- 1. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: изучить строение интерфазного ядра в фиксированных препаратах. Рассмотреть особенности строения ядер клеток с различной функ- циональной активностью. Основными компонентами ядра являются: ядерная оболочка (кариолемма),хроматин, ядрышко, ядерный сок. При световой микроскопии ядерная оболочка представляет четкую, очер- ченную со стороны ядра и цитоплазмы линию. При рассмотрении схемы ультрамикроскопического строения ядра следует обратить внимание на особенности строения кариолеммы, на связь ее мембран с эндоплазма- тической сетью цитоплазмы. Разобраться в морфологической харак- теристике хроматина и его химическом составе. Хроматин в ядре может находиться в виде глыбок –конденсированный хроматин или быть рас- пыленным – дисперсный хроматин. Разное состояние хроматина явля- ется показателем биосинтетической активности клетки. Клетки, активно синтезирующие белок имеют ядро с дисперсным хроматином и хорошо развитым ядрышком. В ядрах клеток, не синтезирующих белок, хроматин конденсированный, ядрышки плохо заметны.
- 2. Контрольные вопросы: 1. Ядро. Понятие об интерфазном ядре. Структурные компоненты ядра по данным световой и электронной микроскопии: ядерная оболочка, хроматин, ядрышко, ядерный сок. Значение и функции ядра в жизнедеятельности клетки. 2. Ядерно-цитоплазматические соотношения в клетках с различным уровнем метаболизма. 3. Структура ядерной оболочки при СМ и ЭМ. Молекулярная организация и функциональное значение ядерной ламины. 4. Ядерная пора и ядерный поровый комплекс. Участие в ядерном импорте и экспорте веществ. 5. Хроматин интерфазного ядра. Эухроматин и гетерохроматин. Хроматин, как показатель биосинтетической активности клетки. 6. Молекулярная организация ДНК в хромосомах. Уровни укладки хроматина. Роль гистоновых белков в обеспечении структуры хроматина и реализации генетической информации. 7. Ядрышко. Структура ядрышка при СМ и ЭМ. Основные компоненты ядрышка. Роль ядрышка в синтезе рРНК и образовании рибосом. 8. Синтез и транспорт биополимеров в клетке. Клеточный конвейер при синтезе белка. Морфологическая характеристика клетки, синтезирующей белки. 9. Клеточный конвейер при синтезе углеводов и липидов. Морфологическая характеристика клетки, синтезирующей углеводы и липиды.
- 3. Препарат 1 . Структуры ядра. Яичник. Окраска гематоксилин- эозином. Под малым увеличением сделать общий обзор микропрепарата,найти рас- тущий фолликул с яйцеклеткой. Под большим увеличением найти крупную округлую клетку – яйцеклетку и рассмотреть структуру ядра. Обратить вни- мание на ядерную оболочку, ядрышко, состояние хроматина. Нарисовать яйцеклетку и обозначить структуры интерфазного ядра. Изучить электрон- нограмму ядра. Зарисовать строение кариолеммы и ядерного порового комплекса.
- 4. Препарат 1 . Структуры ядра. Яичник. Яйцеклетка. Окраска гематоксилин-эозином
- 5. Препарат 2. Поджелудочная железа. Окраска гематоксилин- эозином. Клетка, синтезирующая белок. Под малым увеличением сделать общий обзор микропрепарата и найти экзокринную часть поджелудочной железы. Под большим увеличением рассмотреть одну клетку, обратив внимание на наличие в ядре ядрышка и эухроматина, отметить базофилию цитоплазмы в базальной части клетки и оксифилию в апикальной.
- 6. Препарат 2. Поджелудочная железа. Окраска гематоксилин-эозином. Клетки, синтезирующие белки
- 7. Препарат 3. Печень. Гликоген в клетках печени. ШИК-реакция. Клетка, синтезирующая углеводы. Под малым увеличением сделать общий обзор микропрепарата и найти группу гепатоцитов. Под большим увеличением рассмотреть в цитоплазме гепатоцита глыбки гликогена красно-фиолетового цвета.
- 8. Препарат 3. Печень. Гликоген в клетках печени. ШИК-реакция. Клетка, синтезирующая углеводы.
- 9. Препарат 4. Липидные включения в клетках печени. Окраска осмиевой кислотой. Клетка, синтезирующая липиды. Под малым увеличением сделать общий обзор микропрепарата и найти группу гепатоцитов. Под большим увеличением рассмотреть цитоплазму гепатоцита, обратив внимание на капли липидов,окрашенные в черный цвет.
- 10. Препарат 4. Липидные включения в клетках печени. Окраска осмиевой кислотой. Клетки, синтезирующие липиды.
Синтез белка
Важнейшие функции организма: обмен веществ, развитие, рост,
движение – осуществляются биохимическими реакциями с участием белков.
Поэтому в клетках непрерывно синтезируются белки: белки-ферменты, белки-
гормоны, сократительные белки, защитные белки.
Первичная структура белка (порядок расположения аминокислот в белке) закодирована в молекулах ДНК. Каждый триплет (группа из трех соседних нуклеотидов) кодирует на нити ДНК одну определенную аминокислоту из двадцати.
Последовательность триплетов на нити ДНК представляет собой генетический код.
Зная последовательность триплетов на нити ДНК, то есть генетический код, можно установить последовательность соединения аминокислот в белке.
К настоящему времени расшифрованы триплеты для всех двадцати
аминокислот.
Например
Аминокислоту лизин кодирует на нити ДНК триплет ТТТ.
Аминокислоту триптофан кодирует триплет АЦЦ и т.д.
В одной молекуле ДНК может быть закодированы несколько разных белков. Участок ДНК, на котором закодирован белок, называют геном.
Участки ДНК отделяются друг от друга специальными триплетами, которые являются знаками препинания. Они означают начало и окончание синтеза белка.
Поскольку ДНК,в которой хранится генетическая информация о белке не
принимает непосредственного участия в синтезе белка, содержится в ядре, а
синтез белка происходит в цитоплазме на рибосомах, существует посредник-
иРНК. иРНК считывает генетическую информацию о белке с участка ДНК и
передает эту информацию с нити ДНК на рибосому. иРНК синтезируется на участке ДНК по принципу комплементарности.
Напротив азотистого основания аденин (А) на нити ДНК располагается урацил
(У) на нити иРНК, напротив азотистого основания тимин (Т) на нити ДНК
располагается аденин (А) на иРНК, напротив азотистого основания гуанин (Г)
на нити ДНК располагается цитазин (Ц).
Процесс считывания иРНК генетической информации о белке с участка ДНК называется транскрипцией. Этот процесс протекает как матричный синтез, так как одна из нитей ДНК является матрицей.
Синтез белка происходит на рибосомах. На нити иРНК располагается обычно группа рибосом. Такую группу рибосом называют полисомой.
Рибосомы продвигаются на нити иРНК от триплета к триплету.
Каждый триплет на нити иРНК кодирует одну определенную аминокислоту из
двадцати аминокислот.
Транспортные РНК присоединяют определенные аминокислоты (каждая тРНК присоединяет одну определенную аминокислоту) и приносит их к рибосомам.
При этом антикодон каждой тРНК должен быть комплементарен одному
из триплетов (кодонов) на иРНК.
Например
Антикодон АГЦ на тРНК должен быть комплементарен кодону УГЦ на нити иРНК. рРНК вместе с белками –ферментами учавствует в соединении аминокислот друг с другом, в результате чего на рибосомах синтезируется определенный белок.
Этот процесс называется трансляцией.
Достигнув конечного участка на нити иРНК, рибосомы отделяются от нити РНК. Отсинтезированная молекула белка имеет первичную структуру. Затем она приобретает вторичную, третичную и четвертичную структуры.
В синтезе белка принимают участие большое кол-во ферментов. На синтез белка расходуется энергия АТФ.
Белок затем поступает в каналы эндоплазматической сети, в котором транспортируется к определенным участкам клетки.
Представляют собой тельца, ограниченные билипидной мембраной и содержащие электронноплотный матрикс, состоящий из набора
гидролитических белков-ферментов (более тридцати видов гидролаз), способных расщеплять любые полимерные соединения (белки, жиры, углеводы), их комплексы на мономерные фрагменты.
Функция лизосом - обеспечение внутриклеточного пищеварения, т. е. расщепление как экзогенных, так и эндогенных биополимерных веществ.
Классификация лизосом:
1) первичные лизосомы - электронно-плотные тельца;
2) вторичные лизосомы - фаголизосомы, в том числе аутофаголизосомы;
3) третичные лизосомы или остаточные тельца.
Истинными лизосомами называют мелкие электронноплотные тельца, образующиеся в пластинчатом комплексе. Пищеварительная функция лизосом начинается только после слияния с фагосомой (фагоцитируемое вещество, окруженное билипидной мембраной) и образования фаголизосомы, в которой смешиваются фагоцитируемый материал и лизосомальные ферменты. После этого начинается расщепление биополимерных соединений фагоцитированного материала на мономеры - аминокислоты, сахара. Эти молекулы свободно проникают через мембрану фаголизосомы в гиалоплазму и затем утилизируются клеткой - идут на образование энергии или построение новых внутриклеточных макромолекулярных соединений. Некоторые соединения не могут быть расщеплены ферментами лизосомы и поэтому выводятся из клетки в неизмененном виде при помощи экзоцитоза (процесс обратный фагоцитозу). Вещества липидной природы практически не расщепляются ферментами, а накапливаются и уплотняются в фаголизосоме. Данные образования были названы третичными лизосомами (или остаточными тельцами).
В процессе фагоцитоза и экзоцитоза осуществляется рециркуляция мембран в клетке: при фагоцитозе часть плазмолеммы отшнуровывается и образует оболочку фагосомы, при экзоцитозе эта оболочка вновь встраивается в плазмолемму. Поврежденные, измененные или устаревшие собственные органеллы клетки утилизируются ею по механизму внутриклеточного фагоцитоза с помощью лизосом. Вначале эти органеллы окружаются билипидной мембраной, и образуется вакуоль - аутофагосома. Затем с ней сливается одна или несколько лизосом, и образуется аутофаголизосома, в которой осуществляеся гидролитическое расщепление биополимерных веществ, как и в фаголизосоме.
Пероксисомы
Пероксисомы - микротельца цитоплазмы (0,1-1,5 мкм), сходные по строению с лизосомами, однако отличаются от них тем, что в их матриксе содержатся кристаллоподобные структуры, а среди белков-ферментов содержится каталаза, разрушающая перекись водорода , образующуюся при окислении аминокислот.
СИСТЕМА ВНУТРИКЛЕТОЧНЫХ ЦИСТЕРН, РАЗНОВИДНОСТИ. ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ КОНВЕЙЕР СИНТЕЗА БЕЛКОВ, ЖИРОВ И УГЛЕВОДОВ: КОМПОНЕНТЫ, ЗНАЧЕНИЕ.
Система внутриклеточных цистерн, в которых накапливаются вещества, синтезированные клеткой, носит название комплекса (аппарата) Гольджи. Комплекс Гольджи представляет собой скопление цистерн, собранными в небольшой зоне. Отдельная зона скопления этих цистерн называется диктиосомой. Цистерны располагаются в виде стопки. Между стопками располагаются тонкие прослойки гиалоплазмы. В центре мембраны цистерн сближены, а на периферии могут иметь расширения (ампулы). Кроме плотно расположенных плоских цистерн в зоне аппарата Гольджи наблюдается множество вакуолей. Мелкие вакуоли отшнуровываются от расширений на краях плоских цистерн. Принято различать в зоне диктиосомы проксимальный, или формирующийся цис-участок и дистальный, или зрелый, транс-участок. В секретирующих клетках аппарат Гольджи обычно поляризован: с одной стороны мембранные мешочки непрерывно образуются, а с другой – отшнуровываются в виде пузырьков. Цистерны аппарата Гольджи связаны с канальцами ЭПР.
Внутриклеточный конвейер :
рибосома- эндоплазматическая сеть - комплекс Гольджи
ЯДРО КЛЕТКИ: МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ, УЛЬТРАМИКРОСКОПИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ИНТЕРНФАЗНОГО ЯДРА.
Ядро является важнейшим компонентом клетки, содержащим ее генетический аппарат.
Функции ядра:
1 хранение генетической информации (в молекулах ДНК, находящихся в хромосомах);
2 реализацию генетической информации, контролирующей осуществление разнообразных процессов в клетке - от синтетических до запрограммированной гибели (апоптоза);
3 воспроизведение и передачу генетической информации (при делении клетки).
Обычно в клетке имеется только одно ядро, однако встречаются многоядерные клетки, которые образуются вследствие деления клеток, не сопровождающегося цитотомией, или слияния нескольких одноядерных клеток (последние правильнее называть симпластами).
Форма ядра различных клеток неодинакова: встречаются клетки с округлым, овальным, бобовидным, палочковидным, многолопастным, сегментированным ядром; нередко на поверхности ядра имеются вдавле-ния. Чаще всего форма ядра в целом соответствует форме клетки: оно обычно сферическое в клетках округлой или кубической формы, вытянутое или эллипсоидное в призматических клетках, уплощенное -в плоских.
Расположение ядра варьирует в разных клетках; оно может лежать в центре клетки (в клетках округлой, плоской, кубической или вытянутой формы), у ее базального полюса (в клетках призматической формы) или на периферии (например, в жировых клетках).
Величина ядра относительно постоянна для каждого типа клеток, однако она может меняться в определенных пределах, увеличиваясь при усилении функциональной активности клетки и уменьшаясь при ее угнетении.
Компоненты ядра. В ядре неделящейся (интерфазной) клетки выявляются кариолемма (ядерная оболочка), хроматин, ядрышко и кариоплазма (ядерный сок). Как будет видно из дальнейшего изложения ,
хроматин и ядрышко представляют собой не самостоятельные компоненты ядра, а являются морфологическим отражением хромосом, присутствующих в интерфазном ядре, но не выявляемых в качестве отдельных образований.
Ядерная оболочка
Ядерная оболочка (кариолемма) на светооптическом уровне практически не определяется; под электронным микроскопом обнаруживается, что она состоит из двух мембран - наружной и внутренней, - разделенных полостью шириной 15-40 им (перинуклеарным пространством) и смыкающихся в области ядерных пор.
Наружная мембрана составляет единое целое с мембранами грЭПС - на ее поверхности имеются рибосомы, а перинуклеарное пространство соответствует полости цистерн грЭПС и может содержать синтезированный материал. Со стороны цитоплазмы наружная мембрана окружена рыхлой сетью промежуточных (виментиновых) филаментов .
Внутренняя мембрана - гладкая, ее интегральные белки связаны с ядерной пластинкой - ламиной - слоем толщиной 80-300 нм, состоящим из переплетенных промежуточных филаментов (ламинов), образующих кариоскелет. Ламина играет очень важную роль в: (1) поддержании формы ядра; (2) упорядоченной укладке хроматина; (3) структурной организации паровых комплексов; (4) формировании кариолеммы при делении клеток.
Ядерные поры занимают 3-35% поверхности ядерной оболочки. Они более многочисленны в ядрах интенсивно функционирующих клеток и отсутствуют в ядрах спермиев. Поры (см. рис. 3-19) содержат два параллельных кольца (по одному с каждой поверхности кариолеммы) диаметром 80 нм, которые образованы 8 белковыми гранулами. От этих гранул к центру сходятся фибриллы, формируйте перегородку (диафрагму) толщиной около 5 нм, в середине которой лежит центральная гранула (по некоторым представлениям, это - транспортируемая через пору субъединица рибосомы). Совокупность структур, связанных с ядерной порой, называется комплексом ядерной поры. Последний образует водный канал диаметром 9 нм, по которому движутся мелкие водорастворимые молекулы и ионы. Гранулы поровых комплексов структурно связаны с белками ядерной ламины, которая участвует в их организации.
Ядерная оболочка в клетках животных и человека содержит до 2000-4000 поровых комплексов. В ядро из цитоплазмы через них поступают синтезированные белки, в обратном направлении переносятся молекулы РНК и субъединицы рибосом.
Функции комплекса ядерной поры:
1. Обеспечение регуляции избирательного транспорта веществ между цитоплазмой и ядром.
2. Активный перенос в ядро белков, имеющих особую маркировку в виде так называемой последовательности ядерной локализации -Nuclear Localization Sequence (NLS), распознаваемой рецепторами NLS (в комплексе поры).
3. Перенос в цитоплазму субъединиц рибосом, которые, однако, слишком велики для свободного прохождения пор; их транспорт, вероятно, сопровождается изменением конформации перового комплекса.
Хроматин
Хроматин (от греч. chroma - краска) мелкие зернышки и глыбки материала, который обнаруживается в ядре клеток и окрашивается основными красителями. Хроматин состоит из комплекса ДНК и белка и соответствует хромосомам, которые в интерфазном ядре представлены длинными, тонкими перекрученными нитями и неразличимы как индивидуальные структуры. Выраженность спирализации каждой из хромосом неодинакова по их длине. Различают два вида хроматина - эухроматин и гетерохроматин.
Эухроматин соответствует сегментам хромосом, которые деспирализованы и открыты для транскрипции. Эти сегменты не окрашиваются и не видны в световой микроскоп.
Гетерохроматин соответствует конденсированным, плотно скрученным сегментам хромосом (что делает их недоступными для транскрипции). Он интенсивно окрашивается основными красителями, и в световом микроскопе имеет вид гранул.
Таким образом, по морфологическим признакам ядра (соотношению содержания эу- и гетерохроматина) можно оценить активность процессов транскрипции , а, следовательно, синтетической функции клетки. При ее повышении это соотношение изменяется в пользу эухроматина, при снижении - нарастает содержание гетерохроматина. При полном подавлении функции ядра (например, в поврежденных и гибнущих клетках, при ороговении эпителиальных клеток эпидермиса - кератиноцитов, при образовании ретикулоцитов крови) оно уменьшается в размерах, содержит только гетерохроматин и окрашивается основными красителями интенсивно и равномерно. Такое явление называется кариопикнозом (от греч. karyon - ядро и pyknosis - уплотнение).
Распределение гетерохроматина (топография его частиц в ядре) и соотношение содержания эу- и гетерохроматина характерны для клеток каждого типа, что позволяет осуществлять их идентификацию
как визуально, так и с помощью автоматических анализаторов изображения. Вместе с тем, имеются определенные общие закономерности распределения гетерохроматина в ядре: его скопления располагаются под кариолеммой, прерываясь в области пор (что обусловлено его связью с ламиной) и вокруг ядрышка (перинуклеолярный гетерохроматин), более мелкие глыбки разбросаны по всему ядру.
Тельце Барра - скопление гетерохроматина, соответствующее одной Х-хромосоме у особей женского пола, которая в интерфазе плотно скручена и неактивна. В большинстве клеток оно лежит у кариолеммы, а в гранулоцитах крови имеет вид маленькой добавочной дольки ядра ("барабанной палочки"). Выявление тельца Барра (обычно в эпителиальных клетках слизистой оболочки полости рта) используется как диагностический тест для определения генетического пола (обязателен, в частности, для женщин, участвующих в Олимпийских Играх).
Упаковка хроматина в ядре. В деконденсированном состоянии длина одной молекулы (двойной спирали) ДНК, образующей каждую хромосому, равна в среднем, около 5 см, а общая длина молекул ДНК всех хромосом в ядре (диаметром около 10 мкм) составляет более 2 м (что сравнимо с укладкой нити длиной 20 км в теннисный мячик диаметром около 10 см), а в S-период интерфазы - более 4 м. Конкретные механизмы, препятствующие спутыванию этих нитей во время транскрипции и репликации, остаются нераскрытыми, однако очевидна необходимость компактной упаковки молекул ДНК, В клеточном ядре это осуществляется благодаря их связи со специальными основными (гистоновыми) белками. Компактная упаковка ДНК в ядре обеспечивает:
(1) упорядоченное расположение очень длинных молекул ДНК в небольшом объеме ядра;
(2) функциональный контроль активности генов (вследствие влияния характера упаковки на активность отдельных участков генома.
Уровни упаковки хроматина
(рис. 3-20). Начальный уровень упаковки хроматина, обеспечивающий образование нуклеосомной нити
диаметром 11 нм, обусловлен намоткой двойной нити ДНК (диаметром 2 нм) на блоки дисковидной формы из 8 гистоновых молекул (нуклеосомы).
Нуклеосомы разделены короткими участками свободной ДНК. Второй уровень упаковки также обусловлен гистонами и приводит к скручиванию нуклеосомной нити с формированием хроматиновой фибриллы
диаметром 30 нм. В интерфазе хромосомы образованы хроматиновыми фибриллами, причем каждая хроматида состоит из одной фибриллы. При дальнейшей упаковке хроматиновые фибриллы образуют петли (петельные домены)
диаметром 300 нм, каждый из которых соответствует одному или нескольким генам, а те, в свою очередь, в результате еще более компактной укладки, формируют участки конденсированных хромосом, которые выявляются лишь при делении клеток.
В хроматине ДНК связана помимо гистонов также и с
негистоновыми белками,
которые
регулируют активность генов.
Вместе с тем, и гистоны, ограничивая доступность ДНК для других ДНК-связывзающих белков, могут участвовать в регуляции активности генов.
Функция хранения генетической информации в ядре в неизмененном виде имеет исключительно важное значение для нормальной жизнедеятельности клетки и всего организма. Подсчитано, что при репликации ДНК и в результате ее повреждений внешними факторами в каждой клетке человека ежегодно происходят изменения 6 нуклеотидов. Возникшие повреждения молекул ДНК могут исправляться в результате процесса репарации или путем замещения после распознавания и маркировки соответствующего участка.
В случае невозможности репарации ДНК при слишком значительных повреждениях включается механизм запрограммированной гибели клетки (см. ниже). В этой ситуации "поведение" клетки можно оценить как своего рода "альтруистическое самоубийство": ценой своей гибели она спасает организм от возможных негативных последствий репликации и амплификации поврежденного генетического материала.
Способность к репарации ДНК у взрослого человека снижается примерно на 1% с каждым годом. Это снижение может отчасти объяснить, почему старение является фактором риска развития злокачественных заболеваний. Нарушения процессов репарации ДНК характерно для ряда наследственных болезней, при которых резко повышены как чувствительность к повреждающим факторам, так и частота развития злокачественных новообразований.
Функция реализации генетической информации в интерфазном ядре осуществляется непрерывно благодаря процессам транскрипции. Геном млекопитающих содержит около ЗхЮ 9 нуклеотидов, однако не более 1% его объема кодирует важные белки и принимает участие в регуляции их синтеза. Функции основной некодирующей части генома неизвестны.
При транскрипции ДНК образуется очень крупная молекула РНК (первичный транскрипт), которая связывается с ядерными белками с образованием рибонуклеопротеинов (РНП). В первичном РНК-транскрипте (как и в матричной ДНК) имеются дискретные значащие последовательности нуклеотидов (экзоны), разделенные длинными некодирующими вставками (нитронами). Процессинг РНК-транскрипта включает отщепление нитронов и стыковку экзонов - сплайсинг (от англ, splicing - сращивание). При этом очень крупная молекула РНК превращается в достаточно мелкие молекулы иРНК, отделяющиеся от связанных с ними белков при переносе в цитоплазму.Лизосомы: строение, значение. Аппарат внутриклеточного переваривания.
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. Название отдельных видов лизосом основано на наличии в их просвете морфологически распознаваемого материала;
в его отсутствие используется общий термин лизосома. После переваривания содержимого лизосомы образующиеся низкомолекулярные вещества диффундируют через ее мембрану в гиалоплазму.
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 с светлый или умеренно плотный матрикс. Оно 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 липофусциновые гранулы - мембранные пузырьки диаметром 0.3-3 мкм, содержащие трудно-растворимьш коричневый эндогенный пигмент липофусцин. Под электронным микроскопом липофусциновые гранулы представляют собой структуры вариабельной формы, содержащие липидные капли, плотные гранулы и пластинки. В связи с их накоплением в некоторых клетках (нейронах, кардиомиоцитах) при старении, липофусцин рассматривают как "пигмент старения" или "изнашивания".
Секреция лизосомальных ферментов за пределы клетки осуществляется у остеокластов - клеток, разрушающих костную ткань, а также фагоцитов (нейтрофилов и макрофагов) при внеклеточном переваривании различных объектов. Избыточная секреция этих ферментов может приводить к повреждениям окружающих тканей.
Роль гетерофагии в нормальной деятельности клеток и значение ее нарушений. Гетерофагия играет очень важную роль в функции клеток всех тканей и органов. Дефицит тех или иных лизо-сомальных ферментов (обычно обусловленный наследственными аномалиями) может приводить к развитию ряда заболеваний, вызванных накоплением в клетках непереваренных веществ (чаще всего гликогена, гликолипидов, гликозаминогликанов), которые нарушают их функцию (болезни накопления). При наиболее распространенных заболеваниях, относящихся к этой группе, повреждаются нейроны, макрофаги, фибро-бласты и остеобласты, что клинически проявляется разнообразными по тяжести нарушениями строения и функции скелета, нервной системы, печени, селезенки.
В почке в результате гетерофагии клетки захватывают белки из просвета канальцев и расщепляют их до аминокислот, которые далее возвращаются в кровь. Гетерофагия в клетках щитовидной железы (ти-роцитах) обеспечивает отщепление йодсодержащих гормонов от белковой матрицы и последующее всасывание их в кровь. Нарушение процесса гетерофагии в указанных клетках вызывает тяжелые расстройства функции этих органов.
Особое значение Гетерофагия имеет для клеток , осуществляющих защитную функцию, в основе деятельности которых лежит поглощение извне и переваривание частиц или веществ. Так, фагоциты (макрофаги и нейтрофильные лейкоциты) захватывают и переваривают микроорганизмы, попадающие в ткани макроорганизма или на их поверхность (например, эпителия слизистых оболочек). При отсутствии или недостаточной активности лизосомальных ферментов, разрушающих микробы (например, при ряде генетически обусловленных нарушений), эти клетки неспособны эффективно осуществлять защитные функции, что приводит к развитию тяжелых хронических воспалительных заболеваний.
Наиболее патогенные микроорганизмы ускользают от повреждающего действия фагоцитов, осуществляя это различным образом. Так, одни (например, возбудитель проказы) обладают устойчивостью к действию лизосомальных ферментов; другие микробы (например, возбудитель туберкулеза) способны подавлять процесс слияния фагосом с ли-зосомами, некоторые могут ускользать от разрушения, разрывая мембраны фагосом или лизосом.
Роль аутофагии в нормальной деятельности клеток и значение ее нарушений. Аутофагия обеспечивает постоянное обновление ("омоложение") клеточных структур благодаря перевариванию участков цитоплазмы, митохондрий, скоплений рибосом, фрагментов мембраны (убыль которых компенсируется их новообразованием). Этот процесс обновления в клетке тонко отрегулирован, причем каждый ее компо-
нент имеет определенную продолжительность жизни. Так, в нейронах пожилого человека, которые функционировали на протяжении многих десятилетий, большинство органелл не старше 1 мес. В клетках печени (гепатоцитах) большая часть цитоплазмы разрушается менее, чем за 1 нед. В некоторых случаях аутофагия может служить реакцией клетки на недостаточное питание. Частным случаем аутофагии является крино-фагия (от греч. krinein - отделяю, секретирую) - лизосомальное разрушение избытка невыведенного секрета в железистых клетках.ВЗАИМООТНОШЕНИЯ КЛЕТКИ С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ. ЭКЗОЦИТОЗ И ЭНДОЦИТОЗ: ВИДЫ И МЕХАНИЗМЫ.
Гликокаликс (поверхностный слой животных клеток) выполняет прежде всего функцию непосредственной связи клеток животных с внешней средой, со всеми окружающими ее веществами.
Плазматическая мембрана образует барьер, отграничивающий внутреннее содержимое клетки от внешней среды.
На поверхности микроворсинок происходит интенсивное переваривание и всасывание переваренной пищи.
1)Эндоцитоз - транспорт макромолекул, их комплексов и частиц внутрь клетки. При эндоцитозе определенный участок плазмалеммы захватывает, как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую за счет впячивания мембраны. В дальнейшем такая вакуоль, соединяя с лизосомой , ферменты которой расщепляют макромолекулы до мономеров.
Эндоцитоз разделяют на фагоцитоз (захват и поглощение твердых частиц) и пиноцитоз (поглощение жидкости). Путем эндоцитоза осуществляется питание гетеротрофных протистов, защитные реакции организмов (лейкоциты поглощают чужеродные частицы) и др.
2)Экзоцитоз (экзо - наружу), благодаря нему, клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли, или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Так выделяются пищеварительные ферменты, гормоны, гемицеллюлоза и др.
Клетки эукариот обладают развитой системой внутренних структур, окруженных мембранами, которые называются органеллами
Каждая органелла обладает уникальным составом (глико)протеинов и (глико)липидов и выполняет определенный набор функций
Каждая органелла содержит один или несколько компартментов, ограниченных мембранами
Органеллы выполняют свои функции автономно или в группах
При эндоцитозе и экзоцитозе переносимые белки (белки карго) транспортируются между компартментами через транспортные везикулы, которые образуются отпочковыванием от поверхности органеллы и затем сливаются с мембраной-мишенью акцепторного компартмента
Транспортные везикулы могут избирательно включать переносимый материал и исключать те компоненты, которые должны оставаться в органелле, из которой везикулы образовались
Селективное включение в везикулы обеспечивается сигналами, присутствующими в первичной структуре белка или в углеводной структуре
Транспортные везикулы содержат белки, которые направляют их к местам назначения и связывания. В дальнейшем везикулы сливаются с акцепторным участком мембраны
Компартменты, ограниченные мембранами в типичной клетке животных.Одной из характерных особенностей эукариотической клетки является присутствие в ней развитой системы внутренних структур, окруженных мембранами, которые называются органеллы. Для клеток эукариот характерно присутствие мембран, разделяющих их внутреннее содержимое на функционально-различные компартменты, тогда как все клетки живых организмов обладают наружной двухслойной мембраной.
Одно из преимуществ компартментализации состоит в том, что клетка имеет возможность создавать необходимое окружение для выполнения функций, требующих определенного химического состава среды.
На проиллюстрировано строение и разнообразие органелл , имеющих мембрану, которые обычно присутствуют в эукариотической клетке (в данном случае в типичной животной клетке). Каждая органелла содержит один или несколько компартментов. Например, эндоплазматический ретикулум (ЭПР) представляет собой один компартмент; напротив, аппарат Гольджи состоит из нескольких окруженных мембранами компартментов, обладающих определенными биохимическими функциями.
Для митохондрии характерны два компартмента , матрикс и межмембранное пространство, содержащие набор определенных макромолекул.
Цитозоль может считаться одним компартментом , ограниченным плазматической мембраной и находящимся в контакте с наружной частью мембраны всех внутриклеточных органелл. Цитоплазма состоит из цитозоля и органелл. Аналогичным образом, нуклеоплазма ограничена внутренней ядерной мембраной.
Каждая органелла содержит уникальный набор белков (как мембранных, так и растворимых), липидов и других молекул, необходимых для выполнения ее функций. Некоторые липиды и белки ковалентно связаны с олигосахаридами. По мере роста и деления клеток должны синтезироваться их новые компоненты, необходимые для роста, деления и окончательного распределения внутриклеточного материала между двумя дочерними клетками. При дифференцировке и развитии клетки, а также в ответ на воздействие таких внешних факторов, как стресс, происходит синтез компонентов органелл.
Однако компоненты не всегда образуются в той органелле, где они функционируют. Обычно различные макромолекулы образуются в сайтах, специально предназначенных для их синтеза. Например, большинство белков образуются на рибосомах цитозоля, который является оптимальной средой для функционирования рибосом и синтеза белка.
Возникает следующий вопрос: каким образом компоненты органелл попадают в места их функционирования? С начала 1970-х гг. этот вопрос являлся центральным в клеточной биологии. Как следует из рисунке ниже, существует, по крайней мере, восемь основных типов органелл, каждая из которых состоит из сотен или тысяч различных белков и липидов.
Экзоцитоз и эндоцитоз.
В экзоцитозе участвуют эндоплазматический ретикулум (включая ядерную оболочку)
и аппарат Гольджи (представлена одна стопка цистерн).
Эндоцитоз происходит с участием ранних и поздних эндосом и лизосом.
Все эти молекулы должны транспортироваться в органеллы, в которых они выполняют свои функции. Большинство образуется в цитозоле, и поэтому возникает вопрос: как они доставляются в соответствующие органеллы или же выходят из клетки, если принадлежат к секретируемым белкам? Во многих случаях ответом на этот вопрос служит наличие в молекуле белка специальных сигналов, обычно называемых сигналами сортировки или сигналами адресования. Они представляют собой короткие последовательности аминокислот, присутствующие в первичной структуре тех белков, которые должны быть локализованы не в цитозоле. Каждый адрес назначения белковой молекулы связан с одним или несколькими различными видами сигналов.
Сигналы сортировки узнаются специальными системами клетки по мере продвижения белка к месту назначения. Как показано на рисунке ниже, существует два основных транспортных механизма: экзоцитоз (или секреторный путь) и эндоцитоз, при котором материал (карго) транспортируется из клетки и в клетку соответственно.
Для всех вновь синтезированных белков , предназначенных для секреции из клетки, или для поступления в органеллы путем экзо- или эндоцитоза на мембране ЭПР существует общая точка входа. Сигналами к транслокации белка через мембрану ЭПР служат сигнальные последовательности. В настоящей главе мы рассмотрим сигналы сортировки, которые направляют белки к местам их назначения.
Находясь в ЭПР , белок не может транспортироваться через цитоплазму, и единственным путем его попадания в другие органеллы, окруженные мембранами, является везикулярный транспорт. Транспортные везикулы в основном состоят из белков и липидов и, как говорят, «отпочковываются» от мембраны. После того как везикула отпочковалась, она сливается со следующим компартментом, находящимся на ее пути. Компартмент, из которого возникла везикула, обычно называется донорский компартмент (или исходный компартмент), а компартмент назначения (или целевой) обычно называется акцепторный компартмент.
Транспортные везикулы прямым или непрямым путем переносят белки из ЭПР ко всем остальным компартментам на пути экзо- или эндоцитоза. При эндоцитозе везикулы образуются на плазматической мембране. Эти везикулы транспортируют заключенный в них материал в эндосомы, из которых образуются другие везикулы, переносящие материал в другие компартменты. Таким образом, состав транспортных везикул различается в зависимости от их происхождения и компартмента назначения.
Везикулярный транспорт создает проблему для органелл, с которыми обмениваются везикулы. Для нормального функционирования должен поддерживаться определенный внутренний состав органелл. Однако каким образом этого можно достичь, если везикулы все время изменяют этот состав? Масштаб проблемы становится очевидным при расчете эффективности транспорта. По пути эндоцитоза количество мембранных белков и липидов, эквивалентное их общему содержанию в плазматической мембране, способно транспортироваться через органеллы менее чем за час. Если сравнить со временем, необходимым для синтеза новой органеллы (обычно один день), то такая скорость впечатляет.
Решение этой проблемы связано с селективностью транспортного процесса. При отпочковывании в везикулу проходят только те белки, которые необходимо транспортировать. Резидентные белки органеллы в везикулу не попадают. Везикула удерживает эти белки и передает их следующей, находящейся на пути везикуле. Для поддержания гомеостаза между органеллами, по своей природе везикулярный транспорт всегда должен быть двунаправленным, т. е. компоненты донорского компартмента не должны непрерывно переноситься в акцепторный компартмент.