 |
Синтетический аппарат клетки
|
|
|
|
1. Состав синтетического аппарата.
2. Строение рибосом и эндоплазматической сети.
3. Функциональное значение гранулярной и гладкой ЭПС.
Синтетический аппарат клетки включает органеллы, участвующие в синтезе различных веществ, которые могут в дальнейшем использоваться самой клеткой или выделяться ею во внеклеточное пространство. Деятельность синтетического аппарата клетки, располагающегося в ее цитоплазме, контролируется ядром благодаря активности находящихся в нем генов. В синтетический аппарат входят рибосомы, эндо-плазматическая сеть (ЭПС) и комплекс Гольджи.
Рибосомы - мелкие (диаметр - 15-30 нм) плотные немембранные органеллы, обеспечивающие синтез белка путем соединения аминокислот в полипептидные цепочки. Информация о синтезе приносится к рибосомами информационной РНК (иРНК), которая образуется в ядре в ходе считывания (транскрипции) фрагментов генетической информации с ДНК. Синтетически активная клетка содержит несколько миллионов рибосом (например, в клетке печени их число составляет 107), на которые приходится около 5% ее сухой массы.
Каждая рибосома состоит из двух асимметричных субъединиц: малой, связывающей РНК, и большой, катализирующей образование пептидных цепей. По форме малая субъединица напоминает телефонную трубку, большая – ковш.
Эндоплазматическая сеть (ЭПС) - органелла, обеспечивающая синтез углеводов, липидов и белков, а также начальные посттрансляционные изменения последних. Она имеет мембранное строение и состоит из системы уплощенных, удлиненных, трубчатых и везикулярных образований. Название органеллы обусловлено характером связи этих элементов друг с другом, образующих в цитоплазме непрерывную трехмерную сеть, элементы которой лишь на отдельных срезах могут иметь вид изолированных структур. Мембрана ЭПС тоньше, чем плазмолемма и содержит более высокую концентрацию белка, что связано с наличием в ней многочисленных ферментных систем. Степень развития ЭПС и особенности ее строения варьируют в различных клетках и зависят от их функции. Выделяют две разновидности ЭПС: гранулярную ЭПС (грЭПС) и гладкую, или агранулярную ЭПС (аЭПС), которые связаны друг с другом в области перехода, называемой переходной (транзиторной) ЭПС.
|
|
|
Гранулярная ЭПС обеспечивает (1) биосинтез всех мембранных белков и белков, предназначенных для экспорта из клетки, и (2) начальное гликозилирование и посттрансляционные изменения белковых молекул. Гранулярная ЭПС образована уплощенными мембранными цистернами и трубочками, на наружной поверхности которых располагаются рибосомы и полисомы, придающие мембранам зернистый (гранулярный) вид, что и отражено в названии органеллы. Мембраны грЭПС содержат особые белки, которые обеспечивают (1) связывание рибосом и (2) уплощение цистерн. Полость грЭПС содержит рыхлый материал умеренной плотности (продукты синтеза) и сообщается с перинуклеарным пространством. Благодаря грЭПС происходит отделение (сегрегация) вновь синтезированных белковых молекул от гиалоплазмы.
Агранулярная (гладкая) ЭПС представляет собой трехмерную замкнутую сеть мембранных анастомозирующих трубочек, канальцев, цистерн и пузырьков диаметром 20-100 нм, на поверхности которых рибосомы отсутствуют.
Функции аЭПС включают: (1) синтез липидов, в том числе мембранных (ферменты липидного синтеза располагаются на наружной - обращенной в сторону гиалоплазмы - поверхности мембраны аЭПС), (2) синтез гликогена, (3) синтез холестерина, (4) детоксикацию эндогенных и экзогенных веществ, (5) накопление ионов Са2+, (6) восстановление кариолеммы в телофазе митоза (эта функция оспаривается авторами, считающими, что кариолемма восстанавливается за счет мембранных пузырьков, на которые она ранее распалась). Помимо указанных основных функций, в некоторых типах клеток аЭПС выполняет ряд дополнительных - например, в мегакариоцитах (гигантских клетках костного мозга) ее элементы образуют демаркационные каналы, разделяющие формирующиеся тромбоциты.
|
|
|
Способность аЭПС к накоплению ионов Са2+ обусловлена наличием: (1) кальциевого насоса в ее мембране, который обеспечивает транспорт этих ионов из гиалоплазмы внутрь цистерн аЭПС; (2) кальцийсвязывающих белков (кальсеквестрина в мышечных клетках, кальретикулина - преимущественно в немышечных и др. ), которые в просвете цистерн образуют комплекс с ионами Са2+ и (3) кальциевых каналов в мембране аЭПС, которые осуществляют выведение Са2+ в гиалоплазму.
Строение и функциональное значение комплекса Гольджи
1. Строение комплекса Гольджи.
2. Функции комплекса Гольджи.
3. Основные направления транспорта белков из комплекса Гольджи.
Комплекс Гольджи - сложно организованная мембранная органелла, образованная тремя основными элементами - (1) стопкой уплощенных мешочков (цистерн), (2) пузырьками и (3) вакуолями, или секреторными пузырьками. Комплекс этих элементов называется диктиосомой (от греч. diktyon - сеть); в некоторых клетках имеются множественные диктиосомы (до нескольких сотен). В специализированных секреторных клетках комплекс Гольджи располагается надъядерно под апикальной частью клетки, через которую происходит выделение секрета механизмом экзоцитоза. Нередко он лежит у ядра вблизи центриолей, в некоторых клетках его компоненты рассеяны по всей цитоплазме.
1. Цистерны имеют вид изогнутых дисков (" блюдец" ) диаметром 0, 5-5 мкм и образуют стопку из 3-30 элементов, разделенных пространством 15-30 нм; выпуклой стороной стопка обычно обращена к ядру, вогнутой - к плазмолемме. Каждая группа цистерн внутри стопки отличается особым составом ферментов, определяющим характер реакций процессинга белков. Периферические отделы цистерн несколько расширены от них отщепляются пузырьки и вакуоли. Механизм, удерживающий стопку в виде единого образования, неизвестен. При наличии в клетке множественных диктиосом их цистерны связаны друг с другом системой анастомозирующих и ветвящихся трубочек.
|
|
|
2. Пузырьки - сферические окруженные мембраной элементы диаметром 4080 нм с содержимым умеренной плотности; образуются путем отщепления от цистерн.
3. Вакуоли - крупные (диаметр – 0, 1-1, 0 мкм), окруженные мембраной сферические образования, отделяющиеся от цистерны на зрелой поверхности комплекса Гольджи в некоторых железистых клетках. Они содержат секреторный продукт умеренной плотности, находящийся в процессе конденсации (конденсирующие вакуоли).
Полярность комплекса Гольджи . Комплекс Гольджи представляет собой поляризованную структуру, в которой выделяют две поверхности, обладающие структурными и функциональными различиями:
(а) цис- (от лат. cis - по эту сторону), незрелую, формирующуюся - выпуклой формы, обращенную к ЭПС и связанную с системой мелких (транспортных) пузырьков, отщепляющихся от ЭПС;
(б) транс- (от лат. trans - по ту сторону), зрелую - вогнутой формы, обращен-
ную к плазмолемме и связанную с отделяющимися от цистерн вакуолями. Между цистернами цис- и транс-поверхностей располагаются цистерны медиальной части комплекса Гольджи.
Транспорт веществ в комплексе Гольджи. Белки проникают в стопку цистерн комплекса Гольджи из транспортных пузырьков с цис-поверхности, а выходят в вакуолях с транс-поверхности; каким образом осуществляется их перенос внутри комплекса, в ходе которого происходит их процессинг, остается неизвестным. Возможные пути этого транспорта описываются двумя моделями:
1) модель перемещения цистерн постулирует, что за счет слияния транспортных пузырьков на цис-поверхности непрерывно происходит новообразование цистерн (что легло в основу термина " формирующаяся поверхность" ), в дальнейшем смещающихся к транс-поверхности, по достижении которой они распадаются на вакуоли (" зрелая поверхность" ). Согласно этой модели, одни операции процессинга сменяются другими при перемещении самой цистерны по ходу изменений ее состава. Транспорт веществ из одной цистерны в другую, в соответствии с описанной моделью, отсутствует;
|
|
|
2) модель везикулярного транспорта предполагает, что цистерны не меняют своего расположения (остаются постоянно на своем месте), а продукты синтеза переносятся от цис- к транс-поверхности в пузырьках (везикулах), которые отпочковываются от предшествующей цистерны, сливаясь с последующей.
Функции комплекса Гольджи:
1. синтез полисахаридов и гликопротеинов (гликокаликса, слизи);
2. процессинг молекул: включение углеводных компонентов в гликопротеины, транспортируемые из грЭПС (терминальное гликозилирование), добавление фосфатных групп (фосфорилирование), жирных кислот (ацилирование), сульфатных остатков (сульфатирование), частичное расщепление белковых молекул (протеолитическая доработка). Каждый их указанных этапов процессинга веществ внутри комплекса Гольджи осуществляется в топографически определенном его компоненте
(цис-, медиальных или транс-цистернах, а также сети транс-Гольджи);
3. конденсация секреторного продукта (в конденсирующих вакуолях) и образование секреторных гранул;
4. обеспечение новообразованных гранул мембраной (синтезированной в ЭПС) и упаковка в нее секреторных продуктов; в процессе секреции эта мембрана встраивается в плазмолемму, увеличивая площадь ее поверхности;
Транспорт белков из комплекса Гольджи осуществляется в составе трех важнейших потоков: (1) в гидролизные пузырьки (ранее называемые первичными лизосомами) - начально в виде окаймленных пузырьков, (2) в плазмолемму (в составе окаймленных пузырьков) и (3) в секреторные гранулы (в виде окаймленных пузырьков, утрачивающих в дальнейшем оболочку).
Строение и принципы функционирования системы внутриклеточного переваривания
1. Строение и функциональное значение эндосом.
2. Строение и функциональное значение лизосом.
3. Строение и функциональное значение пероксисом.
Аппарат внутриклеточного переваривания представлен системой особых органелл - мембранных пузырьков с кислым содержимым - эндосом (от греч. endo - внутри и soma - тело) и лизосом (от греч. lysis - разрушение и soma - тело), которые обеспечивают катаболические процессы в цитоплазме клетки. Функция аппарата внутриклеточного переваривания состоит в регулируемом внутриклеточном расщеплении макромолекул внеклеточного и внутриклеточного происхождения.
Объединение эндосом и лизосом в единую систему основано на наличии в их мембране АТФ-зависимого протонного насоса, вызывающего закисление среды внутри этих органелл. Низкие значения рН активируют ферменты - кислые гидролазы, которые транспортируются особыми гидролизными пузырьками, образующимися в комплексе Гольджи.
|
|
|
Мембрана эндосом и лизосом (толщиной около 6 нм) помимо наличия протонного насоса обладает рядом других важных свойств:
(1) она содержит рецепторы, обусловливающие ее связывание с мембраной гидролазных и транспортных пузырьков, а также фагосом, (2) обеспечивает свободную диффузию низкомолекулярных продуктов переваривания макромолекул в гиалоплазму, (3) в неповрежденном состоянии представляет собой барьер, резистентный к действию литических ферментов и препятствующий их утечке в гиалоплазму.
Эндосомы - мембранные пузырьки с постепенно закисляющимся содержимым, которые обеспечивают перенос макромолекул с поверхности клетки в лизосомы и их частичный или полный гидролиз на стадиях, предшествующих лизосомальному уровню деградации. В связи с указанными свойствами совокупность эндосом в настоящее время считают не просто механизмом транспорта веществ в клетке (как полагали ранее), а частью системы их переваривания (" внутриклеточного пищеварительного тракта" ), в которую входят также лизосомы.
Процесс переноса веществ системой эндосом (по эндоцитозному пути) может протекать (а) с полным перевариванием макромолекул, (б) с их частичным расщеплением или (в) без изменений по ходу транспорта в лизосому. Способность к перевариванию в эндосомах обеспечивается благодаря тому, что кислые гидролазы вносятся в эндоцитозный путь уже на самых ранних его этапах.
Путь транспорта и деградации веществ в клетке можно описать последовательностью: ранняя (периферическая) эндосома поздняя (перинуклеарная) эндосома лизосома.
Ранние (периферические) эндосомы являются мембранными пузырьками на ранних этапах после их отделения от плазмолеммы (но уже после утраты первоначально имевшейся клатриновой оболочки). Они располагаются неподалеку от плазмолеммы в периферических отделах цитоплазмы. В них в условиях слабокислой среды (рН 6. 0) осуществляется ограниченное и регулируемое переваривание макромолекул протеазами, которые были внесены в эндосому, по-видимому, еще на этапе ее формирования. В ранней эндосоме происходит отщепление лигандов от рецепторов с их сортировкой и возможным возвращением последних в специальных пузырьках в плазмолемму для повторного цикла их использования (рециклирования – от англ. recycling).
Поздние (перинуклеарные) эндосомы получили свое название благодаря тому, что они образуются позднее ранних и располагаются в глубоких отделах цитоплазмы вблизи ядра. Они достигают диаметра 600-800 нм и характеризуются сравнительно плотным матриксом. Их отличает от ранних эндосом более кислое содержимое (рН 5, 5) и более глубокий уровень переваривания ферментами.
Гидролазные пузырьки (ранее называвшиеся первичными лизосомами) - округлые мембранные органеллы диаметром до 200-400 нм с мелкозернистым плотным матриксом, содержащие литические ферменты в неактивной форме. В большинстве клеток они имеют очень малые размеры (порядка 50 нм), а их надежная идентификация возможна лишь путем маркировки содержащихся в них ферментов.
Литические ферменты гидролазных пузырьков синтезируются и накапливаются в ЭПС, далее переносятся в комплекс Гольджи, где модифицируются и упаковываются в мембранные пузырьки, окруженные клатриновой оболочкой, впоследствии исчезающей. В настоящее время известно около 60 таких ферментов; все они представляют собой кислые гидролазы (гидролитические ферменты с оптимумом рН~5) и включают протеазы, нуклеазы, гликозидазы, липазы, фосфорилазы, фосфатазы и сульфатазы.
Лизосомы (ранее называемые вторичными лизосомами)- органеллы, активно участвующие в завершающих этапах процесса внутриклеточного переваривания захваченных клеткой макромолекул посредством широкого спектра литических ферментов при низких значениях рН (5. 0 и ниже). Они формируются с участием поздних эндосом. Диаметр лизосом обычно составляет 0. 5-2 мкм, а их форма и структура могут существенно варьировать в зависимости от характера перевариваемого материала. Как и в случае гидролазных пузырьков, они достоверно идентифицируются только на основании выявления в них гидролитических ферментов.
1) Фаголизосома формируется путем слияния поздней эндосомы или лизосомы с фагосомой, называемой также гетерофагосомой (от греч. heteros - другой, phagein - поедать и soma - тело) – мембранного пузырька, содержащего материал, захваченный клеткой извне и подлежащий внутриклеточному перевариванию; процесс разрушения этого материала называется гетерофагией;
2) Аутофаголизосома образуется при слиянии поздней эндосомы или лизосомы с аутофагосомой (от греч. autos - сам, phagein - поедать и soma - тело) - мембранным пузырьком, содержащим собственные компоненты клетки, подлежащие разрушению. Процесс переваривания этого материала называют аутофагией. Источником мембраны, окружающей клеточные компоненты, служит грЭПС.
3) Мультивезикулярное тельце (от лат. multi - много и vesicula - пузырек) представляет собой крупную (диаметром 200-800 нм) сферическую окруженную мембраной вакуоль, содержащую мелкие (40-80 нм) пузырьки, погруженные в светлый или умеренно плотный матрикс. Они образуются в результате слияния ранних эндосом с поздней, причем мелкие пузырьки формируются, вероятно, путем отпочковывания внутрь от мембраны вакуоли. Матрикс тельца содержит литические ферменты и, очевидно, обеспечивает постепенное разрушение внутренних пузырьков.
4) Остаточные тельца - лизосомы, содержащие непереваренный материал, которые могут длительно находиться в цитоплазме или выделять свое содержимое за пределы клетки. Распространенным типом остаточных телец в организме человека являются липофусииновые гранулы - мембранные пузырьки диаметром 0. 3-3 мкм, содержащие труднорастворимый коричневый эндогенный пигмент липофусцин.
Пероксисомы (микротельца) по своему строению сходны с лизосомами. Они представляют собой мембранные сферические или удлиненные пузырьки диаметром
0. 05-1. 5 мкм с умеренно плотным однородным или мелкозернистым содержимым (матриксом), в котором иногда выявляется более плотная сердцевина (нуклеоид), имеющая кристаллическое строение и состоящая из фибрилл и трубочек.
Матрикс пероксисом содержит до 15 ферментов, состав которых может варьировать. Наиболее важные из них - пероксидаза, каталаза (на которую приходится до 40% общего белка органеллы), оксидаза D-аминокислот и уратоксидаза. Нуклеоид пероксисомы соответствует области конденсации ферментов.
Образование пероксисом происходит в ЭПС, путем отпочковывания от эле-
ментов аЭПС; их ферменты синтезируются частично в грЭПС, частично - в гиалоплазме.
Функции пероксисом . Пероксисомы (наряду с митохондриями) - главный центр утилизации кислорода в клетке. В результате окисления аминокислот, углеводов и других соединений в клетках образуется сильный окислитель - перекись водорода (Н2О2), которая далее благодаря действию каталазы пероксисом распадается с выделением кислорода и воды. Пероксисомы защищают клетку от действия перекиси водорода, оказывающей сильный повреждающий эффект.
|
|
|
