Некоторые лизосомные ферменты и их субстраты

Фермент	Субстрат
Рибонуклеаза	РНК
Дезоксирибонуклеаза	ДНК
Фосфатаза	Органические эфиры фосфорной кислоты
Гликозидазы	Сложные углеводы; гликозиды и полисахариды
Арилсульфатазы	Органические эфиры серной кислоты
Коллагеназа	Белки
Катепсины	Белки

Пероксисомы – это мельчайшие пузырьки, содержащие набор ферментов. Свое название органеллы получили от перекиси водорода, промежуточного продукта в цепи многих биохимических реакций, идущих в клетке. Ферменты пероксисомы, и прежде всего каталаза, нейтрализует токсичную перекись водорода (H₂O₂), вызывая ее распад с выделением воды и кислорода. Этот тип окислительных реакций особенно важен для клеток печени и почек, в которых происходит огромное число реакций детоксикации. Ферменты пероксисом в гепатоцитах обезвреживают поглощенный алкоголь, превращая его в уксусный альдегид. Продукты расщепления жирных кислот ферментами пероксисом используются в качестве строительного материала для других отделов клетки. Пероксисомы содержат приблизительно 50 ферментов, которые участвуют в различных обменных реакциях: в метаболизме липидов, холестерина и др.

Некоторые наследственные заболевания связаны с нарушением функции пероксисом. Например, при синдроме Цельвегера в пероксисоме отсутствует большое число важных ферментов (рис. 4.33). Заболевания связаны с мутацией генов для различных ферментов пероксисом, участвующих в окислении жирных кислот, и как следствие, аномального накопления липидов в центральной нервной системе (головном и спинном мозге) и надпочечниках. У пациентов развиваются слабоумие, недостаточность надпочечников.

Рис. 4.33. Томографическое изображение головного мозга у больного с синдромом Цельвегера. Стрелками указаны варианты аномального накопления липидов

Двумембранные органеллы. Двумя мембранами окружены особые органеллы эукариот — митохондрии и пластиды. Митохондрии осуществляют кислородный этап дыхания, играя роль «энергетических станций» клетки. Пластиды бывают трех типов: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. Хлоропласты содержат зеленый пигмент хлорофилл и осуществляют фотосинтез. Хромопласты содержат пигменты из группы каротиноидов, которые придают им окраску от красного до желтого; их наличие обеспечивает окраску плодов и других органов растений. Лейкопласты — бесцветные пластиды, накапливающие зерна крахмала.

Двумембранные органеллы относят к полуавтономным органеллам, подчеркивая большую степень их самостоятельности в клетке. Прежде всего, это означает, что двумембранные органеллы могут делиться. Новые митохондрии и пластиды образуются только путем деления существующих. У этих органелл имеется собственный геном — кольцевая молекула ДНК (напоминает ДНК бактерий), она содержит гены, кодирующие часть белков органеллы. Другая часть кодируется в ядре и поступает из цитоплазмы (поэтому митохондрии и пластиды не могут жить свободно, вне клетки). Также эти органеллы имеют свой собственный аппарат синтеза белка, т. е. рибосомы, которые более мелкие, чем в цитоплазме, а также похожи на рибосомы прокариот.

Митохондрии имеются во всех эукариотических клетках (рис. 4.34). Число, размеры и форма митохондрий в клетке различны и непостоянны. Они могут иметь вытянутую, округлую, спиральную, палочковидную формы. В клетках, нуждающихся в большом количестве энергии, митохондрий много. Например, в одной клетке печени их может быть около 1000.

а б

Рис. 4.34. Схема строения митохондрии (а) и микрофотография (б) митохондрии клетки поджелудочной железы:

1 – матрикс; 2 – кристы

Обычно митохондрии скапливаются вблизи тех участков цитоплазмы, где велика потребность в энергии АТФ. Например, в скелетных мышцах митохондрии находятся вблизи миофибрилл.

Каждая митохондрия окружена двумя мембранами. Наружная мембрана, отделяющая ее от гиалоплазмы, – гладкая. Между наружной и внутренней мембранами находится межмембранное пространство, где накапливаются ионы H⁺, выкачиваемые из матрикса, что создаёт протонный градиент концентрации по обе стороны внутренней мембраны, которая ограничивает матрикс митохондрий и образует многочисленные складки (кристы).

Чем больше крист присутствует в митохондрии, тем интенсивнее протекают окислительно-восстановительные реакции (рис. 4.35). Например, митохондрии клеток сердечной мышцы содержат втрое больше крист, чем митохондрии клеток печени.

Основная функция митохондрий связана с окислением органических соединений и использованием энергии, которая освобождается при их распаде, для синтеза молекул АТФ. В матриксе митохондрий находятся различные ферменты, кольцевая молекула ДНК, рибосомы 70S, РНК. На митохондриальных рибосомах синтезируются белки, специфические для органеллы. На внутренней мембране присутствуют белки, катализирующие окислительно-восстановительные реакции в дыхательной цепи, ферменты, участвующие в синтезе АТФ, и специфические транспортные белки. Наружная мембрана содержит ферменты, участвующие в синтезе митохондриальных липидов.

Рис. 4.35. Схематическое изображение клеточного дыхания в митохондриях

Митохондрии называют энергетическими станциями клетки, так как в них происходит окисление органических веществ, благодаря чему освобождается заключенная в веществах энергия, необходимая для осуществления всех жизненных процессов в клетке, в том числе и процессов восстановления (например, синтеза АТФ и АДФ (аденозиндифосфорной кислоты). В результате энергия, которая выделилась при разложении веществ, вновь переходит в связанную форму в молекуле АТФ, последняя транспортируется ко всем участкам клетки, где необходима энергия. Нужная энергия заключена в молекуле АТФ в виде макроэргических связей и выделяется при превращении АТФ в АДФ. Далее АДФ снова поступает в митохондрии, где в ходе восстановительных реакций переходит в АТФ, связав энергию, освобожденную при окислении веществ. Окислительно-восстановительные реакции в митохондриях протекают ступенчато при участии окислительных ферментов. Данные процессы обусловлены переходом энергии химических связей, заключенной в веществах, в макроэргическую связь в молекуле АТФ, которая синтезируется при использовании освобождающейся энергии из АДФ и фосфата.

Митохондрии делятся путем фрагментации, или поперечного деления, на более короткие (рис. 4.36).

Рис. 4.36. Схема деления митохондрий с помощью перегородок (а) или перетяжки (б)

Митохондрии в процессе эволюции произошли от свободно живущих прокариотических клеток. В связи с этим митохондрии имеют собственный геном (кольцевая ДНК), мРНК, тРНК, рРНК, но большинство белков митохондрий кодирует ядерная ДНК. Органелла функционирует в среднем 10 сут.

Митохондрии играют важную роль в генетически программированной гибели клеток — апоптозе, выделяя в цитозоль-фактор (белок – Цитохром С), повышающий вероятность гибели клетки. Этот фактор переносит электроны между белковыми комплексами во внутренней мембране митохондрий и, выделяясь из митохондрий, цитохром C включается в состав апоптосом, активирующих ферменты( каспазы), осуществляющие деградацию клеточных белков.

Митохондрия, как никакая другая органелла, вовлечена в великое множество различных болезней и синдромов. Митохондриальные заболевания могут проявляются поражением скелетных мышц, других органов и тканей – мозга, сердца, печени, почек. Митохондриальные энцефаломиопатии – заболевания, связанные с нарушением структуры митохондрий мышц, с различными молекулярными дефектами в виде нарушений транспорта субстратов из цитоплазмы в митохондрии, утилизации субстратов, структуры ферментов цикла Кребса. Особенно чувствительны к дефектам митохондрий нервные и мышечные клетки, так как синтезированная в митохондриях АТФ – основной источник энергии для сокращения, прежде всего мышечных, и возбуждения нервных клеток. Например, при синдроме Лея (некротизирующая энцефалопатия) у больных развиваются очаги некроза в стволе мозга, мозжечке, мышечная слабость, кардиомиопатия, пигментный ретинит. Одна из причин митохондриальных заболеваний – мутации в митохондриальном геноме.

Пластиды (как было указано ранее) – это органеллы, присутствующие в растительных клетках; бывают трех видов: хлоропласты, хромопласты и лейкопласты.

Хлоропласты ограничены двумя мембранами – внешней и внутренней. Между мембранами есть межмембранное пространство. В хлоропластах содержится зеленый пигмент – хлорофилл (рис. 4.37), находящийся в системе мембран, которые погружены во внутреннее содержимое пластид – строму или матрикс.

Рис. 4.37. Хлоропласты с хлорофиллами

В строме хлоропластов находятся плоские мембранные структуры, называемые ламеллами. Последние лежат параллельно друг другу и связаны между собой. Две соседние мембраны, соединяясь концами, формируют замкнутые плоские мембранные структуры в форме диска – тилакоиды, содержащие внутри жидкость. Уложенные в стопки тилакоиды образуют граны. Отдельные граны хлоропласта связаны между собой ламеллами стромы.

В мембранных структурах хлоропластов присутствуют пигменты: зеленые (хлорофиллы А и В), желто-оранжевые (ксантофилл и каротин) и другие. В строме хлоропластов находятся кольцевые молекулы ДНК, рибосомы, РНК, различные ферменты. Пластиды, как и митохондрии, способны к синтезу собственных белков. В хлоропластах происходит фотосинтез, в результате которого связывается углекислый газ, выделяется кислород и образуются органические вещества.

Хромопласты – это окрашенные пластиды, но в фотосинтезе не участвуют. Окраска пластид обусловлена присутствием красных, желтых и оранжевых пигментов. Присутствие хромопластов в лепестках цветов и плодах обуславливает яркость их окраски и способствует привлечению насекомых – опылителей цветов, а также животных – разносчиков плодов (рис. 4.38).

Рис. 4.38. Схема строения хлоропласта (а), лейкопласта (б), амилопласта (в), хромопласта (г):

1 – внешняя мембрана; 2 – внутренняя мембрана; 3 – матрикс (строма); 4 – грана; 5 – ламеллы стромы; 6 – тилакоид; 7 – крахмальное зерно; 8 – липидная капля с пигментами

Лейкопласты бесцветны. Они не содержат пигментов, но приспособлены для хранения запасов питательных веществ (например, крахмала), отличаются от хлоропластов тем, что содержат мало ламелл (рис. 4.39), но под влиянием света способны образовывать тилакоидные структуры и приобретать зеленую окраску. Например, картофель может позеленеть, если его хранить на свету.

Рис. 4.39. Строение граны:

а – общий вид; б – схема разреза; 1 – тилакоид; 2 – ламелла стромы; 3 – участок спаренных мембран

Немембранные органеллы. К такому виду органелл относятся рибосомы, протеосомы, клеточный центр, характерный для животных клеток, микротрубочки, промежуточные филаменты и актиновые филаменты.

Рибосомы состоят из большой и малой субъединиц, содержащих различные типы рРНК и белки. Рибосомальная РНК синтезируется в ядрышке. Функция рибосом — сборка полипептидов (рис. 4.40).

Рис. 4.40. Строение рибосом

Синтезированные полипептиды после выхода с рибосом должны укладываться в стабильные трехмерные структуры и оставаться такими на протяжении всей функциональной жизни клетки. Поддержание контроля качества структуры белка осуществляется шаперонами, специальными белками, катализирующими укладку полипептидов.

Рибосомы очень малы и многочисленны, они могут свободно находиться в цитоплазме или быть связанными с эндоплазматической сетью (шероховатая эндоплазматическая сеть), наружной ядерной оболочкой. В митохондриях, пластидах и клетках прокариот также присутствуют рибосомы. Ассоциаты рибосом формируют полирибосомы.

Митохондриальные рибосомы (70S) кодируются митохондриальной ДНК, которая содержит последовательности и для митохондриальных мРНК и для тРНК. Большинство ферментов, участвующих в трансляции митохондриальной мРНК, кодируется ядерной ДНК.

Цитоплазматические рибосомы — небольшие частицы размером 12–25 нм (80S), состоят из синтезируемой в ядрышке рРНК и белков.

Полирибосома (полисома) — комплекс нескольких рибосом, расположенных на одной молекуле мРНК (рис. 4.41).

Рис. 4.41. Полисомы

Полирибосомы, как и отдельные рибосомы, находятся в цитоплазме в свободном состоянии или прикреплены к мембранам эндоплазматической сети. Свободные полирибосомы синтезируют белки и ферменты для самой клетки, а полирибосомы гранулярной эндоплазматической сети предназначены для хранения или выведения из клетки (синтез на экспорт).

Во внутриклеточном расщеплении веществ принимают участие не только лизосомы, пероксисомы, но и протеосомы. Разрушение 80–90 % внутриклеточных белков происходит при участии протеосом. Протеосомы находятся в ядре, цитоплазме клеток.

Протеосо́ма (от англ. protease – протеиназа и лат. soma – тело) — крупный белковый комплекс в виде цилиндра, состоящий из ферментов протеаз (рис. 4.42).

а

б

Рис. 4.42. Схема строения (а) и диаграмма (б) протеосомы (вид сверху)

Протеосомы принимают активное участие в расщеплении до аминокислот ненужных или поврежденных белков цитоплазмы, нуклеоплазмы. В частности, в протеосомах разрушаются короткоживущие ферменты, реплицирующие ДНК (нужны только на период S-фазы клеточного цикла), гемоглобин, структурные белки и проч. По своей структуре, протеосо́ма состоит из 28 субъединиц, организованных в четыре 7-членных кольца, уложенных друг на друга в виде стопки. Через центральный канал образуемого цилиндрического комплекса "протягивается" молекула гидролизуемого белка.

Для того чтобы белок расщепился протеосомой, он должен быть помечен пятью молекулами белка-убиквитина. Реакция присоединения убиквитина к белкам катализируется ферментами убиквитин-лигазами. Убиквитин действует как сигнал для разрушения белков протеосомой. В целом вся эта система получила название убиквитин-зависимой деградации белка, за ее открытие в 2004 г. Аарон Чехановер, Аврам Гершко и Ирвин Роуз были удостоены Нобелевской премии по химии.

Неспособность удалять «изношенные» белки может приводить к развитию хронических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера – нейродегенеративное заболевание, при котором происходит потеря памяти, связано с накоплением в тканях мозга убиквитинированных белков-амилоидов, устойчивых к протеолизу (рис. 4.43).

Подобные, помеченные убиквитином, белки, устойчивые к протеолизу, образуют тельца включений, обнаруживаемые при миозитах и миопатиях, заболеваниях характеризующихся воспалительным поражением, дистрофией скелетной мускулатуры.

Клеточный центр располагается около ядра и состоит из парных центриолей и центросферы (рис.4.44).

Р ис. 4.43. Сравнение нейронов здорового человека и с болезнью Альцгеймера

Рис. 4.44. Клеточный центр в сперматогонии саламандры (по: Heidenhain, 1907):

1 – центриоль; 2 – прилегающий к центриоли участок цитоплазмы (перицентриолярный участок); 3 – центросфера (астросфера); 4 – ядро

Центриоли характерны для животных клеток. Они отсутствуют у высших растений, низших грибов и некоторых простейших. Центриоли окружены зоной более светлой цитоплазмы, от которой радиально отходят тонкие фибриллы – центросферы (рис. 4.45).

Рис. 4.45. Микрофотография центриоли в клетке культуры ткани почка эмбриона свиньи) в метафазе:

М — материнская центриоль; Д — дочерняя центриоль; МТ — микротрубочки веретена; ТЦ — триплеты центриоли; С — связки между триплетами

В интерфазных клетках присутствуют две центриоли, расположенные под прямым углом друг к другу.

Перед делением ядра в синтетическом периоде центриоли удваиваются. В начале митоза к полюсам клетки направляются по две центриоли, принимающие участие в формировании веретена деления, состоящего из микротрубочек.

Основу центриолей составляют девять триплетов микротрубочек (9+0), расположенных по окружности и образующих полый цилиндр (рис. 4.46).

Рис. 4.46. Схема поперечного среза центриоли:

а – трехмерная модель; б, в, г – поперечные срезы проксимального конца (–), средней части и дистального конца (+) соответственно

Триплеты микротрубочек по кольцу объединены фибриллами. Радиальные фибриллы от каждого триплета отходят к центру, где они соединяются друг с другом. Центриоли участвуют в организации цитоплазматических микротрубочек.

Микротрубочки – это полые белковые цилиндры диаметром 25 нм, стенки которых образованы белком α- и β-тубулином (рис. 4.47). Глобулярные субъединицы этого белка располагаются по спирали. Микротрубочки встречаются в свободном состоянии в цитоплазме клеток или как структурные элементы жгутиков (сперматозоид), ресничек (мерцательный эпителий трахеи), митотического веретена и центриолей. Микротрубочки определяют направление перемещения внутриклеточных компонентов, в том числе расхождение хромосом к полюсам клетки при делении ядра; они участвуют в образовании цитоскелета, в формировании аксонов и дендритов и их функционировании.

Рис. 4.47. Схема строения микротрубочки

Расположенные параллельно 13 протофиламентов, состоят из отдельных субъединиц – димеров α- и β-тубулина. Расположенные параллельно 13 тубулиновых протофиламентов, формируют полый цилиндр диаметром 25 нм (см. рис. 4.47).

Ряд агентов (цитостатики, колхицин) нарушают сборку или распад микротрубочек, что блокирует митоз и внутриклеточный транспорт; это свойство цитостатиков широко используют в клинике (преимущественно в онкологии) при химиотерапии некоторых опухолей для остановки деления трансформированных клеток.

Актиновые филаменты (микрофиламенты) представляют собой тонкие нити диаметром 6 нм, состоящие из глобулярных молекул белка актина (рис. 4.48). Такие нити, как и микротрубочки, являются элементами цитоскелета, образуя кортикальный слой под плазматической мембраной, выполняют опорную функцию. Цитокинез (деление цитоплазмы) обеспечивает формирование кольца из актиновых филаментов вокруг средней части клетки, что приводит к делению цитоплазмы с образованием двух клеток. Микрофиламенты входят в состав микроворсинок эпителия почек, кишечника, определяя их устойчивость, принимают участие в мышечном сокращении, фогоцитозе, амебоидном движении. Двигательная функция осуществляется во взаимодействии с белком миозином.

Рис. 4.48. Схема строения филаментов:

а – актиновый микрофиламент; б – микротрубочка; в – промежуточный филамент

Промежуточные филаменты, входящие в состав цитоскелета, по диаметру занимают промежуточное положение между микротрубочками и актиновыми микрофиламентами (10 нм). Промежуточные филаменты образованы различными белками и являются важнейшими структурными белками кожи и ее производных – волос, ногтей (например, кератины). Промежуточные филаменты организуют многие клеточные события, включая взаимодействие между элементами цитоскелета и передачу сигналов, участвуют в формировании клеточных контактов, тканей. Например, заболевание Хатчинсона–Гилфорда связано с нарушением синтеза промежуточного филамента ламина А из-за мутации в гене LMNA. Для больного характерно ускоренное старение, большинство пациентов не доживают до 13 лет.

Нейрофиламенты необходимы для нормального функционирования нервных клеток, поддерживают устойчивость аксонов к механическому сжатию, принимают участие в образовании ядерной ламины, которая подстилает внутреннюю мембрану ядерной оболочки, выполняя каркасную функцию.

Буллезный эпидермолиз связан с мутациями в генах кератинов. У больных на коже образуются водянистые пузыри даже при незначительном раздражении.

Реснички и жгутики — органеллы специального назначения (рис. 4.49), представляют собой тонкие цилиндрические выросты цитоплазмы, покрытые плазматической мембраной. В основании находятся базальные тельца, выполняющие опорную функцию. На поперечном срезе реснички или жгутика видно, что по периметру располагаются 9 пар микротрубочек и одна пара в центре (9+2). Между соседними периферическими парами микротрубочек имеются перемычки. От каждой периферийной пары к центральной направлены радиальные нити (спицы).

д

Рис. 4.49. Схема строения реснички:

а — продольный срез; б — поперечный срез тела реснички; в, г — срезы базального тела; 1 — микротрубочки; 2 — плазматическая мембрана; 3 — дублеты микротрубочек (А и В); 4 — триплеты микротрубочек (А, В и С); д — подробная схема строения поперечного разреза реснички: 1–9 – дуплеты из микротрубочек

Ближе к основанию реснички и жгутика центральная пара микротрубочек обрывается и замещается полой осью. Периферические пары, проникая в цитоплазму, приобретают третью микротрубочку. В результате образуется структура, характерная для базального тельца (рис. 4.50). Жгутики отличаются от ресничек длиной. Эпителий, выстилающий дыхательные пути, содержит множество ресничек, которые перемещают слои слизи, задерживают частицы, направляют мертвые клетки к ротовой полости, где они удаляются при глотании. Пациенты с нарушениями в структуре ресничек (например, при синдроме Картагенера) предрасположены к инфекционным заболеваниями дыхательных путей, а лица мужского пола могут быть бесплодны из-за снижения подвижности сперматозоидов.

Рис. 4.50. Ресничка — тонкий вырост на поверхности клетки

К органеллам специального назначения относят также миофибриллы мышечных волокон, нейрофибриллы нервных клеток.

Кроме перечисленных выше обязательных компонентов клетки, следует особо отметить непостоянные компоненты, так называемые включения. Они выполняют различные функции в клетке, в том числе трофическую (запасают питательные вещества в виде капель жира, глыбок гликогена), секреторную (готовят различные биологически активные вещества к выведению из клетки) и пигментную (окрашивают некоторые ткани и органы (меланин кожи). В организме могут присутствовать некоторые пигменты (гемоглобин, липофусцин) и др. Включения синтезируются в клетке и используются в процессе обмена веществ.

Трофические включения образованы гликогеном и липидами. Включения из гликогена (рис. 4.51,а) чаще встречаются в печени и скелетной мышце.

а

б

Рис. 4.51. Микрофотографии клеток печени:

(а) – стрелками показаны включения гликогена в клетках печени

(красное окрашивание); (б) – стрелками (1) показаны жировые включения в клетках печени (черные шарики); 2 – ядра

Липидные (жировые) включения (рис. 4.51,б) рассматриваются как источник энергии в клетке. Длительность их пребывания в клетке варьирует от нескольких минут до нескольких часов.

Один из наиболее распространенных пигментов – меланин, его особенно много в клетках-продуцентах – меланоцитах; он также присутствует в клетках эпителия, соединительной ткани и даже в нейронах.

Другой пигмент – липофусцин, образуется в результате деградации компонентов клетки и является продуктом лизосомного переваривания, не подвергающегося полному расщеплению. Внутриклеточные включения липофусцина имеют желто-коричневый цвет. Недаром липофуцин называют также пигментом изнашивания, или старения; его легко найти в нервной системе, в тканях с высокой активностью макрофагов, в неделящихся клетках и мышечных волокнах. Особенно много липофусцина в волокнах скелетной мышцы. Количество пигмента с возрастом нарастает. Накопление липофусцина в жировых клетках придаёт жиру жёлтый цвет.

Внутриклеточный транспорт белков. Одна из важнейших задач клетки – доставка молекул к различным отделам внутри клетки и во внеклеточное пространство. Основные потоки внутри клетки – поток белков и пузырьков (везикул). Везикулярный транспорт обеспечивает доставку белков из шероховатой эндоплазматической сети через аппарат Гольджи к другим органеллам (лизосомам, пероксисомам) и на внешнюю мембрану или во внеклеточную среду; он связан с формированием транспортных пузырьков из мембраны одной органеллы, называемой донором и затем перемещением их к другой органелле, называемой акцептором. Все это приводит к слиянию донорской и акцепторной мембран и высвобождению содержимого пузырьков.

Большинство синтезированных на рибосомах белков (полипептидов), подлежащих транспорту с участием ЭПС, должны обладать специфической меткой. В основном такой меткой является часть аминокислотной последовательности самого белка (лидерный пептид, или сигнальная последовательность). Белок присоединяется к соответствующему рецептору мембраны эндоплазматической сети. В зоне прикрепления формируется пора, через которую пептид проникает в просвет канальца ЭПС. В каналах эндоплазматической сети белки претерпевают различные изменения, например, превращаются в гликопротеид путем присоединения олигосахарида (гликозилирование). Далее химически преобразованные полипептиды поступают в транспортные пузырьки, отшнурованные от гладкой эндоплазматической сети.

Пузырьки переносят полипептид в аппарат Гольджи и сливаются с ним. Белки перемещаются по цистернам с помощью вновь образованных пузырьков. В аппарате Гольджи также происходит химическая модификация поступающих в него белков, окончательное гликозилирование (присоединение остатков сахаров к органическим молекулам), фосфорилирование (присоединение остатка фосфорной кислоты) и сульфатирование (присоединение сульфогруппы) белков и др. Например, нарушения химического преобразования проинсулина в инсулин в аппарате Гольджи клеток поджелудочной железы приводит к развитию одной из форм сахарного диабета.

В результате химических реакций, происходящих в аппарате Гольджи, изменяются пространственная структура, активность белков, способность связываться с другими молекулами. Затем белки сортируются в зависимости от их назначения в клетке. Из аппарата Гольджи белки распределяются между первичными лизосомами, транспортными пузырьками с белками, предназначенными для цитоплазматической мембраны, и секреторными пузырьками. Секреторные пузырьки при слиянии с мембраной выделяют свое содержимое (пищеварительные ферменты, ацетилхолин и проч.) во внешнюю среду. Белки в полости пузырьков часто имеют адресную метку (определенная аминокислотная последовательность), благодаря которой и происходит сортировка. Известно, что гидролазы содержат маркер М-6-Ф, обеспечивающие их избирательное накопление в пузырьках, предназначенных для лизосом. Отсутствие у гидролаз соответствующего маркера приводит к сбою процесса сортировки – гидролазы не поступают в лизосомы. У человека развивается I-клеточная болезнь, связанная с нарушением расщепления мукополисахаридов. Клинически проявляется симптомами, свойственными мукополисахаридозам – задержкой умственного развития, неврологическими расстройствами.

Для обеспечения правильного направления каждый пузырек снабжен специальной рецепторной молекулой. Перемещение транспортных пузырьков к мембране осуществляется за счет микротрубочек цитоскелета и особых стыковочных белков (для слияния с мембраной).

Почти все белки, предназначенные для транспорта в митохондрии, синтезируются на свободных полисомах в цитоплазме. К таким белкам относятся, в первую очередь многочисленные ферменты для синтеза АТФ. По завершении синтеза белки отделяются от рибосом и связываются с белками шаперонами (рис. 4.52) (англ. «сhaperon» – пожилая дама, сопровождающая на балах молодую девушку).

Рис. 4.52. Изображение шаперона

В составе такого комплекса белки достигают органеллы и проникают в нее. В матриксе митохондрий комплекс «белок-шаперон» распадается, теряется сигнальная последовательность транспортируемого белка. При участии других шаперонов белки приобретают трехмерную структуру. Прохождению через мембраны помогает присутствие в митохондриальных белках сигнальных пептидов; за их счет белки связываются с рецепторами внешней мембраны органеллы с дальнейшим прохождением внутрь через пору.

От везикулярного транспорта зависят многие процессы, такие как проведение электрического импульса по нервным клеткам, внутриклеточный обмен веществ, секреция гормонов и др. Важным открытием медицины за последние два десятилетия стало понимание того, что нарушение любого из этих транспортных путей может привести к заболеваниям.

В ядро попадают определенные группы белков, например, гистоны, ферменты синтеза ДНК, РНК и др. Перенос белков с большой молекулярной массой осуществляется с участием переносчиков – импортинов. Связывание с белком-импортином происходит через сигнальный пептид транспортируемого белка. В ядро белки попадают через ядерные поры. При перемещении белка происходит гидролиз гуанозинтрифосфата (ГТФ) с высвобождением энергии.

Белковые молекулы с низкой молекулярной массой переносятся путем пассивной диффузии. Через ядерную пору может одновременно транспортироваться до 500 макромолекул в обоих направлениях (рис. 4.53).

Рис. 4.53. Схематичное изображение путей метаболизма белков:

пути, требущие специальных сигналов, изображены пунктиром, а выбираемые «по умолчанию» – непрерывной линией

В табл. 4.5 сведены основные клеточные органеллы и представлены их основные функции.

Таблица 4.5