Клетка
Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей /живых организмов. Все процессы жизнедеятельности реализуются на клеточном уровне. Клетки всех живущих ныне на Земле организмов разделяются на 2 большие гууппы — прокариотические (бактерии, синезеленые водоросли) и эукариотические (все остальные растения и животные, в том числе и человек).
Все клетки человеческого организма имеют общий план строения (рис. 1, см. на цвет. вкл., 2). Снаружи клетка ограничена плазматической мембраной — плазмолеммой. Внутри располагается протоплазма, в которой выделяют клеточное ядро и цитоплазму. В цитоплазме располагаются различные органоиды (митохондрии, рибосомы и т. д.) и цитоскелетные образования (микротрубочки, филаменты, микрофиламенты).
Клеточные мембраны. Кроме плазмолеммы, множество мембран находится в цитоплазме клетки. Они входят в состав большинства клеточных органоидов. Все мембраны построены одинаково и различаются лишь в деталях. Толщина мембраны составляет б—12 нм. Основные компоненты мембраны — белки и липиды — составляют вместе более 90% ее вещества. Кроме них, в большинстве мембран есть небольшое количество углеводов и полисахаридов. В плазмолемме их содержание доходит до 10%.
Липиды мембран полярны, они образуют двойной слой (бимолекулярную пленку), хорошо смачиваемый водой снаружи, но малопроницаемый для воды и растворенных в ней веществ. Белки мембран делятся на 2 большие группы: прочно связанные с липидным слоем интегральные белки и слабо связанные поверхностные белки. Интегральные белки вместе с липидами создают непрерывную структуру мембраны.
В целом мембрана находится в жидком состоянии, т. е. белки и липиды способны перемещаться в ней. Современная модель мембраны, получившая название мозаичножидкостной, представлена на рис. 3. Основным свойством всех мембран является их полупроницаемость, т. е. способность пропускать одни вещества и задерживать другие. Все мембраны внутри клетки замкнуты сами на себя, что в сочетании с их полупроницаемостью является предпосылкой для концентрации различных веществ в разных отсеках клетки.
Среди всех мембран наиболее сложно устроена и наиболее разнообразно функционирует плазмолемма. На ее наружной поверхности находятся специализированные молекулы клеточных рецепторов. Рецепторы служат для узнавания одними клетками дуугих (например, по специфическим рецепторам лимфоциткиллер узнает чужеродные клеткимишени среди всех клеток организма и избирательно уничтожает их), с их помощью клетка воспринимает разные сигналы из внешней среды (сигналами служат главным образом химические вещества — гормоны, медиаторы, простагландины и т. д.).
Большинство рецепторов представляют собой сложные молекулы гликопротеидов. Белковая часть молекулы (протеин) входит в липидный слой мембраны и даже может проходить его насквозь. Углеводная часть молекулы расположена целиком снаружи. В совокупности гликопротеиды образуют на поверхности плазматической мембраны сплошной рыхлый слой, толщина которого может в несколько раз превосходить толщину самой мембраны. Этот слой получил название гликокалликса. Состав гликокалликса специфичен для каждого типа клеток, он играет основную роль в узнавании клетками друг друга и в образовании межклеточных контактов.
Второй функцией плазмолеммы, общей для всех клеточных мембран, является избирательный перенос молекул различных веществ внутрь клетки и выведения их из нее. Существует 4 способа проникновения веществ внутрь клетки((рис. 4): простая диффузия (так в клетку попадают вода, кислород, из нее выходят углекислый газ, мочевина); облегченная диффузия — она отличается от простой тем, что для нее в мембране имеются специальные белки (пермеазы), облегчающие движение через мембрану тех веществ, для которых ее проницаемость мала.
Содержимое ядра разделяют на хроматин, ядрышки и кариоплазму.
Хроматин представляет собой сложный комплекс белков и ДНК — нуклеопротеид. Биохимические исследования показали, что в состав хроматина входят ДНК и белки в соотношении 1 : 1,5 и небольшое количество РНК. Белки хроматина подразделяются на 2 основные группы: основные белки (гистоны) и кислые (негистоновые) белки.
Гистоны представлены молекулами 5 основных типов. Все они в определенном порядке располагаются по длине молекулы ДНК, обеспечивая ее упаковку в элементарную фибриллу хроматина (рис. 5). Элементарная фибрилла имеет толщину около 25 нм; гигантская молекула ДНК свернута в ней таким образом, что ее длина уменьшается в 40 раз. Фибрилла состоит из отдельных глобул, соединенных между собой непрерывной нитью молекулы ДНК. В каждой глобуле содержится более 1000 пар нуклеотидов, что соответствует размерам одного гена средней величины.
Входящие в состав элементарной фибриллы глобулы в свою очередь можно разделить на более мелкие глобулы (диаметром 10 нм), получившие название нуклеосом. Каждая нуклеосома состоит из отрезка ДНК длиной в 140 пар нуклеотидов и 4 пары молекул гистонов. Между нуклеосомами остаются промежутки в 60 нуклеотидных пар. Пятая пара молекул гистона обеспечивает компактную укладку нуклеосом в элементарную фибриллу хроматина.
В ядре фибриллы хроматина могут быть расположены относительно рыхло, формируя видимый в световой микроскоп диффузный хроматин (эухроматин). Частично они могут быть собраны вместе, образуя глыбки хроматина — конденсированный хроматин (гетерохроматин). В большинстве клеток взрослого организма довольно много конденсированного хроматина. Исключение составляют некоторые интенсивно делящиеся клетки. Как правило, специализированные клетки имеют более конденсированный хроматин в ядрах, чем клетки-предшественницы. Диффузный хроматин характерен для эмбриональных клеток, его количество возрастает при перенесении клеток из организма в культуру in vitro.
Общее количество хроматина в ядре клетки строго определенно — оно определяется количеством ДНК. Практически все ядра содержат количество ДНК, соответствующее диплоидному набрру хромосом. Клетки, способные к размножению, удваивают свою ДНК и хроматин при подготовке к делению. Новая ДНК синтезируется при этом непосредственно в ядре, на существующей ДНК, как на матрице; белки хроматина синтезируются (как и все остальные белки) в цитоплазме и переносятся в ядро. Вновь синтезированная ДНК сразу же покрывается гистонами и обнаруживается в ядре в виде нуклеусом.
На ДНК-матрице осуществляется синтез всех клеточных РНК — информационных, транспортных и рибосомальных, которые участвуют в биосинтезе белка (рис. 6). Кроме них, в последние годы описаны так называемые низкомолекулярные РНК, чьи функции пока не установлены. Информационные РНК после синтеза сразу же одеваются белками, образуя специальные частицы — информосомы; рибосомальные РНК образуют частицы — предшественницы рибосом.
Образование рибосом происходит в ядрышке. В его состав входит небольшое количество ДНК, сосредоточенной в фибриллярных центрах ядрышка. Основную массу ядрышка составляют РНК и белки. Рибосомальная РНК синтезируется на ДНК в фибриллярных центрах, покрывается белками и образует рибонуклеопротеидный тяж — фибриллярный компонент ядрышка. Затем тяж распадается на отдельные глобулы (гранулярный компонент ядрышка). Из глобул после отщепления части РНК образуются готовые половинки рибосом (большая и малая субъединицы), которые выходят в цитоплазму.
Общее число ядрышек в клетках непостоянно, как правило, от 1 до 4—5, редко больше. Максимально выраженное число ядрышек ограничено числом фибриллярных центров (ядрышковых организаторов). В клетках, где биосинтез белка практически подавлен, ядрышек, может вообще не быть (гранулоциты, зрелые лимфоциты).
Хроматин и ядрышки прикреплены к ядерной оболочке. В состав фибрилл хроматина входят специализированные участки — так называемый гранулярный слой периферического хроматина, которые, по всей видимости, ответственны за контакт с внутренней ядерной мембраной.
Четвертый компонент ядра, кариоплазма, наименее изучен. В последние годы в ней стали выделять так называемый ядерный матрикс — сеть белковых нитей, пронизывающих все ядро. Предполагают, что ядерный матрикс аналогично цитоскелету клетки может определять форму ядра и расположение в нем хроматина. Однако при выделении ядер в условиях, когда матрикс не обнаруживается, и при удалении ядерной оболочки форма ядра остается в общем мало измененной. Это позволяет предположить, что форма ядра поддерживается в основном хроматином.
Имеются указания на то, что состав растворимых веществ кариоплазмы отличается от цитоплазмы (в частности, по концентрациям двухвалентных катионов).
Структура митотических хромосом. Во время деления клетки (митоза) происходят разрушение ядерной оболочки, растворение ядрышка и конденсация хроматина. Как диффузный, так и конденсированный хроматин перестраивается, образуя плотные, интенсивно окрашенные тельца — хромосомы. Число и форма хромосом постоянны у одного вида организма. Хромосомы в виде индивидуальных структур существуют в ядре и в промежутках между делениями, но они в это время недоступны непосредственному наблюдению изза рыхлого расположения хроматиновых фибрилл, которое создает впечатление хаотичной упаковки хроматина в неделящемся (иитерфазном) ядре.
В митотической хромосоме с помощью светового микроскопа можно видеть область первичной перетяжки — центромеру и плечи. Если центромера располагается на самом краю хромосомы, то плечо будет одно (акроцентрическая хромосома), если посередине, то плеча два, и хромосома называется метацентрической, если центромера сдвинута к одному краю, то получается субметацентрическая хромосома.
Более подробное изучение хромосом с помощью светового микроскопа стало возможным после появления методов дифференциального окрашивания (см. главу Изменения хромосом при гемобластозах). В последнее время появились данные о том, что дифференциальная окраска (способом так называемых bands — полос) позволяет обнаружить участки хромосом с различной укладкой фибриллы хроматина. Оказалось, что светлым полоскам соответствуют легче разрыхляющиеся в гипотонической среде .участки хромосомы. При далеко зашедшей деконденсации вся хромосома при исследовании методом электронной микроскопии предстает в виде чередующихся плотных участков и пучков нитей хроматина между ними. Наиболее устойчив к деконденсации прицентромерныи хроматин (в интерфазе он, как правило, присутствует в виде гетерохроматина).
Вопрос о том, что обеспечивает компактную и упорядоченную укладку элементарной фибриллы хроматина в тело хромосомы, остается невыясненным. Наиболее вероятными кандидатами на эту роль являются негистоновые белки. Они, по-видимому. как скрепки соединяют между собой длинные петли хроматина (см. рис. 5). Неизвестно, однако, выполняют эту функцию белки, присутствующие в интерфазном ядре, или же перед началом митоза синтезируются специальные белки.
Цитоплазма. Митохондрии видны в клетке в ииде маленьких шариков, тонких палочек и нитей. В некоторых случаях они сливаются, образуя сеть — митохондриальный ретикулум. Одиночные митохондрии подвижны — они совершают время от времени скачкообразные перемещения в цитоплазме. Форма и объем, занимаемый митохондриями в клетке, непостоянны — могут происходить набухания и сжатия. В живых клетках митохондрии можно наблюдать либо^с помощью фазовоконтрастной микроскопии, либо (рис. 7) вводя флюоресцентный положительно заряженный краситель родамин [Chen et al., 1982]. На фиксированных препаратах митохондрии выявляются лишь с помощью специальных методов окраски.
Так же как и ядро, митохондрии имеют две мембраны — наружную и внутреннюю. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки — кристы. В некоторых местах наружная и внутренняя мембраны могут контактировать друг с другом, но они не переходят одна в другую. Химический состав двух мембран различен. Наружная мембрана проницаема для большинства низкомолекулярных веществ и ионов. Внутренняя практически непроницаема для них, зато содержит в себе системы активного транспорта для ионов водорода, калия, кальция и некоторых других.
В функциональном отношении митохондрии представляют собой весьма специализированный биохимический комплекс, служащий для извлечения энергии при помощи окислительных реакций и ее превращения в энергию электрохимического потенциала, а затем в энергию фосфорных связей — накопление АТФ. Основная часть этого процесса происходит во внутренней митохондриальной мембране, где расположены ферменты системы окислительного фосфорилирования. В результате их работы снаружи накапливаются ионы водорода, а затем, за счет переноса ионов водорода обратно, синтезируется АТФ. Если организм нуждается в повышенной выработке тепла, то синтез АТФ подавляется и вся энергия биологического окисления рассеивается в виде тепла; рроисходит так называемое разобщение окисления и фосфорилирования. Это разобщение сопровождается набуханием митохондрии, разность потенциалов на внутренней митохондриальной мембране утрачивается. Скорость потребления кислорода при разобщении митохондрии резко возрастает. Сильно меняется и ультраструктура митохондрии: их внутреннее содержимое (матрикс) становится более плотным, кристы расширяются. Такие же изменения видны в митохондриях, находящихся в условиях гипоксии.
Помимо дыхания и выработки энергии, митохондрии участвуют в регуляции ионного состава цитоплазмы. Они способны накапливать внутри себя кальций и откладывать его в виде фосфата кальция.
Митохондрии являются полуавтономными органоидами клетки, так как они имеют свою собственную ДНК и аппарат синтеза белка, которые располагаются в матриксе. В отличие от ядерной ДНК, митокондриальная ДНК не образует комплекса с белками (хроматина). Ее длина невелика и митохондрия сама по себе способна синтезировать лишь несколько белков, входящих в состав внутренней мембраны. Абсолютное большинство митохондриальных белков синтезируется в цитоплазме и кодируется в ДНК ядра.
Высокая лабильность митохондрии, особенно изменчивость их ультраструктуры под действием различных неблагоприятных для клетки факторов, позволяют использовать их в качестве индикаторов повреждения или угнетения жизнедеятельности клеток. В большинстве случаев изменения митохондрии (кроме, разумеется, разрушения) обратимы, и они могут вновь вернуться в нормальное состояние.
Рибосомы представляют собой мелкие гранулы диаметром около 20 нм. Они либо свободно лежат в цитоплазме, либо прикрепляются к наружной ядерной мембране или мембранам эндоплазматической сети. Рибосомы являются центральным звеном в системе биосинтеза белка (см. рис. 7). Во время синтеза белка рибосомы прикреплены к молекуле информационной РНК (иРНК). Поскольку длина иРНК в несколько раз больше диаметра рибосомы, то на одной молекуле располагаются подряд несколько частиц. Комплекс рибосом с иРНК получил название полирибосомы. Наличие полирибосом в клетке является индикатором синтеза белка. При его прекращении полирибосомы быстро распадаются на одиночные рибосомы. Такой распад происходит в клетках, вступающих в деление; он может быть вызван воздействием на клетку различных веществ.
Поскольку в составе рибосом довольно много РНК (45% от общей массы частицы), скопления рибосом в цитоплазме клеток обеспечивают ее базофильную окраску, подобно тому, как ДНК хроматина дает базофильную окраску ядра. Пример такой базофилии мы находим в эритробласте, где многочисленные рибосомы синтезируют гемоглобин. Базофильная окраска цитоплазмы характерна также для быстрорастущих клеток в зародышах и в некоторых опухолях.
Рибосомы, расположенные в цитоплазме, синтезируют белки для цитоплазмы. В противоположность им рибосомы, расположенные на мембранах эндоплазматической сети, синтезируют в основном белки, которые идут на построение мембран или выделяются из клеток наружу (пищеварительные ферменты, антитела). Рибосомы эндоплазматической (гранулярной) сети прикрепляются к ее мембранам с помощью специальных белков и этим отличаются от свободных рибосом. В процессе синтеза белка они также группируются в полирибосомы.
Синтезируемые на них белки имеют на конце так называемую сигнальную последовательность — цепочку аминокислот, обеспечивающую немедленное встраивание молекулы белка в мембрану или прохождение сквозь нее.
После окончания синтеза сигнальная последовательность отщепляется от готовой молекулы, не давая ей возможности выйти наружу. В результате синтезируемые в гранулярной эндоплазматической сети белки накапливаются либо в ее мембранах, либо внутри ее цистерн. В дальнейшем эти белки могут претерпевать ряд превращений в аппарате Гольджи.
В клетках существует две разновидности эндоплазматической сети — уже упоминавшаяся гранулярная и гладкая, лишенная рибосом. Обе системы образованы мембранами толщиной около 6 нм. Различные канальцы как в гладкой, так и в гранулярной сети связаны друг с другом. В некоторых случаях удается наблюдать непосредственный переход мембран гранулярной сети в гладкую. Вместе они составляют в клетке, по-видимому, общую систему.
Основной функцией гранулярной эндоплазматической сети, как показали недавние исследования, является формирование мембран. Все мембраны клетки ведут свое происхождение из гранулярной эндоплазматической сети. Из нее же происходит и гладкая сеть. Непосредственно в гладкой сети происходит синтез некоторых липидов, гормонов небелковой природы (стероиды), разрушение ядов и лекарственыых препаратов; она участвует в образовании гранул гликогена (запасного вещества в клетках животных) и в регуляции уровня ионов кальция. Вся эндоплазматическая сеть содержит в своих мембранах систему для активного переноса кальция.
Большое количество мембран эндоплазматической сети характерно для специализированных секреторных клеток. В противоположность им недифференцированные и быстрорастущие клетки содержат в основном свободные рибосомы и мало мембран.
Аппарат Гольджи (пластинчатый комплекс) — это система специализированных мембран, связанная с секрецией, образованием клеточной мембраны и лизосом. Особенно сильное развитие аппарата Гольджи можно видеть в секреторных клетках, например, в бокаловидных клетках тонкой кишки. Мембраны аппарата Гольджи происходят из гранулярной эндоплазмагической сети, но располагаются в виде стопок параллельно уложенных, но не сообщающихся друг с другом плоских мешочков — диктиосом (рис. 8). Диктиосома полярна — она имеет проксимальный и дистальный концы.
Исследования с помощью меченых атомов показали, что в стопке мембранных мешочков отшнуровываются пузырьки с секретируемыми веществами, а к нижнему краю подходят мелкие пузырьки из, эндоплазматической сети. По мере продвижения мешочка от основания диктиосомы к ее вершине происходит утолщение его мембраны от б—7 им в начале до 10 нм в конце. Внутри мешочков аппарата Гольджи происходит преобразование поступивших туда белков и мембран. В результате этого образуются сложные гликопротеиды, формирующие гликокалликс плазмолеммы; секретируемые белки также преобразуются, они упаковываются в секреторные гранулы столь плотно, что между ними практически не остается молекул воды. Так же плотно упаковываются ферменты в первичных лизосомах.
После отделения от дистальной части диктиосомы секреторные пузырьки движутся по направлению к плазмолемме и сливаются с ней. Мембрана пузырьков выворачивается наизнанку, и ее внутренняя поверхность оказывается наружной поверхностью плазмолеммы. В итоге белки, синтезированные на рибосомах гранулярной эндоплазматической сети, оказываются встроенными в плазмолемму или выделенными наружу из клетки, ни разу не побывав в ее цитоплазме.
Лизосомы представляют собой мелкие (диаметром 0,1—0,4 мкм) пузырьки, ограниченные одинарной мембраной и содержащие внутри набор гидролитических ферментов. Лизосомы являются производными аппарата Гольджи. Некоторое время после образования лизосом ферменты в них находятся в неактивном состоянии (I лизосомы). Активация ферментов происходит либо при повреждении мембраны лизосом (клеточный аутолиз), тибо при слиянии I лизосом с эндоцитозным пузырьком или при поглощении ею состарившегося клеточного органоида (например, митохондрии). В результате образуется более обширный пузырек — фагоцитирующая вакуоль, или II лизосома. Лизосомальные ферменты в фагоцитирующей вакуоли расщепляют высокомолекулярные вещества — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды до мономеров, а они через мембрану фагосомы попадают в цитоплазму.
В лизосомах отсутствуют липазы, и поэтому в фагосоме не происходит распада мембран. В результате переваривания образуется небольшое так называемое остаточное тельце, которое или остается в клетке, или выводится наружу. Накапливающиеся во II лизосомах мембраны могут давать так называемые миелиновые фигуры. Накопление миелиновых фигур считается одним из признаков старения клетки; оно характерно для некоторых заболевании. Общий цикл превращении лизосом представлен на рис. 9.
Кроме перечисленных выше органоидов, в клетках присутствуют и другие образованные мембранами струттуры. Наиболее распространенные среди них — мультивезикулярные тельца, микротельца (пероксисомы) и окаймленные пузырьки.
Мультивезикулярные тельца представляют собой, по-видимому, одно из производных II лизосом, а свое название они получили изза множества мелких пузырьков, ограниченных мембраной внутри одного большого пузырька.
Микротельца содержат в основном один фермент — каталазу, с помощью которого они окисляют перекись водорода до воды. Этот фермент может до некоторой степени замещать работу нескольких митохондриальных ферментов, а главное, он препятствует накоплению в клетке перекисных соединений, что могло бы приводить к нежелательному окислению различных органических веществ.
Окаймленные пузырьки стали выделять в отдельный класс цитоплазматических структур совсем недавно. Их отличительной особенностью является специфический интегральный мембранный белок — клатрин. Молекулы клатрина выступают из мембраны наружу и придают ей на срезах опушенный вид. Возможно, что окаймленные пузырьки имеют различное происхождение — образуются в результате эндоцитоза из внешней мембраны, могут отшнуровываться от аппарата Гольджи и, возможно, от эндоплазматической сети.
В отличие от большинства клеточных органоидов центриоли не имеют в своем составе мембран. Их форма и размеры удивительно постоянны (рис. 10). Они представляют собой цилиндр длиной 0,4—0,5 мкм и диаметром 0,2 мкм. В состав центриолей входят белки и небольшое количество РНК. Число центриолей в клетке постоянно — их 2 (в полиплоидных клетках центриолей может быть больше — 4, 8, 16). В процессе подготовки клетки к делению центриоли удваиваются, образуя 2 пары. Удвоение центриолей происходит в интерфазе и совпадает по времени с периодом синтеза ДНК. Рост дочерних центриолей в длину заканчивается к середине митоза, но созревание продолжается еще в течение всего следующего клеточного цикла. Таким образом, в результате митоза в клетуу попадает одна зрелая и одна незрелая центриоль.
Основная функция центриолей как в митозе, так и в интерфазе состоит в организации системы микротрубочек. Расходящиеся пары центриолей определяют в митозе расположение полюсов веретена деления. Вокруг материнских центриолей располагается облако электронноплотного материала, который является местом образования микротрубочек веретена. После деления вокруг материнской центриоли скапливаются электронноплотные сгустки диаметром 40—80 нм. Частично они не могут прикрепляться к центриоли (перицентриолярные сателлиты).
Сгустки служат центрами организации микротрубочек в интерфазе. Предполагается, что сформированные микротрубочки отрываются от центров и образуют в цитоплазме сеть, которая постепенно разрушается и пополняется вновь за счет работы центров.
Цитоскелет — это система пронизывающих цитоплазму нитчатых структур, обеспечивающая опорнодвигательные функции в клетке. Все внутриклеточные фибриллы олее или менее лабильны, они постоянно обновляются. Цитоскелет обеспечивает как сохранение, так и изменение формы клетки.
Основными элементами цитоскелета в клетках позвоночных животных и человека являются микротрубочки, промежуточные (толщиной 10 нм) филаменты и микрофиламенты (рис. 11, см. на цвет. вкл.). По-видимому, все слагающие цитоскелет структуры связаны в клетке в единую общую сеть.
Микротрубочки представляют собой полые внутри цилиндрические образования диаметром 22—24 нм и длиной до нескольких десятков микрометров. Основной компонент микротрубочек белок тубулин. Кроме тубулина, составляющего около 80% массы микротрубочек, в них много других белков. В клетке микротрубочки, по-видимому, определяют направление движения внутриклеточных структур (митохондрий, секреторных гранул и т. п.); они обеспечивают, в частности, поддержание асимметричной формы фибробластов, участвуют в процессе секреции и всасывания. Во время деления микротрубочки формируют митотический аппарат, обеспечивающий расхождение хромосом. При подготовке клетки к делению вся система ее цитоплазматических микротрубочек деполимеризуется до отдельных молекул, а после окончания деления собирается вновь.
Деполимеризация микротрубочек возможна и под воздействием ряда внешних и внутренних факторов: понижения температуры до 0—4°С, при добавлении к клеткам колхицина, винбластиаа (винкристина), при повышении концентрации внутриклеточного кальция. Все перечисленные агенты вызывают остановку клеточного деления.
Промежуточные филаменты получили свое название изза толщины (8—11 нм), которая ставит их между микротрубочками (22—24 нм) и микрофиламентами (5—б нм). В отличие от микротрубочек и микрофиламентов, промежуточные филаменты представляют сборную группу, так как в клетках разных типов они состоят из разыых белков, и выполлняют, по-видимому, различные функции. Наиболее распространены филаменты, состоящие из белка виментина. Они встречаются во всех эмбриональных клетках, во взрослом организме — в клетках соединительной ткани, крови, в небольшом количестве в эпителиальных и мышечных клетках. По расположению виментиновые филаменты сходны с микротрубочками. При разрушении микротрубочек они образуют мощный пучок, окружающий ядро. Все агенты, разрушающие микротрубочки, не влияют на промежуточные филаменты.
Из тканеспецифических филаментов наиболее распространены прекератиновые филаменты. Они встречаются в большинстве эпителиальных клеток. Прекератиновые филаменты входят в состав десмосом —сспециальных структур, скрепляющих эпителиальные клетки между собой. В клетках ороговевающего эпителия из прекератиновых филаментов образуется кератин. В соединительнотканных клетках прекератина нет.
Микрофиламенты состоят в основном из сократительного белка — актина. В клетке они собраны в пучки либо организованы в трехмерную сеть — актиноыый гель. Кроме актина, в состав микрофиламентов входят и другие мышечные белки, а также особый класс актинсвязывающих белков. Микрофиламенты выполняют две основные функции: актин в комплексе с миозином и другими мышечными белками вызывает сокращение, подобно тому, как это происходит в мышце; актин в комплессе с актинсвязывающими белками обеспечивает переход цитоплазмы из жидкого состояния (золь) в твердое (гель). Помммо этого, актин через актинсвязывающие белки связывается с некоторыми интегральными белками плазмолеммы и контролирует их подвижность. В некоторых клетках (тромбоциты) микрофиламенты являются основной системой, обеспечивающей подвижность клеток. Чаще всего, по-видимому, движение обусловлено кооперативной работой микрофиламентов и микротрубочек.
Митотический цикл. Представление о митотическом, или клеточном, цикле возникло в результате изучения выращиваемых в культуре клеток. Многие клетки при этом делятся приблизительно через одинаковые промежутки времени (обычный интервлл между делениями—около суток). Отрезок времени между концом одного митоза и концом следующего называется клеточным циклом. Весь цикл распадается, таким образом, на 2 части: процесс деления (митоз) и подготовку к нему (интерфаза). С помощью авторадиографии показано, что удвоение ДНК происходит в интерфазе, причем начинается задолго до митоза и оканчивается также до его начала. Период синтеза ДНК был назван Sпериодом; промежуток между окончанием митоза и началом Sпериода получил название g]периода, промежуток между окончанием Sпериода и началом митоза получил название Gaпериода. В интерфазы происходит удвоение не только ДНК, но и всей массы клетки. Рост клетки идет в течение всех периодов интерфазы, но особенно быстро во второй ее половине — в S и Сдпериодах. В это время очень интенсивно синтезируется РНК и белок. К началу митоза синтетические процессы замирают и возобновляются в следующей интерфазе.
Большинство специализированных клеток взрослого организма либо не делятся совсем, либо делятся чрезвычайно редко и не находятся, строго говоря, в митотическом цикле. Теоретически выход из митотического цикла возможен в любой период интерфазы (g), S и G^), но практически абсолютное большинство выходят из стадии G,. Выход из цикла может быть обратимым — под воздействием какихто факторов клетка может приступить к синтезу ДНК и разделиться (например, лимфоциты периферической крови входят в цикл и делятся под действием фитогемагглютинина), или необратимым (гранулоциты крови, нервные клетки).
Клетки организма, которые находятся в митотическом цикле, могут проходить его с различной скоростью. Быстрее всего его проходят клетки — предшественницы зрелых форм (у морфологически недифференцируемых клеток-предшественниц гемопоэза цикл составляет около 8 ч). Клетки, выполняющие, кроме функции размножения, спецаализированные функции, делятся медленнее — их клеточный цикл может составлять до б—10 сут. Удлинение цикла всегда связано с увеличением G1-периода, а S- и G2-периоды сравнительно постоянны.
Митоз в клетках млекопитающих начинается с двух событий — конденсации хроматина в ядре и перестройки сети микротрубочек в цитоплазме (рис. 12). В результате в ядре становятся видны отдельные сравнительно толстые нити — хромосомы (их толщина около 0,6—1 мкм). В цитоплазме вокруг 2 пар центриолей образуются 2 системы радиально расходящихся микротрубочек — звезды. В ядре в это время еще сохраняются ядрышки.
Следующая стадия — прометафаза — начинается с разрушения ядерной оболочки. Если наблюдать за живой клеткой, то в это время видно, что хромосомы начинают двигаться. В прометафазе исчезает ядрышко, часть его материала попадает на хромосомы и переносится в дочерние ядра. В то же время 2 пары центриолей расходятся к полюсам клетки и iv жду ними из микротрубочек формируется веретено деления. Хромосомы после некоторого периода довольно хаотичных перемещений выстраиваются в пластинку в центральной части клетки, на равном удалении от полюсов. В области центромеры на хромосомах образуется кинетохор — структура, связывающая хромосомы с микротрубочками веретена.
Со времени образования центральной пластинки — метафазы, хромосомы закреплены в веретене, причем местом прикрепления является кинетохор. В следующей фазе хромосомы расщепляются в области перетяжки и расходятся к полюсам — анафаза. Процесс расхождения хромосом включает в себя 2 стадии — движение самих хромосом к полюсам (анафаза А) и расхождение полюсов друг от друга (анафаза Б). Оба этих процесса обеспечиваются микротрубочками веретена, хотя в деталях их механизмы несколько отличаются друг от друга.
После расхождения хромосом начинается их деконденсация — они окружаются мембранными мешочками, из которых вновь образуется ядерная оболочка. Веретено деления распадается, входившие, в него микротрубочки деполимеризюются с тем, чтобы затем вновь образовать сеть микротрубочек в интерфазной клетке. Последний этап митоза получил название телофазы.
Во время телофазы происходит событие, завершающее деление клетки — образование перетяжки и деление цитоплазмы (цитотомия). В основе цитотомии лежит образование во время деления сократительного кольца из актиновьгх микрофиламентов. После расхождения хромосмм кольцо начинает сокращаться, перетягивая клетку пополам. Некоторое время после этого клетки еще остаются соединенными тонким мостиком с утолщением посередине — остаточным тельцем. В состав остаточного тельца входят микротрубочки веретена, сохраняюииеся в телофазе. В дальнейшем остаточное тельце отрывается и дочерние клетки получают самостоятельность.
По соотношению делящихся и специализированных клеток все ткани организма можно разделить на 3 категории клеточных популяций. К пероой относятся ткани, клетки которых, достигнув высокоспециализированного состояния, полностью утрачивают способность размножаться; классическим примером такой популяции являются нейроны. Ко второй категории относятся клеточные популяции, где высокоспециализированные клетки имеют сравнительно небольшой срок жизни и постоянно должны замещаться новыми (например, в крови). В тканях млекопитающих источником новых клеток являются специальные недифференцированные или малодифференцированные клетки, не утратившие способности к размножению. Как правило, в популяциях этого типа присутствует ряд клеток, постепенно специализирующихся и одновременно утрачивающих способность к делению (по мере созревания такие клетки могут разделиться все меньшее число раз). Родоначальными клетками обновляющихся популяций служат так называемые стволовые клетки. Они способны делиться, но при этом из их потомков могут образоваться лишь определенные типы зрелых клеток.
Третий тип клеточных популяций образуют клетки, срок жизни которых в организме достаточно велик, но меньше продолжительности жизни всего организма. В результате эти клетки изредка делятся, но в основном выполняют свои специфические функции. Деление клеток можно стимулировать внешними воздействиями, но при этом обнаружить специальные стволовые клетки не удается — делятся сами специализированные клетки. К популяциям третьего типа относятся клетки печени, надпочечников и, вероятно, фибробласты.