Биология грибной клетки

Московский государственный университет 
имени М.В.Ломоносова
О.В. Камзолкина, Я.Е. Дунаевский
Биология 
Биология 
грибной клетки
грибной клетки
Второе издание
Товарищество научных изданий КМК
                                          Москва 2017 

УДК [576.3:582.28](075.8)
ББК 28.55я73-1
        К19
Рецензенты:
Заслуженный профессор Московского университета Ю.Т. Дьяков,
профессор О.Л. Коломиец
Камзолкина О.В., Дунаевский Я.Е. Биология грибной клетки. Учебное пособие. 
2-е изд. Москва: Товарищество научных изданий КМК. 2017. 239 с., 8 цв. вкл.
Впервые подготовлен к публикации на русском языке учебник, посвященный различным аспектам биологии грибной клетки. Учебник базируется на лекционных курсах «Цитология грибов» и «Физиология и 
биохимия грибов», читаемых авторами много лет студентам кафедры микологии и альгологии биологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова. В предлагаемом учебнике представлен обширный материал, базирующийся на классических и современных представлениях в области микологии, цитологии, 
биохимии и генетики, дополненный собственными исследованиями авторов. В учебнике дается исчерпывающая и многосторонняя характеристика основных структур грибной клетки, их функций в процессе 
роста и развития мицелиальных и одноклеточных грибов, рассмотрены основные вопросы метаболизма 
грибов, изложены современные представления о жизни и смерти грибной клетки. Подробно рассматриваются вопросы поляризованного роста мицелиальных грибов и дрожжей, особенности цитокинеза и 
формирование септ, участие цитоскелета в морфогенезе грибов, роль альтернативного дыхания грибов, 
особенности структуры анаэробных грибов, сравнение апоптотического аппарата грибов с высшими эукариотами. Особое внимание уделено структуре ядерного аппарата, особенностям митоза и мейоза у грибов. 
В учебнике приведено много иллюстраций в виде фотографий и схем, что значительно облегчает восприятие материала.
Учебное пособие предназначено для студентов старших курсов, аспирантов и преподавателей Биологических факультетов университетов, педагогических, сельскохозяйственных и медицинских институтов, 
а также сотрудникам научно-исследовательских институтов, работающих в области молекулярной биологии, биохимии и генетики микроорганизмов, а также в области различных направлений прикладной 
микологии и микробиологии.
 
ISBN 978-5-9909884-7-7
© Камзолкина О.В., Дунаевский Я.Е., текст, иллюстрации, 2015, 2017
© Товарищество научных изданий КМК, издание, 2015, 2017

ПРЕДИСЛОВИЕ
Идея создания учебника по биологии грибной клетке возникла у авторов несколько лет 
назад, однако ее развитие тормозилось недостаточностью или неоднозначностью информации для написания многих разделов. 
Грибы в 1969 г. были выделены Робертом Уиттекером в отдельное царство эукариотических организмов, что повлекло за собой их всестороннее изучение с различных позиций, 
включая систематику и морфологию, физиологию и цитологию, биохимию и молекулярную биологию. Кроме того, сильно выросло прикладное значение грибов, используемых 
для нужд сельского хозяйства, легкой, пищевой и фармацевтической промышленности; не 
прекращаются попытки увеличения эффективности применения грибов для уменьшения 
загрязнения окружающей среды, производства энергии, получения различных белков. Широкое использование грибов привело к тому, что микологические знания требуются теперь 
представителям самых разнообразных профессий, работающих с грибами или продуктами 
их метаболизма. Все это обуславливает осознание необходимости обобщения накопленных 
данных, касающихся цитологических, физиологических и биохимических аспектов жизнедеятельности грибной клетки. Следует отметить, что в отличие от растений и животных 
грибы еще недостаточно хорошо изучены на клеточном уровне. Несмотря на то, что дрожжи и ряд мицелиальных грибов являются удобными модельными объектами в исследовании структуры и процессов развития и старения, протекающих в эукариотической клетке, 
доказательства многих гипотез были получены совсем недавно с использованием новых 
методических приемов и современных приборов. Изучение везикулярного транспорта на 
почкующихся дрожжах Saccharomyces cerevisiae были завершены и удостоены Нобелевской премии в 2013 году. Исследования, начатые с изучения строения клетки, перешли 
на молекулярно-генетический и биохимический уровни. Так, например, первые работы по 
митозу у грибов начались с середины ХХ века на уровне светового микроскопа (Aist, 1969), 
через несколько лет они перешли на уровень электронного микроскопа (Aist, Bayles, 1991), 
а в настоящее время дополнились изучением генетически модифицированных штаммов, 
маркированных флуоресцентными зондами с последующим наблюдением цитоскелета 
клетки и ДНК в конфокальном (лазерном) микроскопе (Straube et al., 2005). Новые перспективы открывает наноскоп, позволяющий наблюдать перемещение отдельных молекул. 
Материалы учебника построены на многолетних исследованиях авторов в области цитологии и биохимии грибов, а также на курсах лекций для студентов кафедры микологии и 
альгологии «Цитология грибов» и «Физиология и биохимия грибов».
Авторы не претендуют на исчерпывающую информацию по разделам, изложенным в 
учебнике. Нами была сделана лишь попытка взвешенно и критично оценить и систематизировать известные к настоящему времени сведения о строении и функции грибных 
органелл, метаболизме грибной клетки и молекулярных механизмах его регуляции. Мы 
вполне отдаем себе отчет, что дальнейшее развитие микологии может приводить к появлению новых знаний, подтверждающих или, наоборот, опровергающих существующие на 
сегодняшний день концепции и гипотезы. 
Авторы выражают благодарность учителям и коллегам, без участия которых публикация учебного пособия не могла состояться: профессору Ю.Т.Дьякову, профессору 
Т.А.Белозерской, коллегам И.С.Мажейка, О.В.Штаер, О.А.Кудрявцевой, а также сотруд

Î.Â. Êàìçîëêèíà ß.Å. Äóíàåâñêèé  Áèîëîãèÿ ãðèáíîé êëåòêè
никам межкафедральной лаборатории электронной микроскопии биологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова Н.Я.Агалаковой, А.Г.Богданову и ее заведующему 
Г.Н.Давидовичу. 
Постоянно возникающие вопросы наших коллег из разных научно-исследовательских 
институтов, а также аспирантов и студентов, касающиеся цитологии и биологии грибной 
клетки, как и отсутствие соответствующей литературы на русском языке стали той движущей силой, что позволила довести написанный учебник до публикации.
Многие иллюстрации подготовлены авторами учебника. Система грибов представлена 
по базе данных Index Fungorum 2014.
Экспериментальные исследования выполнялись при поддержке грантов РФФИ и программы Приоритетные направления исследований МГУ имени М.В.Ломоносова.

Глава 1. 
ПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА ГРИБОВ 
(ПЛАЗМАЛЕММА)1
1.1. Общая характеристика 
Плазматическая (цитоплазматическая) мембрана — обязательный компонент любой 
клетки. Она ограничивает клетку и обеспечивает сохранение существующих различий 
между клеточным содержимым и окружающей средой. Мембрана служит высокоизбирательным «входным» селективным фильтром и отвечает за активный транспорт веществ в 
клетку и из нее, обеспечивает диффузионный барьер. 
Цитоплазматическую мембрану эукариотической клетки обычно называют плазмалеммой. Она представляет собой липидный бислой примерно 7,5 нм толщиной с большим 
количеством белков (рис. 1). 
1.2. Функции плазмалеммы
Контроль поглощения и секреции веществ 
В плазмалемме находятся множество транспортных систем: ионные каналы, белки-переносчики и ионные насосы, которые участвуют в селективном транспорте ионов внутрь клетки и наружу.
Через плазмалемму происходит также перенос макромолекул. Так, в периплазматическое пространство транспортируются строительные блоки клеточной стенки — полисахариды и структурные белки. Эти соединения обычно находятся в везикулах аппарата Гольджи и высвобождаются из них путем экзоцитоза.
Запасание и использование энергии 
Плазмалемма любой клетки является энергизованной мембраной, т.е. на ней существует 
градиент электрохимического потенциала ΔμH+, который используется для выполнения полезной работы, прежде всего для активного переноса веществ через мембрану.
Размещение и обеспечение работы ферментов
В плазмалемме находится множество ферментов: ферменты построения клеточной стенки 
(хитинсинтаза, глюкансинтаза), ферменты сигнальных систем и др. Активность хитинсинтазы, которая очень высокая в очищенных препаратах плазматической мембраны грибов, 
1 Сокращения 
ДАГ — диацилглицерин
ФХ — фосфатидилхолин 
ФЭ — фосфатидилэтаноламин 
ФС — фосфатидилсерин 
ФИ — фосфатидилинозит 
ЦДФ — цитидиндифосфат
ЦТФ — цитидинтрифосфат

Î.Â. Êàìçîëêèíà ß.Å. Äóíàåâñêèé  Áèîëîãèÿ ãðèáíîé êëåòêè
используется как маркер плазматической мембраны при субклеточном фракционировании. 
Фермент явно связан с липидным бислоем мембраны. Удаление фосфолипидов инактивировало фермент, тогда как добавление фосфолипидов восстанавливало активность частично 
инактивированного препарата хитинсинтазы. 
Рецепторные функции 
Многие белки плазмалеммы являются рецепторами различных сигналов. Плазмалемма клетки — это комплекс различных рецепторов эндогенных сигналов и внешних воздействий (рецепторы физических факторов — температуры, соли, рН и др.) Температура и засоленность изменяют текучесть мембраны. Изменение этих свойств плазмалеммы приводит к открытию или 
закрытию находящихся в ней механосенсорных ионных каналов. Таким образом, плазмалемма 
является местом рецепции (восприятия) различных сигналов химической и физической природы.
Сигнальная функция 
Многие компоненты плазмалеммы после восприятия сигналов служат источником вторичных мессенджеров — молекул, которые «передают» сигнал по эстафете и усиливают его. В 
качестве вторичных мессенджеров выступают инозитол-1,4,5-трифосфат, диацилглицерин, 
фосфатидная кислота, продукты перекисного окисления липидов мембран. Все эти соединения образуются из липидов плазмалеммы под действием специальных ферментов, активируемых в результате воздействия сигнала на рецепторы. Таким образом, плазматическая мембрана 
является местом не только рецепции сигналов, но также их усиления и дифференцирования.
Функциональные особенности плазмалеммы 
1. Градиент электрохимического потенциала плазматической мембраны создается за 
счет активного переноса сопрягающего иона с одной стороны мембраны на другую. 
Для плазмалеммы грибной клетки сопрягающим ионом выступает Н+, тогда как для 
цитоплазматической мембраны животной клетки это Na+. Очевидно, что ферменты, 
которые за счет гидролиза АТФ активно «выкачивают» сопрягающий ион из клетки, у 
различных таксонов могут быть разными: у грибной клетки — Н+-АТФаза  р-типа, у 
животной клетки — К+/Nа+-АТФаза. 
2. У грибной клетки одна из составляющих электрохимического потенциала мембраны — электрическая разность потенциалов находится в пределах около 200 мВ (у 
Neurospora crassa), что существенно выше, чем у животной клетки. 
1.3. Белки плазмалеммы 
Белки, представленные разнообразными ферментами, транспортными биомолекулами, 
рецепторами, порами и каналами, вносят существенный вклад в формирование структуры 
клеточных мембран. Среднее содержание белков в мембранах составляет примерно 60% 
(по массе сухого вещества).
Мембраны при нормальной температуре не имеют жесткой структуры, а обладают 
свойствами двумерных жидкостей. Компоненты мембран, включая белки, могут перемещаться в пределах своего слоя. Все это описывается жидкостно-мозаичной моделью структуры мембраны Сингера и Николсона, где мозаичность определяется тем, что белки не 
присутствуют на всем ее протяжении, а расположены в виде отдельных островков (рис. 1). 
Мембранные белки могут испытывать затруднения в своем перемещении по бислою, 
обусловленные тем, что они могут образовывать ассоциации с другими белками, с элементами цитоскелета клеток или внеклеточным матриксом. Важной особенностью структуры 
мембран является также асимметричное расположение в ней белков. 
Белки могут связываться с мембраной различными путями: периферические белки ассоциированы лишь с одной из поверхностей мембраны, удерживаются на мембране с помощью липидного «якоря» либо за счет нековалентных взимодействий с другими мемб

Ãëàâà 1. Ïëàçìàòè÷åñêàÿ ìåìáðàíà ãðèáîâ
ранными белками, тогда как погружённые (интегральные) белки насквозь пронизывают 
липидный бислой и образуют трансмембранную спираль (рис. 1).
Плазматическая мембрана включает белки, участвующие в переносе растворенных веществ, сигнальной трансдукции, закреплении цитоскелета клеток и синтезе компонентов 
клеточной стенки. 
Кроме белков, в состав мембран входят липиды — около 30% и углеводы — до 10%. 
Углеводы в мембране присутствуют не в качестве самостоятельных компонентов, а как 
составная часть белков (гликопротеины) или липидов (гликолипиды). Все углеводы плазматической мембраны расположены на наружной ее поверхности. Они встроены в мембраны клеток и участвуют в распознавании внешних сигналов, межклеточной коммуникации, 
транспорте через мембраны; некоторые О-связанные гликаны обеспечивают поддержание 
структуры и стабильности белков плазмалеммы. 
1.4. Липиды плазмалеммы
Отличительной чертой липидов плазматической мембраны является их разнообразие в 
составе и размерах. Основные липиды относятся к классам фосфолипидов, сфинголипидов, гликолипидов и стеринов (рис. 2).
Фосфолипиды и сфинголипиды представляют собой амфифильные молекулы, содержащие гидрофильную «голову» и длинный гидрофобный «хвост». В составе плазматической 
мембраны они собраны в бислой. С любой стороны мембранного бислоя наружу направлены гидрофильные «головы», тогда как гидрофобные «хвосты» спрятаны от водного окружения внутри мембраны. 
Среди фосфолипидов у грибов наиболее представлены фосфатидилхолин (ФХ) и фосфатидилэтаноламин (ФЭ), в меньших количествах присутствуют фосфатидилсерин (ФС) и 
фосфатидилинозит (ФИ). Так, в плазматической мембране N. crassa доля ФХ составляет 
46%, ФЭ — 39%, ФИ — 15%, а ФС менее 1%. В клетках N. crassa и Saccharomyces cerevisiae 
большинство ФХ синтезируется тремя последовательными  шагами метилирования ФЭ с 
S-аденозилметионином в качестве метильного донора. В свою очередь, большинство ФЭ 
синтезируется декарбоксилированием ФС. Этот путь резко отличается от главного пути 
(путь Кеннеди) синтеза ФХ и ФЭ у большинства других эукариот, где основания холин и 
этаноламин сначала фосфорилируются и затем реагируют с цитидинтрифосфатом (ЦТФ), 
давая ЦДФ-холин и ЦДФ-этаноламин, которые далее взаимодействуют с диацилглицерином (ДАГ) с выходом ФХ и ФЭ соответственно. Путь Кеннеди также встречается и у 
грибов, но он, явно, менее важен, чем путь, включающий последовательное метилирование. Возможно, этим можно объяснить избирательную токсичность для грибов органофосфорных фунгицидов эдифенфоса и ипробенфоса, которые ингибируют формирование ФХ 
метилированием. ФИ и ФС синтезируются из фосфатидной кислоты через ЦДФ-диацилглицерин, реагирующим с инозитом и стерином соответственно. Этот финальный шаг в 
синтезе ФИ является местом действия антибиотика валидомицина. 
Сфинголипиды состоят из одной жирной кислоты, одной полярной головной группы и 
длинноцепочечного аминоспирта сфингозина, образованного конденсацией аминокислоты 
серина с другой молекулой жирной кислоты. Этот тип сфинголипида называется церамид, 
а если в качестве его полярной группы присутствует сахар, то цереброзид. Сфинголипиды 
принимают участие в передаче сигнала на плазматической мембране и составляют около 
30% от общего содержания фосфолипидов.
Основными жирными кислотами у этих групп липидов мицелиальных грибов являются 
пальмитиновая (С16-0) и семейство С18 кислот — стеариновая (С18-0), олеиновая (С18-1), линолевая (С18-2) и линоленовая (С18-3). Олеиновая кислота (С18-1) и пальмитолеиновая кислота (С16-1), 

Î.Â. Êàìçîëêèíà ß.Å. Äóíàåâñêèé  Áèîëîãèÿ ãðèáíîé êëåòêè
Рис. 2. Липиды плазматической мембраны Saccharomyces cerevisiae (Rest et al., 1995).

Ãëàâà 1. Ïëàçìàòè÷åñêàÿ ìåìáðàíà ãðèáîâ
вместе со следовыми количествами пальмитиновой кислоты (С16-0) и стеариновой кислоты 
(С18-0) — основные жирные кислоты у дрожжей S. сerevisiae. Присутствие тех или иных жирных кислот в составе фосфолипидов коррелирует с эволюционными взаимосвязями грибов: 
у Ascomycota и Basidiomycota углеводородный хвост имеет четное число углеродных атомов 
и либо насыщен, либо мононенасыщен; у Chytridiomycota и Zygomycota обнаруживается 
больше жирных кислот с нечетным количеством углеродов, причем большинство из них полиненасыщены. 
Важными компонентами грибных мембран являются стерины, они служат для регуляции текучести мембран, активности мембраносвязанных ферментов и транспортных механизмов. У растений наиболее распространенные стерины плазмалеммы — стигмастерин, 
ситостерол и кампестерол, у клеток животных холестерин, пероноспоровые (из оомицетов/
псевдогрибов) вообще не способны к синтезу стеринов и используют стерины растений 
хозяев, а сапрлегниевые (представители оомицетов) имеют фукостерин, как и бурые водоросли, и ланостерин (общий для грибов и животных). В то же время  у большинства грибов 
главный стерин плазмалеммы — эргостерин (за исключением Chytridiomycota, у которых 
доминантный стерин холестерин). Для плазматической мембраны N. crassa эргостерин составляет 95% содержания всех стеринов, доля которых в составе общих мембранных липидов — 22%. Различие в основных стеринах плазмалеммы грибов и клеток млекопитающих 
легло в основу создания и применения двух классов противогрибных препаратов, полиенов 
и азолов. Соединения первой группы, к которым относятся нистатин и амфотерицин В, 
прямо встраиваются в плазматическую мембрану через гидрофобное взаимодействие с эргостерином, что приводит к образованию пор и утечке клеточного содержимого. Ко второй 
группе относятся азолы и аллиламины, препятствующие синтезу плазматической мембраны через ингибирование биосинтеза эргостерина. 
Фосфолипиды и стерины составляют скелет мембраны и отвечают за целостность мембранной структуры. Липиды плазматической мембраны достаточно активно перемещаются 
в пределах своего монослоя, но возможны и их переходы из одного монослоя в другой. 
Такой переход, называемый «флип-флоп» (от англ. fl
 ip-fl
 op «шлеп-шлеп»), осуществляется 
ферментом флипазой. Липиды асимметрично расположены в бислое плазмалеммы. Так, 
внутренний слой плазматической мембраны S. cerevisiae обогащен ФЭ, ФИ и ФС, тогда как 
в наружном слое преобладает ФХ. 
Мембранные липиды играют важную роль в адаптации клеток грибов к стрессам. Сохранение функционального состояния мембран необходимо при любом стрессорном воздействии. Предложена гипотеза, согласно которой гиперосмотические условия, как и воздействие холода, приводят к повышению вязкости мембран, а гипоосмотические условия и 
тепловые воздействия вызывают ее снижение. Полагают, что основными факторами, влияющими на вязкость липидного бислоя, являются степень ненасыщенности жирных кислот, 
входящих в состав фосфолипидов, и соотношение стерины/фосфолипиды. С увеличением 
содержания ненасыщенных жирных кислот и снижением соотношения стеринов к фосфолипидам происходит увеличение текучести мембраны.
1.5. Пассивный и активный транспорт в мембранах
Одна из важнейших функций плазматической мембраны — ее участие в транспорте различных веществ. Липопротеиновая структура плазматической мембраны делает ее эффективным барьером для перемещения большинства молекул. Те молекулы, которые могут 
преодолевать этот барьер, обладают определенными специальными свойствами, такими 
как величина, форма или растворимость. Их транспорт через мембрану можно разделить 
на два основных типа: пассивный и активный (рис. 3). 

Î.Â. Êàìçîëêèíà ß.Å. Äóíàåâñêèé  Áèîëîãèÿ ãðèáíîé êëåòêè
Рис. 3. Пассивный и активный транспорт через плазматическую мембрану. 
Виды мембранного транспорта:
Пассивный транспорт (диффузия, осмос) — перенос молекул (глюкоза, вода, мочевина) и ионов по градиенту химического (μ) или электрохимического (μ
~
  
) потенциалов или перенос молекул 
из мест с большей концентрацией вещества в места с меньшей концентрацией вещества. Пассивный транспорт происходит спонтанно и не требует свободной энергии АТФ.
Виды диффузии (рис. 3):
Простая (перенос молекул газов О2, СО2, молекул Н2О и т.д.) представляет собой самопроизвольное перемещение веществ из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией вследствие хаотического теплового движения частиц;
Облегченная — осуществляется по градиенту химического (электрохимического) потенциала с участием белка-переносчика. Три принципиальных критерия отличают облегченную диффузию от обычной:
1. Облегченная диффузия насыщаема — при увеличении концентрации вещества с одной 
стороны мембраны плотность потока переносимого вещества возрастает лишь до некоторого предела, обусловленного тем, что все переносчики переносимого вещества оказываются заняты;
2. Облегченная диффузия специфична — каждый класс соединений (сахара, аминокислоты, витамины и т.д.) имеет свои переносящие белки, внутри каждого класса могут быть 
специфические переносчики для различных стереохимических групп. Так, у  дрожжей S. 
cerevisiae имеются две переносящие системы для облегченной диффузии моносахаридов;
3. Облегченная диффузия ингибируема — ингибирование может быть конкурентным, 
когда переносимые вещества конкурируют за одно и то же место на молекуле переносчика, тем самым, снижая потребление одного из них, и неконкурентным, когда 
определенные соединения ингибируют синтез молекул-переносчиков или изменяют 
их структуру, действуя на места, отличные от субстрат-связывающих участков.
Активный транспорт — перенос веществ против градиента химического (электрохимического) потенциала или перенос молекул из мест с меньшей концентрацией вещества в места 
с большей концентрацией вещества (рис. 3). Подобно облегченной диффузии активный транспорт — процесс, опосредованный переносчиками, и поэтому проявляет насыщаемость, специфичность и ингибируемость. Однако в отличие от облегченной диффузии активный транспорт 
требует использования метаболической энергии, обычно в форме АТФ, чтобы активно перекачивать молекулы через мембрану. Вследствие этого он дополнительно может ингибироваться