Примеры g- белков и их физиологические эффекты
Стимул (сигнальная молекула) |
Тип клетки |
Мишени для G-белков (эффекторная молекула) |
Эффект |
Адреналин |
Клетки печени |
Аденилатциклаза |
Расщепление гликогена |
Лютеинизирующий гормон |
Фолликулы яичника |
Аденилатциклаза |
Усиление синтеза эстрогена и прогестерона |
Ацетилхолин |
Клетки сердечной мышцы |
Калиевый канал |
Уменьшение частоты сердечных сокращений |
Пахучие вещества |
Нейроэпителиальные клетки носа |
Аденилатциклаза |
Распознавание запаха |
Механизм взаимодействия сигнальных белков с рецепторами клеток – ключевой элемент межклеточного общения, без которого невозможна жизнедеятельность многоклеточного организма. Нарушения в системе передачи сигналов могут привести к развитию рака, аутоиммунных заболеваний и диабета. Понимание механизмов передачи сигнала внутри клетки может привести к разработке методов лечения этих заболеваний.
Строение и свойства плазматической мембраны. Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью. Существует четыре основных механизма для поступления веществ в клетку или вывода их из клетки наружу:
٠ диффузия;
٠ осмос;
٠ активный транспорт;
٠ экзо- или эндоцитоз.
Два первых процесса носят пассивный характер, т. е. не требуют затрат энергии; два последних — активные процессы, связанные с потреблением энергии.
Пассивный транспорт — перенос веществ в зависимости от уровня концентрации из области высокой концентрации в область низкой, без затрат энергии (например, диффузия, осмос).
Диффузия может быть простой и облегченной. В результате простой диффузии происходит поступление в клетку гидрофобных веществ (O2, N2, бензол) и некрупных молекул (H2O, мочевина). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки). Простая диффузия представляет собой процесс, при котором газ или растворенные вещества распространяются и заполняют весь объем вещества. Молекулы или ионы, растворенные в жидкости, находясь в хаотичном состоянии при столкновении со стенками клеточной мембраны, могут либо отскочить, либо пройти через мембрану. Если вероятность последнего велика, то говорят, что мембрана проницаема для данного вещества. Если концентрация данного вещества по обе стороны мембраны различна, то возникает процесс, который способствует выравниванию концентрации. В случае, когда мембрана плохо, либо вообще не проницаема для данного вещества, она подвергается действию осмотических сил.
С помощью облегчённой диффузии через мембраны при участии белков-каналов или белков-переносчиков проходят полярные вещества (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы). Характерными чертами данного вида транспорта являются: высокая скорость переноса вещества; зависимость от строения вещества; насыщаемость; конкуренция и чувствительность к специальным веществам – ингибиторам. Все перечисленные черты – результат действия специальных белков-переносчиков, а также их малого содержания в клетке. При этом следует различать насыщение и конкуренцию. В случае достижения максимального числа переносимых веществ, когда все переносчики заняты, и дальнейшее увеличение не приведёт к возрастанию количества переносимых веществ, проявляется явление насыщения. Если вещества постоянно переносятся одним и тем же переносчиком и конкурируют за него, то это – явление конкуренции.
Диффузию воды через полупроницаемую мембрану называют осмосом., Направленный внутрь ограниченного объёма жидкости осмос называется эндосмосом, наружу – экзосмосом. Перенос растворителя через мембрану в раствор обусловлен осмотическим давлением; оно возникает из-за того, что система пытается выровнять концентрацию раствора в обеих средах, разделенных мембраной. Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, некоторых из растворённых в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворённом состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки.
В организме человека осмотическое давление регулируется системой органов выделения. В зависимости от осмотического давления различают изотонические, гипертонические и гипотонические растворы.
Растворы, имеющие такое же осмотическое давление, как в клетках, называют изотоническими. Объем клеток, помещенных в эти растворы, остается неизменным. Изотонические растворы солей называют физиологическими. Для человека концентрация хлорида натрия в физиологическом растворе равна 0,9 %. Физиологический раствор используют в медицине, применяя его при потере крови и сильном обезвоживании организма.
Гипертонический раствор имеет осмотическое давление выше, чем в клетках. При погружении растительной клетки в гипертонический раствор вода выходит из нее, цитоплазма сжимается и вместе с плазматической мембраной отслаивается от целлюлозной оболочки. Такое явление называют плазмолизом. Напряженное состояние клеточной оболочки, создаваемое давлением внутриклеточной жидкости, называют тургором. В гипертоническом растворе тургор клеток уменьшается. При медленном плазмолизе клетки долго могут оставаться живыми. При перенесении их в обычную воду происходит восстановление тургора. Длительный плазмолиз приводит к гибели клеток. Эритроциты, помещенные в гипертонический раствор, сморщиваются.
В гипотонических растворах осмотическое давление ниже, чем в клетке. Вода поступает в клетку, тургор увеличивается, клетка набухает и может лопнуть. Эритроциты, помещенные в гипотонический раствор, набухают, разрушаются, и происходит гемолиз.
Вещества, нерастворимые в жирах и не проходящие через поры, транспортируются через ионные каналы.
Ионные каналы (ИК) – это сложные трансмембранные белковые структуры, пронизывающие клеточную мембрану поперёк в виде нескольких петель и образующие в мембране сквозное отверстие (пору). Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются дополнительные молекулярные системы: открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. Ионные каналы могут иметь не один, а несколько участков (сайтов) для связывания с сигнальными молекулами (лигандами).
Итак, ионный канал – интегральный белок, образующий в мембране пору для обмена клетки с окружающей средой ионами K+, Na+, H+, Ca2+, Cl-.
В настоящее время в молекулярной биологии наблюдается смещение акцента от исследований и определения катион-транспортирующих ионных каналов в клетках эукариот к изучению механизмов регуляции ионных каналов. Регулируемый перенос ионов через гидрофильные поры мембраны с помощью управляемых ИК является важнейшим свойством живых клеток, как электровозбудимых, так и невозбудимых.
Принцип управления состоянием ионных каналов был положен в основу их классификации. Белки ИК имеют определённую конформацию, образующую трансмембранную пору, и "вшиты" в липидный слой мембраны. Канальный белковый комплекс может состоять либо из одной белковой молекулы, либо из нескольких белковых субъединиц, одинаковых или разных по строению. Такие субъединицы могут кодироваться разными генами, синтезироваться на рибосомах по отдельности и затем собираться в виде целостного канала. В другом случае канал может представлять собой единый полипептид, имеющий вид петель, прошивающих мембрану несколько раз. К началу XXI века уже известно более 400 белков, формирующих каналы, для биосинтеза которых используется 1–2 % генома человека.
Концевые домены белка-каналоформера (N- и С-терминальные домены) могут выступать из мембраны как наружу, так и внутрь клетки.
Практически все ИК имеют в составе своих субъединиц регуляторные домены, способные связываться с различными управляющими веществами (регуляторными молекулами) и за счёт этого менять состояние или свойства канала. В потенциал-активируемых ИК один из трансмембранных сегментов содержит специальный набор аминокислот с положительными зарядами и работает как сенсор электрического потенциала мембраны. При изменении потенциала такой сенсор меняет состояние канала с открытого на закрытое или наоборот. Таким образом, ИК могут управляться определёнными воздействиями извне.
У мышечных клеток потенциал действия генерируется с участием не только ионов натрия и калия, но и других заряженных частиц, особенно ионов кальция и хлора. Поломки трансмембранных каналов, по которым диффундируют эти ионы, могут вызвать целый ряд патологий. Среди них и врожденная миотония, которую описал немецкий врач Август Томсен в 1876 г., страдавший ею с раннего детства. При этом заболевании выявляются нарушения обмена калия и кальция; мышцы конечностей, туловища и лица долго пребывают в сокращенном состоянии и чрезвычайно медленно расслабляются. От этого возникают судороги, интенсивность которых зависит от степени стресса. В конце прошлого века было доказано, что эти патологии возникают из-за дефицита нормально функционирующих каналов хлора.
В мембране существуют и неионные каналы. Например, аквапорины — это специальные каналы, пропускающие через себя воду.
Активный транспорт — перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану (трансмембранный) или через слой клеток (трансцеллюлярный). Активный транспорт осуществляется против градиента концентрации из области низкой концентрации в область высокой, затрачивая при этом свободную энергию организма. В большинстве случаев, но не всегда, ее источником служит энергия макроэргических связей АТФ. Примером активного транспорта может быть работа калий-натриевого насоса (рис. 4.10).
Концентрация ионов К+ внутри клетки в 10–20 раз выше, чем снаружи, а концентрация ионов Na+, наоборот, ниже. Для поддержания этой концентрации происходит перенос трех ионов Na+ из клетки на каждые два иона К+ в клетку. В этом процессе принимает участие интегральный мембранный белок, выполняющий функцию фермента, расщепляющего АТФ с высвобождением энергии, необходимой для работы калий-натриевого насоса.
Участие специфических мембранных белков в пассивном и активном транспортах свидетельствует о высокой специфичности этого процесса.
Рис. 4.10. Схематическое изображение работы калий-натриевого насоса:
1 – участок связывания ионов натрия Na+; 2 – участок связывания ионов калия К+; 3 – мембрана
Транспорт макромолекул и более крупных частиц происходит за счет эндоцитоза и экзоцитоза (рис. 4.11). Эндоцитоз связан с поглощением веществ клеткой, а экзоцитоз – с удалением веществ из клетки.
При эндоцитозе плазматическая мембрана образует впячивания или выросты, которые затем отделяются и превращаются во внутриклеточные пузырьки, содержащие захваченный клеткой материал. В слиянии мембран участвуют специальные белки. Продукты поглощения поступают в клетку в мембранной упаковке. Различают два вида эндоцитоза: фагоцитоз и пиноцитоз.
Рис. 4.11. Эндоцитоз (а) и экзоцитоз (б)
Фагоцитоз был открыт И.И. Мечниковым в 1882 г. Фагоцитоз (от греч. phagos – пожирающий, cytos – клетка) — это захват и поглощение клеткой крупных частиц (иногда целых клеток и их частей). Он играет важную роль в питании некоторых одноклеточных (например, амебы). Осуществляют фагоцитоз специальные клетки многоклеточного организма — фагоциты (макрофаги, нейтрофилы). Они выполняют защитные функции в организме (клеточный иммунитет). В ходе фагоцитоза образуются большие эндоцитозные пузырьки — фагосомы, которые сливаются с лизосомами и формируют фаголизосомы. Гидролитические ферменты лизосом переваривают, например, поглощенную бактерию.
Жидкость и растворенные в ней вещества поглощаются клеткой посредством пиноцитоза (рис. 4.12) (греч. pyno – пить и cytos – клетка). Активный пиноцитоз наблюдается в клетках с интенсивным обменом веществ (например, в клетках лимфатической системы). Путем пиноцитоза происходит всасывание жира клетками кишечного эпителия.
Рис. 4.12. Схема фагоцитоза (а) и пиноцитоза (б)
Плазматическая мембрана принимает участие в выведении веществ из клетки, это происходит в процессе экзоцитоза. Таким образом, из клетки выводятся гормоны, белки, жировые капли и другие вещества. Некоторые белки, секретируемые клеткой, упаковываются в транспортные пузырьки, непрерывно переносятся к плазматической мембране, сливаются с ней и открываются во внеклеточное пространство, высвобождая содержимое (конститутивный путь). Это характерно для всех эукариотических клеток.
В других клетках, главным образом секреторных, определенные белки запасаются в специальных пузырьках, которые сливаются с плазматической мембраной только после получения клеткой соответствующего сигнала извне (регулируемый путь) (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Два пути прохождения секретируемых белков:
ЭР – эндоплазматический ретикулум
Такие клетки способны к секреции веществ в зависимости от определенных потребностей организма, например, в гормонах или ферментах.
Плазматическая мембрана животных клеток может образовывать различные выросты, например микроворсинки.
Ядро. В 1833 г. английским ботаником Р. Броуном было открыто и описано ядро клетки. Ядро имеется во всех эукариотических клетках, за исключением зрелых эритроцитов и ситовидных трубок растений. Клетки, как правило, содержат одно ядро, но иногда встречаются многоядерные клетки (мышечные клетки). Форма ядра шаровидная или овальная. В некоторых клетках встречаются сегментированные ядра. Диаметр ядер бывает от 3 до 10 мкм.
Ядро необходимо для жизни клетки: регулирует ее активность. В ядре хранится наследственная информация, заключенная в молекуле ДНК. Хранение и реализация генетической информации происходят при участии ДНК и разных видов РНК. Эта информация, благодаря ядру, в процессе деления передается дочерним клеткам.
Существует три способа деления эукариотических клеток: амитоз (прямое деление), митоз (непрямое деление) и мейоз (редукционное деление).
Амитоз — относительно редкий способ деления клетки. При амитозе ядро делится путем перетяжки, равномерное распределение наследственного материала не обеспечивается. Нередко ядро делится без последующего разделения цитоплазмы и образуются двухъядерные клетки. Клетка, претерпевшая амитоз, в дальнейшем не способна вступать в нормальный митотический цикл. Поэтому амитоз встречается, как правило, в клетках и тканях, обреченных на гибель.
Митоз, или непрямое деление — основной способ деления эукариотических клеток. Митоз – это деление ядра, которое приводит к образованию двух дочерних ядер, в каждом из которых имеется точно такой же набор хромосом, что и был в родительском ядре. Имеющиеся в клетке хромосомы удваиваются, выстраиваются в клетке, образуя митотическую пластинку, к ним прикреплены нити веретена деления, которые растягиваются к полюсам клетки и клетка делится, образуя две копии исходного набора.
При образовании половых клеток – сперматозоидов и яйцеклеток – происходит деление клетки, называемое мейозом. Исходная клетка имеет диплоидный набор хромосом, которые затем удваиваются. Однако, если при митозе в каждой хромосоме хроматиды просто расходятся, то при мейозе хромосома (состоящая из двух хроматид) тесно переплетается своими частями с другой, гомологичной ей хромосомой (также состоящей из двух хроматид), и происходит обмен гомологичными участками хромосом. Затем уже новые хромосомы с перемешанными «мамиными» и «папиными» генами расходятся и образуются клетки с диплоидным набором хромосом, но состав этих хромосом уже отличается от исходного, в них произошла рекомбинация. Завершается первое деление мейоза, и второе деление мейоза происходит без синтеза ДНК, поэтому при этом делении количество ДНК уменьшается вдвое. Из исходных клеток с диплоидным набором хромосом возникают гаметы с гаплоидным набором. Из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидных клетки. Фазы деления клетки, которые следуют за интерфазой (период между двумя клеточными делениям), называются профаза, метафаза, анафаза, телофаза и после деления – опять интерфаза.
Ядро состоит из хроматина (хромосом), ядрышка и нуклеоплазмы, окружённых ядерной оболочкой (рис. 4.14).
Рис. 4.14. Гипотетическая схема строения интерфазного ядра:
Н – нуклеолемма; ЯК – ядрышко; ОХ – околоядрышковый хроматин; СЯ – ядерный сок; ДНП – дезоксирибонуклеопротеид
Термин «хромосома» был предложен немецким гистологом Г. Вальдейером в 1888 г. Термином «хроматин» обозначают комплекс ядерной ДНК с белками (гистоны, негистоновые белки). В неделящемся ядре (интерфазном) (рис. 4.15) хроматин может равномерно заполнять весь объем ядра, находясь в деконденсированном состоянии. Этот диффузный хроматин (эухроматин) генетически активен. Иногда в интерфазном ядре видны глыбки хроматина, представляющие собой участки конденсированного хроматина (гетерохроматина) – это неактивные участки. Во время деления ядра хроматин окрашивается интенсивнее, происходит его конденсация – образование более спирализованных цепей, называемых хромосомами.
Рис. 4.15. Схема строения метафазных хромосом
Хромосомы синтетически неактивны. Строение хромосом лучше всего изучать в момент их наибольшей конденсации, т. е. в метафазе митоза и начале анафазы митоза.
Митоз — это деление соматических клеток (клеток тела). Биологическое значение митоза – размножение соматических клеток, получение клеток-копий (с тем же самым набором хромосом, с точно такой же наследственной информацией). Все соматические клетки организма получаются из одной исходной клетки (зиготы) путем митоза. Продолжительность митоза в тканях животного происхождения длится до 60 мин, в растительных тканях – до 3-х ч. Митоз и его фазы, основываясь на морфологических свойствах, условно принято разделять на 5 периодов, позволяющих досконально установить, что такое митоз.
1. Профаза — стадия миотического деления, характеризующая спирали хромосом из двух подобных хроматид с последующим образованием аппарата митоза.
2. Прометафаза — период стремительного распада оболочки ядра на мелкие части, идентичные эндоплазматической сети.
3. Метафаза — продолжительная стадия миотического деления клетки, состоящая из двух периодов: метакинеза (сосредоточения хромосом в области веретена деления в виде экваториальной пластинки) и разделения хромосом на хроматиды.
4. Анафаза — это быстрая фаза деления, во время которой хроматиды разделяются и распределяются по противоположным полюсам. Длится всего несколько минут.
5. Телофаза — заключительная стадия митоза, когда прекращается движение хромосом, разрушается миотический аппарат, образовываются дочерние ядрышки и ядерная оболочка, происходит разделение тела клетки на две независимые единицы.
Каждая хромосома в метафазе митоза (см. рис. 4.15) состоит из двух хроматид, образующихся в результате редупликации ДНК и соединенных центромерой (первичной перетяжкой). В центральной части центромеры находятся кинетохоры.
Кинетохоры — это сложные комплексы, состоящие из многих белков и представляющие собой трехслойные структуры: внутренний плотный слой, примыкающий к телу хромосомы; средний рыхлый и внешний плотный слои. От внешнего слоя отходят множество фибрилл, образуя так называемую фиброзную корону кинетохора. Функциональная роль кинетохоров заключается в связывании между собой сестринских хроматид, в закреплении митотических микротрубочек, в регуляции разъединения хромосом и в собственно движении хромосом во время митоза при участии микротрубочек (рис. 4.16).
Рис. 4.16. Схема строения кинетохоры в центромерном районе хромосом:
1 – кинетохор; 2 – пучок кинетохорных микротрубочек; 3 – хроматида
В анафазе хроматиды отделены друг от друга, из них образуются дочерние хромосомы, содержащие одинаковую генетическую информацию. Центромеры делят хромосому на два плеча. Хромосомы с равными плечами называют равноплечими, или метацентрическими, с плечами неодинаковой длины – неравноплечими или субметацентрическими, а с одним коротким и вторым почти незаметным плечом – акроцентрическими; хромосомы с центромерой, расположенной в районе теломер, называются телоцентрическими. Данную классификацию хромосом на основе соотношения длин плеч предложил в 1912 г. российский ботаник и цитолог С. Г. Навашин (рис. 4.17, 4.18).
а б
Рис. 4.17. Схема строения метафазной хромосомы (а), типы хромосом (б):
1 – плечо; 2 – первичная перетяжка (центромера); 3 – вторичная перетяжка; 4 – спутник; 5 – две хроматиды; 6, 7, 8 – палочковидная, неравноплечая и равноплечная хромосомы соответственно
Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. От первичной перетяжки они отличаются отсутствием заметного угла между сегментами хромосомы. Вторичные перетяжки бывают короткими и длинными и локализуются в разных точках по длине хромосомы. Вторичные перетяжки называют ядрышковыми организаторами. В них в интерфазе происходит образование ядрышка. В ядрышковых организаторах находится ДНК, отвечающая за синтез рРНК. Плечи хромосом оканчиваются участками, называемыми теломерами. Теломерная ДНК, несмотря на то, что в ней отсутствуют гены, играет важную роль в пролиферации клеток (увеличении их числа путем митоза). Теломер предотвращает деградацию и слияние хромосом в митозе (рис. 4.19). Число, размер и форма хромосом в наборе у разных видов организмов могут варьироваться.
Р
ис.
4.18.
Строение хромосомы:
а – хромосома в световом микроскопе и б – ее схематическое изображение; в – хромосома при дифференциальной окраске и г – ее схематическое изображение; д – хромосома в сканирующем электронном микроскопе; е – хромосома в трансмиссионном мегавольтном электронном микроскопе; 1 – теломеры; 2 – центромера; 3 – плечи хромосомы
объединить 4.18 и 4.19 в один рисунок
Рис. 4.19. Схема строения хромосомы
Хромосомы стволовых клеток имеют теломеры, состоящие из наибольшего числа ДНК-повторов. В процессе дифференцировки клеток теломерная ДНК укорачивается. Этот процесс продолжается при каждом клеточном делении. Укорочение хромосом генетически запрограммировано и заканчивается естественной гибелью клетки (апоптозом).
Совокупность признаков хромосомного набора называют кариотипом (рис. 4.20).
Рис. 4.20. Схематичное изображение хромосомного набора человека (мужской криотип)
В зависимости от морфологии и размеров пары хромосом человека делятся на 7 групп, обозначаемыми латинскими буквами от А до G (пары хромосом от морфологически более крупных в сторону уменьшения размеров, нумеруются арабскими цифрами).
Группа А (1–3-я) — самые большие хромосомы: 1- и 3-я — метацентрические, 2-я — субметацентрическая.
Группа В (4- и 5-я) — крупные субметацентрические хромосомы.
Группа С (6–12-я и Х-хромосома) — субметацентрические хромосомы среднего размера.
Группа D (13–15-я) — акроцентрические хромосомы средних размеров.
Группа Е (16–18-я) — маленькие субметацентрические хромосомы.
Группа F (19 и 20-я) — самые маленькие метацентрические хромосомы.
Группа G (21, 22-я и Y-хромосома) — самые маленькие акроцентрические хромосомы.
Хромосомный набор типичен и постоянен для особей каждого вида (константа вида). У человека 46 хромосом, у мыши – 40 и т. д. (рис. 4.21). В соматических клетках они парные, называются гомологичными. Одна хромосома в паре происходит от материнского организма, другая – от отцовского. Гомологичные хромосомы сходны по форме и строению.
Рис. 4.21. Примеры хромосомы разных видов животных (Мюнцинг, 1963):
а – речной рак (2n = 196); б – комар Culex (2n = 6); в – щука (2n = 18); г – курица; д – кошка (2n = 38); е – лошадь (2n = 66); ж – бык (2n = 60); з – саламандра (2n = 34); и – овца (2n = 54)
Хромосомы из разных пар называют негомологичными. Негомологичные хромосомы всегда имеют различия, поэтому существует правило индивидуальности хромосом: каждая пара гомологичных хромосом характеризуется своими особенностями, индивидуальна. Изменения в структуре хромосом или в их числе возникает в результате мутаций.
В кариотипе различают половые хромосомы (у человека это Х- и У-хромосомы) и аутосомы (все остальные). Половые клетки имеют гаплоидный набор хромосом. Кариотип и хромосомные аномалии, лежащие в основе наследственных болезней, изучает цитогенетика.
Гаплоидный набор хромосом, гаплоидное число (haploid number) — одиночный набор хромосом (половина полного набора хромосом), присутствующий в гаметах (яйцеклетке и сперматозоидах) данного вида.
Ядрышко — неокруженные мембраной хромосомные участки в ядре интерфазных клеток (рис. 4.22). В них происходит синтез рРНК и образование субъединиц рибосом.
Рис. 4.22. Электронные микрофотографии:
а – ядро клетки печени, б – ядерная оболочка и периферический хроматин интерфазного ядра клетки печени. Увеличение соответственно в 7000 и 20000 раз; в – ультраструктура ядра растительной клетки (меристема корешка лука); г – ультраструктура ядрышка. Увеличение в 10000 и 17000 раз соответственно
В ядрышке различают: фибриллярный центр, включающий в себя слабоокрашенный компонент, содержащий транскрипционно неактивную ДНК хромосом; плотный фибриллярный компонент, состоящий из транскрипционно активных участков ДНК, от которых отходят различной длины предшественники рРНК; гранулярный компонент, содержащий созревающие рибосомные субъединицы. Упаковываются рРНК в рибонуклеопротеидные комплексы, которые в дальнейшем становятся двумя главными субъединицами рибосом. Образование рРНК происходит в ядрышковых организаторах; они содержат кодирующие рРНК гены, расположенные друг за другом.
Ядерная оболочка отделяет цитоплазму от ядерного содержимого, поддерживает условия, необходимые для выполнения ядром функций (обеспечение доступа к генетическому материалу – ДНК-сигналам, меняющим функциональное состояние генов, реализация двусторонних ядерно-цитоплазматических обменов и взаимодействий). Ядерная оболочка состоит из двух мембран. Также в оболочке имеются поры (рис. 4.23, 4.24); их число меняется в зависимости от функциональной активности ядра. Ядерная оболочка связана непосредственно с эндоплазматической сетью. К внутренней мембране прилежит компактизированный хроматин. Между мембраной и хроматином располагается ядерная ламина (плотная пластинка), образованная промежуточными микрофиламентами и выполняющая опорную функцию. На наружной мембране ядерной оболочки с внешней стороны находятся рибосомы, синтезирующие специфические белки.
Рис. 4.24. Микрофотография поверхности клеточного ядра (метод замораживания–скалывания), полученная с помощью электронного микроскопа:
углубления на поверхности – участки комплексов ядерных пор
Рис. 4.25. Схематическое изображение участка периферии ядра:
1 – внешняя мембрана ядерной оболочки; 2 – перинуклеарное пространство; 3 – внутренняя мембрана ядерной оболочки; 4 – ламины; 5 – хроматин; 6 – ядерные поры; 7 – мембраны цитоплазмы
Ядерные поры служат для диффузии воды, ионов и транспорта множества макромолекул, в том числе разных РНК, гормонов, транскрипционных факторов, ДНК и РНК полимераз между ядром и цитоплазмой. Диаметр ядерной поры 80–150 нм, она содержит канал поры и комплекс ядерной поры. Перенос макромолекул через ядерные поры осуществляют специальные транспортные белки — кариоферины, которые специфически распознают и связывают свои молекулы и курсируют между ядром и цитоплазмой, перенося связанную молекулу в одном направлении: из цитоплазмы в ядро (импортины) или из ядра в цитоплазму (экспортины). Канал поры диаметром 9 нм беспрепятственно пропускает небольшие водорастворимые молекулы.
Комплекс ядерной поры образован 8-ю большими белковыми гранулами, сформированными из 100 разных белков (рис. 4.25). Белки-рецепторы содержат специальные последовательности из 4–8 основных аминокислотных остатков и реагируют на сигналы ядерного импорта (своего рода входной билет в ядро). Рецептор ядерной поры может менять диаметр канала поры и обеспечивать перенос в ядро больших макромолекул (например, ДНК и РНК полимеразы с молекулярной массой Mr = 100–200 кДа).
Рис. 4.25. Расположение пор в оболочке ядра
Ядерный сок (кариоплазма) — это внутреннее содержимое ядра, представляющее собой раствор белков, нуклеотидов, ионов; он более вязкий, чем гиалоплазма. Также в нем присутствуют фибриллярные белки. В кариоплазме находятся ядрышки и хроматин. Ядерный сок обеспечивает нормальное функционирование генетического материала.
Органеллы. К органеллам относят свободные рибосомы, гранулярную эндоплазматическую сеть (шероховатый эндоплазматический ретикулум), агранулярную эндоплазматическую сеть (гладкий эндоплазматический ретикулум) (рис. 4.26), митохондрии, комплекс Гольджи, центриоли, лизосомы, пероксисомы и др.
Органеллы можно разделить на две группы: мембранные (имеют одну или две мембраны – одно-, двумембранные) и немембранные.
Р
ис.
4.26.
Различия в строении гладкой и шероховатой
эндоплазматической сети:
а – микрофотография гладкой и шероховатой ЭПС и их схематическое изображение (б)
Одномембранные органеллы. Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум – это система цистерн и каналов, «стенка» которых образована одной мембраной. Она пронизывает цитоплазму в разных направлениях и делит ее на изолированные отсеки (компартменты) (рис. 4.27). Благодаря этому в клетке осуществляются специфические биохимические реакции. Эндоплазматическая сеть выполняет также синтетическую и транспортную функции.
Различают два типа эндоплазматических сетей: гранулярную, или шероховатую (зернистую) и агранулярную (гладкую). Если на наружной поверхности эндоплазматической мембраны есть рибосомы, ее называют гранулярной, если их нет – агранулярной. На рибосомах ЭПС осуществляется синтез белков.
Рис. 4.27. Внешний вид эндоплазматической сети
Синтезированные на гранулярной эндоплазматической сети белки проходят через мембрану в цистерны аппарата Гольджи, где приобретают третичную структуру (рис. 4.28). На агранулярной ЭПС происходит синтез липидов и стероидов, накопление кальция, здесь находятся детоксифицирующие ферменты. Эндоплазматическая сеть – основное место биосинтеза и построения мембран цитоплазмы. Отделяющиеся от ЭПС пузырьки представляют исходный материал для других одномембранных органелл: комплекса Гольджи, лизосом, вакуолей.
|
|
а б
Рис. 4.28. Электронные микрофотографии гранулярной ЭПС (а) и комплекса Гольджи (б)
Комплекс Гольджи. Обычно он расположен около клеточного ядра – на периферии клетки (рис. 4.29). Основным элементом органеллы является мембрана, образующая уплощенные цистерны – диски, расположенные друг над другом. Края цистерн переходят в трубочки, от которых отделяются пузырьки, транспортирующие заключенное в них вещество к месту его потребления. Проходящие через комплекс Гольджи молекулы подвергаются биохимической обработке, сортируются в зависимости от места назначения (к органеллам, плазматической мембране, лизосомам, секреторным гранулам) путем присоединения специальных сигнальных меток. Например, происходит добавление сигнальной метки маннозо-6-фосфат (М-6-Ф) к ферментам, предназначенных для лизосом.
Синтезированные на рибосомах ЭПС пептиды, по мере движения по цистернам аппарата Гольджи, «созревают» в функциональные белки – фосфорилируются, ацетилируются и др. В результате таких химических превращений изменяется пространственная структура белка, его активность и способность связываться с другими молекулами. Здесь происходит синтез сложных углеводов (полисахаридов). Поэтому эту органеллу называют углеводной фабрикой клетки.
Рис. 4.29. Схема строения и расположения комплекса Гольджи
Углеводных комплексы присоединяются к белкам и липидам с образованием гликолипидов и гликопротеинов (гликозилирование). Примером может служить образование воска, растительного клея, а также муцина, входящего в состав части слизи.
Таким образом, комплекс Гольджи – основная органелла клетки, где осуществляется биохимическая модификация веществ, которые затем с помощью транспортных пузырьков выводятся за пределы клетки, транспортируются в плазмолемму или попадают в лизосомы. (рис. 4.30).
Рис. 4.30. Схематическое изображение связи полости эндоплазматического ретикулума (ЭР) с другими внутриклеточными компанентами, с которыми ЭР контактирует
Вакуоли содержатся в цитоплазме клеток растений. Центральные вакуоли отделены от цитоплазмы одинарной мембраной, называемой тонопластом. Центральные вакуоли образуются из мелких пузырьков, отщепляющихся от эндоплазматической сети. Полость вакуоли заполнена клеточным соком, представляющим собой водный раствор, в котором присутствуют различные неорганические соли, сахара, органические кислоты и другие вещества.
Центральная вакуоль выполняет функцию поддержания тургорного давления в клетке. В вакуолях запасается вода, необходимая для фотосинтеза, питательные вещества (белки, сахара и т. д.) и продукты обмена веществ, предназначенные для выведения из клетки. В вакуолях откладываются пигменты, например антоцианы, определяющие окраску плодов и цветов.
Лизосомы (от греч. lysis – растворение, soma – тело) – пузырьки, заполненные гидролитическими ферментами (протеазами, нуклеазами, липазами и др.) (рис. 4.31).
Рис. 4.31. Изображение внешнего вида лизосомы
Лизосомы в клетках – это не самостоятельные структуры, они образуются за счет активности эндоплазматической сети и комплекса Гольджи. Основная функция лизосом – внутриклеточное расщепление, переваривание веществ, поступивших в клетку или находящихся в ней, и удаление из клетки (рис. 4.32). Выделяют первичные и вторичные лизосомы.
Пузырьки с набором ферментов, отделившихся от цистерн, называют первичными лизосомами.
Рис. 4.32. Схема образования лизосом и их участие в клеточных процессах:
1 – образование из гранулярной эндоплазматической сети мелких пузырьков, содержащих гидролитические ферменты; 2 – перенос ферментов в комплекс Гольджи; 3 – образование первичных лизосом; 4 – выброс и использование (5) гидролаз при внеклеточном расщеплении; 6 – эндоцитозные пузырьки (вакуоли); 7 – слияние первичных лизосом и (6); 8 – образование вторичных лизосом (фаголизосом); 9 – экскреция остаточных телец; 10 – телолизосомы; 11 – слияние первичных лизосом с разрушающимися структурами клетки; 12 – аутофагосома
Первичные лизосомы могут сливаться с фагоцитарными и пиноцитарными вакуолями, образуя вторичные лизосомы. Активность лизосом важна, например, при замене хряща костной тканью в процессе развития, при перестройке костной ткани после повреждения. Так, секретируя гидролитические ферменты, остеокласты (клетки-разрушители) обеспечивают разрушение минеральной основы и органического остова матрикса кости. Накапливающиеся «обломки» подвергаются внутриклеточному перевариванию. Также лизосомы могут выполнять защитную функцию, например в том случае, когда лейкоциты (фагоциты) захватывают и переваривают попавшие в организм бактерии.
Продукты переваривания поглощаются клеткой, но часть веществ может остаться непереваренной. Вторичные лизосомы, содержащие нерасщепленный материал, называют остаточными тельцами или телолизосомами. Остаточные тельца обычно через плазматическую мембрану выводятся наружу с помощью экзоцитоза. У человека при старении организма в остаточных тельцах клеток мозга, печени и мышечных волокнах накапливается «пигмент старения» – липофусцин.
Аутолизосомы (аутофагирующие вакуоли) присутствуют в клетках простейших, растений и животных. В этих лизосомах происходит разрушение отработанных органелл самой клетки (эндоплазматической сети, митохондрий, рибосом, гранул гликогена, включений и др.). Например, в клетках печени среднее время жизни одной митохондрии около 10 дней. Ферменты лизосом принимают участие в аутолизе погибших клеток. Некоторые лизосомные ферменты и их субстраты представлены в табл. 4.4. Известно более 50 генетических заболеваний, связанных с патологией лизосом. Болезни накопления характеризуются неспособностью ферментов лизосом (вследствие дефектов их синтеза или структуры) расщеплять метаболиты. Например, группа наследственных болезней – гликогенозы (болезнь Тэя–Сакса, болезнь Ниманна–Пика и т. п.). Данные заболевания обусловлены недостаточностью ферментов, участвующих в обмене гликогена, характеризуются недостаточным или избыточным накоплением его в различных органах и тканях. Наиболее интенсивное отложение гликогена имеет место в печени, скелетных мышцах или сердечной мышце. Для больного характерны отставание роста, «кукольное» лицо, увелечение размеров печени, селезенки, развитие сахарного диабета. Прогноз для жизни нередко неблагоприятный – смерть может наступить на первом году жизни.
Таблица 4.4