Родительская клетка использует его только в анаэробных условиях.

Получить разновидность дрожжей с клетками карликового размера можно также, обрабатывая исходную форму такими веществами, как акрифлавин и бромистый этидий, которые специфически подавляют синтез митохондриальной ДНК и не оказывают действия на ДНК ядер. При этом необратимо изменяются все клетки. Подобным же образом можно «исцелить» водоросль Chlamy-domonas от фотосинтеза, выращивая ее в присутствии стрептомицина (который воздействует на ДНК хлоропластов). Утрата функциональных хлоропластов — необратима; заменить их клерка не может. Зелёная водоросль превращается при этом в бесцветную клетку, которая лишена способности к фотосинтезу, и для ее роста необходимо поступление глюкозы извне.

Другие автономные органеллы

Длинный, кнутообразный жгутик многих простейших образуется из небольшой гранулы, расположенной в его основании. При делении этих клеток старые жгутики исчезают, а базальная гранула расщепляется на две. Каждая дочерняя клетка получает ба-зальную гранулу, из которой образуется новый жгутик. Если по какой-либо причине дочерняя клетка не получит базальной гранулы, то ни у нее, ни у ее потомков никогда не появятся жгутики. Некоторые другие органеллы, как, например, ротовой аппарат (gullet) ресничных инфузорий и, вероятно, пигментные гранулы, найденные в клетках покровов многих животных, по-видимому, также не зависят от ядра клетки 1 в том отпоп^ении, что при утрате этих органелл ядро не может их восстановить.

Еще об оргаиеллах

Кроме только что рассмотренных органелл, в клетках имеется еще много других: лизосомы, пероксисомы и другие специализированные гранулы и вакуоли, которых мы не будем касаться, и рибосомы, с которыми мы уже познакомились. Эти органеллы также должны перераспределяться между дочерними клетками.

1 Представление о саморепликации Пигментных гранул не получило подтверждения. Пигментная гранула представляет собой белковую структуру (белковый матрикс), на которой откладывается пигмент. В состав белкового матрикса входит большое число разных белков, и их синтез зависит от ядра данной клетки.— Up им. перев.

В заключение следует подчеркнуть, что клетка — это не вместилище гомогенного материала, который случайно распределяется во время деления. Это комплекс обладающих сложной структурой органелл. Мпогие из них являются автономными (ядро, митохондрии и др.) в том смысле, что их присутствие необходимо для их собственного удвоения. В связи с этим в цикле роста и деления клетки должна строго осуществляться программа биосинтезов, поскольку необходимо скоординировать синтезы в автономных, полуавтономных и зависимых структурах и точную их топографию, чтобы гарантировать соответствующее распределение орга-нелл между дочерними клетками.

Биохимические события в цикле роста и деления клетки

Два пути изучения растущих клеток. Всех биологов, занимающихся исследованием клетки, можно условно разделить на две категории — «минибиологов» и «максибиологов»,

Минибиологи говорят: если вы хотите знать, что происходит в клетке, вам следует заглянуть в нее. Так как средняя клетка имеет объем около 1000 мкм3 (10~15 м3), а сухой вес около 10~10 г, то методы исследования, как оптические, так и химические, должны быть очень чувствительными. При этом минибиологи используют электронный микроскоп для изучения молекулярпого строения, применяют красители, реагирующие со специфическими компонентами клетки и окрашивающие их (белок, ДНК и др.), причем интенсивность окрашивания может количественно характеризовать эти компоненты; используют меченые соединения для изучения их синтеза, применяют микрохимические методы для определения концентрации различных фермептов в клетке.

Максибиологи говорят: если вы хотите знать, что происходит в

клетке, вам следует просмотреть мпожество клеток и создать единое мнение; при этом вы должны быть уверены, что во всех изучаемых клетках в одпо и то же время происходят одни и те же

процессы. Максибиологи применяют специальные методы синхронизации роста клеточных популяций для того, чтобы клетки одновременно вступали в митоз, делились, синтезировали ДНК и т. д.

(Методы синхронизации роста описаны в гл. 6). При использовании больших клеточных популяций методы исследования могут

быть значительно менее чувствительными и соответственно их

легче применять. .

Эти разные подходы часто позволяют получить разную информацию и таким образом очень хорошо дополняют друг друга.

Питание. Практически все клетки независимо от их источника па 80% состоят из воды и на 20% из сухой массы. В сухой массе клетки — приблизительно 50—60% белка и 15—25% РНК (около 15% в растительных, животных клетках и у микроорганизмов, около 25% у бактерий). Содержание ДНК значительно варьирует. У бактерий относительное содержание ДНК наиболее велико — около 4% сухой массь!. Почти во в'сех растительных и животных клетках ДНК составляет приблизительно 1 % сухого веса, но в некоторых клетках, особенно у грибов, только 0,1%. Содержание полисахаридов (крахмал, гликоген, целлюлоза и т. д.) обычно составляет около 10%, а липидов — несколько процентов (за исключением некоторых специализированных клеток растений и животных или ряда микроорганизмов, у которых накапливается жир). Низкомолекулярные соединения (такие, как сахара, аминокислоты, витамины, неорганические соли) составляют не более нескольких процентов.

Во время роста клетки происходит синтез всех отмеченных компонентов в соответствующих пропорциях. Сырье для их синтеза должно быть получено из окружающей среды. Кроме того, поскольку для этих синтезов требуется энергия, то необходимо иметь, также источник энергии. При максимальном упрощении сырьем являются те химические элементы, из которых состоят входящие в ее*состав компоненты: углерод (70%), азот (12%) ив меньших количествах водород, кислород, сера, фосфор и большинство других элементов в следовых количествах (магний, марганец, калий, натрий, железо и т. д.). Однако эти элементы должны поступать в клетку в приемлемом для нее виде, то же самое относится и к источнику энергии.

Таблица 5-1

Состав среды для культивирования бактерии Escherichia coli и опухолевых клеток (Не La) человека

Е. coli 1. Глюкоза (источник энергии и углерода)

2. Хлорид аммония (источник азота)

3. Неорганические соли, т. е. MgS04, KHaP04, NaCI и др.

4. Вода

HeLa 1. Глюкоза

2. Аминокислоты (аргинин, гистидин, лизин, триптофан, фе-нилаланин, метионин, треонин, лейцин, изолейцин, валян» глутаминовая кислота, аспарагиновая кислота, пролин, глицин, глутамин, тирозин, цистеин)

3. Витамины (тиамин, рибофлавин, пиридоксин, фолиевая кислота, биотин, холин, пантотеновая кислота, никотин-амид, инозитол, гипоксантин, витамин В12)

4. Неорганические соли

5. Белки (фетуин и сывороточный альбумин)1

6. Вода

В табл. 5-1 дана сравнительная характеристика состава двух сред культивирования. Одна среда предельно проста, она используется для культивирования бактерии Е. colt Вторая среда чрезвычайно сложна, она применяется для выращивания особой линии опухолевых клеток человека — клеток HeLa, растущих вне организма в виде популяции диспергированных клеток. Обратите внимание на чрезвычайно значительные различия в потребностях

1 Эти два белка включены в состав среды не как питательные вещества, а для создания определенных физических условий, необходимых для роста этих опухолевых клеток вне организма.

клеток в питательных веществах. Есть ли что-нибудь общее в требованиях к источникам питания в этих случаях, т. е. можно ли объяснить, почему одни вещества пригодны для Е. coli, а другие для клеток HeLa?

В клетках Е. coli окисление глюкозы до СОг и Н2О происходит в соответствии с уже упомипавшимся уравнением:

С„Н1аОв + 602 6С02 + 6Н20.

' Рибоза и дезокси-рибош

6-фосаюглюконоеая кислота

Глюкоза

3-фосфо-глицеральдегид~

Другие сахара: манноза, галактоза,Глицерин

Тирозин

Энергия

Серия

Глицин

Феншаланш

Энергия

Алании

йыримидины Mnapazivwm

кислота

Л

Изолейцин,

треонин,

лизин,

мгтионин

и т.д.

Рис. 5-3. Неполная схема процессов метаболизма Е. coli.

В результате этой окислительной реакции освобождается около 700 000 калорий химической энергии на один моль окисленной глюкозы; этого количества энергии более чем достаточно для того, чтобы клетки могли расти. На рис. 5-3 показано, что окисление глюкозы до СОг и Н2О может осуществляться двумя путями, причем глюкоза превращается в 3-фосфоглицеральдегид, пировино-градную кислоту, уксусную кислоту и в конце концов в СО2. На соответствующих уровнях отмечено выделение энергии. Но соединения, подобные глюкозе, фосфоглюконовой кислоте, 3-фосфогли-церальдегиду, пировиноградной и уксусной кислотам, используются Е. coli также в качестве исходных для синтеза РНК, ДНК, белка, компонентов клеточной оболочки, мембран и т. д. Таким образом, некоторая часть глюкозы не полностью окисляется, а используется в качестве сырья для сиптеза различных компонентов клетки. Энергия для этих синтезов освобождается при окислении остальной глюкозы.

Для осуществления процессов метаболизма, схематически изображенных на рис. 5-3, должно пройти несколько сотен химических реакций, причем каждую из них катализирует свой фермент. У Е. coli происходят все эти реакции, и скорости их достаточно велики, так что клетка может синтезировать-все сахара, аминокислоты, пурины, пиримидины, липиды, витамины и т. д., необходимые для ее роста, и может делать это в относительно короткое время.

А клетки HeLa? Окисление глюкозы для получения энергии в клетках HeLa происходит совершенно так же, как показано на рис. 5-3. Но многие процессы метаболизма ^Ьобще не осуществляются (из-за отсутствия ферментов) либо протекают очень медленно (из-за того, что концентрация ферментов слишком низка), так что клетка может выжить, но не растет. Вот почему в среду для культивирования клеток HeLa приходится вводить почти все строительные вещества в готовом виде. В результате получается сложная среда, состав которой дан в табл. 5-1.