Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 61)

Микрофиламенты

Микрофиламентами называются очень тонкие белковые нити диаметром 5-7 нм. Недавно было показано, что эти нити, присутствующие в эукариотических клетках в большом количестве, состоят из белка актина, близкого к тому, который содержится в мышцах. Во всех изученных клетках актин составляет 10-15% общего количества клеточного белка. Методом иммунофлуоресцентной микроскопии было установлено, что актиновый цитоскелет сходен с цитоскелетом из микротрубочек (рис. 7.26).

Рис. 7.26. Иммунофлуоресцентная микрофотография, демонстрирующая распределение актиновых микрофиламентов в клетке (фибробласте). Актин образует куполообразные скелетные структуры

Нередко микрофиламенты образуют сплетения или пучки непосредственно под плазматической мембраной, а также на поверхности раздела между подвижной и неподвижной цитоплазмой (в растительных клетках, где наблюдается циклоз). По-видимому, микрофиламенты участвуют также в эндоцитозе и экзоцитозе. В клетке обнаруживаются также и нити миозина (другого важного мышечного белка), хотя количество их значительно меньше. Взаимодействие актина и миозина лежит в основе сокращения мышц (разд. 17.4). Это обстоятельство наряду с другими данными указывает, что роль микрофиламентов в клетке связана с движением (либо всей клетки в целом, либо отдельных ее структур внутри нее). Правда, движение это регулируется не совсем так, как в мышце, В некоторых случаях функционируют одни только актиновые филаменты, а в других — актин вместе с миозином. Последнее характерно, например, для микроворсинок (разд. 7.2.11). В клетках, которым свойственно движение, сборка и разрушение микрофиламентов идут непрерывно. В качестве последнего примера использования микрофиламентов укажем, что при цитотомии животных клеток они формируют сократительное кольцо.

Промежуточные филаменты

Третью группу структур составляют, как указывалось выше, промежуточные филаменты (8-10 нм в диаметре). Эти филаменты тоже играют роль в движении и участвуют в образовании цитоскелета.

7.2.11. Микроворсинки

Микроворсинки — одна из наиболее хорошо изученных сократительных систем (конечно, за исключением мышечных клеток). В них мы находим хороший пример взаимодействия микрофиламентов актина и миозина в клетках немышечной природы. Микроворсинками называются пальцевидные выросты плазматической мембраны некоторых животных клеток. Микроворсинки увеличивают площадь всасывающей поверхности, поэтому они особенно многочисленны на поверхности клеток всасывающего типа, а именно в эпителии тонкого кишечника и извитых канальцев нефронов. Бахрому микроворсинок на таких эпителиальных клетках называют щеточной каемкой. Плазматическая мембрана образует и не столь регулярные временные выросты (рис. 7.3 и 7.5), участвующие в экзоцитозе и эндоцитозе.

В каждой микроворсинке содержатся пучки актиновых нитей, связанных с миозиновыми нитями в основании этой микроворсинки, в области, которая называется терминальной сетью. Микроворсинки способны сокращаться. По-видимому, это происходит в результате скользящего движения актиновых нитей вдоль миозиновых — вдвигания их в терминальную сеть, т. е. при помощи механизма, напоминающего мышечное сокращение. Попеременное укорачивание и удлинение микроворсинок, вероятно, способствуют всасыванию.

В растительных клетках микроворсинки отсутствуют: жесткие стенки этих клеток не позволяют плазматической мембране образовывать выросты. Интересно, однако, отметить, что в передаточных клетках (transfer cells; рис. 14.28) достигается аналогичное увеличение площади поверхности. В клеточных стенках этих клеток возникают нерегулярные утолщения, благодаря которым увеличивается площадь поверхности и самих клеточных стенок и подстилающей их плазматической мембраны.

7.2.12. Митохондрии

Митохондрии содержатся во всех аэробных эукариотических клетках. Об их структуре и функции дают некоторое представление рис. 7.3-7.6. Главную функцию митохондрий составляет аэробное дыхание, поэтому они подробно описаны в гл. 11 (разд. 11.5).

7.3. Структуры, свойственные растительным клеткам

Как уже отмечалось выше, в клетках высших растений встречаются все органеллы, обнаруживаемые в животных клетках, за исключением центриолей. В них имеются, однако, и свои особые структуры, рассмотрению которых посвящен этот раздел.

7.3.1. Клеточные стенки

Растительные клетки, подобно клеткам прокариот и грибов, заключены в сравнительно жесткую клеточную стенку. Материал для построения этой клеточной стенки секретирует сама заключенная в ней живая клетка (протопласт). По своему химическому составу клеточные стенки растений отличаются от клеточных стенок прокариот и грибов (табл. 2.1), но этим структурам свойственны некоторые общие функции, а именно функции опоры и защиты; кроме того, и те и другие ограничивают подвижность клеток. Клеточная стенка, отлагающаяся во время деления клеток растения, называется первичной клеточной стенкой. Позже в результате утолщения она может превратиться во вторичную клеточную стенку. В этом разделе мы опишем процесс образования первичной клеточной стенки. На рис. 7.21 воспроизведена электронная микрофотография, на которой можно видеть одну из ранних стадий этого процесса.

Строение клеточной стенки

Первичная клеточная стенка состоит из целлюлозных микрофибрилл, погруженных в матрикс, в состав которого входят сложные полисахариды. Целлюлоза тоже представляет собой полисахарид (ее химическое строение описано в разд. 5.2.3). Особо важное значение для той роли, которую целлюлоза выполняет в клеточных стенках, имеют ее волокнистое строение и высокая прочность на разрыв, сравнимая с прочностью стали. Отдельные молекулы целлюлозы — это длинные полисахаридные цепи. Множество таких молекул, сшитых друг с другом поперечными водородными связями, собраны в прочные пучки, называемые микрофибриллами. Погруженные в матрикс микрофибриллы образуют каркас клеточной стенки. Матрикс клеточной стенки состоит из полисахаридов, которые для удобства описания делят обычно на пектины и гемицеллюлозы в зависимости от их растворимости в различных растворителях, употребляемых для экстракции. Пектины, или пектиновые вещества, при экстракции обычно выделяются первыми, поскольку их растворимость выше. Это — смешанная группа кислых полисахаридов (построенных из моносахаридов арабинозы и галактозы, галактуроновой кислоты, принадлежащей к классу сахарных кислот, и метанола). Длинные молекулы пектиновых веществ могут быть линейными или разветвленными. Срединная пластинка, скрепляющая стенки соседних клеток, состоит из клейких студнеобразных пектатов магния и кальция. В клеточных стенках некоторых созревающих плодов нерастворимые пектиновые вещества превращаются снова в растворимые пектины. При добавлении сахара эти последние образуют гели; поэтому их используют как желирующие вещества.

Гемицеллюлозы — это смешанная группа полисахаридов, растворимых в щелочах (к ним относятся полимеры ксилозы, галактозы, маннозы, глюкозы и глюкоманнозы). У гемицеллюлоз, как и у целлюлозы, молекулы имеют форму цепи, однако их цепи короче, менее упорядочены и сильнее разветвлены.

Клеточные стенки гидратированы: 60-70% их массы обычно составляет вода. По свободному пространству клеточной стенки вода перемещается беспрепятственно. Присутствие воды оказывает влияние на химические и физические свойства полисахаридов клеточной стенки.

Материалы с повышенной механической прочностью, подобные материалу клеточной стенки, т. е. состоящие более чем из одного компонента, называются композиционными материалами или композитами; их прочность обычно выше, чем у каждого из компонентов в отдельности. Системы из волокон и матрицы (в технике основу композиционного материала называют не матриксом, а матрицей. — Прим. перев) находят широкое применение в технике, так что на изучение их свойств как в технике, так и в биологии тратится много усилий. Матрица, работающая на сжатие, передает напряжение волокнам, работающим на растяжение. Она же обеспечивает абразивную стойкость и, по-видимому, стойкость к неблагоприятным химическим воздействиям, возможным в тех или иных условиях. В строительном деле издавна применяется железобетон, т. е. сочетание бетона со стальной арматурой. Позже появился более легкий композиционный материал, в котором роль матрицы играет пластик, а роль арматуры — стеклянное или углеродное волокно. Древесина представляет собой композиционный материал; своей прочностью она обязана клеточным стенкам. Примером жестких композиционных материалов биологического происхождения могут также служить кость, хрящ и покрывающая экзоскелет членистоногих кутикула. Существуют и гибкие композиционные материалы, например соединительная ткань.

У некоторых клеток, например у клеток мезофилла листа, на всем протяжении их жизни имеется только первичная клеточная стенка. Однако у большинства клеток на внутреннюю поверхность первичной клеточной стенки (кнаружи от плазматической мембраны) отлагаются дополнительные слои целлюлозы, т. е. возникает вторичная клеточная стенка. Обычно это происходит после того, как клетка достигнет своего максимального размера, и лишь немногие клетки, например клетки колленхимы, продолжают рост во время этой фазы. Вторичное утолщение клеточных стенок растения не следует путать с вторичным утолщением (вторичным ростом) самого растения, т. е. с увеличением толщины ствола в результате добавления новых клеток.