Molekuljarnaja Biologija Kletki v3
.pdf
391
ния осмотически неактивных полимеров, находящихся обычно в вакуолях. В обоих случаях изменение тургорного давления регулируется по принципу обратной связи.
Как же работают такие системы с обратной связью? Эксперименты указывают на то, что «детектор тургорного давления» в плазматической мембране индуцирует транспорт ионов (чаще всего это активное накачивание в клетку ионов К+) в ответ на внезапное падение тургорного давления, тогда как резкое повышение тургора приводит к выводу ионов К + . Эти процессы протекают очень быстро и, по-видимому, связаны с какими-то изменениями в специфических транспортных белках плазматической мембраны.
Связанные с мембраной «детекторы», вероятно, также способны изменять скорость синтеза осмотически активных веществ в цитоплазме и вакуоли, но эти изменения происходят гораздо медленнее. Системы, регулирующие величину клеточного тургора, особенно важны для растений, обитающих в среде с экстремальными или непостоянными осмотическими свойствами. Например, растения, произрастающие на засоленных почвах, для поддержания тургора должны накапливать в своих жидкостях очень высокие концентрации растворенных веществ. Поскольку накопление ионов, например К + , в таких больших количествах, вероятно, повлияло бы на активность жизненно важных ферментов, клетки этих растений накапливают специальные органические вещества-полигидроксилированные соединения, такие как глицерол или маннитол, аминокислоты, например пролин, или же N-метилированные производные аминокислот, такие как глицинбетаин. Концентрация этих веществ в цитозоле может достигать очень высоких уровней (0,5 М), не влияя на метаболизм клетки. Вакуоль и ее содержимое самым непосредственным образом участвуют в регуляции тургорного давления в ответ на изменения окружающей среды (см. разд. 20.4.2).
В основе ограниченных движений растений также лежат регулируемые изменения тургора. Например, замыкающие клетки устьиц контролируют скорость газообмена между листьями и окружающим их воздухом, открывая или закрывая устьичные отверстия (рис. 20-11). В течение дня, когда устьица открыты, свет активирует насос, перекачивающий ионы К+ в плазматической мембране замыкающих клеток; в результате притока ионов К+ тургорное давление повышается, и замыкающие клетки набухают, открывая устьичное отверстие. Очень быстрые изменения тургора в клетках, расположенных на ключевых позициях, вызывают более заметные движения, к которым относятся, например, закрывание ловушек у насекомоядных растений и быстрое движение частей некоторых цветков при опылении. Изменения тургора, вызывающие эти движения, происходят в результате резкого повышения проницаемости
Рис. 20-11. Микрофотографии устьиц в эпидермисе листа тропического растения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа при разном увеличении. Устьица - это поры, образуемые на поверхности листа двумя замыкающими клетками. Их движения, регулируемые тургором, определяют размер устьичной щели и, следовательно, интенсивности газообмена между листом и окружающей средой. У большинства растений устьица днем открыты, через них поступает двуокись углерода и через них же удаляются продукты фотодыхания. Ночью устьица обычно закрыты. Клетки эпидермиса снаружи покрыты водонепроницаемой восковой кутикулой (см. также рис. 20-18). (С любезного разрешения Н. W. Woolhouse, GJ. Hills.)
392
мембран в клетках, расположенных в ключевых местах. Эти клетки действуют как «шарнир», регулируемый тургором. Каким образом слабое прикосновение к чувствительной поверхности приводит к тургорному взрыву в этих клетках пока неясно. Возможно, здесь задействованы ионные каналы с возникающим в них потенциалом действия.
20.1.7. При образовании специализированных клеток происходит модификация клеточной стенки [7]
Наземные растения сильно отличаются друг от друга по своему строению и способам размножения (рис. 20-12). Тем не менее все они построены на одинаковых принципах из небольшого числа типов клеток и тканей. План строения почти всех растений имеет в основе продольные модульные линии, причем типичный модуль состоит из стебля, листа и почки (см. рис. 20-58). Более того, все они содержат одни и те же специализированные типы клеток, которые всегда организованы в три основных типа тканей: покровные (обеспечивающие покрытие), основные (обеспечивающие опору и питание) и проводящие (обеспечивающие транспорт жидкостей) (рис. 20-13).
Основные типы клеток представлены на схеме 20-1. Все они формируются из клеток с первичной клеточной стенкой в результате их роста и последующей дифференцировки. По мере дифференцировки клеток первичная стенка усложняется, образуя вторичную клеточную стенку. В ряде случаев этот процесс сводится лишь к простому добавлению целлюлозных слоев, но иногда происходит откладывание новых слоев разного состава. Молекулы целлюлозы, откладываемые во вторичную стенку, как правило, намного длиннее (~ 15 000 остатков глюкозы), чем молекулы, входящие в состав первичной стенки (от 500 до 5000 остатков глюкозы). Более того, сильно гидратированные пектиновые компоненты, характерные для первичной клеточной стенки, в значительной мере замещаются другими полимерами, в результате чего вторичная стенка оказывается более плотной и не столь гидратированной как первичная.
Вторичная клеточная стенка несет основную механическую нагрузку, приходящуюся на растение. Она также представляет собой существен-
Рис. 20-12. Эволюция наземных растений. Все растения (за исключением водорослей) можно разделить на сосудистые, у которых транспорт осуществляется по проводящим тканям (ксилеме и флоэме), и несосудистые (например, мхи), которые невелики по размеру и устроены относительно просто. Как уже отмечалось, сосудистые растения появились на Земле примерно 350 млн. лет назад, когда возникли семена. Семя обеспечивает защиту развивающегося зародыша, который может оставаться в состоянии покоя, пока не будут обеспечены условия, необходимые для его дальнейшего развития. В связи с тем, что на Земле распространены в основном семенные сосудистые растения, в данной главе речь идет главным образом о них.
393
Рис. 20-13. В различных органах высших растений (листьях, стеблях и корнях) можно выделить три системы тканей: проводящую, основную (опорную) и покровную. Как видно на схематическом поперечном срезе кончика корня, проводящие ткани погружены в основную ткань, которую в свою очередь окружает покровная ткань. С некоторыми вариациями в расположении эти три системы формируют все части высшего растения. Каждая из них состоит из относительно небольшого числа основных типов клеток, часть из которых представлена на схеме 20-1.
ный компонент питания многих животных и основу таких материалов, как древесина и бумага. Форма и состав образовавшейся в итоге клеточной стенки, тесно связаны с функцией определенных специализированных типов клеток: каждый тип клеток отличается от другого по морфологии, например по устройству клеточной стенки зрелого пыльцевого зерна, которая специфична для каждого определенного вида растения (рис. 20-14).
Все значительные изменения как в составе, так и в строении первичной и вторичной клеточных стенок, отражают процессы, происходящие в цитоплазме; это лучше всего можно проиллюстрировать на примере развития сосудов ксилемы. В процессе дифференцировки клеток в молодых растущих тканях на стенках сосудистых элементов ксилемы
Рис. 20-14. Полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа микрофотография пыльцевых зерен петунии (А) и подсолнечника (Б). Стенка образована спорополленином, сложным и очень прочным углеводородным полимером, который определяет характерную форму пыльцевых зерен. В стенке имеются поры, через которые при прорастании пыльцы пройдет пыльцевая трубка. (С любезного разрешения С. MacFarlane и С. Jeffree.)
Рис. 20-15. Микротрубочки в кортикальном слое клетки из развивающейся ксилемы побега гороха. Обработка флуоресцирующими антителами выявляет спиральное расположение микротрубочек, которые определяют участок клеточной стенки, подлежащей утолщению сначала за счет отложений целлюлозы, а затем и лигнина (см. схему 20-1). Клетка крупная, поэтому глубина фокусного расстояния позволяет увидеть лишь одну сторону спирального рисунка. (С любезного разрешения I. Roberts.)
394
Рис. 20-16. Два примера возможных модификаций клеточной стенки при формировании специализированных клеток. А. Схематический продольный разрез развивающегося элемента малого сосуда ксилемы. В этой клетке образуются кольцевые утолщения, однако обнаруживаются и другие типы отложений. В конце концов протопласт и торцевая клеточная стенка исчезают и появляется сквозная трубка. Зрелый элемент, потеряв свой протопласт, отмирает. Б. Схематический продольный разрез через развивающийся элемент ситовидной трубки флоэмы. Первичная клеточная стенка утолщается и в торцевых ее участках появляются отверстия, т.е. образуется ситовидная пластинка, соединяющая соседние элементы трубки. Зрелые клетки сохраняют свою плазматическую мембрану, однако ядро и большая часть цитоплазмы утрачиваются.
образуются утолщения, в составе которых много целлюлозы. Их расположение определяется пучками цитоплазматических микротрубочек, которые лежат в кортикальном слое непосредственно под плазматической мембраной. Эти пучки микротрубочек обычно имеют вид спиралей или колец (рис. 20-15) и возникают при перегруппировке микротрубочек кортикального слоя цитоплазмы, в норме расположенных довольно равномерно (см. разд. 20.4.8). Это частный пример более общего правила, которое обсуждается ниже (см. тот же раздел), и согласно которому целлюлозные микрофибриллы, откладываемые вне клетки, располагаются параллельно микротрубочкам, лежащим в кортикальном слое цитоплазмы.
Утолщенные целлюлозные участки клеточной стенки развивающихся ксилемных клеток впоследствии укрепляются путем отложения лигнина, нерастворимого полимера, состоящего из ароматических фенольных единиц, которые образуют внутри клеточной стенки разветвленную сеть с поперечными сшивками и составляют основу древесины. В результате локального удаления материала из торцевой части клеточной стенки образуются жесткие сосуды с низким сопротивлением, которые используются для транспорта воды в ксилеме (рис. 20-16). Аналогичная значительная перестройка первичной клеточной стенки происходит при разви-
Рис. 20-17. Формирование вторичной клеточной стенки волокна (схематический поперечный разрез). В данном случае три новых слоя материала клеточной стенки откладывались в первичной стенке. Поскольку ориентация целлюлозных микрофибрилл в каждом слое различна, клеточная стенка в конструктивном отношении напоминает многослойную фанеру. У многих волокон образование вторичной клеточной стенки завершается гибелью клетки.
395
тии ситовидных трубок флоэмы в сосудистых тканях растения (см. рис. 20-16 и схему 20-1).
Вторичная клеточная стенка обычно откладывается между плазматической мембраной и первичной клеточной стенкой, иногда слои откладываются последовательно один за другим (рис. 20-17). Однако в определенных случаях особые макромолекулы откладываются либо внутри первичной стенки (как, например, лигнин в клетках ксилемы), либо на наружной ее поверхности. Например, эпидермальные клетки, покрывающие наружную поверхность растения, обычно имеют утолщенную первичную клеточную стенку, внешняя часть которой покрыта толстой водонепроницаемой кутикулой, защищающей растения от инфекции, механического повреждения, потери воды и вредоносного ультрафиолетового излучения (см. схему 20-1). Кутикула секретируется по мере дифференцировки эпидермальных клеток. Она состоит преимущественно из кутина (в коре из родственного ему вещества суберина), представлявшего собой полимер из жирных кислот с длинной цепью, который образует на поверхности растения обширную сеть с многочисленными поперечными сшивками. Слой кутина часто пропитывается смесью восков, которые, кроме того, и наслаиваются на него; воски являются эфирами спиртов с длинной цепью и жирных кислот (рис. 20-18). Кутикула растительной клетки по составу сильно отличается от кутикулы насекомых и ракообразных, построенной из белков и полисахаридов.
20.1.8. Даже зрелая клеточная стенка представляет собой динамичную структуру [8]
Состав и строение клеточной стенки взрослого растения не являются чем-то неизменным: составляющие части могут добавляться и удаляться, а связи между компонентами меняться. Локальное удаление материала стенки при развитии торцевых стенок в сосудах ксилемы и ситовидных трубок флоэмы представляют собой поразительный пример таких изменений (рис. 20-16).
Изменение клеточных стенок в уже зрелых клетках можно также проиллюстрировать на примере процессов, происходящих при потере части растения, например отмершего листа. При отмирании листа клеточные полимеры распадаются, а сахара, аминокислоты и ионы вновь используются растением. Кроме того, стареющий лист выделяет небольшие количества газа этилена. В зоне, расположенной между основанием черешка листа и стеблем (отделительный слой), клетки реагируют на сложные и еще плохо изученные комбинации этилена и других эндогенных регуляторов роста растений (см. рис. 20-67) образованием и секрецией ферментов, разрушающих клеточную стенку (пектиназа и целлюлоза). Эти ферменты действуют локально на определенный участок и частично растворяют клеточные стенки в отделительном слое (рис. 20-19). Одновременно с этим в слое клеток со стороны стебля откладывается водоустойчивый суберин, который защищает «рану», образующуюся после отделения листа в результате ферментативного переваривания.
Подобная локальная реакция клеток происходит и при созревании плодов. В этом случае низкие концентрации этилена (одна часть на миллион) стимулируют в клетках-мишенях плода (например, апельсина или банана) секрецию ферментов, расщепляющих белок и ослабляющих сцепление между соседними клетками. Это приводит к размягчению, т. е. «созреванию» плода.
396
397
398
Рис. 20-18. А. Типичная зрелая клетка из эпидермиса листа (схематический разрез). На наружной поверхности толстой первичной клеточной стенки откладываются водонепроницаемые слои кутина и воска, в совокупности образующие кутикулу. Восковые отложения кутикулы зачастую создают на ее поверхности сложный рельеф. Б. Микрофотография нижнего эпидермиса листа гороха, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Хорошо видны характерные особенности отложения воска вокруг устьичной щели. (С любезного разрешения P. Linstead.)
Заключение
Высшие растения состоят из огромного числа клеток, определенным образом скрепленных друг с другом окружающими их клеточными стенками. Многие характерные свойства растений прямо или косвенно связаны с наличием этих клеточных стенок. Состав и внешний вид клеточных стенок непосредственно определяются тем, к какому типу принадлежит данная клетка и каковы ее функции. Вместе с тем основные принципы построения всех клеточных стенок поразительно сходны: жесткие волокна целлюлозы погружены в матрикс, содержащий множество поперечных сшивок и состоящий из таких полисахаридов, как пектины и гемицеллюлозы, а также из гликопротеинов. Благодаря такому строению первичная клеточная стенка обладает большим запасом прочности при растяжении и способна пропускать лишь молекулы относительно небольшого размера. Если растительную клетку, лишенную клеточной стенки (протопласт), поместить в воду, то она осмотическим путем наберет воду, набухнет и лопнет. В то же время живое содержимое клетки, заключенное в оболочку, набухает и давит на последнюю, в результате чего возникает давление, известное под названием тургорного. Тургор строго регулируется и жизненно необходим как для увеличения размеров клетки, так и для механической жесткости молодого растения.
Вформировании видового разнообразия высших растений участвует относительно небольшое число специализированных типов клеток, при образовании которых (например, сосудистых элементов двух проводящих тканей-ксилемы и флоэмы) клеточная стенка подвергается значительным изменениям. Определенные участки клеточной стенки могут быть укреплены. Часто это происходит путем добавления одного или более слоев, образующих вторичную клеточную стенку. Другие участки клеточной стенки могут избирательно удаляться, как это происходит с торцевыми стенками при образовании проводящей трубки cocудa из длинного ряда цилиндрических клеток. Эти изменения клеточной стенки контролируются временными и пространственными изменениями в цитоплазме развивающихся клеток. Клеточная стенка представляет собой динамическую структуру, состав и форма которой могут подвергаться заметным изменениям не только в процессе роста и дифференцировки клеток, но и после их созревания.
20.2.Перенос веществ между клетками
Впредыдущем разделе мы говорили о том, что жесткая клеточная стенка порождает весьма специфические проблемы в связи с ростом и развитием растительных клеток. Кроме того, она сильно ограничивает
Рис. 20-19. Специализированные слои небольших клеток у основания черешка, при участии которых осуществляется листопад. Два или три слоя небольших клеток секретируют ферменты, обусловливающие деградацию клеточной стенки. Черешок отваливается от стебля в том месте, где клеточные стенки тоньше. Несколько лигнифицированных клеток пересекают весь отделительный слой листа. Остающиеся в зоне отделения клетки откладывают суберин, в результате чего над раной образуется защитный слой.
399
Рис. 20-20. А. Цитоплазматические каналы, называемые плазмодесмами, пронизывают клеточные стенки и соединяют в единое целое все клетки растения. Б. Плазмодесма выстлана плазматической мембраной, без перерыва переходящей в мембраны обеих соседних клеток. Обычно в просвете плазмодесмы находится тонкая цилиндрическая структура, так называемая десмотубула, которая является производным эндоплазматического ретикулума
возможности взаимодействия клеток, замурованных в ткани друг с другом и с окружающей их средой. Однако растительные клетки изобрели самые хитроумные способы преодоления этих ограничений. Непосредственная взаимосвязь клеток столь же важна для многоклеточных растений, как и для многоклеточных животных; поэтому возникли специальные канальцы, соединяющие цитоплазму растительной клетки с цитоплазмой соседних клеток (при этом обеспечивается контролируемый переход ионов и небольших молекул). Кроме того, у высших растений длинные тяжи цилиндрических клеток соединены друг с другом перфорациями, в результате чего образуются длинные трубки, обеспечивающие ток воды и питательных веществ.
20.2.1. Растительные клетки соединены между собой специальными цитоплазматическими мостиками, так называемыми плазмодесмами [9]
За исключением очень немногих специализированных видов клеток, все живые клетки у высшего растения соединены с соседними при помощи тонких цитоплазматических каналов, называемых плазмодесмами, которые пронизывают разделяющие их клеточные стенки. Как показано на рис. 20-20, в области каждой плазмодесмы плазматическая мембрана одной клетки без перерыва переходит в мембрану соседней клетки. Сама плазмодесма представляет собой цилиндрический выстланный мембраной канал диаметром от 20 до 40 нм. По оси канала из одной клетки в другую тянется цилиндрическая структура меньшего диаметра - десмотубула, просвет которой, по данным электронной микроскопии, сообщается с полостями эндоплазматического ретикулума обеих смежных клеток (рис. 20-21). Пространство между наружной поверхностью десмотубулы и мембранной выстилкой плазмодесмы заполнено цитозолем (рис. 20-20). Очень часто у обоих концов канала отмечается сужение этого кольцевого слоя цитоплазмы. Возможно, что эти сужения играют очень важную роль, так как именно здесь каждая из клеток в принципе имеет возможность регулировать переход молекул из одной клетки в другую.
Обычно плазмодесмы образуются вокруг элементов эндоплазматического ретикулума, который в ходе цитокинеза оказывается погруженным в новую клеточную стенку, разделяющую материнскую клетку (см. рис. 13-71). Но плазмодесмы обнаруживаются также и в стенках клеток, которые не являются сестринскими. Кроме того, количество плазмодесм может увеличиваться при росте клеток, свидетельствуя о том, что они могут образовываться de novo.
Рис. 20-21. Плазмодесмы на электронных микрофотографиях. А. Продольный срез плазмодесмы водного папоротника.
Плазматическая мембрана выстилает пору и, не прерываясь, переходит из одной клетки а другую. Видны эндоплазматический ретикулум и связанная с ним центральная десмотубула. Б. Такая же плазмодесма на поперечном срезе. (С любезного разрешения R. Overall.)
400
Рис. 20-22. Использование различных по размеру, флуоресцирующих пептидов для определения функционального размера каналов в плазмодесмах. А. Флуоресцирующий пептид с мол. массой более 850 дальтон. Б. Флуоресцирующий пептид с мол. массой менее 850 дальтон. В обоих случаях пептид вводили в
одну клетку эпидермиса рдеста маленького. Обратите внимание, что пептид большого размера почти не продвинулся, тогда как меньший пептид проник во многие соседние клетки. (С любезного разрешения Р. В. Goodwin.)
20.2.2. Плазмодесмы позволяют молекулам непосредственно переходить из одной клетки в другую [9, 10]
Что же еще, помимо характерной структуры, может служить свидетельством в пользу предполагаемой роли плазмодесм в межклеточной связи? На эту роль косвенно указывает тот факт, то плазмодесмы особенно многочисленны в стенках клеток, группирующихся в зонах интенсивной секреции, например в нектарниках цветков. У таких клеток на 1 мкм3 поверхности клеточной стенки может приходиться 15 и более плазмодесм, тогда как у других клеток это число нередко бывает меньше единицы.
Наиболее прямые указания на межклеточный транспорт через плазмодесмы были получены в экспериментах с введением красителей и с пропусканием электрического тока. Так, например, флуоресцентные красители лишь с трудом проходят через плазматическую мембрану, однако после введения их с помощью микрокапилляра в одну из клеток листа элодеи они довольно быстро появляются в соседних клетках. Точно так же при подаче электрических импульсов внутрь одной из клеток эти импульсы регистрируются (хотя и в ослабленном виде) электродами в соседних клетках. Степень ослабления электрического сигнала зависит от плотности расположения плазмодесм и от числа клеток, находящихся между электродами. Кроме того, электрод, приложенный к наружной поверхности плазматической мембраны, не улавливает сигналов, поданных внутрь клетки; значит, они распространяются какими-то внутриклеточными путями.
Таким образом, представляется вероятным, что именно плазмодесмы обеспечивают транспорт растворенных веществ между соседними растительными клетками, подобно тому, как щелевые контакты обеспечивают межклеточный транспорт у животных (см. разд. 14.1.5). Данные, полученные при микроинъекции флуоресцентных красителей, соединенных с пептидами различных размеров, свидетельствуют о том, что по плазмодесмам могут перемещаться молекулы с массой, не превышающей 800 дальтон (рис. 20-22), что примерно соответствует ограничениям по размеру для щелевых контактов. Ряд данных свидетельствует о том, что транспорт через плазмодесмы регулируется сложным образом. Так, эксперименты по введению красителей показали, что, несмотря на наличие внешне нормальных плазмодесм, между некоторыми системами тканей перенос даже низкомолекулярных веществ затруднен. Например, передвижение краски не обнаруживается между клетками корневого чехлика и клетками кончика корня, или между клетками эпидермиса и коры как в корнях, так и в побегах. Механизмы, ограничивающие в этих случаях сообщение между клетками, остаются пока неизвестными, хотя имеются некоторые указания на то, что в них могут быть
Рис. 20-23. На этой электронной микрофотографии видно, как мелкие сферические вирусные частицы переходят по плазме из одной клетки растения в другую. Диаметр этих растительных вирусов составляет 25 нм, что значительно превышает размер пептидов, не способных проходить через
эти отверстия. (С любезного разрешения К. Plaskitt.)