4.3.Поток информации в клетке

4.3.1. Поток биологической информации в клетке.

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

Благодаря наличию потока информации клетка на основе многове­кового эволюционного опыта предков приобретает структуру, отвеча­ющую критериям живого, поддерживает ее во времени, а также передает в ряду поколений.

В потоке информации участвуют ядро (конкретно ДНК хромо­сом), макромолекулы, переносящие информацию в цитоплазму

Рис.4.5. Поток биологический информации в клетке

(мРНК), цитоплазматический аппарат трансляции (рибосомы и поли^ сомы, тРНК, ферменты активации аминокислот). На завершающем этапе этого потока полипептиды, синтезированные на полисомах, приобретают третичную и четвертичную структуры и используются в качестве катализаторов или структурных белков (рис. 4.5). Кроме основного по объему заключенной информации ядерного генома в эукариотических клетках функционируют также геномы митохондрий, а в зеленых растениях —и хлоропластов.

4.3.2.Внутриклеточный поток энергии

Поток энергии у представителей разных групп организмов обеспе­чивается механизмами энергообеспечения — брожением, фото- или хемосинтезом, дыханием.

Центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он включает реакции расщепления низкокало­рийного органического «топлива» в виде глюкозы, жирных кислот, аминокислот, а также использование выделяемой энергии для образо­вания высококалорийного клеточного «топлива» в виде аденозинтри-фосфата (АТФ). Энергия АТФ, непосредственно или будучи перенесена на другие макроэргические соединения (например, креа-тинфосфат), в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы—химическую (синтезы), осмотическую (поддержание перепадов концентрации веществ), электрическую, механическую, ре-гуляторную. Макроэргическим называют соединение, в химических связях которого запасена энергия в форме, доступной для использо­вания в биологических процессах. Универсальным соединением такого рода служит АТФ. Основное количество энергии заключено в связи, присоединяющей третий остаток фосфорной кислоты.

Рис.4.6. Поток энергии в клетке

Среди органелл животной клетки особое место в дыхательном обмене принадлежит митохондриям, выполняющим функцию окисли­тельного фосфорилирования, а также матриксу цитоплазмы, в котором протекает процесс бескислородного расщепления глюкозы — анаэроб­ный гликолиз (рис.4.6.). Из двух механизмов, обеспечивающих жизне-деятельность клетки энергией, анаэробный гликолиз менее эффективен. В связи с неполным (в отсутствие кислорода) окислением, прежде всего глюкозы, в процессе гликолиза для нужд клетки извле­кается не более 10% энергии. Недоокисленные продукты гликолиза ( (пируват) поступают в митохондрии, где в условиях полного окисления, сопряженного с фосфорилированием АДФ до АТФ, отдают для нужд клетки оставшуюся в их химических связях энергию.

Из преобразователей энергии химических связей АТФ в работу наиболее изучена механохимическая система поперечно-полосатой мышцы- Она состоит из сократительных белков (актомиозиновый комплекс) и фермента аденозинтрифосфатазы, расщепляющего АТФ с высвобождением энергии.

Особенность потока энергии растительной клетки состоит в нали­чии фотосинтеза — механизма преобразования энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ.

Механизмы энергообеспечения клетки отличаются эффективно­стью. Коэффициенты полезного действия хлоропласта и митохондрии, ; достигая соответственно 25 и 45—60%, существенно превосходят ! аналогичный показатель паровой машины (8%) или двигателя внут­реннего сгорания (17%).

Реакции дыхательного обмена не только поставляют энергию, но и снабжают клетку строительными блоками для синтеза разнообразных молекул. Ими являются многие продукты расщепления пищевых веществ. Особая роль в этом принад- кркмм лежит одному из этапов дыхательного обмена — циклу Кребса, осуществля­емому в митохондриях. Через этот цикл проходит путь углеродных ато­мов (углеродных скелетов) большин­ства соединений, служащих промежуточными продуктами синте­за химических компонентов клетки. В цикле Кребса происходит выбор пути превращения того или иного соединения, а также переключение обмена клетки с одного пути на дру­гой, например с углеводного на жировой. Таким образом, дыхательный обмен одновременно составляет веду

Рис.4.7. Взаимосвязь внутриклеточного обмена белков,жиров и углеводов через цикл Кребса.

щее звено потока веществ, объединяющего метаболические пути расщепления и образования углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот (рис.4.7).

4.4.Другие внутриклеточные механизмы общего значения

Потоки информации, энергии и веществ осуществляются непре­рывно и составляют необходимое условие сохранения клетки как живой системы.

Кроме структур и процессов, прямо включенных в названные потоки, в клетке функционируют механизмы, которые также являются жизненно необходимыми. Так, лизосомы, воздействуя ферментами на пиноцитированный или аутофагированный материал, обеспечивают гидролитическое расщепление макромолекул до низкомолекулярных соединений. Они же обусловливают разрушение внутриклеточных структур, утративших свое функциональное значение. Образовавшиеся, при этом химические соединения включаются в потоки энергии, веществ и информации. Пероксисомы ликвидируют возникающие в клетке пероксиды, токсичные для живой протоплазмы. Организация внутриклеточных транспортных потоков обусловливается наличием и активностью микротрубочек, микрофибрилл.

4.5.Клетка как целостная структура. Коллоидная система протоплазмы

Выше мы познакомились с различными по строению и функциям клеточными структурами. Однако, взаимодействуя с окружающей сре­дой и отвечая на регуляторные стимулы, клетка ведет себя как цело­стная структура. Об этом свидетельствует однотипность реакции разных видов клеток на действие раздражителей, вызывающих переход клетки в возбужденное состояние¹.

Важная роль в функциональном объединении структурных компо­нентов и компартментов клетки принадлежит свойствам живой протоплазмы². В целом ее принято рассматривать как особую многофазную коллоидную систему, или биоколлоид. От банальных коллоидных систем биоколлоид отличается сложностью дисперсной фазы. Основу ее составляют макромолекулы, которые присутствуют либо в составе плотных микроскопически видимых структур (органелл), либо в дис­пергированном состоянии, близком к растворам или рыхлым сетеоб-разным структурам типа гелей.

Будучи коллоидным раствором в физико-химическом смысле, био­коллоид благодаря наличию липидов и крупных частиц проявляет одновременно свойства соответственно эмульсии и суспензии. На обширных поверхностях макромолекул оседают разнообразные «при­меси», что ведет к изменению агрегатного состояния протоплазмы.

Между крайними полюсами организации протоплазмы в виде вязких гелей и растворов имеются переходные состояния. При указан­ных переходах совершается работа, в результате которой осуществля­ются различные внутриклеточные превращения,—образование мембран, сборка микротрубочек или микрофиламентов из субъединиц, выброс из клетки секрета, изменение геометрии белковых молекул, приводящее к торможению или усилению ферментативной активно­сти. Особенностью биоколлоида является также и то, что в физиоло­гических условиях переходы протоплазмы из одного агрегатного состояния в другое (в силу наличия особого ферментативного меха­низма) обратимы.

Названное свойство биоколлоида обеспечивает клетке способность при наличии энергии многократно совершать работу в ответ на дей­ствие стимулов.

4.6. Жизненный цикл клетки

Закономерные изменения структурно-функциональных характери­стик клетки во времени составляют содержание жизненного цикла клетки (клеточного цикла). Клеточный цикл — это период существо­вания клетки от момента ее образования путем деления материнской клетки до собственного деления или смерти.

Важным компонентом клеточного цикла является митотичеекий (пролиферативный) цикл — комплекс взаимосвязанных и согласован­ных во времени событий, происходящих в процессе подготовки клетки к делению и на протяжении самого деления. Кроме того, в жизненный никл включается период выполнения клеткой многоклеточного организ­ма специфических функций, также периоды покоя. В периоды покоя ближайшая судьба клетки не определена: она может Либо начать подготовку к митозу, либо приступить к специализации в определен­ном функциональном направлении (рис.4.8.).

Продолжительность митотического цикла для большинства клеток составляет от Щ до 50 ч. Длительность цикла регулируется путем изменения продолжительности всех его периодов. У млекопитающих время митоза составляет 1—1,5 ч, 02-периода интерфазы — 2^5 ч, S-периода интерфазы — 6-^-10 ч.

Ш(Мс*йческое значение митотического цикла состоит в том, что он обеспечивает преемственность хромосом в ряду клеточных поколе ний, образование клеток, равноценных по объему и содержанию наследственной информации. Таким образом, цикл является всеобщим механизмом воспроизведения клеточной организации эукариотиче-ского типа в индивидуальном развитии.

Рис.4.8. Жизненный цикл клетки многоклеточного организма. I-митотический цикл, II-переход клетки в дифференцированное состояние,III-гибель клетки:

Главные события митотического цикла заключаются в редупликации (самоудвоении) наследственного материала материнской клетки и в равномерном распределении этого материала между дочерними клетками. Указанным событиям сопутствуют закономерные изменения химиче­ской и морфологической организации хромосом — ядерных структур, в которых сосредоточено более 90% генетического материала эукари-отической клетки (основная часть внеядерной ДНК животной клетки находится в митохондриях).

Хромосомы во взаимодействии с внехромосомными механизмами обеспечивают: а) хранение генетической информации, §) использова­ние этой информации для создания и поддержания Клеточной ор­ганизации, в) регуляцию считывания наследственной информации, г) удвоение (самокопирование) генетического материала, д) передачу его от материнской клетки дочерним. Химическая организация и строение хромосом описаны в разд. 3.5.2.

4.7.Изменения клетки в митотическом цикле

По двум главным событиям митотического цикла в нем выделяют репродуктивную и разделительную фазы, соответствующие интерфазе и митозу классической цитологии (рис.4.9.).

Рис.4.9. Интефазная и митотическая формы структурной организации хромосом. А- хроматин в интерфазном ядре; В- клетка в анафазе митоза.

В начальный отрезок интерфазы {ностмитоттесхий, пресинтети-ческий, или Gj-nepuod) восстанавливаются черты организации интер­фазной клетхи, завершается формирование ядрышка, начавшееся еще в телофззе. Из цитоплазмы в ядро поступает значительное (по 90%) количество белка. В цитоплазме параллельно реорганизации уль-г [«структуры интенсифицируется синтез белка. Это способствует росту массы клетки. Если дочерней клетке пред!ттоит встршть в следующий митотический цикл, синтезы приобретают направленный характер: обра­зуются химические предшественники ДНК, ферменты, катализирующие реакцию редуп­ликации ДНК, синтезируется белок, начинающий эту реакцию. Таким образом осуществляются процессы подптгонки следу­ющего периода интерфазы — синтетического.

В синтетическом (S-nepuod) удваивается количество наследственного материала клет­ки. За малыми исключениями редуплика­ция¹. ДНК осуществляется полуконсер- ваги вным способом (рис. 2.12). Он заключается в расхождении биспирали ДНК на две цепи с последующим синтезом возле каждой из них комплементарной цепочки. В результате возникают Две идентичные биспирали. Мо­лекулы ДНК, комплементарные материн-

м, образуются отдельными фрагментами по длине хромосомы, причем неодномоментно (асинхронно) в разных участках одной хро­мосомы, а также в разных хромосомах. Затем участки (единицы репликации — репликоны) новообразованной ДНК «сшиваются» в од­ну макромолекулу.

В клетке человека содержится более 50 ООО репликонов. Длина каждого из них около 30 мкм. Число их меняется в онтогенезе. Смысл редупликации ДНК реп л иконами становится понятным из следующих! сопоставлений. Скорость синтеза ДНК составляет 0,5 мкм/мин. В этом случае редупликация нити ДНК одной хромосомы человека длиной около 7 см должна была бы занять около трех месяцев. Продолжи­тельность же синтетического периода в клетках человека составляет 7—12 ч. ',

Участки хромосом, в которых начинается синтез, называют точка­ми инициации. Возможно, ими являются места прикрепления интер­фазных хромосом к внутренней мембране ядерной оболочки. Можно думать, что ДНК отдельных фракций, о которых речь пойдет ниже (см. разд. 2.4.2), редуплицируется в строго определенной фазе S-периода. Так, большая часть генов рРНК удваивает ДНК в начале периода. Редупликация запускается поступающим в ядро из цитоплазмы сигна­лом, природа которого не выяснена. Синтезу ДНК в репликоне предшествует синтез РНК. В клетке, прошедшей S-период интерфазы, хромосомы содержат удвоенное количество генетического материала. Наряду с ДНК в синтетическом периоде интенсивно образуются РНК и белок, а количество гистонов строго удваивается.

Примерно 1% ДНК животной клетки находится в митохондриях. Незначительная часть митохондриальной ДНК редуплицируется в синтетическом, тогда как основная —в постсинтетическом периоде, интерфазы. Вместе с тем известно, что продотжительность жизни митохондрий печеночных клеток, например, составляет 10 сут. Учи­тывая, что в обычных условиях гепатоциты делятся редко, следует допустить, что редупликация ДНК митохондрий может происходить независимо от стадий митотического цикла.

Отрезок времени от окончания синтетического периода до начала митоза занимает постсинтетический (предмитотичехжвй), или Gi-ne-риод интерфазы. Он характеризуется интенсивным синтезом РНК и особенно бежа. Завершается удвоение массы цитоплазмы по

Рис.4.11. Митоз в живой клетке. А-профаза; Б- метафаза; В-анафаза;Г-телофаза.

митоз. Часть образуемых бел ко» (тубулины) используется в дальнейшем для построения микротрубочек веретена деления. Синтетический и по-стсинтетический периоды связаны с митозам непосредственно. Это позволяет выделить их в особый период интерфазы — препрофазу.

В митозе можно выделить четыре фазы. Главные события по отдельным фазам представлены ниже и на рис. 4.11.

Фаза митоза Содержание изменений

Профаза Хромосомы спирализуются и приобретают вид нитей. Ядрышко разру­шается. Распадается ядерная оболочка. В цитоплазме уменьшается коли­чество структур шероховатой сети. Резко сокращается число полисом. Центриоли клеточного центра расходятся к полюсам клетки, между ними микротрубочки образуют веретено деления

Метафаза Заканчивается образование веретена деления. Хромосомы выстраиваются в экваториальной плоскости клетки (метафазная пластинка). Микротру­бочки веретена деления связаны с кинетохорами хромосом. Каждая. хромосома продольно расщепляется на две хроматнды (дочерние хромо­сомы), соединенные в области кинетохора

Анафаза Связь между хроматидами нарушается, и они в качестве самостоятельных хромосом перемешаются к полюсам клетки со скоростью 0,2—5 мкм/мин. По завершении движения на полюсах собирается два равноценных полных набора хромосом

Телофаза Реконструируются интерфазные ядра дочерних клеток. Хромосомы де-спирализуются. Образуются ядрышки. Разрушается веретено деления. Материнская клетка делится на две дочерние

Наряду с преобразованием строения и упорядоченными переме­щениями хромосом обязательным для разделительной фазы цикла является построение митотического аппарата. Он состоит из системы микротрубочек (ахроматиновое веретено, или веретено деления свето-оптической микроскопии) и структур, поляризующих митоз¹, т.е. обозначающих два полюса в клетке, к которым разойдутся дочерние хромосомы. В клетках млекопитающих и человека роль поляризующих структур выполняют центриоли.

Митотический аппарат обеспечивает направленное перемещение до­черних хромосом в анафазе. Для этого необходим контакт микротрубо­чек со специализированными участками хромосом — центромерами (кинетохорами). При разрушении центромер в эксперименте расхож­дения хромосом к полюсам клетки не происходит.

Природа сил, обеспечивающих расхождение, неизвестна. Предпо­лагают, что функциональную основу митотического аппарата состав­ляет механохимическая система, сходная с действующей в поперечно-полосатой мышце. В нее входят сократимые белки и фермент, катализирующий расщепление АТФ для обеспечения процесса энергией.

Нарушения той или иной фазы митоза приводят к патологическим изменениям клеток. Отклонение от нормального течения процесса спирализации может привести к набуханию и слипанию хромосом. Иногда наблюдается отрыв участка хромосомы, который, если он лишен центромеры, не участвует в анафазном перемещении к полюсам и теряется. Отставать при движении могут отдельные хроматиды, что приводит к образованию дочерних ядер с несбалансированными хро­мосомными наборами. Повреждения со стороны веретена деления приводят к задержке митоза в метафазе, рассеиванию хромосом. При изменении количества центриолей возникают многополюсные или асимметричные митозы. Нарушение цитотомии приводит к появлению дву- и многоядерных клеток.

Данные генетики и цитологии указывают на сохранение струк­турной индивидуальности хромосом в клеточном цикле. Есть сви­детельства в пользу упорядоченного размещения хромосом в объеме интерфазного ядра. Особенности взаиморасположения хромосом мо­гут иметь большое функциональное значение. Так, пространствен­ная близость в клетках человека хромосом 13, 14, 15, 21 и 22-й пар, содержащих гены рРНК, объясняется, по-видимому, их участием в формировании ядрышка и образовании рибосом, а 11-й и 16-й хромосом —в образовании молекулы гемоглобина. Есть указания на то, что в клетках разных типов расположение хромосом не одинаково.

На основе митотического цикла возник ряд механизмов, с по­мощью которых в том или ином органе количество генетического материала и, следовательно, интенсивность обмена могут быть увели­чены при сохранении постоянства числа клеток Удвоение ДНК клетки не всегда сопровождается ее разделением на две. Поскольку механизм такого удвоения совпадает с предмитотической редупликацией ДНК и оно сопровождается кратным увеличением количества хромосом, это явление получило название эндомитоза.

С генетической точки зрения, эндомитоз —геномная соматиче­ская мутация, о чем будет сказано ниже. Другое явление, сходное по результату и названное политенией, заключается в кратном увеличении содержания ДНК в хромосомах при сохранении их диплоидного количества. Эндомитоз и политения приводят к образованию полипло­идных клеток, отличающихся кратным увеличением объема наследст­венного материала. В таких клетках в отличие от диплоидных гены повторены более чем два раза. Пропорционально увеличению числа генов растет масса клетки, что повышает ее функциональные возмож­ности. В организме млекопитающих полиплоидизация с возрастом свойственна печеночным клеткам.