Хаусман К., Хюльсман H., Радек Р. Протистология

Подождите немного. Документ загружается.

278 Избранные главы общей протистологии

Рис. 237. Нематоцисты: а — различные ста-

дии развития в клетке динофлагеллаты

Polykrikos. я — ядро, нц — нематоциста,

тр — трихоциста. б — этапы выстреливания

нематоцисты (1-3) (а — из: Chatton and

Grasse: С. R. Soc. Biol. 100 [1929] 281).

Увел.: a - 600x.

рис. 238), другие используют механи-

ческую энергию. Хотя эти механизмы и

соответствующие структурные элемен-

ты эволюционировали независимо, у

всех этих протистов имеется задняя ва-

куоль, которая способна быстро увели-

чиваться в размерах и обеспечивать вы-

талкивание внутриклеточного содержи-

мого или внеклеточных частиц.

Два механизма частично описаны в

соответствующих систематических гла-

вах (см. рис. 150, 183, 184). У микро-

споридий в этот процесс вовлечены

полярный филамент, поляропласт и зад-

няя вакуоль; у плазмодиофорид сходные

структуры представлены трубкой, нако-

нечником и вакуолью.

Оомицет Haptoglossa mirabilis ин-

фицирует коловраток рода Adineta и

некоторые виды нематод. Зрелый тал-

лом этого оомицета, находящийся внут-

ри зараженного и почти опустошенно-

го хозяина, выделяет двужгутиковые

зооспоры. Через некоторое время эти

зооспоры прикрепляются к субстрат}.

Рис. 238. Схема строения клетки-пушки оомицета Haptoglossa mirabilis. вт — выстрели-

вающая путем выворачивания трубка, г — гарпун, д — диктиосома, зв — задняя вакуоль,

кс — канал ствола, лв — латеральная вакуоль, сл — прикрепляющий слой слизи, я — ядро

(по Робу и Ли). Увел.: 6 ОООх.

Сравнительная морфология и физиология протистов 279

где часто образуют скопления. Каждая

зооспора инцистируется и в течение

короткого времени прорастает, форми-

руя так называемую клетку-пушку, дей-

ствительно напоминающую по форме

миниатюрную пушку с наклоненным

стволом (рис. 238). Зрелая клетка-пуш-

ка длиной около 15 мкм остается свя-

занной с пустой цистой и прикреплена

к субстрату при помощи слизи. После

контакта с проплывающей мимо колов-

раткой или ползущей нематодой пушка

выстреливает, и гарпуновидный нако-

нечник пробивает кутикулу хозяина.

Это становится предпосылкой зараже-

ния. Аппарат проникновения состоит из

одного внеклеточного компонента

(плотный гарпуновидный наконечник

внутри выстреливающей трубки) и

внутриклеточной системы вакуолей.

Предполагается, что механизм зараже-

ния работает следующим образом: бы-

строе нарастание осмотического давле-

ния в клетке вызывает мгновенное вы-

ворачивание трубки и выброс гарпуна;

дальнейшее расширение вакуолей вы-

давливает зародыш, называемый с это-

го момента споридий, в ткани хозяина,

где он позднее прорастает в таллом.

Весь процесс от контакта до инвазии за-

нимает около 100 миллисекунд.

Этот процесс очень похож на выб-

рос наконечника у плазмодиофорид и

также внешне напоминает выстрелива-

ние экструсом — токсицист и немато-

цист. Фундаментальное отличие от эк-

струсом заключается в том, что здесь

отсутствует экзоцитозная активность.

Кроме того, гарпун и наконечник распо-

лагаются внеклеточно, причем задолго

до созревания клетки-пушки, а впрыс-

кивающая трубка представляет собой

дериват инвагинации клеточной поверх-

ности. Помимо этих структурных раз-

личий, несходны и движущие силы:

неизвестный молекулярный механизм

разворачивания у экструсом и осмоти-

ческое давление у клетки-пушки плаз-

модиофорид.

Сократительные

вакуоли

Сократительные вакуоли встреча-

ются преимущественно у пресноводных

протистов, не имеющих клеточной

стенки (см. рис. 239), и у некоторых

пресноводных губок. Обычно сократи-

тельная вакуоль медленно наполняется

жидкостью (диастола), а затем быстро

выбрасывает содержимое во внешнюю

среду путем сокращения (систола). Ча-

стота сокращения варьирует от секунд

до часов у разных видов.

В большинстве случаев клетка про-

стейшего имеет одну сократительную

вакуоль. Однако существует ряд орга-

низмов с двумя — например, Parame-

cium (рис. 240) — или значительно

большим количеством (15-20) сократи-

тельных вакуолей, как у Dileptus и

Homalozoon . Некоторые инфузории,

например Loxophyllum и Spirostomum,

содержат только одну крупную вакуоль,

но она связана с длинным приводящим

каналом, простирающимся от передне-

го до заднего конца клетки.

Пресноводная фораминифера Reticulomyxa имеет многие тысячи сократительных вакуолей. —

Прим. ред.

280 Избранные главы общей протистологии

Рис. 239. Разветвленная система сократительной вакуоли внутри амебоидной клетки

Dictyostelium. Вздутые цистерны частично наполнены (из: Heuser et al.: J. Cell Biol. 121

[1993] 1311). Увел.: 19000x.

Комплекс сократительной

вакуоли

Сократительную вакуоль легко за-

метить в световой микроскоп, т.к. она

прозрачна и регулярно сокращается.

При наблюдении в электронный микро-

скоп становится ясно, что собственно

сократительная вакуоль — только часть

большой системы, которая именуется

комплексом сократительной вакуоли.

Этот комплекс включает резервуар со-

кратительной вакуоли (саму вакуоль),

спонгиом и пору сократительной ваку-

оли, через которую жидкость выбрасы-

вается наружу. У инфузорий комплекс

имеет, по-видимому, наиболее сложное

строение. Резервуар вакуоли у них свя-

зан с радиально расположенными ампу-

лами, которые переходят в длинные уз-

кие приводящие каналы (рис. 240). Ком-

плекс зафиксирован в определенном

месте клетки и укреплен отходящими

от стенки поры пучками микротрубо-

чек. В самой стенке поры также обна-

ружены спирально идущие микротру-

бочки. Они тянутся вдоль каждой ампу-

Сравнительная морфология и физиология протистов 281

Рис. 240. Комплекс сократительный вакуоли Paramecium: а — в живой клетке; б — схема;

в-д — детали ультраструктуры. Комплекс состоит из ампул (ам), собирающих каналов (ск),

резервуара сократительной вакуоли (св) и поры (по). Собирающие каналы связаны с бес-

порядочно лежащими вокруг них трубочками спонгиома (сп). Агрегаты трубочек (та) на-

ходятся на некотором расстоянии от собирающих каналов. Весь комплекс стабилизиро-

ван несколькими лентами микротрубочек (мт). На тангентальных срезах собирающих ка-

налов видна их связь с трубчатым спонгиомом (стрелки) (а, в, г, д — из: Hausmann and

Allen: Cytobiologie 15 [1977] 303). Увел.: a - 650x, в-д — 40 OOOx.

282 Избранные главы общей протистологии

лы и проходят до самого конца приво-

дящих каналов.

Сократительные вакуоли хлоромо-

над отходят непосредственно от цис-

терн диктиосом. Этот пример является

исключением, поскольку у остальных

протистов не обнаружена структурная

связь комплекса сократительной вакуо-

ли с другими мембранными органелла-

ми клетки.

Спонгиом

Спонгиом состоит из мелких пу-

зырьков или трубочек. Обычно он рас-

положен в непосредственной близости

к сократительной вакуоли, поэтому

предполагается, что его мембраны уча-

ствуют в сегрегации жидкости, предназ-

наченной для выведения из клетки. У

представителей разных таксонов проти-

стов организация спонгиома различна.

Простейший тип спонгиома — везику-

лярный, в котором многочисленные

мелкие пузырьки окружают большую

вакуоль (рис. 241а). Этот тип широко

представлен у организмов с нефиксиро-

ванным положением сократительной

вакуоли в клетке, как у некоторых жгу-

тиконосцев и многих амеб. Спонгиом

этих организмов обычно состоит из

двух типов пузырьков: одни имеют

гладкую мембрану, а другие опушены —

предположительно клатрином, — так

же как окаймленные ямки и окаймлен-

ные пузырьки, детально изученные на

модельных объектах клеточной биоло-

гии (рис. 2416). Предполагается, что

окаймленные пузырьки участвуют в от-

делении воды из цитозоля, а гладкие

обеспечивают увеличение и уменьше-

ние мембраны сократительной вакуоли.

Во время диастолы сократительная

вакуоль формируется за счет слияния

гладких пузырьков или расширения

трубочек, а во время систолы она фраг-

ментируется на отдельные пузырьки

или складывается в трубочки. Посколь-

ку сливающиеся везикулы или трубоч-

Рис. 241. Сократительная вакуоль (св) и

спонгиом (сп) криптомонады Goniomonas

(а) и инфузории Pseudomicrothorax (б). У жгу-

тиконосцев обычен везикулярный спонги-

ом, а у инфузорий чаще встречается труб-

чатый спонгиом; его трубочки постоянно от-

крыты в просвет сократительной вакуоли

(отмечено стрелками) (а — из: Hausmann

and Patterson: Exp. Cell Res. 135 [1981] 449:

б — из: Hausmann: Arch. Protistenk. 127

[1983] 319). Увел.: a - 35 OOOx, 6- 40 OOOx.

У Paramecium (рис. 240) трубочки открываются в просвет собирающего канала. По-видимо-

му, у других инфузорий комплекс сократительной вакуоли может быть устроен проще. — Прим.

пер.

Сравнительная морфология и физиология протистов 283

ки в совокупности имеют большую

площадь мембраны, чем исходная ваку-

оль, можно предположить, что суще-

ствует механизм перераспределения

мембран, либо не все пузырьки и тру-

бочки вовлечены в каждый цикл пуль-

сации вакуоли.

Трубчатый спонгиом (рис. 2416)

обнаружен у некоторых амеб и жгути-

коносцев, а также у большинства инфу-

зорий, где он устроен особенно сложно.

Трубочки спонгиома диаметром 40-

60 нм являются постоянными структу-

рами, которые прямо или опосредован-

но связаны с сократительной вакуолью.

У инфузорий с радиальными приводя-

щими каналами, например у Parame-

cium, спонгиом окружает каждый канал

и постоянно с ним связан (см. рис. 240).

В начале 1960-х годов на основе

электронно-микроскопических наблю-

дений было выдвинуто предположение,

что связь между спонгиомом и приво-

дящими каналами прерывается во вре-

мя каждой систолы, что должно препят-

ствовать возврату жидкости в спонгиом

при сокращении вакуоли. По этой гипо-

тезе, тысячи связей между спонгиомом

и приводящими каналами должны бы-

стро восстанавливаться сразу после си-

столы. Эта гипотеза казалась разумной

и воспроизводилась до недавнего вре-

мени в учебниках, однако данные, по-

лученные при помощи более совершен-

ных методик подготовки образцов, ее

не поддерживают. Нет указаний на то,

что спонгиом периодически соединяет-

ся и разъединяется с приводящими ка-

налами, как, впрочем, и само существо-

вание такого механизма не представля-

ется необходимым. Из-за маленького

диаметра трубочек спонгиома давление,

необходимое для возвратного движения

воды, должно быть нереально высоким.

Фаза максимального наполнения сокра-

тительной вакуоли и слияния ее мемб-

раны с плазмалеммой длится лишь

долю секунды, и возникающее обрат-

ное давление, очевидно, компенсиру-

ется высоким гидростатическим давле-

нием в спонгиоме. Однако непосред-

ственно перед слиянием сократитель-

ной вакуоли с плазматической мембра-

ной для выброса жидкости, ампулы

(например, у Paramecium) отсоединяют-

ся от сократительной вакуоли. После

извержения жидкости они присоединя-

ются вновь.

Пучки гексагонально упакованных

трубочек диаметром около 50 нм иног-

да видны на периферии спонгиома. Эти

трубочки покрыты грибовидными

структурами, которые расположены по

спирали, и имеют непосредственную

связь с гладкими элементами спонгио-

ма. Предполагается, что жидкость по-

ступает из цитозоля в эти декорирован-

ные трубочки, из них она направляется

в гладкие элементы спонгиома и затем

в ампулы. Из ампул жидкость перекачи-

вается в сократительную вакуоль.

Отделение жидкости

Спонгиом, по всей вероятности,

участвует в отделении жидкости. В ран-

них работах по сопоставлению каче-

ственного состава цитоплазмы и жидко-

сти сократительной вакуоли было пока-

зано, что в последней содержится на-

много меньше ионов. В более поздних

исследованиях утверждается обратное:

сократительная вакуоль на самом деле

гипертонична по отношению к цитозо-

284 Избранные главы общей протистологии

лю. Молекулярный механизм сегрега-

ции жидкости еще не до конца понятен.

Наиболее вероятно, что в мембранах

спонгиома есть помпы, которые закачи-

вают протоны в полость трубочек спон-

гиома, где эти ионы замещаются други-

ми ионами. В результате устанавливает-

ся гипертонический (осмотический)

градиент, обеспечивающий поступле-

ние воды в сократительную вакуоль за

счет осмоса. Более того, показано, что

этими протонными помпами служат

грибовидные структуры. Было обнару-

жено, что сходные декорированные

мембранные системы являются частью

спонгиома почти всех детально изучен-

ных комплексов сократительной вакуо-

ли. Такие системы есть и у многокле-

точных животных. Например, они при-

сутствуют в апикальной мембране эпи-

телиальных клеток мочевого пузыря

жабы, в плазматической мембране ос-

теокластов, на том участке, где идет

секреция протонов для растворения ко-

стной ткани, и в апикальных мембранах

вставочных клеток дистального каналь-

ца нефрона позвоночных, которые сек-

ретируют протоны. Сама сократитель-

ная вакуоль не содержит таких протон-

ных помп, а те мембраны, в которых

есть протонные насосы, не могут сли-

ваться с плазмалеммой. Следовательно,

в сократительном мембранном комп-

лексе можно выделить две четко разли-

чающиеся популяции мембран.

Другие теоретически предполагае-

мые механизмы для движения воды

сквозь мембраны могут быть варианта-

ми водных насосов, которые перекачи-

вают одновременно сотни молекул воды

при помощи ионофорных каналов или

аквапориноподобных белков.

Выведение жидкости

У протистов с нефиксированным

положением сократительной вакуоли, в

частности, у большинства амеб, она

может сливаться с плазмалеммой почти

в любом месте, хотя чаще всего в рай-

оне уроида и никогда на лидирующей

псевдоподии. Обычно это происходит

путем экзоцитоза, однако есть исключе-

ния. У хлоромонады Chlamydomonas

выведение жидкости происходит, по-

видимому, не в результате слияния мем-

бран, а через гидрофильные каналы в

плазмалемме. У некоторых трипаносо-

матид только небольшой участок сокра-

тительной вакуоли сливается с плазма-

леммой, формируя канал для выведения

жидкости.

Постоянные и специально органи-

зованные выводящие поры присущи, в

первую очередь, инфузориям, но также

встречаются у других протистов. Эти

поры необходимы протистам с кортек-

сом, поскольку он препятствует слия-

нию мембраны сократительной вакуоли

с плазмалеммой. Резкое падение элект-

рического потенциала мембраны сокра-

тительной вакуоли во время выведения

жидкости указывает на то, что генера-

торы этого потенциала (протонные на-

сосы) отсоединяются от вакуоли перед

открытием поры.

Осморегуляторная функция

Долгое время считалось, что комп-

лекс сократительной вакуоли участвует

в осморегуляции. Известно, что осмо-

тическое давление цитоплазмы про-

стейшего (45-117 мОсм/кг) намного

выше, чем окружающей среды (моляль-

ность пресной воды менее 7 мОсм/кг >.

Сравнительная морфология и физиология протистов 285

следовательно, вода постоянно поступа-

ет в клетку. Она также попадает в клет-

ку в процессе жизнедеятельности, на-

пример, из пищеварительных вакуолей.

При отсутствии противодействующих

структур, таких как клеточная стенка,

или других механизмов контроля объе-

ма клетки и ее внутреннего давления,

она бы лопнула от переполнения водой.

Это легко продемонстрировать умень-

шением или увеличением осмотическо-

го давления в окружающей среде, что

приводит к соответствующему увеличе-

нию или уменьшению активности со-

кратительной вакуоли. Однако в тех

клетках, которые адаптированы к изме-

нению осмомолярности, соответствен-

но меняются проницаемость клеточной

мембраны и тоничность цитозоля. Ци-

тозоль всегда поддерживается гиперто-

ничным по отношению к окружающей

среде, другими словами, внутреннее

давление клетки повышено. Поэтому

после адаптации клетки и создания ги-

пертоничной внутренней среды сокра-

тительная вакуоль возобновляет свою

деятельность. Таким образом, ее функ-

ция, вероятно, состоит не только в ре-

гуляции водного баланса, но и также, к

примеру, в удалении продуктов обмена

или выведении определенных продук-

тов на поверхность клетки.

Осморегуляторная роль комплекса

сократительной вакуоли единодушно

признана; кроме того, высказывались

предположения о дополнительных фун-

кциях комплекса. При определенных

условиях сократительная вакуоль может

активно выделять катионы натрия и

кальция. Цитозоль клетки протиста

имеет относительно высокую концент-

рацию ионов калия и низкую — натрия.

Обычно секретируемая сократительной

вакуолью жидкость имеет даже более

высокие концентрации натрия и хлора,

чем цитозоль. Однако активное выведе-

ние натрия и кальция через сократи-

тельную вакуоль еще предстоит дока-

зать.

Механизм регуляции

объема клетки

Активность сократительной вакуо-

ли представляет собой, по-видимому,

лишь один из механизмов, посредством

которых простейшее

регулирует

свой

объем. Сократительная вакуоль, вероят-

но, обеспечивает кратковременный от-

вет на изменение тоничности среды.

Так, если простейшее поместить в ги-

пертоничную среду, оно сразу же умень-

шается в размерах, а сократительная ва-

куоль перестает работать. Если осмоти-

ческий шок не был летальным, клетка

постепенно восстановит свои нормаль-

ные размеры и вакуоль снова начнет со-

кращаться. Эта регулировка обусловле-

на повышением концентрации свобод-

ных аминокислот, моновалентных кати-

онов

и,

возможно,

Сахаров в цитоплазме,

что

компенсирует

увеличение

ионной

силы среды.

Механизм сокращения

вакуолей

Некоторые ученые считают, что со-

кратительную вакуоль лучше называть

пульсирующей вакуолью или выводя-

щей воду везикулой, поскольку термин

«сократительная вакуоль» подразумева-

ет, что она активно сокращается. Одна-

ко собственная сократимость этих ваку-

олей окончательно не доказана; напро-

286 Избранные главы общей протистологии

тив, были получены данные, что сокра-

тительные вакуоли опорожняются про-

сто под воздействием внутриклеточно-

го давления.

Вместе с тем, имеются достаточно

убедительные аргументы в пользу их

собственной сократимости. Помимо

обнаружения на периферии сократи-

тельных вакуолей небольших количеств

актина, ос-актинина и миозина, извест-

но, что непосредственно перед систо-

лой сократительные вакуоли различных

протистов немного сжимаются и округ-

ляются. Более того, если отверстие со-

кратительной вакуоли цилиат искусст-

венно блокировать, прижав покровным

стеклышком, то сократительная вакуоль

увеличивается в размерах и последова-

тельно сокращается в том же ритме, как

если бы ее содержимое выбрасывалось

наружу. Самое простое объяснение этих

наблюдений таково: сократительные

элементы действуют по всей поверхно-

сти вакуоли.

Недавние исследования изолиро-

ванных сократительных вакуолей пока-

зали, однако, что сама мембрана спо-

собна осуществлять циклы округления

и расслабления вакуоли без помощи

окружающей сократимой сети. При ок-

руглении сократительной вакуоли фор-

мирование мембранных трубочек

уменьшает эффективную площадь по-

верхности вакуоли, и натяжение мемб-

раны in vitro увеличивается в 35 раз. In

vivo ассоциация мембраны вакуоли с

лентами микротрубочек, по-видимому,

запускает или усиливает образование

мембранных трубочек и таким образом

увеличивает натяжение мембраны ваку-

оли. Этот процесс требует затрат АТФ.

Повышенное натяжение мембраны не-

обходимо для слияния с плазмалеммой.

для регуляции скорости выведения

жидкости путем изменения размеров

выводящей поры и для отделения ре-

зервуара вакуоли от армированных

микротрубочками ампул приводящих

каналов.

Цикл пульсации

Типичный цикл пульсации в прими-

тивном комплексе сократительной ваку-

оли показан на рисунке 242. После си-

столы сама вакуоль не видна, но вокруг

места ее локализации заметны мелкие

пузырьки. Во время диастолы они уве-

личиваются в размерах, сливаются друг

с другом и наконец формируют сокра-

тительную вакуоль. Непосредственно

перед выбрасыванием своего содержи-

мого вакуоль округляется и окружается

мелкими пузырьками.

Более сложные процессы наблюда-

ются у Paramecium caudatum (рис. 243).

После систолы сократительная вакуоль

не видна под световым микроскопом; в

ходе сокращения она преобразуется в

один или несколько конгломератов вза-

имосвязанных трубочек. Затем наполня-

ются ампулы (диастола ампул) и появ-

ляется сократительная вакуоль, которая

заполняется из ампул (систола ампул).

На следующем этапе сократительная

вакуоль становится сферической и выб-

расывает свое содержимое наружу че-

рез пору (систола сократительной ваку-

оли). Тем временем ампулы наполняют-

ся снова. Жидкость, по-видимому, по-

ступает в ампулы из приводящих

каналов непрерывно. Таким образом,

ампулы выступают в роли буфера, кото-

рый обеспечивает периодичность на-

Сравнительная морфология и физиология протистов 287

щ Диастола » 4 Систола »

секунды

I I I • • • • * * •

Рис. 242. Цикл пульсации сократительной вакуоли (стрелка) у криптомонады Chilomonas

(а-е); цикл пульсации длится около 10 секунд (ж) (из: Patterson and Hausmann: Br. phycol.

J. 16 [1981] 429). Увел.: a-e-3 OOOx.

Рис. 243. Цикл пульса-

ции сократительной

вакуоли у Paramecium:

а — систола; б — диа-

стола; в — схема неко-

торых промежуточных

стадий (1-5) цикла,

который у P. caudatum

обычно длится 8 се-

кунд, ам — ампула со-

бирающего канала,

ск— собирающий ка-

нал. Увел.: а и б —

750х.

в" гт\7ТуТ\П

полнения вакуоли при непрерывном

процессе сегрегации воды.

Пузулы

У динофлагеллат нет сократитель-

ных вакуолей, однако предполагается,

что сходную функцию у них выполня-

ют пузулы, расположенные в основании

жгутиков. Пузула представляет собой

трубковидную ветвящуюся инвагина-

цию клеточной мембраны, тесно свя-

занную с системой внутриклеточных

вакуолей. В отличие от сократительных

вакуолей, пузулы постоянно сообщают-

ся с окружающей средой (рис. 244).