Структурная организация растительной клетки

Исследования клетки и ее органоидов начаты с момента ее открытия. Из-за очень малых размеров субклеточных структур при исследовании их приходилось преодолевать огромные теоретические и методические трудности. Основным орудием исследования клетки был микроскоп, и успехи в микроскопической технике определяли прогресс науки о клетке. Когда была достигнута предельная разрешающая способность микроскопа, были сформулированы и основные представления о структурной организации клетки.

В меристематической клетке оказались хорошо видимыми клеточная оболочка, ядро и цитоплазма, а во взрослой клетке — вакуоль, занимающая значительную часть ее внутреннего объема.

В ядре, имеющем обычно шаровидную форму, хорошо видны одно или несколько ядрышек. При делении ядра легко обнаруживаются такие структурные образования, как хромосомы и веретено. В цитоплазме при соответствующем увеличении микроскопа можно видеть следующие субклеточные структуры: 1) пластиды; 2) митохондрии — сферические, палочковидные или нитевидные органоиды; 3) сферические секреторные гранулы, отличаемые от митохондрий только различным отношением к прижизненным красителям; 4) капельки жира и зерна крахмала, которые легко отличить от органоидов клетки по их оптическим свойствам и реакциям на окрашивание; 5) аппарат Гольджи (в животных клетках), представляющий собой сеточку из переплетенных нитей, или же имеющий вид гранул, часто серповидной формы, расположенных в цитоплазме группой или отдельными гранулами.

Несмотря на огромное разнообразие клеток тела растений, все они оказались построенными по единому плану, всем им свойствен определенный набор органоидов. Кроме того, на уровне субклеточных структур стираются различия между растительной и животной клеткой. В структуре и функции таких органоидов, как ядра, митохондрии и рибосомы, принципиальных отличий между животной и растительной клеткой пока не обнаружено.

В течение длительного времени, широко используя методы гистохимии, исследователи пытались выяснить химический состав видимых органоидов клетки и, главное, подойти к изучению их функции.

Совершенствование микроскопической техники (интерференционная микроскопия, ультрамикроскопия, поляризационно-оптические исследования, рентгеноскопия) не принесло решающих сдвигов в расшифровке структуры цитоплазмы, в познании формы и функции видимых органоидов клетки.

Обнадеживающие результаты по изучению химического состава клетки и ее органоидов были получены при применении флуоресцентной и ультрафиолетовой микроскопии, позволивших несколько шире интерпретировать функцию отдельных органоидов клетки.

Новый, исключительно продуктивный этап в исследовании структурной организации клетки начался с момента изобретения электронного микроскопа и разработки способа выделения органоидов клетки в количествах, достаточных для проведения почти всех обычных биохимических исследований.

Метод фракционного, или дифференциального, центрифугирования, использование изотопов в сочетании с электронным микроскопом позволили обнаружить в цитоплазме новые структурные образования и развернуть широким фронтом изучение функции отдельных органоидов. Если в недалеком прошлом изучением органоидов клетки занимались главным образом цитологи, то новые методы позволили включиться в эти исследования физиологам, биохимикам и биофизикам. В последнее десятилетие в познании клетки было сделано значительно больше, чем за предыдущие сто лет.

Для общей характеристики современного представления о структуре растительной клетки, основанного на данных электронной микроскопии, мы приведем ее схематическое изображение (рис. 4), взятое нами из доклада Ж. Дюсе на V Международном биохимическом конгрессе. В целях более целеустремленного рассмотрения значимости отдельных структурированных субклеточных систем в обмене веществ. В клетке Д. Е. Грин (1961) разделил их на три большие функциональные группы: 1) преобразующие машины (например, митохондрии и хлоропласты), катализирующие трансформацию энергии; 2) реплицирующие машины (например, рибосомы), катализирующие репликацию белков и других биополимеров; 3) интегрированные метаболические системы (например, клеточные гранулы), участвующие в синтезе жирных кислот и холестерина и катализирующие мультиэнзимные синтетические процессы. Несомненно, что такая группировка позволила дать Грину развернутую картину структуры и организации митохондрий как преобразующих энергию машин.


Рис. 4. Ультраструктура цитоплазмы растительных клеток (схема):
э (з) — эргастоплазма с зернистой поверхностью (с гранулами Палада); э (гл) — эргастоплазма с гладкой поверхностью (без гранул Палада): вместе они образуют сеть (эндоплазматический ретикулум), которая переходит в ядерную мембрану ям (эргастоплазматической природы); эм — экстоплазматическая мембрана, впячивания (эмз) и выросты (змв) которой вместе с ядерной мембраной создают непрерывность эндоплазматического ретикулума; n — плазмадесмы, пронизывающие пекто-целлюлозную мембрану (пцм) с проходящими через них эргастоплазматическими трубочками (непрерывность цитоплазмы); м — митохондрии; пл — пластиды, рассеянные в основном веществе; д — диктиосомы; гг — гидрофобные гранулы, часто окруженные эргастоплазмой; эв — эргастоплазматические впячивания, представляющие собой, вероятно, поглощение жидкости, аналогичные пиноцитозу; эв1, эв2, эв3...... эв& — последовательные состояния поглощения капелек; дд — диктиосомы в состоянии деления; я — ядро; яд — ядрышко; хрн — хроматиновые нити (по Рису); ядн — ядрышковые нити (проблематично); цн — цитоплазма тические нити (проблематично); яп — ядерные поры; гп — гранулы Палада (проблематично)

Однако при такой группировке неизвестно, куда же поместить основной органоид клетки — ядро. При этом как будто бы полностью исключается возможность трансформации энергии в других органоидах клетки, кроме митохондрий и хлоропластов. Обнаружение рибосом в митохондриях и ядре также нарушает принцип группировки, предложенный Грином.

Следовательно, она в какой-то степени помогает более целеустремленно рассмотреть ведущую, определяющую функцию отдельных органоидов клетки, но далеко не достаточна для понимания взаимодействия органоидов клетки и их роли в ее метаболизме.

Протоплазма

Основную роль среди всех компонентов протоплазмы играют белки. Эта главенствующая роль белков определяется теми исключительными свойствами, которыми они обладают: необычайной химической реактивностью, разнообразием форм, способностью к структурообразованию и специфической активностью. Высокая химическая реактивность белковых молекул находит свое отражение в том, что в протоплазме они всегда соединены в сложную комплексную систему с другими важными соединениями: нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами и т. д.

Эти комплексные системы под влиянием различных внешних воздействий способны ж обратимым изменениям формы, соединению и разрушению, ж изменению активности, выражающейся в усилении или уменьшении жизнедеятельности клетки в целом.

Представление о протоплазме как о сложной гетерогенной коллоидальной системе требовало четкого представления об основных компонентах этой системы: дисперсной фазе и дисперсионной среде. Прямые и косвенные методы исследования (микрургия, фазово-контрастная микроскопия, изучение двойного лучепреломления, структурной вязкости, рефракции и т. д.) подтверждали, с одной стороны, наличие в протоплазме субмикроскопических единиц нитевидной (фибриллярной) формы, а с другой стороны, показывали существование гранулярных (глобулярных) частиц. Вместе с тем, при электронномикроскопических исследованиях было обнаружено, что протоплазма может иметь разное строение: сетчатое, пластинчатое, фибриллярное, гранулярное. Ряд авторов считает, что такие различные проявления субмикроскопического строения протоплазмы зависят от основных структурных элементов протоплазмы — глобулярных и фибриллярных белков и их взаимных превращений. Наиболее полное выражение этот взгляд получил в предложенной Фрей-Висслингом теории соединения (Frey-Wyssling, 1957). Согласно этой теории, основной элементарной единицей субмикроскопической структуры протоплазмы являются глобулярные макромолекулы, состоящие из сильно извитых линейных полипептидных цепей. Такие глобулярные макромолекулы, соединенные в виде нитки бус, образуют фибриллы или пластины. Эти линейные образования способны к различным поперечным соединениям, в результате чего образуется более или менее твердая сеть («остов» протоплазмы) (Frey-Wyssling, 1953). Образование ансамбля таких упорядоченных соединений имеет не случайный характер, а следует определенным полям притяжения на поверхности сложных глобулярных единиц. По мнению Фрей-Висслинга, эти поля притяжения играют ту же роль, что и координационные числа в кристалло-образовании. Если макромолекулы являются сильными диполями, то такие поля притяжения находятся на их противоположных сторонах и в этом случае возможно образование цепей (и, следовательно, фибриллярных структур) из глобулярных единиц. Соединения из трех таких элементов образуют пористую пленку (рис. 5). Между соседними полипептидными цепями возможны 4 различных типа связи: 1) гетерополярные силы межмолекулярного воздействия, вызываемые диполями, вследствие гидратации «коллоидной системы; 2) гегерополярные валентные связи, чувствительные к изменению pH (эфирные, или солевые, связи); 3) гомеополярные валентные связи, зависящие от окислительно-восстановительного потенциала (дисульфидная связь); 4) термолабильные гомеополярные силы межмолекулярного взаимодействия (например, связь белковых молекул через метильные группы) (Фрей-Висслинг, 1950).

В связи с установлением того факта, что протоплазма состоит не из открытых полипептидных цепей, а из сильно спирализованных закрученных макромолекул, сейчас большое внимание уделяется не только внутримолекулярным силам, но и силам межмолекулярного взаимодействия (так называемым длиннодействующим силам (Вооф, 1961).

Электронномикроскопические исследования структуры цитоплазмы

Электронная микроскопия открыла необычайно сложный и разнообразный мир субмикроскопических структур протоплазмы. Детальные исследования этих субмикроскопических структур начались сравнительно недавно, однако уже сейчас электронно-микроскопические картины фиксированных клеток имеют большое постоянство своих основных черт и показывают четкие изменения субструктур при изменении функциональной активности клеток.

Приготовление биологического материала для исследования в электронном микроскопе требует особой обработки (фиксация, контрастирование, обезвоживание, заделывание в пластмассы или резины, просмотр среза в вакууме и т. д.). Естественно, что такая обработка вызывает различные изменения в исследуемом объекте и в основных веществах, составляющих его структуры, — белках, липоидах, нуклеиновых кислотах. Эти изменения должны строго контролироваться, поскольку при электронномикроскопическом исследовании объекта имеют дело с молекулярными масштабами, где определение размера той или иной структуры приобретает особо важное значение.

Как известно, протопласт растительной клетки включает в себя цитоплазму, ядро, вакуоль. Цитоплазма состоит из мезоплазмы, плазмалеммы и тонопласта.

Мезоплазма представляет собой центральную часть цитоплазмы, состоящую из основной цитоплазмы и цитоплазматических включений (пластиды, митохондрии, диктиосомы и т. д.).

Плазмалемма (эктопласт) и тонопласт представляют собой мембраны толщиной около 100 А, находящиеся соответственно на внешней и внутренней поверхностях мезоплазмы.

Основная цитоплазма (гиалоплазма) — это сложная гетерогенная система с целой серией субмикроскопических структур, доступных наблюдению только в электронном микроскопе. Все субмикроскопические структуры, находящиеся в основной цитоплазме, окружены непрерывной фазой, называемой цитоплазматической матрицей (или гиалоплазменной матрицей). В своем большинстве матрица состоит из макромолекулярной смеси, основой которой являются глобулярные белки, способные к обратимым глобулярно-фибриллярным изменениям. На электронномикроскопических фотографиях цитоплазматическая матрица видна в виде гомогенного или очень тонко зернистого вещества, имеющего низкую электронную плотность. Эта зернистость вследствие очень малого размера плохо поддается разрешению в электронном микроскопе. Зернистые образования могут наблюдаться в виде скоплений типа хлопьевидных агрегатов, но в этом случае они представляют собой артефакты, возникшие вследствие всей подготовительной обработки (Strugger, 1957).

В этой гомогенной матрице можно наблюдать различные четкие образования большой электронной плотности. Эти образования соединены в весьма сложную структурную организацию, пронизывающую всю мезоплазму. Одной из основных ультраструктур цитоплазмы является эндоплазматическая сеть (эндоплазматический ретикулум). Она представляет собой систему ограниченных мембранами пузырьков, трубочек, цистерн различного размера и формы, находящихся во всей основной цитоплазме (см. рис. 4). Было показано, что в растительных клетках эндоплазматическая вакуолярная сеть может быть связана с плазмалеммой и в то же время с ядерной оболочкой (Buvat, 1959). Это приводит исследователей к мысли о едином происхождении плазменной и ядерной оболочек и тесной связи всех структурных образований в функциональной деятельности клетки. На основе подобных исследований цитоплазма клетки рассматривается состоящей из двух структурных фаз, разделенных непрерывной системой мембран. Одна из этих фаз содержит цитоплазматическую матрицу и связана с ядром, а вторая, более или менее пустая, связана с внешним окружением (Mercer, 1960).

Другим важным компонентом цитоплазмы являются рибонуклеопротеидные частицы, или рибосомы. Рибосомы представляют собой частицы высокой электронной плотности диаметром около 150 А, которые либо находятся свободно в цитоплазме, либо связаны с внешней стороной мембран эндоплазматической сети. При дифференциальном ультрацентрифугировании рибосомы и мембраны эндоплазматической сети выделяются в виде особой фракции микросом, свойства которой подробно рассмотрены ниже (стр. 39). Функциональное значение рибосом окончательно еще не выяснено, но показана их тесная связь с синтезом белка в клетке и общими ростовыми процессами (Setterfeld, 1961).

В связи с рассматриваемым и субмикроскопическим и структурами заслуживает внимания анализ электронномикроскопических изображений клеток меристемы кончика корня луковицы (Allium сера) ио Штруггеру (Strugger, 1957). В гомогенной цитоплазматической матрице можно наблюдать глобулярные образования большой электронной плотности. Эти образования часто располагаются в виде одинарных или двойных рядов, соединенных поперечными связями, либо образующих небольшие нити, серповидные кружки и т. д. Анализируя электронномикроскопические фотографии, Шгруггер приходит к заключению, что в цитоплазме существуют субмикроскопические спирально закрученные нити (рис. 6). Подобные спирализованньпе нити образуют основную массу субмикроскопических структурных элементов цитоплазмы, так называемую «цитонему» (рис. 7). Диаметр этих нитей 150-180 А, а диаметр образуемых ими спиралей в среднем 430 А; о длине их трудно сейчас сказать поскольку исследовались ультратонкие срезы, но максимальная длина равняется 3135 А. Таким образом, все видимые на ультратонких срезах глобулярные элементы представляют собой срезы основных спирально закрученных нитей, сделанных в различных плоскостях (рис. 8). Эти заключения Штруггера совпадают со взглядами других исследователей, указывающих, что принцип спиральной структуры является самым характерным признаком субмикроскопической морфологии. Наглядным доказательством этого является обнаружение спиральной структуры α- и β-белков, нуклеиновых кислот и даже вирусных частиц (Frey-Wisling, 1957). Интересные подсчеты были сделаны при рассмотрении протоплазмы растительных клеток (Brown, 1960). Если принять среднее содержание белка в клетке равным 2×10-9 г, то площадь, которую займет это количество белка в виде монослоя, составит 400 000 мк2. Если принять среднюю площадь клетки равной 20 000 мк2, то, следовательно, в пределах клеточной стенки могут расположиться около 20 последовательных слоев белка. Даже если увеличить это число в 2,5 раза (50 слоев), то трудно представить, как они могут быть построены в сложный структурный комплекс эндоплазматической сети. Вместе с тем, хотя эндоплазматическая сеть хорошо наблюдается на ультратонких срезах и, как свидетельствуют электронные микрофотографии, весьма чувствительна к деформации, изменению условий питания, температуры, нет доказательств ее высокой лабильности. Если считать эндоплазматическую сеть твердой структурой, то трудно объяснить изменение таких физических характеристик, как структурная вязкость, переход золя в гель и т. д. Все это указывает на большую сложность, с которой сталкиваются цитофизиологи при исследовании клетки на ультраструктурном уровне, и свидетельствует о той большой работе, которую предстоит провести, чтобы воссоздать правильную и полную картину ультраструктурной организации клетки, тесно увязанную с современными физико-химическими данными о живой протоплазме.


Рис. 7. Схематическое масштабное изображение субмикроскопического строения цитоплазмы меристематических клеток кончика корня луковицы:
1 — вакуоли, 2 — митохондрия, 3 — сферозома, 4 — диктиосома, 5 — звездообразное тело, 6 — двойные ламелли, 7 — цитонема


Рис. 8. Схематическое изображение некоторых возможных типов плоских срезов цитонемы различного наклона и положения (Struger, 1.957)

Органоиды растительной клетки

Сохраняя историческую последовательность в изучении органоидов клетки, мы рассмотрим сначала структуру и функцию ядра, затем митохондрий, рибосом, аппарата Гольджи и некоторых других ее органоидов.

Клеточное ядро

Ядро является первым органоидом клетки, который привлек внимание исследователей. Во всех учебниках цитологии центральное место занимают вопросы морфологии, физиологии и биохимии ядра. О ядре написано много сводок, монографий, в которых широко освещаются история развития учения о ядре, его морфология и функция. Мы приведем работы лишь последних лет, в которых с достаточной полнотой освещается литература о ядре (Brachet, 1957; Allfrey, Mirsky, Stern, 1955; Caspersson, 1950; Claude, 1949; Davidson, 1953; Kuster, 1956; Milovidov, 1949; Макаров, 1960). Интерес к этому органоиду обусловлен тем, что за клеточным ядром признается ведущая роль в жизнедеятельности клетки, морфогенезе, передаче наследственных свойств. Здесь не будем касаться всех аспектов исследования ядра, а лишь коротко остановимся на некоторых новых данных о его структуре, химическом составе и роли в метаболизме клетки.

Химический состав ядра клетки

Успехи исследований химического состава ядер в сильной степени зависели от качества методов выделения ядер в чистом виде, совершенства и чувствительности цитохимических и гистохимических методов.

Наиболее ценные результаты о составе ядер были получены при анализе выделенных ядер, поэтому исследователи так много уделяли внимания методам получения чистых ядер, не загрязненных другими органоидами клетки или продуктами их распада.

В последние годы для выделения ядер в основном используется метод дифференцированного центрифугирования в водной или безводной среде. При этом довольно часто преимущество отдается последнему способу, так как при выделении ядер в водной среде возможно вымывание компонентов ядра и адсорбция на их поверхности мелких гранул или же растворенных соединений в гомогенате.

Метод выделения ядер в неводной среде также имеет свои недостатки. Прежде всего, это большая сложность метода, а затем возможность резкого изменения активности ферментов.

Даунс (1955) приводит следующие данные о составе клеточных ядер (в % на сухое вещество): белка — 74-90; РНК — 2-5; ДНК — 4-12; липидов — 3-11. Довольно близкие цифры приводятся для ядер клеток растительных тканей: белка — 50-80%; ДНК — 5-10%; РНК — от 3,3% до 0,5%о; липидов — от 8 до 12% (Serra, 1955). Интересно отметить, что оба автора воздерживаются от приведения данных процентного содержания минеральных веществ, хотя в литературе неоднократно сообщалось о количестве в ядре минеральных веществ, полученных на основании микроозоления (Кизель, 1940).

Нужно сказать, что суммарное определение состава ядра на данном уровне развития наших знаний о функции органоидов клетки явно не удовлетворяет исследователей. Одним из наиболее надежных количественных показателей химического состава ядра являются липиды. Это объясняется главным образом тем, что большинство применимых методов для выделения ядер позволяет сохранить в них липиды в неизмененном виде. Кратко остановившись на химическом составе целого изолированного ядра, посмотрим, каким образом обнаруженные в ядре вещества распределяются между структурными элементами.

Белки клеточных ядер. Из приведенных выше данных следует, что основная масса клеточных ядер состоит из белков. Существовавшее длительное время представление, что ядра содержат только щелочные белки типа протаминов и гистонов, оказалось несостоятельным. По классификации И. Б. Збарского (1961), ядра содержат следующие белковые фракции: глобулиновую, дезоксинуклеопротеидную, кислый и остаточный белок. Необходимо отметить, что еще в 1936 г. А. Н. Белозерский показал, что ядра растительных клеток содержат большое количество кислого белка. Даунс (1955) в основном придерживается той же классификации ядерных белков, что и Збарский, а именно: гистоны, глобулины, кислые и остаточные белки.

Соотношение отдельных фракций белков в ядрах различных тканей очень сильно меняется, однако в нормальной ткани, по И. Б. Збарскому (1961), всегда преобладает дезоксинуклеопротеидная фракция. Необходимо отметить, что каждая из выделенных фракций не представляет собой гомогенного белка.

Несмотря на исключительную важность знания белков, необходимого для понимания функции ядра, наши сведения о них чрезвычайно ограничены, а следовательно, и классификация их далека от совершенства.

Нуклеиновые кислоты ядра. В связи с открытием огромной роли нуклеиновых кислот в метаболизме клетки, синтезе белков, росте, развитии, морфогенезе и явлениях наследственности в последнее десятилетие они оказались в центре внимания биологов всех специальностей.

Необходимо отметить, однако, что основная масса исследований по нуклеиновым кислотам относится к животной, а не к растительной клетке.

Уже давно забыто исходное представление о наличии двух нуклеиновых кислот — животной и растительной, или дрожжевой. Концепция об обязательном присутствии в каждой растительной и животной клетке обеих нуклеиновых кислот: рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой — развивалась как советскими, так и зарубежными исследователями (Белозерский, 1936; Feulgen, Behrens, Mahdihassan, 1937; Caspersson, 1941; Кедровский, 1942; Роскин, 1943; Brachet, 1944). Огромный размах работы и быстрое совершенствование методов исследования дали очень ценные результаты в ряде направлений. В частности, А. Н. Белозерским (1961) с сотрудниками было установлено принципиально очень важное положение: состав нуклеиновых кислот непостоянен, существует ясно выраженная видовая специфичность состава нуклеотидов в ДНК различных растений, животных и микроорганизмов. Нуклеотидный состав РНК изменяется в меньшей степени, но он также не остается стабильным.

Мы здесь не затрагиваем вопроса о структуре нуклеиновых кислот, их участии в метаболизме клетки, а хотим лишь подчеркнуть, что в органоидах клетки нуклеиновые кислоты, различного нуклеотидного состава и в разной степени полимеризованные, могут выполнять различную функцию.

В настоящее время можно считать твердо установленным, что дезоксирибонуклеиновая кислота клепчи не локализована в ядре. Выше (стр. 23) мы приводили средний процент содержания ДНК в ядре. Однако в литературе опубликованы многочисленные данные значительных отклонений от средних величин. Ряд исследователей показал, что при голодании животного процент ДНК в ядре сильно возрастает. Следовательно, содержание ДНК в ядрах чрезвычайно изменчиво не только в клетках различных организмов, но и в тканях одного органа. Многие исследователи утверждают, однако, что колебания содержания ДНК в ядре являются следствием изменения концентрации других компонентов, главным образом белка. Например, при голодании животного резко падает содержание белка в ядре; естественно процент ДНК сильно возрастет. В зависимости от физиологического состояния клетки возможны незначительные изменения абсолютного количества ДНК. Ряд исследователей (Boivin, R. Vendrely. С. Vendrely, 1948; С. Vendrely, R. Vendrely, 1948, 1949; C. Vendrely, 1952; Mirsky, Ris, 1947; Девидсон, 1952) рассчитали общее количество ДНК в органе или ткани, приходящееся на ядро, а точнее — на набор хромосом, и пришли к довольно важному заключению: среднее количество ДНК, приходящееся на одно клеточное ядро, в пределах данного вида, для нормальной покоящейся диплоидной соматической клетки является постояннйй величиной, а в гаплоидных половых клетках содержится половина этого количества ДНК. Это положение является существенным доводом в обосновании генетической роли ДНК. Не все исследователи разделяют эту точку зрения; в частности, такой авторитетный ученый, как Ж. Браше (1960), утверждает, что хотя содержание ДНК в общем коррелирует с плоид- ностью клетки, однако нет оснований утверждать, что набору хромосом соответствует строго постоянное количество ДНК. Необходимо отметить, что в литературе имеются указания, что не вся ДНК клетки локализована в ядре; небольшие величины ДНК обнаружены в других органоидах клетки.

Вопросы о содержании РНК в ядре также являются предметом многочисленных исследований. Выше мы привели средние цифры содержания этого компонента в ядре. В действительности не только процентное, но и абсолютное содержание РНК в ядре очень сильно колеблется; оно зависит от питания, рода ткани, физиологического состояния клетки, видовой принадлежности организма.

Следовательно, мы признаем некоторое постоянство ДНК в ядре и большую вариабильность отношения РНК/ДНК.

Ферменты ядра. Вопрос о содержании ферментов в ядре издавна привлекает внимание исследователей. Ведь еще в прошлом веке Ферворн (Verworn, 1892) высказал предположение, что ядро является центром синтетической деятельности клетки. Несколько позднее Ж. Леб развил представление о ядре как центре окислительных процессов в клетке. Э. Вильсон (1940) в своей монографии рассматривает ядро как место накопления (депо) ферментов и коферментов клетки.

Однако, когда были разработаны методики получения большого количества ядерного материала и определения в нем ферментативной активности, довольно быстро была установлена несостоятельность представления Леба и Вильсона. Хоуджбум и его сотрудники (Hogeboom, 1953) показали, что изолированные ядра не обладают ни сукциндегидразной, ни цитохромоксидазной активностью. Обнаружение этих ферментов в ядрах является следствием их загрязнения другими органоидами клетки или продуктами их разрушения.

Таким образом, в последнее время большинство исследователей разделяет мнение, что окислительные ферменты в ядрах отсутствуют. Обнаружены и исключения из этого правила; так, например, ядра эритроцитов птиц содержат цитрохро-моксидазу и сукциндегидрогеназу (Rubinstein, Denstedt и др. 1956; Defendi, Pearson, 1955). Однако при этом подчеркивается, что эритроциты птиц лишены митохондрий. Есть отдельные указания на наличие в ядрах небольших количеств цитохро-моксидазы. Тем не менее можно считать твердо установленным, что в ядрах отсутствуют основные ферменты цикла Кребса, этой важнейшей системы клетки, обусловливающей образование макроэргических фосфатов. В ядрах была обнаружена дегидраза яблочной кислоты, которая может осуществить лишь одну из ступеней цикла Кребса. Твердо установленные факты отсутствия в ядре окислительных ферментов развенчивали ядро как основной органоид клетки, регулирующий в ней весь обмен веществ.

Складывалось представление, что в энергетическом отношении ядро находится в прямой зависимости от других органоидов клетки, в частности от митохондрий, АТФ которых может поступать в ядра. Однако хорошо известно, что в живой клетке энергия может освобождаться и трансформироваться в АТФ в анаэробных условиях гликолитическим путем, поэтому в последние годы очень много уделялось внимания исследованию гликолитических ферментов в изолированных ядрах. В изолированных ядрах растений (Stern, Mirsky, 1952) и животных (Dounce, Beyer, 1948) было установлено довольно высокое содержание альдолазы, энолазы и дегидразы 3-фосфорглицеральдегида. Уже эти данные позволяли заключить, что гликолиз в ядрах является основным источником энергии, что в них преобладает анаэробный обмен. На V биохимическом конгрессе Г. Зильберт (1961) сообщил, что в ядрах обнаружены еще следующие гликолитические ферменты: гексокиназы, фосфофруктокиназы и приводящие к образованию АТФ на последних стадиях гликолиза фосфоглицераткиназа и пируваткиназа. Из этого следует, что в энергетическом отношении ядра являются совершенно независимыми органоидами клетки, их ферментный состав обеспечивает образование АТФ в процессе гликолиза. Наряду с этим в ядрах были обнаружены глютатион и аскорбиновая кислота.

Из гидролитических ферментов прежде всего необходимо отметить наличие в ядре щелочной фосфатазы. Хотя в последние годы и высказывались сомнения в присутствии щелочной фосфатазы в ядрах, однако очень четкая реакция Гомори на щелочную фосфатазу, полученная на срезах, а также на изолированных ядрах и хромосомах, является веским аргументом наличия в ядрах щелочной фосфатазы.

Общепризнанно, что ядра содержат ферменты, связанные с нуклеиновым обменом. Так, например, в них сконцентрированы аденозиндезаминаза и нуклеозидфосфорилаза. Хогебум и Шнейдер (Hogeboom, Schneider, 1952) обнаружили в ядрах фермент, участвующий в синтезе кофермента дифосфопиридиннеуклеотида (ДПН), образующийся за счет АТФ и никотинамидмононуклеотида. Из этого факта можно сделать общее заключение, что ядро является местом синтеза коферментов.

В последние годы (Herbert, Potter, Takaji, 1955 и др.) было установлено содержание в ядрах ферментов, принимающих непосредственное участие в обмене уридиннуклеотидов.

Чрезвычайно интересны данные о наличии в ядрах, изолированных в безводной среде, ферментов, активизирующих следующие аминокислоты: аланин, аспарагиновую кислоту, цистеин, глютаминовую кислоту, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, пролин, серин, треонин, триптофан, тирозин, валин, аргинин, глицин и фенилаланин. Ряд ферментов, активирующих аминокислоты, был обнаружен и в ядрах, выделенных в сахарозе (Гвоздев и Хесин, 1960).

Таким образом, данные исследований, проведенных в последние годы, свидетельствуют о высокой метаболической активности ядер, наличии в них большого количества ферментов, обеспечивающих освобождение энергии, ее трансформацию и осуществление многообразных синтезов.

Минеральные элементы ядра. Несмотря на то, что в последние годы удается выделить большое количество ядерного материала и получить из него от 0,5 до 10 % золы, содержание минеральных веществ и их локализация в ядре чрезвычайно мало изучены (Поульсон и Боуэн, 1955; Naora, Mirsky, Allfrey, 1961). Главным минеральным компонентом ядра является кальций, хотя в некоторых ядрах его не удается обнаружить. Довольно много в ядрах магния. Можно считать установленным, что ядра содержат Na, К, Fe, Cu, Mn, Zn, Co, Ca, Mg, Na и К могут быть обнаружены методами прямого химического анализа. О наличии других элементов свидетельствуют обнаруженные в ядрах ферменты в активном состоянии: каталаза, альдолаза, аргиназа, энолаза, щелочная фосфатаза, для которых названные выше элементы являются или составной частью, или же абсолютно необходимым активатором.

Поделиться:

Дополнительные материалы по теме: