4. Цитоплазма

Формально все, что находится внутри клетки, называется «протоплазма», однако вряд ли кто-то пользуется этим термином. Отличие цитоплазмы от протоплазмы таково: исключается все, что находится в ядре. У прокариот тоже говорят о цитоплазме, подразумевая все, что находится в клетке. В цитоплазме эукариот находится очень много различных структур, она включает разнообразные мембраны и более сложные структуры – органеллы. Так что понятие «цитоплазма» достаточно расплывчатое. Органеллы, такие как митохондрии, пластиды, вакуоли, комплекс Гольджи, базальные тельца жгутиков, описывать легко, ибо это оформленные компактные структуры (в чем и состоит их определение). Разберемся в менее очевидной структуре цитоплазмы.

Клетка заполнена достаточно концентрированным водным раствором белков и других веществ, и ее содержимое имеет вид очень вязкой жидкости – коллоидного раствора или геля. Гель – это вариант коллоидного раствора, проявляющий свойства и жидкости, и твердого тела за счет того, что в жидкости присутствует сетка полимерного вещества («желе» – это французский вариант слова «гель»).

Клетки бактерий, как правило, почти не имеют внутренней структуры и выглядят как единый, не подразделенный на отсеки химический реактор. Цитоплазма эукариот, наоборот, напичкана множеством эндоплазматических мембран, строение которых вполне аналогично таковому внешней мембраны – плазмалеммы, однако конкретный состав фосфолипидов и, главное, мембранных белков – в каждом конкретном случае отличается.

Наличие внутренних (эндоплазматических) мембран обычно рассматривают как одно из свойств, отличающих эукариот от прокариот. Однако изобретены они как раз прокариотами. Мы уже упоминали мезосому. Кроме того, есть прокариоты, которым необходимо подразделять свои клетки на отсеки. Это, прежде всего, фотосинтезирующие зеленые и пурпурные бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли). Мы помним, что для фотосинтеза необходимы ограниченные мембраной пространства, в которых за счет фотосинтеза создается повышенная концентрация протонов. И такие структуры конечно же возникают либо в виде тилакоидов, как в пластидах растений, либо в виде трубочек и других структур у фотосинтезирующих прокариот. Таким образом, слабое развитие эндоплазматических мембран у большинства современных эукариот – скорее всего явление вторичное.

Наличие множества эндоплазматических мембран у эукариот имеет одно простое объяснение. Мы упоминали, что множество биохимических процессов в клетке проходит под действием ферментов, локализованных на мембранах. Соответственно эти процессы должны обеспечиваться определенной площадью мембран в расчете на определенный объем цитоплазмы. Размеры эукариотических клеток в 10–100 раз больше размеров прокариотических. Однако заметим, что при сохранении геометрического подобия площадь поверхности объемной фигуры растет пропорционально квадрату линейных размеров, а объем – пропорционально кубу, т. е. существенно быстрее. Поэтому при увеличении размеров клетки общей площади поверхностной мембраны быстро становится недостаточно для предоставления посадочных мест ферментам, обеспечивающим реакции, происходящие в объеме. Поэтому приходится специально добавлять общую площадь мембран за счет внутренних мембран.

И одновременно такая находка, как избирательно проницаемая текучая двуслойная белково-фосфолипидная мембрана, постоянно используется во всех случаях, когда клетку следует подразделить на отсеки, т. е. для так называемой компартментализацией. У прокариот такая необходимость возникает в особых случаях. Эукариоты же избрали такое устройство в качестве магистрального пути развития, их клетка представляет собой структурно более сложно организованную фабрику.

В эукариотических клетках плазматических мембран так много, что они получили название эндоплазматического ретикулума (ЭПР) (ретикулум означает «сеточка»). Это хорошо видно на картинках, где ЭПР представляется чем-то очень похожим на лабиринт. Казалось бы, его мембраны дают простор для инженерной фантазии и с их помощью можно сделать сколько угодно всяких резервуаров, находящихся в сколь угодно сложных отношениях друг к другу.

Но ничего подобного! В цитоплазме существует только два уровня компартментализации – множество замкнутых мембранных резервуаров погружены в общее внутреннее пространство клетки, ограниченное внешней мембраной. Это общее внутреннее пространство, внешнее для погруженных резервуаров и внутреннее по отношению к внешней границе клетки, называется цитозоль. Хотя это и общее пространство, объем его не очень велик – менее половины объема цитоплазмы, причем у растений – гораздо меньше половины. Внутренних резервуаров – резервуаров эндоплазматического ретикулума – очень много, но все они топологически эквивалентны друг другу и погружены в физически единый цитозоль.

Резервуары ЭПР могут находиться по соседству друг с другом, они могут изолироваться друг от друга и открываться друг в друга. Хотя химический состав внутри разных полостей может сильно отличаться, если мы проследим их в динамике, то придем к выводу, что существует некое в принципе единое внутреннее пространство ЭПР, которое живет своей сложной жизнью, дробясь и воссоединяясь. Принципиально то, что внутренняя полость ЭПР нигде не открывается в цитозоль, т. е. содержимое резервуаров всегда отделено от цитозоля мембраной и никогда не смешивается с ним.

И в то же время существует множество случаев, когда внутренняя полость ЭПР открывается во внешнюю среду и смешивается с нею. Вы знаете, что некоторые клетки способны питаться, захватывая пищевые частички или капли жидкости. Таковы почти все простейшие (амебы, жгутиконосцы, инфузории), таковы некоторые клетки нашей крови, участвующие в иммунном ответе. Такие процессы, все вместе называемые эндоцитоз, происходят на основе одного принципа: внешняя клеточная мембрана образует впячивание, куда углубляется пищевая частичка (это называется фагоцитоз) или капля жидкости (пиноцитоз – это единственный способ эндоцитоза у растений). Затем впячивание отшнуровывается и пищевой субстрат оказывается погруженным в мембранный пузырек, плавающий в цитоплазме. Такой пузырек топологически эквивалентен любой из полостей ЭПР. Дальнейшая его судьба такова: к нему подходит другой пузырек, топологически ему эквивалентный, но содержащий пищеварительные ферменты – лизосома, они объединяются в один. Ферменты получают доступ к частице или капле пищи и делают свою работу.

Кроме того, вы знаете, что многие клетки нашего организма производят и выделяют наружу какие-то вещества – те же пищеварительные ферменты, желчь, гормоны. Эти вещества по мере своего синтеза запасаются в определенных резервуарах ЭПР. Когда они созревают, то от этих резервуаров отшнуровываются мембранные пузырьки, содержащие данное вещество. Они подходят к поверхности клетки и в точке контакта их мембрана сливается с внешней клеточной мембраной так, что полость резервуара объединяется с внешней средой, а его мембрана становится частью внешней мембраны клетки (плазмалеммы). Эти процессы называются соответственно общим словом – экзоцитоз.

Получается, что внутреннее пространство ЭПР топологически эквивалентна внешней среде и представляет собой химически видоизмененный определенным образом ее кусочек. Причем именно внутреннее пространство ЭПР выполняет роль химических реакторов клетки. Часть ее полостей – это шлюзы обмена с внешней средой, часть – склады, где запасаются определенные вещества, а часть – непосредственно химические реакторы. Цитозоль же можно сравнить с коридорами и цехами, где находится обслуживающий персонал. Все эти процессы явно указывают также на происхождение ЭПР – он развился из впячиваний плазмалеммы. Таким образом, внутреннее пространство ЭПР представляет собой прирученную и помещенную внутрь часть внешней среды, которая, однако, по мере необходимости и используется для контакта с ней. А цитоплазма представляет собой сложным образом чередующееся первичное истинное внутреннее пространство клетки  цитозоль – и вторичное пространство, преобразованное из фрагментов внешнего – внутреннее пространство ЭПР.

Когда мембранный пузырек достаточно велик, его называют вакуоль. Так, если захваченная пищевая частица велика, то говорят о фагоцитарной вакуоли. Некоторые вакуоли имеют очень большие размеры. Вакуоли характерны для растений, где обычно занимают большую часть объема клетки и играют важную роль в регуляции осмотического давления и поддержания клеточного тургора (избыточного давления), выполняя таким образом важную механическую функцию. Они же выполняют и запасную функцию в случае, когда запасается жидкий продукт – именно в вакуолях содержится сок плодов (например, почти весь объем огромных клеток в плодах цитрусовых занят одной вакуолью). В некоторых вакуолях из жидкости выпадают кристаллы тех или иных веществ (к примеру, щавелевой кислоты). Вакуоли важны и разнообразны, но имеют одинаковую природу – это очень крупные мембранные пузырьки, представляющие собой изолированную частицу внутреннего пространства ЭПР.

ЭПР принято разделять на «гладкий» и «шероховатый». Что означает шероховатый и отчего он таков? Это мембраны, на которых локализовано множество рибосом. Причем рибосомы лежат друг за другом цепочками, называемыми полисомы. Но сами по себе рибосомы на мембране не фиксированы, а природа полисом состоит в следующем.

Рибосомы есть только в цитозоле. Соответственно синтез белка тоже идет только в цитозоле – это сугубо внутренние дела клеточного государства и могут проходить только на его исконной внутренней территории. Если мы посмотрим на электронные микрофотографии, то увидим, что рибосомы сидят только на одной стороне мембран. Это та сторона, которая обращена к цитозолю. Однако выше мы рассмотрели случаи эндо- и экзоцитоза, которые предполагали наличие белков во внутренней полости ЭПР. Это, например, пищеварительные ферменты в лизосоме, либо белки, которые клетка выделяет (говорят, секретирует) наружу. Откуда они берутся? Выяснение этого вопроса и открывает секрет рибосом, фиксированных на ЭПР в виде полисом.

Белки изначально подразделяются на две большие группы – те, которые предназначены для цитозоля, и те, которые предназначены для внутреннего пространства ЭПР. В первую, между прочим, входят и белки, предназначенные для ядра, так как туда они поступают из цитозоля. Кстати, внутреннее пространство ядра топологически эквивалентно цитозолю. Их разделяет двойная ядерная мембрана, эквивалентная впячиваниям плазмалеммы и в этом аналогичная цистернам ЭПР. Можно сказать, что ядро, окруженное специализированной для этой функции плоской цистерной ЭПР., есть особая часть цитозоля.

Белки, предназначенные для цитозоля и ядра, синтезируются в цитозоле свободно плавающими в нем рибосомами, которые связываются с находящейся в цитозоле же мРНК. Этот процесс происходит совершенно так же, как и у прокариот. Все белки, предназначенные для внутреннго пространства ЭПР, начинаются с сигнального пептида – акцизной марки экспортного товара. Как только этот сигнальный пептид синтезирован, он опознается специальным белковым комплексом, пронизывающим мембрану ЭПР и служащим транспортной порой. Он захватывает сигнальный пептид и направляет его сквозь мембрану. В результате синтезируемая полипептидная цепь сразу же по мере синтеза уходит во внутреннее пространство ЭПР, а синтезирующая ее рибосома оказывается через эту самую цепь, которая прошила мембрану, связанной с этой самой мембраной (рис. 8.1). Как известно, рибосомы по мере трансляции скользят по мРНК. Если рибосома фиксирована, то ее движение относительно мРНК никак не изменяется, поэтому получается, что она проталкивает мРНК сквозь себя. Та же мРНК тут же связывается с другими рибосомами, которые также немедленно фиксируются на мембране синтезируемой полипептидной цепью. Образуется цепочка рибосом, объединенных одной нитью мРНК и фиксированных на мембране синтезируемыми ими пептидами, уходящими сквозь нее. Такие цепочки рибосом на мембране и видны как полисомы.

Логично и понятно, что если синтезируемый белок предназначен для встраивания в мембрану, то он также будет иметь сигнальный пептид, синтезироваться фиксированными полисомами, уходить в мембрану и оставаться в ней в соответствии со своими физико‑химическими свойствами.

Следует отметить, что в клетке существует специальный класс белков – шапероны, способствующие правильной укладке (вторичной и третичной структуре) вновь синтезируемых белков. Это касается всех типов белков – и цитозоля, и внутреннего пространства ЭПР, и мембранных. Некоторые шапероны также облегчают транспорт веществ в определенные органеллы – допустим, пластиды и митохондрии. Шапероны должны быть не очень специфичны и действовать на основе каких-то общих физико-химических принципов. Иначе на каждый белок потребовался бы свой шаперон, а каждый шаперон – тоже белок и на него тоже нужен был бы свой шаперон, и у нас получилась бы порочная бесконечность.

Количество шероховатого ЭПР в клетке зависит от интенсивности синтеза белка и ее состояния. В клетках активно работающей молочной железы до 70 % рибосом фиксировано на шероховатом ЭПР и только около 25 %, когда она не работает.

В отличие от шероховатого, гладкий эндоплазматический ретикулум просто не имеет прилипших к нему рибосом. Он в основном несет ферменты, занятые в метаболизме (синтезе и расщеплении) жиров и липидов. В клетках печени на нем же локализованы ферменты, окисляющие растворенные в крови вещества, которые могут представлять опасность. В мышцах на гладком ЭПР расположены белковые насосы для ионов кальция.

Рассмотренные нами случаи экзоцитоза и эндоцитоза включали перенос веществ или частиц с помощью мембранных пузырьков. Что это такое – понятно, откуда они берутся и куда деваются – тоже: они отшнуровываются от резервуаров ЭПР или от впячиваний внешней мембраны и прекращают существование, вливаясь в резервуары ЭПР или внешнюю среду, причем содержимое объединяется с содержимым / средой, а мембрана – с мембраной.

Транспорт веществ с помощью пузырьков – явление, весьма широко применяемое в самых разных клеточных процессах. Но транспорт транспортом, а где-то же должно быть и производство! Мы рассмотрели синтез полипептидов во внутреннее пространство ЭПР, который идет на рибосомах, фиксированных на шероховатом ЭПР, но это еще не все. Чтобы принять свой окончательный вид, белки должны пройти разнообразные посттрансляционные модификации: расщепление, сшивка, присоединение сигнальных пептидов, фосфорилирование, гликозилирование (присоединение олигосахаридов), ацилирование (присоединение жирных кислот). Где-то должны синтезироваться и полисахариды, предназначенные для вывода наружу – допустим, при построении клеточной стенки у растений и грибов.

Можно было бы подумать, что все это делается в разных резервуарах ЭПР. В какой-то степени это так и есть, но все эти производственные резервуары собраны в одно место и формируют поразительную по своим возможностям структуру – комплекс Гольджи, или диктиосому. Он представляет собой стопку плоских резервуаров, окруженную мембранными пузырьками, одни из которых в них вливаются, а другие от них отшнуровываются (рис. 8.2). Здесь происходят все упомянутые выше технологические процессы, здесь же происходит сортировка и упаковка товара и отправка его по назначению.

К комплексу Гольджи все время подходят пузырьки, наполненные белками, синтезированными в шероховатом ЭПР. От разных резервуаров комплекса Гольджи, в свою очередь, отходят пузырьки различных типов.

Одни пузырьки, отходящие от комплекса Гольджи, 100–500 нм в диаметре, наполнены разнообразными ферментами гидролиза – гидролазами. Это и есть лизосомы, вернее первичные лизосомы, призванные сливаться с фагоцитозными вакуолями или с любыми структурами, которые надлежит переварить. После слияния лизосомы с фагоцитозной или иной вакуолью она называется вторичной лизосомой. Низкомолекулярные продукты гидролиза мигрируют путем диффузии или специфического переноса в цитозоль. Пузырек с непереваренными остатками может сливаться с другими лизосомами или фагоцитарными вакуолями, в итоге они могут объединяться в остаточное тельце (фактически помойку), которое обычно опорожняется во внешнюю среду (рис. 8.3). У некоторых простейших у клетки есть не только «рот» – определенное место, где всегда и формируется фагозитозная вакуоль, но и порошица – место, где остаточные тельца сливаются с внешней средой. Но в некоторых клетках остаточные тельца так и остаются в цитоплазме.

Иногда клетке необходимо переварить какую-то собственную часть (органеллу), к примеру ставшую ненужной. Этот процесс называется автофагией. Органелла сначала окружается мембраной и преобразуется в автофагическую вакуль, которая опять-таки сливается с лизосомой и преобразуется в автофагосому.

Высвобождение ферментов лизосом в цитозоль означает немедленную гибель клетки, так как они переварят все ее содержимое. Такое бывает, когда организму необходимо избавиться от каких-то ставших ненужными клеток (к примеру, головастикам при превращении в лягушку – от хвоста).

Из этого примера становится более понятно само явление внутренних полостей клетки, топологически соответствующих внешнему пространству. Клетке действительно нужны резервуары с веществами, которые могут быть опасны ее «сердцевине». Кстати, у многих бактерий гидролитические ферменты находятся в клеточной стенке, т. е. опять-таки отделены от цитозоля мембраной, только это в данном случае внешняя мембрана клетки.

Некоторые мембранные пузырьки, отходящие от комплекса Гольджи, доставляют по назначению не содержимое, а саму мембрану с определенными свойствами. Другие пузырьки, отходящие от комплекса Гольджи, доставляют к поверхности клетки те вещества, которые должны секретироваться наружу – определенные белки, полисахариды клеточной стенки и т. п. (Примечательно, что полисахариды, не предназначенные для секреции, синтезируются и накапливаются вообще вне внутреннего пространства ЭПР. Гликоген в клетках печени синтезируется в цитозоле, а крахмал в запасающих органах растений – в пластидах.)

Каким образом в комплексе Гольджи происходит регуляция того, что и где должно синтезироваться и куда отправляться – понять довольно трудно. Вся информация поступает из ядра в виде тех или иных синтезирующихся белков. Каким-то образом они должны регулировать кругооборот мембран и заключенного в них содержимого, причем очень многое происходит в одном месте и именно в этой органелле. По-видимому, система из полужидких сливающихся и разделяющихся мембран – это та механическая основа, которая лучше всего подходит для управления при помощи химических агентов. Важно подчеркнуть, что комплекс Гольжи – структура динамическая, его цистерны формируются из сливающих мембранных пузырьков, продвигаются в составе комплекса по мере созревания находящихся в них веществ и в итоге снова распадаются на пузырьки.

Итак, повторим некоторые общие структурные положения, связанные с отличием прокариот от эукариот. Прокариотическая клетка представляет собой единый компартмент. Она содержит область, где находится ДНК – нуклеоид, синтезирует белки свободными рибосомами в цитоплазме, пользуется внешней мембраной для расположения тех белков, которые должны быть расположены на мембране и для создания разницы рН и мембранного потенциала при клеточном дыхании. У нее есть сложное образование, включающее сложное впячивание внешней мембраны – мезосома, которая каким-то образом организует удвоение нуклеоида и направляет деление клетки.

Мембранную организацию эукариотической клетки можно получить из прокариотической путем добавления отшнуровывающихся впячиваний внешней мембраны. Такие впячивания окружили нуклеоид и изолировали его от цитозоля, тем самым разделив область синтеза ДНК и РНК с одной стороны (двойной мембраны) и область синтеза белка с другой ее стороны. Другие впячивания превратились в химические реакторы, являющиеся фактически приспособленными под разные функции филиалы внешней среды – они существенно умножились в числе, приобрели различную специфику и довели до больших значений свои суммарные площадь и объем. Выработались специальные механизмы доставления белков из цитозоля в ядро и мРНК и субъединиц рибосом из ядра в цитозоль, а также синтеза белка из цитозоля непосредственно во внутреннее пространство ЭПР.

Предки эукариотических клеток довольно сильно отличались от бактерий размерами, строением рибосом и наличием интронов в генах. Однако, чтобы стать теми эукариотами, которых мы с вами представляем, они совершили еще один или два дополнительных шага, которые сделали их действительно самыми гротескно устроенными и в то же время на удивление эффективными клетками – приобрели митохондрии и пластиды.