Елинов Н.П. Основы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

(продолжение таблицы 8)

Признак

Кардиолипин

Фосфатидилглицерин

Липотейхоевые кислоты

Моногалакто-

зилдиглицериды

Дигалактозилдиг-

лицериды

Сульфохиново-

зилдиглицериды

Ундекапренол

Долихол

Сфингомиелин

Стерины

1 Связь с ядерной ДНК

Прокариоты

Отсутствует

Имеется

Имеются у

грамположительных

бактерий

Имеются (у зеленых

бактерий и

цианобактерий)

Имеются у

цианобактерий

Имеется

Отсутствует

Отсутствуют

Имеется

Эукариоты

Имеется

Отсутствует или

имеется в следовых

количествах

Отсутствуют

Отсутствует

Имеется

_ " _

Имеются

Отсутствует

8 кроме цианобактерий, способных синтезировать полиненасыщенные жирные

кислоты.

Микоплазмы могут включать экзогенные стерины в состав мембраны.

Клеточные мембраны после выделения из клеток и тщательной

очистки остаются связанными с рибосомами и ДНК, представляя

собой мембранополирибосомо-ДНКовые агрегаты.

Рибосомы в прокариотической клетке (числом порядка 10

на

клетку) состоят приблизительно из 30% белка и 70% РНК, что в

расчете на всю клетку составляет до

40%

белка и

90%

РНК. "Мягкий"

лизис растущих клеток сопровождается выделением почти всех

рибосом в виде полирибосомомембранных агрегатов, содержащих

все компоненты белоксинтезирующей системы. Полирибосомы

представляют собой цепочки, состоящие из 70S рибосомных мо-

номеров с диаметром порядка 0,02 мкм, присоединенных к мРНК.

При низких концентрациях ионов магния — меньше 10'

М 70S

рибосомы диссоциируют на 30S и 50S субъединицы. Размер первых

приблизительно

0,007

— 0,016 мкм, молекулярная масса 800 кДа.

Каждая 30S субъединица включает одну мрлекулу 16S РНК с ММ

около 500 кДа и 21 молекулу разных белков; 50S субъединица

размером 0,014 — 0,016 мкм имеет ММ

1,8»10

кДа и содержит

103

одну молекулу 23S РНК с ММ 1,1 х 10

кДа, 5S РНК с ММ 40 кДа

и 34 молекулы разных белков. Участие рибосом в матричном

синтезе белка см. в разделе 5.1.

Ядро прокариот (нуклеоид) представляет собой тонкую, непра-

вильную, фибриллярную сеть из ДНК, часто располагающуюся

параллельно осевой линии клетки. Во многих случаях ДНК-связы-

вающей структурой выступает мезосома. Замкнутость нити ДНК

в виде кольца доказано с помощью радиоавтографии. Это и есть

единственная хромосома в бактериальной клетке. На нее прихо-

дится 2-3% клеточной массы и 10% или более объема клетки. В

такой хромосоме у Е. coli имеется от 20 до 70 суперспирализован-

ных доменов. До недавнего времени признавали, что нуклеосомы

(см.) присущи только эукариотам. Однако нуклеосомоподобные

структуры, как оказалось, обнаруживаются и у прокариот. Из ДНК

Е. coli отделены 4 гистоноподобных белка. Они были обозначены

как HLPlla, HLPIIB, HLPI И Н-протеин. У первых двух аминокис-

лотный состав подобен аминокислотному составу гистона Н2В у

эукариот, а белок Н перекрестно реагирует с антителами против

гистона Н2А из зобной железы телят. Названные гистоноподобные

белки помогают ферменту гиразе, или топоизомеразе II стабили-

зировать суперспирализацию ДНК. ДНК-гираза способна вводить

отрицательную суперспирализацию в релаксированную (от лат.

relaxatio — уменьшение напряжения, расслабление) кольцевую

молекулу ДНК (рис. 29). Одна мо-

лекула фермента вводит до 100

0\J) СЭ СУ спиралей в 1 минуту.

К /?Х 2 1^± 3 у*^

Кроме гистоноподобных бел-

%г

\/ j&n

ков

— ^LP (от англ. histone-like

С/ CJr СУ protein) в клетках прокариот име-

ются полиамины, связанные с ри-

босомами и мембранами. Главные

•Рис.

29. Инверсия положительной су-

из

них — путресцини спермидин:

перепирали двухцепочечнои ДНК при (ГИо) —NH9-

участииДНК-гиразы: 1 — стабилизация п^гч ^гт2)3 INrlZ,

положительного витка, 2 — разрыв в путрвСЦИН

заднем сегменте, 3

—

"залечивание" раз- H2N—(СН2)4—NH—(СН2)з—NH2

рыва с внешней стороны.

спермидин

Эти полиамины характеризуются антимутагенным эффектом,

способностью повышать устойчивость протопластов к осмотиче-

скому лизису, стабилизировать 70S рибосомы (предупреждают их

диссоциацию на субчастицы).

В цитоплазме прокариот могут накапливаться гликоген, напри-

104

Ч—

мер у энтеробактерий (до 40% массы клеток). Спорообразующие

бактерии и псевдомонасы накапливают до 30% и более поли-Р-гид-

роксимасляной кислоты, у большинства прокариот выявляются

полифосфаты, волютин, липиды.

Отдельные прокарио-

ты образуют внутрикле-

точные споры (эндоспо-

ры).

Аэробные из них

представлены видами ро-

дов Bacillus и Sporosarcina

(S.

ureae), микроаэрофи-

лы — видом Sporolacto-

bacillus inulinus, анаэроб-

ные — видами родов

Clostridium, Desulfo-

tomaculum. Размер, фор-

ма и расположение споры

в клетке (терминальное,

субтерминальное, цент-

ральное) достаточно по-

стоянны и поэтому ис-

пользуются для характе-

ристики видов. Содержа-

ние в спорообразующих

клетках пар нуклеотидов

ГЦ достаточно низкое, особенно — у клостридии (22-28%); у них,

Рис.

30. Эндоспора: 1 — кор, или цитоплазма

споры; 2 — стенка споры; 3 — оболочка споры;

4 — кортекс; 5 — экзоспориум.

аланиновая субъединица тетрапептидная субъединица гликолактамовая субъединица

^ СН

ОН

7-TV

сн,он

сн

он

сн

^,н

3 МНСОСНз МНСОС^ йн

NHC0yH

NHCOCH

NHCOi

сн

—сн сн

—сн

С О—L-AU-jj^Glu-meso-DAP-D-Ala

СО—

L—Ы*

фрагмент пептидогликана в кортексе спор бацилл

105

как правило, отсутствует meso-ДАП в муреине. Эндоспоры —

сложные образования и, как видно из рис. 30, эндоспора Вас. cereus

представляется сферическим многослойным телом, формирование

которого, как правило, диктуется неблагоприятными условиями. В

кортексе спор у большинства спорообразующих видов найден

специфический пептидогликан.

В цитоплазме спор содержится до

15%

дипиколината кальция. В белках

оболочек споры отмечается повышен-

"М^

ное количество гидрофобных амино-

°С С° кислот и цистеина. В связи со споро-

О ,0 образованием культуры ряда бацилл и

клостридий образуют белки, которые

дипикопинат кальция

имеют важное народнохозяйственное

значение (циклопептидные антибиоти-

ки,

энтобактерин). С другой стороны, спорообразующие прокари-

оты могут быть вредителями биотехнологических процессов. Спо-

ры отличаются высокой устойчивостью к различным внешним

факторам, хорошо переносят их воздействия и поэтому могут

попасть в ферментационные среды или в готовый продукт при

несоблюдении правил асептики, антисептики и стерилизации.

Некоторые прокариоты (отдельные актиномицеты) могут обра-

зовывать экзоспоры, которые выступают у них репродукционными

образованиями и покоящимися формами одновременно (эндоспо-

ры — это покоящиеся формы и/или формы дифференцировки в

ходе развития и созревания клеток, например, у Вас. subtilis).

Покоящимися формами являются и цисты, которые могут

образовываться азотобактериями, миксобактериями, риккетсия-

ми,

спирохетами.

4.3.

Клетки эукариот. В биохимической технологии используют

эукариотические клетки различного происхождения. Источниками

их являются виды, относящиеся к царствам Mycota, Plantae и

Animalia. К настоящему времени ассортимент первых более ши-

рокий, чем ассортимент растительных и животных клеток, эксплу-

атируемых в производстве. Клетки эукариот во многом сходны

между собой, тем не менее, имеющиеся различия привносят свои

особенности, сказывающиеся на их структуре и функциях. На рис.

31 достаточно объективно отражены фактические данные, накоп-

ленные исследователями при изучении строения клеток эукариот.

Клетки грибов и растений обладают прочной клеточной стен-

106

кои, которая отсутствует у

клеток животного проис-

хождения. При этом мар-

керной структурой для

большинства грибов стано-

вится хитин, для большин-

ства растений

—

целлюлоза.

Молекулярные массы их

близки и достигают величи-

ны порядка 500-600 кДа.

Клеточные стенки грибов и

растений

—

двухфазные си-

стемы. Одной фазой явля-

ются микрофибриллярные

структуры, второй фазой —

аморфный наполнитель.

Следовательно, грибная и

растительная клеточные

стенки являются природны-

ми композитами, в химиче-

ском составе которых пре-

обладают углеводные ком-

Рис.

31. Клетка эукариот: 1 — плазматическая

мембрана, 2 — пероксисома, 3 — ядро, 4 —

ядрышко, 5 — аппарат Гольджи, 6 — шерохо-

ватый эндоплазматический ретикулум, 8 —

центриоль, 9 — цитоскелет, 10 — секреторная

гранула, 11 — экзоцитотический пузырек, 12

— эндоцитотический пузырек, 13 — эндосома,

14 — лизосома, 15 — цитозоль, 16 — митохон-

дрия, 17 — рибосомы.

СНоОН

«.

т *- . СН

ОН

NHCOCHj NHCOCH

СН

ОН

v> _ CH

UH j

звено хитина

звено целлюлозы

поненты. Из других веществ в ней обнаружены гликопротеины,

белки, в незначительных количествах

—

липиды и липоконъюгаты.

связи с меньшей дифференциацией клеточных структур у грибов

в сравнении с растениями, можно привести усредненные данные

по составу компонентов в клеточных стенках грибов (таблица 9).

107

Таблица 9 Химический состав клеточных стенок некоторых грибов, %

Компонент

Азот

Белок

Глюкан

Липиды

Маннан

Фосфаты

Хитин

Хитозан

Другие углеводы

Сумма

углеводных

компонентов

Виды грибов

Allomyces

macroginus

5,5

10,0

16,0

58,0

74,0

Mucor rouxii

(нитчатая форма)

6,3

7,8

3,8

23,3

9,4

32,7

9,5

55,4

Saccharomyces

cerevisiae

2,1

13,0

28,8

8,5

31,0

0,31

1,0

60,8

Из таблицы видно, что у некоторых видов грибов (мукоровых)

в клеточной стенке присутствуют и хитин и хитозан (деацетилит

рованная форма хитина), у других — только хитин.

Как уже было сказано, целлюлоза — маркерный компонент

клеточных стенок растений, однако в незначительных количествах

она обнаруживается, например, у акразиевых, гифохитридиевых,

сапролегниевых, пероноспоровых грибов.

Уроновые кислоты и лигнин достоверно никто не обнаруживал

в клеточной стенке грибов, но многие выявляли пигменты, в том

числе — меланиновые. Меланины, включающие в свой состав

остатки 5,5-индолхинона и пирокатехина, обычно связаны с бел-

ками (меланопротеины) или с гликопротеинами (меланогликопро-

теины), и, наряду с ферментами — супероксиддисмутазой (СОД),

каталазой и пероксидазами, обладают функцией протекторов (за-

щитников) от кислородных радикалов (О2") и синглетного кисло-

рода ( С<2), являющихся сильными окислителями.

Различные грибы имеют капсулы, образующиеся в результате

гиперпродукции углеводных полимеров (Aureobasidium spp.,

Cryptococcusspp., Rhodotorula spp. и

др.).

Эти полимеры приобрели

или приобретают важное значение для народного хозяйства (в

нефтедобыче, здравоохранении, косметике).

Как и у грибов в клеточной стенке растений преобладают

углеводные полимеры — целлюлоза, гемицеллюлозы, пектины. К

гемицеллюлозам относятся полисахариды (гликаны), входящие в

108

состав клеточных стенок растительных тканей

способные рас-

творяться

разбавленных растворах щелочей

гидролизоваться

разбавленными растворами кислот

мягких условиях.

Это —

арабинаны, галактаны, ксиланы, маннаны, фруктаны. Гемицеллю-

лозы находят широкое применение

народном хозяйстве.

Пектины — это полигалактурониды, входящие

состав клеточ-

ных стенок

сока всех высших

низших растений. Галактуроно-

вая кислота главный мономер пектинов (до 92%). Часть уроновых

кислот может этерифицироваться

по

карбоксигруппе метанолом;

остатки

ее

соединены С1 «-С4 гликозидными связями. Пектины

широко используются

пищевой промышленности.

Следует особо выделить

лигнин

—

полимер полифе-

нольной природы, образую-

щийся только

растений.

Его

содержание

некоторых

ви-

дов может достигать 38%

и с

ним связано одревеснение

растений (лигнификация).

По

распространенности среди природных биополимеров он уступает

место лишь гликанам.

Лигнин относится

нерегулярным разветвленным полимерам,

состоящим преимущественно из остатков замещенных фенолспир-

тов:

n-гидроксикоричного, или n-кумарового; 3,5-диметокси-4-гид-

роксикоричного,

или

синапового (синапинового)

3-метоксигид-

рокоричного, или кониферилового.

CHjOH CH=CH CHjOH

полигалактуроновая кислота

СН=СН-СН20Н

£|

он

П-ГНВ1

или

окснкоричный,

кумаровый спирт

СН3О

СН=

/Ч

гСН—

ОСНз

ОН

3>Д1

гидр

илис

напи

иматок

>КСИКО|

.инапо

новый

си-4-

вичный,

1Ый

(си-

спирт

ОСНз

ОН

3-матоксигидроксикоричиый,

или конифарилояый спирт

Механизм биосинтеза лигнина окончательно

не

выяснен, хотя

доказано, что исходным продуктом является глюкоза,

непосред-

ственным предшественником его транс-кумаровый, транс-синапо-

вый

транс-конифериловый спирты.

109

В древесине он связан с гликанами, главным образом — с

гемицеллюлозами преимущественно тремя типами связей — гли-

козидными, сложноэфирными и простыми бензилэфирными.

Лигнин получают в качестве побочного продукта в целлюлоз-

ном и гидролизном производствах (более двух миллионов тонн в

год лишь в государствах бывшего СССР) и широко используют в

народном хозяйстве.

Клеточные стенки растений могут покрываться снаружи таки-

ми липидами, как воск и кутин или пропитываться суберином. Все

эти соединения выполняют главным образом защитную роль. Воска

— сложные эфиры длинноцепочечных жирных кислот — насы-

щенных или ненасыщенных (число углеродных атомов от 14 до 36)

с длинноцепочечными спиртами (число углеродных атомов от 16

до 22).

IcHj-^^-CH—CH-CHg—

(CH^T—CJ-TO

-(CHjJg-CH «CH-CcHjk— CH

остаток линолевой кислоты остаток олеинового спирта

воск (сложный эфир линолевой кислоты и олеинового спирта)

Кутин (от лат. cutis — кожа) состоит из смеси высших жирных

кислот и их эфиров; суберин (от лат. suber — корковое дерево) —

эфир жирных кислот и суберилового спирта (циклогептанола).

Клеточные стенки растений могут утолщаться за счет утолще-

ния внутренних слоев, прилегающих к клеточной мембране —

формируется вторичная клеточная стенка (в противоположность

QU — CHo~"CHoV первичной — без внутренних от-

CHOH ложений). Такая стенка несет,

«J, __/>ц ««,

рц / как правило, механическую фун-

2 2 2 кцию. В ней количество целлю-

лозы может достигать 50% от су-

субериловый спирт

хой

массы клетки.

Животные клетки лишены

клеточных стенок. Лишь отдельные протозоа способны в опреде-

ленных условиях образовывать так называемые цисты (дизенте-

рийная амеба, кишечная балантидия и др.), которые покрываются

одно-трехслойной, преимущественно белковой природы, оболоч-

кой.

по

Рис.

32. Поры в перегородках

грибов — у сумчатых (а): простая

пора (1) в септе (2) между двумя

клетками; у базидиальных (б): до-

липора с ее элементами (пора —

парентосома — 2, долипоровая

перегородка — 3).

Между клетками у грибов и растений существуют сообщаю-

щиеся отверстия — п о р ы. У большинства грибов имеются простые

поры (рис. 32а). Базидиальным грибам присущи сложные поры,

или долипоры (от лат. dolium — бочонок) (рис. 326).

Предполагают, что долипоры способствуют сохранению мицелия

базидиомицетов в дикариотическом состоянии и поэтому такие

"запирающие" перегородки формиру-

ются во вторичном и третичном мице-

лии; в первичном мицелии перегород-

ки простые.

Во вторичных клеточных стенках

соседствующих клеток растений так-

же образуются поры, в которых раз-

деляющими клетки структурами явля-

ются лишь первичная оболочка и се-

рединная пластинка (рис. 33а, б).

Различают простые поры с одина-

ковым диаметром по всей длине и

окаймленные поры, расширяющиеся

на месте "вхождения" в клетку, где она

приобретает форму сводчатого окайм-

ления. Срединная пластинка — продукт

деления меристемных (см.) клеток. Она

состоит главным образом из аморфных

пектиновых веществ равномерно (со сто-

роны каждой клетки) "обрастающих" ге-

мицеллюлозами. Образуется первичная

клеточная стенка, в которой свободно

переплетаются целлюлозные волокна ди-

аметром порядка 10 нм и содержащие

8-12 тыс. остатков глюкозы. Центральная

часть таких волокон имеет кристалличе-

скую структуру и диаметр около 4 нм.

В состав первичной клеточной стенки

двудольных растений входят ксилоглю-

каны (в боковых цепочках которых со-

держатся ксилоза, галактоза, фукоза), а

также арабиногалактаны и рамногалак-

туронаны, ковалентно связанные друг с

другом и целлюлозными фибриллами.

Позднее формирующаяся вторичная

Рис.

33. Схематичное изобра-

жение простой (а) и окаймлен-

ной (б) пор у некоторых рас-

тений (продольный разрез): 1

— срединная пластинка вме-

сте с первичной клеточной

стенкой, 2 — свод окаймлен-

ной поры, 3 — окаймленная

пора в плоскостном изобра-

жении.

клеточная стенка состоит из многочисленных слоев плотно упако-

ванных послойно разнонаправленных фибрилл. Такие фибриллы

чаще состоят из целлюлозы, но могут включать и другие полиса-

хариды, например, ксилан и маннан у некоторых водорослей.

Таким образом, углеводные полимеры и лигнин составляют

основное содержание клеточных стенок растений. В качестве

минорного компонента в них обнаруживается гликопротеин —

экстензии, содержащий в большом количестве аминокислоту 4-

гидроксипролин. Олигосахаридные остатки в экстензине состоят

из арабинозы и галактозы.

Несмотря на наличие разделительных перегородок (септ) меж-

ду клетками, они сообщаются между собой благодаря цитоплазма-

тическим нитям — плазмодесмы.

но-

соон

4-гидроксипролин

нон

н,он

арабином

н,он

галактоза

Для грибов и растений типичным является об-

разование тканей. Ткань — это большая группа

клеток, единого (общего) происхождения, облада-

ющая сходными структурами и функциями. Дру-

гими словами такие клетки,

обладающие генетической и

структурно-функциональ-

ной общностью, формиру-

ют систему — ткань. Раз-

личают ложные и ис-

тинные ткани. Ложные

ткани образуются из групп

нитей (филаментов), кото-

рые могут переплетаться или срастаться клеточными стенками, но

сохраняют свою самостоятельность, например, при поперечном

делении. Такая ткань присуща грибам и называют ее п л е к-

тенхимой, или псевдопаренхимой (от лат. plexus

— сплетение, parenchyma — живая ткань, паренхима, от греч.

pseudes — ложь, фальшь). Она напоминает меристему растений

лишь морфологически и типична для плодовых тел базидиальных

грибов, склероциев аскомицетов. Истинные ткани у грибов выяв-

ляются редко, однако они имеются в перитециях сумчатых грибов

(на ранних стадиях их формирования), в пикнидах у несовершен-

ных грибов.

Растениям присущи истинные ткани — простые (из одной

системы клеток) и сложные (из разных систем клеток).

Ложные и истинные ткани подразделяются по функциям на 6

112