Geum.ru

О. Э. Костерин общая биология курс лекций

Вид материалаКурс лекций

Содержание


7. Жгутики эукариот
8. Жгутики и движение бактерий
Подобный материал:
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   26

6. Цитоскелет


До сих пор мы все явления, которые мы разбирали, касались структур жидких или полужидких. Даже ядро, вакуоли, пластиды и митохондрии чаще всего имеют форму, приближающуюся к шару или эллипсоиду, как и положено телам, ограниченным эластичными полужидкими мембранами (допустим, эластичной мембраной окружен воздушный шар). Однако вы уже наверняка знаете, что клетки бывают самой разной формы – это и плоские фибробласты, и нервные клетки с ветвистыми отростками, и мышечное волокно, которое может сокращаться, и , наконец, амеба, способная менять свою форму по собственному произволу. За форму клеток и ее изменения ответственно несколько независимых клеточных структур, так или иначе сводящихся к нитям или трубкам и объединяемым под общим названием цитоскелет. Под этим понятием скрывается три основных объекта: актиновые филаменты или микрофиламенты, микротрубочки и промежуточные филаменты (рис. 8.4).

Актиновые филаменты, или микрофиламенты, образованы молекулами глобулярного белка актина, которые могут собираться в спиралеобразную нить диаметром 7–8 нм, называемую микрофиламентом. Актин составляет до 5 % всего белка клетки. Актиновые нити соединяются между собой определенными белками и формируют сложную сеть, которая является структурной основой геля.

Актиновые филаменты – довольно нестабильные структуры. Полимеризация и деполимеризация актина – обратимая реакция, зависящая от концентрации в растворе мономеров и некоторых веществ – молекул АТФ, необходимых для полимеризации актиновых филаментов, ионов кальция и определенных белков, способствующих деполимеризации филаментов. При этом концы каждого актинового филамента неравноценны – имеются плюс- и минус-концы (данные обозначения не имеют никакого отношения к электрическому заряду), которые при полимеризации нарастают с разной скоростью – плюс-конец растет гораздо быстрее. Существует так называемое равновесное состояние – такие концентрации мономеров актина и прочих важных в данном случае веществ, когда филамент будет с одинаковой скоростью расти на плюс-конце и разрушаться на минус-конце, т. е. длина его сохраняется, а мономеры актина продвигаются по этой длине от плюс-конца к минус-концу.

Разборка актиновых филаментов (под действием специальных дефрагментирующих белков и ионов кальция) превращает гель в золь – вязкий коллоидный раствор, не имеющий свойств твердого тела. Гель-золь переходы лежат в основе направленных потоков цитоплазмы и амебоидного движения клеток, там, где они имеются. Актин участвует во многих процессах клеточного движения. К примеру, мышечное сокращение основано на движении актиновых филаментов относительно филаментов, состоящих из другого белка – миозина. Соокращение немышечных клеток, в том числе и при амебоидном движении, также происходит с участием миозина (который достигает до 1 % всего белка клетки), не организованного, однако, в собственные филаменты. При всех таких движениях относительно актина миозин гидролизует макроэргическую связь в молекуле АТФ, используя ее как источник энергии для движения.

Сеть актиновых филаментов особенно густа вблизи поверхности клетки. Тесно взаимодействуя с внешней мембраной (опять-таки при помощи специальных белков), они формируют так называемый клеточный кортекс – довольно прочную внутреннюю механическую основу ее поверхности.

Механические свойства кортекса довольно любопытны. Он хорошо противостоит резким кратковременным нагрузкам, ведя себя как твердое тело, но податлив к медленным и постепенным нагрузкам, в том числе и весьма слабым, в этом случае ведя себя как вязкая жидкость. Причина этого состоит в следующем. Белки, сшивающие между собой актиновые филаменты, с определенной скоростью спонтанно диссоциируют от филаментов и ассоциируются с ними снова. При медленной нагрузке в моменты диссоциации происходит смещение ранее связанных друг с другом актиновых филаментов друг относительно друга в направлении нагрузки, поэтому постепенно актиновая сеть перестраивается. При резких воздействиях связывающие белки не успевают диссоциировать.

Микротрубочки – более толстые структуры, их диаметр – около 25 нм. Их структурной единицей является димер из двух белков - α- и β-тубулинов. Общая суммарная длина микротрубочек в клетке, как правило, в 10 раз меньше, чем суммарная длина актиновых микрофиламентов. По содержанию тубулина больше всего в головном мозге позвоночных – до 10–20 % всего растворимого белка, так как они формируют структуру аксонов нервных клеток. Как и у актиновых филаментов, у микротрубочек есть плюс- и минус-концы, растущие с разной скоростью. Для полимеризации микротрубочек необходима ГТФ. Однако у микротрубочек равновесное состояние невозможно – они спонтанно переходят от медленного нарастания на плюс-конце к быстрому разрушению с того же плюс-конца. Чтобы предотвратить микротрубочку от неминуемого разрушения, ее плюс-конец должен быть защищен связью с каким-то определенным веществом. Поэтому в клетке стабильны только те микротрубочки, которые присоединены к чему-либо.

В отличие от актиновых филаментов, микротрубочки не формируют сетей. Важнейшей особенностью микротрубочек является то, что они не образуются в клетке сами по себе – все микротрубочки радиально отходят от так называемого клеточного центра, или центросомы. Это небольшая плотная область, расположенная возле ядра, внутри которой находятся две примечательные структуры – центриоли. Центриоль представляет собой цилиндрическую органеллу толщиной около 0,2 мкм и длиной 0,4 мкм. Стенку центриоли составляют девять параллельных групп из трех слившихся микротрубочек, причем каждый такой триплет наклонен к окружности центриоли под углом 45 % (рис. 8.5).

В клеточном центре всегда имеется две центриоли, лежащие рядом, но под прямым углом друг к другу (см. рис. 8.5). При делении клетки центриоли расходятся, и возле каждой старой центриоли возникает молодая центриоль. у которой поначалу вместо девяти триплетов имеется девять одиночных микротрубочек по периферии. В дальнейшем они дозревают до центриоли нормальной структуры. Каким-то еще не выясненным образом существующая центриоль служит матрицей для образующейся возле нее второй центриоли. Поперечного деления центриоли на две, что было бы логично ожидать в качестве такого способа, не имеет места.

Следует отметить, что в клеточном центре растений центриоли отсутствуют и он выглядит как недиффиренцированная плотная структура, сохраняя, однако, функцию организатора всех клеточных микротрубочек.

Клеточный центр является затравкой для сборки всех микротрубочек клетки, причем единовременно от клеточного центра отходит довольно строго определенное число микротрубочек – допустим, у фибробластов человека около 250. Их минус-концы погружены в перицентриолярное вещество, а плюс-концы нарастают в случайных направлениях, пока микротрубочка не разрушится или не соединится с органеллами, кортексом и т. д. и тем самым не зафиксируется. Фиксация «зрелых» микротрубочек усиливается специальными белками. Тем не менее, и такие микротрубочки со временем разрушаются и создаются вновь, и эти процессы влияют на рост и движение клеток.

Важнейшая функция микротрубочек – служить рельсами для перемещения мембранных пузырьков и органелл клетки, таких как митохондрии, которое происходит посредством специальных транспортных белков. Причем одни белки осуществляют транспорт по направлению от минус-конца к плюс-концу, а другие – в обратном направлении. Таким образом, микротрубочки направляют все процессы экзо- и эндоцитоза, а также определяют местоположение ЭПР и комплекса Гольджи.

Другая важнейшая функция микротрубочек – направлять и обеспечивать правильное деление клетки – будет рассмотрена на следующей лекции.

Промежуточные филаменты имеют диаметр 8–10 нм и напоминают переплетенные канаты, образованные фибриллярными белками. Этот элемент цитоскелета ригиден и неэластичен и предназначен для выдерживания механических нагрузок на разрыв. Поэтому их много в клетках, подвергающихся физическому воздействию. Промежуточные филаменты расположены пучками или по отдельности. Сеть промежуточных филаментов гуще всего возле ядра, откуда она простирается к периферии клетки, причем в этом ее распространении, судя по всему, играют роль микротрубочки, опять-таки в качестве транспортных рельсов. Промежуточные филаменты гораздо стабильнее актиновых филаментов и микротрубочек, но также могут подвергаться разборке, связанной с фосфорилированием их компонентов.

Особый класс промежуточных филаментов образует ядерную ламину – структуру в виде решетки с прямоугольными ячейками, подстилающую изнутри ядерную мембрану. К промежуточным филаментам принадлежат и волокна кератина – того самого белка, из которого состоят волосы, ногти, чешуи, рог. Клетки, составляющие эти органы, синтезируют огромное количество таких филаментов. Кератиновых промежуточных филаментов много и в любых клетках эпидермиса – верхнего слоя нашей кожи.

Таким образом, в любой эукариотической клетке имеется сложная трехмерная структура, состоящая из белковых элементов трех типов, обладающих совершенно разными свойствами, функциями и способами образования. Эта структура ответственна не только за механические свойства клетки, но и за все, что связано с движением как самой клетки, так и ее внутренних элементов. Именно за счет элементов цитоскелета одноклеточные организмы – простейшие – могут достигать той сложности строения, которая делает из независимыми свободноживущими организмами.


^ 7. Жгутики эукариот


Почти у всех эукариот хотя бы некоторые клетки имеют реснички или жгутики. Они представляют собой органы плавания клетки в жидкой среде (у одноклеточных форм и стадий и у не очень крупных многоклеточных) или, наоборот, перемещения жидкой среды вдоль клетки (у многоклеточных форм). Что, по сути, есть одно и то же. Отличие ресничек от жгутиков состоит в длине и характере движения. Ресничка короткая, ее движение состоит из резкого изгиба у основания при сохранении прямизны по остальной длине (при этом она действует как весло), сменяющейся медленным изгибом основания в обратном направлении и расслабленного состояния основной длины (так что она принимает форму, максимально ослабляющую сопротивление жидкости). Как правило, ресничек много и их движения скоординированы и волнообразны. Жгутики длинны и совершают постоянные волнообразные движения. Диаметр жгутиков или ресничек – около 0,25 мкм, а длина варьирует от 10 до 200 мкм.

Структура и у жгутиков, и у ресничек одинаковая и весьма стандартная. В ее основе лежит красивая структура из микротрубочек (которые мы рассмотрели выше) – по периметру расположено девять пар сдвоенных микротрубочек (дублетов) и еще две отдельные микротрубочки проходят по центру образованного ими цилиндра (рис. 8.6). При этом обе центральные микротрубочки полноценны, в то время как в боковых парах только одна микротрубочка полная, другая же пристроена к ней и в месте контакта не имеет собственной стенки.

С интервалом в 24 нм от боковых дублетов по направлению к соседнему дублету отходят «ручки», состоящие из одной молекулы белка динеина, другой белок образует эластичные связки между дублетами. От них же по направлению к центральной паре микротрубочек отходят «спицы», состоящие из другого белка. Движение жгутиков обеспечивается скольжением боковых дублетов друг относительно друга, за которое ответствен белок динеин, который, гидролизуя АТФ, смещается относительно той микротрубочки, к которой он направлен.

В основании любого жгутика или реснички лежит базальное тельце, или базонема, совершенно идентичная центриоли, от которой у животных отходят цитоплазматические микротрубочки.

Неслучайно структура центриоли в чем-то аналогична структуре жгутика – и там и тут мы имеем девять продольных структур, образованных микротрубочками. Подобно тому как центриоль служит затравкой для построения цитоплазматических микротрубочек, базальное тельце служит затравкой для построения жгутика. Однако жгутик отходит не от некоего недифференцированного вещества возле него, а непосредственно от базального тельца. Микротрубочки боковых дублетов отходят от плюс-концов двух из трех микротрубочек каждого бокового триплета базального тельца. Центральная пара микротрубочек образуется непонятным пока образом без видимой затравки. Сам жгутик можно оторвать, и он восстановится из базального тельца. Но без базального тельца жгутик не возникает. Базальные тельца формируются около центриолей клеточного центра. В случае ресничек у человека вокруг каждой материнской центриоли возникают ювенильные базальные тельца. Каким-то образом центриоль служит матрицей для образующихся около нее базальных телец (равно как и для дочерней центриоли при делении клеточного центра). Как и в случае ювенильных центриолей, у них сначала вместо девяти триплетов имеется девять одиночных микротрубочек по периферии. В дальнейшем они дозревают до нормальных базальных телец, по структуре идентичных центриолям.

Базальные тельца и центриоли могут быть идентичны не только по структуре, но и по функции. Зеленый жгутиконосец хламидомонада имеет два жгутика, но перед делением клетки он их теряет, а их базальные тельца функционируют как центриоли при делении клетки (как происходит деление – рассмотрим в следующей лекции).

Жгутики (или реснички) изначально присущи эукариотической клетке. Они есть у многих одноклеточных – у жгутиконосцев (жгутики) и инфузорий (реснички). Их нет у высших грибов и высших (цветковых) растений, но они есть у низших грибов и растений. Почти у всех животных они так или иначе присутствуют в каких-то клетках, как минимум у сперматозоидов. Единственная группа животных, где они полностью утрачены, это круглые черви нематоды. У человека жгутики есть не только в сперматозоидах, но и у клеток так называемого ресничного эпителия, который выстилает полость легких и пазух носа и создает ток приповерхностной слизи (грубо говоря, соплей и мокроты), благодаря чему внутренняя поверхность легких очищается от пыли.

О жгутиках можно рассказать интересный факт. В раннем эмбриональном развитии человека есть так называемая стадия бластулы, когда человек еще представляет собой лишь однослойную сферу из клеток, на которые поделилась оплодотворенная яйцеклетка. Но клетки в ней уже неодинаковы и готовы к дальнейшим превращениям. На этой стадии одна совершенно определенная клетка несет один жгутик, который характерен тем, что в нем нет двух внутренних микротрубочек. Биение этого жгутика создает некоторый ток жидкости вокруг бластулы. Вместе с этим течением в определенную сторону перемещаются и определенные морфогены – вещества, выделяемые одними клетками, чтобы влиять на развитие других. Этим потоком морфогенов задается первоначальная право-левая ассимметрия человеческого тела. У человека есть мутация, нарушающая подвижность жгутиков. Такие люди вполне живут, но у них есть определенные проблемы со здоровьем и наблюдается мужское бесплодие, так как у них неподвижны реснички эпителия нижних дыхательных путей и жгутики сперматозоидов. И, что удивительно, сердце с равной вероятностью находится слева или справа. Как выяснилось, ничего удивительного в этом нет – отсутствие упомянутого жгутика у бластулы проиводит к тому, что тока морфогенов нет и право-левая асимметрия закладывается случайным образом.


^ 8. Жгутики и движение бактерий


Жгутики бактерий не имеют ничего общего со жгутиками эукариот. Они имеют другую химическую основу, другой принцип движения и сами по себе к активному движению не способны – вращается лишь их основание. Жгутики бактерий представляют собой тонкие нити, берущие начало от цитоплазматической мембраны, имеют большую длину, чем сама клетка. Толщина жгутиков 12–20 нм, длина 3–15 мкм. Они состоят из трех частей: спиралевидной нити, крюка и базального тельца, содержащего стержень со специальными дисками (одна пара дисков – у грамположительных и 2 пары – у грамотрицательных бактерий) (рис. 8.7). Дисками жгутики прикреплены к мембране и клеточной стенке. При этом создается эффект электромотора со стержнем-ротором, вращающим жгутик. Жгутики состоят из белка – флагеллина (от лат. flagellum – жгутик). Бактериальный жгутик закручен спиралевидным образом.

Число жгутиков у бактерий различных видов варьирует от одного (например, у холерного вибриона) до десятка и сотен жгутиков, отходящих по периметру бактерии, у кишечной палочки, протея и др., либо же имеется пучок жгутиков на одном из концов клетки.

Рассмотрим движение бактерии со многими жгутиками. Все жгутики одной бактерии непрерывно вращаются, причем в одну и ту же сторону. Однако во времени направление вращения периодически меняется на обратное. При вращении спирально закрученных жгутиков против часовой стрелки они собираются в один общий пучок и создают тягу, толкающую клетку в противоположную сторону, в результате чего она движется поступательно. При вращении в обратном направлении, по часовой стрелке, пучок распадается на отдельные жгутики, которые толкают клетку в разных направлениях, так что она кувыркается на месте хаотическим образом.

Именно за счет чередования этих двух режимов – направленного плавания и кувыркания – бактерия в итоге может двигаться по направлению возрастания концентрации благоприятных ей веществ (например, сахара) либо убывания концентрации неблагоприятных веществ. Механизм такого движения необыкновенно прост (в соответствии с простотой организма), но в то же время весьма эффективен. Бактерия слишком мала, чтобы отслеживать изменения концентрации вдоль длины своей клетки. Но она может отслеживать изменения концентрации во времени. Если концентрация благоприятного вещества со временем нарастает, она проводит больше времени в движении и меньше времени в кувырканиях, тем самым продвигаясь в нужном направлении. Если концентрация нужного вещества во времени убывает, бактерия вскоре останавливает движение и начинает кувыркаться, «в надежде» случайным образом принять более благоприятное направление движения.

Здесь важнее всего то, что бактерия должна реагировать не на определенную концентрацию вещества, а на изменение этой концентрации во времени. Это достигается посредством молекулярной адаптации химических рецепторов (особых трансмембранных белков, связывающихся с интересующими бактерию веществами), расположенных на мембране. Адаптация рецепторов происходит путем обратимого ковалентного присоединения к ним нескольких метильных групп. А регуляция направления вращения жгутиков – за счет фосфорилирования и дефосфорилирования нескольких белков цитоплазмы, которые передают сигнал на белки, приводящие во вращение ротор жгутика.

Лекция 9. ДЕЛЕНИЕ КЛЕТОК И КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

На двух предыдущих лекциях мы с вами рассмотрели строение клетки. Большая часть нашего времени ушла на знакомство с эукариотической клеткой, потому что она действительно гораздо сложнее устроена, чем прокариотическая. Сейчас мы переходим к клеточному делению, и здесь эта разница будет проявляться еще рельефнее.

Деления бактериальной клетки мы уже коснулись. Кольцевая молекула ДНК прикреплена в определенном месте ко внешней клеточной мембране. В ходе репликации молекула ДНК, называемая бактериальной хромосомой, удваивается, причем каждая из двух молекул по прежнему прикреплена к мембране. После этого мембрана между местами прикрепления двух молекул ДНК начинает расти. Одновременно растет и клеточная стенка. Когда обе хромосомы расходятся на достаточное расстояние, мембрана и клеточная стенка образуют перетяжку, которая делит клетку на две.

Деление эукариотической клетки протекает сложнее. Это связано с необходимостью точно поделить между двумя дочерними клетками гораздо большее количество ДНК, да еще подразделенное на многие хромосомы. Деление каждой эукариотической клетки сопровождается впечатляющими событиями, которые видно даже под средненьким световым микроскопом.

Деление эукариотической клетки называется митоз. Однако этот термин относится именно к процессам, наблюдаемым в микроскоп. В промежутках между делениями – митозами – клетка проходит стадии, которые под микроскопом не увидишь, но которые очень важны. Поэтому правильнее будет говорить о митотическом цикле – промежутке времени, включающем один промежуток между делениями клетки и одно клеточное деление (именно в такой последовательности).

«Нормальное» состояние клетки между делениями называется интерфазой. (Смысл термина в том, что это промежуток между делениями.) На самом деле интерфаза делится на три стадии – G1, S и G2 (здесь буква G всего лишь от английского gap – промежуток).

Фаза G1 – это основное рабочее состояние клетки. В этом состоянии идет транскрипция и трансляция, восстановление объема и внутреннего содержания клетки, которые были ополовинены в ходе предыдущего деления, идет размножение пластид и митохондрий (очень похожее на деление бактерий, только без необходимости наращивать клеточную стенку, которую они утеряли). Именно на этой стадии клетки многоклеточного организма выполняют все свои специфические функции, организму необходимые.

S-фаза – это период, когда ДНК в ядре удваивается. Репликация ДНК начинается во многих, однако строго определенных, местах, причем где-то раньше, где-то позже; тем не менее, к концу S-фазы каждая молекула ДНК удваивается полностью. Как вы понимаете, одновременно с ДНК должно удвоиться количество гистонов и негистоновых белков хроматина – появление огромной отрицательно заряженной молекулы ДНК в ядре «в голом виде» было бы физико-химической катастрофой. Поэтому в S-фазе в клетке активно синтезируются гистоны и прочие белки хроматина.

Здесь есть важный момент. Среди белков хроматина имеется очень малая по количеству, но очень разнообразная и важная часть – специфические генные регуляторы - это те белковые репрессоры и активаторы, которые включают и выключают гены. Они связываются с регуляторной областью практически любого эукариотического гена и определяют его выключенное или включенное состояние (т. е. транскрибируется он или нет). Не нужно напоминать, что коль скоро регуляторы – это специальные белки, то каждый из них тоже кодируется своим геном, экспрессия которого также регулируется какими-то регуляторами – так реализованы генные сети управления. Генов – десятки тысяч. Регуляторов меньше, так как каждый включает или выключает многие гены – иначе мы имели бы свой отдельный регулятор на каждый ген и впали бы в дурную бесконечность. Важно подчеркнуть, что каждая клетка многоклеточного организма несет в себе все гены, присущие этому организму, но в каждой конкретной клетке работает только малая часть генов, тогда как остальные нужны в других типах клеток или в другие периоды жизни. Гены включаются и выключаются по мере необходимости, но при делении клеток определенного типа важно, чтобы включенные и выключенные состояния генов, характерные для данного типа, в целом были унаследованы. При репликации ДНК удваивается, и надо, чтобы регуляторные белки не только были дополнительно синтезированы в таком же количестве, как и исходно наличествовавшее, но и сели на свои места. Обычно это достигается посредством обратной связи – такой белок регулирует и свой же собственный ген, поэтому когда этот ген активен, регуляторный белок производится, присутствует в клетке в нужном количестве и связывается с теми регуляторными сайтами, к которым он специфичен. Если активность гена данного регуляторного белка потеряна, то она как правило уже не восстанавливается ввиду отсутствия его продукта. Воспроизведение включенного и выключенного состояния генов при удвоении ДНК может достигаться и за счет