Ы Верстка! Подстраничное примечание. МС Ы 4 page

2.4.4. Цитоплазма клетки

В цитоплазме размещены основные “рабочие” механизмы клетки. Рабочими эти механизмы называют потому, что они обеспечивают превращение «потенциальной» биологической информации нуклеиновых кислот (ДНК, и(м)РНК) в действующую (актуализированную) — белков — в процессе их синтеза, извлечение из веществ, поступающих в клетку, энергии и фиксацию ее в молекулах АТФ, образование пула («запаса») низкомолекулярных предшественников, необходимых для внутриклеточных синтезов, пространственно-временную организацию биохимических реакций синтеза (анаболизм) и распада (катаболизм) веществ в клетке.

Учитывая, что в курсе биологии средних общеобразовательных школ и средних срециальных учебных заведений, а также то, что студенты основательно знакомятся с принципами структурно-функциональной организации эукариотической клетки на кафедре гистологии, эмбриологии и цитологии, признано целесообразным исключить из курса биологии медицинских вузов сколь-нибудь детальное рассмотрение конкретики структурно-функциональной организации эукариотической клетки (в частности, материалы, касающиеся включений и органелл, цитоскелетных структур, организации основного вещества или матрикса цитоплазмы). Вместе с тем, достаточно детальное рассмотрение принципов и конкретики организации клеточного ядра (см. 2.3.3) целесообразно оставить, поскольку эти материалы необходимы для изучения генетики, в частности, в ее современном формате.

Тем не менее, студентам в преддверии начала занятий на кафедре гистологии, эмбриологии и цитологии необходимо иметь представления о том, что в цитоплазме выделяют основное вещество, цитоскелет, включения и органеллы, причем с расширением знаний можно думать не только о цитоплазматических, но и о ядерных (сплайсосома) органеллах. Полезно напомнить определения и дать общую характеристику матрикса цитоплазмы (см. 2.4.4.1), цитоскелетных структур (см. 2.4.4.2) цитоплазматических включений (см. 2.4.4.3) и органелл (см. 2.4.4.4), иметь представление об эукариотической клетке как о функциональной целостности, вернув из классической цитологии 1-ой половины минувшего (ХХ) века понятие о живом веществе как таковом (протоплазма) и о биоколлоиде (см.2.4.9).

2.4.4.1. Основное вещество

Основное вещество цитоплазмы (матрикс, гиалоплазма), заполняя пространство между плазмалеммой, ядром и разного рода внутрицитоплазматическими структурами, представляет собой внутреннюю среду клетки. Белковый состав основного вещества разнообразен: ферменты гликолиза, обмена сахаров, липидов, азотистых оснований, аминокислот. В гиалоплазме находятся белки-субъединицы, из которых путем полимеризации собирается ряд цитоплазматических структур (органелл), например, тубулины, из которых строятся микротрубочки. На долю белков основного вещества приходится 20–25% от общего количества белка эукариотической клетки. В прокариотических клетках, в основном, лишенных мембран, эта цифра приближается к 50%. В гиалоплазме откладываются запасные питательные вещества — полисахариды (например, гликоген), жировые капли. Химическим составом и организацией гиалоплазмы определяются осмотические и буферные свойства клетки. По физико-химическим свойствам основное вещество цитоплазмы является сложной коллоидной системой, способной к обратимым гель-золь переходам (см. 2.4.9).

2.4.4.2. Цитоскелет

Цитоскелет (внутриклеточный или внутрицитоплазматический скэффолд) образован сетью из микротрубочек (25 нм), актиновых микрофибрилл (6 нм) и промежуточных (10 нм) фибрилл (рис. 2-17). Он выполняет каркасную (опорную) функцию, участвует во внутриклеточных транспортах (рис. 2-21) и связан с некоторыми видами двигательной активности клеток (амебоидное движение). От состояния цитоскелета зависит прикрепление клеток к внеклеточным структурам. Ослабление контакта с такими структурами — одно из условий подвижности и метастазирования некоторых видов опухолевых клеток.

Рис. 2-17. Цитоскелет эукариотической клетки.

2.4.4.3. Цитоплазматические включения

Включения (рис. 2-18 а,б и в) — относительно непостоянные компоненты цитоплазмы, которые являются либо запасными питательными веществами (жир, гликоген, желток яйцеклетки), либо продуктами для нужд организма, приготовляемыми клеткой и подлежащими выводу из нее (секреты желез, в частности, экзокринных, например, слюнных), либо балластными веществами (пигмент изнашивания или липофусцин).

Рис. 2-18. Цитоплазматические включения эукариотической клетки. а — липофусцин, б — липидная капля, в — гранулы секрета.

Рис. 2-19. Общеклеточные органеллы: а – диктиосома; б –митохондрии; в – лизосомы; г – вторичные лизосомы; д – микротрубочки; е – микрофиламенты.

2.4.4.4. Органеллы эукариотической клетки

Органеллы (органоиды в терминологии классической цитологии и гистологии) — постоянные структуры цитоплазмы, выполняющие в клетках жизненно важные функции (рис. 2-19а-е). Они имеют мембранное или без(не)мембранное строение. К органеллам без(не)мембранного типа относятся микротрубочки (см. рис. 2-19д) и структуры, основу которых они составляют (базальные тельца, реснички и жгутики, центриоли), микрофиламенты (см. рис. 2-19е) и микрофибриллы, рибосомы (рис. 2-20), протеасомы (см. рис. 2-6) и ряд других.

Общепринятыми и доказанными являются представления, что рибосомы прокариотических и эукариотических клеток по ряду существенных параметров различаются, а собственные рибосомы митохондрий (ДНК содержащая органелла эукариотических клеток) идентичны рибосомам прокариот. В настоящее время есть данные, указывающие на то, что собственные рибосомы хлоропластов отличны от рибосом клеток как прокариотических, так и эукариотических. Указанные данные были получены при обнаружении губительного действия антибиотика клиндамицин а на возбудителей паразитарных заболеваний, вызываемых такими одноклеточными эукариотами, как токсоплазма и малярийный плазмодий. Терапевтический эффект названного антибиотика обусловлен нарушением организации рибосомного аппарата (“склеивание” рибосом, что лишает их возможности полноценно функционировать), причем к антибиотику не чувствительны рибосомы цитоплазмы и митохондрий эукариот, но чувствительны рибосомы, аналогичные имеющимся в цитоплазме прокариот и в хлоропластах. Рибосомы, реагирующие на клиндамицин сходным с рибосомами хлоропластов образом, были обнаружены в особой ДНК содержащей структуре околоядерной зоны названных одноклеточных паразитов человека, во всяком случае, в клетках токсоплазмы (Toxoplasma gondii).

Мембранные органеллы представляют собой «ячейки» или компартменты, отличающиеся по химическому составу, биохимическим процессам и, следовательно, функциям. Для некоторых из мембранных цитоплазматических структур (органелл) характерно наличие двух отграничивающих мембран (митохондрии, хлоропласты растительных клеток), тогда как для других — одной (лизосомы, пероксисомы). Предположительно, двумембранные органеллы имеют симбиотическое происхождение (см. 1.10), тогда как одномембранные возникали путем отделения («отшнуровки») от плазмалеммы или эндоплазматической сети в виде вакуолей.

Наряду с органеллами общего значения, которые присутствуют в клетках всех типов, выделяют специальные органеллы. Последние в значительном количестве встречаются в клетках, специализированных к выполнению конкретной функции, тогда как в других типах клеток их количество невелико или они отсутствуют вовсе. К специальным органеллам относят микроворсинки всасывающей поверхности эпителиальных клеток кишечника, реснички мерцательного эпителия трахеи и бронхов, миофибриллы скелетной или сердечной мышц, синаптические пузырьки, транспортирующие вещества-переносчики (медиаторы) нервного возбуждения с одной нервной клетки на другую или на исполнительную клетку рабочего органа.

К органеллам общего значения относят вакуолярно-канальцевую систему цитоплазмы, включающую шероховатую и гладкую цито(эндо)плазматическую сеть (ретикулум) и связанные с ней происхождением и функционально везикулы (относительно мелкие пузырьки), вакуоли (относительно крупные пузырьки) и цистерны (уплощенные внутрицитоплазматические полости), пластинчатый комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, микротельца. В эту же группу включают рибосомы и полисомы, митохондрии, микротрубочки и микрофиламенты, центриоли клеточного центра (для животных клеток).

Рис. 2-20. Структура эукариотической рибосомы (схема). Указаны молекулярные веса (MW) и седиментационные характеристики (S) рибосомы и ее субъединиц, молекулы рибосомальных РНК и количество белков большой и малой субъединиц.

В растительных клетках выделяют хлоропласты (содержат красящий пигмент хлорофилл и осуществляют фотосинтез).

В клетках растений обнаруживаются структуры с общим названием пластиды. Среди них выделяют лейкопласты (лишены пигмента), хромопласты (содержат красящие пигменты, к этой группе по известному признаку относят и хлоропласты), амилопласты (содержат крахмал). Между различными формами пластид возможны переход. Некоторые особенности структуры и цитофизиологии растительной клетки – см. также 2.3.

Новейшая клеточная биология вносит свой вклад в расширение ассортимента общеклеточных органелл. О протеасомах, в которых разрушаются «дефектные» полипептиды, сказано выше (см. 2.4.1, см. рис. 2-6), в процессинге пре-и(м)РНК транскрипта принимает участие мультигетеробелковый комплекс — сплайсосома (см. 2.4.5.5). Сплайсосома как внутриклеточная органелла заслуживает особого внимания, так как свою функцию эта структура выполняет не в цитоплазме, а в клеточном ядре.

Предположительно с расширением представлений о структурной организации внутриклеточных процессов жизнедеятельности число органелл будет расти, в частности, за счет мультибелковых комплексов (см. инициаторные комплексы, необходимые для начала репликации и транскрипции ДНК – 2.4.2.1, 2.4.5.3, сплайсосома - 2.4.5.5).

2.4.5. Поток генетической информации: клеточный уровень

Жизнедеятельность клетки как универсальной единицы биологической активности обеспечивается совокупностью взаимосвязанных, приуроченных к определенным внутриклеточным структурам, упорядоченных в пространстве и во времени метаболических (обменных) анаболических, катаболических и регуляторных процессов. Эти процессы образуют три потока: биоинформации, энергии и веществ.

Благодаря потоку биоинформации клетка, используя эволюционный опыт предков, приобретает структуру, отвечающую критериям элементарной морфологической, функциональной и генетической единицы жизни (см. 2.1 и 2.2), поддерживает ее во времени и передает в ряду поколений. Этот же поток составляет основу выполнения специализированными клетками многоклеточного организма их функций (см. 2.2, гипотеза “клеточного государства” Р.Вирхова).

Непосредственными участниками потока биоинформации являются клеточное ядро - ДНК хромосом, репликация ДНК, транскрипция и пост(после)транскрипционный процессинг пре- РНК транскриптов, макромолекулы, переносящие генетическую информацию из ядра в цитоплазму (информационная или матричная и другие виды РНК, непосредственно участвующие в биосинтезе белков, информосомы), цитоплазматический аппарат образования простых белков или полипептидов (рибосомный цикл синтеза белка, см.2.4.5.6). С полипептидами происходят пост(после)трансляционные изменения (фолдинг — приобретение вторичной и третичной структуры или конфигурации, объединение в комплексы — четвертичная структура, химическая модификация). Функционально зрелые белки и их комплексы используются в качестве ферментов, строительных блоков, антител и т. д. (рис. 2-22).

Рис. 2-22. Поток биологической информации в клетке.

2.4.5.1. Макромолекулярная и надмолекулярная организация ДНК

Макромолекулой, с которой связано сохранение в клетках биологической (наследственной, генетической) информации является ДНК. Ею обеспечиваются передача качественно и количественно полноценной биоинформации вряду клеточных поколений (митотический цикл, см. 3.1.1) и использование этой информации для организации клеточных функций (транскрипция и трансляция, послетранскрипционные и послетрансляционные процессы). Первая из названных задач решается путем воспроизведения идентичных двойных спиралей ДНК (см. 2.4.5.3 и 2.4.5.5), вторая — путем биосинтеза белка (см. 2.4.5.6). На заре биогенеза роль носителя генетической информации принадлежала, видимо, РНК (см. 1.4.5). Выбор эволюции в пользу ДНК обусловлен ее большей химической инертностью и, следовательно, стабильностью. Стабильности вещества наследственности в мире жизни принадлежит особое место. Минимизация искажения биоинформации за счет химической стабильности молекул-носителей была в эволюции усилена путем возникновения механизмов «макромолекулярной редакции» ДНК-текстов, коррекции вних ошибок и молекулярной репарации повреждениймолекул ДНК (см. 2.4.5.3-а).

Генетическая (наследственная, биологическая) информация записана по длине макромолекул ДНК в виде последовательности нуклеотидов (молекулярная организация ДНК как биоинформационной макромолекулы), тогда как способность передавать эту информацию от клетки к клетке, а также использовать для обеспечения клеточной жизнедеятельности (биосинтез белков) определяется надмолекулярной организацией ДНК ввиде двойной спирали, в которой осуществлен принцип комплементарности. Осуществление этого принципа, делая возможным матричный синтез, составляет молекулярно-биологический базис обеих главных функций ДНК — использование информации в целях организации клеточных функций (через механизм матричного синтеза макромолекул полипептидов - транскрипция и трансляция) и передача информации в ряду клеточных поколений (через механизмы репликации ДНК, то есть опять матричный синтез, и митоз). На макромолекулярном уровне в связи с первой функцией речь идет об образовании молекул информационных (матричных) РНК/и(м)РНК и рибосомном цикле биосинтеза белка, со второй – о копировании биспиралей ДНК в синтетическом (S) периоде интерфазы и распределении между дочерними клетками хромосом в митозе пролиферативного (митотического) цикла.

Биоинформационное обеспечение жизнедеятельности эукариотических организмов требует сложного генетического аппарата. Основу названного аппарата составляет клеточный геном. Формально геном (термин предложен немецким генетиком Г. Винклером в 1920 г.) определяется как совокупность генов одинарного (гаплоидного) набора хромосом. В связи с открытием некодирующих сайтов ДНК (см. 4.3.3.2) в настоящее время предлагается включать в геном всю совокупность нуклеотидных последовательностей (сайтов) ДНК гаплоидного набора хромосом организмов определенного вида. При таком определении понятие генома распространяется, во-первых, на гены в понимании классической генетики, то есть на сайты (нуклеотидные последовательности) транскрибируемой, но нетранслируемой ДНК, кодирующие молекулы РНК, непосредственно участвующие в белковом синтезе (информационные, рибосомные, транспортные), а также на сайты (нуклеотидные последовательности) трансрибируемой и транслируемой ДНК (смысловые, кодирующие, структурные). Во-вторых, в геном включаются все остальные нуклеотидные последовательности (сайты) ДНК с регуляторными, сервисными, конценсусными и рядом других, нередко еще мало понятых наукой функций.

Макромолекула ДНК — полимер, построенный из мономеров-нуклеотидов (их 4). Нуклеотиды различаются по азотистым основаниям, которые представлены либо пурином (аденин или гуанин), либо пиримидином (цитозин или тимин). Два других компонента молекулы ДНК — пятиуглеродный сахар дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды в ДНК соединены связями между дезоксирибозой и фосфатом (рис. 2-23а). Последовательность нуклеотидов в рассматриваемой цепочке (первичная структура) может быть любой. ДНК присутствует в клетках в виде комплекса из двух комплементарных (“взаимодополняющих” или “взаимосоответствующих”) антипараллельных макромолекул (цепей) — вторичная структура (рис. 2-23б). Так как существование такой конструкции («лестничная» конфигурация) невозможно по стереохимическим соображениям, комплекс «закручен» в трехмерную двойную спираль (биспираль, англ., helix, г(х)еликс) — третичная структура, рис. 2-24). Образующиеся при этом малая и большая бороздки — необходимое условие присоединения к ДНК регуляторных белков (в том числе транскрипционных факторов). Обычно это правозакрученная (витки следуют по часовой стрелке) спираль или В -форма. Обнаружена также левозакрученная Z -форма.

Рис. 2-23. Первичная (а) и вторичная (б) структура ДНК. Стрелками обозначена антипараллельность цепей.

Рис. 2-24. Двойная спираль ДНК (трехмерная третичная структура). I — левозакрученная Z -форма; II — правозакрученная В -форма.

Полимеры в биспирали удерживаются связями между пурином и пиримидином: «аденин-тимин» и «гуанин-цитозин». Отмеченные особенности организации обеспечивают выполнение ДНК функций информационной макромолекулы. Независимая комбинация нуклеотидов по длине молекулы служит записи биологической информации (см. 2.4.5.2), а двойная спираль из комплементарных полимеров (макромолекул, цепей) решает задачу копирования этой информации (см. 2.4.5.3).

Диаметр спирали ДНК составляет 1-2 нм, расстояние между смежными парами оснований — 0,34 нм, а один виток спирали — 10 пар азотистых оснований или нуклеотидов. Число молекул ДНК равно числу хромосом в ядре клетки (нельзя забывать митохондриальную ДНК, мтДНК или хромосому М в животных клетках и ДНК хлоропластов растительных клеток, которые располагаются в цитоплазме). Длина таких молекул различна, поскольку хромосомы имеют разные размеры. У человека наибольшие размеры имеет хромосома 1 (263 млн п.н., минимальное оценочное число генов 2237, из которых на настоящий момент ассоциированных с болезнями 157), наименьшие — хромосома 21 (50 млн п.н., минимальное оценочное число генов 204, из которых ассоциированных с болезнями 23). Классическая цитогенетика (в отсутствие методов избирательной или дифференциальной окраски хромосом) наименьшие размеры приписывала хромосоме 22. Длина кольцевой митохондриальной ДНК (хромосома М) человека 16 569 п.н.

Наиболее крупный из обнаруженных в природе или синтезированных в лаборатории полимеров — это биспираль ДНК хромосомы 1 длиной 8 см. Размеры геномов оцениваются в пикограммах, дальтонах или, что чаще, в парах нуклеотидов: 1 пг = 10^–9 мг = 0,6´10¹² дальтон = 0,9´10⁹ п.н. ДНК генома людей состоит из 3,2 млрд. п.н., что по весу составляет 3,5 пг. Следовательно, диплоидная соматическая клетка человека содержит порядка 7 пг ДНК.

Об информационной емкости генома человека говорит следующий пример. Если ДНК-тексты одной клетки воспроизвести шрифтом телефонных справочников (наиболее мелкий из используемых в современной полиграфии), то для их издания понадобилось бы 1000 книг по 1000 страниц в каждой.

2.4.5.2. Способы записи биологической информации. Генетический (биологический) код

Переход от преджизни к жизни на Земле связывают с оформлением потока биоинформации (см. 2.4.5). Любая информация, включая биологическую (генетическую, наследственную), для ее сохранения или манипуляций с нею требует системы записи или кодирования. В мире жизни это решается благодаря информационным макромолекулам (ДНК, РНК, белки), представляющим собой биомолекулярные тексты (взаимосоответствующие по содержанию ДНК-овые, РНК-овые и белковые). Участие в биоинформационных процессах названных биополимеров – нуклеиновых кислот и белков – дает право рассматривать земную жизнь как белково-нуклеиновую.

Вопрос о химической природе носителя биологической информации в клетке долгое время был предметом дискуссий. Решающим аргументом в пользу нуклеиновых кислот (ДНК) послужили результаты опытов Ф. Гриффита (1928), воспроизведенных на новом методическом уровне О. Эйвери (1944). Эти результаты говорили о том, что приобретение пневмококками непатогенного штамма патогенных свойств обусловлено проникновением в эти пневмококки ДНК пневмококков патогенного штамма. Другие доказательства биоинформационно-генетической функции ДНК:

Úпостоянство содержания ДНК в соматических клетках организма;

Úсоответствие содержания ДНК плоидности клеток (в соматических диплоидных клетках ее вдвое больше, чем в гаплоидных половых);

Úявление генетической рекомбинации у прокариот при их конъюгации, в ходе которой осуществляется проникновение фрагментов ДНК из одной бактериальной клетки в другую с соответствующим изменением фенотипических свойств;

Úфеномен трансдукции — изменение наследственных свойств бактериальных клеток путем переноса ДНК от одного штамма к другому при помощи бактериофага;

Úинфицирующая способность вирусов определяется их нуклеиновой кислотой.

Метаболическая стабильность (сохранность биоинформации), большие размеры макромолекул (биоинформационная емкость), надмолекулярная организация макромолекул (цепей) ДНК в виде биспирали, образованной комплементарными макромолекулами (матричный механизм копирования или «снятия», прочтения информации) отвечают требованиям к материалу, выполняющему функции хранения, тиражирования и реализации в процессах жизнедеятельности генетической информации.

Самостоятельный интерес представляет анализ ситуации с использованием биоинформации в процессах развития и жизнедеятельности. Из природных полинуклеотидов РНК (но не ДНК) может проявлять ферментативную активность (рибозимы), но в очень ограниченном объеме. Белки же характеризуются такой активностью в полной мере. Оформившийся в эволюции механизм «опосредованного автокатализа пептидов» (см. 2.4.5.4 и 2.4.5.6) или, другими словами, процесс биосинтеза белков в клетке, объединил в себе потенциал обоих типов биополимеров и предопределил структуру биоинформационной системы (потока биоинформации) живых форм. Главные участники этой системы — ДНК, РНК и белки.

В мире жизни присутствует два вида текстов: связанные с нуклеиновыми кислотами, записанные при помощи нуклеотидов, и связанные с белками, записанные при помощи аминокислот.

Расчеты говорят о том, что для кодирования одной аминокислоты вбелке достаточно тройки нуклеотидов в ДНК и/или в РНК. Число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 4, располагающихся по-разному в молекуле ДНК, измеряется астрономическими цифрами. Так, во фрагменте ДНК из 100 п.н. теоретически может быть закодированы аминокислотные последовательности 4100 белков среднего размера. Число сочетаний из 4 по 2 (16) при количестве аминокислот в «стандартном» наборе для синтеза белков 20 недостаточно, тогда как число сочетаний из 4 по 3 (64) удовлетворяет критерию достаточности.

В пробирке синтезировали короткие фрагменты РНК, содержащие один из четырех нуклеотидов. Эти фрагменты затем использовали в искусственных системах синтеза белка. Применяя фрагмент поли-У (полиуридиловый полимер), получали пептид, состоящий исключительно из аминокислоты фенилаланина. Был сделан вывод, что три уридиловых нуклеотида в РНК (три адениловых нуклеотида в ДНК) кодируют в белках фенилаланин. Благодаря описанному приему, в 60-х гг. ХХ столетия генетический код был расшифрован полностью (табл. 2-2). Тройки нуклеотидов, соответствующие отдельным аминокислотам, получили название триплетов или кодонов.

Таблица 2-2. Генетический (биологический) код: аминокислоты и кодирующие их триплеты ДНК

Приведенные в табл. 2-2 триплеты располагаются в кодогенной макромолекуле (цепи) двойной спирали ДНК. и(м)РНК, обеспечивающая синтез белка с определенной аминокислотной последовательностью, образуется на парной (комплементарной) ей матричной макромолекуле (цепи) биспирали. В триплетах и(м)РНК, в сравнении с триплетами ДНК, тимидиловый нуклеотид (Т) заменен на уридиловый (У). Генетический код в виде триплетов и(м)РНК приведен в табл. 2-3.

Таблица 2-3. Генетический (биологический) код: аминокислоты и кодирующие их триплеты и(м)РНК.