С помощью электронного микроскопа было установлено, что существуют два существенно различающихся типа клеток. Хотя им свойственны и некоторые общие черты, все же клетки одного типа настолько отличаются от клеток другого типа по структуре и функциям, что целесообразно рассматривать их раздельно. Все известные в настоящее время клетки относятся к первому или второму типу.

1.2.1. Прокарнотическне клетки

Прокариотические клетки не имеют заключенного в мембрану ядра. Прокариоты отличаются относительно небольшими размерами и простотой строения. Обычно они существуют изолированно, вне связи с другими клетками. Линейные размеры этих клеток, которые могут иметь сферическую, палочкообразную или спиральную форму, как правило, составляют от 0,5 до 3 мкм*. Чтобы представить себе эти размеры, полезно сравнить их с размерами других объектов Вселенной. Как показано на рис. 1.1, прокариотическая клетка настолько же меньше человека, насколько человек меньше земного шара или насколько атом водорода меньше клетки. Как мы увидим позднее, эти отношения приобретают большое значение при детальном изучении функций клетки. Объем одной прокариотической клетки составляет около 10-12 мл, из которых 50-80 % приходится на воду. В первом приближении можно считать. что масса одного прокариота составляет 10-12 г.

_______________________________

* 1 м (метр)=10³ мм (миллиметров) = 10⁶ мкм (микрометров; ранее также употреблялся термин микрон) = 10⁹ нм (нанометров) = 10¹⁰ А (ангстремов).

РИС. 1.1. Характерные размеры объектов Вселенной. Диапазон размеров представителей живого мира весьма широк.

Микроорганизмы этого типа растут очень быстро и широко распространены в природе. Некоторые прокариоты могут удваиваться в размере. массе и числе за 20 мин. Прокариоты. как правило, биохимически универсальны в том смысле, что они могут усваивать самые разнообразные питательные вещества и. более того. способны выбирать наилучшие питательные вещества из имеющейся в среде смеси. Эта особенность прокариот и некоторые другие их свойства, на которых мы остановимся позднее, способствуют тому, что прокариотические клетки могут приспосабливаться к самым различным условиям. Поскольку прокариоты обычно существуют как изолированные одноклеточные организмы, у них практически нет средств контроля окружающей среды. По этой причине проявляемая ими гибкость в выборе питательных веществ необходима для их выживания. Быстрый рост и биохимическая универсальность прокариот делают их незаменимыми в биологических исследованиях и биохимической технологии.

РИС. 1.2. Электронная микрофотография прокариоты Bacillus subtilis. Эта почвенная бактерия, изображенная здесь почти в конце процесса деления, используется в промышленности для производства некоторых биологических катализаторов и антибиотиков. Длина клетки около 2 мкм, ширина 1 мкм. В. subtilis является также важной клеткой-хозяином для рекомбинантных ДНК.

На рис. 1.2 изображены основные структурные элементы прокариотической клетки. Клетка окружена жесткой стенкой толщиной около 200 А. Стенка обеспечивает сохранение клетки как единого целого, что необходимо для ее выживания в меняющихся условиях среды. Непосредственно под стенкой расположена клеточная мембрана, которая обычно имеет толщину около 70 А и по строению не отличается от мембран других клеток. Иногда ее называют плазматической мембраной. Важнейшая функция мембраны заключается в транспорте веществ из клетки в среду и наоборот, причем от мембраны зависит, какие вещества и с какой скоростью будут транспортироваться в клетку и из клетки. Внутри клетки имеется довольно большая, четко не ограниченная область, называемая нуклеоидом, которая играет основную роль в контроле жизненно важных функций клетки. Темные пятнышки неправильной формы внутри клетки изображают рибосомы – центры важнейшего биохимического процесса – белкового синтеза. Цитоплазмой называется жидкость, занимающая весь остальной объем клетки. В прокариотической клетке имеются также светлые, напоминающие пузырьки области, называемые резервными гранулами; их не видно на приведенном рисунке, но можно различить на некоторых других микрофотографиях. Строение и функции перечисленных структурных элементов прокариотической клетки мы рассмотрим более детально позднее, после того как будут изложены необходимые основные положения и объяснены соответствующие термины.

Обладая многими общими структурными и функциональными элементами, различные прокариоты могут в то же время существенно отличаться друг от друга. У сине-зеленых водорослей, например, имеются мембраны, способные улавливать энергию света и использовать ее для фотосинтеза. В этом сложном процессе утилизации солнечной энергии клетки обеспечиваются необходимым для их жизнедеятельности органическим веществом и выделяют в атмосферу кислород.

1.2.2. Эукариотические клетки

Второй основной тип клеток составляют эукариотические клетки. Эукариотическими называют клетки, ядро которых заключено в мембрану. Как правило, эукариотическая клетка по объему в 1000-10 000 раз больше прокариотической. К этому типу клеток принадлежат все клетки высших организмов. Эукариотические клетки отличаются большим разнообразием форм, что необходимо, в частности, для обеспечения различных специализированных функций. В составе высших организмов эти клетки сосуществуют и взаимодействуют друг с другом различными путями и поэтому не нуждаются в биохимической гибкости и приспособляемости, столь необходимых для прокариот. К эукариотам относятся и многие важные виды микроорганизмов. В следующем разделе мы приведем ряд примеров одноклеточных эукариот.

РИС. 1.3. Типичная эукариотическая клетка. Такой идеализированной клетки с указанной обобщенной структурой в природе не существует; на самом деле эукариоты существенно различаются по своей организации. Тем не менее некоторые общие черты и структурные элементы характерны для многих эукариот, поэтому концепция типичной эукариоты в ряде случаев оказывается удобной и полезной.

Как показано на рис. 1.3 и 1.4, по степени сложности внутренней структуры эукариоты намного превосходят прокариотические клетки. Для эукариот характерна высокая степень пространственной организации и дифференциации отдельных элементов клеточной структуры. Внутренний объем клетки разделен на ряд четко ограниченных структурных компонентов, которые подробнее мы рассмотрим позднее; каждый из этих компонентов имеет свою структуру и функцию, необходимую для нормальной жизнедеятельности всей клетки. Здесь мы обсудим только самые основные детали строения эукариотических клеток.

Клетка окружена плазматической мембраной, аналогичной мембране прокариот. Снаружи эта мембрана может быть защищена клеточной стенкой, или оболочкой. Природа других покровных структур клетки зависит от ее типа. Так, клетки высших животных обычно окружены тонкой оболочкой, особые адгезивные свойства которой существенны для связывания клеток друг с другом и последующего образования специализированных тканей и органов (например, печени). Клетки растений, напротив, обычно окружены очень толстой и прочной стенкой. Стенки отмерших клеток деревьев представляют собой основную составную часть древесины.

РИС. 1.4. Электронная микрофотография клетки печени крысы (х 11 000).

В специализации различных структурных элементов эукариот большую роль играют внутриклеточные мембраны. От клеточной мембраны внутрь клетки отходит сложная мембранная система, называемая эндоплазматическим ретикулумом или эндоплазматической сетью. Ядра эукариот окружены пористыми мембранами. К поверхности большинства элементов эндоплазматического ретикулума прикреплены рибосомы – центры белкового синтеза, о чем уже упоминалось в разделе, посвященном прокариотам. Рибосомы последних, однако, несколько меньше рибосом эукариот.

Основной функцией ядра эукариот являются контроль и регулирование каталитической активности рибосом, причем выделяемые ядром химические посредники (информационные и др. РНК) не только регулируют скорость реакций, но и определяют последовательность присоединения аминокислот при синтезе белка.

РИС. 1.5. Электронная микрофотография эукариотической водоросли Chlamydonomas reinhardii (х 13 000). На фотографии видны хлоропласты (х), стенка (с), ядро (я) и ядрышко (як), вакуоли (в) и комплекс Гольджи (г).

Ядро представляет собой один из структурных элементов клетки, окруженных мембранами. Эти специализированные заключенные в мембраны структуры в общем случае называют органоидами. Митохондрии – это органоиды с чрезвычайно специализированной и высокоупорядоченной структурой; митохондрии катализируют реакции, являющиеся основным источником клеточной энергии. Они встречаются во всех эукариотических клетках, потребляющих кислород в процессе генерирования энергии. В клетках прототрофов, которые в качестве первичного источника энергии используют свет, роль основного генератора энергии играют другие органоиды – хлоропласты (рис. 1.5). Помимо обеспечения клеток энергией хлоропласты и митохондрии выполняют и многие другие биохимически важные функции

На рис. 1.3-1.5 изображены и другие органоиды – комплекс Гольджи (аппарат Гольджи, пластинчатый комплекс), лизосомы и вакуоли. В самых общих чертах их функции сводятся к осуществлению некоторых химических реакций и к компартментализации (т. е. к приуроченности к определенным участкам клетки) ряда соединений, обеспечивающей изоляцию последних от остальной цитоплазмы. Процессы компартментализации важны как с точки зрения эффективности реакций, так и с точки зрения предотвращения нежелательных взаимодействий между содержимым органоидов и другими компонентами клетки.

Обнаружение описанных выше типов органоидов в самых различных эукариотах позволило по-новому оценить основные преимущества клеточной теории. Теперь различные стороны жизнедеятельности клеток можно рассматривать как сумму происходящих в органоидах процессов, каждый из которых в свою очередь можно изучать отдельно. Считается, что органоиды одного типа выполняют аналогичные операции и функции независимо от природы клеток, к которым они принадлежат; пока что не было обнаружено исключений из этого правила.

Таким образом, основной путь изучения клетки заключается в определении химического состава, строения и биохимической активности органоидов. Большая часть имеющихся в настоящее время данных о биохимии клетки получена именно таким путем. Поэтому в следующем разделе мы вкратце рассмотрим методы центрифугирования, широко применяющиеся для выделения составных частей клеток.

1.2.3. Фракционирование клеток

Основная проблема в изучении свойств определенных органоидов из данного типа клеток заключается в получении достаточного для последующего биохимического анализа количества этих органоидов. Обычно для этой цели выделяют большое число органоидов из большого числа клеток (из так называемой популяции клеток). Как правило, стандартная методика выделения органоидов включает в себя в качестве первой стадии гомогенизацию суспензии клеток в специальном растворе с помощью трубки с вращающимся пестиком или ультразвука. Таким путем пытаются разрушить клетки, не затрагивая содержащиеся в них органоиды и не нарушая их структуру. Следующая стадия заключается во фракционировании полученной суспензии, которая в идеальном варианте представляет собой смесь выделенных из клеток целых органоидов.

Как инженеры-технологи, мы знаем, что любой процесс разделения основан на различиях в физических п (или) химических свойствах разделяемых компонентов. Обычный метод фракционирования органоидов клетки базируется на различиях в их физических характеристиках: размере частиц, их форме и плотности. Упрощенно процесс центрифугирования рассмотрен в приведенном ниже примере.

В применении и интерпретации результатов фракционирования компонентов клеток методом центрифугирования имеется ряд ограничений, хорошо освещенных в книге Малера и Кордеса (Mahler Н. R., Cordes Е. Н., Biological Chemistry, 2nd ed., Harper and Ro,v, PuЫishers, Inc., New York, 1971). Одна из трудностей характерна для любых работ в области изучения и применения микроорганизмов. Для того чтобы получить достаточное для последующих работ количество клеток, органоидов, биологически важных молекул и других компонентов клеток, мы вынуждены использовать популяцию, т. е. большое число индивидуальных клеток. Обычно принимается, что эта популяция гомогенна, или, иными словами, все входящие в ее состав микроорганизмы идентичны. В таких случаях популяция нужна только для увеличения числа этих микроорганизмов с тем, чтобы облегчить дальнейшие экспериментальные исследования.

Обычно, однако, входящие в состав популяции микроорганизмы в той или иной степени различны; такую популяцию называют гетерогенной. Например, в популяции растущих клеток имеются старые и молодые, большие и малые клетки, часто различающиеся по биохимическому составу и активности. Если же рассматривать структурные элементы клетки, то следует отметить, что органоиды одного типа, например, митохондрии, находящиеся в одной и той же клетке, также несколько отличаются друг от друга. Поэтому содержащая митохондрии клеточная фракция также представляет собой гетерогенную популяцию. При дальнейшем изучении таких смесей определяют, по сути дела, некоторые усредненные характеристики популяции клеток, и, следовательно, найденные параметры будут зависеть от состава популяции.