Частичная генетическая автономия рассматриваемых органелл и особенности их белок-синтезирующих систем послужили основой для предположения, что митохондрии и хлоропласты произошли от симбиотических бактерий, которые поселились в клетках 1–2 млрд. лет назад. Современным примером такого симбиоза могут служить мелкие фотосинтезирующие водjросли, которые живут внутри клеток некоторых кораллов и моллюсков. Водоросли обеспечивают своих хозяев кислородом, а от них получают питательные вещества.

2.2. Фибриллярные структуры

Цитоплазма клетки представляет собой вязкую жидкость, поэтому можно ожидать, что из-за поверхностного натяжения клетка должна иметь сферическую форму, за исключением тех случаев, когда клетки плотно упакованы. Однако обычно этого не наблюдается. Многие простейшие имеют плотные покровы или оболочки, которые придают клетке определенную, несферическую форму. Тем не менее даже без оболочки клетки могут поддерживать несферическую форму из-за того, что цитоплазма структурируется с помощью многочисленных, довольно жестких, параллельно расположенных волокон. Последние образованы полыми микротрубочками, которые состоят из белковых единиц, организованных в виде спирали.

Некоторые простейшие образуют псевдоподии – длинные тонкие цитоплазматические выросты, которыми они захватывают пищу. Псевдоподии сохраняют свою форму благодаря жесткости микротрубочек. Если гидростатическое давление возрастает примерно до 100 атмосфер, микротрубочки распадаются и клетка приобретает форму капли. Когда же давление возвращается к норме, вновь идет сборка микротрубочек и клетка образует псевдоподии. Сходным образом на изменение давления реагируют и многие другие клетки, что подверждает участие микротрубочек в сохранении формы клетки. Сборка и распад микротрубочек, необходимые для того, чтобы клетка могла быстро менять форму, происходят и в отсутствие изменений давления.

Из микротрубочек формируются также фибриллярные структуры, служащие органами движения клетки. У некоторых клеток имеются бичевидные выросты, называемые жгутиками, или же реснички – их биение обеспечивает движение клетки в воде. Если клетка неподвижна, эти структуры гонят воду, частицы пищи и другие частицы к клетке или от клетки. Жгутики относительно крупные, и обычно клетка имеет только один, изредка несколько жгутиков. Реснички гораздо мельче и покрывают всю поверхность клетки. Хотя эти структуры свойственны главным образом простейшим, они могут присутствовать и у высокоорганизованных форм. В человеческом организме ресничками выстланы все дыхательные пути. Попадающие в них небольшие частички обычно улавливаются слизью на клеточной поверхности, и реснички продвигают их вместе со слизью наружу, защищая таким образом легкие. Мужские половые клетки большинства животных и некоторых низших растений движутся с помощью жгутика.

Существуют и другие типы клеточного движения. Один из них – амебоидное движение. Амеба, а также некоторые клетки многоклеточных организмов «перетекают» с места на место, т.е. движутся за счет тока содержимого клетки. Постоянный ток вещества существует и внутри растительных клеток, однако он не влечет за собой передвижения клетки в целом. Наиболее изученный тип клеточного движения – сокращение мышечных клеток; оно осуществляется путем скольжения фибрилл (белковых нитей) относительно друг друга, что приводит к укорочению клетки.

2.3. Аппарат Гольджи: сортировка белков и передача сигнала

Комплекс Гольджи функционирует на пересечении секреторных путей, осуществляя прием вновь синтезированных белков и липидов из ЭР , их ковалентную модификацию, а затем - сортировку продуктов реакций согласно их назначениям ( Рис. 1 gg ). В дополнение к этому, Гольджи возвращает некоторые компоненты в ЭР. Таким образом, Гольджи функционирует как в качестве области процессинга для синтезированных в ЭР гликопротеинов и гликолипидов, так и в качестве фильтрующей системы, отделяя белки, предназначенные для включения в плазматическую мембрану, от таковых, возвращаемых в ЭР [см. обзор Mellman и Simons, 1992 ]. Для исполнения указанных функций Гольджи организован в виде уплощенных цистерн со встроенными трансмембранными ферментами процессинга. Селективный транспорт-удержание различных видов белков и липидов в пределах данной системы опосредован цитозольными белками оболочки, аггрегирующими на поверхности мембран Гольджи, собирающими транспортируемый материал и способствующими изменению кривизны поверхности липидного бислоя таким образом, чтобы осуществить эндоцитоз и транспорт интермедиатов.

Ввиду того, что перемещающиеся внутрь или наружу транспортные интермедиаты часто преодолевают значительные расстояния, Гольджи неразрывно связан с цитоскелетом. В клетках млекопитающих положение Гольджи устанавливается микротрубочками.

Обилие актинсвязывающих белков в комплексе Гольджи, окружающих его подобно строительным лесам, также может способствовать пространственному контролю мембранного транспорта.

Каким образом Гольджи регулирует сортировку белков и эндоцитоз, а также координирует эти функции с цитоскелетом для достижения пространственного и временного контроля секреторного транспорта?

Два недавних исследования, дают пищу для рассуждений в данной области, предполагая, что трансмембранные транспортные белки и Cdc42 , организующая актин ГТФаза семейства Rho , конкурируют за один и тот же участок COPI , регулирующего секреторный транспорт.

2.3. Аппарат Гольджи: молекулярный механизм функционирования

Гептамерный цитозольный белковый комплекс, называемый COPI (мембранный комплекс Гольджи, коатомер) , в соединении с GTP-связывающим белком ARF 1 образует оболочку таким образом, что, будучи ассоциированным в мембраны Гольджи, предположительно содействует мембранному экзоцитозу и реакциям расщепления, связанным с мембранным транспортом Гольджи. Включение COPI в мембраны Гольджи требует присутствия ARF1, который работает по GTPазному циклу . ARF1-GTP осуществляет включение COPI в мембраны Гольджи, тогда как гидролиз GTP предположительно запускает высвобождение COPI из мембраны в цитозоль, что делает возможным включение COPI в периодические циклы сборки-разборки оболочки. Таким образом, ARF1 функционирует в качестве двойного переключателя, осуществляющего управление интеграцией COPI в мембраны и, следовательно, регулировку его функции.

Первоначально предполагалось, что связывающиеся с мембраной ARF1 и коатомер участвуют неселективно в формировании транспортных пузырьков. Данная модель предполагала наличие значительного потока транспортируемых веществ через секреторные пути и постулировала, что полимеризация коатомера, управляемая посредством циклизации ГТФ с помощью ARF1, обеспечивает механико-химическую энергию для образования пузырьков. В результате проведенных с тех пор разнообразных исследований указанная точка зрения была скорректирована. Активация ARF1 оказывает значительное влияние на фосфолипидный состав мембраны и стимулирует встройку , актина и других белков цитозоля в мембраны Гольджи. Это предполагает способность ARF1 облегчать процессы сортировки, эндоцитоза и стыковки мембран комплекса Гольджи.

Для фрагмента коатомера была также обнаружена способность связывать два остатка лизина в С-концевом мотиве трансмембранных белков , обеспечивающих циклический транспорт между Гольджи и ЭР и функционирующих, как предполагают, в качестве возвращающих в ЭР последовательностей [см. обзор Gaynor ea, 1998 ]. Взаимодействуя подобным образом с цитоплазматическими фрагментами транспортирующих белков, COPI может собирать транспортируемые вещества в везикулы и опосредовать сортировку транспортирных белков.

Что касается последней из указанных функций, предметом значительных дискуссий был вопрос о том, упаковывает ли мембраносвязанный COPI транспортируемые вещества в везикулы экзо- или эндоцитозного или обоих типов.

У дрожжей мутантные субъединицы COPI были идентифицированы по схеме, разработанной для обнаружения мутантов, неспособных удерживать/реутилизировать маркированные двумя остатками лизина молекулы при сохранении остальной части цикла.

В результате возникло предположение о том, что ассоциированный с содержащими дилизиновые мотивы трансмембранными транспортирующими белками COPI опосредует обратный транспорт. Однако, дальнейший анализ отдельных аллелей sec21 (гамма-COP) показал наличие зависящих от типа транспортируемого вещества селективных дефектов и при прямом транспорте [ Gaynor и др., 1998 ]. Более того, коатомер распознает также последовательности, родственные дилизиновым и диаргининовым, в цитоплазаматических фрагментах белков p24 , большого семейства потенциальных переносчиков, которыми изобилует Гольджи и для которых было показано участие в двунаправленном транспорте. С учетом этих, как и предыдущих биохимических и морфологических данных, подтверждающих роль коатомера в прямом транспорте, становится неясным направление (т. е., прямое или обратное) переноса везикул. Дополнительная возможность заключается в том, что опосредованная ARF1 ассоциация COPI с мембраной может служить для латерального разделения белков и липидов в отдельные группы, транспортируемые в дальнейшем прямым или обратным способом. Наличие данной функции было предложено в результате наблюдения того, что блокирование ассоциации COPI с мембраной у мутантов с ингибированием ARF1 либо посредством обработки брефельдином А (BFA) , предотвращающим активацию ARF1, само по себе не препятствует мембранному транспорту, но дестабилизирует его, что приводит к неселективности возврата белков в ЭР.

Заключение

Клетка, элементарная единица живого. Клетка отграничена от других клеток или от внешней среды специальной мембраной и имеет ядро или его эквивалент, в котором сосредоточена основная часть химической информации, контролирующей наследственность. Изучением строения клетки занимается цитология, функционированием – физиология. Наука, изучающая состоящие из клеток ткани, называется гистологией.

Существуют одноклеточные организмы, тело которых целиком состоит из одной клетки. К этой группе относятся бактерии и протисты (простейшие животные и одноклеточные водоросли). Иногда их также называют бесклеточными, но термин одноклеточные употребляется чаще. Настоящие многоклеточные животные (Metazoa) и растения (Metaphyta) содержат множество клеток.

Абсолютное большинство тканей состоит из клеток, однако имеются и некоторые исключения. Тело слизевиков (миксомицетов), например, состоит из однородной, не разделенной на клетки субстанции с многочисленными ядрами. Сходным образом организованы и некоторые животные ткани, в частности сердечная мышца. Вегетативное тело (таллом) грибов образовано микроскопическими нитями – гифами, нередко сегментированными; каждая такая нить может считаться эквивалентом клетки, хотя и нетипичной формы.

Некоторые не участвующие в метаболизме структуры тела, в частности раковины, жемчужины или минеральная основа костей, образованы не клетками, а продуктами их секреции. Другие, например древесина, кора, рога, волосы и наружный слой кожи, – не секреторного происхождения, а образованы из мертвых клеток.

Мелкие организмы, такие, как коловратки, состоят всего из нескольких сотен клеток. Для сравнения: в человеческом организме насчитывается ок. 1014 клеток, в нем каждую секунду погибают и замещаются новыми 3 млн. эритроцитов, и это всего одна десятимиллионная часть от общего количества клеток тела.

Обычно размеры растительных и животных клеток колеблются в пределах от 5 до 20 мкм в поперечнике. Типичная бактериальная клетка значительно меньше – ок. 2 мкм, а наименьшая из известных – 0,2 мкм.

Некоторые свободноживущие клетки, например такие простейшие, как фораминиферы, могут достигать нескольких сантиметров; они всегда имеют много ядер. Клетки тонких растительных волокон достигают в длину одного метра, а отростки нервных клеток достигают у крупных животных нескольких метров. При такой длине объем этих клеток небольшой, а поверхность очень велика.

Самые крупные клетки – это неоплодотворенные яйца птиц, заполненные желтком. Наибольшее яйцо (и, следовательно, наибольшая клетка) принадлежало вымершей громадной птице – эпиорнису (Aepyornis). Предположительно его желток весил ок. 3,5 кг. Самое крупное яйцо у ныне живущих видов принадлежит страусу, его желток весит ок. 0,5 кг.

Как правило, клетки крупных животных и растений лишь немногим больше клеток мелких организмов. Слон больше мыши не потому, что его клетки крупнее, а в основном потому, что самих клеток значительно больше. Существуют группы животных, например коловратки и нематоды, у которых количество клеток в организме остается постоянным. Таким образом, хотя крупные виды нематод имеют большее количество клеток, чем мелкие, основное различие в размерах обусловлено в этом случае все же большими размерами клеток.

В пределах данного типа клеток их размеры обычно зависят от плоидности, т.е. от числа наборов хромосом, присутствующих в ядре. Тетраплоидные клетки (с четырьмя наборами хромосом) в 2 раза больше по объему, чем диплоидные клетки (с двойным набором хромосом). Плоидность растения можно увеличить путем введения в него растительного препарата колхицина. Поскольку подвергнутые такому воздействию растения имеют более крупные клетки, они и сами крупнее. Однако это явление можно наблюдать только на полиплоидах недавнего происхождения. У эволюционно древних полиплоидных растений размеры клеток подвержены «обратной регуляции» в сторону нормальных величин несмотря на увеличение числа хромосом.

Мембраны Гольджи взаимодействуют также со множеством двигательных белков и белков, включая, спектрин , а также анкирин , облегчающий пространственное управление Гольджи мембранным транспортом, а также, вероятно, способный координировать сигнальные механизмы.

Каким образом могла бы быть организована и регулируема такая база? В течение нескольких лет было известно, что мембранный скелет , чьи компоненты включают актинсвязывающие белки спектрин и анкирин, ассоциирован с цитоплазматической поверхностью Гольджи. Структура этих "лесов" в совокупности с другими ассоциированными с Гольджи периферическими белками (включая многие из вышеупомянутых сигнальных молекул) сильно нарушается при обработке BFA . Это позволяет предположить, что их ассоциация с Гольджи либо непосредственно зависит от ARF1-ГТФ, либо находится в зависимости от комплексов, чья сборка инициируется активностью ARF-1. Недавно было показано, что активность ARF1 вызывает возрастание уровня содержания PIP2 в Гольджи посредством встраивания PI4K бета в мембраны Гольджи Поскольку генерирование PIP2 приводит к сборке актина и спектрина на мембране Гольджи, другие белки могут ассоциироваться и стабилизироваться в этой области, вероятно, ввиду возрастания эффективности сообщения между другими сигнальными молекулами и микротрубочками.

Таким образом, произведенный с помощью ARF1 PIP2 мог бы исполнять множество сходных сигнальных функций посредством встраивания молекул в мембрану, модулирования активности регуляторных молекул ARF, а также в качестве кофактора PLD.