ает многие процессы метаболизма (накапливаются многие низкомолекулярные соединения, другие, например белки, РНК и т. д., разрушаются), то пока не ясно, какой процесс или ряд процессов является ответственным за переключение программы с роста и деления на спорообразование.

Отличаются ли споры и вегетативные клетки биохимически? Весьма существенно. Спора прежде всего предназначена для выполнения двух функций: 1) она должна оставаться в покоящемся состоянии и быть очень устойчивой к самым разнообразным неблагоприятным воздействиям окружающей среды и 2) спора должна выйти из покоящегося состояния и прорасти через несколько минут после активации факторами внешней среды, стимулирующими рост. Покоящееся состояние споры достигается в результате почти полного ее обезвоживания (способы удаления воды из клетки все еще неизвестны), накопления дипиколиновой кислоты (до 15% сухого веса клетки) и образования многослойной, керати-ноподобной оболочки (до 35% сухого веса клетки). Таким образом, по крайней мере на 50% споры состоят из новых соединений, которых нет в вегетативных клетках. Совершенно ясно, что в процессе спорообразования должны произойти существенные биохимические изменения. Однако вторая фупкция споры накладывает определенные ограничения па характер этих изменений. Спора должна, конечно, содержать полный набор ДНК, достаточное количество рибосом, образующих полисомные комплексы с синтезированной РНК, и вообще все необходимое для синтеза белка (так как синтез белка начинается через несколько секунд после активации). Споре нужны резервы энергии, набор ферментов, необходимых для нормального метаболизма, и, наконец, пул аминокислот, Сахаров, пуринов, пиримидинов и т. д. Все эти компоненты должны присутствовать в количестве, достаточном по крайней мере для того, чтобы в проросшей споре были запущены все процессы, характерные для растущей клетки и в дальпейшем она сама могла бы синтезировать эти компонепты. Таким образом, хотя многие ферменты и другие компоненты вегетативпых клеток обычно содержатся в спорах в меньшем количестве, некоторые из них полностью отсутствуют. Одпако практически все белки спор новые, т. е. синтезированы после образования проспоры и заместили «старые» белки, которые деградировали до аминокислот. Отличаются ли какие-пибудь белки спор от белков вегетативпых клеток? Да, отличаются. Только в оболочках спор найдены, например, кератиноподобпые соединения, а также ферменты, необходимые для синтеза дипиколиновой кислоты. Кроме того, было выделено по крайней мере 20 разных мутантов В. subtilis, которые растут совершенно пормальпо, но спор не образуют (не завершают спорообразования). Это позволяет предполагать, что белки, кодируемые этими генами, не нужны для вегетативного роста, а используются исключительно для образования спор и по крайней мере часть этих белков входит в состав спор. Показано, что некоторые ферменты присутствуют только в спорах (табл. 7-1). Следует, однако, заметить, что выделено немало ферментов, общих для спор и вегетативных клеток. Было также показано, что в обоих типах клеток они представлены идентичными белками.

Таблица^ 7-1

Ферменты, обнаруженные только в процессе спорообразования

у бактерий

1. Не обнаружены в вегетативных клетках

2. Присутствуют в малых количествах в вегетативных клетках и индуцируются во время спорообразования

3. Присутствуют в спорах и вегетативных клетках, но конститутивные белки разные

Глюкозодегидрогеназа Рибозидаза

Ацетил-Ко А — редуктаза

Аланинрацемаза • Аденозиндезаминаза Растворимая НАД • Н-оксидаза

Каталаза (устойчивая к нагреванию в спорах, чувствительная в вегетативных клетках)

L-аланиндегидрогеназа (устойчивая к нагреванию в спорах, чувствительная в вегетативных клетках)

ДОФА-декарбоксилаза (устойчивая к нагреванию в спорах, чувствительная в вегетативных клетках)

AcnajpTaT — аминотрансфераза (устойчивая к радиации в спорах, чувствительная в вегетативных клетках)

Превращение вегетативных клеток в споры сопровождается не только синтезом белка, но также синтезом новой РНК (и распадом старой РНК). Синтез РНК абсолютно необходим. Если его подавить в любое время, (добавляя вещество, специфически ингибирую-щее синтез РНК, то спорообразование прекратится и споры не сформируются. Степень завершенности процесса зависит от того, когда подавлен синтез РНК, а именно, чем позднее он подавлен, тем более сформированными будут споры. Таким образом, для того чтобы происходило спорообразование, необходим непрерывный синтез РНК. Этот вопрос будет подробно обсуждаться в гл. 15.

В заключение подчеркнем, что спора — это практически новая клетка, в которой во время спорообразования заново синтезируются белки, РНК, полисахариды и другие компоненты. По крайней мере некоторые из белков обнаружены только в спорах, особенно это относится к белку оболочки споры, который составляет до 35 % общей массы споры, и различным ферментам, но многие из них идентичны соответствующим ферментам вегетативных клеток.

Дополнительные замечания о переключателях и о том, когда они работают. Предположим, что популяции клеток В. subtilis создали условия, при которых они перешли в стационарную фазу

и начинают образовывать споры, а затем их быстро переносят в питательную среду, где они могут продолжать рост. Что при этом произойдет? Если клетки перенести в такую среду на достаточно ранней стадии спорообразования, то программа изменится: формирование спор прекращается и клетки возобновят рост и деление. Если пересев сделать позже, то рост и деление уже не возобновятся. Несмотря на возможность дальнейшего роста, клетки продолжают следовать программе спорообразования и образуют споры. В таких случаях говорят, что клетки детерминированы к спорообразованию. До сих пор не ясно, что при этом происходит на молекулярном уровне. С проблемой детерминации мы еще не раз встретимся в дальнейшем при рассмотрении многих вопросов цитодифференцировки.

Половой процесс и мейоз у дрожжей

Вегетативные клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae имеют эллиптическую форму, твердую оболочку и одно ядро с диплоидным набором хромосом. Как отмечено в гл. 5, дрожжи размножаются почкованием, а'ядро делится митотически.

U природе Saccharomyces cerevisiae встречается на винограде и других фруктах, содержащих большое количество глюкозы. В лаборатории этот вид дрожжей очень хорошо растет на простой питательной среде, содержащей глюкозу, два витамина (биотип и пантотеповую кислоту) и источник азота (хлорид аммония и частично переваренный белок). В любой среде, когда популяция

Гаплоидные клетки в фазе роста

Встреча двух гаплоидных клеток разного полди^

прекращает рост и остается значительное время в стационарной фазе, каждая диплоидная клетка переходит на альтернативную программу развития и дает четыре специализированные дочерние гаплоидные клетки. Это мелкие, округлые, толстостенные, покоящиеся споры, окруженные защитной оболочкой — аском.

Позднее аск лопается и аскоспоры попадают в среду. Если в среде достаточно питательных веществ, то каждая спора прорастает в небольшую, округлую вегетативную клетку, все еще гаплоидную, которая может делиться обычным митотическим способом и почковаться. Когда две гаплоидные клетки разных полов (см. ниже) приходят в контакт друг с другом, они сливаются и образуют одну большую диплоидную клетку. На этом цикл завершается. Все описанные события изображены на рис. 7-3 и 7-4.

Рис. 7-4. Две стадии сингамии у дрожжей.

Л. Начало контакта гамет. Б. Клеточные стенки исчезли, и ядра начали сливаться. 2 — вакуоль, 2 — ядро, 3 — слияние ядер.

Пол у дрожжей (называемый микробиологами „mating type") определяется одним геном. Существуют два его аллеля — Mt+ и Mt~. Гаплоидные клетки, несущие один и тот же аллель, при контакте не сливаются. Для того чтобы произошло слияние, необходима встреча клеток Mt+ и Mt~. Таким образом, диплоидная клетка, образовавшаяся после их слияния, обязательно будет ге-терозиготой Mt+Mtr, как и все ее дочерние клетки. Позднее, когда

"ч

ч

\ Удвоение хромосом

Мейоз I

2 диплоидных дочерних ядра

Мейоз И

' \ /1 j\ \ / \ I <-ч^ \ 4 гаплоидных

I '..V ) \^*/ дочерних ядра

Рис. 7-5. Схема мейоза.

из такой диплоидной клетки возпикнут четыре гаплоидные споры, то среди них две будут одного пола и две другие — другого.

Четыре гаплоидных ядра спор образуются из одного ядра диплоидной клетки в процессе мейоза в отличие от обычного митотического деления. Мейоз относится к области цитологии и генетики, но мы все-таки рассмотрим его кратко. Для простоты представим себе диплоидное ядро с двумя парами хромосом (рис. 7-5). Мейоз: начинается со спаривания сестринских хромосом в очень определенном и строгом порядке, а затем каждая хромосома удваивается и образуется группа из четырех идентичных дочерних хромосом

дли хроматад. После этого ядро, так же как и клетка, делится '(мейоз I). Затем ядра и клетки делятся еще раз, но уже без удвоения хромосом (мейоз II); в результате образуются четыре гаплоидные клетки.

ШШШШШШШШЩШШШШШШВШШ

IIP

Почти для всех видов дрожжей, миксомицетов, простейших и водорослей характерна смена циклов развития: гаплоидные клетки (гаметы) в результате полового процесса образуют диплоидные клетки (зиготы), а последние, претерпевая мейоз, снова формируют клетки с гаплоидными ядрами. Слияние гаплоидных клеток соответствует половому процессу, свойственному высшим растениям и животпым. В семенниках мужчин специализированные диплоидные клетки делятся мейотически и формируют гаплоидные спермин, а в яичниках у женщин — также в результате мейотических делений — образуются гаплоидные яйцеклетки. Последующее слияние гамет приводит к образованию диплоидной зиготы, из которой в конце концов возникает многоклеточный организм (подробнее см. гл. 10).

Рис. 7-6. Пыльник лилии in vitro: культивирование микроспороци-тов.

А, Культивирование пыльников- в жидкой среде. Б. Окрашенные мик-роспороциты при небольшом увеличении.

Обратите внимание па общность этих явлений. В процессе развития гамет — происходит