Protistologia

Рис. 237. Нематоцисты: а — различные ста ­

тр — трихоциста . б — этапы выстреливания

рис. 238), другие используют механи­ ческую энергию. Хотя эти механизмы и соответствующие структурные элемен­ ты эволюционировали независимо, у всех этих протистов имеется задняя ва­ куоль, которая способна быстро увели­ чиваться в размерах и обеспечивать вы­ талкивание внутриклеточного содержи­ мого или внеклеточных частиц.

Два механизма частично описаны в соответствующих систематических гла­ вах (см. рис. 150, 183, 184). У микро­ споридий в этот процесс вовлечены полярный филамент, поляропласт и зад­ няя вакуоль; у плазмодиофорид сходные структуры представлены трубкой, нако­ нечником и вакуолью.

Оомицет Haptoglossa mirabilis ин­ фицирует коловраток рода Adineta и некоторые виды нематод. Зрелый тал­ лом этого оомицета, находящийся внут­ ри зараженного и почти опустошенно­ го хозяина, выделяет двужгутиковые зооспоры. Через некоторое время эти зооспоры прикрепляются к субстрат}.

где часто образуют скопления. Каждая зооспора инцистируется и в течение короткого времени прорастает, форми­ руя так называемую клетку-пушку, дей­ ствительно напоминающую по форме миниатюрную пушку с наклоненным стволом (рис. 238). Зрелая клетка-пуш­ ка длиной около 15 мкм остается свя­ занной с пустой цистой и прикреплена к субстрату при помощи слизи. После контакта с проплывающей мимо колов­ раткой или ползущей нематодой пушка выстреливает, и гарпуновидный нако­ нечник пробивает кутикулу хозяина. Это становится предпосылкой зараже­ ния. Аппарат проникновения состоит из одного внеклеточного компонента (плотный гарпуновидный наконечник внутри выстреливающей трубки) и внутриклеточной системы вакуолей. Предполагается, что механизм зараже­ ния работает следующим образом: бы­ строе нарастание осмотического давле­ ния в клетке вызывает мгновенное вы­ ворачивание трубки и выброс гарпуна; дальнейшее расширение вакуолей вы­ давливает зародыш, называемый с это­ го момента споридий, в ткани хозяина, где он позднее прорастает в таллом. Весь процесс от контакта до инвазии за­ нимает около 100 миллисекунд.

Этот процесс очень похож на выб­ рос наконечника у плазмодиофорид и также внешне напоминает выстрелива­ ние экструсом — токсицист и нематоцист. Фундаментальное отличие от эк­ струсом заключается в том, что здесь отсутствует экзоцитозная активность. Кроме того, гарпун и наконечник распо­

лагаются внеклеточно, причем задолго до созревания клетки-пушки, а впрыс­ кивающая трубка представляет собой дериват инвагинации клеточной поверх­ ности. Помимо этих структурных раз­ личий, несходны и движущие силы: неизвестный молекулярный механизм разворачивания у экструсом и осмоти­ ческое давление у клетки-пушки плаз­ модиофорид.

Сократительные

вакуоли

Сократительные вакуоли встреча­ ются преимущественно у пресноводных протистов, не имеющих клеточной стенки (см. рис. 239), и у некоторых пресноводных губок. Обычно сократи­ тельная вакуоль медленно наполняется жидкостью (диастола), а затем быстро выбрасывает содержимое во внешнюю среду путем сокращения (систола). Ча­ стота сокращения варьирует от секунд до часов у разных видов.

В большинстве случаев клетка про­ стейшего имеет одну сократительную вакуоль. Однако существует ряд орга­ низмов с двумя — например, Parame­ cium (рис. 240) — или значительно большим количеством (15-20) сократи­ тельных вакуолей, как у Dileptus и Homalozoon . Некоторые инфузории, например Loxophyllum и Spirostomum,

содержат только одну крупную вакуоль, но она связана с длинным приводящим каналом, простирающимся от передне­ го до заднего конца клетки.

Комплекс сократительной вакуоли

Сократительную вакуоль легко за­ метить в световой микроскоп, т.к. она прозрачна и регулярно сокращается. При наблюдении в электронный микро­ скоп становится ясно, что собственно сократительная вакуоль — только часть большой системы, которая именуется комплексом сократительной вакуоли. Этот комплекс включает резервуар со­ кратительной вакуоли (саму вакуоль), спонгиом и пору сократительной ваку­

оли, через которую жидкость выбрасы­ вается наружу. У инфузорий комплекс имеет, по-видимому, наиболее сложное строение. Резервуар вакуоли у них свя­ зан с радиально расположенными ампу­ лами, которые переходят в длинные уз­ кие приводящие каналы (рис. 240). Ком­ плекс зафиксирован в определенном месте клетки и укреплен отходящими от стенки поры пучками микротрубо­ чек. В самой стенке поры также обна­ ружены спирально идущие микротру­ бочки. Они тянутся вдоль каждой ампу-

лы и проходят до самого конца приво­ дящих каналов.

Сократительные вакуоли хлоромонад отходят непосредственно от цис­ терн диктиосом. Этот пример является исключением, поскольку у остальных протистов не обнаружена структурная связь комплекса сократительной вакуо­ ли с другими мембранными органеллами клетки.

делении воды из цитозоля, а гладкие обеспечивают увеличение и уменьше­ ние мембраны сократительной вакуоли.

Во время диастолы сократительная вакуоль формируется за счет слияния гладких пузырьков или расширения трубочек, а во время систолы она фрагментируется на отдельные пузырьки или складывается в трубочки. Посколь­ ку сливающиеся везикулы или трубоч-

Спонгиом

Спонгиом состоит из мелких пу­ зырьков или трубочек. Обычно он рас­ положен в непосредственной близости к сократительной вакуоли, поэтому предполагается, что его мембраны уча­ ствуют в сегрегации жидкости, предназ­ наченной для выведения из клетки. У представителей разных таксонов проти­ стов организация спонгиома различна. Простейший тип спонгиома — везику­ лярный, в котором многочисленные мелкие пузырьки окружают большую вакуоль (рис. 241а). Этот тип широко представлен у организмов с нефиксиро­ ванным положением сократительной вакуоли в клетке, как у некоторых жгу­ тиконосцев и многих амеб. Спонгиом этих организмов обычно состоит из двух типов пузырьков: одни имеют гладкую мембрану, а другие опушены — предположительно клатрином, — так же как окаймленные ямки и окаймлен­ ные пузырьки, детально изученные на модельных объектах клеточной биоло­ гии (рис. 2416). Предполагается, что окаймленные пузырьки участвуют в от­

(а)и инфузории Pseudomicrothorax (б). У жгу­

ти к о н о с ц е в обычен везикулярный с п о н г и ­ ом, а у инфузорий чаще встречается труб­ чатый с п о н г и о м ; его трубочки постоянно от­ крыты в п р о с в е т сократительной вакуоли (отмечено с т р е л к а м и ) (а — из: Hausmann and Patterson: Exp. Cell Res. 135 [1981] 449:

б— из: H a u s m a n n : A r c h . P r o t i s t e n k . 127 [1983] 319) . Увел.: a - 35 OOOx, 6- 40 OOOx.

ки в совокупности имеют большую площадь мембраны, чем исходная ваку­ оль, можно предположить, что суще­ ствует механизм перераспределения мембран, либо не все пузырьки и тру­ бочки вовлечены в каждый цикл пуль­ сации вакуоли.

Трубчатый спонгиом (рис. 2416) обнаружен у некоторых амеб и жгути­ коносцев, а также у большинства инфу­ зорий, где он устроен особенно сложно. Трубочки спонгиома диаметром 4060 нм являются постоянными структу­ рами, которые прямо или опосредован­ но связаны с сократительной вакуолью. У инфузорий с радиальными приводя­ щими каналами, например у Parame­ cium, спонгиом окружает каждый канал

необходимое для возвратного движения воды, должно быть нереально высоким. Фаза максимального наполнения сокра­ тительной вакуоли и слияния ее мемб­ раны с плазмалеммой длится лишь долю секунды, и возникающее обрат­ ное давление, очевидно, компенсиру­ ется высоким гидростатическим давле­ нием в спонгиоме. Однако непосред­ ственно перед слиянием сократитель­ ной вакуоли с плазматической мембра­ ной для выброса жидкости, ампулы (например, у Paramecium) отсоединяют­ ся от сократительной вакуоли. После извержения жидкости они присоединя­ ются вновь.

Пучки гексагонально упакованных трубочек диаметром около 50 нм иног­

электронно-микроскопических наблю­ дений было выдвинуто предположение, что связь между спонгиомом и приво­ дящими каналами прерывается во вре­ мя каждой систолы, что должно препят­ ствовать возврату жидкости в спонгиом при сокращении вакуоли. По этой гипо­ тезе, тысячи связей между спонгиомом

иприводящими каналами должны бы­ стро восстанавливаться сразу после си­ столы. Эта гипотеза казалась разумной

ивоспроизводилась до недавнего вре­ мени в учебниках, однако данные, по­ лученные при помощи более совершен­ ных методик подготовки образцов, ее не поддерживают. Нет указаний на то, что спонгиом периодически соединяет­ ся и разъединяется с приводящими ка­ налами, как, впрочем, и само существо­ вание такого механизма не представля­ ется необходимым. Из-за маленького диаметра трубочек спонгиома давление,

структурами, которые расположены по спирали, и имеют непосредственную связь с гладкими элементами спонгио­ ма. Предполагается, что жидкость по­ ступает из цитозоля в эти декорирован­ ные трубочки, из них она направляется

вгладкие элементы спонгиома и затем

вампулы. Из ампул жидкость перекачи­ вается в сократительную вакуоль.

Отделение жидкости

Спонгиом, по всей вероятности, участвует в отделении жидкости. В ран­ них работах по сопоставлению каче­ ственного состава цитоплазмы и жидко­ сти сократительной вакуоли было пока­ зано, что в последней содержится на­ много меньше ионов. В более поздних исследованиях утверждается обратное: сократительная вакуоль на самом деле гипертонична по отношению к цитозо-

лю. Молекулярный механизм сегрега­ ции жидкости еще не до конца понятен. Наиболее вероятно, что в мембранах спонгиома есть помпы, которые закачи­ вают протоны в полость трубочек спон­ гиома, где эти ионы замещаются други­ ми ионами. В результате устанавливает­ ся гипертонический (осмотический) градиент, обеспечивающий поступле­ ние воды в сократительную вакуоль за счет осмоса. Более того, показано, что этими протонными помпами служат грибовидные структуры. Было обнару­ жено, что сходные декорированные мембранные системы являются частью спонгиома почти всех детально изучен­ ных комплексов сократительной вакуо­ ли. Такие системы есть и у многокле­ точных животных. Например, они при­ сутствуют в апикальной мембране эпи­ телиальных клеток мочевого пузыря жабы, в плазматической мембране ос­ теокластов, на том участке, где идет секреция протонов для растворения ко­ стной ткани, и в апикальных мембранах вставочных клеток дистального каналь­ ца нефрона позвоночных, которые секретируют протоны. Сама сократитель­ ная вакуоль не содержит таких протон­ ных помп, а те мембраны, в которых есть протонные насосы, не могут сли­ ваться с плазмалеммой. Следовательно, в сократительном мембранном комп­ лексе можно выделить две четко разли­ чающиеся популяции мембран.

Другие теоретически предполагае­ мые механизмы для движения воды сквозь мембраны могут быть варианта­ ми водных насосов, которые перекачи­ вают одновременно сотни молекул воды при помощи ионофорных каналов или аквапориноподобных белков.

Выведение жидкости

Упротистов с нефиксированным положением сократительной вакуоли, в частности, у большинства амеб, она может сливаться с плазмалеммой почти

влюбом месте, хотя чаще всего в рай­ оне уроида и никогда на лидирующей псевдоподии. Обычно это происходит путем экзоцитоза, однако есть исключе­ ния. У хлоромонады Chlamydomonas выведение жидкости происходит, повидимому, не в результате слияния мем­ бран, а через гидрофильные каналы в плазмалемме. У некоторых трипаносоматид только небольшой участок сокра­ тительной вакуоли сливается с плазма­ леммой, формируя канал для выведения жидкости.

Постоянные и специально органи­ зованные выводящие поры присущи, в первую очередь, инфузориям, но также встречаются у других протистов. Эти поры необходимы протистам с кортексом, поскольку он препятствует слия­ нию мембраны сократительной вакуоли с плазмалеммой. Резкое падение элект­ рического потенциала мембраны сокра­ тительной вакуоли во время выведения жидкости указывает на то, что генера­ торы этого потенциала (протонные на­ сосы) отсоединяются от вакуоли перед открытием поры.

Осморегуляторная функция

Долгое время считалось, что комп­ лекс сократительной вакуоли участвует в осморегуляции. Известно, что осмо­ тическое давление цитоплазмы про­ стейшего (45-117 мОсм/кг) намного выше, чем окружающей среды (моляльность пресной воды менее 7 мОсм/кг >.

следовательно, вода постоянно поступа­ ет в клетку. Она также попадает в клет­ ку в процессе жизнедеятельности, на­ пример, из пищеварительных вакуолей. При отсутствии противодействующих структур, таких как клеточная стенка, или других механизмов контроля объе­ ма клетки и ее внутреннего давления, она бы лопнула от переполнения водой. Это легко продемонстрировать умень­ шением или увеличением осмотическо­ го давления в окружающей среде, что приводит к соответствующему увеличе­ нию или уменьшению активности со­ кратительной вакуоли. Однако в тех клетках, которые адаптированы к изме­ нению осмомолярности, соответствен­ но меняются проницаемость клеточной мембраны и тоничность цитозоля. Цитозоль всегда поддерживается гипертоничным по отношению к окружающей среде, другими словами, внутреннее давление клетки повышено. Поэтому после адаптации клетки и создания гипертоничной внутренней среды сокра­ тительная вакуоль возобновляет свою деятельность. Таким образом, ее функ­ ция, вероятно, состоит не только в ре­ гуляции водного баланса, но и также, к примеру, в удалении продуктов обмена или выведении определенных продук­ тов на поверхность клетки.

Осморегуляторная роль комплекса сократительной вакуоли единодушно признана; кроме того, высказывались предположения о дополнительных фун­ кциях комплекса. При определенных условиях сократительная вакуоль может активно выделять катионы натрия и кальция. Цитозоль клетки протиста имеет относительно высокую концент­ рацию ионов калия и низкую — натрия.

Обычно секретируемая сократительной вакуолью жидкость имеет даже более высокие концентрации натрия и хлора, чем цитозоль. Однако активное выведе­ ние натрия и кальция через сократи­ тельную вакуоль еще предстоит дока­ зать.

Механизм регуляции объема клетки

Активность сократительной вакуо­ ли представляет собой, по-видимому, лишь один из механизмов, посредством которых простейшее р е г у л и р у е т свой объем. Сократительная вакуоль, вероят­ но, обеспечивает кратковременный от­ вет на изменение тоничности среды. Так, если простейшее поместить в ги - пертоничную среду, оно сразу же умень­ шается в размерах, а сократительная ва­ куоль перестает работать. Если осмоти­ ческий шок не был летальным, клетка постепенно восстановит свои нормаль­ ные размеры и вакуоль снова начнет со­ кращаться. Эта регулировка обусловле­ на повышением концентрации свобод­ ных аминокислот, моновалентных кати­ онов и, возможно, Сахаров в цитоплазме,

что к о м п е н с и р у е т увеличение и о н н о й

силы среды.

Механизм сокращения вакуолей

Некоторые ученые считают, что со­ кратительную вакуоль лучше называть пульсирующей вакуолью или выводя­ щей воду везикулой, поскольку термин «сократительная вакуоль» подразумева­ ет, что она активно сокращается. Одна­ ко собственная сократимость этих ваку­ олей окончательно не доказана; напро-

тив, были получены данные, что сокра­ тительные вакуоли опорожняются про­ сто под воздействием внутриклеточно­ го давления.

Вместе с тем, имеются достаточно убедительные аргументы в пользу их собственной сократимости. Помимо обнаружения на периферии сократи­ тельных вакуолей небольших количеств актина, ос-актинина и миозина, извест­ но, что непосредственно перед систо­ лой сократительные вакуоли различных протистов немного сжимаются и округ­ ляются. Более того, если отверстие со­ кратительной вакуоли цилиат искусст­ венно блокировать, прижав покровным стеклышком, то сократительная вакуоль увеличивается в размерах и последова­ тельно сокращается в том же ритме, как если бы ее содержимое выбрасывалось наружу. Самое простое объяснение этих наблюдений таково: сократительные элементы действуют по всей поверхно­ сти вакуоли.

Недавние исследования изолиро­ ванных сократительных вакуолей пока­ зали, однако, что сама мембрана спо­ собна осуществлять циклы округления и расслабления вакуоли без помощи окружающей сократимой сети. При ок­ руглении сократительной вакуоли фор­ мирование мембранных трубочек уменьшает эффективную площадь по­ верхности вакуоли, и натяжение мемб­ раны in vitro увеличивается в 35 раз. In vivo ассоциация мембраны вакуоли с лентами микротрубочек, по-видимому, запускает или усиливает образование мембранных трубочек и таким образом увеличивает натяжение мембраны ваку­ оли. Этот процесс требует затрат АТФ. Повышенное натяжение мембраны не­

обходимо для слияния с плазмалеммой. для регуляции скорости выведения жидкости путем изменения размеров выводящей поры и для отделения ре­ зервуара вакуоли от армированных микротрубочками ампул приводящих каналов.

Цикл пульсации

Типичный цикл пульсации в прими­ тивном комплексе сократительной ваку­ оли показан на рисунке 242. После си­ столы сама вакуоль не видна, но вокруг места ее локализации заметны мелкие пузырьки. Во время диастолы они уве­ личиваются в размерах, сливаются друг с другом и наконец формируют сокра­ тительную вакуоль. Непосредственно перед выбрасыванием своего содержи­ мого вакуоль округляется и окружается мелкими пузырьками.

Более сложные процессы наблюда­ ются у Paramecium caudatum (рис. 243). После систолы сократительная вакуоль не видна под световым микроскопом; в ходе сокращения она преобразуется в один или несколько конгломератов вза­ имосвязанных трубочек. Затем наполня­ ются ампулы (диастола ампул) и появ­ ляется сократительная вакуоль, которая заполняется из ампул (систола ампул). На следующем этапе сократительная вакуоль становится сферической и выб­ расывает свое содержимое наружу че­ рез пору (систола сократительной ваку­ оли). Тем временем ампулы наполняют­ ся снова. Жидкость, по-видимому, по­ ступает в ампулы из приводящих каналов непрерывно. Таким образом, ампулы выступают в роли буфера, кото­ рый обеспечивает периодичность на-