Строение и состав живой клетки

Строение и состав живой клетки

Введение

Строение и состав живой клетки

Введение

Все живые организмы состоят из клеток и подразделяются на одноклеточные и многоклеточные. Популяция одноклеточных организмов включает клетки одного типа или небольшого количества типов, тогда как у многоклеточных организмов клетки специализированы. По типу строения клетки подразделяются на прокариотческие и эукариотические.

Все клеточные организмы имеют сходный химический состав и содержат три основных типа макромолекул: ДНК, PHK белки, а также полисахаридные и липидные компоненты. Кроме того, в клетках присутствуют переменные количества низкомолекулярных веществ -- субстратов и продуктов энергетических и конструктивных процессов (аминокислоты, сахара, нуклеотиды и др.). В среднем около 80% клеточной массы составляет вода.

1. Клеточные стенки и клеточные мембраны

Как правило, клетки окружены двумя оболочками: клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной, для эукариотических клеток применяют название плазмолемма.

Клеточная стенка обеспечивает механическую прочность клетки, придавая ей жесткую (ригидную) структуру, благодаря чему клетка выдерживает высокое внутреннее осмотическое давление (5--20 МПа). Кроме того, клеточная стенка может обусловливать некоторую степень избирательной проницаемости для низкомолекулярных веществ, а также способность взаимодействовать с другими клетками, вирусами и физическими поверхностями. Строение клеточной стенки у разных организмов имеет свои особенности.

Клетки большинства тканей многоклеточных животных не содержат выраженной клеточной стенки. Растительные клетки, напротив, имеют очень сложную клеточную стенку, построенную из целлюлозных микрофибрилл, погруженных в матрикс (из пектина и гемицеллюлоз).

Клеточные стенки дрожжей и мицелиальных грибов состоят из гомо- и гетерополисахаридов (глюканов, хитина) и белкового комплекса, выполняющего антигенную роль. Толщина этих слоев достигает 1 мкм.

Особенности клеточных стенок бактерий связаны со способностью бактерий окрашиваться по Граму. Клеточная стенка громположительных бактерий построена в основном из гетерополисахарида муреина (пептидогликана), содержащего аминокислотные «мостики». В состав клеточной стенки входят также тейхоевые кислоты (рибит- или глицеринтейхоевые), ковалентно связанные с мурамовой кислотой пептидогликана. У грамотрицательных бактерий слой муреина невелик, но в клеточной стенке присутствует наружная мембрана, построенная из фосфолипидов, белков и липопо-лисахарида, обеспечивающая некоторую степень избирательной проницаемости и содержащая рецепторы фагов и антигены. Толщина клеточной стенки составляет от 15 до 80 нм. Существуют бактерии, полностью лишенные клеточной стенки (микоплазмы). У представителей архебактерий (архей) в клеточной стенке отсутствует муреин (иногда содержится отличающийся по составу псевдомуреин), а осмопротекторную роль выполняет слой гликопротеинов (рис. 3).

Цитоплазматическая мембрана состоит из белков и липидов в соотношении от 1: 4 (в миелине, мембране нервных волокон) до 4:1 (в мембранах бактерий). Во многих мембранах присутствуют небольшие количества углеводов (до 5%) и следы РНК, а также неорганические катионы (в основном Са2+ и Mg2+). Существенную часть мембран составляет вода -- она участвует в формировании гидрофобных (энтропийных) связей между компонентами мембраны. Еще в 1930 г. Д. Даниэлян предложил модель мембраны в виде двойного липидного слоя или бислоя. Развитием этих представлений является жидкостно-мозаичная модель, предложенная С.Д. Сингером и Г. Николсоном в 1972 г., согласно которой мембранные белки подразделяются на периферические (слабо связанные с мембраной) и интегральные (локализованные в липидном бислое). Последние свободно плавают в «липидном море», перемещаясь в латеральном направлении (в плоскости мембраны), но неспособны «пронырнуть» на противоположную ее сторону. Таким образом, мембраны оказываются асимметричными, по крайней мере, в отношении белкового состава. Асимметрия наблюдается и в расположении липидов в мембране, но менее выражена. Некоторые из интегральных белков имеют трансмембранную ориентацию и выполняют функции переносчиков субстратов или сигналов. Схема подобной мембраны представлена на рис. 4.

2. Состав мембранных липидов

Основная часть мембранных липидов представлена фосфолипидами, в основе которых лежит глицерин-3-фосфат. Такие фосфолипиды называют фосфоацилгпицеринами. В их молекуле гидроксильные группы глицерина при Cf и С2 этерифицированы жирными кислотами, а остаток фосфорной кислоты либо остается свободным, как в диацилглицерин-3-фосфате (или фосфатидной кислоте), либо этерифицирован спиртовыми гидроксилами серина, этаноламина, холина, инозита, глицерина или глицерина и лизина. Соответственно они называются: фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин (кефалин), фосфатидилхолин (лецитин), фосфатидилинозит, фосфатидилглицерин, лизилфосфатидилглицерин. Объединение молекул фосфатидной кислоты и фосфатидилглицерина дает дифосфатидилглицерин (кардиолипин), обладающий иммунологическими свойствами (рис. 5).

Удаление одной из ацильных групп приводит к лизофосфолипидам, которые обладают выраженными поверхностно-активными свойствами и могут, например, способствовать эмульгированию жиров в кишечнике.

Мембраны грамположительных бактерий содержат все эти фосфолипиды (кроме лецитина), тогда как у грамотрицательных бактерий основным, а то и единственным мембранным фосфолипидом является фосфатидилэтаноламин.

Соотношение различных классов фосфолипидов в мембране существенно зависит от условий выращивания организма. Например, при снижении рН среды в мембранах бактерий начинают преобладать положительно заряженные фосфолипиды (аминоацилфосфатидилглицерины, фосфатидилэтаноламин), наличие которых существенно уменьшает проницаемость мембраны для протонов. В большинстве случаев фосфолипиды представляют собой сложные эфиры глицерина или других многоатомных спиртов, но существуют липиды, в которых одна из спиртовых групп глицерина образует простую эфирную связь с ал килами или алкенами. Необычные липиды найдены у большой группы прокариот, так называемых архебактерий (или архей), в качестве простых эфиров глицерина и длинноцепочечных С-20, С-40-гидроизопреноидных спиртов (полипренолов), точнее, дифитанилдиглицериновых диэфиров или дибифитанилдиглицериновых тетраэфиров (рис. 6).

Мембрана, образованная тетраэфирами, уже не может рассматриваться как двойной липидный слой в истинном значении этого понятия и не подвергается расщеплению по гидрофобной сердцевине методом «замораживания-скалывания» (freeze-fracture). Она более устойчива к стрессовым воздействиям окружающей среды, что позволяет микроорганизмам, имеющим такие мембраны, существовать в экстремальных условиях рН и температуры (экстремофилы). У термофилов дополнительная стабилизация достигается формированием в полипренольной цепи пятичленньгх циклов, уменьшающих вращательную подвижность углеводородных цепей.

Кроме фосфолипидов, построенных на основе глицерина, в клетках эу- и прокариот встречаются фосфолипиды, которые являются производными диодов: этиленгпиколя, 1,2- и 1,3-пропандиолов, 1,3-, 1,4- и 2,3-бутандиолов, а также 1,5-пентандиола. Среди диольных липидов встречаются моно- и диацильные производные -- это сложные эфиры различных жирных кислот; простые эфиры, смешанные алкильные (или алкенильные) и ацильные производные, диольные аналоги фосфатидилхолина, фосфатидилэтаноламина и др. Обычно содержание диольных липидов составляет только 0,5--1,5% содержания глицериновых липидов. Но некоторые морские моллюски и иглокожие содержат в тканях примерно равные количества производных глицерина и этиленгликоля. Содержание диольных липидов уменьшается в течение зимы, поэтому они предположительно могут использоваться как запасные вещества. Замечено также их увеличение в процессе регенерации печени у крыс.

Другим классом «безглицериновых» липидов являются сфинголипиды, основу которых составляет алифатический аминоспирт сфингозин (или дигидросфингозин) (рис. 7). Построенные на его основе церамиды широко распространены в тканях растений и животных, но количество их незначительно. Они обнаружены также в пилях Escherichia coli. Сфингомиелины входят в состав нервной ткани, липидов крови и некоторых других компонентов клеток животных.

В большинстве биологических мембран содержатся также гликолипиды. В клетках животных они, как правило, являются производными сфингозина, у которого к первичному гидроксилу присоединен остаток сахара или олигосахарида. Если сахарами являются глюкоза или галактоза, такие липиды называются цереброзидами (особенно много их в тканях мозга). Если углеводной частью является олигосахарид, речь идет о ганглиозидах (выделены из ганглий, мозга и ряда других тканей). Ганглиозиды найдены также в пилях некоторых бактерий (Neisseria) и определяют прилипание этих патогенов к поверхности клеток животного организма. У прокариот (в основном у грамположительных бактерий и цианобактерий) гликолипиды также содержат глюкозу, галактозу и маннозу. Их количество в мембранах невелико, но при лимитировании фосфором может возрастать, при этом гликолипиды, по-видимому, замещают фосфолипиды. Наконец, в мембранах большинства эукариот (а также у Mycoplasma) содержатся стероиды, в основном холестерин (у животных), эргостерин (у дрожжей) и стигмастерин (у растений). Микоплазмы неспособны синтезировать стерины, но требуют присутствия их в среде для стабилизации клеточной мембраны.

3. Природа и состав жирных кислот в мембранных липидах

Природа жирных кислот в липидах мембран зависит как от вида организма, так и от условий его существования. Наиболее часто встречающиеся жирные кислоты липидов животных, растительных и прокариотных клеток.

С увеличением числа двойных связей значительно снижается температура плавления жирных кислот (а также содержащих эти кислоты липидов) и повышается их растворимость в неполярных растворителях. Поскольку функциональная активность мембранных белков регулируется фазовым состоянием липидов мембраны (как правило, в жидком состоянии их активность выше), при снижении температуры в мембране должно повышаться содержание ненасыщенных кислот. Благодаря постоянству внутренних условий (гомеостазу) животного макроорганизма влияние температуры на жирнокислотный состав липидов обычно проявляется слабо, но, например, в липидах нижних конечностей пингвинов повышено содержание ненасыщенных жирных кислот.

В мембранах прокариот разнообразие жирных кислот довольно велико. Особенностью бактерий является наличие разветвленных и циклопропановых кислот. У некоторых грамположительных бактерий (например, Micrococcus luteus) 90% жирных кислот липидов составляют разветвленные кислоты, а ненасыщенные кислоты практически отсутствуют. Грамотрицательные бактерии содержат смесь насыщенных и ненасыщенных кислот с преобладанием С-16 и С-18 кислот, а также циклопропановые кислоты (например, лактобацилловую кислоту). Пути их биосинтеза показаны на рис. 8.

Изменение температуры существенно влияет на соотношение насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в мембранах прокариот, при этом снижение температуры культивирования приводит к увеличению доли ненасыщенных кислот. Предельными случаями являются психрофилы, растущие при температурах, близких к 0"С, у которых присутствуют практически только ненасыщенные жирные кислоты, а также термофилы (привычная температурная среда выше 60°С) -- у них все жирные кислоты липидов насыщенные.

Тем не менее состав жирных кислот фосфолипидов у бактерий при культивировании в стандартных условиях достаточно постоянен, и его можно использовать как таксономический признак -- в интересах классификации или при анализе состава микробных сообществ без изолирования в чистых культурах отдельных представителей.

Для изучения структуры, состава и функции органелл необходимо, как правило, изолировать их из клетки в чистом виде. Обычно это достигается методом дифференциального центрифугирования после разрушения клеток в механических или ультразвуковых гомогенизаторах.

Кратко охарактеризуем основные процессы и органеллы (в алфавитном порядке).

Аэросомы -- однослойные везикулы, мембрана которых построена только из белка. Способствуют повышению плавучести клеток, так как в них содержится газовая фаза, совпадающая по составу с газовой фазой окружающей среды.

Вакуоли -- мембранные образования, служащие для поддержания тургорного давления, запасания различных веществ, а также выполняющие лизосомные функции.

Внехромосомная ДНК. В митохондриях и хлоропластах содержится ДНК, образующая нуклеоид бактериального типа. Заключенная в ней генетическая информация не дублируется в ядерной ДНК и способна к автономному выражению в белках посредством собственных систем транскрипции и трансляции (включающих рибосомы 70 S бактериального типа).

У прокариот внехромосомная ДНК организована в виде плазмид, которые могут существовать и реплицироваться автономно или в интегрированном в хромосому состоянии (например, в виде профага).

Гидрогеносомы -- окружены однослойной мембраной и содержат комплекс пируватдегидрогеназ (у трихомонад).

Гистоны -- представляют собой положительно заряженные (основные) белки, входящие в состав хромосом в комплексе с ДНК (обнаружены также у архебактерий).

Гликосомы -- окружены однослойной мембраной и содержат ферменты гликолиза (у некоторых протозойных микроорганизмов, в частности у возбудителей сонной болезни).

Глиоксисомы -- разновидность пероксисом -- место локализации ферментов глиоксалатного шунта, участвующих в превращении запасных жиров в углеводы. Поэтому они тесно ассоциированы со сферосомами, жирозапасающими органеллами растительных клеток.

Жгутики и реснички представляют собой аппарат, определяющий подвижность клеток или их способность создавать поток окружающей среды к органам поглощения пищи. Жгутики эукариот и прокариот сильно различаются по строению и составу.

Карбоксисомы -- окружены однослойной мембраной и содержат ключевые ферменты фиксации углекислоты в цикле Кальвина (у фототрофных и некоторых хемолитотрофных прокариот).

Лизосомы -- мембранные везикулы, содержащие гидролитические ферменты, участвующие в круговороте белков, полисахаридов, липидов и нуклеиновых кислот. Для предотвращения неорганизованного действия этих ферментов они заключены в органеллу, окруженную однослойной мембраной. Некоторые наследственные болезни связаны с недостаточностью лизосомных ферментов.

Микротрубочки и микрофиламенты, по-видимому, исполняют роль цитоскелета и формируются из белка тубулина. Они входят в состав центриолей, играющих важную роль в делении ядра, а также в состав жгутиков и ресничек.

Митоз -- деление ядра, сопровождающееся удвоением числа хромосом; мейоз -- деление ядра без удвоения числа хромосом, в результате чего образуются гаплоидные клетки.

Митохондрии являются местом осуществления окислительных процессов, в них локализованы ферменты цикла трикарбоновых кислот, дыхательная цепь, система окислительного фосфорили-рования. В клетках содержится от 1 до нескольких тысяч митохондрий. Митохондрии содержат внехромосомную ДНК, способны к самовоспроизведению и, возможно, ведут свое начало от прока-риотических клеток (эндосимбиотическая гипотеза). Однако часть белков этих органелл кодируется ядерными генами, поэтому они не культивируются автономно. У прокариот сходные по функциям структуры, происходящие из цитоплазматической мембраны, называют мезо сомами.

Пероксисомы -- органеллы, окруженные однослойной мембраной и содержащие ряд окислительных ферментов, а также каталазу, разрушающую перекись водорода, образующуюся в процессе окисления. Могут рассматриваться как более древние аналоги митохондрий и играют важную роль в обмене липидов.

Пили, фимбрии представляют собой выросты поверхности клеток и бывают простые и половые. Простые пили построены из белка пилина и играют важную роль в прикреплении бактерий к субстрату. На поверхности клетки их может быть 50--400 штук. Половые пили (1 на клетку) используются в процессе конъюгации. Выросты клеток, содержащие цитоплазму, называют простеками.

Они служат для увеличения поверхности клеток, прикрепления к субстрату или участвуют в почковании клеток.

Хитосомы -- место локализации хитинсинтетазы, встречаются у грибов. Осуществляют функцию переноса микрофибрилл хитина к клеточной стенке.

Хлоропласты содержат хлорофилл и осуществляют процесс фотосинтеза у растений. Как и в митохондриях, в них содержится собственная ДНК. Аналогичные по функциям бактериальные структуры называют хроматофорами, а также тилакоидами и хлоросомами. В отличие от хлоропластов они не содержат ДНК и происходят из цитоплазматической мембраны.

Целлюлосомы -- содержат комплекс ферментов и липидов. Определяют присоединение бактерий к целлюлозным субстратам и их расщепление.

Эндоплазматтеский ритикулум -- это внутриклеточная сеть взаимосвязанных, ограниченных мембраной трубочек и пузырьков. Мембрана эндоплазматического ретикулума образует единое целое с ядерной мембраной. Если на наружной поверхности эндоплазматического ретикулума адсорбированы рибосомы, его называют шероховатым, если нет -- гладким. Шероховатый эндоплазматический ритикулум -- место синтеза секретируемых белков, которые попадают внутрь его каналов, а затем поступают в «цистерны» аппарата Гольджи (диктиосомы у растений), откуда переносятся внутри мембранных везикул либо в плазмалемму, либо в мембрану вакуолей (тонопласт) и секретируются внутрь вакуолей или в окружающую среду (экзоцитоз).

Ядро (нуклеоплазма) эукариотических клеток окружено двойной мембраной (плазмолеммой), содержащей поры (поросомы). В ядре присутствует ядрышко (место синтеза РНК и сборки рибосом). В отличие от ядра нуклеоид прокариотических клеток не отделен мембраной от цитоплазмы и представляет собой комплекс ДНК, РНК и белков.