Морфология растений / Бавтуто Г.А., Ерёмин В.М. Ботаника. Морфология и анатомия растений

ных. Самые крупные ядра (до 500 мкм) наблюда­ ются в половых клетках голосеменных растений.

Форма ядра в молодых клетках в основном округло-шаровидная, а затем при дифференциа­ ции часто зависит от формы клетки и состояния цитоплазмы. Так, в длинных узких клетках ядра чаще всего вытянутые, веретенообразные, сплюс­ нутые или чечевицевидные. В паренхимных клет­ ках ядра имеют все разновидности округлой фор­ мы. Движение цитоплазмы часто деформирует форму ядра, делает ее сплюснутой, неправильной. Под электронным микроскопом ядро имеет амебовидную форму, образуя лопасти, углубле­ ния, в которых скапливаются митохондрии. Та­ кая распростертость ядра увеличивает его рабо­ чую поверхность и повышает интенсивность взаимодействия между ядром и цитоплазмой (рис. 38).

Рис. 38. Электронная микрофотография ультраструктуры ядра в меристеме корешка лука — Allium сера (увел. 10 000). В ядре хорошо видна оболочка (I), ядрышко (2) и хроматиновая сеть (3). В углублениях ядра видны митохондрии (4)

Живая клетка имеет, как правило, одно ядро в отличие от многочисленности других органоидов. Реже бывают многоядерные клетки: клетки гриб­ ницы многих высших грибов двуядерные, много­ ядерные клетки некоторых водорослей и низших грибов, сильно вытянутые лубяные клетки выс­ ших растений тоже имеют по нескольку ядер, двуядерными часто бывают клетки тапетума пыльников.

В молодых клетках ядро обычно занимает цен­ тральное положение. При дифференциации клет­ ки и образовании в ней крупной вакуоли ядро отодвигается к клеточной оболочке, но всегда отделено от оболочки слоем цитоплазмы и нико­ гда не соприкасается с вакуолью.

Иногда ядро остается в центре клетки, окру­ женное цитоплазмой (так называемый ядерный кармашек), которая связана с постенным слоем цитоплазмы тяжами. В некоторых клетках ядро активно передвигается в наиболее жизнедеятель­ ные участки клетки. И наконец, в ряде случаев с помощью микрокиносъемки было зафиксировано беспрерывное вращательное или маятникообразное движение ядра. По мнению В. Г. Александ­ рова (1966), это, вероятно, связано с периодиче­

ским выталкиванием веществ, синтезируемых в ядре, в цитоплазму.

В световом микроскопе с фазово-контрастным устройством ядро имеет вид эластичного запол­ ненного пузырька, отделенного от цитоплазы ядерной оболочкой с небольшим темным пятныш­ ком (иногда их бывает два, три) — ядрышком. Помимо ядрышка, в жизнедеятельном ядре раз­ граничивают более темные участки, которые ок­ рашиваются основными красителями, дают реак­ цию Фёльгина (фуксинсернистая кислота + НС1 и красно-фиолетовая окраска) и вследствие этого именуются хроматином (греч. chroma, род. п.

chromatos — цвет), и неокрашивающееся основ­ ное вещество, или ахроматин. В живом ядре это основное вещество может представлять собой коллоидную жидкость, в связи с чем его называ­ ют ядерным соком или кариолимфой. Но оно мо­ жет быть и гелеобразным, в таком случае его на­ зывают кариоплазмой. Пока не выяснено, в каком взаимодействии находятся более плотная и более жидкая фаза ядра, поэтому все основное вещество ядра называют нуклеоплазмой.

По химическому составу ядро резко отличает­ ся от остальных органоидов высоким содержани­ ем ДНК (14—28 %) — несущего наследственную информацию. До 99 % ДНК клетки находится в ядре, где она образует комплексы с основными белками (протамины и гистоны, богатые основ­ ными аминокислотами — лизином, гистидином и особенно аргинином) — солеобразные соедине­ ния, или дезоксирибонуклеопротеиды.

Белки, не обладающие основными свойства­ ми, по-видимому, не связаны с нуклеиновыми кислотами и могут содержаться в ядре в качест­ ве самостоятельной фазы или же входить в со­ став ануклеальных (не содержащих ДНК) участ­ ков хромосом в качестве их структурного компо­ нента.

В ядре содержится также РНК (в основном иРНК и рРНК), но распределение ее с ДНК по ядру неодинаково. Ядрышко богато РНК, тогда как хроматин содержит только ДНК. Способ­ ность хроматина окрашиваться обусловлена именно присутствием в хроматиновых структурах ДНК. Таким образом, основное отличие ядра за­ ключается в том, что это особая структурнофункциональная единица клетки, отграничиваю­ щая генетический материал (ДНК) от цитоплаз­ мы и образующая у эукариот сложные ДНКсодержащие структуры — хромосомы (см. даль­ ше).

Общее строение ядра одинаково у всех клеток растений и животных. Структурная организация ядра в то же время существенно меняется на раз­ ных этапах жизненного цикла клетки, что обу­ словлено различием выполняемых ядром функ­ ций. В связи с этим различают три состояния яд­ ра:

1) рабочее (метаболическое) ядро, выполняю­ щее функцию управления жизнедеятельностью всех органоидов клетки;

2) делящееся (митотическое) ядро, выполняю­ щее функцию передачи наследственной инфор-

мации в ряде клеточных генераций (митоз) или от материнского организма к дочерним (мейоз);

3) интерфазное ядро с основной функцией синтеза ДНК.

МЕТАБОЛИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ЯДРА (РАБОЧЕЕ ЯДРО КЛЕТКИ)

Уже в световой микроскоп в сравнительно го­ могенном ядерном содержимом заметны много­ численные точки, придающие его структуре зер­ нистость. При наблюдении в фазовом контрасте или в ультрафиолетовом освещении видна сеть, образуемая этими зернышками. Вещества, обра­ зующие зернышки, — хроматин, а сама сеть —

хроматиновая.

Хроматин. Это основной структурный компо­ нент рабочего ядра. Термин введен В. Флеммингом в 1880 г. Распределение хроматина в ядре не­ одинаково у различных растений и может быть сведено к четырем основным типам. В некоторых клетках он равномерно распределен по ядру и представляет тончайшую сеточку, в других — со­ бран отдельными комочками — хромоцентрами, прикрепленными к участкам более слабо окра­ шенной сети. В клетках третьего типа ядерная сеть почти незаметна, а хромоцентры — крупные и структурно усложнены. И наконец, в некоторых клетках сеть совсем незаметна и хроматин пред­ ставлен немногочисленными довольно крупными тельцами (рис. 39).

Рис. 39. Типы структуры рабочего ядра после фиксации и окра­ ски (по Дейсону, 1962):

а — сетчатая структура без хромоцентров (лук); б — сетчатая структура с хромоцентрами (бобы); в — полусетчатая структура со сложными хромоцен­ трами (бриония); г — несетчатая структура с прохромосомами; 1 — ядрышко

Изучение ядра или изолированного хроматина под электронным микроскопом показало, что основу хроматиновой сети составляют фибриллы диаметром до 1 нм и неопределенной длины, спирально закрученные. Они являются частицами дезоксирибонуклеопротеидов, в которых белки образуют поверхностный футляр, стабилизирую­ щий ДНК и регулирующий ее активность. Часть фибрилл образует беспорядочные массы, находя­ щиеся в конденсированном (плотно упакован­ ном) состоянии, интенсивно окрашенные ядер­ ными красителями (гетерохроматин). Они веро­ ятно, соответствуют хромоцентрам светового микроскопа. Другая часть фибрилл располагается в деспирализованном состоянии, рыхло (диффуз­ ный хроматин, или эухроматин) и, вероятно, представляет хроматиновую сеть световой микро­ скопии.

Хроматин является особым дисперсным со­ стоянием хромосом, функционирующей формой.

Так как в рабочем ядре хромосомы разрыхлены, сильно гидратированы, их рабочая поверхность увеличивается многократно. Разрыхленные струк­ туры хромосом — необходимое условие выполне­ ния их контролирующей роли в обменных про­ цессах клетки, т. е. в передаче информации, со­ держащейся в ДНК. Уплотненный хроматин в этом отношении неактивный, тогда как разрых­ ленный может быть неактивным или активным в зависимости от процессов регуляции.

Таким образом, хромосомы являются посто­ янными непрерывными структурами ядра, но в рабочем ядре они находятся в сильно гидратированном, набухшем, разрыхленном состоянии. По­ казатель преломления этих веществ и содержимо­ го ядра оказывается одинаковым, вследствие чего хроматин слабо различим. При фиксации, вызы­ вающей обезвоживание и свертывание ядерных белков, и последующей окраске основными ядерными красителями структуры ядра клеток выявляются.

Нуклеоплазма. Основная масса клеточного яд­ ра, содержит жидкую неокрашиваемую часть, ядерный матрикс (нечто вроде опорной сети) и различные включения. Жидкая часть сходна по составу с соответствующим компонентом цито­ плазмы — гиалоплазмой. Здесь содержатся фер­ менты и промежуточные продукты метаболизма, в частности гликолиза.

Ядерный матрикс представляет собой с трудом выявляемый трехмерный «каркас», который со­ стоит из кислых белков и пронизывает всю нуклеоплазму и ядрышки.

Видимые в электронный микроскоп включе­ ния — прежде всего гранулярные, нитевидные или спиральные рибонуклеопротеидные частицы

различной величины; нередко встречаются также округлые ядерные тельца диаметром около 1 мкм, состоящие из углеводов или белков, а иногда и палочковидные пучки белковых нитей (рис. 40).

Рис. 40. Клеточное ядро в рабочем состоянии (по Э. Либберту, 1982):

Л — гетерохроматян; Риб — рибосомы; РНП — рибонуюгеонротендвые часпшы; ЭР — эндоплазматическия регакулум; Эх — эухроматин; Я — ядрышко; ЯО — ядер­ ная оболочка; ЯП— ядерные поры; ЯТ— ядерные тсльпл

Ядрышко, нуклеола (nucleolus). Ядрышки — это округлые, более уплотненные участки кле­ точного ядра диаметром до 1 мкм. Обычно в ядре имеется одно ядрышко, реже несколько (2—3) или много (до 7). Как и хроматин, ядрышко не окружено мембраной и свободно лежит в нуклеоплазме.

Ядрышки осуществляют синтез рРНК (рибо-

Рис. 42. Модель строения ядерных пор:

1 — наружная и 2 — внутренняя мембраны ядерной оболочки; 3 — перинуклеарное пространство; 3 — аннулус; 5 — рибонуклеопротеидиые частицы; 6 — фибрилла норового комплекса

Размеры и количество пор довольно изменчи­ вы (например, у физиологически активных ядер их больше); более многочисленны и крупнее они в молодых клетках.

Оболочка ядра содержит многочисленные ферменты, способна к синтезу белков и липидов (как и элементы ЭР), которые временно способ­ ны накапливаться в перинуклеарном пространст­ ве. Ядерная оболочка позволяет отграничить осо­ бую среду, в которой «работают» хромосомы.

Основная функция рабочего ядра в целом — управление процессами обмена веществ, роста и развития клетки. Все признаки и свойства клетки и ее структур определяются ядром. Оно контро­ лирует синтез белков, прежде всего ферментов, который происходит в цитоплазме. Ферменты обеспечивают скорость всех обменных химиче­ ских реакций.

Рассмотрим, как происходит синтез белка, контролируемый рабочим ядром клетки.

ДНК. РНК. Высокомолекулярные органиче­ ские соединения — нуклеиновые кислоты — со­ стоят из цепочек, содержащих от десятков до миллиарда нуклеотидов. В состав каждого нуклеотида входят гетероциклические основания — аденин

(А) или гуанин (Г), производные пурина; цитозин (Ц), урацин (У) или тимин (Т), производные пи­ римидина; углевод (рибоза или дезоксирибоза) и

фосфорная кислота. В природе существуют нуклеи­ новые кислоты двух типов — ДНК и РНК, разли­ чающиеся по составу, строению и функциям.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) содер­ жит углевод дезоксирибозу, азотистые основания А, Г, Ц, Т, остатки фосфорной кислоты (рис. 43,

А); РНК (рибонуклеиновая кислота) — углевод, рибозу, азотистые основания А, Г, Ц, У, остатки фосфорной кислоты. Цепочки ДНК во много раз длиннее, чем цепочки РНК. Гетероциклическое основание, углевод и фосфорная кислота образу­ ют нуклеотид-мономер. Нуклеотиды соединяются в полимерные молекулы РНК и ДНК фосфодизфирными мостиками. Число нуклеотидных звеньев, связанных в единую полинуклеотидную цепь, варьирует в широких пределах. Наиболь­ шей молекулярной массой обладает ДНК (десятки миллионов и миллиарды дальтон). На­ пример, молекулярная масса ДНК кишечной па­ лочки 2,5 • 109 дальтон, число нуклеотидов в ней

4,5 • 106. Основная масса ДНК клеток эукариот находится в ядре, но она обнаружена также в ми­ тохондриях и хлоропластах.

В1953 г. американский биохимик Дж. Уотсон

ианглийский физик Ф. Крик построили модель пространственной структуры ДНК, которая имеет вид двойной спирали (рис. 43, Б). Английские ученые Р. Франклин и М. Уилкинс с помощью рентгеноструктурного анализа ДНК смогли опре­ делить общие параметры спирали, ее диаметр и расстояние между витками. В 1962 г. Дж. Уотсо-

ну, Ф. Крику и М. Уилкинсу за это открытие 20 в. была присуждена Нобелевская премия.

Двойная спираль ДНК образована двумя полинуклеотидными цепочками, которые закручены вокруг воображаемой оси. Основу спирали обра­ зует обращенная наружу дезоксирибозофосфатная

омодель двойной спирали ДНК (по

Постановка проблемы генетического кода и теоретическое рассмотрение некоторых возмож­ ных его вариантов принадлежат А. Даунсу (1952) и Г. Грамову (1954). Основные свойства генети­ ческого кода (триплетность, вырожденность) вы­ явлены в 1961 г. в генетических экспериментах Ф. Крика и С. Бреннера. Расшифровка кода, т. е. нахождение соответствия между кодонами и ами­ нокислотами, осуществлена в работах американ­ ских биохимиков М. Ниренберга, С. Очоа и др.

Синтез белка. Реализация генетической ин­ формации, закодированной в ДНК ядра клетки, осуществляется в процессе белкового синтеза. Сама ДНК не принимает непосредственного уча­ стия в синтезе белковых молекул.

Первый этап передачи генетической инфор­ мации — транскрипция (лат. transcriptio — пере­ писывание) — снятие копии с нуклеотидной по­ следовательности генов в виде молекул синтези­ руемой иРНК.

иРНК (или мРНК) наиболее разнообразна по

молекулярной массе (от 0,05 • 106 до 4 • 106). Она составляет около 2 % общего количества РНК в клетке.

Молекула иРНК синтезируется непосредст­ венно на ДНК-матрице. В процессе транскрип­ ции осуществляется переписывание информации, закодированной в последовательности нуклеотидов ДНК-матрицы, в последовательность нуклеотидов в молекуле иРНК.

Транскрипцию осуществляет фермент РНКполимераза. Мономерными предшественниками РНК являются нуклеозидтрифосфаты — АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ. В качестве матрицы фермент использует двойную спираль ДНК, он транскри­ бирует нуклеотидную последовательность только одной цепи ДНК (рис. 44). В результате транс­ крипции образуется цепь иРНК, строго компле­ ментарная одной цепи ДНК. Одна и та же матри­ ца ДНК многократно используется для синтеза многих идентичных молекул иРНК, в связи с чем количество синтезированной РНК может в сотни

Транскрибируемая] цепь ДНК

иРНК

НО ОН

®® ^

Рис. 44. Механизм биосинтеза иРНК на ДНК-матрице

и тысячи раз превосходить количество матричной ДНК.

Следует отметить, что в молекуле ДНК между генами многих полипептидов вставлены участки, не содержащие информации (так называемые интроны). При транскрипции сначала образуется цепочка РНК всей последовательности нуклеотидов ДНК (про-иРНК). Ее образование и даль­ нейшие превращения — отличительная особен­ ность эукариот. Интроны распределены по всей длине молекулы про-иРНК. Процесс выщепления интронов и дальнейшая компоновка коди­ рующих участков {сплайсинг) направляются спе­ циальными клеточными механизмами и происхо­ дят до синтеза полипептидной цепи.

Информационная РНК через поры оболочки ядра попадает в цитоплазму, и в соответствии с ее длиной к ней присоединяется большее или меньшее количество рибосом. Образуется полири­ босома — белоксинтезирующая система клетки.

Процесс перевода последовательности нуклеотидов иРНК в последовательность аминокислот в белке, образующемся при биосинтезе, называется трансляцией (лат. translatio — передача). иРНК при этом служит полинуклеотидной матрицей, при посредстве которой формируется полипеп­ тидная цепь со строго заданным чередованием аминокислот.

Свободные аминокислоты всегда присутству­

ют в цитоплазме клетки; у растений их 20—22. Перенос аминокислот из цитоплазмы к полисоме осуществляет тРНК, строго определенная для ка­ ждой аминокислоты. тРНК — низкомолекуляр­ ные (молекулярная масса около 25 000), их струк­ тура наиболее изучена по сравнению с другими классами РНК, отличается эволюционной кон­ сервативностью, что, вероятно, связано с высо­ кой степенью функциональной специализации. Все известные тРНК способны изгибаться, обра­ зуя петли, удерживаемые короткими участками со спаренными основаниями (двухмерная укладка). Так образуется вторичная структура, напоми­ нающая по форме клеверный лист (рис. 45). Тре­ тичная структура, образуемая при участии дополнительнных связей, напоминает по форме латин­ скую букву L. На одном конце тРНК имеется так называемая антикодоновая петля (антикодон), триплет нуклеотидных остатков, кодирующих оп­ ределенную аминокислоту, на другом — остаток концевой рибозы, которая за счет образования ковалентной связи с карбоксильной группой, со­ ответствующей кодону иРНК аминокислоты, свя­ зывает данную аминокислоту и переносит ее на полисому. Перенос осуществляется с помощью фермента аминоацилсинтетазы, способной спе­ цифически «узнавать» как аминокислоту, так и соответствующую ей тРНК.

Трансляция информации происходит в рибо­ соме. Здесь функционирует удивительный моле­ кулярный механизм, позволяющий перевести язык матрицы на язык белка. Его образно назва­ ли адаптерным механизмом, по аналогии с адап­ тером — устройством, преобразующим механиче­ ские сигналы на дорожке грампластинки в звуко­ вые. В рибосоме адаптером служит тРНК, несущая аминокислотный остаток (так называе­ мый аминоацил-тРНК). Присоединив соответст­ вующую аминокислоту, тРНК направляется к ри­ босоме, антикодон взаимодействует с комплемен­ тарным триплетом оснований (кодон) иРНК и безошибочно находит на ней ту позицию, в кото­ рую потом встает аминокислота в синтезируемой белковой молекуле, фермент связывает амино­ кислоты в полипептидной цепи. Естественно, что первым «узнается» тот триплет, который кодирует вступление в полипептидную цепь N-концевой аминокислоты будущей белковой молекулы. Матричная РНК в рибосоме, после того как со­ ответствующая аминокислота попадает в поли­ пептидную цепь белка, продергивается на один триплет, с которым взаимодействует новый ами- ноацил-тРНК, несущий следующую по порядку в белковой молекуле аминокислоту. Так возникает белок с точно заданной первичной структурой. Эти процессы протекают очень быстро: так, для полимеризации полипептидной цепи молеку­ лярной массой до 20 000 достаточно 5 с.

Таков в общих чертах механизм синтеза бежа в клетке. Ученые предложили различные вариа­ ции механизма белкового синтеза. Например, М. Ниренберг (1963) предложил вариант биосин­ теза полипептидов, центром которого служат ри­ босома и образующая с ней временный комплекс иРНК (рис. 46, А); в основе модели X. Гудмена и

РНК с ДНК, трансляции при белковом синтезе, репликации ДНК основан на комплементарности пуриновых и пиримидиновых оснований. Благо­ даря этому осуществляются упорядоченное, четко запрограммированное взаимодействие мономеров с матрицей-макромолекулой и создание новых полимеров заданной структуры. Именно поэтому матричный принцип биосинтеза рассматривается как специфическое и неотъемлемое свойство жизни.

Белок (или реплика), возникающий в процес­ се биосинтеза, имеет иную химическую природу, чем матрица, поэтому этот процесс часто назы­ вают гетерологической репликацией (греч. heteras — другой, разный). При самоудвоении ДНК, или синтезе РНК на ДНК, и матрица и реплика являются полинуклеотидами. Это гомологическая репликация (греч. homos — равный, одинаковый).

МИТОТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ЯДРА

Ядро клетки не возникает непосредственно в цитоплазме и не образуется из других органоидов. Возникновение новых ядер связано только с де­ лением уже существующих. Деление ядра сопро­ вождается сложными перестройками, обусловли­ вающими точное и совершенно одинаковое рас­ пределение генетического материала между двумя дочерними ядрами, постоянство числа, формы и размеров единиц наследственности клетки — хромосом. Такой сложный процесс деления ядра называется митозом.

Хромосомы. Это обязательные компоненты яд­ ра, несущие гены и определяющие наследствен­ ные особенности клеток и организмов. Способны к самовоспроизведению, обладают структурнофункциональной индивидуальностью и сохраня­ ют ее в ряду клеточных поколений. В процессе эволюции хромосомы явились наиболее совер­ шенной формой организации наследственных структур.

Хромосомы были обнаружены В. Флеммингом (1882) и Е. Страсбургером (1884), установивши­ ми, что во время деления в ядре появляются ни­ тевидные структуры. Термин «хромосома» (греч. chroma — цвет и soma — тело), указывающий на способность этих структур интенсивно окраши­ ваться основными красителями, был предложен

В.Вальдейером (1888). На 40 лет раньше ботаник

В.Гофмейстер, изучая материнские клетки пыль­ цы традесканции, наблюдал и зарисовал хромо­ сомы непосредственно на живом объекте. Это первое изображение хромосом в биологической литературе.

Появление хромосомной теории наследствен­ ности привлекло к хромосомам внимание широ­ кого круга биологов. Трудно назвать другую структуру, изучение которой проводилось бы столь детально и интенсивно, с использованием огромного количества методов. И хотя многие особенности этих сложно организованных струк­ тур уже известны, изучение хромосом еще далеко не завершено.

Хромосомы представлены вытянутой в длину

бЗак. 18S1

нуклеопротеидной структурой. Они удваиваются в результате идентичной репродукции перед каж­ дым клеточным делением (см. репликация ДНК), а затем распределяются поровну между дочерни­ ми клетками. Поэтому каждая отдельная хромо­ сома присутствует во всех клетках данного орга­ низма в одной и той же форме и несет идентич­ ную информацию.

ДНК может быть уложена с разной плотно­ стью в зависимости от физиологической актив­ ности хромосом. Поэтому на протяжении клеточ­ ного цикла происходит лишь смена двух физио­ логических форм хромосом: 1) транспортной (во время деления ядер: хромосомы имеют компакт­ ную структуру, ясно различимые) и 2) функцио­ нальной (в промежутках между делениями: хромо­ сомы разрыхленные, нитевидные, длинные и не­ различимые в отдельности; см. рабочее ядро, интерфаза).

Морфологические особенности хромосом удобнее изучать на стадии метафазы и анафазы; в это время они имеют вид цилиндрических телец, которые интенсивно окрашиваются основными красителями и дают положительную реакцию Фёльгена (рис. 48).

На теле хромосомы всегда имеется первичная перетяжка, разделяющая хромосому на два плеча. Расположение первичной перетяжки строго видоспецифично, и по этому признаку хромосомы делятся на три типа: 1) акроцентрические, палоч­ кообразные, с коротким или даже незаметным вторым плечом; 2) субметацентрические, с плеча­ ми неравной длины; 3) метацентрические, обла­ дающие плечами равной или почти равной длины (рис. 49).

По химическому составу хромосомы включа­ ют хроматин, который содержит около 40 % ДНК, 40 % хромосомных белков — гистонов (белки с высоким содержанием аргинина и лизи­ на), почти 20 % негистоновых хромосомных бел­ ков (в основном кислые белки, к которым отно­ сятся белки, ответственные за движение хромо­ сом, ферменты для синтеза РНК и ДНК, веро­ ятно, также белки, регулирующие активность от­ дельных генов, и т. д.) и немного РНК.

Внешний вид метацентрической хромосомы показан на рис. 50, А.

Во время деления ядер хромосомы имеют длину 0,2—20 мкм и вначале состоят из двух лежащих ря-