Цитозин

^•зонсирибо^ Б

Аденин

* 4^езонсириЪ0&

Рис. 18. Схема строения нуклоинпвых кислот.

Л — молекула РНК (выделен один иуклеогнд); С — мо­лекула ДНК: В — модель молекулы ДНК по Уотсону » Крику Буквами обозначены азотистые основания (аде­нин. тиынн. гуанин, иитоэин! Указаны размеры частей-молекулы » ангстремах.

робно будет сказано ниже, является посредником между ДНК и строя­щейся в клетке белковой молекулой.

Убедительные доказательства того, что именно с ДНК связана пере­дача наследственной информации, получены при изучении вирусов. Про­никая в клетку, они вводят в нее лишь нуклеиновую кислоту с очень небольшой примесью белка, а вся белковая оболочка остается вне зара­женной клетки. Следовательно, введенная в клетку ДНК передает гене­тическую информацию, необходимую для образования нового поколения вируса такого же типа.

Далее было обнаружено, что чистая нуклеиновая кислота вируса та­бачной мозаики может заразить растения, вызывая типичную картину заболевания. Более того, удалось искусственно создать вегетативные «гибриды» из вирусов, в которых белковый футляр принадлежал одному виду, а нуклеиновая кислота — другому. В таких случаях генетическая информация «гибридов» всегда в точности соответствовала тому виду вирусов, чья нуклеиновая кислота входила в состав «гибрида».

У бактерий при половом процессе (конъюгации) из одной бактериаль­ной клетки в другую перетекает только ДНК, а вместе с ней передаются наследственные свойства.

Перечисленные факты, так же как и ряд других, например относи­тельное постоянство содержания ДНК в хромосомах каждого вида, сви­детельствуют о том, что наследственная информация определяется нук­леиновыми кислотами, а не белками или какими-либо иными соедине­ниями.

Способность ДНК быть носителем наследственной информации свя­зана с особенностью ее строения. С помощью рентгеноструктурного ана­лиза показано, что ДНК представлена двумя спирально закрученными нитями (рис. 18, В).

Азотистое основание одной нити ДНК связано водородным «мости­ком» с основанием другой, причем так, что аденин может быть связан только с тимином, а цитозин — только с гуанином. Они комплемен­тарны (дополнительны) друг другу. Отсюда следует, что порядок рас­положения оснований одной цепи определяет порядок их в другой. Имен­но на этом основано свойство ДНК, объясняющее ее важную биологи­ческую роль: способность к самовоспроизведению, т. е. к авто­репродукции (от греч. autos — сам и от лат. ге— вновь, productio — производить). Авторепродукция молекул ДНК происходит под воздей­ствием фермента полимеразы. Предполагается, что при этом комплемен­тарные цепи молекул ДНК раскручиваются и расходятся. Затем каждая из них начинает синтезировать новую. Поскольку каждое из оснований в нуклеотидах может присоединить другой нуклеотид только строго опре­деленного строения, то происходит точное воспроизведение «материн­ской» молекулы. Это подтверждено рядом экспериментальных исследо­ваний, в том числе с использованием меченых атомов.

При делении клетки происходит удвоение молекул ДНК таким обра­зом, что новые молекулы имеют ту же структуру, что и исходные. Этим объясняется передача наследственной информации от клетки к клетке, из поколения в поколение.

Как будет показано ниже, в многообразных специфических комбина­циях нуклеотидов, образующих спирально закрученные нити ДНК, зако­дирован синтез множества белков. Однако эксперименты показали, что ДНК непосредственно в синтезе белка не участвует. Разрушение ДНК ферментом дезоксирибонуклеазой не приводит к немедленной остановке синтеза белка. Зато белковый синтез сразу прекращался при обработке клетки рибонуклеазой, разрушающей РНК. Это свидетельствует о не­посредственном участии РНК в белковом синтезе. Было установлено также, что синтез РНК происходит только в присутствии ДНК. Так воз­никла схема ДНК — РНК — белок. Информация, содержащаяся в ДНК, передается синтезируемому белку через РНК.

Установлено, что РНК синтезируется в ядре клетки на комплементар­ной цепочке ДНК. Напомним, что молекула РНК отличается от ДНК, в частности, тем, что место тимина в ней занимает другое основание — урацил. Урацил отличается от тимина только отсутствием в одном по ложении метильной группы СНз. В силу такого сходства, если при обра­зовании комплементарной цепи вместо тимина встанет урацил, получит­ся уже не ДНК, а РНК, в которой последовательность оснований точно отражает комплементарный порядок чередования оснований в ДНК. Иными словами, синтезированная на ДНК нить РНК содержит наслед­ственную информацию, заложенную в ДНК.

Существует три типа РНК: рибосомная, информационная и транспортная.

Рибосомная РНК входит в состав рибосом.

Молекулы информационной РНК имеют молекулярный вес от несколь­ких сотен тысяч до двух миллионов. По строящим ее нуклеотидам она комплементарна. ДНК. Называют ее информационной, так как она несет в себе генетическую информацию для построения белка. Молекулы ин­формационной РНК из ядра переходят в цитоплазму и прикрепляются к какой-нибудь рибосоме. Информационную РНК, находящуюся в рибо­сомах, называют так же матричной. Термин «матрица» заимствован из техники. Матрица это шаблон, по которому изготовляется какой либо предмет, например форма букв в типографской матрице оттискивается на бумаге. Точно так же матричная РНК является шаблоном, на кото­ром строятся полипептиды, в соответствии с заложенной в ней генетиче­ской информацией. Молекула информационной РНК состоит из три­плетов (колонов). Каждой аминокислоте соответствует свой осо­бый кодон.

Транспортная РНК находится в цитоплазме. Она имеет низкий моле­кулярный вес, ее молекулы содержат около 70—80 нуклеотидов. Транс­портная РНК подбирает в цитоплазме определенные аминокислоты и «подвозит» их к рибосомам. Для каждой аминокислоты существует свой тип транспортной РНК, существует, по-видимому, их 20 типов. На од­ном из концов транспортной РНК имеется участок, к которому прикреп­ляется определенная аминокислота, на другом конце — участок, в кото­ром располагаются свободные азотистые основания. При комплементар­ном совпадении триплета транспортной РНК с триплетом информацион­ной РНК аминокислота занимает определенное место в строящейся бел­ковой молекуле.

Витамины

Витаминами называются органические вещества, необходимые ор­ганизмам в ничтожных количествах, но играющие важную роль в обмене веществ. Выяснено, что свыше 100 отдельных ферментов для своего син­теза нуждаются в витаминах. Витамины, как правило, не синтезируются организмом, а должны поступать с пищей в готовом виде хотя бы в очень небольшом количестве.

Начало изучению витаминов положил в 1880 г. русский ученый Н. И Лунин В настоящее время известно более 50 различных витаминов. Отсутствие каких-либо из них в пище приводит к заболеваниям — ави­таминозам; нарушения, связанные с недостатком витаминов, назы­ваются гиповитаминозами.

Большинство витаминов представляют собой различные органические соединения небелковой природы. Многие из витаминов получены синте­тически.

Когда химическая природа витаминов была еще неизвестна, их начали обозначать буквами латинского алфавита: А, В, С и т. д. Эта классифи­кация не утратила своего значения и поныне.

В большой биологической роли витаминов можно убедиться на ряде примеров. Так, витамин А необходим для нормального функционирова­ния эпителиальных клеток кожи и слизистых оболочек пищеваритель­ного тракта и дыхательных путей; недостаток его снижает иммунные свойства организма и нарушает нормальную функцию органа зрения.

Витамин В| (тиамин) необходим для синтеза ряда ферментов, участ­вующих в окислительных процессах. Даже при незначительном недо­статке этого витамина повышается утомляемость, а при резком авита­минозе начинается дегенерация нервов и атрофия мышц, развивается полиневрит (бери-бери).

С витамином В₂ связано образование окислительно-восстановительных ферментов, с витамином Вб—получение ферментов, необходимых для синтеза и преобразования аминокислот, поэтому отсутствие витамина Вб ведет к нарушению белкового обмена. Витамин В12 входит в состав фер­ментов, влияющих на белковый и жировой обмен; имеет прямое отноше­ние к обмену нуклеиновых кислот.

Витамины С и Р сопутствуют друг другу. Их отсутствие повышает про­ницаемость кровеносных сосудов, что влечет за собой заболевание цингой.

С витамином D связан минеральный обмен. При гиповитаминозе D у Детей замедляется рост костей и развитие зубов, а иногда наблюдаются задержка роста волос и другие нарушения. Это один из немногих вита­минов, которые могут синтезироваться в организме человека под влия­нием ультрафиолетовых лучей. Избыток этого витамина, образовав­шийся в коже на протяжении лета, сохраняется в печени и постепенно используется организмом.

Необходимые для нормальной жизнедеятельности витамины К и Н (биотин) не только поступают с пищей, но и синтезируются бактериями в кишечнике человека.

Доказано, что и зеленые растения (например, водоросли) нуждаются в поступлении определенных витаминов. Это говорит о наличии общих черт в обмене веществ у различных групп организмов.

ФИЗИК О-Х ИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОТОПЛАЗМЫ

Понятие о дисперсных системах

Протоплазма характеризуется рядом физико-химических свойств. Это обусловлено тем, что она представляет собой сложное соединение кол­лоидных растворов белка и других органических веществ с истинными растворами солей и ряда неорганических соединений.

Следует различать истинные растворы, коллоидные рас­творы и суспензии. Истинные растворы отличаются прозрач­ностью; благодаря малым размерам растворенных частиц (менее 1 тр.) они легко проходят через биологические мембраны.

Суспензии или взвеси — мутные жидкости, частицы которых более 0,2 р. При отстаивании взвешенные частицы оседают.

Если частицы имеют промежуточные размеры — от 0,1 до 0,001 р., т. е. слишком велики, чтобы образовать истинный раствор, но и слишком малы, чтобы выпасть в осадок, возникает коллоидный раствор (от греч. colla — клей). Поскольку диаметр белковых молекул превышает 0,001 р, белки образуют коллоидные растворы и вся протоплазма пред­ставляет собой коллоид.

В коллоидных растворах на поверхностях частиц создаются огромные суммарные площади. Очень наглядно это можно показать на следующем примере. Общая площадь поверхности 1 см³ равна 6 см². Если раздро­бить его на 8 кубиков величиной 0,5 см³, то поверхность каждого кубика будет равна 1,5 см², а общая площадь поверхностей всех 8 кубиков воз­растет до 12 см². Если измельчение частиц будет доведено до размеров, встречающихся в коллоидных растворах, например с ребрами в 0,01 р., то общая площадь поверхности таких частиц достигнет 6000000 см² (т. е. 600 м²). Поскольку многие химические реакции происходят на по­верхностях частиц цитоплазматического матрикса клетки, коллоидные растворы оказываются наиболее удобным физико-химическим состоя­нием вещества для протекания таких реакций.

4 Биология

Коллоидное и кристаллическое состояние протоплазмы

В коллоидном растворе различают непрерывную фазу, или диспер­сионную среду, и коллоидные частицы — дисперсионную фа­зу. Дисперсионная фаза протоплазмы состоит чаще всего из макромо­лекул белка. Коллоидные частицы протоплазмы как бы «взвешены» в дисперсионной (жидкой) среде, вследствие чего создается огромная поверхность, на которой происходит оседание, адсорбция веществ, по­ступающих в клетку, и осуществляются разнообразные биохимические реакции.

При известных обстоятельствах частицы дисперсной фазы могут склеи­ваться между собой — агглютинировать и выпадать в осадок. Прото­плазма представляет собой устойчивый гидрофильный коллоид (от греч. hydor — вода, phileo — люблю). Напомним, что вокруг каждой макро­молекулы образуется водная или сольватная оболочка.

Коллоиды протоплазмы бывают в двух состояниях: в виде коллоид­ного раствора (золя) и студня (геля). При исследовании протоплазм» под электронным микроскопом обнаружено, что в состоянии геля (от лат. gelatina — студень) вытянутые белковые молекулы, соприкасаясь частя­ми поверхностей между собой, образуют остов из сетки, заполненный дисперсионной средой. Когда коллоидные частицы — белковые макро­молекулы расходятся, коллоид переходит в золь (от лат. solutus — рас­творенный). Такой переход из одного состояния в другое можно наблю­дать на растворе желатины, который при нагревании жидок (золь), а при остывании становится студнеобразным (гель). Эти процессы обратимы и в клетке совершаются непрерывно. Они зависят от физиологического состояния живого вещества. При сокращении мышцы золь быстро пере­ходит в гель и наоборот; при образовании псевдоподий у амебы наблю­дается переход геля в золь и т. д.

Коллоидным состоянием протоплазмы обусловлена ее вязкость.. У большинства клеток консистенция цитоплазматического матрикса пре­вышает вязкость воды не более чем в 5—10 раз, но в ряде случаев может быть и значительно выше. Вязкость протоплазмы зависит от обменных процессов в клетках. Так, она повышается при повреждении клетки, а в яйцеклетках — после оплодотворения. Во время деления клетки обнару­живается ритмичное изменение вязкости протоплазмы. Вязкость крови меняется в зависимости от физиологического и патологического состоя­ния организма.

Раньше единственным физическим состоянием протоплазмы считалось коллоидное. Но в последнее время обнаружено, что ряд клеточных струк­тур представляют собой жидкие кристаллы. Большой способностью к об­разованию жидких кристаллов обладают липоиды. Жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между жидкостями и кристаллами.. С одной стороны, они как жидкости- обладают текучестью, могут сли­ваться друг с другом, с другой стороны, они, подобно кристаллам, отли­чаются анизотропией, т. е. их прочность, электропроводность и ряд Дру­гих свойств неодинаковы в разных направлениях. По-видимому, жидко­кристаллическое состояние ряда клеточных структур обеспечивает их большую лабильность (подвижность, изменчивость).

Жидко-кристаллическая структура обнаружена в сперматозоидах, эри­троцитах, в клетках нервной системы и нервных волокон, в палочках »• колбочках сетчатки глаза.

Паранекроз и денатурация протоплазмы

Физико-химическое состояние протоплазмы очень лабильно. При дейст­вии на нее разнообразных термических, механических, химических » других повреждающих агентов в клетках происходят паранекротиче­с к и e изменения. Термин «паранекроз», предложенный Д. Н. Насоновым и В. Я. Александровым (1934), в дословном переводе значит «вблизи смерти». Паранекроз проявляется в повышении вязкости, укрупнении раздробленных коллоидных частиц, увеличении адсорбции, изменении реакции цитоплазмы в сторону большей кислотности и т. д. Если сила раздражителя незначительна, процесс обратим. При более сильном воз­действии наступают необратимые изменения — денатурация протоплаз­мы, при которой клетки гибнут. Такие изменения сопровождаются внут­римолекулярными изменениями белка. Денатурированная протоплазма теряет свои нативные, естественные свойства, нерастворима в воде, хи­мически инертна. Она не может быть возвращена в прежнее, нативное состояние. Денатурация наступает в результате воздействия разно­образных физических и химических факторов. Ее можно вызвать, на­пример, действием высокой температуры, крепкой кислотой или ще­лочью.

Для поддержания нормального состояния протоплазма нуждается в непрерывной затрате энергии, освобождающейся из веществ, посту­пающих в клетку.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ Ассимиляция и диссимиляция

Обмен веществ представляет собой единство ассимиляции и диссимиля­ции. Ассимиляция (от лат. assimilatio—уподобление) —процесс уподо­бления веществ, поступающих в клетку, специфическим веществам, ха­рактерным для данной клетки.

Ассимиляция — эндотермический процесс, т. е. процесс, требующий затраты энергии. Источником энергии являются ранее синтезированные вещества, находящиеся в клетке. Они подвергаются распаду в процессе диссимиляции.

Диссимиляция (от лат. dissimilatio— расподобление, делать неподоб­ным) представляет собой экзотермический процесс, т. е. процесс осво­бождения энергии с выделением продуктов распада. Вещества, образую­щиеся при диссимиляции, также подвергаются дальнейшим преобразо­ваниям.

Новейшими исследованиями, проведенными с использованием метода меченых атомов, установлено, что синтез веществ в клетках происходит за счет метаболического фонда, который включает: 1) продук­ты переваренной пищи, 2) продукты диссимиляции, образующиеся в клетках. Процессы ассимиляции и диссимиляции осуществляются при участии ферментов.

Ферменты и ко ферме и ты

Известно, что многие из реакций, протекающих в клетке, мргут проис­ходить и вне ее. Но если в клетке эти реакции осуществляются быстро, то вне клетки они требуют длительного времени, а также специальных условий — очень высоких температур, высокого давления и т. д. Ускори­телями реакций в живых организмах являются ферменты (от лат. fermentum — закваска), или энзимы (от греч. еп — внутри, zyme — дрожжи, закваска).

Ферменты — биологические катализаторы, способные во много раз ускорять химические реакции и не входить в состав конечных продуктов. Ферменты являются белками, простыми или сложными. Большин­ство исследованных до сих пор ферментов состоит из одной полипептид-

ной цепи. В состав ферментов входят те же аминокислоты, что и в белки, не обладающие ферментативными свойствами; следовательно, фермента­тивная активность зависит не от каких-то особых аминокислот, а от специфического расположения аминокислот в белковой молекуле.

Действие ферментов впервые было обнаружено в 1814 г. русским ака­демиком К. С. Кирхгофом (1764—1833). Он наблюдал переход крахмала в сахаристые вещества под действием кислоты и отметил, что этот про­цесс резко ускоряется в присутствии какого-то вещества, содержащегося в ячменном солоде.

В настоящее время многие ферменты хорошо изучены, многие из них выделены и получены в кристаллическом виде. Действие каждого фер-

_{*• ► ► ►}

Рис. 19. Схематическое изображение активных центров ферментов. Фермент (изо­бражен черным) имеет два активных центра, соответствующих молекуле, на ко­торую он действует (/). При соединении с молекулой (2) центры деформируются таким образом (3, 4), что молекула разрывается на два фрагмента (в данном слу­чае на сахар и спирт) (5).

мента строго специфично, строго избирательно. В связи с этим название фермента обычно происходит из названия субстрата, на кото­рый действует фермент, с добавлением окончания «аза». Например, ферменты, расщепляющие белки (протеины), называются проте­ин аз а ми, расщепляющие нуклеиновые кислоты — нуклеиназа-м и и т. д.

Избирательность действия ферментов связана со специфичностью их строения. Молекула любого фермента имеет один или несколько участ­ков, так называемых активных центров, к которым могут при­крепляться молекулы субстрата. Они подходят друг к другу, как ключ к замку (рис. 19). Поэтому каждый фермент действует лишь на какой-либо один определенный субстрат.

Действие ферментов живой клетки строго согласовано. Продукты одной ферментативной реакции подготовляют вступление в действие сле­дующей. Это достигается благодаря тому, что ферменты локализованы в определенных участках клетки, а не распределены хаотично. В составе органоидов клетки ферменты располагаются в строгой последователь­ности, образуя четко структурированные, упорядоченные системы. Только при этих условиях возможна функция фермента.

На активность ферментов оказывают влияние разнообразные внеш­ние факторы. Наиболее благоприятна для них температура между 40 и

50°. При нагревании свыше 56⁹ большинство ферментов быстро и необра­тимо инактивируется. Поэтому высокая температура губительна для большей части организмов. Лишь некоторые организмы, эволюция кото­рых происходила в своеобразных условиях, выработали ферменты, стой­кие к нагреванию. При низких температурах действие ферментов замед­лено, но охлаждение и даже замораживание их не инактивируют. По­этому явление анабиоза смогло найти распространение в природе.

Характерно, что каждый фермент имеет свой оптимум реакции среды. Для многих это нейтральная реакция, для других — кислая или щелоч­ная. Например, пепсин, переваривающий белки, в желудке действует лишь в кислой среде, трипсин, также переваривающий белки, но в тон­ком кишечнике, действует лишь в щелочной среде.

Все реакции, протекающие в организме, обусловлены ферментами. Отравляющее действие ядов змей, скорпионов и других животных свя­зано с тем, что эти яды содержат ферменты, разрушающие живые ткани.

Для действия ряда ферментов в качестве дополнительных компонен­тов необходимо присутствие коферментов (лат. со — вместе и греч. fermentimi — закваска). Это органические соединения небелковой природы, имеющие небольшой молекулярный вес. В отличие от ферментов коферменты обладают большой стойкостью к высокой тем­пературе.

Многие коферменты являются производными витаминов; иногда это нуклеиновые кислоты. Часто для активации ферментов необходимо при­сутствие неорганических веществ. Фермент слюны — птиалин расщеп­ляет крахмал лишь в присутствии ионов хлора. По-видимому, такую же роль активаторов различных ферментов выполняют разнообразные мик­роэлементы.

В зависимости от имеющегося комплекса ферментов обмен веществ у каждого вида и особи протекает по-разному. Способность организ­ма вырабатывать определенные ферменты или, наоборот, отсутствие такой способности обусловлены наследственной конституцией орга­низмов.

Процессы метаболизма, протекающие в клетке, нуждаются в постоян­ном притоке веществ и энергии.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОСТУПЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ В КЛЕТКУ Явления проницаемости

Процессы, связанные с проникновением в клетку и удалением из нее ионов и молекул, получили общее название проницаемости. Кон­центрация ионов большинства веществ в клетке иная, чем в омывающей их среде, которая может быть тканевой жидкостью, кровью, морской или пресной водой. Например, по данным А. С. Трошина (1956), концентра­ция ионов Na+ (в миллимикронах на 100 г ткани) в плазме крови лягуш­ки составляет 10,4, в седалищном нерве — 6,2, в мышце — 2,5. В отноше­нии ионов К⁺ картина противоположная: в плазме крови — 0,3, в нер­ве — 4,8, в мышце — 8,3. Такие различия между клеткой и омывающей ее средой характерны для многих ионов и органических веществ. Они показывают, что отношение клетки к окружающим ее веществам изби­рательно: одни проникают в нее, другие — нет. Изучение проницаемости имеет не только теоретический интерес, но и большое значение для прак­тической медицины. С явлениями проницаемости связано поступле­ние в клетку веществ, поддерживающих процессы жизнедеятельности, образующих клеточные структуры, а также лекарств, ядов, нарко­тиков и т. п.

Установлено, что проницаемость в отношении одних веществ осуществ­ляется пассивно, в отношении других — активно. Кроме того, поглоще­ние крупных частиц может происходить путем фагоцитоза и пиноцитоза.

Осмотические свойства клетки

Многие растворы поступают в клетку осмотически. Осмосом (от греч. osmos —давление) называется одностороннее проникновение воды че­рез полупроницаемую оболочку. Его можно наблюдать, если два рас­твора "различной концентрации разъединить полупроницаемой перегород­кой, доступной для воды, но не пропускающей растворенного ве­щества. Вода с. определенной си­лой, зависящей от разности кон­центраций, станет притягиваться более насыщенным раствором из более разбавленного. Возникаю­щее давление на полупроницае­мую мембрану получило назва­ние осмотического дав­ления. Начало исследованию ос­мотических свойств клеток поло­жено крупным голландским бота­ником Г. де Фризом (1848—1935), отрывшим тургор у растений. Опыты де Фриза, по заявлению ван Гоффа, легли в основу тео­рии осмотического давления, раз­работанной этим известным фи­зиком.

Клетки животных и растений содержат растворы солей и дру­гих осмотически активных ве­ществ (Сахаров, мочевины). Этим обусловлено определенное осмотиче­ское давление. В клетках наземных животных оно составляет около 8 атм., у морских беспозвоночных увеличивается до 38 атм. Раститель­ные клетки обычно имеют осмотическое давление от 5 до 20 атм., но в некоторых случаях оно может достигать 100 и даже 140 атм. Здесь ос­новное значение имеют условия существования, а не систематическое положение. У представителей одного вида, произрастающих в разных условиях, различное осмотическое давление клеточного сока.

Растворы, в которых осмотическое давление такое же, как и в клетках, получили название изотонических. При погружении клеток в изо­тонические растворы объем их остается неизменным. Изотонические растворы солей называются физиологическими. Для различных объектов концентрация поваренной соли в физиологическом растворе не одинакова. Так, для животных из класса земноводных она равна 0,75% раствору NaCl, для млекопитающих — 0,9%, для насекомых — 1 %, а для морских беспозвоночных она соответствует концентрации солей в мор­ской воде — 3% NaCl. Физиологическими растворами и другими изото­ническими жидкостями пользуются в медицине. Их применяют при силь­ном обезвоживании и потере крови больными.

Раствор, осмотическое давление которого выше, чем в клетках, назы­вается гипертоническим. Растительные клетки, погруженные в та­кой раствор, начинают терять воду, протоплазма клетки сжимается и отслаивается от оболочки. Это явление называется плаамолизом (рис. 20). При уменьшении осмотического давления в растительных

«летках падает тургор. Под тургором понимается напряженное состоя­ние оболочек клеток, вызываемое давлением на них изнутри. Растение, в клетках которого снижен тургор, становится дряблым. Это явление легко проследить на сорванных и увядающих растениях и их плодах. При некоторых заболеваниях, например при холере, в результате силь­ного обезвоживания клеток больного все его тело становится дряблым, кожа — «тестообразной».

В хирургии при лечении инфицированных ран широко применяется гипертонический раствор поваренной соли. Марлевая повязка, смоченная гипертоническим раствором, хо­рошо впитывает гной, что способ­ствует заживлению ран.

Противоположная плазмолизу картина наблюдается при погру­жении растительных клеток в ги­потонический раствор. В этом растворе осмотическое давление меньше, чем в клетках. Вода на­чинает устремляться в клетку, клетка набухает, давление на обо­лочки становится больше, тургор увеличивается. При значительной разнице осмотического давления клетка может лопнуть.

Изолированные животные клетки в гипотонических растворах разру­шаются. То же произойдет с эритроцитами, если ввести в кровь человека «ли животного гипотонический раствор. Они сначала набухают, а затем «х наружная мембрана разрывается (рис 21).

Наружный слой клетки, т. е. ее мембрана, пропускает не только воду, но и в какой-то мере растворенные в ней вещества. Живая клетка ак­тивно регулирует осмотическое давление, изменяя концентрации осмоти­чески активных веществ. У одноклеточных животных, обитающих в прес­ной воде, выработались специальные приспособления (пульсирующие вакуоли), удаляющие из клеток избыточную воду. Одноклеточные орга­низмы, не имеющие пульсирующих вакуолей, излишнюю воду удаляют через клеточную мембрану. У высших животных осмотическое давление в целом организме регулируется системой органов выделения (почками).

Пассивный и активный перенос веществ с клетку и из нее

Выяснено, что практически все немакромолекулярные органические и неорганические вещества способны проникать в клетку и покидать ее. Использование радиоактивных изотопов позволило установить, что, если даже концентрация веществ в клетке и окружающей среде одинакова, все-таки происходит непрерывный обмен ионов между клеткой и средой. При этом ряд веществ проникает путем диффузии через клеточную мем­брану (пассивный перенос). К числу, таких веществ относятся органические молекулы, обладающие хорошей способностью растворять­ся в жирах; чем растворимость выше, тем проникновение происходит быстрее. Молекулы воды и ионы низкомолекулярных неэлектролитов, плохо растворимых в жирах, проникают в клетку через специальные уча­стки клеточной мембраны— поры. Диаметр пор колеблется в преде­лах от 7 до 16 А, а общая площадь их составляет доли процента к общей поверхности клетки (в эритроците, например, 0,06% поверхности клетки). Проникновение в клетку аминокислот и Сахаров осуществляется вслед­ствие соединения их с компонентами мембраны, называемыми пере­носчиками.

Только диффузией невозможно объяснить гетерогенность химического состава протоплазмы и окружающей среды. Несомненно должен суще­ствовать активный перенос ионов н других веществ, поступающих в клетку и удаляющихся из нее. Активный перенос связан с затратой энергии, источником которой является АТФ. Один из способов активного переноса веществ, возможно, заключается в том, что ферменты, входя­щие в состав мембраны, присоединяют определенные вещества и «пере­носят» их на противоположную сторону мембраны.

На проницаемость веществ в клетку оказывает влияние состояние про­топлазмы. Поступление аминокислот, Сахаров, липидов связано с быст­ротой их использования в клетке. Проникновение ряда веществ зависит от способности протоплазмы удерживать их в адсорбированном или хи­мически связанном состоянии. Возбуждение или повреждение клетки изменяет ее проницаемость в десятки и сотни раз.

В результате активной функции мембраны в клетку могут проникать частицы веществ, состоящие из нескольких, иногда многих молекул. Эти явления получили название фагоцитоза и пиноцитоза.

Фагоцитоз и пиноцитоз

Фагоцитоз (от греч. phagos— пожирающий и cytos — клетка) — процесс захватывания твердых частиц одноклеточными организмами (например, амебами) или особыми клетками многоклеточных животных. Последние называются фагоцитами, или клетками-пожирателями. Фагоцитоз от­крыт И. И. Мечниковым. Обычно при фагоцитозе клетка образует выпя­чивания цитоплазмы — псевдоподии, которые обтекают захватываемые частицы. Но образование псевдоподий не обязательно.

Фагоцитоз играет важную роль в питании одноклеточных и низших многоклеточных животных, которым свойственно внутриклеточное пище­варение, а также характерен для клеток, играющих важную роль в явле­ниях иммунитета и метаморфоза.

В процессе фагоцитоза можно выделить четыре последовательные фазы. В первой (факультативной) фазе фагоцит сближается с объектом поглощения. Здесь существенное значение имеет положительная реакция фагоцита на химическое раздражение — хемотаксис (см. главу V). Во второй фазе наблюдается адсорбция поглощаемой частицы на по­верхности фагоцита. Третья фаза — собственное проникновение частицы в клетку. Эта фаза связана с изменением поверхностного натяжения в наружном слое клетки. В четвертой фазе заглоченные объекты разру­шаются и перевариваются внутри фагоцита. Разумеется, что эти стадии не отграничены, а незаметно переходят одна в другую.

Клетки могут аналогичным способом поглощать также жидкости и крупномолекулярные соединения. Это явление получило название пи­ноцитоза (от греч. рупо — пить и cytos — клетка). Пиноцитоз сопро­вождается энергичным движением цитоплазмы в поверхностном слое, приводящим к образованию впячивания клеточной мембраны, идущей от поверхности в виде канальца внутрь клетки. На конце канальца обра­зуются вакуоли, которые отрываются и переходят в цитоплазму. Пино­цитоз наиболее активен в клетках с интенсивным обменом веществ, в ча­стности в клетках лимфатической системы, злокачественных опухолей и др.

Путем пиноцитоза в клетки проникают высокомолекулярные соедине­ния: питательные вещества из кровяного русла, гормоны, ферменты и другие вещества, в том числе лекарственные. Электронномикроскопиче-ские исследования показали, что всасывание жира эпителиальными клет­ками кишечника происходит также путем пиноцитоза.

Инородные тела, попавшие в клетку путем фагоцитоза или пиноци­тоза, подвергаются воздействию лизирующих ферментов внутри пище-

верительных вакуолей либо непосредственно в цитоплазме. Внутрикле­точными резервуарами этих ферментов являются лизосомы.

В настоящее время получены данные, согласно которым лизосомы уча­ствуют в удалении изношенных частей клетки и целых клеток, т. е. вы­полняют процесс аутофагии клеток.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА

Одним из центральных процессов метаболизма клетки является синтез белка — формирование сложной молекулы белка-полимера из амино­кислот-мономеров. Процесс этот, как известно, протекает в цитоплазме клеток, в органоидах-рибосомах и через посредство информационной РНК находится под контролем ДНК ядра. Выяснение участия нуклеино­вых кислот (ДНК и РНК) в процессах построения белка в клетке яв­ляется одним из замечательных достижений биологической науки сере­дины XX столетия.

В современной биологии широко используется термин «наследствен­ная (генетическая) информация». Под этим термином следует понимать специфические особенности структур и функций, которые могут переда­ваться от одного элемента живой системы другому. В теориях информа­ции оперируют понятиями «кодирование» (код) и «декодирование». Код — условная система записи, т. е. запись, состоящая из информацион­ных элементов, временно заменяющих действительные структуры или взаимодействующие системы. При декодировании происходит перевод сообщений с языка кода на язык действий; этот процесс иначе назы­вается считыванием информации. С помощью кода (кодирования) про­изводится запись информации и ее хранение. Информацию можно раз­множать, копировать.

В 50-х годах нашего века впервые было высказано предположение, что нуклеиновые кислоты живой клетки, в частности ДНК, являются кодирующими системами по отношению к основным химиче­ским компонентам протоплазмы — белкам. Отправным пунктом в ана­лизе этого процесса было положение, что порядок аминокислот в моле­куле белка (точнее — в его полипептидной цепи, т. е. первичных струк­турах) определяется порядком расположения мономеров ДНК — нуклео-тидных пар в молекуле ДНК. Стало очевидным, что каждый из многих образующихся в клетке белков не может кодироваться («шифроваться») на нити ДНК всякий раз новым, качественно особым информационным элементом. Тогда естественно было предположить, что в нити ДНК ли­нейно расположены немногочисленные элементы (единицы информации), которые подобно буквам, складывающимся в слова, способны обеспечить специфические «инструкции» о том, какой белок необходимо синтезиро­вать. В молекуле ДНК такими единицами являются азотистые основа­ния, а именно аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т), в ни­тях РНК вместо тимина — урацил (У).

Очевидно, что каждое азотистое основание, входящее в состав моле­кулы ДНК, не может определить участие в белковом синтезе одной из аминокислот. Ведь таких оснований всего 4, а в состав белковых молекул входит минимум 20 различных аминокислот. Следовательно, использо­вание в белков'ом синтезе всех известных аминокислот возможно лишь при наличии определенного сочетания единиц информации. Таким соче­танием являются системы трех азотистых оснований, т. е. тр ип л етн ы й код. Группа оснований, которая кодирует одну аминокислоту, получила название кодона. Четыре основания в комбинациях по 3, т. е. 4³, дают 64 разных кодона. Этого более чем достаточно для кодирования 20 ами­нокислот.

Расшифровка генетического кода была начата М. Ниренбергом, кото­рый получил искусственно синтезированную нуклеиновую кислоту

{РНК), состоящую сплошь из одинаковых нуклеотидов, содержащих только урацил, т. е. полиуридиловую кислоту. При помещении ее в «ко­тел», где происходил синтез белка, был получен белок, состоящий только из одной аминокислоты — фенилаланина. Так был сделан вывод, что кодон УУУ обеспечивает синтез полифенилаланина. Вскоре удалось найти кодоны для всех 20 аминокислот (см. табл. 5 на стр. 136).

Оказалось, что есть 9 аминокислот, каждая из которых кодируется четырьмя различными кодонами (например, аминокислота серии, коди­рующаяся триплетами УЦУ, УЦЦ, УЦГ, АЦГ). Наряду с ними есть аминокислоты, кодирующиеся тремя, двумя, одним триплетом азотистыч оснований. Кроме того, сейчас существует мнение, что некоторые трип­леты (например, УАА, УАГ, У ГА) не кодируют аминокислоты, а яв­ляются своеобразными «точками» в процессе считывания информации. Когда процесс синтеза доходит до такой «точки» в молекуле РНК, синтез данной полипептидной цепи прекращается. После «точки» начинает син­тезироваться новая молекула белка. Процесс считывания информации происходит в одном и том же направлении. Так, если в молекуле нуклеи­новой кислоты азотистые основания будут располагаться в таком по­рядке:

ААА, ЦЦЦ УГУ УЦУ...,

то это означает, что закодированы последовательно расположенные еле- * дующие аминокислоты: лизин (ААА), пролин (ЦЦЦ), цистин (УГУ), серии (УЦУ). Именно в этой последовательности они должны распола­гаться в полипептидной цепи при синтезе белка.

Если в первом триплете нуклеиновой кислоты будет утрачен один аденин, наш пример приобретет следующий вид:

АА ЦЦЦ УГУ УЦУ ...

В результате состав всех триплетов изменится. Первый триплет станет не ААА, а ААЦ. Подобный триплет кодирует аминокислоту глютамин, а не лизин, как было прежде. Второй триплет станет уже не ЦЦЦ, а ЦЦГ и т. д.

В принципе то же происходит при вставке новых оснований. Таким образом, исчезновение или вставка всего лишь одного — двух основа­ний может нарушить синтез всех молекул белка, закодированных в дан­ной ДНК.

Многочисленными исследованиями установлена удивительная универ­сальность генетического кода. Он одинаково проявляет себя в системах, полученных из вирусов, бактерий, водорослей и млекопитающих. Следо­вательно, он, по-видимому, один во всем органическом мире. Это одно из наиболее убедительных доказательств общности происхождения всей живой природы.

В опытах на вирусах было обнаружено, что в переносе генетической информации от ДНК к белку участвует лишь очень небольшая часть всей клеточной РНК.

Как известно, существует три типа РНК: рибосомная, инфор­мационная и транспортная. В процессе синтеза белка участ­вуют все три разновидности РНК, однако степень и характер их участия различны. Последовательность процессов, результатом которых являет­ся построение полипептидных цепей белковой молекулы, представляется следующим образом.

Под действием специального фермента происходит синтез молекул информационной РНК. Этот фермент, передвигаясь вдоль молекулы ДНК от одного конца к другому, как бы отщепляет от молекулы ДНК молекулу информационной РНК. Последняя, попав в цитоплазму, при­крепляется к рибосоме, а затем постепенно протягивается через тело рибосомы. В каждый момент внутри рибосомы находится лишь незна-

"чительный участок информационной РНК. Одновременно в рибосому проникают молекулы транспортной РНК, несущие иа себе аминокислоты. Они подходят к молекуле информационной РНК, касаются своим трип­летом ее триплетов, находящихся в данный момент в рибосоме, и если оказываются дополнительными друг к другу, то аминокислота соскаль­зывает с транспортной РНК и встраивается в синтезируемую полипеп­тидную цепь. Таким образом, в рибосомах на триплетах информацион­ной РНК, как на шаблоне, в определенной последовательности выстраи­ваются аминокислоты, доставленные транспортной РНК.

Между аминокислотами образуются пептидные связи. Чем длиннее молекула информационной РНК, тем больше информации на ней запи­сано, тем крупнее выстраивающаяся на ней молекула.

Б синтезе белковой молекулы может участвовать не одна рибосома, а несколько, образующих полирибосому. Число рибосом, входящих в со­став полирибосом, зависит от длины информационной РНК. Так, в об­разовании молекулы гемоглобина, имеющей молекулярный вес 16 000, по-видимому, участвует 4—5 рибосом. Для образования молекул белка с молекулярным весом 70000 требуется около 20 рибосом. Готовая по-.липептидная цепь покидает матрицу. Возможно, что на той же матрице «ачинает выстраиваться новая белковая молекула. Синтез белка — эндо­термический процесс, нуждающийся в затрате энергии. Получение этой энергии связано с циклом аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ КЛЕТКИ

Гликолиз и окисление

Все функции, выполняемые клеткой, требуют затраты энергии, которая черпается из питательных веществ в процессе диссимиляции.

Биологическое значение, процесса джСЙМИДяции сводится не только к освобождению энергии, потребной клетке, но также нередко и к раз­рушению веществ, вредных для организма.

г Весь процесс диссимиляции, или энергетического обмена, молено раз­делить на три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. На подготовительном этапе высокомолекулярные и полимерные органи­ческие вещества распадаются на более простые с малым молекулярным весом. Полисахариды, например, распадаются на моносахара, жиры — на глицерин и жирные кислоты, белки — на аминокислоты и т. д. При

\ этом выделяется очень мало энергии, которая практически клеткой не утилизируется.

На втором, бескислородном, или анаэробном, этапе, который завер­шает энергетический обмен у организмов, живущих в отсутствие кис­лорода, происходит распад органических соединений с разрывом моле­кул между углеродными атомами и отщеплением атомов водорода. При этом выделяется значительно больше энергии, чем на подготовительном этапе. В бескислородном этапе диссимиляции (или, как его называют иначе, гликолизе) участвует более 10 ферментов, сосредоточенных в ци­топлазме. Эти ферменты не только ускоряют все химические реакции, но и обеспечивают последовательность, плавность экзотермических процес­сов. Без ферментативного контроля процессы диссимиляции привели бы к такому бурному выделению энергии, которое неминуемо вызвало бы гибель клетки.

Как известно, единицей энергии в клетке, своеобразной_энергетич^ской «вадюлой» ее является .молекула АТФ. Она накапливает энергию, сво-" оодно перемещается в клетке и легко отдает энергию отдельными пор­циями процессам, которые в ней нуждаются. АТФ образуется в результате

присоединения к аденозиндифосфату (АДФ) третей фосфатной группы и представляет собой нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трех молекул ортофосфорной кислоты (рис. 22). Отщепление концевого фос­фата АТФ, превращающего его в АДФ, сопровождается выделением большого количества энергии: 8000 кал вместо 3000 кал, выделяемых при разрыве обычных химических связей. Поэтому такая связь получила название макроэргической.

Отщепление двух концевых фосфатов, переводящее АТФ в АМФ (аде-нозинмонофосфат), дает 16 000 кал.

О Ò" к н II I!

-С—О—Р—0~ Р—он

I i I

он он он он он он он

ш₂

I АТФ

N^43 N \1 " <-

| ! \СН Н H H H

С^. JZ N С С С С С —0—Р—О р—О ~ Р ОН

^ I I ! I I I I I

он он он он он он он он

Рис. 22. Строение молекул АТФ и АДФ. В молекуле АТФ содержатся три фос­фатные группы. При отщеплении одной из них освобождается энергия.

Реакция отщепления концевых фосфатов обратима. Суммарно реак­цию анаэробного этапа можно записать так:

Пировиноград-