Глава 4

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ВИРУСОВ, КЛЕТОК И ТКАНЕЙ

Чтобы с максимальной продуктивностью использовать биообъ- ект в биотехнологическом процессе, необходимо знать и учитывать его структурно-функциональные особенности применительно к конкретным условиям производства. В большинстве случаев каче- ство и количество целевого продукта в значительной степени находятся в прямо пропорциональной зависимости от качества и количества продуцента. Совершенно очевидно, что подходы здесь к акариотам, прокариотам и эукариотам должны быть различными, поскольку первые, например, являются облигатными паразитами и могут развиваться лишь в живых клетках (тканях); бактерии структурно менее дифференцированы, чем эукариоты и поэтому они в большинстве своем менее требовательны к условиям обита- ния, чем грибные, растительные и животные организмы.

4.1. Акариоты. Ряд бактериофагов, вирусов растений и млеко- питающих широко используют в биотехнологии, особенно — в рДНК-биотехнологии (см. ). У них наследственный материал уст- роен наиболее просто и работа с ним по этой причине несколько облегчается, хотя понятно, что она на самом деле "ювелирная".

Как уже было сказано в главе 2, вирион представляет собой нуклеокапсид и архитектоника вирусных частиц не одинаковая (см. рис. 1а и 226). Многие вирусы животных представляют собой "голые" нуклеокапсиды (аденовирусы), тогда как другие (вирусы герпеса и оспы) имеют дополнительную оболочку (суперкапсид), нередко приобретаемую во время освобождения нуклеокапсида из клетки организма-хозяина. "Голый" спиральный нуклеокапсид ви- руса табачной мозаики — ВТМ (вирион) имеет молекулярную массу (ММ) 39» 10⁶ дальтон (Да), а его единственная молекула РНК

— 2,06» 10⁶ Да. Некоторые вирусы имеют двухнитевую РНК, на- пример, реовирусы, ММ которой равна 9«10⁶ Да.

У большинства вирусов, содержащих ДНК, нуклеиновая кис- лота является двухнитевой (равно как и у многих бактериофагов). В качестве исключения можно назвать парвовирусы и соИ-фаг фХ 174,-имеющих однонитевую ДНК. Молекулярные массы ДНК различны и достигают следующих величин: у соН-фага фХ174 ■— 1,7»10⁶ Да, у четных бактериофагов Т2, Т4 и Тб — 1,2*10⁸ Да, у герпесвирусов — 1»10⁸ Да, у вируса оспы — 1,5»10⁸ Да и т. д.

Капсид любого вируса построен из 5—6 белковых субъединиц

— капсомёров; это - морфологические единицы, расположенные,

как правило, строго регуляр- но, благодаря чему капсид приобретает специфический тип молекулярной симметрии — спи- ральный или куби- ческий. Например, вирус табачной мозаики имеет спи- ральный тип симметрии. Его спиралевидная РНК упакова- на в винтообразно располо- женные капсомеры и, в целом, вирион представляется палоч- ковидным (рис 19). Спираль- ный тип симметрии характерен также для вирусов: бешенства, гриппа, желтухи свеклы, кори, ложной чумы кур, парагриппа, паротита, сендай, чумы рогатого скота, чумы собак и др.

Кубический тип симметрии является наиболее распространен- ным среди большинства известных ныне вирусов. Из трех типов

а б в

Рис. 20. Икосаэдр с тремя осями симметрии (а, б, в).

фигур с кубической симметрией: тетраэдр (оси симметрии 2:3, минимальное число структурных единиц 12), октаэдр (оси симмет- рии 4:3:2, число структурных единиц 24) и икосаэдр, или правиль- ный многогранник (оси симметрии 5:3:2, число структурных еди- ниц 60) последний наиболее част у вирусов. Это объясняется тем, что в случае икосаэдра минимальное число структурных единиц оказывается наибольшим, и, следовательно, данный тип симметрии пространственно наиболее экономичен (не требуется изготовления крупных молекул при сборке вибриона). На рис. 20 изображен икосаэдр с тремя осями симметрии (5:3:2). В правильном икосаэдре имеется 6 осей симметрии пятого порядка, проходящие через

80

вершины (а), 10 осей симметрии третьего порядка, проходящие через центры треугольных граней (б) и 15 осей симметрии второго порядка, соединяющих середины ребер (в). Икосаэдр обладает 12 вершинами, 20 гранями и 30 ребрами.

Капсиды некоторых вирусов "осложнены" дополнительными структурами. Так, например, у аденовируса капсид формируется в виде икосаэдра с 6 капсомерами вдоль каждого ребра; всего в капсиде 252 капсомера, из которых 240 имеют сферическую форму и располагаются вдоль ребер и на гранях икосаэдра. Каждый капсомер соседствует с 6 другими капсомерами, поэтому они называются гексамерами, или гексонами (в рассматриваемом примере их 240). Остальные 12 капсомеров располагаются на 12 вершинах икосаэдра и соседствуют с 5 капсомерами (п е н т а м е р, или п е н т о н). Эти 12 капсомеров (пентонов) состоят из сферического основания и длинной нити, которая может обеспечивать прикрепление вириона к клетке (рис.

Рис. 21. Схематичная модель аденовируса с внутрен- ним ДНК-протеиновым кором и внешним капсидом — икосаэдром (П-гексон — 120000 Да; Ш-пентоновое основание — 85000 Да; Ша, VI-, VIII и 1Х-6елки, ассоциированные с гексоном, имеющие ММ соответ- ственно 66000 Да, 24000 Да, 13000 Да и 12000 Да; ГУ-белковая "нить" — 62000 Да, V и УП-протеины кора с ММ 48000 Да и 18000 Да).

Сложные капсиды присущи и бактери- офагам, например, Т-четным соН-фагам (см. рис. 1а), у которых имеется икосаэд- рическая головка и гексагональный отро- сток. В таблице 6 приведен перечень неко-

торых вирусов прокариотических и эукариотических организмов с различными типами симметрии капсидов.

Необходимо подчеркнуть, что вирусы не размножаются, а репродуцируются, или воспроизводятся, то есть правильнее гово- рить не об их потомстве, а их "копиях" (братьях и сестрах). Репродукция происходит только в живых клетках (тканях) и поэ- тому биотехнологические процессы, основанные на использовании вирусов, исключительно дорогостоящи. Достаточно сравнить, на- пример, кишечную палочку и вирус гриппа. Первая растет на мясопептонном бульоне, второму необходимы куриные эмбрионы; чтобы проконтролировать рост кишечной палочки и увидеть ее в

81

среде, необходим обычный "световой" микроскоп, а чтобы увидеть вирусные частицы, нужен электронный микроскоп, стоимость которого во много раз превосходит стоимость светового. Подобные сравнения можно продолжать и далее, и в этом смысле выгоды будут складываться в пользу бактерий. Однако создание противо- гриппозных биопрепаратов (вакцин) сегодня более насущная за- дача, чем борьба с заболеваниями, вызванными энтеропатогенны- ми кишечными палочками и родственными ей бактериями. Кроме того, решение многих фундаментальных проблем в области моле- кулярной биологии нередко возможно исключительно на вирусных

Таблица 6 Общая характеристика некоторых вирусов

Вирусы	Наличие (+) или отсутствие (-) и ММ (Да) хЮ^6		Супер- капсид	Тип симмет- рии	Вирион
	ДНК	РНК			ММ (Да) хЮ^6	Средний размер, нм
Бактерий (бактериофаги) 1. Колифаг <рХ174^+ 2. Колифаг Я ^+ 3. Колифаг Т2 4. Колифаг М5=2^+ Растений 1. Мозаики табака (ВТМ) 2. Желтой мозаики турнепса Животных 1. Восточного энцефаломиелита лошадей^+ 2. Обезьян 5У-40 Человека 1. Аденовирусных инфекций 2. Гриппа^+ 3. Полиомиелита^+	( + ) 1.6 ( + ) 33 ( + ) 130 (-) (-) (-) (-) ( + )3,2 ( + )23 (-) (-)	(-) (-) (-) ( + ) 1 ( + )2,1 ( + ) 1.7 ( + )2 Н (-) ( + )4 Ж 2,2	Отсут- ствует Име- ется Отсут- ствует Имеет- ся	К^6 II •1 К с к с к	6,2 100 300 3,6 40 5 50 3 177 300 6,8	(100x50) х(80х95- 100) " 25 15-17 хЗОО 30 50-70 40-50 70-90 80-120 28

Примечание: -I одноцепочечная нуклеиновая кислота, К — кубический (у фа- гов в головке), 0 — с отростком(-ами), С — спиральный 82

системах (см. раздел 5.1). Репродукцию вирусов можно подразде- лить на семь этапов: адсорбцию, пенетрацию (проникновение вируса в клетку), транскрипцию, трансляцию, репликацию, сборку вирусных частиц и выход организованных вирусных частиц из клетки. На каждом этапе совершаются многоактовые процессы, зависимые как от вирусов, так и от клеток — их реципиентов.

На рис. 22 а, б представлены схемы строения вируса гриппа (а) и ретровируса — ВИЧ (вирус иммунодефицита человека) — воз- будителя СПИД (б). При репродукции вируса гриппа генетическая информация передается по схеме РНК —► РНК —► Белок. У них биосинтез РНК осуществляется на матрице вирионной РНК под каталитическим действием вирионной РНК-зависимой РНК-пол- имеразы, или вирионной транскриптазы. У ВИЧ генетическая информация передается по схеме РНК—'ДНК—»РНК—► Белок, то есть вначале по матрице РНК синтезируется ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы, а затем все протекает по универсальной схеме ДНК—РНК—►Белок. Структурный материал в обоих приводимых случаях используется из содержимого реци- пиентных клеток.

Рис. 22. Схемы строения вирусов гриппа (а): 1 — гемаглютинин, 2 — нейраминидаза, 3 — липидный бислой, 4 — белковый слой, 5 — рибонуклеопротеин; и ретровируса ВИЧ (б): 1 — гликопротеин-120, 2 — сердцевина, 3 — гликопротеин-41, 4 — липоидная мембрана, 5 — РНК, 6 — обратная транскриптаза.

Рибонуклеиновая кислота вируса гриппа состоит из 8 сегмен- тов, каждый из которых на З'-конце заканчивается уридиновым остатком. Общая молекулярная масса РНК составляет 2 — 4 тыс.

кДа. Вследствие такой сегментированности геном вируса гриппа отличается высокой частотой рекомбинации, способностью к ре- активации и синтезировать гемагглютинин и нейраминидазу после химического подавления вирусной инфекционности.

Частицы ВИЧ образуются из трех различных по составу и молекулярной массе белков — протеина 25(24), гликопротеинов 41 и 120. Первый из них р25(24) входит в состав сердцевины вириона, гликопротеины (др41 и др120) формируют "шипы" оболочки час- тицы. В сердцевину также входят однонитевая РНК, несущая генетическую информацию, и фермент обратная транскриптаза, под действием которой синтезируется провирус — ДНК-копия вирусной РНК. Провирус встраивается в хромосомную ДНК клет- ки — реципиента и персистирует (от лат. регв151;еп5 — стойкий, сохраняющийся, остающийся) до того времени, пока не будет активирован. После такой активации происходит его репродукция.

Если ретровирусные РНК структурно заканчиваются прямыми повторами нуклеотидов числом 10 — 80 пар, то свободные линей- ные двухнитевые ДНК-копии заканчиваются длинными одинако- выми повторами — 1ТИ (от англ. 1опд 1егтта1 гереаг) числом 250 — 1400 нуклеотидных пар, укороченных на две пары с каждого конца (рис. 23).

УЗ'

5

У5'

ро1

-УЗ

У5'

провирусная ДНК

Рис. 23. ЬТК в составе линейной ДНК копии РНК вируса иммунодефицита человека

Сборка новых вирионов происходит на клеточной мембране. В процессе агрегации вирусных белков она начинает набухать и выпячиваться, высвобождая в конечном итоге новоорганизован- ные частицы вирусов.

Вирусы прокариот, или бактериофаги, в большинстве своем имеют структурно-функциональное сходство. В частности, они содержат лишь один какой-то тип нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК в качестве генетического материала (у большинства фагов имеется двунитевая ДНК); нуклеиновая кислота упаковывается в головку фага; преобладающее большинство фагов имеет хвостовой отросток для прикрепления к поверхности реципиентной клетки; наконец, бактериофаги сходны по характеру индуцируемых ими событий, развивающихся в клетке после ее заражения — фаги являются облигатными паразитами.

Различия бактериофагов обусловлены тонкой структурой нук- леиновых кислот (в последовательности нуклеотидов, наличием

84

или отсутствием липких концов, в линейности или кольцевидной замкнутости и пр.), типами молекулярной симметрии капсидов, деталями строения хвостовой части, специфичностью действия в отношении чувствительных клеток.

Известны три состояния, в которых могут находиться недефек- тные фаги и три типа влияния фаговой инфекции на судьбу зараженной клетки. К числу первых относят: свободное состояние, вегетацию и состояние профага (для так называемых умеренных фагов); к числу вторых — гибель зараженной клетки (фаги здесь называют истинно вирулентными); переход клетки, несущей уме- ренный фаг (профаг), на путь лизогенного развития, или, в случае индуцибельности профага и воздействия индуцирующими факто- рами (УФЛ, некоторые мутагены и др.) — на путь лизиса; наконец, при третьем типе влияния фаговой инфекции не наблюдается каких-либо заметных отклонений в характере поведения заражен- ных клеток — гибели их не происходит; фаги при этом могут высвобождаться из клеток или постоянно реплицироваться, нахо- дясь внутри их и слегка замедляя скорость размножения клеток. Учитывая сказанное, следует подчеркнуть, что бактериофаги име- ют большое значение в биотехнологии еще и потому, что они могут выступать ощутимыми вредителями в микробиологических произ- водствах, базирующихся на эксплуатации прокариотических орга- низмов.

Результаты фундаментальных исследований структуры вирои- дов упрочили самостоятельность этой группы микробов в царстве Уна. Ныне вироиды подразделяют на три группы согласно нукле- отидных последовательностей в их РНК:

1) группа ВВКК, включающая вироиды веретеновидности клуб- ней картофеля и все другие вироиды кроме ВКККП и ВСПА (см. ниже); у них имеются значительные области гомологии последо- вательностей (50 — 80%) и относительно протяженная полипури-

новая последователь- ность; они содержат высококонсерватив- ную центральную об- ласть (рис. 24); 2) виро- иды болезни каданг-ка-

Рис. 24. Вироиды: 1 — линей- ные и 2 — кольцевые формы денатурированных молекул вироида ВВКК (электронно- микроскопический снимок) (по Т. О. Динеру, 1984).

данг кокосовой пальмы (ВКККП), содержащий консервативную центральную область, короткую последовательность пуринов, а за пределами центральной области проявляет малую гомологию по- следовательностей;

3) вироиды болезни "солнечная пятнистость авокадо" (ВСПА) с небольшой центральной консервативной областью и малой го- мологией последовательностей с последовательностями у любого другого вироида.

Высказывается предположение в том, что вироиды произошли от интронов (см.) и что недалеко то время, когда они будут рекомендованы в качестве векторов в фитобиотехнологии реком- бинантных ДНК.

4.2. Клетки прокариот. Почти во всех больших траксономиче- ских группах имеются представители, с успехом использующиеся в соответствующих биотехнологических процессах — будь это сапрофитные или патогенные виды. Для сравнения можно указать на лактобактерии и туберкулезные микобактерии. Первые исполь- зуются для приготовления молочнокислых продуктов и в силосо- вании кормов, вторые — для приготовления вакцины ВСС и туберкулина (диагностическое средство при туберкулезе). Из ар- хеобактерии большое значение имеют метаногенные бактерии — продуценты метана. Пневмококки используются для изготовления полисахаридных вакцин, применяемых для профилактики и лече- ния пневмоний, вызванных различными сероварами 51гер1ососси5 рпеитошае.

Археобактерии заметно отличаются от эубактерий по химическому составу клеточной стенки и клеточной мембраны, по последовательности нуклеотидов в рибосомных нуклеиновых кис- СООН лотах, или рРНК (в 55- и 165 рРНК) и по

некоторым другим признакам. Так, в кле- точной стенке у них отсутствует типичный пептидогликан — муреин, хотя у некото- Н.ОН рых археобактерии имеется псевдомуре- ин, в котором вместо ацетилмурамовой кислоты содержится талозаминуроновая кислота; интерпептидные мостики вклю- талозаминуроновая кислота _чают лишь Ь-аминокислоты, так как О-ами-

нокислоты отсутствуют в псевдомуреине. У метанококков клеточная стенка формируется из белка, у мета- носарцин — из нейтральных углеводов, уроновых кислот и ами- носахаров, у метаноспирилл имеется полипептидный чехол.

Особенностями химического состава клеточной стенки архео- бактерии можно объяснить неэффективность пенициллина, цефа-

лоспорина и О-циклосерина против этих микроорганизмов. Иначе говоря, для данных антибиотиков отсутствуют мишени в клетках археобактерии. Клеточная мембрана их также существенно отли-

_|^н_г-⁰_VV^N_-Л^Л>,/_V^V_V

^С|^Н"\/у\/у^л\/у\/у

бифитанил-глицерин (бифиганил-диггщерол-диэфир)

сн,он

сн.

сн

сн—о.

_ сн,

спри

бифитанил-диглицерин (бифитанип-диглицерол-тетраэфир)

чается от клеточной мембраны эубактерий. В частности, в ней не обнаружены фосфатидилглицерины, но содержатся бифитанил (С 2о)-(изопреноид)-глицерин, а у некоторых представителей архе- обактерии — бифитанил (Сю)-(изопреноид)диглицерин. Обнару- жены и нейтральные липиды в форме свободных С15- и Сзо-изо- преноидных углеводородов (сесквитерпены и тритерпены).

Рибосомы археобактерии и эубактерий сходны между собой,

I

Н,С=С-СН=СН-СН=С-СН=СН-СН=С-СН=СН,

I

СН,

сесквитерпен (С₁₅)

сн=с—сн=

I

сн,

I- -СН=С—СН=СН- -|

Н,С=С—СН=СН-

сн.

² I

СН,

=сн,

тритерпен (С₃₀)

по константе седиментации относятся к типу 705, но последова- тельность оснований в 55- и 165- рибосомных РНК у археобактерии

87

иная. ДНК-зависимые РНК-полимеразы, в отличие от эубактерий, состоят у них из более чем четырех субъединиц, и эти ферменты не чувствительны к антибиотику рифампицину.

В геноме археобактерии выявлены интроны, что ранее рассмат- ривалось принадлежностью генома эукариот. Поэтому в настоящее время сформировалось два направления по трактовке места архе- обактерии и их происхождения. Ученые — приверженцы первого направления считают, что интроны в геноме эукариот есть резуль- тат эндоцитоза древними эукариотическими микроорганизами клеток прокариотических археобактерии, которые впоследствии (в процессе эволюции) трансформировались в митохондрии. При- верженцы второго направления считают археобактерии прароди- телями эубактерий, то есть по их мнению эволюция шла по линии:

Археобактерии —» Эукариоты —> Эубактерий.

Промежуточное положение эукариот в приведенной последо- вательности как бы разрывает одно надцарство прокариот на два, однако принципиальная организация ядерного аппарата у архео- бактерии и эубактерий во многом сходна , следовательно, приве- денная схема эволюционных событий представляется как бы не- достаточно обоснованной. С учетом современных знаний о прока- риотах эволюцию их можно представить в двух следующих вари- антах (см. стр. 89).

Во второй схеме отсутствует прямая связь между археобакте-

88

I) Археобактерии » Эубактерий ■> Эукариоты

Прокариоты

или Археобактерии Эубактерий

₁

,оросли Грибы Простейшие I

\ / /

Эубактерий Археобактерии I ПРОКА-

- ^РИОТЫ

Эукариоты

II) Растения Животные | ЭУКА- РИОТЫ

Грибы

Водоросли

Древние предковые формы

риями и эубактериями. Не следует забывать и того факта, что без бактерий жизнь всех других, более высоко организованных (эука- риотических) существ на Земле, вообще прекратилась бы.

Из приведенных данных следует, что представления об эволю- ции микроорганизмов (равно как и других существ) до сих пор остаются во многом не разрешенными. Тем не менее, сегодня мы больше знаем, чем два — три десятилетия назад, о структурно-фун- кциональной организации клеток различных организмов и заметно расширили арсенал промышленно полезных видов.

Эубактерий включают все прокариоты кроме археобак- терии. Их подразделяют на две группы — фототрофные и хемо- трофные бактерии. Этим подчеркивается их принципиальное раз- личие по используемому источнику энергии. Фототрофы исполь- зуют кванты солнечного света, тогда как хемотрофы — энергию химических связей в различных химических соединениях. Среди фототрофов различают оксигенные цианобактерии, в процессе жизнедеятельности которых выделяется молекулярный кислород (1), и аноксигенные пурпурные и зеленые бактерии, не выделяю- щие кислорода (2а,б,в).

В реакциях 2а,б,в донорами электронов соответственно явля- ются сероводород, газообразный водород и изопропанол.

Цианобактерии являются важными поставщиками кислорода в атмосферу, а из атмосферы они поглощают (фиксируют) моле- кулярный азот.

Хемотрофные эубактерий могут образовывать (или не образу- ют) эндоспоры. Клетки их весьма разнообразны по морфологии: прямые, изогнутые, палочковидные, круглые, овальные, бобовид- ные, спиралевидные, нитевидные и др. Удельный вес микробной клетки составляет примерно 1,038 — 1.065. Тогда, исходя из средних

1. 6Н,0+6СО_{? г}— , (СН,0),+60₂

/ . ^ цианобактерии ^л ^ 'о

Здесь донор электронов - вода. Следует иметь в виду, что среди цианобактерии есть виды, способные окислять сероводород и переходить на фотосинтез без выделения кислорода.

2. 2Н₉5+СО, — » СН,0+НХ>+28

• / / пурпурные серные и зеленые I I

серные бактерии, некоторые цианобактерии

Сера затем окисляется до сульфата. Тогда суммарная реакция будет следующей:

2а) Н_?5+2С0₇+2Н,0 — ► (СН,0),+Н₂50₄

*■ *• пурпурные серные н зеленые ^А л * т

серные бактернн, некоторые цианобактерии

26) 2Н, + СО_? — » СН,0+Н₇0

'с. I, пурпурные несерные к А I.

зеленые несерные бак- терии

2в) 2СН₃СН(ОН)СНз+С0_{2 щрв}^_жж. ^Нр+КСН^СО+Нр

изопропанол ^сеР^ные бактерии ац^н

размеров бактерии 2 х 0,5 мкм, вес ее составит 4,12«10'¹⁰ мг, то есть в 1 г будет содержаться 2,42» 10¹² таких клеток.

Важным параметром, характеризующим большинство прока- риотических клеток, является скорость их размножения, измеря- емая минутами (в среднем от 8 — 10 мин до 30 — 40 мин). Это важно в тех случаях, когда биомасса клеток является целевым продуктом в конкретном производстве, или когда количество образующегося метоболита (целевого продукта) находится в пря- мопропорциональной зависимости от количества вырастающих клеток за конкретный временной интервал.

Все обменные процессы развивающихся прокариотических клеток осуществляются с участием клеточной мембраны. Через мембрану поступают внутрь клетки питательные вещества, через нее же секретируются определенные продукты из клетки в окру- жающую среду; мембраны участвуют в регуляторных процессах и энергообеспечении клетки. Вот почему, начиная с 70-х — 80-х годов XX в., когда удалось в чистом виде изолировать и исследовать мембранные фракции различного происхождения, интерес к мем- бранам резко возрос. Сформировалась самостоятельная научная дисциплина — мембранология, а специалисты, работающие в этой области, стали называться мембранологами.

Клеточная стенка прокариот занимает свое особое место в структуре и архитектонике клеток. Ее нельзя исключать из мета- болических процессов, так как она занимает пограничное положе- ние между внутренней (протопласт) и внешней средами, и через нее должны проходить различные вещества в обоих направлениях. Однако главные функции ее — поддержание формы клетки и защитная, тогда как основная функция клеточной мембраны — регуляторно-метаболическая. Клеточная стенка и клеточная мем- брана вместе формируют оболочку.

В эволюционно-биохимическом плане клеточная стенка у про- кариот претерпела структурные изменения в направлении: Архе- обактерии —> Грамположительные бактерии —> Грамотрицатель- ные бактерии. У археобактерии нет типичного пептидогликана, хотя задатки к нему имеются; пептидогликан у грамположительных бактерий многослоен, тогда как у грамотрицательных бактерий он однослоен. Лишая клетки прокариот клеточной стенки, их относи- тельно легко удается получать в виде протопластов или сферопла- стов, которые могут быть использованы в клеточно-инженерных работах.

Вместе с возможным капсульным слоем на оболочку приходит- ся 20% и более сухой массы клетки. В оболочке имеются поры для транспорта питательных веществ (диаметр их от 0,001 до 0,01 мкм) и рецепторы (белки-порины) для фагов и бактериоцинов, а также места взаимодействия с антителами и комплементом. В оболочках грамотрицательных бактерий содержатся токсические и аллерген- ные соединения.

Электронно-микроскопические снимки поверхностей прока- риотических клеток отличаются большим разнообразием. Причем,

в противоположность сравнительно тонко очерченной поверхно- сти у грамположитёльных бактерий, большинство представителей грамотрицательных видов имеет исключительно складчатую по- верхность.

У многих прокариот кнаружи от клеточной стенки располага- ется капсульн^.й материал, состоящий в большинстве случаев из полисахаридов — гликанов (например, у Асте1оЪас1ег зрр.), либо — из протеинов (например, у Вас. НспешГогпий).

Клеточная стенка утолщается с возрастом клетки и может достигать, например у ЬасЮЬасШиз аайорппин, 0,8 мкм. Клеточная мембрана, напротив, остается более или менее постоянной по толщине вовсе периоды развития прокариотических клеток (0,0075 мкм) и с более или менее постоянными порами диаметром около 1 нм.

В клеточной стенке грамоположительных бактерий сосредото- чен пептидогликан — муреин, имеются тейхоевые кислоты, белки; у стрептококков группы А в диффузно-распределенном виде в наружном слое клеточной стенки находится также М протеин, являющийся фактором вирулентности этих микробов. М протеин может быть гидролизован с помощью трипсина без нарушения жизнеспособности клеток.

У грамотрицательных бактерий четко обозначается трехслой- ность клеточной стенки: липополисахаридный слой (О-антиген), наружный слой (нередко обозначаемый как "внешняя мембрана"), состоящий из двух фосфолипидных листков, и подлежащий липоп- ротеиновый слой. Липополисахарид проявляет свойства эндоток- сина, он занимает пограничное положение между внешней средой и подлежащим фосфолипидом (преимущественно — фосфатиди- лэтаноламином).

Липополисахариды получают в производственных условиях В качестве средств, обладающих различными биологическими свой- ствами: токсическими (связанными с липидом А в липополисаха- риде), пирогенными, митогенными (для мышиных лимфоцитов), стимуляторами развития клеток костного мозга, активаторами фактора VII свертывания крови (фактор Хагемана) в тромбоцитах и комплемента; липополисахарид в концентрации 1«10'¹² г вызы- вает свертывание лизата амебоцитов дальневосточного краба Ьшгшив роИрпетиз. Реакцию широко используют при выявлении липополисахарида в каких-либо субстратах, лекарственных сред- ствах и др. Взаимодействие между эндотоксином и лизатом аме- боцитов протекает по следующей схеме:

92

1АЬ=профермент

эндотоксин

активированный^—е) фермент(ы)

активированные ферменты

коагулоген

лизат

белковые агрегаты

помутнение

_\

определение вязкости

спектрофото — метрия

зование)

определение белка

методы оценки

Фосфолипидный слой имеет внешний и внутренний "листки", из которых внешний содержит значительную долю липополисаха- ридных молекул. В целом этот слой имеет жидкостно-мозаичную структуру, содержащую набор из 3 — 4 мажорных белков, погру- женных в фосфолипидный матрикс, и на долю которых приходится до 70% всех белков наружного слоя, а также набор из 10 — 20 минорных белков. С фосфолипидным слоем (его внутренним листком) нековалентно связан липопротеин из третьего слоя.

Липопротеиновый слой выступает как бы посредником, неко- валентно связывающим наружный слой с пептидогликаном. Он включает жирные кислоты, аминокислоты, глицерин; молекуляр- ная масса его порядка 7 кДа. Так липопротеин клеточной стенки ЕвспепсЫа соН содержит 15 аминокислот в разной повторности (всего 58 аминокислотных остатков), среди которых не обнаруже- ны гистидин, глицин, пролин, триптофан и фенилаланин. Он представляется в виде блочной структуры, на конце которой имеется глицерил-цистеин, этерифицированный остатками жир- ных кислот. Значительная часть такого липопротеина (4,8*10⁵ мо- лекул на клетку) находится в свободном состоянии, меньшая часть (2,4» 10⁵) ковалентно связана с пептидогликаном (с диаминопиме- линовой кислотой в тетрапептиде муреинового "каркаса").

Белки клеточной стенки отличаются от белков клеточной мем- браны. Ранее упомянутые белки-порины образуют трансмембран-

ные диффузионные каналы для прохождения неспецифических малых гидрофильных молекул, некоторые из них выступают ре- цепторами фагов. Выделяют мажорные, или отр-протеины (от англ. опе оГ та]ог рго1ет), и минорные, или малые протеины. По кодирующим структурным генам мажорные белки подразделяют на отр А, отр С, отр Р, отр Н:1°; они имеют различную молекулярную массу (от 16 кДа до 42 кДа). Первый из них (отр А) выступает местом взаимодействия с Р-пилями при конъюгации бактерий; отр С и отр Р (белки-порины) в комплексе с пептидо- гликаном формируют поры, отр Н:1° обладает катионными свой- ствами и причастен к ионным взаимодействиям в среде обитания клетки. Минорные белки участвуют в транспорте специфических малых молекул через наружный слой и в рецепции фагов, некото- рых бактериоцинов (например, рецептор для фага Т6 и колицина "заинтересован" в транспорте нуклеозидов). Минорные белки вовлекаются в транспорт мальтозы, комплексов Ре²⁺, витамина В12. Белки внешнего слоя выполняют и некоторые другие функции.

Среди протеинов клеточной стенки грамотрицательных бакте- рий обнаруживаются многие ферменты (аспарагиназа, фосфатазы, эндонуклеаза и др.).

Клеточную стенку удается достаточно легко отделить от содер- жимого клетки, окруженного клеточной мембраной (протоп- ласт). Если часть клеточной стенки каким-то образом удержива- ется на клеточной мембране, то в этом случае говорят о с ф е - ропласте. Имеются разноплановые мнения о легкости формирования протопластов у грамположитёльных или, напротив, у грамотрицательных бактерий. Очевидно, и протопласты и сфе- ропласты могут быть дериватами тех и других бактерий — все зависит от особенностей штамма (вид, возраст, условия культиви- рования, используемый стабилизатор — сахароза или какие-либо соли, и т. д.), воздействующего агента (лизирующий клеточную стенку фермент, блокатор биосинтеза компонента или компонен- тов клеточной стенки).

Между клеточной стенкой и клеточной мембраной имеется так называемое периплазматическое пространст- в о, лучше выявляемое у грамотрицательных бактерий. Это оче- видно связано с тем, что внутреннее осмотическое давление выше у грамположитёльных бактерий [(8,1 - 20,2)«10⁵ Па], чем у грамот- рицательных [(3,03-5,05)«10⁵ Па]. В периплазматическом простран- стве обнаружены ферментные и неферментные белки.

Известны прокариоты, оболочки которых существенно отли- чаются по составу от оболочек грамположитёльных и грамотрица- тельных бактерий. В качестве примера можно назвать кислото- устойчивые микобактерии (таблица 7). Из таблицы видно, что

различия в компонентном составе клеток, относящихся к разным группам, достаточно велики. Например, оценивая строение пепти- догликанову Е. соП и 31арпу1ососси5 аигеив, можно видеть различия между ними в характере интерпептидных мостиков. Так, у Е. соЦ (равно как и у всех грамотрицательных бактерий, коринебактерий дифтерии, нокардий, микобактерий и видов, относящихся к роду ВасШив) пептидогликан относится к типу А (рис. 25а), у 51арЬу1ососсив аигеив (стрептококков, микрококков) — к типу В (рис. 256); пептидогликан типа С (рис. 25в) обнаруживается редко.

А В С

Рис 25 Схемы (а, б, в), построения трех типов пептидогликанов (А, В, С) в которых М—Ы-ацетилмурамовая кислота, Г—М-ацетилглкжозамин; 1,2,3,4-тетрапептид, со- стоящий из Ь-аланина (1), Б-180-глутаминовой кислоты (2), тезо-БАР (или Ь-лизина) (3), Б-аланина (4),х и2-интерпептидные мостики, У-амидный заместитель, связанный с а-карбоксигруппой 0-1Во-глутаминовой или 3-гидроксиглутаминовой кислоты.

Инвариантность тетрапептида обусловлена постоянным нали- чием Б-аланина, выступающего связующей единицей между цепя- ми пептидогликана. Дисахаридные блоки МГ (см. рис. 25а, б, в) численно варьируют от менее 10 до более 170, что зависит от вида бактерий. С учетом сказанного можно изобразить связь пептидо- гликана с липопротеином в клеточной стенке Е. соН (рис. 26). — г — м —г — м —г — м —г —

Ч Ч Ч \

— г — м —г — м —г — м —г —

\

1

_{— г — м —г — м —г — м —г —}

1-.

14

-г — м —г-

³4 ³4

—" липолротеин

Рис. 26. фрагмент пептидогликана Е. соН, связанный с липопротеином через те&о-БАР в тетрапептиде (обозначения смотри на рис. 25).

Углеводные звенья в пептидогликанах могут быть различными. Например, имеются О-ацетильные группы в мурамовой кислоте или глюкозамине, в эндоспорах бацилл может присутствовать лактам мурамовой кислоты.

сн^—сн—со

•мамнозамим мурамовой кислоты

Находят (около 2%) маннозамин мурамовой кислоты, например у М. ш1еи5. У микобактерий и некоторых нокардий (14. Ыгоуаш) присутствует Ы-гликолилмурамовая кислота. В позиции С6 гидро- ксильных групп мурамовой кислоты или глюкозами на могут нахо- диться фосфодизфирные остатки, которые у грамположительных бактерий способны связывать тейхоевую, тейхуроновую кислоты,

СН-СН-СН-СН,ОН

III

ок о^о

со I

сн-ын, I ^г сн,

он I

I

ок

но-р-о-сн₂-сн-сн-сн-сн₂-с II III

I

о о

со* I

сн-ын, I

сн.

он

он

-Р-0-СН,-СН-СН-СН-СН,-0|-Р-0-СН -I

о ' ^{1 1} ок о о

со I

сн-ын, I

сн.

рибиттейхоевая кислота Вас. виЫШв, К - остаток глюкозы (Р)

а также другие полисахариды. С полисахаридами клеточных стенок у микобактерий и некоторых нокардий связаны эфирной связью миколовые кислоты. Они же могут быть компонентами свободно

экстрагируемых гликоли- пидов, известных как к о рд-факторы (от англ. с ого. — веревка, струна), которые выявлены также у некислотостойких пато- генных для человека ко- ринебактерий. Число уг- леродных атомов в кори- немиколовых кислотах достигает 32 — 36, в но- кардиомиколовых кисло- тах примерно 50, в мико- ловых кислотах микобак- терий порядка 90. Мико- ловые кислоты являются а-замещенными Р-гидроксижирными кислотами с общей формулой:

Е.-СН(ОН)-СН(Е.1)-СООН

4 т. 8524

97

Различают а-, |3- и у-миколовые кислоты туберкулезных мико- бактерий; первые содержат от 78 до 88 углеродных атомов, вторые — от 83 до 89, третьи — 91.

СН,-(СН,) -СН-СН-(СК)_У-СН-СН-(СН₇)-СН-СН-СООН \/ ^У \/ I I

сн₂ сн₂ он с₂₄н₄₉

а-миколовая кислота

сНз-ссн^^сн-сн-ссн^у-сн-сн-ссн^-сн-сн-соон сн₃осн₃ сн₂ он с₂₄н₄₉

р-миколовая кислота

снз-(сн₂)₁₇- сн-(сн₂)₁₉-со-сн-(сн₂),₉-сн-сн-соон

СН₃ СН₃ ОН С24Н49

у-миколовая кислота

Корд-факторы представляют собой 6,6'-димиколиловые эфиры а,а,-1,Г- диглюкозы (трегалозы).

миколовая кислота С—&Н₂

, миколовая кислота

Корд-фактор обладает токсичностью, которая потенцируется сульфогликолипидами, локализующимися с ним в клеточной стен- ке микобактерий (например, у М. ШЪегси1ов15 сульфогликолипид представляет собой 2,3,6,6'-тетраацетилтрегалозо-2'-сульфат).

В клеточной, стенке микобактерий имеются еще микозиды, ответственные за рецепцию бактериофагов. Микозиды содержат 6-дезокситалозу и ее О-метиловые эфиры, фукозу, рамнозу. Раз- личают микозиды А, В и С. Микозиды А и В являются фенольными гликолипидами, микозиды С — пептидогликолипидами.

98

сн₃

]

При оценке биологических свойств продуктов клеточных сте- нок микобактерий вначале предполагали, что иммуноадьювантной активностью обладают их уникальные липидные компоненты. Однако на основании детального анализа установлено, что таким действием обладают водорастворимые пептидогликаны, содержа- щиеся в клеточных стенках большинства бактерий. Самый малый активный фрагмент оказался мурамилдипептидом, представляю- щим собой Ы-ацетил-мурамил-Ь-аланил-О-изоглутамин. Мурамил- дипептиды — высокоактивные иммуноадьюванты нашли практи- ческое применение, в том числе — в качестве компонентов вакцин, рекомендованных для профилактики и лечения СПИД.

^Н₂^{ЫОС—{СН}₂⁾₂^{—С|Н— ГШ— со— сн—нн—со—сн—о}

соон

н₃сосм>

мурамилдипептид

Клеточная мембрана прокариот принципиально сходна по ар- хитектонике с мембраной эукариотической клетки. Тем не менее, она не является тем трехслойным сэндвичем (от англ. вапсгшсп — бутерброд), о котором говорили до недавних пор. В состав мембран входят фосфолипиды с полярными "головками", обращенными кнаружи; взаимодействующие между собой их гидрофобные хво- сты из остатков жирных кислот обращены внутрь. Мембранные

белки полностью или частично погружены в липидный слой (рис. 27), в котором имеют место гидрофобные взаимодействия между белками и липидами. Гидрофильные участки белков взаимодейст-

вуют с полярными головка- ми фосфолипидов: Мемб- рана в целом приобретает жидкости о-мозаичную структуру (рис. 28), в кото- рой имеющиеся слои пред- ставляют собой нековален- тно собранные термодина- мически стабильные, но метаболически лабильные структуры. Белковые молекулы как бы заякорены в мембране и несут специ- фические функции. Лишь гликопротеины в мембране не сопряже- ны с другими компонентами и могут диффундировать латерально в плоскости мембраны; другие, напротив, интегрированы с мат- риксом мембраны прочно. Не исключена возможность их роли в признании и селекции функциональных молекул, в которых про- является (или должна проявиться) заинтересованность клеточной мембраны. Контактирующие с ней ферменты и ферментные сис- темы подвергаются специфическим конформационным изменени- ям, что сказывается на характере их взаимодействия с субстратами и лигандами. Другими словами, клеточная мембрана выступает организатором и регулятором активности связанных с нею фер- ментов и ферментных систем. При этом на уровне мембраны происходят химические и физические процессы.

Какие же принципиальные различия существуют между кле- точными мембранами прокариот и эукариот? Эти различия каса- ются химического состава и функций (таблица 8). По химическому составу клеточные мембраны представляют собой гликопротеоли- пиды или гликолипопротеины, или, наконец, липогликопротеины,

100

что зависит от таксономического положения организма. В клеточ- ной мембране золотистого стафилококка на долю углеводного компонента приходится до 40%, столько же — на долю белкового компонента и лишь 20% — на липидный компонент.

В усредненном варианте содержание указанных компонентов в клеточной мембране большинства исследованных прокариот распределяется следующим образом: белки — до 50%, липиды — до 30%, углеводы — до 20% (из расчета на сухую массу); для эукариот эти данные соответственно таковы: белки — до 70-80%, липиды — до 15 — 25%, углеводы — до 5 — 15%. Однако применительно к структуре различных мембран указанные вели- чины могут сильно различаться и, например, на липиды может приходиться до 50% от сухой массы мембранной фракции эндоп- лазматического ретикулума, тесно связанного с клеточной мемб- раной. А в миелиновых мембранах нервных волокон содержание липидов достигает 80%.

Клеточные мембраны у всех организмов проявляют полифун- кциональные свойства: осморегуляция, барьерные функции с се- лективной проницаемостью за счет пор, насосов, рецепторов; транспорт веществ (в том числе активный с затратой энергии), участие в создании мембранного потенциала, в превращении энергии при фотосинтезе и окислительном фосфорилировании.

Глубокое знание структуры и функции оболочки бактерий (или клеточной мембраны у видов, лишенных клеточной стенки) облег- чает использование биообъектов в конкретных целях, например, для получения вторичных метаболитов (см.), когда процессы пере- носа вещества в клетку (равно как и секреторные процессы) выступают на первый план. В целях сравнения можно привести пример с Ьеисоповгос теветегоЫев и ХапШотопав сотревЩв. В определенных условиях первый из них секретирует фермент декстрансахаразу, с помощью которой возможен синтез полиса- харида декстрана без участия клеток, то есть т уйго; второй вид синтезирует полисахарид ксантан, но уже на уровне клеточной мембраны и в этом случае без клеток X. сатреввтв биосинтез ш лАЬго невозможен. Следовательно подходы здесь к осуществлению процессов биосинтеза полимеров различны, поскольку механизмы функционирования соответствующих биосистем (в том числе — оболочки бактерий) неравнозначны.

101

Клеточные мембраны после выделения из клеток и тщательной очистки остаются связанными с рибосомами и ДНК, представляя собой мембранополирибосомо-ДНКовые агрегаты.

Рибосомы в прокариотической клетке (числом порядка 10⁴ на клетку) состоят приблизительно из 30% белка и 70% РНК, что в расчете на всю клетку с оставляет до 40% белка и 90% РНК. "Мягкий" лизис растущих клеток сопровождается выделением почти всех рибосом в виде полирибосомомембранных агрегатов, содержащих все компоненты белоксинтезирующей системы. Полирибосомы представляют собой цепочки, состоящие из 705 рибосомных мо- номеров с диаметром порядка 0,02 мкм, присоединенных к мРНК. При низких концентрациях ионов магния — меньше 10'⁴ М 705 рибосомы диссоциируют на 305 и 505 субъединицы. Размер первых приблизительно 0,007 — 0,016 мкм, молекулярная масса 800 кДа. Каждая 305 субъединица включает одну молекулу 165 РНК с ММ около 500 кДа и 21 молекулу разных белков; 505 субъединица размером 0,014 — 0,016 мкм имеет ММ 1,8»10³ кДа и содержит

юз

одну молекулу 235 РНК с ММ 1,1 х 10³ кДа, 55 РНК с ММ 40 кДа и 34 молекулы разных белков. Участие рибосом в матричном синтезе белка см. в разделе 5.1.

Ядро прокариот (нуклеоид) представляет собой тонкую, непра- вильную, фибриллярную сеть из ДНК, часто располагающуюся параллельно осевой линии клетки. Во многих случаях ДНК-связы- вающей структурой выступает мезосома. Замкнутость нити ДНК в виде кольца доказано с помощью радиоавтографии. Это и есть единственная хромосома в бактериальной клетке. На нее прихо- дится 2-3% клеточной массы и 10% или более объема клетки. В такой хромосоме у Е. соН имеется от 20 до 70 суперспирализован- ных доменов. До недавнего времени признавали, что нуклеосомы (см.) присуши только эукариотам. Однако нуклеосомоподобные структуры, как оказалось, обнаруживаются и у прокариот. Из ДНК Е. соИ отделены 4 гистоноподобных белка. Они были обозначены как НЬРПа, НЬРПв, НЬР1 и Н-протеин. У первых двух аминокис- лотный состав подобен аминокислотному составу гистона Н2В у эукариот, а белок Н перекрестно реагирует с антителами против гистона Н2А из зобной железы телят. Названные гистоноподобные белки помогают ферменту гиразе, или топоизомеразе II стабили- зировать суперспирализацию ДНК. ДНК-гираза способна вводить отрицательную суперспирализацию в релаксированную (от лат. ге1ахайо — уменьшение напряжения, расслабление) кольцевую

молекулу ДНК (рис. 29). Одна мо- лекула фермента вводит до 100

ОС^ О СУ спиралей в 1 минуту. ^ (Г^^Н Кроме гистоноподобных бел-

5^(-> ^ков — Н1Р (^от англ. Ыв1опе-1дке С/ С* рго^еш) в клетках прокариот име-

ются полиамины, связанные с ри- босомами и мембранами. Главные Рис. 29. Инверсия положительной су- _{из НИ}х — путресцин и спермидин:

перепирали двухцепочечнои ДНК при _ллтт₉.

участииДНК-гиразы: 1 — стабилизация "21^ гт2;3 ГМгхД положительного витка, 2 — разрыв в путресцин

заднем сегменте, 3 — "залечивание" раз- Н2И—(СН2)4—№1—(СН2)з—ИН2 рыва с внешней стороны.

спермидин

Эти полиамины характеризуются антимутагенным эффектом, способностью повышать устойчивость протопластов к осмотиче- скому лизису, стабилизировать 705 рибосомы (предупреждают их диссоциацию на субчастицы).

В цитоплазме прокариот могут накапливаться гликоген, напри-

мер у энтеробактерий (до 40% массы клеток). Спорообразующие бактерии и псевдомонасы накапливают до 30% и более поли-Р-гид- роксимасляной кислоты, у большинства прокариот выявляются полифосфаты, волютин, липиды.

Отдельные прокарио- ты образуют внутрикле- точные споры (эндоспо- ры). Аэробные из них представлены видами ро- дов ВасШив и 5роговагста (5. игеае), микроаэрофи- лы — видом 5рого1ас1о- ЪасШив тиИпив, анаэроб- ные — видами родов С1о51г1с\шт, ОевиИо- 1отаси1ит. Размер, фор- ма и расположение споры в клетке (терминальное, субтерминальное, цент- ральное) достаточно по- стоянны и поэтому ис-

Рис. 30. Эндоспора: 1 — кор. или цитоплазма пользуются для характе- споры; 1 — стенка споры; 3 — оболочка споры; ристики видов. Содержа- 4 — кортекс; 5 — экзоспориум. _{ние в} спорообразующих

клетках пар нуклеотидов ГЦ достаточно низкое, особенно — у клостридий (22-28%); у них,

как правило, отсутствует тево-ДАП в муреине. Эндоспоры — сложные образования и, как видно из рис. 30, эндоспора Вас. сегеив представляется сферическим многослойным телом, формирование которого, как правило, диктуется неблагоприятными условиями. В кортексе спор у большинства спорообразующих видов найден специфический пептидогликан.

_о

В цитоплазме спор содержится до 15% дипиколината кальция. В белках оболочек споры отмечается повышен- ^Ы^~ ное количество гидрофобных амино-

°С СО кислот и цистеина. В связи со споро-

О ,0 образованием культуры ряда бацилл и

^%Са клостридий образуют белки, которые

дипиколинат кальция имеют важное народнохозяйственное

значение (циклопептидные антибиоти- ки, энтобактерин). С другой стороны, спорообразующие прокари- оты могут быть вредителями биотехнологических процессов. Спо- ры отличаются высокой устойчивостью к различным внешним факторам, хорошо переносят их воздействия и поэтому могут попасть в ферментационные среды или в готовый продукт при несоблюдении правил асептики, антисептики и стерилизации.

Некоторые прокариоты (отдельные актиномицеты) могут обра- зовывать экзоспоры, которые выступают у них репродукционными образованиями и покоящимися формами одновременно (эндоспо- ры — это покоящиеся формы и/или формы дифференцировки в ходе развития и созревания клеток, например, у Вас. виЫШв).

Покоящимися формами являются и цисты, которые могут образовываться азотобактериями, миксобактериями, риккетсия- ми, спирохетами.

4.3. Клетки эукариот. В биохимической технологии используют эукариотические клетки различного происхождения. Источниками их являются виды, относящиеся к царствам Мусора, Р1ап1ае и Аштапа. К настоящему времени ассортимент первых более ши- рокий, чем ассортимент растительных и животных клеток, эксплу- атируемых в производстве. Клетки эукариот во многом сходны между собой, тем не менее, имеющиеся различия привносят свои особенности, сказывающиеся на их структуре и функциях. На рис. 31 достаточно объективно отражены фактические данные, накоп- ленные исследователями при изучении строения клеток эукариот.

Клетки грибов и растений обладают прочной клеточной стен-

106

кои, которая отсутствует у клеток животного проис- хождения. При этом мар- керной структурой для большинства грибов стано- вится хитин, для большин- ства растений—целлюлоза.

Молекулярные массы их близки и достигают величи- ны порядка 500-600 кДа. Клеточные стенки грибов и растений — двухфазные си- стемы. Одной фазой явля- ются микрофибриллярные структуры, второй фазой — аморфный наполнитель. Следовательно, грибная и растительная клеточные стенки являются природны- ми композитами, в химиче- ском составе которых пре- обладают углеводные ком-

поненты. Из других веществ в ней обнаружены гликопротеины, белки, в незначительных количествах — липиды и липоконъюгаты. В связи с меньшей дифференциацией клеточных структур у грибов в сравнении с растениями, можно привести усредненные данные по составу компонентов в клеточных стенках грибов (таблица 9).

107

Из таблицы видно, что у некоторых видов грибов (мукоровых) в клеточной стенке присутствуют и хитин и хитозан (деацетилиг рованная форма хитина), у других — только хитин.

Как уже было сказано, целлюлоза — маркерный компонент клеточных стенок растений, однако в незначительных количествах она обнаруживается, например, у акразиевых, гифохитридиевых, сапролегниевых, пероноспоровых грибов.

Уроновые кислоты и лигнин достоверно никто не обнаруживал в клеточной стенке грибов, но многие выявляли пигменты, в том числе — меланиновые. Меланины, включающие в свой состав остатки 5,5-индолхинона и пирокатехина, обычно связаны с бел- ками (меланопротеины) или с гликопротеинами (меланогликопро- теины), и, наряду с ферментами — супероксиддисмутазой (СОД), каталазой и пероксидазами, обладают функцией протекторов (за- щитников) от кислородных радикалов (О2") и синглетного кисло- рода ("О2), являющихся сильными окислителями.

Различные грибы имеют капсулы, образующиеся в результате гиперпродукции углеводных полимеров (АигеоЪавШшт врр., Сгур1ососсив врр., РЬос1о1оги1а врр. и др.). Эти полимеры приобрели или приобретают важное значение для народного хозяйства (в нефтедобыче, здравоохранении, косметике).

Как и у грибов в клеточной стенке растений преобладают углеводные полимеры — целлюлоза, гемицеллюлозы, пектины. К гемицеллюлозам относятся полисахариды (гликаны), входящие в

108

состав клеточных стенок растительных тканей и способные рас- творяться в разбавленных растворах щелочей и гидролизоваться разбавленными растворами кислот в мягких условиях. Это — арабинаны, галактаны, ксиланы, маннаны, фруктаны. Гемицеллю- лозы находят широкое применение в народном хозяйстве.

Пектины — это полигалактурониды, входящие в состав клеточ- ных стенок и сока всех высших и низших растений. Галактуроно- вая кислота главный мономер пектинов (до 92%). Часть уроновых кислот может этерифицироваться по карбоксигруппе метанолом;

остатки ее соединены С1 -СА гликозидными связями. Пектины

широко используются в пищевой промышленности.

Следует особо выделить лигнин — полимер полифе- соон нольной природы, образую-

о щийся только у растений. Его

полигалактуроновая кислота

содержание у некоторых ви- дов может достигать 38% и с ним связано одревеснение растений (лигнификация). По распространенности среди природных биополимеров он уступает место лишь гликанам.

СН=СН СНзОН

Лигнин относится к нерегулярным разветвленным полимерам, состоящим преимущественно из остатков замещенных фенолспир- тов: п-гидроксикоричного, или п-кумарового; 3,5-диметокси-4-гид- роксикоричного, или синапового (синапинового) и 3-метоксигид- рокоричного, или кониферилового.

СН^СН-СНзОН

ОСНз

ССНз

Э,9-дим«токси-4- гидроксмкоричиый, или синаповый (си- налиновый) спирт

СН=СН—СНзОН

п-гедрокенкоричный, или кумаровый спирт

3-матомсигиАроксикоричный^ или иоиифариловый спирт

Механизм биосинтеза лигнина окончательно не выяснен, хотя доказано, что исходным продуктом является глюкоза, а непосред- ственным предшественником его транс-кумаровый, транс-синапо- вый и транс-конифериловый спирты.

109

В древесине он связан с гликанами, главным образом — с гемицеллюлозами преимущественно тремя типами связей — гли- козидными, сложноэфирными и простыми бензилэфирными.

Лигнин получают в качестве побочного продукта в целлюлоз- ном и гидролизном производствах (более двух миллионов тонн в год лишь в государствах бывшего СССР) и широко используют в народном хозяйстве.

Клеточные стенки растений могут покрываться снаружи таки- ми липидами, как воск и кутин или пропитываться суберином. Все эти соединения выполняют главным образом защитную роль. Воска — сложные эфиры длинноцепочечных жирных кислот — насы- щенных или ненасыщенных (число углеродных атомов от 14 до 36) с длинн оцеп очечными спиртами (число углеродных атомов от 16 до 22).

О

^Нз-^д— сн=сн-сн₂— (Сг^г-С ^-|о -{сн^сн =сн-(сн₂)—СНз|

остаток линолевой кислоты остаток олеинового спирта

воск (сложный эфир линолевой кислоты и олеинового спирта)

Кутин (от лат. сиив — кожа) состоит из смеси высших жирных кислот и их эфиров; суберин (от лат. виЪег — корковое дерево) — эфир жирных кислот и суберилового спирта (циклогептанола).

Клеточные стенки растений могут утолщаться за счет утолще- ния внутренних слоев, прилегающих к клеточной мембране — формируется вторичная клеточная стенка (в противоположность С н«——СНо""С Н₅\ первичной — без внутренних от-

IС НОН ложений). Такая стенка несет, __и _ _и _ _и / как правило, механическую фун-

2 4 4 кцию. В ней количество целлю-

лозы может достигать 50% от су-

субериловый спирт ^{хой массы} клетки.

Животные клетки лишены клеточных стенок. Лишь отдельные протозоа способны в опреде- ленных условиях образовывать так называемые цисты (дизенте- рийная амеба, кишечная балантидия и др.), которые покрываются одно-трехслойной, преимущественно белковой природы, оболоч- кой.

Между клетками у грибов и растений существуют сообщаю- щиеся отверстия — п о р ы. У большинства грибов имеются простые поры (рис. 32а). Базидиальным грибам присущи сложные поры, или долипоры (от лат. йоНит — бочонок) (рис. 326). Предполагают, что долипоры способствуют сохранению мицелия базидиомицетов в дикариотическом состоянии и поэтому такие "запирающие" перегородки формиру- ются во вторичном и третичном мице- лии; в первичном мицелии перегород- ки простые.

Во вторичных клеточных стенках соседствующих клеток растений так- же образуются поры, в которых раз- деляющими клетки структурами явля- ются лишь первичная оболочка и се- рединная пластинка (рис. 33а, б).

Различают простые поры с одина- ковым диаметром по всей длине и окаймленные поры, расширяющиеся на месте "вхождения" в клетку, где она приобретает форму сводчатого окайм- ления. Срединная пластинка — продукт деления меристемных (см.) клеток. Она состоит главным образом из аморфных пектиновых веществ равномерно (со сто- роны каждой клетки) "обрастающих" ге- мицеллюлозами. Образуется первичная клеточная стенка, в которой свободно переплетаются целлюлозные волокна ди- аметром порядка 10 нм и содержащие 8-12 тыс. остатков глюкозы. Центральная часть таких волокон имеет кристалличе- скую структуру и диаметр около 4 нм.

В состав первичной клеточной стенки двудольных растений входят ксилоглю- каны (в боковых цепочках которых со- держатся ксилоза, галактоза, фукоза), а также арабиногалактаны и рамногалак- туронаны, ковалентно связанные друг с другом и целлюлозными фибриллами.

Позднее формирующаяся вторичная

111

клеточная стенка состоит из многочисленных слоев плотно упако- ванных послойно разнонаправленных фибрилл. Такие фибриллы чаще состоят из целлюлозы, но могут включать и другие полиса- хариды, например, ксилан и маннан у некоторых водорослей.

Таким образом, углеводные полимеры и лигнин составляют основное содержание клеточных стенок растений. В качестве минорного компонента в них обнаруживается гликопротеин — экстензии, содержащий в большом количестве аминокислоту 4- гидроксипролин. Олигосахаридные остатки в экстензине состоят из арабинозы и галактозы.

Несмотря на наличие разделительных перегородок (септ) меж- ду клетками, они сообщаются между собой благодаря цитоплазма- тическим нитям — плазмодесмы.

^н0 |н 1 Для грибов и растений типичным является об-

соон разование тканей. Ткань — это большая группа

Л н.он

4-гидроксипрошн клеток, единого (общего) происхождения, облада- ющая сходными структурами и функциями. Дру- гими словами такие клетки, обладающие генетической и структурно-функциональ- ной общностью, формиру- ют систему — ткань. Раз- личают ложные и ис- тинные ткани. Ложные галакто» ткани образуются из групп

нитей (филаментов), кото- рые могут переплетаться или срастаться клеточными стенками, но сохраняют свою самостоятельность, например, при поперечном делении. Такая ткань присуща грибам и называют ее п л е к- тенхимой, или псевдопаренхимой (от лат. р1ехив — сплетение, рагепспутпа — живая ткань, паренхима, от греч. рвеидев — ложь, фальшь). Она напоминает меристему растений лишь морфологически и типична для плодовых тел базидиальных грибов, склероциев аскомицетов. Истинные ткани у грибов выяв- ляются редко, однако они имеются в перитециях сумчатых грибов (на ранних стадиях их формирования), в пикнидах у несовершен- ных грибов.

Растениям присущи истинные ткани — простые (из одной системы клеток) и сложные (из разных систем клеток).

Ложные и истинные ткани подразделяются по функциям на 6

112

групп: образовательные (меристемы), покровные, проводящие, ме- ханические, секреторные (выделительные) и базисные (основные). Образовательные ткани, или меристемы (от греч. тепв1ов — делимый) состоят из активно метаболизирующих клеток, способных делиться и образовывать новые клетки. Те из них, которые служат родоначальницами всех других клеток, диф- ференцирующихся и превращающихся в клетки постоянных тка- ней, называются инициальными (отлат. птШапв — первичный, начальный).

У грибов настоящие меристемы не развиты, деление клеток сосредоточено на верхушках гиф.

Топологически, или по местоположению у растений (рис.34) различают меристемы верхушечные, или апикальные (от лат. арех, арю1в — верхушка); боковые, или латеральные (от лат. 1а1ега11в — боковой); промежуточные, или интеркалярные (от лат. т1егса1апв — промежуточ- ный, вставной). Верхушеч- ные меристемы обеспечива- ют рост растений в длину, они же образуют конусы корней; боковые обеспечи- вают рост растений в тол- щину (к боковым меристе- мам относятся прокамбий, камбий, перицикл, фелло- ген; от лат. сатЪшт — сме- на, обмен; от греч. рго — пред, вперед, ранее, реп — вокруг, около; ИЫов — круг, ЦИКЛ; геПов — пробка; депов ³⁴- Топология меристем в растениях. Схе- матичный продольный разрез растительной — род, происхождение). _почки. , _ _{верхушечная} меристема, 2 - лис-

В основаниях черешков товые побеги, 3 — конус нарастания, листьев, в междоузлиях локализуются промежуточные меристемы. Клетки меристемы тотипотентны (от лат. 1огит — все, . целое, ро1епишп — способность, потенция), то есть они полностью реализуют свой потенциал развития с образованием целого орга- низма. В биотехнологии особое значение приобрела верхушечная меристема (см. рис. 34), так как она всегда остается свободной (здоровой) от фитопатогенных микроорганизмов, например, виру-

113

сов (даже в тех случаях, когда все растение поражено патогеном). Культивирование т \г1го меристемных клеток от больного расте- ния в стерильных условиях завершается получением здорового растения — посадочного материала.

Известны еще так называемые раневые меристе- м ы, образующиеся в местах повреждения органов и тканей растений. В таких поврежденных участках разрастаются однород- ные паренхимные клетки, прикрывающие повреждения. Такие ткани называются каллусами (от лат. саПив — мозоль). Каллусные ткани стали широко культивировать на питательных средах в целях получения посадочного и прививочного материала, а также ценных метаболитов.

С меристемной тканью связан рост растений. Так, у большин- ства из них стебли и корни обладают верхушечным ростом, листья нарастают благодаря базальному росту; в стеблях злаков преобла- дает промежуточный рост. Для грибов также характерен верху- шечный рост. В общем виде он протекает следующим образом. В молодой нити гриба на всем ее протяжении достаточно легко отдифференцировать три зоны: апикальную, субапикальную и вакуолизированную дистальную (рис. 35). В апикальной зоне скап- ливается большое количество везикул (пузырьков), в субапикаль- ной - ядра, рибосомы, митохондрии, эндоплазматический ретику- лум, микротельца, микротубули и т. д. Субапикальная зона пере- ходит в зону вакуолизации (дистальную), которая тем выраженнее, чем дальше расположена от верхушки. В ней возрастает также содержание липидов. Апикальные везикулы, образующиеся в суб- апикальной' зоне и перемещающиеся к верхушке, участвуют в синтезе клеточной стенки. Там они секретируют свое содержимое или сливаются с мембраной. В них так же могут быть экзофермен- ты, способные к экструзии (от лат. ехгшвю — выталкивание) на кончике гифы (рис. 36).

Как видно из рисунка везикулы, воз-

^ш п I никающие из эндоплазматического рети-

0°С21^оК Ш<*$&^ ^кулума' ^{сливаются и} образуют цистерну

внутренней (проксимальной) части дик- Рис. 35. Апикальная — I, суб- тиосомы; содержимое цистерны и мемб- апикальная-11.вакуолизиро- _{ы последовательно} трансформируют- ванная — III зоны в молодой г -г г г^

растущей гифе одного из ни- ся, перемещаясь к наружной (дистальной) зших грибов (схема). части диктиосомы в связи с продолжаю-

Рис. 36. Схема формирования и перемещения апикальных визикул из субапи- кальной зоны к верхушке гифы (КС — клеточная стенка, М — клеточная мембрана, В — везикулы, Д — диктиосомы, Р — рибосомы, ЭР — эндоплазма- тический ретикулум, Ц — цистерны).

щимся образованием новых цистерн. Здесь цистерны превраща- ются в пузырьки, а затем — в секреторные везикулы, которые мигрируют к верхушке гифы. Некоторые из везикул увеличива- ются в размере, другие сливаются между собой и таким образом формируются большие секреторные везикулы. Отдельные везику- лы непосредственно достигают клеточной мембраны и сливаются с ней. Слившиеся с мембраной визикулы освобождают свое со- держимое в периплазматическую область апикальной части гифы, где осуществляется синтез клеточной стенки и сбалансированный лизис скелетных микрофибрилл.

У всех высших грибов в апикальных частях мицелиальных нитей имеется так называемое верхушечное тельце сферической формы (рис. 37). При остановке роста гифы оно исчезает. Поло- жение тельца на верхушке служит направляющим вектором про- странственного роста гифы. Например, эксцентрическая позиция его указывает на то, что верхушка изогнется в ту же сторону.

Хотя гифы всех грибов растут за счет апикальных частей (а к- ропетальный или базифугальный рост; от греч. асгов — самый высокий, верхушка, кончик; ре1а1оп — лист; Ъаыеов — основание, гадав — изгоняющий), утолщение клеточных стенок может наблюдаться и около верхушек, а иногда — ив дистальных частях, например, при образовании гемм у АигеоЪавМшт ри11и1апв. Тем не менее, если неограниченный рост мицелия в длину потен- циально возможен, то увеличение ширины его весьма лимитиро- вано. Верхушечный рост растений морфологически сходен с вер-

115

в

верхушечное тельце

Рис. 37. Схематическое изображение апикальных частей у оомицетов (А), зигомицетов (Б) и высших грибов (В).

хушечным ростом грибных нитей, однако у растений он характеризу- ется более выраженной ритмично- стью с чередованием процессов ус- коренного и замедленного роста при возможном переходе всего рас- тения или его каких-либо частей в состояние покоя (семена, клубни). Ростовые ритмы могут быть эндо- генного и экзогенного происхожде- ния. Причем воздействующие внешние факторы могут быть одни- ми и теми же, например, свет и температура. Так, у некоторых гри- бов проявляются ростовые зоны при освещении культур через опре- деленные промежутки (чередование темноты и света). Причем на одинаковое физическое возбуждение ответная реакция грибов весьма различная. На этом основании грибы условно подразделяют на три главные группы: 1) грибы, не отвечающие на свет и тепло, их ростовые зоны, относимые к эндогенным ритмам, всецело являются ответной функцией на условия обитания в питательной среде. К этой группе относятся АвсосЬу1а спгукапгпегш, некоторые мутанты АвсоЪоЫв 1ттг.егвив, Рев1а1оИа аппи1а1а и Ройоврога апвеппа; 2) грибы, ростовые зоны которых, относимые к экзоген- ным ритмам, возникают в ответ на физические возбуждения. Сюда относятся АИегпапа 1епшв и Тпспобегта лапйе, чувствительные к фотоциклам, АврегдШив осЬгасеив и А. шдег, чувствительные к фото- и термоциклам; 3) в эту группу включены грибы, которые при слабом физическом возбуждении проявляют зональный рост как экзогенный ритм, в то время как сильное возбуждение прово- цирует эндогенный ритм (зональный рост), который продолжается некоторое время после прекращения стимула. Эндогенный ритм, наведенный разовым освещением 5с1егоШиа ГгисИдегга, 5. 1аха и Ьер1оврЬепа гшсЬоШ, имеет период в 24 часа. Культуры 5.гшсисо1а, один раз освещенные достаточно интенсивным белым светом или светом с длиной волны меньше 500 мкм, а затем оставленные в темноте или при очень слабом освещении, проявляют суточный ритм в течение трех дней.

Ежедневное освещение интенсивностью 1000-3000 лк в течение нескольких секунд вполне достаточно, чтобы индуцировать зональ- ный рост у Ривапшп Й18со1огви11игеит, Тпспо1есшт говеит и УегЦсШшт 1а1егШит (экзогенные ритмы).

Фототропизм присущ и грибам (например, фикомицетам) и растениям. Так называемые циркадные ритмы (от лат. снсив — круг) связаны со сменой дня и ночи, иногда — с длительностью дня (фотопериодизм). Они контролируются у всех эукариотических организмов специальным внутренним механизмом, называемым ф и з и о л о г и ч е с к и м и, или б и- ологическимичасами.

В регуляции ростовых ритмов существенна роль фитогормонов

• ауксинов, гиббереллинов и кининов (цитокининов). Из ауксинов (от-греч. аихо — выращиваю, увеличиваю) наиболее распростра- ненным является гетероауксин — ИУК (3-индолилуксусная кисло- та), из гиббереллинов (продуцент ОюЪеге11а шркиго!) — гибберел- ловая кислота (ГАз), из кининов (от греч. ктео — двигаю, побуждаю

• кинетин (6-фурфурилметиламинопурин).

Все названные выше ритмы отражают адаптивные (приспосо- бительные) потенции наследственно компетентных организмов, обитающих на разных географических широтах земного шара.

Покровные ткани имеются у грибов (на склероциях, на шляпках плодовых тел базидиомицетов и других образованиях). Они воз- никают из плектенхимы. У растений покровные ткани имеют меристемное происхождение. К ним относятся: эпидерма с устьи- цами, трихомами (от греч. 1псЬов — волос) и эмергенцами (от англ. етегдепсу — крайность) на листьях и молодых побегах, нередко покрытая кутикулой или воском, с полисахаридами, кристаллами в клетках или кремнеземом — в качестве пропитки; перидерма (от греч. реп — вокруг, йегта — кожа) с чечевичками — вторичная покровная ткань на корнях и стеблях преимущественно у много- летних растений (пробка); корка на ветвях, корнях и стволах многолетних деревьев.

Механические (опорные) ткани у грибов представлены гифами с утолщенными клеточными стенками в плодовых телах у труто- виков, в тяжах у домового гриба, в ножках апотециев у некоторых сумчатых. У растений известны два основных типа опорных тканей

— колленхима (уголковая, пластинчатая, рыхлая) и склеренхима (от греч. ко11а — клей, вЫегов — твердый, епсЫта — налитое, здесь

— ткань). К склеренхиме относятся волокна (лубяные, древесин- ные) и склереиды — структурные элементы механической ткани. В промышленности используют преимущественно лубоволокни- стые растения (лен, липа, кенаф, конопля и др.).

Проводящие ткани в виде дифференцированных структур от- сутствуют у грибов. Сами мицелиальные нити обеспечивают по- ступление и проведение влаги между клетками. Тем более, что у высших грибов септы не обладают абсолютной герметизацией, а у низших они отсутствуют или встречаются редко по ходу гиф.

У растений имеются специализированные ткани — ксилема, флоэма (от греч. кзйоп — дерево, Пооб — кора, лыко) и проводящие пучки. Ксилема состоит из трахеидов — омертвевших клеток, суженных на концах; сосудов — полых трубок, и сердцевинных лучей, состоящих из тонкостенных паренхимных клеток. К флоэме относятся живые (не омертвевшие) ситовидные элементы, парен- химные клетки (лубяная паренхима), сердцевидные лучи и меха- нические элементы. В стеблях флоэма локализуется кнаружи от ксилемы. Проводящие пучки представляют собой обособленные тяжи, состоящие из элементов ксилемы и флоэмы.

Ксилема обеспечивает восходящий ток (от корня к листьям) водных растворов солей, флоэма — нисходящий ток продуктов фотосинтеза.

Секреторные (выделительные) ткани в виде специализирован- ных морфологических структур отсутствуют у грибов, хотя экзо- цитоз (см.) присущ клеточной мембране и по этой функции она уподобляется секреторной ткани. Из клеток грибов секретируются многие первичные и вторичные метаболиты (ферментные и не- ферментные белки, пигменты и другие вещества). Структуры, подобные млечникам у растений, имеются у некоторых базидио- мицетов (скрипица, рыжик). В этих случаях между гифами и окружающими их клетками образуются ситовидные пластинки и гифы становятся как бы млечными трубками, содержащими млеч- ный сок (эмульсия смол, масел, пигментов, горьких и других веществ в воде).

У растений различают ткани наружной и внутренней секреции. К числу первых относятся гидатоды (от греч. ойоб — путь), выделяющие водно-солевые растворы; железистые трихомы (же- лезки, нектарники, головчатые волоски). Ко вторым относятся клетки — идиобласты (от греч. 1олов — своеобразный, особенный, Ыак1оБ — отросток, побег), располагающиеся среди других тканей и накапливающие жидкие или плотные секреты — преимущест-

118

венно продукты вторичного метаболизма (оксалат кальция, по- лифенольные соединения, слизи, таннины, терпеноиды); смоляные ходы, эфиромасляные каналы, млечники, пронизывающие все растение.

Базисные ткани относятся к разряду мало специализирован- ных, возникающих у растений из клеток апикальных меристем; у грибов имеются немногие соответствующие органоиды (не ткани), которые функционально сходны с базисными тканями — это преимущественно вакуоли с запасными питательными вещества- ми.

У растений выделяют ассимиляционную (хлоренхима), возду- хоносную (аэренхима) и запасающие ткани, все относящиеся к базисным. В запасающих тканях откладываются белки, вода (на- пример, у кактусов), жиры, пигменты, углеводы и др.

Ткани высокоорганизованных животных организмов подраз- деляют на 4 группы: эпителиальные (ведущая роль их — отграни- чивающая), ткани внутренней среды с сильно развитым межкле- точным веществом в виде волокнистых структур и аморфной субстанцией (кровь, рыхлая и плотная соединительная ткань, хрящевая и костная ткани, репродуктивная ткань), мышечные ткани и нервная ткань. Органы животных и человека могут состоять из разных тканей (аорта, органы пищеварительного трак- та) или почти целиком из одной ткани (кость, печень, сухожилия и др.). Целостный организм — как система высшего порядка "диктует" запросы органам, структурными компонентами которой они являются.

У человека различают двенадцать систем органов: покровная, опорная (скелетная), мышечная, кровеносная, дыхательная, пище- варительная, выделительная, нервная, сенсорная (от лат. вепвогшв

• чувствительный), эндокринная (от греч. епйоп — внутри, кгто

• отделяю), иммунная и репродуктивная.

В настоящее время успешно культивируют т \г1го клетки и ткани (преимущественно эмбриональные) в соответствующих ус- ловиях, что приобрело большое значение в биотехнологии.

Клетки млекопитающих существенно различаются по химиче- скому составу, поскольку они достаточно сложны по набору орга- нелл, а кроме того клетки специализированы в соответствии с принадлежностью к органам и системам органов, к видам живо- тных и т. д. Тем не менее, в усредненном варианте состав их следующий (таблица 10).

Как видно из таблицы наименьшее количество массы клетки приходится на ДНК, то есть на тот компонент, который определяет ее наследственные особенности. Эта закономерность присуща всем представителям живых существ.

Некоторые свободно живущие клетки эукариот склонны к хемотаксису (от греч. 1ах1в — расположение), то есть передвигаться к химическому (хемотаксическому) сигналу. Это, например, типично для лейкоцитов крови, выходящих из сосуди- стого русла к очагу воспаления. Хемотаксис присущ и прокарио- там.

К 1984 г. большинство цитологов утвердилось во мнении, что в эукариотической клетке имеющийся цитоскелет играет важнейшую роль в различных биологических явлениях. Цитоске- лет - это внутриплазматическая поддерживающая система пере- крещивающихся плотных воло- кон (филаментов) и полых тру- бочек (тубул, микротрубочек) — "балки и канаты" — по К. Де Дюву (1987). Используя метод иммунофлуоресценции, удает- ся выявлять цитоскелет клеток во всем многообразии (рис. 38). В 1987 г. был предложен термин "цитоскелетология" (В. Бирх- майер), относящийся к части на- уки о клетке. С начала 70-х годов стали выделять новые белки, ас-

социированные с цитоскелетом, например, белок глиальных эле- ментов, образующий промежуточные филаменты в глиальных нервных клетках; спектрин — основной белок цитоскелета мемб- ран эритроцита; динеин — высокомолекулярные белки с АТФ-аз- ной активностью; винкулин — белок, присутствующий в факель- ных контактах фибробластов, образует пучки актиновых филамен- тов; и другие. Много лет тому назад были открыты актин, миозин, а-актинин, тубулин, тропонин, тропомиозин. Структурно-функци- ональные особенности их изучены в достаточной степени, что показано в таблице 11 на примере миозина, актина и тубулина.

Миозин в виде двойной молекулы формирует стержень, рав- ного которому по длине нет в природе аналогичных молекул ("цитомышца"). На рис. 39 представлен поперечный срез актоми- озина, где показана ассоциация шести тонких актиновых фила- ментов с толстым миозиновым филаментом. В зависимости от ^ диаметра филаменты подразделяют на тонкие (до 6-7 нм), промежуточные (8-10 нм) и толстые (15-20 нм).

Рис 39. Схематичное строение актомиозинового пучка в попе- речном разрезе: 1-актин, 2-миозин.

Актиновые филаменты ("цитокости"), чаще группирующиеся в форме тонких пучков, составлены из глобулярных белков. Такие глобулы имеют полярный и боковой сайты связывания, благодаря которым они растут в длину в виде двойной цепи. В желобке двухспирального филамента актина располагается тонкая белковая нить тропонина (рис. 40), образующего вместе с миозином тропо- миозин (от греч. ггороз — поворачивать, пив — мышца).

Микроволокна актина могут разобщаться при вза- имодействии с цитохолазином В, или фомином [7,20- дигидрокси- 16-метил- 10-фенил-24-окса- [ 14]-цитохала за - 6(12),13(Е),21(Е)-триен,1,23-дион]. Цитохолазин В образуется грибами Не1тт1позрогшт ёетаиоИешп и РЬота ех1диа. В ряду цитохолазинов известны А, В, С, В, Е, Р, С, Н, 3, родственными им явяются хетоглобо- зины.

Со времени открытия цитохолазинов в 1964 г. выполнено большое количество работ с ними. Показа-

но, что все они тормозят процессы, происходящие в цитоплазме (не в ядре), а в относительно больших дозах вызывают энуклеацию клеток, что особенно наглядно проявляется на клетках млекопитающих.

122

Рис. 40. Тро- помизин (1), располагаю- щийся вок- руг актино- вого фила- мента (2).

Тубулин входит в состав микротрубочек. Это глобулярный белок с диаметром порядка 4 нм, но после сборки 13 его протофи- ламентов (от греч. рго1оз — первый, от лат. ШашепШт — ниточка) в цилиндрическую структуру, внешний диаметр ее составляет 28 нм (внутренний — 14 нм).

Тубулин диссоциируется при действии алкалоидов индольного ряда(винбластина,винкристина) и трополона (кольцо С в колхици- не).

Белки цитоскелета по своим функциям могут быть подразделе- ны на гелеобразующие, фрагментирующие, кэпирующие (от англ.

_ах

сар—шапка, кепка, колпак),

Н,—СН.— и—СН»

^{г г} _и1 \_хсн₂-сн₃ адгезирующие, регулирую-

щие и другие.

С учетом новых групп белков, выявленных в цито- скелете, становится очевид- ным, что само название ка- жется не совсем адекват- ным, поскольку цитоскелет винбластин: К = СНз _ _{это не} неподвижный кар-

винкристин: К= СНО ^г

к ас, или скелет, а сложная и

гибкая система, способная в

ЫНСОСН Р^я,й,е спУ⁴³-^ ^к фрагмента- 3 ции и самосборке, к сколь- Н^СО Я*"""^* жению и другим функциям.

Тем не менее, определенные Н^СО Х^^/^^ элементы цитоскелета дей-

ствительно служат для со- здания статичного остова Н^СО клетки (кератин в клетках

колхицин эпителия, десмин в мышеч-

ных клетках, и т. д.). При выделении молекулярных компонентов клетки и тополо- гической привязки их в фиксированных клетках необходимо учитывать тот факт, что цитоскелетные структуры находятся в процессе постоянных сборки и разборки в живых клетках.

В настоящее время выделяют 5 основных классов белков, образующих так называемые промежуточные фила- менты: виментиновые (ММ=55 кДа) в ткани мезенхимы (зародышевая соединительная ткань большинства многоклеточных животных и человека), глиальные (ММ=53 кДа) в клетках глии

123

(клетки в головном и спинном мозге), десминовые (ММ = 52 кДа) в мышцах, нейронные (три белка с ММ = 70 кДа, 150 кДа и 200 кДа) в нейронах, кератиновые (около 20 белков с ММ от 40кДа до 70 кДа). Функция их окончательно не установлена. Предполагают, что они причастны к митозу, к развитию клеток в норме и при опухолевой патологии, выполняют роль механического скелета.

Элементы цитоскелета поддерживают клеточную мембрану, взаимодействуют с мембранами органелл и, как считают, участву- ют в трансмембранной передаче сигналов в обоих направлениях, что исключительно важно при объединении отдельных клеток в ткани. В трансмембранной передаче сигналов участвуют мембран- ные гликопротеины, или гликопротеиновые рецепторы, контакти- рующие с филаментами. Эти последние индуцируют систематиче- ское движение рецепторов. За обратимое "заякоривание" рецеп- торов ответственны тубулы, или микротрубочки. Эти данные представляют большой интерес не только с точки зрения раскры- тия и познания фундаментальных биологических явлений, но и с практической точки зрения, например, при использовании лекти- нов (от лат. 1едеге—читать, отбирать, выбирать) — как митогенных, токсических и цитолитических агентов.

Цитоскелетные структуры имеют прямые связи, например, микротрубочки с митохондриями, синаптическими пузырьками (области контактов нервных клеток, или нейронов друг с другом и с клетками исполнительных органов), ядром; промежуточные филаменты — с ядром.

Эукариотические клетки многоклеточных организмов отлича- ются друг от друга в зависимости от ткани (органа), из которой они изолированы. Например, у млекопитающих клетки кожи отличаются от клеток печени, у растений клетки эпидермы отли- чаются от клеток колленхимы, у грибов рода РетсШшгп зароды- шевые клетки — экзоспоры, или конидии отличаются от клеток вегетативного мицелия.

Клетки эукариот в большинстве своем крупнее клеток прока- риот по диаметру и объему, пространственно более организованны и дифференцированны, чему во многом способствует цитоскелет. Внутреннее содержимое клетки разделено на отграниченные мем- бранами пространства — отсеки, или компартменты (от англ. сотрагггпеп1 — отделение, купе, отсек). Поэтому компартментали- зация типична для эукариотической клетки и несвойственна по- давляющему большинству прокариотических клеток.

Клеточная мембрана эукариот сходна по составу и строению с

124

клеточной мембраной прокариот — в ней содержатся белки (в том числе — маркерный фермент — 5'-нуклеотидаза), липиды и угле- воды. Однако компонентный состав каждого из названных пол- имеров у эукариот и прокариот не идентичен. Например, ключе- вым гликозиллипидом мембраны прокариот является бактопренол (ундекапренол). Это — С55-соединение, содержащее 9 цис-двойных связей и 2 транс-двойные связи и относящееся к изопреноидным липидам. Бактопренол участвует в процессах биосинтеза О-анти- генов грамотрицательных бактерий, а так же пептидогликанов в клеточных стенках грамположитёльных бактерий.

-40

бактопренол

В клеточной мембране дрожжей содержится долихол, сходный с бактопренолом, но не тождественный ему. Долихол, будучи гликолипидом, также является изопрениловым спиртом, способ- ным фосфорилироваться и участвовать в синтезе маннопротеинов клеточной стенки и неорганических полифосфатов (рис. 41); в нем содержится 16-20 пренильных остатков и в среднем 80-100 угле- родных атомов.

■

с=сн-сн₂— °

он—р=о

о

7-9

Дрожжевая долихолфосфатманноза

сн₃ ск₃

Гидрофобная часть изоггреноидов закрепляется в мембране, а гидрофильная — выступает в цитоплазму.

связанные поли пептидные цепи

-5-5-

-5-5-

_{Л. >Ч. Ь^г.}

■5-5-

5-5

_-5-5-

-5-5-

Маннопротеиновый слой

(-5-5-]-5-5-