое от равновесия со средой состояние клетки.

Оно не является самоцелью – разница в концентрациях этих ионов используется в самых различных процессах. Вот, к примеру, как организован транспорт глюкозы в клетку. Имеется белок – насос, перекачивающий глюкозу. Это некий трансмембранный белок,  имеющий центр, связывающий молекулу глюкозы. Кроме того, белок имеет два состояния: «пинг» – когда он открыт внутрь клетки, и «понг» – когда он открыт наружу. Причем белок переключается между этими состояниями случайным образом и безо всякой затраты энергии. Однако центр связывания устроен таким образом, что сила связывания молекулы глюкозы напрямую зависит от присутствия ионов натрия в среде. Соответственно молекула глюкозы прочно связывается с белком при большой концентрации ионов натрия, и непрочно – при маленькой. В состоянии «понг» белок открыт наружу клетки, где концентрация натрия гораздо выше, чем внутри. Поэтому в этом состоянии он преимущественно связывается с глюкозой. Если после этого он перейдет в состоянии «пинг» и откроется внутрь клетки, где натрия мало, молекула глюкозы тут же отсоединится от него.

Таким образом, данный трансмембранный белок осуществляет транспорт глюкозы с той стороны мембраны, где концентрация ионов натрия велика, на ту сторону, где она низка, хотя у самого его нет никакого предпочтительного направления именно переноса глюкозы. И более того, работа этого насоса идет без всякой затраты энергии. Однако сам транспорт глюкозы идет с затратой энергии, а именно энергия тратится на создание самой разницы в концентрациях ионов натрия посредством натрий-калиевого насоса. Такое явление называется вторичный активный транспорт.

Разница в концентрации ионов натрия и калия используется также при передаче возбуждения по нервным клеткам. А разница в концентрации ионов кальция важна для мышечного сокращения.

Мы уже сталкивались с одним, пожалуй, наиболее важным специализированным трансмембранным транспортным комплексом – АТФ-синтетазой. Она не просто осуществляет пассивный транспорт протонов по градиенту концентрации, но и умудряется за счет этого синтезировать АТФ.

Кроме транспортной функции, мембранные белки могут осуществлять передачу сигнала извне клетки внутрь нее. Этим занимаются рецепторы – гормонов, медиаторов или физических воздействий. Рецепторы гормонов и медиаторов взаимодействуют со своими субстратами, в результате чего меняют конформацию, связываются с другими белками и вместе с ними погружаются внутрь клетки, передавая сигнал в ядро.

Необходимо отметить, что молекулы фосфолипидов и белков могут беспрепятственно перемещаться вдоль мембраны – это называется текучесть мембраны. Но они почти не перемещаются поперек, т. е. не переходят из внутреннего слоя во внешний и наоборот. И фосфолипидный состав слоев часто довольно существенно отличается. В частности, на внутреннем слое мембраны обычно преобладают фосфолипиды с отрицательно заряженными головками.

Аналогично, а частично и в силу этого мембранные белки не меняют свою ориентацию – внутрь или наружу – относительно клеточной мембраны.

Далее, текучесть мембраны зависит от температуры – как вы догадываетесь, связь этих параметров прямая. Фосфолипиды с предельными жирными кислотами дают более вязкую мембрану, чем с непредельными. Так что у клетки есть возможность влиять на текучесть своих мембран (а значит, и на крепость своей внешней границы) путем синтеза тех или иных фосфолипидов.

Многие белки мембраны несут на своих частях, обращенных вовне, нерегулярные олигосахариды строго определенной структуры – такие белки называют гликопротеидами. Это своего рода опознавательные знаки клетки. Через них осуществляется ее специфическое узнавание другими клетками или специальными белками. Иногда специфические олигосахариды присоединены к липидам – это гликолипиды. Например, группа крови определяется присутствием либо отсутствием одного из двух или обоих олигосахаридов определенной структуры на внешней стороне мембраны эритроцитов.

 

2. Клеточная стенка

 

Как вы понимаете, плазмалемма – очень непростая оболочка. Она может менять форму и площадь поверхности. Благодаря разнообразным белкам она может пропускать или не пропускать самые разные наборы вещества. Но это полужидкая и неизбежно очень нежная оболочка, которая вряд ли может предотвращать клетку от серьезных механических повреждений. Поэтому у многих организмов клетка окружена еще и клеточной стенкой. Это жесткое мало- или совсем нерастяжимое образование, внешнее по отношению к клетке. Как правило, она в той или иной степени сохраняет форму, упруга и прочна, в ряде случаев – очень прочна и обладает изрядной толщиной. Она состоит из веществ, вырабатываемых внутри клетки, выделяемых ею наружу и там затвердевающих. Чаще всего основу клеточной стенки составляют полисахариды. Но иногда большая часть стенки представлена другими твердыми органическими веществами.

Именно клеточные стенки наблюдали создатели первых микроскопов, и именно им, клеточным стенкам древесины, мы обязаны самим словом «клетка», так как сначала ученые увидели только стенки и лишь много позже получили представление о содержимом.

Можно было бы сказать, что клеточная стенка – явление универсальное, если бы не одно важнейшее исключение. Клеточной стенки нет у животных. Ни у одного животного и ни у одной клетки! И у нас с вами, естественно, тоже. Индивидуальные клетки животных могут нести на внешней поверхности определенные структурные белки, которые никогда не образуют плотной стенки. У многоклеточных животных могут быть сколь угодно прочные и толстые внешние покровы всего организма и отдельных органов, но их нет у индивидуальных клеток. Нет клеточной стенки и у одноклеточных животных – простейших. Именно поэтому возможны такие существа, как амебы, которые меняют форму своего тела, перетекая в выпячивания своего тела произвольной формы. Многие простейшие окружены известковой (в том числе и некоторые амебы) или кремниевой раковиной, часто очень сложного строения, но никогда плотной органической оболочкой.

Кроме животных на свете, как вы знаете, существуют растения, грибы и бактерии. Хороший вопрос: где граница между животными и растениями? Вы, наверное, слышали, что есть такая эвглена зеленая – то ли животное, то ли растение, которая плавает при помощи жгутика, зеленая и фотосинтезирующая на свету и бесцветная (только что не пушистая) и питающаяся бактериями и тому подобным в темноте. Ее часто выдают за «промежуточное звено между растениями и животными». У нее клеточной стенки нет. Похоже, на самом деле эвглена – это животный жгутиконосец, который носит в себе бывшую водоросль в виде хлоропласта с тройной мембраной. Обычно хлоропласты имеют двойную мембрану, еще одна мембрана, возможно, указывает на происхождение того, что под ней, от другого одноклеточного организма – водоросли, имевшей единственный хлоропласт. (А откуда взялись нормальные хлоропласты – мы еще рассмотрим.)

Другие одноклеточные зеленые жгутиконосцы (а их не так и много) клеточную стенку имеют и в этом смысле являются растениями. Наверняка они не очень-то и родственны «животным» жгутиконосцам, потому что плавание при помощи жгутика – вещь достаточно универсальная, и свободноживущие фотосинтезирующие жгутиконосцы могли возникнуть даже за счет упрощения каких-то многоклеточных форм, к примеру из их половых клеток, которые «начали самостоятельную жизнь».

Итак, животные отличаются от всех прочих живых существ тем, что утратили клеточную стенку. Это сделало их уязвимыми, но дало гибкость и подвижность, что немаловажно для их по сути хищнического существования – за счет поедания других организмов.

Клеточная стенка бактерий и растений состоит в основном из полисахаридов. У растений основу клеточной стенки составляет целлюлоза, гемицеллюлоза и пектин. Последнее – аморфное, не очень плотное вещество. Клеточная стенка растений обычно организована как железобетонная конструкция: волокна целлюлозы выполняют роль стальной арматуры, а пектин – цемента. Все знают, что такое волокна целлюлозы и где мы с ними сталкиваемся? Вата, хлопчатобумажные и льняные ткани, бумага (в последнем случае мы фактически имеем дело с их обрывками).

В клетках древесины к полисахаридам добавляется лигнин – сложный полимер органических спиртов, который составляет значительную часть их чрезвычайно толстой клеточной стенки.

У бактерий основным компонентом клеточной стенки является гликопептид муреин – полимер, в состав которого входят сахара, несущие аминогруппы, и короткие пептиды по 4–5 аминокислотных остатков. Может быть, будет полезно знать, что по типу клеточной стенки бактерии делятся на грамположительные и грамотрицательные (это различия в окраске при технологии окрашивания по Граму). У грамположительных бактерий стенки толще, но внутренняя структура не выявляется: кроме муреина там есть другие полисахариды. У грамотрицательных стенки тоньше, но в них выявляются слои: внутренний состоит из муреина, затем идет слой неплотно упакованных молекул белка, а потом – из липополисахаридов. Снаружи многие бактерии окружены слизистой капсулой.

В клетках бактерий поддерживается очень высокое осмотическое давление, которому толстая клеточная стенка призвана противостоять. Именно клеточная стенка придает бактериям характерную форму, по которой прежде всего и идет их классификация: форму шариков имеют кокки, форму палочек – бациллы, форму запятых – вибрионы, форму плавных спиралей – спириллы, тонких частых спиралей – спирохеты, форму с многими нитчатыми отростками – актиномицеты.

Клеточная стенка грибов состоит в основном из хитина – это, как вы помните, также азотсодержащий полисахарид, очень прочный и инертный.

Поразительна клеточная стенка археобактерий, состоящая в основном из полимера на основе изопрена – непредельного пятиуглеродного углеводорода, являющегося основной для каучука, т. е. резины! (Еще конденсация изопрена используется при синтезе терпенов и стероидных гормонов.) Получается, что химически их клеточная стенка родственна пластмассам и полиэтиленам. Вспомним, что галобактерии из археобактерий не умеют усваивать сахара, а утилизируют только аминокислоты. Судя по всему, эта форма жизни не умеет как следует обращаться с углеводами.

Клеточная стенка одноклеточных диатомовых водорослей состоит из неорганического вещества – кремнезема, поэтому ее, возможно, следовало бы считать не клеточной стенкой, а раковиной. Но так как диатомовые водоросли, как фотосинтезирующие эукариоты с хлоропластами, все же приходится относить к растениям, то и их покровы принято считать клеточной стенкой.

Для жизни клетка должна химически взаимодействовать с окружающей средой, а клеточная стенка как раз призвана это взаимодействие прервать, так как в отличие от плазмалеммы она непроницаема для большинства веществ. Поэтому в определенных, удобных для данной клетки местах в клеточных стенках имеются поры. На следующей схеме показана крайняя степень развития клеточной стенки - в клетке скорлупы кокосового ореха - где видны, соответственно, наиболее впечатляющие поры.

 

Сквозь поры проходят цитоплазматические мостики, соединяющие растительные клетки друг с другом - плазмодесмы. Вот как выглядят плазмодесмы, связывающие две клетки листа кукурузы:

А вот во что они превращаются в толстых оболочках клеток питательной ткани семени хурмы:

Некоторые (допустим, мужские половые) клетки растений не имеют клеточной стенки. Другие (почти все) их клетки можно лишить клеточной стенки искусственно (такая клетка называется «протопласт»), и это вполне совместимо с жизнью. Такая клетка строит себе новую клеточную стенку. А ее «голое» состояние бывает необходимо в технологиях, связанных с культурой клеток.

Собственно, на этом клеточные структуры, общие прокариотам и эукариотам заканчиваются, и дальше мы будем в основном иметь дело со структурами эукариотических клеток.  Ну и начнем с главного, что делает их эукариотами (в переводе с греческого – «истинноядерными»), – с ядра.

 

3. Ядро

 

Внутреннее содержимое клетки выглядит бесструктурным, и чтобы визуализовать различные структуры перед тем, как рассматривать под микроскопом клетки, их обычно окрашивают теми или иными красителями. Применение большинства их них (даже неспецифических) к клеткам эукариот выявляет прежде всего ядро как крупную структуру, находящуюся чаще всего близко к середине клетки и более или менее сферической формы (но здесь бывают поразительные исключения). Преобладание сферической формы понятно – если мы внутри жидкости изолируем каплю другой жидкости жидкой же мембраной, то она примет сферическую форму. Это своего рода форма по умолчанию, которая может видоизменяться в случае особой внутриклеточной структуры.

Вот здесь показана схема эукариотической (животной и растительной) клетки, с типичным ядром

И вот здесь еще - растительной. Здесь вы видете ядро, смещенное к одной из стенок и немного вытянутое:

 

 

Эукариотические клетки без ядра представляют собой такое же исключение, как всадник без головы. Это значит, что дни такой клетки сочтены и она скоро выполнит свою функцию и погибнет. Самый яркий и едва ли не единственный пример – красные кровяные клетки (эритроциты) млекопитающих. Что характерно, у наших ближайших родственников – рептилий и птиц – ядра в эритроцитах есть. Такая обязательность ядра связана с тем, что ядро действительно является головой клетки – местом, где хранится и обрабатывается информация. Хранится там информация генетическая, а обрабатывается внешняя, пришедшая в виде тех или иных химических сигналов.

Что находится в ядре? Понятно, что там должна находиться ДНК, но есть еще и хороший ответ на все случаи жизни – белки. Белков там хватает самых разных – вспомним хотя бы ДНК- и РНК-полимеразы, белки – генные активаторы и репрессоры. Однако больше всего там структурных белков, которые связываются с ДНК и обеспечивают ее правильную упаковку. Комплекс ДНК и белков в ядре принято называть хроматином. (Название «хроматин» вводилось для обозначения вещества хромосом, а слово «хромосома» переводится как «цветное тело» – такое название они получили за счет интенсивного прокрашивания цитологическими красителями).

Кстати, такой вопрос: какое вещество в клетке имеет наибольшую молярную концентрацию? Вода конечно же! Немногим меньшую, чем в чистой воде. Молярная концентрация имеется не только у растворенных в воде веществ, но и у самой воды. Молярная концентрация воды в воде составляет- 18,5 моль / л. А какое вещество имеет наименьшую молярную концентрацию? ДНК! Сколько молекул ДНК содержится в ядре клеток человека? 46 или 92! Ровно столько, сколько у человека хромосом, или вдвое больше (угадайте почему). Каждая хромосома - это одна молекула ДНК. И в этих-то 46 молекулах, в каждой клетке, дважды записана информация о всех белках (а их сотни тысяч) и РНК (короткие некодирующие РНК пока никто не сосчитал) всего человеческого организма.

Суммарная длина молекул ДНК человека достигает в длину около 2 м. О хромосомах мы поговорим несколько позже, а сейчас просто осознаем тот факт, что 2 м ДНК нам нужно упаковать в ядро диаметром 5–10 мкм (т. е. в 500 тыс. раз меньше). Причем упаковать так, чтобы она имела возможность осмысленно работать – синтезировать нужные белки в нужном месте, в нужное время и в нужном количестве! И заметим, что гены почти равномерно раскиданы по всей ДНК, в том числе и нужные в любой конкретный момент. Это достигается несколькими уровнями упаковки нити ДНК, для которой у меня нет подходящей аналогии из нашей обыденной жизни. Магнитная лента не подойдет, так как, чтобы прочитать с нее какое-то место, до него нужно последовательно домотать. Натянутая, но более верная аналогия будет тут с книгой. Суммарная площадь книжных страниц в сотни раз больше площади поверхности закрытой книги. При этом книгу можно раскрыть в любом нужном месте и прочитать все, что нужно. А сделав закладки, – даже в нескольких местах сразу. Но это один уровень упаковки. Вообразим теперь книгу, все страницы в которой представляют собой раскладные вклейки. Мы получим два уровня компактной упаковки информации. Что-то такое имеет место и с ДНК, только информация там записана не на плоскости, а на линии, и уровней упаковки больше.

Более того, нужно вспомнить, что ДНК - какая-никакая, а все же кислота. Если мы вознамеримся плотно упаковать полианион, нам придется действовать против электростатического отталкивания и мы вряд ли преуспеем. Следовательно, чтобы упаковать ДНК, необходимо также нейтрализовать ее отрицательный заряд каким-то положительным зарядом.

Такая многоуровневая упаковка ДНК достигается за счет белков. Два самых нижних уровня упаковки обеспечиваются белками, имеющими в хроматине наибольшее количественное содержание и называемыми гистоны. Молекулы гистонов в целом положительно заряжены, за счет этого они и связываются с отрицательно заряженной ДНК. Cуществует пять типов гистонов – четыре аргинин-богатых и один лизин-богатый. Молекулы первых четырех (они обозначаются Н2a, H2b, H3 и H4) формируют единый белковый комплекс диаметром около 10 нм – коровую частицу, на которую наматывается (2,5 оборота) кусок ДНК. Коровая частица с намотанной на нее ДНК называется нуклеосомой. Нуклеосомы располагаются на частично свернутой ими молекуле ДНК как бусинки.

 

 

Нуклеосомы располагаются на частично свернутой ДНК как бусинки.

Кстати, конкретное расположение нуклеосом на ДНК связано с тем, должна или не должна на этом участке идти транскрипция. Когда хроматин становится транскрипционно-активным, расположение нуклеосом на нити ДНК меняется. Более того, существует явление, образно называемое гистоновым кодом. Коровые гистоны подвержены различным вторичным модификациям - к ним присоединяются метильные группы, остатки фосфорной кислоты, ацетильные группы, небольшой белок убиквитин. Это присоединение возможно лишь в строго определенных позициях гистонов (как правило, указанных группы присоединяются к положительно заряженным остаткам лизина или аргинина). Состав модифицированных гистонов в хроматине определяет его транскрипционную активность - по сути она сводится к плотности упаковки и доступности для РНК-полимераз. Так, модификации с присоединенными остатками кислот уменьшают общий заряд молекулы и как правило способствует разрыхлению хроматина. За счет так называемого кооперативного эффекта - а данном случае речь идет о том, что посадка молекул определенного типа на ДНК облегчает посадку таких же молекул во время ее репликации - определенное состояние отдельных участков хроматина может наследоваться в ряду клеточных поколений. Этим во многом объясняется тот факт, что клетки определенного типа как правило дают при делении клетки того же типа, то есть в дочерней клетке работают обычно те же гены, что работали в материнской, притом что каждая клетка имеет всю ДНК, характерную для данного вида.

С участком ДНК между нуклеосомами связывается пятый, лизин-богатый гистон Н1. В результате нить бусинок сворачивается в фибриллу  диаметром 30 нм.

Цепочку нуклеосом и фибриллу диаметром 30 нм можно увидеть даже под электронным микроскопом:

В свою очередь, фибрилла диаметром 30 нм еще несколько раз сворачивается в упаковку более высокого порядка при помощи других, негистоновых белков хроматина, которые пока хуже изучены и не так широко известны. На следующем сделана попытка показать уровни упаковки ДНК в хроматин.

Ядро окружено не одной мембраной, а двумя. Сложные белковые механизмы – ядерные поры – пронизывают обе ядерные мембраны, которые в области пор замыкаются друг на друга. Становится ясно, что обе ядерные мембраны, по сути, представляют одну и ту же мембрану. Вероятно, она происходит от замкнувшегося на себя впячивания внешней клеточной мембраны вокруг области, занятой ДНК. На такие мысли наталкивает строение этой области у бактерий.

Вот здесь показана схема ядра:

Действительно, интересно посмотреть, чем обходятся вместо ядра прокариоты. У них тоже есть ДНК и с ней тоже связаны белки, но это не гистоны, да и количество их в расчете на ДНК существенно меньше, чем у эукариот. Молекула ДНК прокариот многократно короче (так как, в отличие от эукариот, в ней нет ничего лишнего) и не требует такой сильной упаковки. (Тем не менее, ДНК покоящихся бактерий часто упакована, опять-таки при помощи белков, практически до кристаллического состояния.) У большинства бактерий большинство генов заключается в одной молекуле ДНК, которая замкнута в кольцо. Она по аналогии с эукариотами обычно тоже называется хромосомой, хотя ее нельзя увидеть под световым микроскопом так, как бывает видно эукариотические хромосомы. Кроме того, в бактериальной клетке обычно имеется произвольное количество небольших кольцевых ДНК, называемые плазмиды. Бактерии легко обмениваются плазмидами, которые часто кодируют отдельные ситуационно-полезные признаки, например устойчивость к какому-то антибиотику. Несколько лет назад в журнале Nature был опубликован полный геном спирохеты, которая вызывает бореллиоз, или болезнь Лайма. (Эта болезнь, передающаяся клещами и распространенная у нас не менее энцефалита, но не такая знаменитая.) У этой спирохеты ДНК представлена фрагментами самого разного размера, частично кольцевыми, частично линейными, причем размерной границы между «хромосомами» и плазмидами не существует.

ДНК в клетке бактерий не распределена по всему объему, а собрана в довольно большой центральной области клетки. Под микроскопом эта область выглядит как имеющая другую плотность. Она получила название нуклеоид, т. е. <подобный ядру>.

Рядом с нуклеотидом есть так называемая мезосома – образование из множества плотно упакованных мембран, которые считаются впячиванием внешней мембраны.

Известно, что бактериальная «хромосома» прикреплена к внешней клеточной мембране и рост последней обеспечивает расхождение двух «хромосом» после их репликации, так что при образовании перетяжки и делении бактерии на две в каждую попадает одна копия. Считается, что мезосома имеет ко всему этому непосредствнное отношение – именно здесь хромосома присоединяется к мембране и именно мезосома участвует в ее росте. Мезосомы играют роль в репликации хромосомы и ее последующем расхождении по дочерним клеткам, участвуют в процессе инициации и формирования поперечной перегородки при делении. Не исключено, что после удвоения ДНК участок клеточной мембраны, который должен вырасти между ними, формируется  именно в мезосоме. Имеются данные, что мезосомы же играют роль в клеточном дыхании (мы помним, что для этого нужны мембранные компартменты).

У эукариот хромосомы тоже присоединяются концами к определенным местам ядерной оболочки. Получается, что мезосома прокариот в каких-то функциях сходна с ядерной оболочкой эукариот. Только представляет собой мембрану, не одевающую нуклеоид, а сложенную рядом, как надетая и снятая одежда.

Вернемся к эукариотам, а именно к ядерным порам. Они нам были нужны как места, где мембрана замыкается на себя, теперь взглянем на них как на сложные шлюзы для транспорта веществ в ядро и обратно. Все, что находится внутри наружной клеточной плазматической мембраны, но не является ядром, называется цитоплазмой. Одно из главных функциональных отличий ядра и цитоплазмы состоит в том, что синтез РНК идет только в ядре, а синтез белков – в цитоплазме (хотя в последнее время появились данные, что до 15% синтеза белка идет в ядре). А как вы, надеюсь, помните, для синтеза РНК нужны определенные ферменты, которые тоже белки. Кроме того, в ядре нужны такие белки, как гистоны, и другие белки, упаковывающие ДНК в хроматин, ферменты, участвующие в репликации ДНК, а также множество специфичных генных регуляторов – активаторов и репрессоров – также белковой природы. Это означает, что ядерные поры должны пропускать наружу мРНК в комплексе со специальными белками, а внутрь – белки, необходимые в ядре.

Еще важная статья ядерного экспорта – субъединицы рибосом. Они, как вы помните, состоят из рРНК и нескольких десятков белков. Это продукты из разных стран происхождения. Цех по сборке почему-то находится именно в ядре и называется ядрышко. Субъединицы рибосом транспортируются обратно в цитоплазму.

Вот схема транспорта через ядерную оболочку:

Таким образом, ядерные поры аналогичны не дыркам в заборе, через которые что-то может быть утащено, нет, это сложно устроенные таможни, где компетентные белковые структуры обслуживают строго регламентированный трансграничный транспорт. Для того чтобы быть импортированным в ядро, белок должен нести особую акцизную марку – пептид ядерного транспорта. Это короткий пептид, состоящий из нескольких аминокислотных остатков. Он навешивается на готовые белки, которые должны быть перенесены в ядро после их синтеза, причем неважно, на какое именно место его навесили. Когда такой белок случайно оказывается рядом с ядерной порой, она опознает его по пептиду ядерного транспорта и затаскивает внутрь.

При транспорте мРНК через ядерную пору связанные с ней ядерные белки заменяются на цитоплазматические, т. е. мРНК следует как транзитный багаж, передаваясь из рук в руки разными компаниями грузчиков. (Можно также представить это как переодевание РНК в национальную одежду при пересечении границы.)

Ядерные поры на поверхности ядра под сканирующим электронным микроскопом выглядят так:

Ядерные поры достаточно велики, и отдельные их белковые элементы могут быть видны в электронном микроскопе. В Институте цитологии и генетики новосибирского Академгородка этими исследованиями с успехом и во взаимодействии с англичанами занимается группа под руководством Е. В. Киселевой. На следующем рисунке приведена схема ядерной поры, взятая из работы этой группы.

схема строения ядерной поры, с электронной микрофотографией всех ее элементов:

и электронные микрофотографии ядерной поры в процессе сборки при восстановлении ядерной мембраны после деления клетки: