з цитоплазмы, 5S-PHK — из клеточного ядра. В ядрышках 45S-npe-rPHK расщепляется на промежуточные продукты 5,8S-, 18S- и 28S-PHK (процессинг). В нуклеоплазме в результате отщепления от пре-rPHK ядрышковых белков и присоединения рибосомальных белков образуются 40S- и 60S-cy6-частицы рибосом, по-видимому, еще связанные с ядерным мат-рихсом; они выходят из клеточного ядра через поры в ядерной оболочке (3.5.4).

Ядрышковый хроматин — это повторяющийся хроматин с избыточными, повторяющимися до 100—1000 раз генами для 45S-PHK, которые разделены нетранскрибируемымн спейсерамн (3.5.2.5). Длинные, расплетенные, как в пуфах, тяжи ДНК частично представляют собой не связанные с белком двойные спирали (днаметр 2 нм), а частично — основные хроматиновые ннти (диаметр 10 нм) с нуклеосомами (3.5.2.6).

В результате амплификация (3.5.2.7) число генов для 45S-PHK еще больше возрастает: онн реплицируются параллельно с основной двойной спиралью. Благодаря этому в ядрышке образуются многочисленные короткие внехромо-сомиые тяжн двойной спирали, которые в определенных редких случаях (в яйцеклетках амфибий с хромосомами типа ламповых щеток, в эндосперме растений) покидают ядрышко и образуют мнкроядрышкн.

Во время деления ядра синтез гРНК прекращается, в конце профазы ядрышки исчезают, при конденсации хромосом ядрышковый хроматин в качестве организатора ядрышка входит в SAT-хромосому. После разделения ядра на разрыхляющихся организаторах ядрышка образуются сначала новые РНП-фиб-риллы, а затем и остальные компоненты нового ядрышка.

3.5.4. ЯДЕРНАЯ ОБОЛОЧКА

Ядерная оболочка (рис. 3.7) состоит из двух мембран (каждая толщиной 6—8 нм), между которыми находится перинукле-арное пространство (шириной 10—40 нм). Ядерная оболочка связана с эндопяазматическим ретикулумом (рис. 3.7 н 3.10), будучи его частью (3.8.1), и образуется после Деления ядра из Цистерн ретикулума (используются также обрывки старой ядерной оболочки, разрушенной во время деления).

В отличие от других мембран ядерная оболочка обладает видимыми в электронный микроскоп порами (30—100 нм в диаметре, рис. 3.10), которые занимают о,коло 5% поверхности ядра. Каждая пора с наружной и внутренней стороны окружена

кольцевым валиком из 8 сферических рибонуклеопротеидНых частиц.

В центре поры часто можно видеть «центральную гранулу» — рнбонуклеопротеидную частицу, которая связана тонкими тяжами с кольцевым валиком и, по-видимому, активно транспортируется в цитоплазму. Удалось выявить центральные гранулы ядрышкового и хромосомного происхождения; вероятно, это субчастицы рибосом и тРНК или пре-тРНК, связанные с белком (информоферы).

Рибосомальные белки и все белки клеточного ядра (ферменты, белки ядерного матрнкса, гнстоны н др.) попадают в ядро из цитоплазмы, где они синтезируются, через ядерные поры, а мелкие молекулы и ноны просто проходят сквозь ядерную оболочку; из внутреннего пространства эндоплазматического ретикулума онн могут переходить прямо в перинуклеарное пространство, а далее активно транспортироваться через внутреннюю ядерную мембрану.

Ядерная оболочка содержит многочисленные ферменты, в том числе и полную цепь дыхания от NAD-H до кислорода (4.3.3.2). Существование механизма фосфорилирования (образования АТР; 1-2.7 и 4.3.3.3) представляется, однако, спорным.

3.5.5. ЭКВИВАЛЕНТ ЯДРА В ПРОКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТКАХ

Прокариоты (бактерии, синезеленые водоросли) имеют центрально расположенный, часто округлый нуклеоид — эквивалент клеточного ядра (см. рис. 3.3; его диаметр у бактерии Escherichia coll 200 нм). Он не имеет собственной мембраны, нерезко отграничен от остальной цитоплазмы и связан с плазматической мембраной. Он содержит всего лишь одну замкнутую в кольцо я яакрученную в клубок двойную спираль ДНК (общая длина

Клетка как структурная единица 101

у Е. coll 1,2 мм), в нем нет гистонов и других хромосомных белков, а вместо них имеются небольшие основные молекулы, такие как полиамины.

Как и у эукариот, ДНК содержит гены, расположенные в линейном порядке, и подвергается идентичному воспроизведению (репликации). Функционально она соответствует геному эука-риотической клетки, и поэтому ее называют также геномом или хромосомой. Репликация ДНК у прокариот происходит непрерывно (6.1), и смены форм, как у эукариот (конденсация — разрыхление, 3.5.2.0), не наблюдается.

З.в. ПЛАЗМИДЫ

Плазмиды — это находящиеся вне генома, очень короткие двойные спирали ДНК, замкнутые в кольцо (длиной от нескольких тысяч примерно до 100 000 пар оснований), с одним или несколькими генами, а иногда и совсем без генов. Они реплицируются в большинстве случаев независимо от остального генетического материала и часто переходят из одной клетки в другую (10.2.3.1). В настоящее время они обнаружены у бактерий и дрожжей, а также в митохондриях эукариотических клеток. Некоторые бактериальные плазмиды могут включаться в геном и снова отделяться от него (10.2.3.0).

S.7. МИТОХОНДРИИ И ПЛАСТИДЫ

Митохондрии и пластиды представляют собой органеллы эукариотических клеток, сходные по своим функциям, морфологии и, вероятно, происхождению (3.7.3). Онн обладают сильно развитой системой внутренних мембран, которая образуется из их оболочки и служит для интенсивного преобразования энергии.

3.7.1. МИТОХОНДРИИ

Митохондрии снабжают клетку энергией, которую они накапливают в форме АТР (1.2.7) в результате окисления органических веществ (дыхание); они осуществляют окисление жирных кислот и аминокислот, цикл лимонной кислоты, реакции цепи дыхания и окислительное фосфорилирование (4.3.2.3; 4.3.3.2.3; 4.5). К побочным функциям митохондрий относятся биосинтетические процессы, в частности синтез аминокислот (глутаминовой кислоты, цитруллина) или стероидных гормонов, а также активное накопление ионов.

В клетке имеется 150—1500 митохондрий, у крупных простейших— до 500 000. Они отсутствуют у ряда паразитических простейших, получающих энергию неокислительным путем с по102 Глава 3

Клетка как структурная единица 103

мощью брожения, и в некоторых специализированных клетках, в частности в зрелых эритроцитах млекопитающих.!

У прокариот окислительное высвобождение энергии происходит в плазматической мембране и их впячиваниях, или ти- , лакоидах (3.1.2).

3.7,1.1. Структура и функция митохондрий. Форма митохондрий— в большинстве случаев от округлой до палочковидной (рис. 3.6,В), реже нитевидная. Размеры их от 0,5X0,5X1,0 до 1,0X1,0X5,0 мкм.

Оболочка митохондрий состоит из двух мембран толщиной чаще всего 7—10 нм. Между ними находится перимитохондриаль-ное пространство, а внутри митохондрии — матрикс (рис. 3.11,5). Внутренняя мембрана образует многочисленные впячивания; в большинстве случаев это листовидные кристы, у многих простейших и в некоторых клетках млекопитающих (например, в клетках, продуцирующих стероидные гормоны) — трубочки (тубулы), а у растений — часто кармаковидные мешочки, которые, однако, могут быть артефактом, возникшим при фиксации крист (рис. 3.11. А).

3.7.1.1.1. Наружная мембрана (как и другие мембраны эукариотических клеток), в отлнчне от внутренней мембраны, содержит значительные количества

холестерола, а нз фосфолипндов — фосфатидилэтаноламин, большие количества лецитина и фосфатиднлннозитол (рнс. 2.14), но не содержит кардиолипина.

Наружная мембрана проницаема для неорганических ионов и для относительно крупных молекул (с мол. массой менее 10 000), в частности аминокислот, АТР, сахарозы, промежуточных продуктов дыхания. Столь высокую проницаемость можно объяснить наличием туннельных белков (3.4.1) с широкими порами.

В наружной мембране находятся ферменты обмена фосфолипндов н активации жирных кислот (ацил-СоА-синтетаза), а также моноаминоксидаза.

3.7.1.1.2. Внутренняя мембрана с кристами очень богата белком

(25% липидов, 75% белков, из них '/з периферических и 2/3 интегральных).

Она содержит очень мало холестерола; из фосфолипндов здесь нмеютея фосфатидилэтаноламин, большие количества лецитина и кардиолипни, но почти нет фосфатндилинозитола. Таким образом, эта мембрана по своему составу сходна с бактериальной мембраной. Кардиолипни [днфосфатиднлглицерин: (жирная кислота) 2—глицерин—фосфат—глицерин—фосфат—глицерин— (жирная кислота)2] встречается только у прокариот, в митохондриях и в пластидах.

Проницаемость внутренней мембраны очень мала, и через нее могут диффундировать только небольшие молекулы (с мол. массой менее 100). Поэтому в ней имеются транспортные белки (4.2.2.3) для активного (осуществляемого с затратой энергии) транспорта таких веществ, как, например, глюкоза, промежуточные продукты дыхания (пируват, метаболиты цикла лимонной кислоты), аминокислоты, АТР и ADP, фосфат, Са2+.

В качестве интегральных белков во внутренней мембране и кристах находятся комплексы ферментов, участвующих в транспорте электронов (дыхательная цепь). Периферические мембранные белки — различные дегидрогеназы ' (4.3.3.2)—окисляют субстраты дыхания, находящиеся в матриксе, и передают отнятый водород в дыхательную цепь.

Со стороны матрикса на внутренней мембране и кристах с помощью электронного микроскопа можно видеть грибовидные мембранные АТРазы («элементарные частицы») с округлой головкой диаметром 7—9 нм на ножке длиной 4 нм (рис. 3.11, В); их может быть до 400 на 1 мкм2. Они служат для выработки АТР и состоят по меньшей мере из восьми полипептидных цепей. Пять из этих цепей составляют гидрофильный, легко отделяющийся комплекс Fb образующий головку; именно этот комплекс и продуцирует АТР. Остальные цепи образуют такой же гидрофильный и легко отделяемый связующий фактор (часть ножки) и гидрофобный, встроенный в мембрану комплекс F0. Последний осуществляет энергетическое сопряжение между потребляющим энергию комплексом F] и транспортом электронов, при котором энергия освобождается.

104 Глава 3

Клетка как структурная единица 105

3.7.1.1.3. В перймитохондриальном пространстве осуществляется, в частности,

'фосфорилирование с помощью АТР различных веществ, например иуклеозиддифосфатов, креатинина, AMP (2.3.1, синтез ADP аденилаткиназой).

3.7.1.1.4. Матрикс