Елинов Н.П. Основы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

групп: образовательные (меристемы), покровные, проводящие, ме-

ханические, секреторные (выделительные) и базисные (основные).

Образовательные ткани, или меристемы (от

греч. meristos — делимый) состоят из активно метаболизирующих

клеток, способных делиться и образовывать новые клетки. Те из

них, которые служат родоначальницами всех других клеток, диф-

ференцирующихся и превращающихся в клетки постоянных тка-

ней, называются инициальными (отлат. initialis

—

первичный,

начальный).

У грибов настоящие меристемы не развиты, деление клеток

сосредоточено на верхушках гиф.

Топологически, или по местоположению у растений (рис.34)

различают меристемы верхушечные, или апикальные

(от

лат.

apex,

apicis — верхушка); боковые, или латеральные (от лат. lateralis —

боковой); промежуточные, или интеркалярные (от лат.

mtercalaris — промежуточ-

ный, вставной). Верхушеч-

ные меристемы обеспечива-

ют рост растений в длину,

они же образуют конусы

корней; боковые обеспечи-

вают рост растений в тол-

щину (к боковым меристе-

мам относятся прокамбий, Itfk^uJtfl^Atf Yi±0:\

камбий, перицикл, фелло-

ген;

от лат. cambium — сме-

на, обмен; от греч. pro —

пред, вперед, ранее, peri —

вокруг, около; kiklos

—

крут,

ЦИКЛ" fellos пробка

aenos ^

110-

Топология меристем в растениях. Схе-

матичный продольный разрез растительной

род, происхождение). почки:

— верхушечная меристема, 2 — лис-

В основаниях черешков товые побеги, 3 — конус нарастания,

листьев, в междоузлиях локализуются промежуточные меристемы.

Клетки меристемы тотипотентны (от лат. totum — все,

целое, potentium — способность, потенция), то есть они полностью

реализуют свой потенциал развития с образованием целого орга-

низма. В биотехнологии особое значение приобрела верхушечная

меристема (см. рис. 34), так как она всегда остается свободной

(здоровой) от фитопатогенных микроорганизмов, например, виру-

113

сов (даже в тех случаях, когда все растение поражено патогеном).

Культивирование in vitro меристемньгх клеток от больного расте-

ния в стерильных условиях завершается получением здорового

растения — посадочного материала.

Известны еще так называемые раневые меристе -

м ы, образующиеся в местах повреждения органов и тканей

растений. В таких поврежденных участках разрастаются однород-

ные паренхимные клетки, прикрывающие повреждения. Такие

ткани называются каллусами (от лат. callus — мозоль).

Каллусные ткани стали широко культивировать на питательных

средах в целях получения посадочного и прививочного материала,

а также ценных метаболитов.

С меристемной тканью связан рост растений. Так, у большин-

ства из них стебли и корни обладают верхушечным ростом, листья

нарастают благодаря базальному росту; в стеблях злаков преобла-

дает промежуточный рост. Для грибов также характерен верху-

шечный рост. В общем виде он протекает следующим образом. В

молодой нити гриба на всем ее протяжении достаточно легко

отдифференцировать три зоны: апикальную, субапикальную и

вакуолизированную дистальную (рис. 35). В апикальной зоне скап-

ливается большое количество везикул (пузырьков), в субапикаль-

ной - ядра, рибосомы, митохондрии, эндоплазматический ретику-

лум, микротельца, микротубули и т. д. Субапикальная зона пере-

ходит в зону вакуолизации (дистальную), которая тем выраженнее,

чем дальше расположена от верхушки. В ней возрастает также

содержание липидов. Апикальные везикулы, образующиеся в суб-

апикальной' зоне и перемещающиеся к верхушке, участвуют в

синтезе клеточной стенки. Там они секретируют свое содержимое

или сливаются с мембраной. В них так же могут быть экзофермен-

ты,

способные к экструзии (от лат. extrusio — выталкивание) на

кончике гифы (рис. 36).

Как видно из рисунка везикулы, воз-

111

п I никающие из эндоплазматического рети-

0суойр£^ЩЖ-жо^ кулума, сливаются и образуют цистерну

г, о ,^

•

°<~i

••<**•••<-&<>£?

внутренней (проксимальной) части дик-

Рис.

35. Апикальная

—

I, суб- тиосомы; содержимое цистерны и мемб-

апикальная-п,вакуолизиро-

последовательно трансформируют-

ванная — III зоны в молодой

г ~г г rj

растущей гифе одного из ни- ся, перемещаясь к наружной (дистальнои)

зших грибов (схема). части диктиосомы в связи с продолжаю-

114

Рис.

36. Схема формирования и перемещения апикальных визикул из субапи-

кальной зоны к верхушке гифы (КС — клеточная стенка, М — клеточная

мембрана, В — везикулы, Д — диктиосомы, Р — рибосомы, ЭР — эндоплазма-

тический ретикулум, Ц — цистерны).

щимся образованием новых цистерн. Здесь цистерны превраща-

ются в пузырьки, а затем — в секреторные везикулы, которые

мигрируют к верхушке гифы. Некоторые из везикул увеличива-

ются в размере, другие сливаются между собой и таким образом

формируются большие секреторные везикулы. Отдельные везику-

лы непосредственно достигают клеточной мембраны и сливаются

с ней. Слившиеся с мембраной визикулы освобождают свое со-

держимое в периплазматическую область апикальной части гифы,

где осуществляется синтез клеточной стенки и сбалансированный

лизис скелетных микрофибрилл.

У всех высших грибов в апикальных частях мицелиальных

нитей имеется так называемое верхушечное тельце сферической

формы (рис. 37). При остановке роста гифы оно исчезает. Поло-

жение тельца на верхушке служит направляющим вектором про-

странственного роста гифы. Например, эксцентрическая позиция

его указывает на то, что верхушка изогнется в ту же сторону.

Хотя гифы всех грибов растут за счет апикальных частей (а к-

ропетальный или базифугальныи рост; от греч. acros

— самый высокий, верхушка, кончик; petalon — лист; basieos —

основание, fugas — изгоняющий), утолщение клеточных стенок

может наблюдаться и около верхушек, а иногда — ив дистальных

частях, например, при образовании гемм у Aureobasidium pullulans.

Тем не менее, если неограниченный рост мицелия в длину потен-

циально возможен, то увеличение ширины его весьма лимитиро-

вано.

Верхушечный рост растений морфологически сходен с вер-

115

верхушечное

тельце

Рис.

37. Схематическое изображение

апикальных частей у оомицетов (А),

зигомицетов (Б) и высших грибов (В).

хушечным ростом грибных нитей,

однако у растений он характеризу-

ется более выраженной ритмично-

стью с чередованием процессов ус-

коренного и замедленного роста

при возможном переходе всего рас-

тения или его каких-либо частей в

состояние покоя (семена, клубни).

Ростовые ритмы могут быть эндо-

генного и экзогенного происхожде-

ния. Причем воздействующие

внешние факторы могут быть одни-

ми и теми же, например, свет и

температура. Так, у некоторых гри-

бов проявляются ростовые зоны

при освещении культур через опре-

деленные промежутки (чередование темноты и света). Причем на

одинаковое физическое возбуждение ответная реакция грибов

весьма различная. На этом основании грибы условно подразделяют

на три главные группы: 1) грибы, не отвечающие на свет и тепло,

их ростовые зоны, относимые к эндогенным ритмам, всецело

являются ответной функцией на условия обитания в питательной

среде. К этой группе относятся Ascochyta chrysanthemi, некоторые

мутанты Ascobolus immersus, Pestalotia annulata и Podospora

anserina; 2) грибы, ростовые зоны которых, относимые к экзоген-

ным ритмам, возникают в ответ на физические возбуждения. Сюда

относятся Alternaria tenuis и Trichoderma viride, чувствительные к

фотоциклам, Aspergillus ochraceus и A. niger, чувствительные к

фото-

и термоциклам; 3) в эту группу включены грибы, которые

при слабом физическом возбуждении проявляют зональный рост

как экзогенный ритм, в то время как сильное возбуждение прово-

цирует эндогенный ритм (зональный рост), который продолжается

некоторое время после прекращения стимула. Эндогенный ритм,

наведенный разовым освещением Sclerotinia fructigen-a, S. laxa и

Leptospheria michotii, имеет период в 24 часа. Культуры S. fructicola,

один раз освещенные достаточно интенсивным белым светом или

светом с длиной волны меньше 500 мкм, а затем оставленные в

темноте или при очень слабом освещении, проявляют суточный

ритм в течение трех дней.

П6

Ежедневное освещение интенсивностью 1000-3000 лк в течение

нескольких секунд вполне достаточно, чтобы индуцировать зональ-

ный рост у Fusarium discolorsulfureum, Trichotecium roseum и

Verticillium lateritium (экзогенные ритмы).

Фототропизм присущ и грибам (например, фикомицетам) и

растениям. Так называемые циркадные ритмы (от лат.

circus — круг) связаны со сменой дня и ночи, иногда — с

длительностью дня (фотопериодизм). Они контролируются

у всех эукариотических организмов специальным внутренним

механизмом, называемым ф и з и о л о г и ч е с к и м и, или б и-

ологическими часами.

В регуляции ростовых ритмов существенна роль фитогормонов

— ауксинов, гиббереллинов и кининов (цитокининов). Из ауксинов

(от

.греч.

аихо — выращиваю, увеличиваю) наиболее распростра-

ненным является гетероауксин — ИУК (3-индолилуксусная кисло-

та),

из гиббереллинов (продуцент Gibberella fujikuroi) — гибберел-

ловая кислота (ГАз), из кининов (от греч. kineo — двигаю, побуждаю

— кинетин (6-фурфурилметиламинопурин).

Все названные выше ритмы отражают адаптивные (приспосо-

бительные) потенции наследственно компетентных организмов,

обитающих на разных географических широтах земного шара.

Покровные ткани имеются у грибов (на склероциях, на шляпках

плодовых тел базидиомицетов и других образованиях). Они воз-

никают из плектенхимы. У растений покровные ткани имеют

меристемное происхождение. К ним относятся: эпидерма с устьи-

цами, трихомами (от греч. trichos — волос) и эмергенцами (от англ.

emergency — крайность) на листьях и молодых побегах, нередко

покрытая кутикулой или воском, с полисахаридами, кристаллами

в клетках или кремнеземом — в качестве пропитки; перидерма (от

греч. peri — вокруг, derma — кожа) с чечевичками — вторичная

покровная ткань на корнях и стеблях преимущественно у много-

летних растений (пробка); корка на ветвях, корнях и стволах

многолетних деревьев.

Механические (опорные) ткани у грибов представлены гифами

с утолщенными клеточными стенками в плодовых телах у труто-

виков, в тяжах у домового гриба, в ножках апотециев у некоторых

сумчатых. У растений известны два основных типа опорных тканей

— колленхима (уголковая, пластинчатая, рыхлая) и склеренхима

(от греч. kolla — клей, skleros — твердый, enchima — налитое, здесь

117

— ткань). К склеренхиме относятся волокна (лубяные, древесин-

ные) и склереиды — структурные элементы механической ткани.

В промышленности используют преимущественно лубоволокни-

стые растения (лен, липа, кенаф, конопля и др.).

Проводящие ткани в виде дифференцированных структур от-

сутствуют у грибов. Сами мицелиальные нити обеспечивают по-

ступление и проведение влаги между клетками. Тем более, что у

высших грибов септы не обладают абсолютной герметизацией, а

у низших они отсутствуют или встречаются редко по ходу гиф.

У растений имеются специализированные ткани — ксилема,

флоэма (от греч. ksilon — дерево, floos — кора, лыко) и проводящие

пучки. Ксилема состоит из трахеидов — омертвевших клеток,

суженных на концах; сосудов — полых трубок, и сердцевинных

лучей, состоящих из тонкостенных паренхимных клеток. К флоэме

относятся живые (не омертвевшие) ситовидные элементы, парен-

химные клетки (лубяная паренхима), сердцевидные лучи и меха-

нические элементы. В стеблях флоэма локализуется кнаружи от

ксилемы. Проводящие пучки представляют собой обособленные

тяжи, состоящие из элементов ксилемы и флоэмы.

Ксилема обеспечивает восходящий ток (от корня к листьям)

водных растворов солей, флоэма — нисходящий ток продуктов

фотосинтеза.

Секреторные (выделительные) ткани в виде специализирован-

ных морфологических структур отсутствуют у грибов, хотя экзо-

цитоз (см.) присущ клеточной мембране и по этой функции она

уподобляется секреторной ткани. Из клеток грибов секретируются

многие первичные и вторичные метаболиты (ферментные и не-

ферментные белки, пигменты и другие вещества). Структуры,

подобные млечникам у растений, имеются у некоторых базидио-

мицетов (скрипица, рыжик). В этих случаях между гифами и

окружающими их клетками образуются ситовидные пластинки и

гифы становятся как бы млечными трубками, содержащими млеч-

ный сок (эмульсия смол, масел, пигментов, горьких и других

веществ в воде).

У растений различают ткани наружной и внутренней секреции.

К числу первых относятся гидатоды (от греч. odos — путь),

выделяющие водно-солевые растворы; железистые трихомы (же-

лезки, нектарники, головчатые волоски). Ко вторым относятся

клетки — идиобласты (от греч. idios — своеобразный, особенный,

blastos — отросток, побег), располагающиеся среди других тканей

и накапливающие жидкие или плотные секреты — преимущест-

118

венно продукты вторичного метаболизма (оксалат кальция, по-

лйфенольные соединения, слизи, таннины, терпеноиды); смоляные

ходы, эфиромасляные каналы, млечники, пронизывающие все

растение.

Базисные ткани относятся к разряду мало специализирован-

ных, возникающих у растений из клеток апикальных меристем; у

грибов имеются немногие соответствующие органоиды (не ткани),

которые функционально сходны с базисными тканями — это

преимущественно вакуоли с запасными питательными вещества-

ми.

У растений выделяют ассимиляционную (хлоренхима), возду-

хоносную (аэренхима) и запасающие ткани, все относящиеся к

базисным. В запасающих тканях откладываются белки, вода (на-

пример, у кактусов), жиры, пигменты, углеводы и др.

Ткани высокоорганизованных животных организмов подраз-

деляют на 4 группы: эпителиальные (ведущая роль их — отграни-

чивающая), ткани внутренней среды с сильно развитым межкле-

точным веществом в виде волокнистых структур и аморфной

субстанцией (кровь, рыхлая и плотная соединительная ткань,

хрящевая и костная ткани, репродуктивная ткань), мышечные

ткани и нервная ткань. Органы животных и человека могут

состоять из разных тканей (аорта, органы пищеварительного трак-

та) или почти целиком из одной ткани (кость, печень, сухожилия

и др.). Целостный организм — как система высшего порядка

"диктует" запросы органам, структурными компонентами которой

они являются.

У человека различают двенадцать систем органов: покровная,

опорная (скелетная), мышечная, кровеносная, дыхательная, пище-

варительная, выделительная, нервная, сенсорная (от лат. sensorius

— чувствительный), эндокринная (от греч. endon — внутри, krino

— отделяю), иммунная и репродуктивная.

В настоящее время успешно культивируют in vitro клетки и

ткани (преимущественно эмбриональные) в соответствующих ус-

ловиях, что приобрело большое значение в биотехнологии.

Клетки млекопитающих существенно различаются по химиче-

скому составу, поскольку они достаточно сложны по набору орга-

нелл, а кроме того клетки специализированы в соответствии с

принадлежностью к органам и системам органов, к видам живо-

тных и т. д. Тем не менее, в усредненном варианте состав их

следующий (таблица 10).

119

Таблица 10 Усредненный химический состав клеток млекопитающих

Компонент

Вода

Белки

Углеводы

Липиды

РНК

ДНК

содержание

пикограммы (10 г/клетка)

пределы размаха

величин

2700-4800

200-300

40-200

100-200

20-40

8-17

усредненно

в клетке

2900

250

150

120

82,9

10-20

1-5

1-2

0,7

0,3

Как видно из таблицы наименьшее количество массы клетки

приходится на ДНК, то есть на тот компонент, который определяет

ее наследственные особенности. Эта закономерность присуща

всем представителям живых существ.

Некоторые свободно живущие клетки эукариот склонны к

хемотаксису (от греч. taxis — расположение), то есть

передвигаться к химическому (хемотаксическому) сигналу. Это,

например, типично для лейкоцитов крови, выходящих из сосуди-

стого русла к очагу воспаления. Хемотаксис присущ и прокарио-

там.

К 1984 г. большинство цитологов утвердилось во мнении, что

в эукариотическои клетке имеющийся цитоскелет играет

важнейшую роль в различных биологических явлениях. Цитоске-

лет - это внутриплазматическая поддерживающая система пере-

крещивающихся плотных воло-

кон (филаментов) и полых тру-

бочек (тубул, микротрубочек)

— "балки и канаты" — по К. Де

Дюву (1987). Используя метод

иммунофлуоресценции, удает-

ся выявлять цитоскелет клеток

во всем многообразии (рис. 38).

В 1987 г. был предложен термин

"цитоскелетология" (В. Бирх-

майер), относящийся к части на-

уки о клетке. С начала 70-х годов

стали выделять новые белки, ас-

Рис,

38.

Клетка млекопитающего животно-

го (на основании иммунофунофлуорес-

ценного анализа): цитоскелет - 1, ядро-2.

120

социированные

цитоскелетом, например, белок глиальных эле-

ментов, образующий промежуточные филаменты

глиальных

нервных клетках; спектрин — основной белок цитоскелета мемб-

ран эритроцита; динеин — высокомолекулярные белки

АТФ-аз-

ной активностью; винкулин — белок, присутствующий

факель-

ных контактах фибробластов, образует пучки актиновых филамен-

тов;

другие. Много лет тому назад были открыты актин, миозин,

а-актинин, тубулин, тропонин, тропомиозин. Структурно-функци-

ональные особенности

их

изучены

достаточной степени,

что

показано

таблице 11

на

примере миозина, актина

тубуЛина.

Таблица 11. Некоторые характеристики актина, миозина и тубулина в

элементах цитоскелета животных клеток.

1 Элементы

| цитоскелета

Микрофила-

менты

Микроволокна

Микротру-

бочки

характеристика

структурная

диаметр,

нм

6-7

25-28

состав-

ляющий

белок

миозин

актин

тубулин

ММ

белка,

кДа

450

42-46

120

функциональная

агенты

диссо-

циа-

ции

цито-

холазин

вин-

блас-

тин,

вин-

крис-

тин,

колхи-

цин

ассоци-

ации

АТФ

ГТФ

связь

актином

иСа

сократит.

акте

цитокине-

зом,

пино-

эндоци-

тозом

с митоти-

ческим

верете-

ном,*'

центри-

олями,

реснич-

ками,

жгутика-

ми

экзоци-

тозом

Миозин в виде двойной молекулы формирует стержень, рав-

ного которому по длине нет в природе аналогичных молекул

("цитомышца ). На рис. 39 представлен поперечный срез актоми-

озина, где показана ассоциация шести тонких актиновых фила-

ментов с толстым миозиновым филаментом. В зависимости от

^ диаметра филаменты подразделяют на тонкие (до

fbi fjf 6-7 нм), промежуточные (8-10 нм) и толстые (15-20

С*Г\&

Х Нм)

^•7й1К<ГчО Рис 39. Схематичное строение актомиозинового пучка в попе-

fyj(jj^ речном разрезе:

1-актин,

2-миозин.

Актиновые филаменты ("цитокости"), чаще группирующиеся в

форме тонких пучков, составлены из глобулярных белков. Такие

глобулы имеют полярный и боковой сайты связывания, благодаря

которым они растут в длину в виде двойной цепи. В желобке

двухспирального филамента актина располагается тонкая белковая

нить тропонина (рис. 40), образующего вместе с миозином тропо-

миозин (от греч. tropos — поворачивать, mis — мышца).

Микроволокна актина могут разобщаться при вза-

имодействии с цитохолазином В, или фомином [7,20-

дигидрокси-16-метил-10-фенил-24-окса- [ 14] -цитохала

за - 6(12),13(Е),21(Е)-триен,1,23-дион]. Цитохолазин В

образуется грибами Helminthosporium dematioideum и

Phoma exigua. В ряду цитохолазинов известны А, В, С,

E, F, G, H, J, родственными им явяются хетоглобо-

зины.

Со времени открытия цитохолазинов в 1964 г.

выполнено большое количество работ с ними. Показа- j

цитохолазин В

но,

что все они тормозят процессы, происходящие в

цитоплазме (не в

ядре),

а в относительно больших дозах

вызывают энуклеацию клеток, что особенно наглядно

проявляется на клетках млекопитающих.

122

Рис.

40. Тро-

помизин (1),

располагаю-

щийся вок-

руг актино-

вого фила-

мента (2).