Во многих клетках растений содержатся мелкие, сферические, окруженные мем-браной микротела с характерными для них ферментами. Число этих органелл в клетке и свойственный им набор ферментов определяются внешними условиями. Эти органеллы чаще всего являются производными ЭР. В отличие от ЭР, митохондрий и хлоропластов, где компартментализация связана с векторной организацией метаболических процессов, пероксисомы и глиоксисомы представляют собой пример так называемой пассивной компартментализации обмена. В пероксисомах находятся ферменты, которые катализируют окисление двухуглеродных кислот, образующихся при фотодыхании (С2-путь фотосинтеза) и расщеплении пероксида водорода. Пероксисомы многочисленны в клетках листьев, где они взаимодействуют с хлоропластами.
У прорастающих семян для превращения жирных кислот в сахара в глиоксилатном цикле служат пероксисомы, которые получили название глиоксисом. Глиоксилатный цикл, который является укороченным вариантом цикла Кребса , позволяет формирующимся проросткам использовать запасы липидов семени. Пероксисомы — самый распространенный вид микротелец. Они получили свое название от пероксида водорода, который образуется в них с участием оксидаз типа II и молекулярного кислорода. Пероксисомы также содержат каталазу, которая восстанавливает Н2О2 до воды с использованием в качестве доноров электронов этанол, метанол, муравьиную кислоту и ряд фенольных соединений. Этот процесс играет важную роль в окислении (обезвреживание) ряда ксенобиотиков. Существует предположение, что пероксисома — это очень «древняя» органелла, которая выполняла еще в примитивных клетках функции защиты от кислорода.
Цитоскелет
Общим для элементов цитоскелета является то, что они представляют собой белковые, неветвящиеся фибриллярные полимеры, способные к полимеризации и деполимеризации. Эти фибриллярные структуры могут обеспечивать пространственную организацию цитозоля, выполняя каркасно-скелетную функцию, определять трехмерное распределение органелл в клетке, участвовать в процессе перемещения клеточных компонентов. Цитоскелет играет определяющую роль в процессах митоза, мейоза и цитокинеза, в клеточной дифференцировке и определении формы клеток, в функционировании клеточных органелл и мембран, синтезе компонентов клеточной стенки.
Цитоскелетная система растений включает в себя микротрубочки, состоящие из тубулина, и актиновые филаменты (микрофиламенты), а также миозиноподобные и актин-связывающие белки. Отдельные элементы цитоскелета могут сшиваться специальными белками не только между собой, но и с мембранными структурами. Мембранно-скелетный комплекс является динамичной системой, чувствительной к уровню ионов Ca , рН, АТФ, ряду других химических и физических факторов.
Фундаментальным биологическим процессом, в котором участвует цитоскелет, является деление клетки. Микрофиламенты участвуют в движении хромосом и образовании перетяжки при клеточном делении. В ходе клеточного деления цитоскелет проходит собственный цикл, принимая сменяющие друг друга различные конфигурации. Это кортикальные спирали, радиальные пучки, препрофазное кольцо, веретено деления и фрагмопласт. В делении растительной клетки основная роль принадлежит микротрубочкам. При этом в составе основных цитоскелетных структур актиновые микрофиламенты колокализуются с пучками микротрубочек.
Общим свойством цитоскелета любой растительной клетки является способность реагировать на внешние факторы. К таким факторам относятся гравитация, электрические поля, изменение осмотичеких и ионных градиентов, механические контакты, в том числе межклеточные. Микротрубочки представляют собой цилиндрические полые структуры с внешним диаметром 25 нм. Длина их варьирует. Микротрубочки состоят из глобулярного белка тубулина — гетеродимера, состоящего из альфа- и бета-субъединиц массой 53 и 55 кДа соответственно. В составе такого димера к каждой молекуле тубулина присоединено по одной молекуле ГТФ. Гетеродимеры тубулина формируют линейные цепочки, называемые протофиламентами. В процессе сборки микротрубочки 13 протофиламентов образуют циклический комплекс, кольца которого полимеризуются и скручиваются в полую трубку, в поперечном сечении которой видны 13 гетеродимеров тубулина. Отдельные протофиламенты и вся микротрубочка являются полярными структурами. Микротрубочки имеют быстро растущий плюс-конец и медленно растущий минус-конец, они регулярно образуются и разрушаются.
Цитоплазматические микротрубочки выполняют две основные функции — скелетную и двигательную. Именно расположение микротрубочек в цитоплазме стабилизирует и определяет форму клетки. Микротрубочки цитоплазмы в ассоциации со специфичными моторными белками способны приводить в движение клеточные компоненты. В процессе растяжения клеток, когда за счет увеличения центральной вакуоли происходит рост объема клеток, большие количества микротрубочек концентрируются в периферических слоях цитоплазмы. В этом случае микротрубочки (как и клеточная стенка) механически укрепляют и как бы армируют цитоплазму.
Существует ряд соединений, которые эффективно используются для подавления сборки микротрубочек. К ним относится алкалоид колхицин, который связывается с отдельными молекулами тубулина, предотвращая их полимеризацию. Это приводит к падению уровня свободного тубулина, что приводит к разборке цитоплазматических микротрубочек, микротрубочек веретена деления и повреждению митотического аппарата. Такими же эффектами обладают колцемид, винбластин и нокодозол. Стабилизирующим действием на микротрубочки обладает противоопухолевый препарат таксол.
Микрофиламентами называют полимерные нити, состоящие из мономеров глобулярного белка G-актина, имеющего молекулярную массу 42 кДа. В растворе мономеры G-актина могут обратимо связываться друг с другом, образуя вытянутые линейные полимеры фибриллярного F-актина. Микрофиламенты состоят из двух закрученных цепочек F-актина диаметром 6—8 нм, длиной несколько микрометров. С G-актином прочно связана молекула АТФ, которая гидролизуется до АДФ при формировании фибрилл F-актина.
Микрофиламенты обладают полярностью. Два их разноименно заряженных конца, обозначаемые как (+) и (–), неравноценны по своему строению. При достаточной концентрации белка (+)-конец будет удлиняться, а (–)-конец укорачиваться. Под влиянием различных воздействий микрофиламенты распадаются на отдельные фрагменты и вновь собираются. Это определяет такие свойства цитоплазматического матрикса, как вязкость, подвижность, переход из состояния геля в золь и обратно. В цитоплазме микрофиламенты формируют пучки из параллельно ориентированных нитей или трехмерную сеть. Вся эта структура очень лабильна. Организация микрофиламентов в цитоплазме регулируется актинсвязывающими белками, специфически взаимодействующими с G- и F-актином. Эти белки выполняют самые разные функции: связывают мономеры актина и делают их недоступными для полимеризации (профилин), участвуют в разрезании актиновых филаментов (виллин), сшивают микрофиламенты друг с другом или другими структурами (спектрин, актинин), участвуют в полимеризации G-актина.
Микрофиламенты участвуют в изменении формы клетки и отвечают за внутриклеточное перемещение хлоропластов, клеточных ядер и везикулярных пузырьков. Внутриклеточное движение возникает при взаимодействии микрофиламентов актина с миозином.
Нитевидная молекула миозина состоит из двух больших и нескольких малых субъединиц, образующих длинную двойную спираль. Один конец этой спирали несет две головки. Он катализирует расщепление АТФ (миозиновая АТФаза) и может специфически связываться с актином. Актин активирует АТФазу. При расщеплении АТФ освобождается энергия, необходимая для внутриклеточных движений. Взаимодействие актина и миозина лежит в основе перемещения органелл и молекул вдоль нитей актина, который играет роль рельсов, а моторный белок миозин служит локомотивом.
Мембраны. Все без исключения клеточные мембраны построены по общему принципу: это тонкие липопротеидные пленки, состоящие из двойного слоя липидных молекул, в который включены молекулы белка. В весовом отношении в зависимости от типа мембран на долю липидов приходится 25-60%, на долю белков 40-75%. В состав многих мембран входят углеводы, количество которых может достигать 2-10%.
Структурной основой мембран является двойной слой липидов. К липидам относится большая группа органических веществ, обладающих плохой растворимостью в воде (гидрофобность) и хорошей растворимостью в органических растворителях (липофильность). Состав липидов, входящих в мембраны клетки, очень разнообразен. Характерными представителями липидов, встречающихся в клеточных мембранах, являются фосфолипиды (глицерофосфатиды), сфингомиелины и из стероидных липидов — холестерин.
Характерной особенностью липидов мембран является разделение их молекулы на две функционально различные части: неполярные (не несущие зарядов) хвосты, состоящие из жирных кислот, и заряженные полярные головки. Полярные головки несут на себе отрицательные заряды или могут быть нейтральными (в случае, если они имеют одновременно положительные и отрицательные заряды). Наличие неполярных хвостов липидов объясняет их хорошую растворимость в жирах и органических растворителях. Способность липидов самопроизвольно образовывать мембранные структуры определяется свойствами самих липидов, а именно наличием в их структуре полярных головок и неполярных хвостов.
В среднем в липопротеидных мембранах белки по весу составляют 50%. Но количество белков в разных мембранах может быть различным. Так в мембранах митохондрий на долю белков приходится около 75%, а в плазматической мембране клеток миелиновой оболочки — около 25%. Но так как липидные молекулы имеют небольшой размер (около 0,5 нм) и молекулярный вес, их число по отношению к числу белковых молекул выше в 50 раз. Поэтому белковые молекулы как бы вкраплены в билипидный слой мембраны. Часть из них связана с липидными головками с помощью ионных (солевых) связей и поэтому легко экстрагируется из мембран растворами солей. Большая часть белков взаимодействует с липидами в составе мембран на основе гидрофобных связей. Оказалось, что многие мембранные белки состоят как бы из двух частей: из участков, богатых полярными (несущими заряд) аминокислотами, и участков, обогащенных неполярными аминокислотами (глицином, аланином, валином, лейцином). Такие белки в липидных слоях мембран располагаются так, что их неполярные участки как бы погружены в “жирную” часть мембраны, где находятся гидрофобные участки липидов. Полярная (гидрофильная) же часть таких белков взаимодействует с головками липидов и обращена в сторону водной фазы, поэтому такие белки, связанные с липидами путем гидрофобных взаимодействий, практически не экстрагируются в водных фазах. Их можно выделить, лишь разрушая мембрану, экстрагируя из нее липиды или органическими растворителями, или детергентами. Поэтому эти белки мембран и называют интегральными.
Исследование искусственных липидных бислоев показало, что мембраны представляют собой двумерную жидкость, обладающую вязкостью, сравнимую с вязкостью оливкового масла. В составе мембран молекулы липидов постоянно движутся. Липидные молекулы двигаются вдоль липидного слоя, могут вращаться вокруг своей оси, а также переходить из слоя в слой, что происходит редко и с помощью специальных переносчиков. Белки плавающие в “липидном озере” также обладают латеральной, продольной подвижностью, но скорость их перемещения в десятки и сотни раз ниже. Состав липидов по обе стороны мембраны различен, что определяет асимметричность в строении билипидного слоя.
Плазматическая мембрана, или плазмолемма, среди различных клеточных мембран занимает особое место. Это поверхностная периферическая структура, ограничивающая клетку снаружи, что обусловливает ее непосредственную связь с внеклеточной средой, а следовательно, со всеми веществами и стимулами, воздействующими на клетку. Поэтому плазматической мембране принадлежит роль быть барьером, преградой между сложно организованным внутриклеточным содержимым и внешней средой. В этом случае плазмолемма выполняет не только роль механического барьера, но, главное, ограничивает свободный поток низко- и высокомолекулярных веществ в обе стороны через мембрану. Более того, плазмолемма выступает как структура “узнающая”, рецептирующая, различные химические вещества и регулирующая избирательно транспорт этих веществ в клетку и из нее. Другими словами, плазматическая мембрана осуществляет функции, связанные с регулируемым избирательным трансмембранным транспортом веществ и выполняет роль первичного клеточного анализатора. В этом отношении плазмолемму можно считать клеточным органоидом, входящим в вакуолярную систему клетки. Как и другие мембраны этой системы (мембраны лизосом, эндосом, аппарата Гольджи и др.) она возникает и обновляется за счет синтетической активности ЭПР и имеет сходную композицию.
ОРГАНЕЛЛЫ клетки • ЭПС • Комплекс Гольджи
