198-199 

Организация клетки. Структура клеток

Структура клеток

А . Сравнение прокариот и эукариот

Существующие в настоящее время организмы подразделяются на две большие группы — прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии (эубактерии и архебактерии) а к эукариотам — грибы, растения и животные, большинство из которых являются многоклеточными организмами и только некоторые — одноклеточными. Многоклеточные эукариоты построены из разнообразных по своим функциям клеток, причем эти клетки значительно крупнее клеток прокариот (соотношение объемов приблизительно 2000:1). Наиболее важный отличительный признак эукариотических клеток — наличие ядра (греч. karion; отсюда и название "эукариоты") и других органелл.

Структуры и функции эукариотических клеток сложнее и более специализированы, чем структуры и функции клеток прокариот. ДНК (DNA) эукариот представляют собой очень длинные линейные молекулы (от 10⁷ до более чем 10¹⁰ пар оснований). Они локализованы в ядре, связаны с гистонами и включают некодирующие области (интроны). Напротив, ДНК прокариот представляют собой более короткие (до 5ּ10⁶ пар оснований) кольцевые молекулы, расположенные в цитоплазме и не имеющие интронов. Эукариотические клетки состоят из специализированных отделов — органелл (см. ниже). Процессы синтеза и созревания РНК (RNA) и белков протекают в различных отделах клеток и механизмы их регулирования не зависят один от другого. У прокариот, напротив, эти процессы значительно проще и взаимосвязаны.

Б. Структура животной клетки

Эукариотические клетки значительно разнообразнее по размеру и структуре, чем прокариотические. Только в организме человека имеются по крайней мере 200 различных типов клеток. Поэтому на схеме структура животной клетки представлена в предельно упрощенном виде.

Эукариотическая клетка организована системой мембран. Снаружи она ограничена плазматической мембраной. Внутренний объем клетки заполнен цитоплазмой, содержащей многочисленные растворимые компоненты.Цитоплазма разделена на хорошо различимые , окруженные внутриклеточными мембранами отделы, называемыми клеточными органеллами.

Самой крупной органеллой является ядро клетки (см. рис. 211), его можно легко видеть в световой микроскоп. Внешняя мембрана ядра связана с мембранами эндоплазматической сети [эндоплазматический ретикулум(ER)], представляющей собой замкнутую систему связанных друг с другом канальцами уплощенных мешочков, составляющую единое целое с перинуклеарным пространством. Другая ограниченная мембранами органелла, также представляющая собой систему мембран, — аппарат Гольджи (или комплекс Гольджи) [на схеме эта система напоминает сложенные в стопку листы). Экзосомы и эндосомы — пузыреобразные органеллы (везикулы), участвующие в процессе обмена веществ между клеткой и ее окружением. Вероятно, наиболее важными в клеточном метаболизме являются митохондрии, представляющие собой органеллы, по размерам приближающиеся к бактериям. Лизосомы и пероксисомы — маленькие глобулярные органеллы, предназначенные для выполнения специфических функций. В клетке имеется белковая нитевидная структура, напоминающая строительные леса (так называемый цитоскелет).

Помимо этих органелл в клетках растений (см. с. 48) имеются хлоропласты (места фотосинтеза), вакуоли, выполняющие структурные функции и являющиеся хранилищами, а также прочная клеточная стенка, построенная из целлюлозы и других полисахаридов.

На схеме для гепатоцитов (клеток печени) приведены приблизительный объем, который приходится на каждый вид органелл (в % к общему объему клетки, на схеме желтого цвета), и число каждой из органелл на клетку (на схеме голубого цвета); эти данные могут значительно различаться для разных типов клеток. Органеллы и другие клеточные структуры более детально описаны в следующих разделах.

200-201 

Организация клетки. Структура клеток

Фракционирование клеточных структур

А . Выделение клеточных органелл

Разработан ряд методик для исследования изолированных отделов клетки. Для того чтобы выделить клеточные органеллы, исследуемый образец измельчают и затем гомогенизируют в забуференной среде с использованием гомогенизатора Поттера-Элведжема (тефлоновый пестик, вращающийся в стеклянном цилиндре). Это сравнительно мягкий метод, который особенно предпочтителен для выделения лабильных молекул и ультраструктур. Другие методики разрушения клеток включают ферментативный лизис, разрушающий клеточные стенки, или механическое разрушение замороженных тканей (размолом или с помощью вращающихся ножей; под большим давлением; осмотическим шоком; многократным чередованием замораживания и оттаивания).

Для выделения интактных органелл важно, чтобы среда, в которой проводится гомогенизация, былаизотонической, т.е. осмотическое давление буфера должно соответствовать давлению внутри клетки. Если раствор гипотоничен, органеллы будут «впитывать» дополнительную воду и лопнут, а в гипертонических растворах они, напротив, сморщиваются.

Вслед за гомогенизацией следует фильтрование через марлю для удаления интактных клеток и соединительных тканей. Собственно фракционирование клеточных органелл проводится с помощью дифференциального центрифугирования, т.е. центрифугирования при различных скоростях вращения ротора. При этом ступенчатое увеличение центробежной силы (которую принято выражать величиной, кратной нормальному ускорению свободного падения g = 9,81 м/с², см. сс. 202-203) приводит к последовательному осаждению различных органелл, т.е. их разделению в соответствии с плотностью и размером.

Ядро седиментирует уже при ускорении, достигаемом о помощью настольных центрифуг. Декантирование супернатанта и тщательное повторное ресуспендирование осадка дает фракцию, обогащенную клеточными ядрами. Однако эта фракция все еще содержит другие клеточные компоненты в качестве примесей, например фрагменты цитоскелета.

Частицы меньших размеров и менее плотные, чем ядро, получают при воздействии на супернатант постепенно увеличивающегося ускорения . Эта операция проводится на более мощных центрифугах, таких, как высокоскоростные центрифуги с охлаждением и ультрацентрифуги. Порядок освещения фракций следующий:митохондрии, затем мембранные пузырьки (везикулы) и рибосомы. Супернатант последнего центрифугирования представляет собой «цитозоль», т.е. растворимые компоненты клетки, перешедшие при гомогенизации ткани в буферный раствор.

Выделение клеточных органелл обычно проводят при низких температурах (0-5°С) для того, чтобы уменьшить степень деградации материала за счет реакций, катализируемых ферментами; последние высвобождаются в процессе разрушения ткани. Добавление тиолов и хелатирующих агентов необходимо для защиты функциональных SH-групп от окисления.

Б. Молекулы-маркеры

В процессе фракционирования важно контролировать чистоту фракций. Присутствие в определенной фракции той или иной органеллы и наличие других компонентов определяют с помощью молекул-маркеров. Обычно это органеллоспецифичные ферменты (ферменты-маркеры). Распределение ферментов-маркеров в клетке отражает локализацию в ней соответствующих каталитических реакций. Более детально эти вопросы обсуждаются в разделах, посвященных отдельным органеллам.

210-211 

Организация клетки. Ядро

Ядро

А . Ядро

Ядро — наиболее крупная (диаметром около 10 мкм) видимая в оптический микроскоп органелла эукариотической клетки. Оно отделено от остальной клетки оболочкой, состоящей из внутренней и внешней ядерных мембран.

Область между двумя ядерными мембранами называется перинуклеарным пространством. Внешняя ядерная мембрана усыпана рибосомами и переходит в шероховатый эндоплазматический ретикулум. Внутренняя ядерная мембрана выстлана специальными белками (ламином и др.), которые служат для закрепления ядерных структур (ядерная пластинка).

В ядре расположена почти вся ДНК (DNA) клетки. Эта ДНК является носителем генетической информации и главным местом ее репликации и экспрессии. В интерфазе (фазы между делениями клетки) большая часть ДНК в ядре присутствует в виде гетерохроматина, т.е. плотно упакованной ДНК, ассоциированной с РНК (RNA) и белками. Менее плотно упакованная ДНК называется эухроматином; это место активной транскрипции ДНК в РНК (RNA). Ядро часто содержит ядрышко, а иногда и несколько ядрышек. Во время деления клеток структура ядра разрушается. Хроматин организуется в хромосомы, т. е. в высшей степени конденсированные формы молекул ДНК, видимые в оптический микроскоп.