19.2. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ОСНОВНЫХ ОРГАНЕЛЛ КЛЕТКИ

ßäðî — основная часть клетки. В ядре различают кариоплазму, хроматин и ядрышко. Ядро расположено в центре клетки, окружено ядерной мембраной и содержит ДНК. Под электронным микроскопом ядро беспорядочно зернисто, а в одной его части зернистость резко возрастает, образуя ядрышко. Ядрышко (иногда их несколько) — это скопление рибосомальных белков и частей рибосом (ðРНК), в основе которого лежит участок хромосомы, определяющий ее структуру, несущий ген. В растительных и животных клетках ДНК присутствует в виде структур, размером около 1 мкм — хромосом (греч. chroma «цвет, краска»), число которых постоянно для каждого вида. Хромосомы — это самостоятельные ядерные структуры, состоящие из двух продольных нитевидных половинок — сестринских хроматид (по внешнему виду их разделяют на равноплечие, неравноплечие и палочковидные). Клеточное ядро окрашено ядерными красителями почти равномерно, в микроскоп видна только его зернистость. Основные красители связываются нуклеиновыми кислотами. Кариоплазма — жидкая фаза ядра, в которой находятся растворенные продукты жизнедеятельности.

Ядру, содержащему хромасомы (с ДНК) принадлежит ведущая роль в явлениях наследственности. Функции ядра описаны в предыдущей главе.

Цитоплазма — это живая часть клетки, помимо ее ядра. Снаружи она окружена клеточной мембраной, а внутри — ядерной. Пространство между ядром и внутренней поверхностью плазматической мембраны заполнено

нитями клеточного матрикса, который определяет форму клетки и принимает участие в функциях, связанных с движением (деление клетки и ее перемещения, внутриклеточный транспорт везикул и органелл). Матрикс обеспе- чивает и структурную основу метаболизма, определяя пространственное размещение молекулярных компонентов клетки, занятых в процессе жизнедеятельности. В ее состав входят рабочие части клетки: рибосомы, эндоплазмати- ческая сеть (ЭПС), пластиды, лизосомы и пр. Среди клеточных органелл особую роль играют хлоропласты клеток зеленых растений и митохондрии любых организмов. В хлоропластах происходит связывание энергии солнеч- ного света в процессе фотосинтеза. В митохондриях же извлекается энергия, заключенная в химических связях поступающих в клетку питательных веществ.

Митохондрии (ãðå÷. mitos «íèòü» + chondrion «зернышко, крупинка») — энергостанции клеток — наблюдали в световой микроскоп, как самые крупные клеточные органеллы. Они входят в состав любой клетки, по строению похожи на клетки прокариот, имеют округлую форму, а при соединении нескольких рядов могут выглядеть как нити с длиной менее 1 мкм. Внутри митохондрий находятся окислительные ферменты, РНК, ДНК и ризосомы, отлича- ющиеся от цитоплазматических. В ее мембраны встроены ферменты, участвующие в процессах преобразования энергии пищевых веществ в энергию АТФ, необходимую для жизнедеятельности (см. гл.18). В клетках растений имеются пластиды (хлоропласты, хромопласты и лейкопласты), которые тоже имеют двухмембранное строение, как и митохондрии.

Хлоропласты (ãðå÷. chloros «зеленый» + plastos «вылепленный, образованный») — особые органеллы в растительных клетках. Пигмент, окрашивающий их в зеленый цвет и поглощающий энергию солнечного света, назван хлорофиллом (ãðå÷. …phyllon «лист»). При его участии хлоропласты синтезируют из воды и двуокиси углерода глюкозу — основное органическое вещество, которым питается все живое. Без процесса фотосинтеза вряд ли была бы возможна жизнь. С помощью электронного микроскопа установлено, что хлоропласт окружен двойной мембранной оболочкой, как и митохондрии. В ней заключено основное вещество — строма (ãðå÷. stroma «подстилка»), заполненная множеством пластинчатых структур — ламелл. Ламеллы расположены парами, на концах слипаются и окружают каждую цистерну, которые в хлоропластах сильно утолщены. В строме видны и крупные белые гранулы — это крахмальные зерна; значит, здесь продукт фотосинтеза — глюкоза — сразу же переводится в нерастворимый крахмал. Выяснение связи структуры хлоропластов с их функциями важно для осуществления реакции фотосинтеза «в пробирке» и возможности управлять этим процессом, что явится одним из шагов на пути избавления человечества от забот о пропитании (рис.12.3).

Реснички и жгутики относят к органоидам движения. Они представляют выросты мембран размером около 0,25 мкм, внутри которых находятся тоненькие трубочки. Такие органоиды есть у многих клеток — у простейших, у одноклеточных водорослей, у сперматозоидов, в клетках дыхательного эпителия.

Эндоплазматическая сеть (ЭПС) — это сеть каналов в цитоплазме всех клеток, составляющая до 30–50% объема клетки. По ЭПС синтезированные вещества транспортируются в аппарат Гольджи; сеть делит клетку на отсеки и даже участвует в синтезе белков. Гранулярная ЭПС состоит из мембранных мешочков, покрытых рибосомами, на них синтезируются белки, которые потом поступают внутрь каналов, где приобретают третичную структуру. На мембранах гладкой сети синтезируются липиды и углеводы, поступающие потом тоже внутрь каналов.

Аппарат Гольджи (АГ) — система полостей, каналов, пузырьков, образованная гладкими мембранами. Эта органелла, обнаруженная во всех эукариотических клетках, состоит из множества хорошо уложенных мешочков, которые содержат олигосахариды — длинные цепи из простых сахаров. Стопки АГ обладают прецизионной внутренней структурой из трех отделов, специализирующихся на разных типах модификации белков. Белок, проходя через них, химически модифицируется в соответствии со своим предназначением, белки сортируются и отправляются по нужному адресу.

АГ наиболее ярко выражен в железистых тканях, поэтому посчитали, что он связан с железами внутренней секреции. В пузырьках накапливаются вещества, которые синтезируются и транспортируются по сети. В АГ эти вещества подвергаются химическим превращениям, потом упаковываются в мембранные пузырьки и выбрасываются из клеток в виде секретов. В структуре АГ образуются лизосомы. В железистых клетках неподалеку от диктосом,

191

на которые может распадаться структура АГ, особенно много митохондрий. Если блокировать клеточное дыхание, пузырьки Гольджи не отделяются от диктосом, и прекращается образование клейкой слизи, выделяемой раньше и состоящей из углеводов. Низкомолекулярный сахар полимеризуется в макромолекулы и выделяется. Диктосомы участвуют в сборке полисахаридов. Так, в них у мяты образуются эфирные масла. То есть синтез материала клеточной оболочки — одна из основных функций диктосом.

Изучение диктосом позволило проследить за процессом выделения клетки. При соприкосновении со своей элементарной мембраной пузырька Гольджи, они как бы сливаются друг с другом, и в месте соприкосновения образуется «ямка». Пузырек, похожий на шарообразный кувшин, повисает на плазмолеме, а содержимое «кувшина» как бы выдавливается из него. Так выводится содержимое бывшего пузырька Гольджи из клетки. Чтобы избежать хаоса биохимических процессов, каждый из множества новообразованных белков должен быть определенным образом модифицирован, отсортирован и с большой точностью доставлен в соответствующий отдел. Перемещения макромолекул в клетке связаны с АГ.

Вакуоли — пространства, заполненные клеточным соком. В них часто растворены вещества, образующиеся в клетках как своего рода отходы обмена веществ, так как растения не имеют специальной выделительной системы, как животные и человек. Получить их фотографии трудно, так как на границе между густой цитоплазмой и жидким содержимым вакуоли при фиксации возникает разрыв.

Выше перечислялись и как-то связывались с составом и строением компонентов клетки их основные функциональные особенности. Конечно, частично они перекрываются, но синтез белка, траспортирование, дыхание, фотосинтез, наследственность не исчерпывают всех процессов жизнедеятельности клетки. Во всех клетках можно выделить большое число разных пузырьков, гранул, пластинок, нитевидных структур и т.п., которые все время меняются и по внешнему виду, и по составу, — лизосомы, фрагмосомы и т.д. Поскольку перечисленные выше функции относятся, скорее, к процессам синтеза, то разумно предположить, что для равновесия клетки должны быть подвержены и процессу распада. Реакции разложения катализируются многими ферментами, их деятельность строго контролируется, чтобы они не мешали синтезу.

19.3. ФУНКЦИИ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН. РАБОТА «ИОННОГО НАСОСА»

Клеткам присуще мембранное строение — это одно из положений клеточной теории. Среди мембранных органоидов: наружная цитоплазматическая мембрана (НЦМ), эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи (АГ), лизосомы (Л), митохондрии (М), пластиды (П). В основе всех этих органелл лежит биологическая мембрана, все они имеют единый план строения. Мембранные структуры — арена важнейших жизненных процессов.

Биологическая мембрана (клеточная или плазмати- ческая) — пленка, покрывающая клетку, и настолько тонкая, что ее удалось обнаружить лишь с помощью трансмиссионного электронного микроскопа. Все мембраны построены по одному плану, всегда слоистые. Поперечный разрез показывает, что по обе стороны внутренней, более светлой, линии расположены более темные. Мембраны были открыты более века назад, но их роль в механизмах жизнедеятельности клеток до недавнего времени сводили,

âосновном, к барьерной функции. Как показали опыты, малые молекулы быстрее усваиваются живой клеткой, чем большие, и вещества, растворимые в воде и нерастворимые

âжирах, проникают в клетку медленнее, чем растворимые

âжирах. Значит, мембраны содержат жироподобные вещества — липиды (ãðå÷. lipos «жир») и белки, способные связывать воду.

Липиды в мембранах содержат фосфорную кислоту, потому их называют фостатидами. Пример — лецитин. Капля такого липида мгновенно растекается по водной поверхности, и пленка образует мономолекулярный слой. Они обладают водоотталкивающими, или гидрофобными (греч. phobos «страх, боязнь») свойствами. Фосфорная кислота растворима в воде, или гидрофильна (греч. philia «любовь»). Она как бы притягивает воду, а водоотталкивающие остатки жирных кислот, расположенные на другом конце молекулы, как бы избегают ее. Так как

гидрофобные концы липидных молекул не могут сближаться ни с клеточной оболочкой, ни с протопластом, они обращены друг к другу «головами». Так образуется бимолекулярный слой, у которого наружу выставлены гидрофильные части. Дополнительные гидрофильные белки в мембране повышают устойчивость описанного выше липидного бимолекулярного слоя (рис.35).

Структуру мембран — внутри «масло» (двойная липидная пленка), снаружи «хлеб» (белковая оболочка) — называют сэндвич-структурой. Такую структуру химики могут получать искусственно. Мембрана — двухмерно ориентированный раствор разных белковых молекул и белковых кластеров из нескольких сотен молекул в вязком слое. Белковые молекулы в большинстве своем свернуты в клубки (глобулы) и асимметричны. Их выступающие из мембраны части обладают электрическими зарядами, причем на внешней поверхности суммарный заряд оказывается отрицательным. Молекула фосфолипидов сильно асимметрична. Одна ее часть несет электрические заряды, образуя «полярную» головку, другая — электронейтральный углеводородный «хвост». В водной среде полярные головки выступают из воды, а углеводородные хвосты, изза гидрофильных и гидрофобных взаимодействий, погружаются. Так как все белки участвуют в диффузном движении, их распределение по мембране в каждый момент случайно. Коэффициент диффузии белковых молекул по мембране порядка 5 10–10 ñì2/с, а для гемоглобина в водном растворе — на три порядка больше. Значит, вязкость мембранной фазы на три порядка больше, чем у воды. Некоторые белки способны только к поступательному перемещению, другие способны и вращаться в плоскости мембраны, есть и такие, которые перемещаются с одной стороны мембраны на другую. Последние участвуют в транспортировании веществ через мембрану.

192

Ионный перенос — проявление мембранной возбудимости. Через мембрану осуществляется обмен с внешней средой — питание и выделение отходов. Несмотря на хаотические движения, молекулы стремятся переместиться

âсторону меньшего давления (перемещение по градиенту давления, или концентрации, называют диффузией). Мембрана обеспечивает стабильность химического содержимого клетки и, обладая избирательной способностью, регулирует обмен с окружающей средой. Вещества, растворимые в липидах, проходят через мембрану, не растворяясь

âней. Перемещение ионов и органических мономеров типа аминокислот и глюкозы происходит много быстрее, чем этого можно было бы ожидать от полярных молекул. Имеет место и перемещение против градиента концентрации — так называемый активный транспорт, требующий затрат энергии. Наиболее изучен такой активный транспорт: процесс откачки ионов натрия из клетки и накачки в нее ионов калия, в котором «Na – K — насос» использует энергию АТФ. Этим путем откачиваются ионы натрия из клетки и накачиваются ионы калия против градиента концентрации.

Специальные белковые молекулы в мембране переносят различные вещества. Так, с их помощью клетки печени, эритроциты и мышечные клетки быстро поглощают глюкозу. В настоящее время выяснены пять молекулярных форм переносчика глюкозы, причем каждая из них приспособлена к нуждам той ткани, в которой она содержится. Посредством такой облегченной диффузии вещества могут выводиться из клеток. Через мембрану осуществляется и пассивный транспорт. Таков осмос — прохождение воды через полупроницаемую мембрану. Могут через нее и путем диффузии проникать вещества, растворимые в липидах (жирные кислоты и эфиры), и некоторые ионы.

Клеточная мембрана обеспечивает и обмен между цитоплазмой и внешней средой, из которой в клетку поступает вода, ионы, различные молекулы, а выводятся продукты обмена веществ и синтезированные в клетке вещества. Транспортные функции не ограничиваются маленькими молекулами. Благодаря фагоцитозу, открытому и описанному И.И.Мечниковым (1882 г.), в клетку могут проникать и крупные молекулы биополимеров. Твердая частица, оказавшаяся вблизи клетки, окружается выростами мембраны и затягивается в этом «пузырьке»

внутрь. Процесс фагоцитоза свойственен простейшим, лейкоцитам, клеткам капилляров костного мозга, печени, надпочечников, селезенки. Существует и еще один вид активного транспорта — пиноцитоз. Таким путем происходит поглощение клеткой жидкости в виде мелких капель с растворенными в них высокомолекулярными веществами. Капли захватываются «выростами», погружаются в цитоплазму и усваиваются. Это явление свойственно животным клеткам.

Регулируя обмен между клеткой и окружением, мембраны обладают рецепторами, воспринимающими внешние сигналы (свет, движение бактерий к источнику пищи, ответы на гормоны). Безусловно, важно, что на них происходит превращение энергии. Так, на внутренних мембранах хлоропластов происходит фотосинтез, а на внутренних мембранах митохондрий — окислительное фосфорилирование. Компоненты мембран движутся и перестраиваются, поскольку созданы из белков и липидов, что определяет одно из важнейших свойств живого — раздражимость.

Роль мембран стала вырисовываться иначе после того, как английские ученые химик Д.Кроуфут-Ходжкин и физиолог А.Хаксли сформулировали теорию проведения нервного импульса (1952 г.), а Е.Сюзерленд открыл (1972 г.) существование на возбудимой мембране переносчика информации внутрь клетки (молекулы öАМФ — циклического аденозинмонофосфата). Этот вопрос все еще недостаточно изучен

èявляется предметом особого интереса, так как через познание механизма функционирования возбудимых мембран лежит путь к диагностике и лечению многих болезней.

Возбудимость — реакция клетки на воздействие, происходящую с многократным усилением по энергии. Возбудимость — общее свойство клеток, не только сердеч- ных, мышечных или нервных. Состояние мембраны отражает состояние клетки в целом. Возбудимыми называют мембраны, окружающие клетку и способные менять свою проницаемость для ионов при различных химических и физических воздействиях. Функционирование таких мембран обеспечивает не только внутриклеточную регуляцию, но и управление и синхронизацию работы соседних клеток

èдаже органов с помощью химических и электрических каналов связи, которые составляют основу гормональной

èнервной регуляции. Основные компоненты этих систем находятся в мембранах.

19.4. ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА И КЛЕТОЧНОГО ДЫХАНИЯ

От фотосинтеза, который делает энергию и углерод	на Земле — процесс поглощения солнечного света. Чело-
доступными для живых организмов и обеспечивает выде-	вечество зависит от фотосинтеза и потому, что оно
ление кислорода в атмосферу, зависит все живое на Земле.	использует ископаемое энергетическое топливо, образо-
Менее 1% солнечной энергии, падающей на Землю, погло-	вавшееся за миллионы лет. Годовая фиксация углерода в
щается растениями. Они связывают СО атмосферы (и воду)	процессе фотосинтеза оценивается в 75 1012 кг. Из общего
2
в количестве около 150 1012 кг сухого органического	количества солнечной радиации, попадающей на Землю, до
топлива (или 1 кг сухого вещества с 1 м2) за год. Часть этого	поверхности доходит примерно 50%, а из нее только 25%
органического вещества поглощается травоядными живот-	лучей имеют длины волн, подходящие для фотосинтеза, 1%
ными, которыми, в свою очередь, питаются другие живот-	энергии доходит до растений, а 0,4% — используется ими
ные и человек. Растительные и животные остатки разла-	для увеличения своей биомассы (рис.36).
гаются бактериями и грибами до уровня исходных неорга-	Автотрофные («самопитающиеся») организмы осу-
нических веществ. Затем этот круговорот замыкается:	ществляют фотосинтез, не питаются другими организмами.
энергия солнечного излучения, поглощенная растениями,	Такие есть среди бактерий, источник энергии для них —
переходит в тепло и излучается Землей в космос. И жизнь	химические реакции. Но запасы химической энергии на

193

Земле ничтожны по сравнению с энергией, поступающей от Солнца.

В конце ХVIII в. считалось, что растения получают питательные вещества из воды, находящейся в почве. Голландский естествоиспытатель Я. ван Гельмонт проделал опыт по изучению процесса питания растений. Он посадил дерево ивы весом в 2,3 кг в кадку с землей весом 90,8 кг и, лишь поливая его, обнаружил через 5 лет, что вес почвы почти не изменился, а дерево стало весить 76,9 кг. Английский химик Дж.Пристли, открывший кислород (1774 г.) и получивший хлористый водород и аммиак, обнаружил, что растения и животные по-разному меняют состав окружающего их воздуха. Помещая в закрытый сосуд горящую свечу и мышь, он отметил, что свеча гасла, а мышь издыхала. Но, когда он помещал в сосуд живое растение, свеча после этого какое-то время горела, хотя сосуд был попрежнему закрыт. Так Пристли установил, что «в растениях присутствует что-то способное исправлять воздух, испор- ченный горением свечи». В 1782 г. Ж.Сенебье сумел показать, что растения поглощают ÑÎ2 и одновременно

выделяют Î2.

К началу XIX в. было выяснено, что растения могут выделять кислород только на свету, отсюда и название — фотосинтез. Австрийский врач Я.Ингенхауз написал первое уравнение процесса, еще не зная, какие растительные ткани образуются. С помощью микроскопа нашли, что крахмальные зерна при фотосинтезе растут, т.е. при фотосинтезе возникают углеводы, имеющие своим источником СО2.

Исходные соединения для фотосинтеза — неоргани- ческие вещества: вода и двуокись углерода. Они энергети- чески бедны, но из них строятся более сложные богатые энергией питательные вещества. В качестве побочного продукта фотосинтеза выделяется молекулярный кислород. Процесс фотосинтеза обычно представляют уравнением:

6ÑÎ2 + 6Í2Î = Ñ6Í12Î6 + 6Î2.

Реакция идет за счет энергии света è хлорофилла, и получаются молекулы кислорода и сахара. В 1941 г. с помощью масс-спектрометра методом изотопов было установлено, что источником кислорода служит вода. (Обычно кислород имеет массовое число 16, но есть и стабильный изотоп с массовым числом 18.) Оказалось, что на первой стадии фотосинтеза получается водород путем расщепления воды. Энергию для этого растения берут у света (реакция «фотолиза»), выделяя кислород как ненужный побочный продукт. Во второй стадии водород соединяется с двуокисью углерода, и образуется углевод. Присоединение водорода — один из примеров реакции восстановления. Для первой стадии характерны световые реакции, для второй свет не нужен, и хотя они тоже происходят на свету, их называют «темновыми» (ðèñ.37).

В конце 50-х годов выяснили, что каждая из стадий реакций фотосинтеза происходит в разных частях листа: первая — в мембранах хлоропластов, вторая — в их строме. Арион показал (1958 г.), что первая стадия во многом аналогична дыханию, при котором происходят фосфорилирование АДФ с затратами энергии, перенос электронов в мембранах и преобразование световой энергии в хими- ческую. Дыхание у растений — процесс окисления углеводов с освобождением энергии, необходимой для жизне-

деятельности, он происходит в митохондриях. У аэробных организмов поглощается О2 и выделяется СО2. Выделенная энергия идет на синтез АТФ. Поэтому процессы дыхания у растений и фотосинтез — две стороны обмена веществ —

диссимиляции è асссимиляции.

Хлорофилл — зеленый пигмент хлоропластов, важен в процессе фотосинтеза — показал немецкий ученый Т.Энгельман в конце XIX в. Экспериментируя с водорослью спирогирой, он определил области спектра света, в которых выделение кислорода идет наиболее эффективно. Ими оказались красные и синие области, поглощаемые именно хлорофиллом, обеспечивая ему зеленый цвет. Другие пигменты хлоропластов (они имеют желтую или бурую окраску, наблюдаемую у листьев осенью, когда хлорофилл разрушается и уже не маскирует цвет листа) играют вспомогательную роль в этом процессе, перенося энергию (рис.38). Английский ученый Дж.Стоукс установил, что зеленый растительный пигмент состоит из смеси различных веществ (1864 г.). Русский физиолог и биохимик М.С.Цвет исследовал их с помощью изобретенного им метода хроматографии. Немецкий химик и биохимик Р.Вильштеттер разработал методы извлечения растительных экстрактов без повреждения молекул и детально исследовал хлорофилл, обратив внимание на аналогию с гемоглобином крови, за что был удостоен Нобелевской премии по химии за 1915 г. Его работы по изучению структуры хлорофилла продолжил химик-органик Х.Фишер, лауреат Нобелевской премии по химии за 1931 г.

Синтезировать молекулу хлорофилла удалось только

â1960 г. А.Калояну, Г.Колеру и Р.Вудворду (Нобелевская премия 1965 г.). Все эти исследования с хлорофиллом важны для консервации зеленых кормов, в которых потери питательных веществ обычно составляют более 50%. При определенной дозировке серной и соляной кислот, прекращающих процессы окисления в растительной массе, удалось обеспечить почти полное сохранение витаминов и белков. Выдающуюся роль в решении этих проблем сыграл финский биохимик А.Виртанен, создавший метод консервирования зеленых кормов (лауреат Нобелевской премии за 1945 г.).

Знаменитые опыты с хлореллой в 1946 г. провел американский биохимик М.Калвин, лауреат Нобелевской премии по химии за 1961 г. Он помещал зеленые водоросли

âспециальный сосуд и освещал их, одновременно пропуская

ÑÎ2 через воду, меченную изотопом С-14. При освещении изотоп включался в цепь фотосинтеза. Меняя время облу- чения (от 1 до 30 с), последовательно прослеживались разные этапы фотосинтеза. Калвин показал, что двуокись углерода фиксируется в форме фосфоглицериновой кислоты. Это было открытие — углерод просто подключался к одному из известных звеньев цепи углеводного обмена. Так было доказано, что углерод входит в состав глюкозы è

других сложных сахаров. В последующем Калвин продолжал работы по применению открывшейся ему тайны фотосинтеза в повышении урожайности и развитию «зеленой энергетики».

Водоросли, составляющие огромную группу растений, являются фотосинтезирующими организмами, выделяющими кислород. Они эволюционировали в водной среде и освоили ее. Считают, что из сине-зеленых водорослей

194